科學史上365天——元素周期表誕生

最神奇的表格

一張不足幾百字的表格，能把物質世界最深層次的秘密揭示出來，堪稱是個奇蹟。看到這張表格，人們突然發現，原來紛繁複雜、姿態萬千的大自然，竟然有如此簡單的一面。它顯示了自然界的簡潔、有序，還揭示出物質周期性的內在聯繫，令人叫絕。揭開大自然簡單、有序秘密的就是這張元素周期表，它的問世，徹底改變了人對自然界的看法，更促進了近代化學的發展。

從初中開始，這張表就開始折磨我們

更具傳奇性的門捷列夫

門捷列夫是周期表的主要創始人，但周期表並非是一下子從他頭腦中冒出來的，而是經過了十幾年的摸索才發現的！

在門捷列夫時代，人們所知的元素一共只有63種，對原子的結構更是一無所知，不僅元素大家族的信息不完整，許多元素所公認的原子量和化合價也並不準確。在這種情況下，確認出它們的周期關係並不容易。

1834年2月7日德米特裡·門捷列夫生於西伯利亞託博爾斯克，1856年獲得化學學位後，他擔任了彼得堡大學教師。在講授「基礎化學」時，他本可以年復一年、日復一日地照本宣科，但他卻對所講授的內容存有疑問：究竟為什麼不同元素有不同的化學性質？為什麼有些元素的性質彼此相近？有些又相差甚遠呢？元素的原子量與性質之間到底有什麼聯繫？為了尋求答案，他製作了像紙牌一樣的卡片，並把收集到的元素性質記錄在上面，還常常拿出這些卡片，邊翻看，邊琢磨。

門捷列夫已經是郵票中的人物了

1859年，門捷列夫去德國海德堡大學深造，在這兩年中，他集中精力研究物理化學。有心人容易捕捉到靈感，在赴德的第二年，從德國卡爾斯魯厄化學大會上，他得到了一個重要的啟示。後來他回憶說：「我的周期律決定時刻是1860年……，在這次會上，我聆聽了義大利化學家康尼查羅的演講……，一個想法湧上心頭，這就是元素的原子量遞增而使性質呈現周期性變化的想法。」說明此時，在探索元素間關係的時候，他悟出了一個重要線索，這就是原子量和元素性質周期性關係。

1862年，門捷列夫去巴庫油田考察，在對液體進行研究中，他又重測了一些元素的原子量，把得出的結果記錄在卡片上。1865年，獲得化學博士學位後，門捷列夫擔任彼得堡大學化學教授。兩年以後，他參與籌備法國工業展覽會的俄國展館，藉此機會，他參觀了法國、德國和比利時的許多化工廠和實驗室，令他大開眼界。

元素卡片魔術

門捷列夫在黑暗中長時間找不到方向，能帶給他一絲光亮的只有經他的雙手積累出來的一堆卡片。

在整理這些卡片時，他先按照原子量的大小把元素順序排開。他發現，性質相似的元素，原子量並不相近，原子量彼此接近的元素性質卻並不相同，元素的性質是否有著周期性呢？當他把性質相似的元素按著列排起來時，果然發現了周期性，令他茅塞頓開！十幾年的黑暗摸索，終於看到了一絲曙光，他立刻把這個靈感捕捉下來，寫出了第一個小表。依照現在的眼光，這個小表著實讓人看不懂，但對他來說，這是一縷照亮前進方向的光。這份表格發表在俄國化學學會會刊上，事實上，這時門捷列夫病了，這篇文章是由他的助手尼古拉·曼舒特金代他發表的。

這個手稿體現了門捷列夫的思路

1869年2月19日，門捷列夫終於排出了一個周期性的元素表。對著這張表格他做了仔細的研究，得到如下結論：無論是簡單物質還是化合物的性質，都應該與原子量周期變化有一定的依賴關係。

從周期表所處的位置，他大膽地指出了一些元素的原子量並不準確，如那時公認金的原子量是169.2，如果按照這個量，它應該排在鋨、銥和鉑的前面，因為當時它們的原子量分別是198.6、197.6和196.7，而門捷列夫堅持認為，金應該排在這3種元素的後面，它的原子量應該重新確定。果然，重測的結果鋨是190.9，銥是193.1，鉑是195.2，而金的原子量是197.2，證實了門捷列夫的論斷。就這樣，按照這張周期表，門捷列夫先後調整了17種元素的序列，重新測定一些元素的原子量。例如鈹的原子量從14調整到9，使元素按照相對質量周期性遞增的序位從H-Li-B-C-N- Be-O-F糾正為H-Li-Be-B-C-N-O-F。

最初的表和現在的表還有一定差距的

周期表的預言

就這樣，利用元素的原子量確定了周期表，又利用周期表核實了原子量，經這番調整，元素的周期性質如撥開雲霧見青天般地立刻呈現了出來。例如，從鋰到氟金屬性逐漸下降，非金屬性逐漸增強，從典型的金屬變成典型的非金屬；序列中的化合價也呈現了漸變的規律：從鋰到氮，正化合價從+1上升到+5，從碳到氟，負化合價從-4上升為-1。

最初的周期表上有很多的空格，門捷列夫從理論上不僅預言了11種尚未發現的元素，還預言出它們的重要性質。例如在鋅和砷之間有兩個空格，他預言出這兩個未知元素的性質分別具有類鋁和類矽的性質。在這一預言的4年後，法國化學家布阿勃朗用光譜分析法，從鋅礦中發現了鎵，這就是門捷列夫所預言的「類鋁」元素。鎵的發現充分地證明了元素周期律是自然界的一條客觀規律，為以後的元素研究、新元素的探索以及新物質、新材料的尋找提供了一個可遵循的規律。

還有最早的周期表

值得一提的是，在門捷列夫創建元素周期表的5年以前，即1864年，德國化學家邁耶爾已經發現了元素的周期律。在當年出版的《現代化學論》一書中，他就說過，「在原子量數字上存在著一定的規律性，這是毫無疑義的。」在這本書中，他還畫了一張跟門捷列夫的周期表非常相似的表格，後來又做了調整和補充，1870年，他得出一張比門捷列夫周期表還完整的元素周期表。然而，德國人謹慎小心的性格使他對這個重要發現遲疑不決，當時他說：「在差不多每天都有許多新事物出現的領域裡，任何概括性的新學說隨時會遭遇到一些事，這些新出現的事會把這一學說否定。這種危險是存在的……，因此我們必須特別小心。」1880年，當他見到門捷列夫發表的周期表以後，他坦言「我沒有足夠的勇氣，能像門捷列夫那樣深信不疑地做出預言。」這一謹慎，不僅使他錯過了首先發表，也失去了進一步發展的機會。

周期表規律的原理

後來，門捷列夫的周期表又經過了數次調整，特別是1905年經著名瑞士化學家維爾納改制之後，才變成現在的格式。但在當時，人們仍然不知道「原子序數」實在的物理意義。1913年，經英國物理學家莫斯萊確定，「原子序數」實際上是原子的核電荷數，從此，元素周期律被表述為元素性質隨核電荷數的遞增發生周期性的改變。

啟示錄

1. 門捷列夫一個靈感雖然據說來源於夢，但是沒有之前十幾年幾十年對本領域知識的深耕，是不可能做出合理的聯繫的。
2. 麥耶爾的故事也告訴我們：其實科技創新，最重要的不是你的技術能夠馬上服務大眾，關鍵在於一個字——新！只要足夠新，未來就能夠存在不斷進化的可能！

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希望你從知識中獲得能力，做真正的自己。——謝飛博士