[科普中國]-元素帝國的無冕之王憑啥玩轉(zhuǎn)世界？

一張簡潔的元素周期表，一部世界通用的科學“圣經(jīng)”。她承載了宇宙的浩瀚、生命的精巧以及科學的縝密……門捷列夫的思想光輝賦予了周期表玩轉(zhuǎn)世界的力量。值此紀念元素周期表誕生150周年之際，謹向那些為元素周期表建設做出貢獻的大師們致以崇高的敬意！

球形周期表

（圖片來源：https://www.meta-synthesis.com/webbook/35_pt/pt_database.php?PT_id=53）

周期表橫空出世

門捷列夫花了幾年功夫潛心研究和收集元素數(shù)據(jù)，并把每個元素分別寫在紙片上，在卡片上寫上原子量以及相關信息，從而制成了一副由63張牌組成的“撲克牌”。

元素紙牌（圖片來源：rainbowresource.com）

日復一日，年復一年，門捷列夫一直擺弄著他的“撲克牌”。有一次，他接連擺弄了三天三夜，以至于對前來拜訪的老朋友都不屑一顧。慢慢地，他發(fā)現(xiàn)了原子量在元素分類中的重要意義。

門捷列夫的手稿（圖片來源：澎湃新聞網(wǎng)截圖）

關于門捷列夫周期表的出世，流傳的版本很多，其中在睡夢中產(chǎn)生周期律思想的說法流傳最廣。有人說這就是靈感的魅力，其實靈感就是人們智力的一種特殊表現(xiàn)形式，它不會偶然地憑空產(chǎn)生和迸發(fā)，只有長期執(zhí)著一念忘我探索的人才有可能突發(fā)靈感。事實上，門捷列夫周期律思想的孕育大約經(jīng)歷了十來年的時間。真可謂是“十年磨一表”呀！

門捷列夫在工作

（圖片來源：https://baike.so.com/doc/5621598-5834215.html）

歷史會銘記，1869年2月17日，是門捷列夫化學元素周期表的誕生日。一個月后，俄羅斯化學會收到了門捷列夫的一份科學報告，題目就是《元素的性質(zhì)與其原子量的關系》。這實際上就是門捷列夫發(fā)現(xiàn)的化學元素周期律。門捷列夫的這一發(fā)現(xiàn)刊發(fā)在俄國化學會會刊的第一卷上。

但是，對于門捷列夫的周期律，贊成者有之，質(zhì)疑者也不在少數(shù)。

“無冕之王”的靈感啟蒙

門捷列夫（1834年-1907年)出生于西伯利亞的托博爾斯克。1850年，門捷列夫隨母親輾轉(zhuǎn)來到圣彼得堡，在一所師范學院開始了教師培訓。1857年，門捷列夫擔任圣彼得堡大學化學系副教授。1859年至1861年間，門捷列夫被公派出國，先后在巴黎的勒納爾特等地學習。1861年，門捷列夫回到圣彼得堡。1869年，門捷列夫成為圣彼得堡大學的普通化學教授，繼續(xù)進行化學元素方面的研究創(chuàng)新。

在當時，人們對元素的認識支離破碎，沒有權(quán)威的化學教科書。門捷列夫立志當一名好老師，因此決定寫一本像樣的化學教科書。

門捷列夫（圖片來源：維基百科）

然而，那時人們對于元素的認識還是十分模糊的，原子量的精確測量也都是難題，這些都限制了人們對于元素整體關系的探索。這個時候，他想起了曾為他點亮“心燈”的老前輩。

1860年的一次學術交流會議，是周期表發(fā)展歷史上的一個重要節(jié)點。這一年的9月，第一屆國際化學大會在德國卡爾斯魯厄舉行。來自許多國家的化學精英們出席了大會，并就化學界的一些前沿問題進行了激烈的討論，年輕的門捷列夫有幸參加了這次大會。

會議結(jié)束時，意大利藥劑師卡尼扎羅向與會者分發(fā)了一份關于元素原子重量的決定性文件?？嵩_是阿伏加德羅氣體定律的支持者，并將其應用于原子量計算。

卡尼扎羅提出的原子量清單，在當時為已知最為準確的原子量清單。阿伏加德羅的思想光輝令門捷列夫的心里亮堂了許多，那份清單同樣也對門捷列夫醞釀周期律產(chǎn)生了重要影響。

元素周期表的誕生之路

對于元素周期表的研究，門捷列夫不是第一人，也不是最后一人。元素周期表的演進，凝聚了一代代科學家的智慧。

法國著名化學家拉瓦錫首次將元素定義為基本物質(zhì)，并于1789年出版了第一個元素表。他的元素表共列出了當時已知的33種元素，但實際上只包含了23種元素，因為他把一些非單質(zhì)以及光和熱也列為了元素。拉瓦錫關于元素的定義以及元素表的出版，為近代化學的發(fā)展奠定了基礎。

拉瓦錫的元素表

（圖片來源：參考文獻[1]）

1803年，英國化學家道爾頓為了解釋化學實驗現(xiàn)象，創(chuàng)立了一種新的原子理論。他還發(fā)表第一張原子量表，為后人測定元素原子量奠定了基礎。

尚庫爾圖瓦斯（De Chancourtois）為法國的一名地質(zhì)學家，于1862年發(fā)表了一個被稱為“地螺旋”（Telluric Screw）的周期律方案。這是一個卓越的立體形式的發(fā)明，雖然引起了地學工作者的興趣，但是沒有引起化學工作者的興趣。直到1869年門捷列夫周期表發(fā)表之后才被科學界廣泛認可。

尚庫爾圖瓦斯“地螺旋”周期律方案

（圖片來源：http://dataphys.org/list/telluric-screw-of-de-chancourtois/）

1864年，英國科學家紐蘭茲設計的元素周期表，是根據(jù)元素的相對原子量進行分類的。他發(fā)現(xiàn)周期律與八音律有著異曲同工之妙，因此將該周期表命名為“八度律”。然而，這篇論文受到當時英國學術界的嘲笑，英國化學會也拒絕刊載這篇論文。

1869年，一位名叫邁耶的德國化學家與門捷列夫幾乎同時各自發(fā)明了自己的周期表，并且都是按照原子量進行排列的。只是邁耶對物理性質(zhì)的周期性印象更深，而門捷列夫?qū)瘜W性質(zhì)更感興趣。然而，邁耶周期表的發(fā)表還是比門捷列夫慢了半拍。

在創(chuàng)建元素周期表的賽跑中，也許造就了許多個英雄，但是“第一”只有一個。實際上，門捷列夫也是一個集大成者，是站在巨人的肩膀上走向科學之巔的。即便如此，門捷列夫被譽為“元素帝國”的無冕之王也是當之無愧的。

門捷列夫之所以成為勝利者，源于他對化學的精通，以及具有洞察力的直覺，更重要的他那具有深邃內(nèi)涵的思想之光。除此之外，他還十分重視宣傳自己的周期律。

門捷列夫演講入場券

（圖片來源：http://www.rsc.org/news-events/features/2019/jan/finding-the-periodic-table/）

誕生于化學沃土的門捷列夫元素周期表，經(jīng)受住了來自日后的各種考驗，并被應用于幾乎所有的自然科學領域。有學者斷言，如果有一天，人類要與宇宙中其他文明進行對話，那張漂亮別致的周期表也許就是地球文明的一個“標簽”。

成功預測****贏得口碑

為每個元素都找到一個“家”，是門捷列夫進行元素排列的基本目標，但并不是“居者有其屋”那么簡單。

門捷列夫的周期表是按照元素的原子量從輕到重進行編排的，并且性質(zhì)會發(fā)生周期性變化。門捷列夫的高明之處，還在于他在“元素帝國大廈”中為未知元素預留了“房間”。

“元素帝國”大廈

（圖片來源：http://www.sohu.com/a/147050938_489486）

門捷列夫?qū)υ劓?、鈧和鍺的成功預測，就是他贏得口碑的一個重要原因。

密封在真空安瓿中的鎵（圖片來源：維基百科）

1875年，法國化學家布瓦博德蘭從閃鋅礦中發(fā)現(xiàn)了鎵元素，元素符號定為Ga，中文名為“鎵”。門捷列夫預測的比重為5.9—6克/立方厘米，而發(fā)現(xiàn)者測定的比重為4.7克/立方厘米。1876年5月，法國科學院在院刊上公布了布瓦博德蘭關于鎵的新發(fā)現(xiàn)。不久，布瓦博德蘭就收到了門捷列夫?qū)憗淼男偶胖姓f讓他重新測定一下鎵的比重。

于是，布瓦博德朗把鎵提純之后重新進行了測量，鎵的比重實測值為5.96，與門捷列夫的預測十分吻合！布瓦博德朗甚是驚訝，他還寫信對門捷列夫表示感謝。此事在歐洲的震動很大，門捷列夫贏得了很好的口碑，自然擴大了他的周期表的影響力。

而若干年之后，發(fā)現(xiàn)鈧和鍺的喜訊也相繼傳來。1879年，瑞典化學家尼爾森從鐿土中發(fā)現(xiàn)了鈧元素；1886年，德國化學家文克勒從硫銀鍺礦中發(fā)現(xiàn)了鍺元素。并且，鈧和鍺的理化性質(zhì)都與門捷列夫的預測相一致，從而為門捷列夫周期律的科學性提供了有力的證據(jù)。

收編“惰性一族”贏得最終勝利

說起門捷列夫的最終勝利，還真的有點戲劇色彩。門捷列夫的元素周期表原本是沒有為惰性氣體預留空間的?？衫俘R等人在19世紀90年代的發(fā)現(xiàn)，著實讓門捷列夫有點措手不及。

拉姆齊是一個實驗高手，為1904年諾貝爾化學獎得主。1894年，拉姆齊等人分離出了氬元素，第二年他又發(fā)現(xiàn)了氦元素，接著還發(fā)現(xiàn)了氖、氪和氙。這些元素都非常低調(diào)，不能與其他元素結(jié)合。拉姆齊對門捷列夫的周期律有著深刻的理解，并以高超的技術測量了這些元素的原子量。按理，氦應當排在氫與鋰之間，然而卻沒有這一族。

門捷列夫塑像

（圖片來源：https://learnodo-newtonic.com/dmitri-mendeleev-facts）

其實，門捷列夫比拉姆齊更著急。自己精心設計的“元素帝國大廈”，眼看就要被這些“不倫不類”的氣體給摧毀，能不著急嗎？！他認為，像氬氣這樣的新氣體，根本就“不合群”，似乎不適合放在我的周期表中。

然而，氦、氖、氬、氪、氙的行為又有驚人的相似處，即都是非常惰性的，并且它們的原子量又呈規(guī)律性的增加。所以，門捷列夫?qū)χ芷诒硐到y(tǒng)進行了一次最大的修改，專門為惰性氣體設置了一個新專欄。

而門捷列夫從拒絕到收編“惰性一族”，使得門捷列夫周期律的科學性得到了進一步證明。1906年，門捷列夫在生前最后一版《化學原理》一書中把“惰性一族”排進了周期表。

周期律走向世界

門捷列夫的成功，使其在國際上享有了極高的聲譽。于是，各種演講邀請紛至沓來。門捷列夫通過這些演講和講座，結(jié)識了科學界的許多精英，同時也擴大了周期表的國際影響。他的經(jīng)典著作《化學原理》分上、下兩卷出版，上卷收錄了氫、氧、氮、碳等8種常見的元素，下卷收錄了剩余的55種元素?！痘瘜W原理》被譯成多種文字，與元素周期表一起流傳了150年，從而把周期律推向了全世界。

門捷列夫的《化學原理》（圖片來源：澎湃新聞網(wǎng)截圖）

而中國近代著名科普出版家、翻譯家杜亞泉創(chuàng)辦的《亞泉雜志》，則為元素周期表在我國的傳播做出了重要貢獻。1900年創(chuàng)刊號刊發(fā)的《化學原質(zhì)新表》，介紹了當時已被確認的76種元素。1901年第6期刊發(fā)的《化學周期律》，系統(tǒng)介紹了門捷列夫元素周期律。

杜亞泉(1873-1933)

（圖片來源：https://baike.so.com/doc/8704958-9027098.html）

《亞泉雜志》（創(chuàng)刊號）刊發(fā)的《化學原質(zhì)新表》

（圖片來源：2009-02-26《科學時報》）

我們知道，最初的門捷列夫周期表是按照原子量的大小進行排列的，同時考慮了化學性質(zhì)的相似性。而現(xiàn)代元素周期表是按照原子序數(shù)來排列的。從原子量到原子序數(shù)，看似差別不大，實際上是一個質(zhì)的飛躍。英國著名物理學家和化學家莫斯利（1887年-1915年），對物理學和化學做出的最大貢獻就是發(fā)現(xiàn)了原子序數(shù)這一概念。原子序數(shù)等于質(zhì)子或電子的數(shù)量。雖然戰(zhàn)爭奪去了這位天才科學家的年輕生命，然而他的原子序數(shù)概念卻為改進元素在周期表中的排列方式提供了科學依據(jù)。

門捷列夫的周期律雖然取得了巨大的成功，但是對于周期律背后的秘密并不清楚，這也是門捷列夫十分糾結(jié)的一個問題。1913年，英國物理學家莫斯利提出的原子序數(shù)的概念，對于門捷列夫之前的直覺提供了確切的實驗基礎，從而使得元素在周期表的排序更為精確。

莫斯利及其周期表（圖片來源：slideplayer.com）

莫斯利根據(jù)元素的原子序數(shù)而不是原子量將元素周期表重新進行排列之后，顯示了一些未被發(fā)現(xiàn)的空缺位置（如43號、61號、72號和75號）?，F(xiàn)在，這些序數(shù)的元素均已被發(fā)現(xiàn)，分別為锝、钷、鉿和錸。

與時俱進的周期表

我們現(xiàn)在使用的周期表，看上去與門捷列夫早期的周期表相差甚遠，這就是周期表與時俱進的結(jié)果。無數(shù)科學家在這個過程中付出了辛勤和汗水。

門捷列夫曾說過：“規(guī)律永遠是一些變數(shù)的適應，就像代數(shù)中變數(shù)和函數(shù)的關系一樣。”言外之意是說，我的周期表也難以突破時代的局限，因此需要后人來揭示元素規(guī)律的真諦。

門捷列夫早期的周期表

（圖片來源：davidjohnewart.com，紅圈為筆者所加，內(nèi)有問號）

細心的讀者可能會發(fā)現(xiàn)，在門捷列夫最初的周期表中，有好幾個元素的質(zhì)量都被打上了問號。困擾了門捷列夫一生的“原子量顛倒問題”，終于隨著同位素和中子的發(fā)現(xiàn)而變得迎刃而解了。

周期表的最后一次完善是由格倫？西博格完成的。西博格為1951年諾貝爾化學獎得主，先后發(fā)現(xiàn)了元素钚、镅、鋦、锫、锎、锿、鐨、鍆和锘，并把錒系元素置于鑭系元素之下，重新配置了元素周期表。

西博格

（圖片來源：http://www.achievement.org/achiever/glenn-t-seaborg-ph-d/）

元素周期表

（圖片來源：https://www.thoughtco.com/element-families-606670）

門捷列夫的周期表奠定了現(xiàn)代元素周期表的基礎。150年來，周期表已經(jīng)在科學、技術、社會三個維度上發(fā)揮了重要作用。也許還有人在為諾獎拒絕門捷列夫而憤憤不平，而今年全世界都來為周期表慶賀生日，是不是口碑要勝過獎杯呢？

參考文獻：

[1]凌永樂.《化學元素周期系史話》，化學工業(yè)出版社，2011年版。

[2]李紹山，王斌，王衍荷.《化學元素周期表漫談》，化學工業(yè)出版社，2011年版。

[3]（日）宮村一夫編著，張琳譯.《化學元素大研究》，人民郵電出版社，2014年版。