從草圖到杰作：化學(xué)元素周期表演化史

編譯 許林玉

150年前，門捷列夫發(fā)現(xiàn)了化學(xué)元素之間的關(guān)系。

俄國化學(xué)家門捷列夫是首位發(fā)表元素周期表的人。元素周期表將已知元素按邏輯順序排列，并為尚未發(fā)現(xiàn)的元素預(yù)留了空間

每一個科學(xué)領(lǐng)域都有其鐘愛的周年紀(jì)念。對物理學(xué)來說，是1687年牛頓的《原理》一書出版的日子，該書介紹了牛頓運(yùn)動定律和引力定律；在生物學(xué)領(lǐng)域，是達(dá)爾文的《物種起源》（1859年）以及他的誕辰（1809年）；天文學(xué)愛好者則紀(jì)念1543年，哥白尼正是那個時候認(rèn)識到太陽是太陽系的中心。

而在化學(xué)界，沒有什么比元素周期表的起源更值得慶祝了。150年前的3月，俄國化學(xué)家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）創(chuàng)造了元素周期表。

對于化學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，門捷列夫的元素周期表如同會計師對電子表格一樣熟悉。它用大約100個包含符號和數(shù)字的正方形總結(jié)了一門完整的科學(xué)，列舉了構(gòu)成地球上所有物質(zhì)的元素，并將其按照能夠揭示其性質(zhì)的順序排列，從理論和實(shí)踐上為化學(xué)研究提供指導(dǎo)?；瘜W(xué)家彼得·阿特金斯（Peter Atkins）寫道：“元素周期表是化學(xué)領(lǐng)域最重要的貢獻(xiàn)?！?/p>

門捷列夫的周期表看起來像一張?zhí)貏e的圖表，但他想用這張表格來闡釋他發(fā)現(xiàn)的一個深刻的科學(xué)真理——周期律。該定律揭示了已知化學(xué)元素之間深刻的家族關(guān)系，門捷列夫也因此能夠預(yù)測那些尚未發(fā)現(xiàn)的元素的存在。這些化學(xué)元素按原子質(zhì)量的順序排列時，在規(guī)律性的間隔（或周期）內(nèi)表現(xiàn)出相似的性質(zhì)。門捷列夫稱：“在該定律公之于眾前，化學(xué)元素在性質(zhì)上只是零碎的偶然事實(shí)。有了周期律，我們第一次能夠在化學(xué)視野此前無法企及的地方看到未發(fā)現(xiàn)的元素?！?/p>

門捷列夫的元素周期表不僅預(yù)測了新元素的存在，還證實(shí)了原子的存在——這一觀點(diǎn)在當(dāng)時曾經(jīng)備受爭議。該表反映了亞原子結(jié)構(gòu)的存在，并預(yù)測了最終在量子理論中揭示的物質(zhì)規(guī)則背后的數(shù)學(xué)機(jī)制。憑借元素周期表，化學(xué)完成了從中世紀(jì)魔法神秘?zé)捊鹦g(shù)到嚴(yán)謹(jǐn)現(xiàn)代科學(xué)的轉(zhuǎn)變。

奠定基礎(chǔ)

傳說門捷列夫在一天之內(nèi)構(gòu)思并創(chuàng)建了元素周期表，這一天是俄歷1869年2月17日（世界上其他大部分地區(qū)為3月1日）。不過，這一說法可能有點(diǎn)夸張。在此前數(shù)年時間里，門捷列夫一直在考慮將這些元素分組。在這之前的數(shù)十年，其他化學(xué)家也曾多次考慮過元素之間的關(guān)系。

事實(shí)上，早在1817年，德國化學(xué)家約翰·沃爾夫?qū)さ仑惾R納（Johann Wolfgang D?bereiner）就注意到了元素組合的特性。在那段時期，正如英國教師約翰·道爾頓（John Dalton）在1808年提出的原子理論所描述的那樣，化學(xué)家們還沒有完全掌握原子的性質(zhì)。道爾頓在其著作《化學(xué)哲學(xué)新體系》中假設(shè)每一種基本物質(zhì)都由一種特殊類型的原子構(gòu)成，以此解釋化學(xué)反應(yīng)。

道爾頓提出，化學(xué)反應(yīng)在原子斷開或連接時會產(chǎn)生新的物質(zhì)。他推斷，任何特定元素都完全由一種原子組成，其質(zhì)量與其他原子不同。氧原子的質(zhì)量是氫原子的8倍，碳原子的質(zhì)量是氫原子的6倍。當(dāng)元素結(jié)合形成新的物質(zhì)時，可通過這些相關(guān)的原子量知識來計算。

然而，有些原子量道爾頓弄錯了——氧的質(zhì)量是氫的16倍，碳的質(zhì)量是氫的12倍。但他的理論使原子的概念變得有用，并引發(fā)了一場化學(xué)革命。在接下來的幾十年里，精確地測量原子量成了化學(xué)家們的首要任務(wù)。

在考慮原子的質(zhì)量時，德貝萊納指出，某些三元素組合（他稱之為三元組）顯示出一種特殊的關(guān)系。例如，溴的原子量介于氯和碘的原子量之間，這三種元素的化學(xué)性質(zhì)非常相似。鋰、鈉和鉀也是三元組。

其他化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了原子量和化學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系，但直到19世紀(jì)60年代，人們才對原子量有足夠的了解，并對其進(jìn)行了充分的測量，從而產(chǎn)生了更深刻的見解。在英國，化學(xué)家約翰·紐蘭茲（John Newlands）注意到，按照原子量遞增的順序排列已知元素，每八種元素的化學(xué)性質(zhì)就會重復(fù)出現(xiàn)。1865年，他在一篇論文中將這種模式稱為“八音律”（law of octaves）。但紐蘭茲的模式在前幾組元素之后就不太適用了，因此一位評論家建議他應(yīng)該試著將元素按字母順序排列。顯然，正如門捷列夫很快意識到的那樣，元素性質(zhì)和原子量之間的關(guān)系有點(diǎn)復(fù)雜。

粗略草圖：門捷列夫在元素周期表手寫草圖中，根據(jù)原子量對元素進(jìn)行排列，揭示了元素的周期律，展現(xiàn)了元素如何在一定的間隔或周期內(nèi)表現(xiàn)相似的性質(zhì)

一個有序的愿景：1869年出版的門捷列夫元素周期表是一張垂直的圖表，按原子量排列了63種已知元素，這種排列將性質(zhì)相似的元素放在了同一水平行上。圖表名稱意為“基于原子量和化學(xué)特性的元素體系草圖”

組織元素

1834年，門捷列夫出生于西伯利亞托博爾斯克，在眾多兄弟姐妹中排行17。他興趣廣泛，但追求卓越之路并非一帆風(fēng)順。在圣彼得堡的一所師范學(xué)院接受高等教育期間，他差點(diǎn)死于一場嚴(yán)重的疾病。畢業(yè)后，他進(jìn)入中學(xué)教書（這是他就讀師范學(xué)院獲得獎學(xué)金的要求）。在教授數(shù)學(xué)和科學(xué)的同時，他為了獲取碩士學(xué)位從事著研究工作。之后，他做過家庭教師和講師，還兼職寫過一些科普文章。

當(dāng)他回到圣彼得堡時，因?yàn)闆]有工作，所以寫了一本關(guān)于有機(jī)化學(xué)的操作手冊，希望能夠獲得一大筆現(xiàn)金獎勵。盡管成功的希望渺茫，但他卻獲得了回報——1862年，門捷列夫獲得獎金豐厚的杰米多夫獎。他還找到了編輯、翻譯和各種化學(xué)工業(yè)顧問的工作。最終，他重返研究領(lǐng)域，并在1865年獲得博士學(xué)位，隨后成為圣彼得堡大學(xué)的教授。

不久之后，門捷列夫發(fā)現(xiàn)自己要教無機(jī)化學(xué)。在儲備這個新領(lǐng)域（對他而言）的知識時，他對現(xiàn)有教科書感到失望，因此決定自己寫書。撰寫文本需要將元素進(jìn)行組織，所以他一直在思考如何最合理地排列它們。

1869年初，門捷列夫取得了重大進(jìn)展。他認(rèn)識到某些家族的相似元素的原子量有規(guī)律地增加，其他原子量大致相等的元素具有共同的特性。元素的原子量似乎是對它們進(jìn)行分類的關(guān)鍵。

根據(jù)門捷列夫自己的敘述，他把已知的63種元素的性質(zhì)分別寫在一張卡片上，以此來組織自己的想法。然后，通過一種化學(xué)紙牌游戲找到了自己努力尋找的模式。將卡片按原子量高低排列在垂直列中，在每一行中放入性質(zhì)相似的元素。就這樣，門捷列夫的元素周期表誕生了。3月1日，他畫好表格草圖后，寄給了印刷公司，并將其收錄在即將出版的教科書中。他很快撰寫了一篇論文，準(zhǔn)備提交給俄國化學(xué)會。

門捷列夫在他的論文中宣稱：“按原子量大小排列的元素具有明顯的周期性。根據(jù)所有這些比較，我得出了一個結(jié)論，原子量的大小決定元素的性質(zhì)?！?/p>

與此同時，德國化學(xué)家勞爾·梅耶（Lothar Meyer）也在研究如何組織這些元素。他繪制了一張類似于門捷列夫元素周期表的表格，而且可能比門捷列夫做得更早。不過，梅耶在元素周期表的發(fā)表方面被重重?fù)袅艘蝗?，首次將其發(fā)表的人是門捷列夫，更重要的是，門捷列夫利用自己的表格對未發(fā)現(xiàn)的元素做出了大膽預(yù)測。他在繪制表格時，注意到有幾張便條卡不見了，因此必須留出空白以使已知元素準(zhǔn)確對齊。在他的一生中，這些空白中有三個被之前未知的元素（鎵、鈧和鍺）所填滿。

門捷列夫不僅預(yù)測出這些元素的存在，而且準(zhǔn)確、詳細(xì)地描述了它們的性質(zhì)。例如，發(fā)現(xiàn)于1875年的鎵，其原子量為69.9（當(dāng)時的測量結(jié)果），密度是水的6倍。門捷列夫曾預(yù)測過一種原子量為68的元素，他稱之為準(zhǔn)鋁。他還預(yù)測了準(zhǔn)硅，其原子量（72）和密度（5.5）與鍺（發(fā)現(xiàn)于1886年，原子量和密度分別為72.3和5.469）非常接近。此外，他正確地預(yù)測了含氧和氯的鍺化合物的密度。

門捷列夫的元素周期表成了神諭，這就像拼字游戲結(jié)束時揭示了宇宙的秘密。門捷列夫的預(yù)測為他奠定了化學(xué)魔法大師的傳奇地位。但是今天，歷史學(xué)家們爭論的是，預(yù)測元素的發(fā)現(xiàn)是否促使人們更容易接受他的周期律。這項定律之所以得到認(rèn)可，可能更多是因?yàn)樗軌蚪忉屢呀?jīng)確立的化學(xué)關(guān)系。無論如何，門捷列夫的預(yù)測準(zhǔn)確性無疑使人們注意到了他那張表格的優(yōu)點(diǎn)。

到19世紀(jì)90年代，化學(xué)家們普遍認(rèn)為他的元素周期律是化學(xué)知識領(lǐng)域的里程碑。1900年，未來的諾貝爾化學(xué)獎得主威廉·拉姆齊（William Ramsay）稱其為“化學(xué)領(lǐng)域迄今為止最偉大的總結(jié)”。但門捷列夫做這件事的時候，并不知道它為什么會起作用。

1922年，物理學(xué)家尼爾斯·玻爾對元素周期表進(jìn)行了修訂

數(shù)學(xué)地圖

科學(xué)史上的許多事例中，基于新方程的重大預(yù)測都被證明是正確的。在一定程度上，數(shù)學(xué)在實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)之前就揭示了一些自然界的秘密，例如反物質(zhì)和宇宙膨脹。在門捷列夫的例子中，對新元素的預(yù)測是在沒有任何創(chuàng)造性數(shù)學(xué)的情況下進(jìn)行的。但事實(shí)上，門捷列夫發(fā)現(xiàn)了一幅深奧的自然數(shù)學(xué)地圖，因?yàn)樗谋砀穹从沉肆孔恿W(xué)的含義，而量子力學(xué)又是支配原子結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)規(guī)則。

門捷列夫在他的教科書中指出，構(gòu)成原子的物質(zhì)的內(nèi)部差異可能是元素周期性重復(fù)的原因。但他并沒有遵循這一思路，事實(shí)上，多年來他一直在大談特談原子理論對他的周期表有多重要。

有人讀懂了表格上的信息。1888年，德國化學(xué)家約翰內(nèi)斯·維斯里辛努斯（Johannes Wislicenus）宣稱，按質(zhì)量排列元素性質(zhì)的周期性表明原子是由規(guī)則排列的更小粒子組成的。所以從某種意義上說，門捷列夫的周期表確實(shí)預(yù)測了原子復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（并對此提供了證據(jù))，而當(dāng)時沒有人知道原子的真正面貌，甚至根本不知道它們是否存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾創(chuàng)制的1922年版元素周期表改編自丹麥化學(xué)家朱利葉斯·湯姆森（Julius Thomsen）的元素周期表，其中性質(zhì)相似的元素排列在同一水平行，并用線條連接。右邊的空框標(biāo)記了一組預(yù)期出現(xiàn)的元素，這些元素在化學(xué)性質(zhì)上類似于前一列中的稀土元素（編號為58～70）

到1907年門捷列夫去世時，科學(xué)家們已經(jīng)知道原子包括不同的組成部分：帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的某種物質(zhì)，從而使原子呈電中性。1911年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）發(fā)現(xiàn)了原子核。此后不久，曾與盧瑟福共事的物理學(xué)家亨利·莫斯萊（Henry Moseley）證明，原子核中正電荷的數(shù)量（即原子包含的質(zhì)子數(shù)，或其“原子序數(shù)”）決定了元素周期表中元素的順序。

原子量與莫斯萊的原子序數(shù)關(guān)系非常密切——按質(zhì)量排序的元素與按數(shù)量排序的元素只有幾個位置有所不同。門捷列夫曾經(jīng)堅持認(rèn)為這些質(zhì)量是錯誤的，必須重新測量，而他在某些情況下的確是對的。雖然一些差異仍然存在，但莫斯萊用原子序數(shù)對元素周期表進(jìn)行了修正。

大約在同一時期，丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）發(fā)現(xiàn)，量子理論支配著原子核周圍電子的排列，而最外層的電子決定元素的化學(xué)性質(zhì)。

外層電子的類似排列會周期性地重復(fù)，這就解釋了門捷列夫的元素周期表最初揭示的模式。1922年，玻爾根據(jù)電子能量的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果（以及一些來自周期定律的指導(dǎo)）創(chuàng)建了他自己的元素周期表。

玻爾的元素周期表增加了1869年之后發(fā)現(xiàn)的元素，但本質(zhì)上與門捷列夫發(fā)現(xiàn)的周期性排列相同。門捷列夫在對量子理論一無所知的情況下，創(chuàng)建了一張反映量子物理學(xué)所規(guī)定的原子結(jié)構(gòu)的周期表。

玻爾的新表既不是門捷列夫最初設(shè)計的周期表的第一個不同版本，也不是最后一個版本。如今，已經(jīng)設(shè)計并發(fā)表的元素周期表版本達(dá)數(shù)百個?，F(xiàn)代版本為水平設(shè)計，與門捷列夫最初的垂直版本形成鮮明對比，但直到第二次世界大戰(zhàn)后才廣泛流行起來，這在很大程度上歸功于美國化學(xué)家格倫·西博格（Glenn Seaborg）的工作。他是科學(xué)服務(wù)學(xué)會的長期會員，該學(xué)會是《科學(xué)新聞》雜志的最初出版者。

西博格和他的合作者們合成了一些原子序數(shù)超過鈾的新元素（鈾是周期表中最后一個自然生成的元素）。西博格發(fā)現(xiàn)，需要在周期表中增加一行才能排列這些超鈾元素（加上排在鈾前面的三種元素），這是門捷列夫沒有預(yù)見到的。西博格的周期表將這些元素所需的行添加在類似的稀土元素行下面，而稀土元素的正確位置也一直不太清楚。1997年，西博格在接受采訪時說：“否認(rèn)門捷列夫需要很大的勇氣?！?/p>

憑借對化學(xué)的貢獻(xiàn)，西博格贏得了以自己名字命名元素的殊榮——第106號元素（seaborgium）。這是為數(shù)不多的以一位著名科學(xué)家名字命名的元素之一。其他以著名科學(xué)家名字命名的元素還包括第101號元素鍆（mandelevium），這是西博格和他的同事在1955年發(fā)現(xiàn)的，并以理應(yīng)在元素周期表上占有一席之地的門捷列夫的名字命名。

在修訂版中，美國化學(xué)家西博格將元素周期表水平放置，添加了鈾之后的幾種合成元素