門捷列夫版元素周期表是如何誕生的?這得從打牌說起!

門捷列夫版元素周期表是如何誕生的？

門捷列夫是周期表的創始人，但為何之前無人發現這一規律呢？他當時又是怎麼找到周期律的呢？

1867年，經歷了整整六年的農奴制改革，沙俄帝國百廢待興，期待進步，聖彼得堡大學請來了一名年輕的傑出「海龜」，擔任普通化學教授。這位大鬍子一開始倒也勤勤懇懇，準備講義，沒多久，一本厚達500頁的巨著《化學原理》上半部已經新鮮出爐。可是當他翻閱自己的手稿時卻不禁皺起了眉頭，這厚厚的一疊竟然才講了8種元素。（可比我能侃多了^_^）

接下來6個禮拜，他一邊跟校方商談延期交稿，另一邊卻躲在實驗室裡一個人玩起了紙牌，讓人大跌眼鏡。

▲玩紙牌玩成科學，真可謂是史上第一人。

這個大鬍子「海龜」就是大名鼎鼎的德米特裡*門捷列夫，他的童年充滿了悲劇：出生於寒冷的西伯利亞，家裡共有14個孩子，他是最小的那個，13歲那一年父親去世，母親為了填飽家裡這麼多張嘴，接管了當地的玻璃工廠。幾年後工廠因一場大火而燒毀，母親回首望去，家裡大大小小一幫熊孩子就沒幾個會數數的，好在還有小兒子德米特裡聰明伶俐。

▲偉大的母親：瑪利亞*門捷列夫。

戰鬥民族的女人就是不一樣，她二話沒說，把小兒子捆在馬背上，騎著馬翻過了白雪皚皚的烏拉爾山脈，飛奔2000公裡，把兒子送到了莫斯科，希望能進首都的一所精英大學。沒想到招生辦鐵青著臉：「請出示莫斯科戶口本。」硬是把這位頑強的母親擋在門外，她只好捆著小兒子繼續飛奔600公裡，一路向北，來到了聖彼得堡，求爺爺告奶奶，總算讓小門捷列夫進入了亡父的母校，他剛登記入學，這位偉大的母親就因過度勞累而去世了。

▲門捷列夫母親的偉大長徵！成就了自己的兒子，也成就了全人類。

門捷列夫不負眾望，果然天資聰穎，才華橫溢，順利完成學業。畢業之後他又前往巴黎和海德堡求學，在海德堡，他遇到了當時最富盛望的化學家本生，接觸了本生發明的分光鏡，天底下竟然有這麼神奇的東西，只要用它做一下光譜分析就會發現新元素！

可惜的是，他並沒有跟本生處理好關係，後來雙方各執一詞，本生認為門捷列夫脾氣古怪，而門捷列夫則不喜歡本生實驗室裡難聞的煙霧。總之，短暫的海德堡之旅結束了，門捷列夫成為「海龜」，回到了落後的俄國，開始寫他的《化學原理》。

▲門捷列夫：咱年輕的時候也是「海龜」一個。

我在寫這部《元素家族》的時候，能臆想到門捷列夫當年在起草《化學原理》時候的情境，可比我現在沒有頭緒多了。

當時只發現了62種元素，它們性質各異，有一到水裡就著火的鉀鈉兄弟，也有嗆人的氯，有輕的可以做氣球的氫，也有重的可以做秤砣的鉛。它們互相結合，更是形成了成千上萬種化合物，這些化合物的性質就更加複雜和千變萬化。即使如此，化學家們對它們也已經研究的非常詳盡了。

然而，當這些專業的化學教授們站在講臺上時，卻沒有統一的標準。有人會先講氧元素，因為它的分布最廣；也有人認為應該先說氫，因為它是最輕的；還有人認為當然應該從鐵講起，因為這是最有用的元素；或者有人認為應該先說金，因為它最貴重。

化學家們面對的似乎是一片雜樹叢生、毫無秩序的密林，他們已經習慣於研究每一棵樹，細緻到樹上的葉子、切面的年輪，但如果你要問怎麼樣去更方便的描述這片密林，他們只會一棵一棵樹給你介紹，但具體從哪一棵樹開始，按照什麼樣的順序，完全得按照他的心情或者經驗。因為很少有人想過，這片密林竟然是有規律的。

▲這一大坨的元素，有啥規律嗎？

其實，也不是沒有人看出元素之間是有規律的，戴維發現了雙胞胎元素：鉀鈉兄弟，後來本生和基爾霍夫發現的銣銫兄弟也和它們很相似，這四種元素被稱為鹼金屬。類似的還有戴維發現的四種元素——鎂、鈣、鍶、鋇被稱為鹼土金屬。1842年，貝採尼烏斯為氟、氯、溴、碘四種元素提出一個術語「滷素」，意為：形成鹽。

但在當時，大部分化學家只把這些作為有趣的談資，他們更為享受趴在每棵「樹」上研究樹葉和年輪的細節，卻少有幾個人願意跳出密林，去看看這片密林究竟是什麼樣的。

▲滷素的幾種典型元素：氟氯溴碘。

門捷列夫就是這少有的幾個人裡的一個，他實在是對過去寫化學課本的方法看不下去，他總覺得應該有更好的方法去描述這片密林，讓學生們一目了然。

所以，他開始玩牌。

他玩的當然不是普通的撲克牌，當時每一張紙牌上都寫著元素的名字、顏色、熔點、沸點、比重、化合價等等，他想方設法把這些紙牌排列成「同花順」、「四個頭」等等，仍然是一頭霧水。終於有一天，他想：如果按照原子量排列起來呢？

▲傳說門捷列夫玩牌玩累了，夢見幾張牌自己跑到一起去了，他醒來以後立即記錄下來。最早體現出周期律的就是上圖這幾種元素。

他立即注意到，按照原子量排列，原子量為7的鋰是當時的第二個元素，原子量為23的鈉是第九個元素，再往後，鉀是第十六，這些活潑的鹼金屬恰好每隔七個元素出現一次。比較類似的，鹼土家族也是一樣，滷素也是如此。

就這樣，門捷列夫嘗試著把手上的牌塗成了紅橙黃綠青藍紫七色，排列成一個矩陣，這個元素密林終於清晰了很多，元素第一次有了隊形。

▲當時還沒有發現稀有氣體，不管是紅橙黃綠青藍紫，還是多來米發梭拉西，總歸是排起來了。

第一排樹是鹼金屬族，排頭的鋰最輕，也最安靜，落到水裡，只發出輕微的嘶嘶聲，而鈉就要比鋰更活潑一點，鉀丟到水裡簡直就要爆炸，而排在最後的銫，最重，也最容易跟別的物質化合，它在空氣裡，自己立刻就要燒起來。

而最後一排是滷素族，和鹼金屬族恰好相反，排頭最輕的氟化學性質最活潑，幾乎可以腐蝕任何物質，氯雖然腐蝕性也很強，但跟氟相比畢竟差了一個檔次，後面的溴更重，還是液體，腐蝕性就弱了很多，而最後的碘已經是固體，其反應活性只能用來做碘酒這種消毒劑了。

這樣一排序，這個雜亂無章的物質世界，竟然體現了驚人的統一性：周期律。

▲第一份完整的元素周期律。

好像這件事並沒有那麼複雜，不過是按照原子量的大小一個一個寫下去，周期律就自動出現了。為什麼其他化學家就沒去試一試呢？

其實問題遠沒有那麼簡單，道爾頓提出原子理論之後，做了大量的實驗去測量原子量。但是很可惜，他的結果大多數都是錯的。後來貝採尼烏斯用蓋呂薩克的氣體公式修正了一部分道爾頓的結果，大部分氣體元素的原子量搞定了，但仍有一些金屬元素的原子量跟真實偏差很大。可以想像，拿著一份錯誤的原子量登記表會排列出什麼樣的周期律。

另一方面，當時人們還只知道62種元素，再自信的化學家也不得不承認，一定還有一些元素沒有被發現。這就好像在排隊之前，有一些人開了小差，如果還用紅橙黃綠青藍紫給他們穿衣排隊的話，一切都亂了。

▲原子量，意為：相對原子質量。

63種元素，看似一團亂麻，無比糾結，但還是被門捷列夫解開了，這就是他天才的地方。

首先，既然原子量有誤，那麼大方向上我相信它，再根據每個元素的化學性質進行微調。比如當時碲的原子量是128，而碘的原子量是127，但顯然碘應該是滷素一族，而碲和硫、硒的性質更為相近，所以老門開始放炮：碲的原子量肯定錯了，應該在123-126之間。當時的老門還不知道同位素的概念，現在我們知道碲的準確原子量是127.6，當時的數字是沒錯的，門捷列夫用一個錯誤的假設蒙對了結論。

▲非金屬碲。

然後，門捷列夫更為激進，既然還有一些元素沒有被我們發現，那我就根據周期律排列現有的元素，然後給未知元素留下空格。

比如當時，如果按照原子量排列，鈦排在鈣的後面，但這樣的話，鈦就和硼、鋁在一族了。但是很明顯，硼和鋁是三價的，而鈦是四價的，所以老門大膽預言，鈣和鈦中間還有一種未知元素，他稱之為「艾卡硼」，「艾卡」來自梵語，意思是一，「艾卡硼」就是硼加一。

他更加大膽的預言，在鋅和砷之間，還有兩個未發現的元素，分別是「艾卡鋁」和「艾卡矽」。不僅如此，他還斷言這兩個未知元素各種各樣的性質，甚至說明了它們的原子量以及同別的元素結合而成的化合物。

▲第一份發表出的元素周期律。

1869年，門捷列夫提出他的周期律伊始，並未得到化學界足夠的重視。在主流化學界看來，門捷列夫的預言真是太狂妄了：「臆造一些不存在的元素，還寫到課本裡，這是科學還是魔術？」

幾年過去了，周期表中的空格還是空著，人們似乎已經遺忘了它們。

▲樣貌性格古怪的門捷列夫。

1875年，巴黎科學院的一次例會上，院士伍爾茲宣讀了一份他的學生列科克郵遞過來的信件：「8月27日，我在庇里牛斯山所產的閃鋅礦中發現了一種新元素……」

會場一下子沸騰了，新元素終於來了！

列科克是一位專業的光譜分析家，他親手繪製了35種元素的身份證——光譜。他在觀測一些鋅鹽溶液的時候，發現了一條陌生的紫色光線，他對比了所有已知的元素光譜，都沒有被記錄過。無疑，這裡有一種未知元素。他提議將將新元素命名為：「鎵」（gallium ），用以紀念他的祖國。因為法國的古稱就是高盧（Gaul）嘛。

列科克在郵寄給老師伍爾茲的信件裡還寫道：他會繼續往下研究，就目前的化學性質來看，鎵很像鋁。

▲法國科學家列科克，也是很多元素的發現者。

當巴黎科學院的會議記錄穿越千山萬水來到聖彼得堡的時候，門捷列夫的心情無比複雜！這麼多年，主流科學界對他理論的無視，成為他心裡的一塊大石頭。雖然他的理性告訴他：「我不會錯」，但長久的等待和煎熬也讓他自我懷疑過。此時此刻，他的預言終於成真了，這塊石頭終於能落地了，因為鎵就是他所預言的「艾卡鋁」。

他馬上提筆給巴黎科學院寫信：「鎵就是我預言的『艾卡鋁』，它的原子量接近68，比重在5.9左右，請你們研究一下吧……」

列科克這邊的數據是：原子量69.2，比重4.7。

全世界化學家的眼球都被吸引過來了，這實在是史上未見的好戲：一邊是辛辛苦苦在巴黎的實驗室裡擺弄他的燒瓶和試管，另一邊則是坐在聖彼得堡的書房裡玩紙牌瞎扯淡。大家寧可相信這是科學與神漢之爭，所有人都站在了列科克那一邊。

▲門捷列夫的預言和列科克實際的測量結果，從上到下的條目分別是：原子量、比重、熔點、氧化物、氧化物密度、氫氧化物的性質（兩性，類似鋁）。

可是門捷列夫不依不撓：「不對，比重肯定是5.9，可能你提純的物質還不夠純。」

正當所有人準備看笑話的時候，卻聽到了列科克讓他們大跌眼鏡的話：「是的，門捷列夫先生，您沒有錯，我們用了一大塊物質重新測量，確實是5.9！」

這真是周期律第一次偉大的勝利，門捷列夫終於翻身了！可是，這才只是開始呢。

▲俄羅斯，門捷列夫獎章。

1875年「鎵」的發現之後，門捷列夫一炮走紅。沒過幾年，尼爾森發現鈧，就是門捷列夫預言的「艾卡硼」。這時候再也沒有一個人把他的周期表當成魔術或者神學來看了，又過了幾年，門捷列夫和他的周期表在另一個新元素的發現史上達到了巔峰。

▲門捷列夫：讓我的巔峰時刻來的更猛烈些吧。

大約1885年左右，德國的弗萊堡地區發現了一座銀礦，品位很高。一大幫化學家立刻撲上去展開研究，其中的一位名叫溫克勒，他分析後指出，礦石的主要成分是硫化銀，但還有一種未知的新元素。1886年，溫克勒成功的將其分離出來，因為他是德國人，所以他用「日耳曼」來命名它：germanium，翻譯成中文就是「鍺」。1887年，為了嚴格測定這種鍺各方面的性能，他共搜羅了半噸弗萊堡的銀礦，等到他通過艱辛的實驗把一條又一條搞清楚之後，他發現這種新金屬和砷、鉍都有點類似。

當時元素周期表雖未像現在這樣成為標準，但因為「鎵」和「鈧」的預言成功也小有名氣了，溫克勒也想到能不能把他的新元素放到門捷列夫的表格裡面。

▲鍺的發現者：溫克勒。

元素周期表主要是按照原子量來排列的，等到溫克勒測出了鍺的原子量，他不禁驚呆了。鍺就是「艾卡矽」，門捷列夫十幾年前不僅預言了這種新元素的存在，更是把這種元素從頭到尾描述了一遍。更為恐怖的是，這些預言跟溫克勒的測定吻合的嚴絲合縫，幾乎一點不差：

▲門捷列夫的預言和溫克勒的實測，從上到下的屬性分別是：原子量、比重、熔點、顏色、氧化物形態、氧化物比重、氧化物活性、氯化物沸點、氯化物比重。

在這之前，還有一大群化學家對周期律嗤之以鼻：

「化學從來沒這麼玩過的。」

「誰見過不用試管燒瓶，光玩玩紙牌就能發現新元素，搞出新發現的？」

但鍺被發現之後，這些反對者再無話說，所有人都接受了周期律理論，這些元素性質各異絕非偶然，它們之間確實存在著嚴格的規律。

在門捷列夫之前的化學家們不可謂不努力，他們的工作可以說是在探險，而他們究竟能不能發現新元素，很大程度上取決於客觀條件，比如地球上元素的豐度，鋁和鎂在地球上這麼多，戴維等人不發現，也會很快有人發現它們；或者還依賴於物理學家提供的工具，比如戴維沒有電就發現不了化學性質活潑的金屬，本生沒有光譜分析，也發現不了銫銣這些微量元素。

▲本生在化學史上是一位可以與戴維平起平坐的人物。

現在，由於門捷列夫給所有化學家畫出了一張清晰的地圖。化學家們知道發現新元素的方向在哪裡，他們接下來要做的，就是將這張表裡的空白一個又一個填滿，這樣的效率會加快太多。化學家們再也不會做無用功，到不可能的地方去尋找新元素了。就好比現在有了精確的地圖，地理學家不會跑到撒哈拉大沙漠去尋找熱帶雨林，也不會跑到太平洋裡探索高山，因為那裡不可能有。同樣的，化學家也不會想方設法去鉀鈉中間尋找新的鹼金屬，更不會在氧和氟之間發現任何新的元素，因為這是周期律所不允許的。從1886年鍺被發現、元素周期律大獲全勝之後，只過了50多年，到了1939年二戰之前，這張周期表上就只剩下三個空格了。這真是來源於周期律的偉大指引！

▲1871年，門捷列夫出版的一套元素周期表，其中提到了眾多的未知元素。

人類的進步史上，門捷列夫的元素周期表乃是一座豐碑，但也不過是眾多的裡程碑之一。從古希臘時代開始，人類的認知從原始的自然哲學走向現代科學，使用的方法不過如此：發現——總結規律——再發現——打破規律——提出新規律——再發現。從伽利略時代至今，才不過500年，但人類社會的發展已經日新月異，把地球上相當大的一塊地皮翻新了好幾次。這一切發展的源動力還不是這些科學的方法嗎？這種科學方法發展到極致，就是愛因斯坦擲地有聲的語言：「理論決定了我們能觀察到什麼！」

很可惜的是，我們中國的祖先不可謂不聰明，也曾經製造過世界上最有分量的青銅器，在某幾個方向上也曾領先世界n多年，但跟西方的發展相比，總體而言是走上了另一條道路，我們的祖先太喜歡羅列事實，而不愛分析原因，總結規律。

▲《九章算術》VS《幾何原本》，哪個對世界影響大？

我們數學上有《九章算術》，只是幾百道數學題的羅列，而歐幾裡得的《幾何原本》則是建立了一個理論框架。

我們工程學上有《考工記》，有偉大的《天工開物》，也是一條條技術的列舉，沒有人願意去做牛頓、卡文迪許，因此現代的物理學、化學沒有誕生在中國。

甚至2000多年前我們偉大的孔子也只是述而不作，一部《論語》可謂是看到問題解決問題。而稍晚一點的亞里斯多德已經開始寫《物理學》和《形上學》了。

▲孔子VS亞里斯多德，一個述而不作，一個拼命著作。結果前者一直找不到工作，後者卻調教出了千古一帝：亞歷山大大帝！

看到了嗎？我們的祖先總是享受解決問題的樂趣，而缺乏對不同現象的規律總結。確實，解決複雜的問題需要超人的智慧，但發現規律以後，一連串的問題只是小case而已。這是否能解釋，現代科學沒有能誕生在中國，更因此中國從16世紀開始漸漸被西方屌絲逆襲，中華民族的痛苦經歷隨之而來。

要知道，我們祖先的這一套到現在還有很多遺毒呢，在很多生產、科研領域仍然有重實踐、輕理論之風。很多欠缺科學素養的管理者總是喜歡強調一些光輝的經驗，講一些玄幻故事，卻根本不管不顧過去的經驗在當前的情況下是否有可複製性。這無疑滋生了太多造神的土壤，想想過去那麼多年的經歷，難道我們被冤枉了嗎？

回到門捷列夫時代，其實老門在當時也不是沒有面臨挑戰，比如1868年讓遜發現的太陽元素——氦，這個元素在老門的周期表裡的哪個位置呢？

老門其實不怎麼相信這種元素，他認為太陽上的元素光譜可能跟地球上不太一樣，也有可能是鐵或者氧在高溫的太陽裡發出的光譜偏移了。

等到拉姆塞一下子發現了一長串新元素——惰性氣體家族，門捷列夫好像受到了最大的震驚，一開始，他堅決不願意承認這些新元素，因為它們在他的周期表上找不到位置。但很快，拉姆塞們告訴他：惰性氣體不是要打破元素周期律，而是對周期律最好的補充；惰性氣體的發現正是證明了周期律的正確性！

老門啊！你已經不是一個人在戰鬥了，你的元素周期律已經不屬於你自己，而是屬於全人類！

▲各元素的發現國，很遺憾，五星紅旗沒有出現。

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