作者:姚禹 来源:科技日报 发布时间:2019/3/29 14:40:38
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150岁了,这张表用科学揭示万物秩序

著名化学家门捷列夫和他的元素周期表手稿

“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……”一提到元素周期表,不少人都能想起自己在化学课堂上背诵元素排序的场景。这一张小小的表格,将物质世界中所有的元素囊括其中,将性质差异巨大、杂乱无章的化学元素排列得整整齐齐。那么,这张神奇的表格究竟是如何被制作出来的呢?

化学家们对元素分类问题的探索还要追溯到1789年。被称为近代化学之父的法国化学家拉瓦锡在他的《化学纲要》中对当时已知的33种元素分为气体、金属、非金属、土质四类,制作出第一张元素分类表。因为当时对元素的理解还相当有限,拉瓦锡的分类还是相对粗糙的,他也并没有关注到各个元素性质之间的规律性。

十九世纪初,英国化学家道尔顿提出了原子论,并被引入元素化学的研究。化学家们把元素的概念和原子量联系起来,尝试通过测各元素的原子量来建立一种更为精确的元素分类方式。1829年,德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”理论。他在当时已知的44种元素中选取了15种,并按照化学性质的相似程度将这些元素分成了5个“三元素组”。在“三元素组”中,中间元素的原子量等于前后两个元素原子量的算术平均值。因此德贝莱纳认为,元素的原子量与元素的化学性质之间一定存在着某种规律性。

1862年,法国地质学家尚古多提出了一种名为“螺旋图”的分类方法。他首先在圆柱体的表面上划一条与底面成45度角的螺旋线,并用垂线在圆柱体上分成16格。然后,他将螺旋线的出发点设为0,那么原子量为1的氢元素就标记在第一条垂线与螺旋线的交点上,以此类推,可以将已知的62种元素按原子量的大小顺序,依次标记在螺旋线与垂线的交点上。尚古多发现,性质相近的元素恰好出现在同一垂直母线上。在化学史上,尚古多被认为是第一个发现元素之间存在周期性规律的人。然而,当时的他并未收获到应有的荣誉。原因有些许荒诞,尚古多在论文中使用了太多的地质学术语,所以他的研究成果在很长时间内都没有得到来自化学界的重视。

在尚古多提出“螺旋图”三年之后,英国化学家纽兰兹于1865年独立提出了“八音律”分类法。他把62个元素的原子量按递增顺序排列,发现元素的性质存在着周期性的重复,即从任意一个元素算起,每到第八个元素就和第一个元素的性质相近。遗憾的是,不但当时保守的英国化学学会拒绝发表他的论文,纽兰兹还经受了很多来自同行的嘲讽。年轻的纽兰兹因此心灰意冷,退出了化学界,转行成了一名制糖工程师。

1867年,年仅33岁的门捷列夫教授成为圣彼得堡大学化学教研室的主任。门捷列夫早年有在德国和法国留学的经历,在游学海德堡期间,他一度有幸在大化学家本生的门下学习过,对当时欧洲化学界的前沿知识了如指掌。新官上任的门捷列夫干劲十足,他计划为俄国学生编写一部涵盖当时所有已知元素性质的化学教科书。

门捷列夫研究了前人提出的“三元素组”“螺旋图”“八音律”等分类方法,认为问题的关键在于加深对元素性质的理解。化学家对元素的信息掌握得越准确,制作出的分类表就越科学。于是,门捷列夫开始大量收集当时元素测定的论文,受到当时流行的纸牌游戏启发,他用空白卡片为每个元素制作了一张“身份证”,将已经被化学家们确认过的元素的原子量、化合价和化学性质一一填写进去。

在之后近两年的时间中,摆弄这些纸牌成了门捷列夫最重要的工作。他将六十多张元素卡片反复组合,按照化学性质的相似程度将元素分成不同的“牌组”,这些牌组也就是我们现在所说的元素族。门捷列夫按照原子量递增的顺序,将每一个牌组内的元素依次排列起来,他发现随着原子量的递增,元素的化学性质呈现出了明显的周期性变化。

经过细致整理和反复论证,1869年3月,门捷列夫在俄国化学学会上提交了题为《元素属性和原子量的关系》的论文。在这篇具有历史意义的论文中,门捷列夫公布了自己制作的元素周期表,并严密详实地阐述了元素周期律的基本观点。论文一出,顿时轰动了学界,门捷列夫编写的教科书《化学原理》更是一时洛阳纸贵,被翻译成了多种外国文字。

但门捷列夫对元素的探索并未就此止步,他在1871年的论文《化学元素的周期依赖关系》中修改了第一张元素周期表,为了更加凸显元素的周期性,把原来的周期表由竖行改成横排。凭借着对元素周期律的深刻认知,门捷列夫成为了化学界的“预言家”。他不但断言当时的一些原子量测定结果存在误差,而且预言出了“类铝”(镓)、“类硼”(钪)和“类硅”(锗)等当时尚未发现的元素。

在之后的几十年中,门捷列夫的这些预言被逐一证实。此后,填补元素周期表中的空白成为了各国化学家们争先恐后想要完成的任务。随着科学家对原子内部结构认识的加深,今天的元素周期表的编排依据已经从原子量修正为了原子的质子数。1955年,为了纪念门捷列夫的伟大贡献,美国科学家将通过原子撞击合成出的101号元素命名为钔(Md)。

元素周期律的发现无疑是化学史上的划时代事件。从此之后,化学研究不再只是局限于测定单一元素或化合物的性质,而是转向揭示每个元素之间的性质联系。元素周期律将所有的化学元素纳入一个完整的体系中,是对无机化学的一次大综合,化学因此得以进入一个系统化发展的全新时代。如果说牛顿力学揭示了宇宙万物在运动层面的规律,那么元素周期律则揭示了宇宙万物在物质层面的内在联系。元素周期律证明了物质世界具有统一性,用科学的语言描述了万物的秩序。从这一意义上说,元素周期律不仅是科学史上的伟大成就,更具有深刻的哲学意义。

今年是元素周期表诞生150周年,为了纪念这个“科学共同的语言”,联合国教科文组织将2019年定为“国际化学元素周期表年”。迄今为止,化学家们已经发现了118个元素。随着我们对物质世界认识的不断深入,相信在不久的将来,这张150周岁的表格还会再次更新。

 
 

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