門捷列夫和他的元素周期表

高榮偉

為紀念俄國化學家德米特里·門捷列夫發(fā)明的元素周期表誕生150周年，聯(lián)合國大會宣布2019年是“國際化學元素周期表年”（IYPT 2019）。是的，念初中時那張你怎么也背不下來的經(jīng)典化學元素周期表今年已經(jīng)150歲啦！

那么，你知道嗎，當年，門捷列夫是怎么發(fā)現(xiàn)和制作出世界上第一張元素周期表的？他是否是像有些人所言，在夢中發(fā)現(xiàn)了元素周期表的？抑或是，門老先生坐在實驗室里，經(jīng)過了一陣苦思冥想，于是向全世界宣告：“俺發(fā)現(xiàn)了化學元素根據(jù)原子量的大小而呈周期性變化的規(guī)律”？

事實上，任何科學真理的發(fā)現(xiàn)，都不會是一帆風順的。門捷列夫生活在化學界探索元素規(guī)律艱苦卓絕的時期，他在探索化學元素變化的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律方面，同樣經(jīng)歷了艱辛的探索。

德米特里·門捷列夫，1834年2月7日出生于俄國西伯利亞的托博爾斯克。他出生不久，父親就因雙目失明出外就醫(yī)，失去了得以維持家人生活的教員職位。然而，禍不單行。門捷列夫14歲那年父親去世，接著火災(zāi)又吞沒了他家中的所有財產(chǎn)。1850年，家境困頓的門捷列夫藉著微薄的助學金，進入彼得堡師范學院學習化學。1857年，門捷列夫擔任彼得堡大學化學系副教授。

當時，各國化學家都在探索已知的幾十種化學元素的內(nèi)在聯(lián)系規(guī)律。雖然現(xiàn)代化學早就誕生，但那個時代沒有權(quán)威的化學教科書，人們對于元素的認識支離破碎，原子量的精確測量更是難題，這些問題都限制了人們對于元素整體關(guān)系的探索。

作為化學老師，門捷列夫也以驚人的洞察力，毫無畏懼地投入到了這個領(lǐng)域。門捷列夫擔任化學副教授以后，負責講授《化學基礎(chǔ)》課。在課堂上，老師應(yīng)該講明：自然界到底有多少元素？元素之間有什么異同和存在什么內(nèi)部聯(lián)系？新的元素應(yīng)該怎樣去發(fā)現(xiàn)？然而，在理論化學里，這些問題尚處在探索階段。攀登科學高峰的路，注定是一條艱苦而又曲折的路。門捷列夫立志當一名好老師。

年輕的門捷列夫在探索元素周期律這條路上，吃盡了苦頭。門捷列夫穿著簡單隨便。對于衣服的式樣，他毫不在乎地說：“我的心思在周期表上，不在衣服上?！睋?jù)說，這位個子魁偉，留著長發(fā)，有著碧藍的眼珠、挺直的鼻子、寬廣的前額的化學家，總是穿著自己設(shè)計的似乎有點古怪的衣服。即使是沙皇想接見他，他也事先聲明——平時穿什么，接見時就穿什么。他的上衣的口袋特別大，據(jù)說那是便于放下厚厚的筆記本——他一想到什么，總是習慣地立即從衣袋里掏出筆記本，把它順手記下。 為了科研，他的頭發(fā)常常是亂蓬蓬的。那時，男人們流行戴假發(fā)，對此，門捷列夫總是搖著頭說：“我喜歡我的真頭發(fā)?！?/p>

多年來，各國的化學家們?yōu)榱舜蜷_化學元素秘密的大門，進行了頑強的努力。1865年，英國化學家紐蘭茲把當時已知的元素按原子量大小的順序進行排列，發(fā)現(xiàn)無論從哪一個元素算起，每到第八個元素就和第一個元素的性質(zhì)相近，這很像音樂上的八度音循環(huán)，因此，他干脆把元素的這種周期性叫做“八音律”，并據(jù)此畫出了標示元素關(guān)系的“八音律”表。

顯然，紐蘭茲已經(jīng)摸到了“真理女神”的裙角。

不過，紐蘭茲的“八音律”在英國化學學會上受到了嘲弄，主持人以不無譏諷的口吻問道：“你為什么不按元素的字母順序排列？”

而門捷列夫也不分晝夜地研究著，他探求元素的化學特性和它們的一般的原子特性，然后將每個元素記在一張小紙卡上。他企圖在元素全部復(fù)雜的特性里，捕捉元素的共同性。但他的研究，一次又一次地失敗了。可他不灰心，不氣餒，頑強地干下去。為了徹底弄明白這些問題，他又走出實驗室，開始出外考察和整理收集資料。

1859年，他去德國海德爾堡進行科學深造。兩年中，他集中精力研究了物理化學，使他探索元素間內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)更扎實了。1860年9月，第一屆國際化學大會在德國卡爾斯魯厄舉行。來自許多國家的化學精英們出席了大會，并就化學界的一些前沿問題進行了激烈的討論，年輕的門捷列夫不僅參加了這次大會，而且多次與他們就元素周期律問題，進行切磋探討。

會議結(jié)束時，意大利藥劑師卡尼扎羅向與會者分發(fā)了一份關(guān)于元素原子重量的決定性文件?？嵩_提出的原子量清單，是當時已知最為準確的原子量清單，這份清單令門捷列夫的心里亮堂了許多。1862年，他對巴庫油田進行了考察，對液體進行了深入研究，重測了一些元素的原子量，使他對元素的特性有了深刻的了解。

此后，門捷列夫花了幾年功夫潛心研究和收集元素數(shù)據(jù)，并把每個元素的原子量以及相關(guān)信息分別寫在他的小紙卡上。捷列夫把元素卡片進行系統(tǒng)地整理。很快，一副由63張牌組成的“撲克牌”問世了。門捷列夫的家人看到一向珍惜時間的教授突然熱衷于“紙牌”感到奇怪。盡管如此，門捷列夫依然旁若無人，每天手拿紙牌，收起、擺開，再收起、再擺開，皺著眉頭地“玩”個不?！?/p>

日復(fù)一日，年復(fù)一年，門捷列夫一直擺弄著他的“撲克牌”。有一次，他接連擺弄了三天，甚至于對前來拜訪的老朋友都不屑一顧。

1869年2月17日，是門捷列夫版化學元素周期表的誕生日。這一天，他又坐到桌前擺弄起“紙牌”來了。“紙牌”上面寫著當時已知的化學元素的主要性質(zhì)和原子量。他進行反復(fù)排列比較。擺著，擺著，門捷列夫像觸電似的站了起來：他看到了此前從來沒有出現(xiàn)過的現(xiàn)象，每一行元素的性質(zhì)都是按照原子量的增大而從上到下地逐漸變化著。

門捷列夫激動得雙手不斷顫抖著，他喃喃地說道：“這不是意味著，元素的性質(zhì)與它們的原子量有關(guān)系嗎？”

門捷列夫興奮地在室內(nèi)踱著步子，然后，迅速地從上衣口袋里掏出筆記本，在上面寫道：“根據(jù)元素原子量及其化學性質(zhì)的近似性試排元素表?！?/p>

一個月后，俄羅斯化學會收到了門捷列夫的一份科學報告，題目就是《元素的性質(zhì)與其原子量的關(guān)系》。這一發(fā)現(xiàn)最終被刊發(fā)在俄國化學會會刊的第一卷上。他的周期律說明：簡單物體的性質(zhì)，以及元素化合物的形式和性質(zhì)，都和元素原子量的大小有周期性的依賴關(guān)系。

門捷列夫根據(jù)元素周期律編制了第一個元素周期表，把已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的63種元素全部列入表里，從而初步完成了使元素系統(tǒng)化的任務(wù)。門捷列夫的高明之處，還在于他在“元素帝國大廈”中為未知元素預(yù)留了“房間”。在門捷列夫編制的周期表中，他留有很多空格，這些空格是為尚未發(fā)現(xiàn)的元素準備的。這位學者認為在未來，由于現(xiàn)代儀器的出現(xiàn)，人們將發(fā)現(xiàn)更多新型元素，這些新元素的出現(xiàn)可以填補元素周期表的空白。

門捷列夫從理論上計算出這些尚未發(fā)現(xiàn)的元素的最重要性質(zhì)，斷定它們介于鄰近元素的性質(zhì)之間。例如，在鋅與砷之間的兩個空格中，他預(yù)言這兩個未知元素的性質(zhì)分別為類鋁和類硅。就在他預(yù)言后的4年，法國化學家布阿勃朗用光譜分析法，從門鋅礦中發(fā)現(xiàn)了鎵。實驗證明，鎵的性質(zhì)非常像鋁，也就是門捷列夫預(yù)言的類鋁。此后，他的預(yù)言都得到了證實。1875年，法國化學家布瓦博德蘭從閃鋅礦中發(fā)現(xiàn)了鎵元素，元素符號定為Ga，中文名為“鎵”。若干年之后，發(fā)現(xiàn)鈧和鍺的喜訊也相繼傳來。1879年，瑞典化學家尼爾森從鐿土中發(fā)現(xiàn)了鈧元素;1886年，德國化學家文克勒從硫銀鍺礦中發(fā)現(xiàn)了鍺元素。并且，鈧和鍺的理化性質(zhì)都與門捷列夫的預(yù)測相一致，從而為門捷列夫周期律的科學性提供了有力的證據(jù)。

門捷列夫工作的成功，引起了科學界的震動。人們?yōu)榱思o念他的功績，就把元素周期律和周期表稱為門捷列夫元素周期律和門捷列夫元素周期表。恩格斯在《自然辯證法》一書中曾經(jīng)指出?！伴T捷列夫不自覺地應(yīng)用黑格爾的量轉(zhuǎn)化為質(zhì)的規(guī)律，完成了科學上的一個勛業(yè)，這個勛業(yè)可以和勒維烈計算尚未知道的行星海王星的軌道的勛業(yè)居于同等地位?！?/p>

門捷列夫的周期表奠定了現(xiàn)代元素周期表的基礎(chǔ)。對于元素周期表的研究，門捷列夫不是第一人，也不是最后一人。元素周期表的演進，凝聚了一代又一代科學家的智慧。150年來，周期表已經(jīng)在科學、技術(shù)、社會三個維度上發(fā)揮了重要作用。有學者斷言，如果有一天，人類要與宇宙中其他文明進行對話，那張漂亮別致的周期表也許就是地球文明的一個“標簽”。