發現元素周期規律的門捷列夫上一期我們說到，由於伏特的伏打電堆的發明，在戴維的不斷電解實驗中，不斷地發現了鹼金屬、鹼土金屬以及利用他所發現的鉀、鈉等金屬又制的了金屬鋁，並且進一步說明了之前的氯氣不含氧，是一種元素。至此，加上之前從遠古時期發現的元素，元素已經多達62種。到了1869年，法國科學家楊森在分析太陽光光譜時發現了一條未知的譜線，認為這是一種未知的元素，並且把它命名為「氦」。至此，人類發現的元素已經多達63種。與此同時，瑞典的大化學家貝採裡烏斯也進行了大量的原子量測定工作，他前後一共花了30年，最終獲得了較為精確的各原子的原子量數值。這個時候，就有人把這些元素從它們的原子量從小到大進行排序。這一排序，結果發現了一個很大的秘密。究竟是什麼秘密呢？筆者本期就和大家一起回到十九世紀中葉，一起感受這種元素周期律發現的豁然開朗。
發現最多元素的戴維
進行原子量精確測定的貝採裡烏斯1829年，當時德國化學家德貝萊納在前人發現的元素的基礎上進行歸納總結，他感到有幾種元素的性質差不多。例如，鋰、鈉、鉀。它們都可以和水反應生成相對應的苛性鹼，而且化學式都是XOH（X表示這幾種元素）。同樣的現象還表現在其它一些元素上，如氯、溴、碘等。它們的原子量似乎也呈現一種規律，那就是像鈉的原子量是鋰和鉀的原子量之和的一半，溴也是這樣。到了1862年，法國的尚古多就繪製了一張螺旋圖，這張螺旋圖就表示了元素原子量遞增時，其化學性質所呈現的一種規律性回歸的特點。1865年，英國的科學家紐蘭茲又發現，如果把當時發現的元素（大多數）按原子量排序的話，從任意一個元素算起，每數到第八個，則和這第一個元素的性質相似。
法國尚古多的螺旋形元素周期表種種跡象表明，元素的原子量大小和它們的化學性質存在著某種必然聯繫！就在這個時候，俄國的門捷列夫就在前人的研究基礎上，緊緊地抓住原子量、化學性質這兩個關鍵點進行梳理，他精心製作小卡片，把所有的元素的原子量和化學性質記錄在小卡片上。但是，當時的關於各個元素的性質描述並不是非常完備，門捷列夫所處的時代也不像今天有網絡，他想獲得信息的手段極為不方便。於是，為了徹底搞清楚元素的原子量和化學性質的關係，他不斷地走出教室，走出自己的實驗室，不斷去各地深造、考察。從1859年他去德國海德堡進行科學考察開始算起，倒1869年他發表關於元素化學性質和原子量之間關係的論文，他前後用了整整10年時間進行探索。他走過了法國、德國、比利時等國家，在許多大學、礦場、化工廠等地不斷考察，不斷進行不同原子量的親自測定，最後重新返回自己的實驗室，進行研究。在研究中他發現，有的時候，這些元素的原子量差異很大，但化學性質接近；有的時候，他發現元素的原子量很接近，但化學性質差異非常大。於是，就在已經發現的62種元素中，他不斷地尋找這些元素化學性質和原子量之間的關係。即使在今天，我們初中、高中化學的學習中，我們基本上了解較深的是主族元素，但副族元素，甚至到大學都不一定涉及。因為金屬元素的性質比主族元素更加複雜，其規律更加難以把握。因此，門捷列夫反覆考察，反覆比較，反覆琢磨，最終，他製成了第一份比較完備的元素周期表。
門捷列夫元素周期表的手稿就在門捷列夫的元素周期表中，門捷列夫甚至指出，某些元素，像金、鋨、銥、鉑等的原子量測定不準確，需要重新測定。
門捷列夫1871年公布的元素周期表在編制主族元素的周期表的時候，門捷列夫也不斷地進行思考，並留下許多空位，並認為這些是尚未發現的元素。例如，在他編到鈣的時候，由於鈣的原子量為40，而鈦的原子量是48，差別較大。而且鈦的化學性質和鋁等第三族元素的性質也不太像，於是他便留下了這樣的空白，並給出了原子量的預測。最終，門捷列夫的空白處不斷被後來者填補，越來越完善。
1869年，門捷列夫發表了《元素屬性和原子量關係》的論文，他總結了元素周期律和他所繪製的元素周期表。他認為，元素的化學性質和它們的原子量大小關係密切，而且隨著原子量增大，元素的化學性質有一種回歸性的周期變化。另外，門捷列夫指出，有一些未知的元素，一定當時沒有發現。最後，根據他指出的金的原子量測定不正確的經驗，門捷列夫認為，如果知道某些元素的同類元素，就可以對該元素的原子量進行修正，直到正確為止。
終於，許多元素在門捷列夫繪製了元素周期表之後不斷地被發現，並且被填補。
至此，我們對元素的性質的認識到了更加完善的地步。在這裡，筆者需要指出的是，從化學這一學科誕生，到不斷地發現新元素，一直到門捷列夫的元素周期表的誕生，這體現了哲學上的「量變」到「質變」的規律。可以說，技術、科學和哲學的發展是緊密相連的。首先，因為技術的進步，人們就可以採用新的工具進行更高級的科學研究。而更高級的科學研究則為更高級的理論產生提供更加豐富的科學事實依據。而新的更科學的理論，則進一步指導人們進行更高級的發現。時間發展到了21世紀，這張元素周期表不斷地被修正，直到變成今天我們中學、大學課本上的這個模樣。
今天的元素周期表至此，我們可以看出，從古代的人們對物質的「四元素」、「五行元素」等的樸素唯物主義，到波義耳的《懷疑派化學家》的誕生，到拉瓦錫開創的定量實驗，再到道爾頓的「原子說」以及貝採裡烏斯的原子量測定，加上元素發現大爆炸，最終誕生了元素周期表，人類對客觀世界的認識不斷的進步，無不體現了技術、科學和理論的完美結合。關於元素的故事遠遠沒有結束，筆者後面還要談及。
敬請關注，筆者下期繼續推出趣話化學史——催化劑的發現。