門捷列夫的“曠缺”與中國公使的感嘆

劉鈍

清華大學(xué) 科學(xué)史系，北京 100084

2019年是聯(lián)合國教科文組織宣布的化學(xué)元素周期表國際年，重頭戲是紀(jì)念俄羅斯化學(xué)家門捷列夫(Дмитрий Иванович Менделеев，1834—1907)發(fā)現(xiàn)元素周期律150周年。2019年又適逢國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)成立100周年，7月5—12日該組織將在巴黎召開第50屆大會，同時舉辦紀(jì)念元素周期律發(fā)現(xiàn)150周年的盛大活動[1]。

從18世紀(jì)中葉起，隨著越來越多的新元素被發(fā)現(xiàn)，許多人就開始了尋找元素性質(zhì)變化規(guī)律的嘗試，其中最重要的成果有德國人德貝萊納(Johann Wolfgang D?bereiner，1780—1849)1829年提出的“三元組”、法國人尚古特瓦(Béguyer de Chancortois，1820—1886)1862年提出的“螺旋圖”和英國人紐蘭茲(John Newlands，1837—1898)1865年提出的“八音律”[2]。但是，這些模型都不夠理想，也無法涵蓋全部已知的化學(xué)元素，遑論預(yù)言未知元素的存在及性質(zhì)了。

門捷列夫經(jīng)過長時間的觀察、分析、比較與綜合，領(lǐng)悟到化學(xué)元素依照原子量(嚴(yán)格的說法應(yīng)為相對原子質(zhì)量或原子序數(shù))的大小呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律，從而制作出世界上第一張化學(xué)元素周期表。在19世紀(jì)中葉，許多元素還沒有被發(fā)現(xiàn)，門捷列夫把當(dāng)時已知的63種元素全部列入表內(nèi)，又在表中留下一些空位，預(yù)言了與硼、鋁、硅類似的元素的存在。他借助梵文前綴eka(意“類”)將這些未知元素命名為“類硼”、“類鋁”和“類硅”——它們正是后來被發(fā)現(xiàn)的鈧、鎵、鍺。根據(jù)自己的理論，門捷列夫還指出當(dāng)時測定的某些原子量的數(shù)值有誤。例如：當(dāng)時認(rèn)為金的原子量比鋨、銥、鉑要小，但門捷列夫堅持把金排在這些元素后面，并提出應(yīng)該重新測量金的原子量，結(jié)果證明他是正確的。

幾乎與門捷列夫同時，德國化學(xué)家邁耶(Julius Lothar Meyer，1830—1895)也進(jìn)行著類似的探索，只是他的表不夠全，也沒有像門捷列夫那樣明確宣稱化學(xué)元素隨著原子量增加呈現(xiàn)周期變化。他也承認(rèn)自己的工作受到門捷列夫的影響。

關(guān)于門捷列夫發(fā)現(xiàn)周期律的過程，流傳著許多以訛傳訛的故事，最典型的就是托夢說和撲克說：前者說門捷列夫在連續(xù)三天三夜工作后昏昏入睡，夢中看見按應(yīng)有位置排列的周期表；后者則說他是在玩紙牌時突然獲得靈感的。這些都屬于捕風(fēng)捉影的傳說。實際上，早在1860年，門捷列夫就在德國卡爾斯魯厄舉行的第一屆國際化學(xué)家大會上獲得意大利化學(xué)家康尼查羅(Stanislao Cannizzaro，1826—1910)闡述原子-分子論的小冊子，從而產(chǎn)生化學(xué)元素的性質(zhì)隨原子量增加而呈現(xiàn)周期變化的思想。從1865年起，身為彼得堡工學(xué)院和彼得堡大學(xué)化學(xué)教授的門捷列夫著手編撰《化學(xué)原理》，正是在此過程中他開始關(guān)注各種元素的性質(zhì)與關(guān)系，也曾利用卡片嘗試不同的分類與組合，“撲克說”大概就由此而來。

不過根據(jù)蘇聯(lián)科學(xué)哲學(xué)家與科學(xué)史家凱德洛夫(Бонифатий Михайлович Кедρов，1903—1985)的研究，世界上第一張系統(tǒng)的化學(xué)元素周期表，是門捷列夫在1869年3月1日(俄歷)一天之內(nèi)完成的。他把自己的考證結(jié)果寫成了厚厚的一本專著《偉大發(fā)現(xiàn)的一天》，書中再現(xiàn)了門捷列夫在這一天的工作日程和發(fā)現(xiàn)經(jīng)過[3-4]。同年3月18日，門捷列夫的論文由《俄羅斯化學(xué)學(xué)會會刊》主編在俄國化學(xué)會年會上宣讀。因此，包括聯(lián)合國教科文組織和國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會在內(nèi)的權(quán)威機(jī)構(gòu)都將化學(xué)元素周期表的發(fā)現(xiàn)時間定在1869年。

圖1 亞羅申科《寫字臺前的門捷列夫》(1886)(https://ru.wikipedia.org/wiki)

門捷列夫成年后主要生活在圣彼得堡。圖2是位于圣彼得堡他的寓所外的一尊雕像，附近的墻面上鐫刻著化學(xué)元素周期表。圖3是蘇聯(lián)郵政部門1969年發(fā)行的一枚面值6戈比的紀(jì)念郵票：票面上的門捷列夫形象來自亞羅申科的油畫，左側(cè)的三個數(shù)據(jù)分別是鋁、鎵、銦的原子量，后兩種元素在門捷列夫最初制作周期表時還沒有被發(fā)現(xiàn)，但是他都估算出了大體準(zhǔn)確的原子量(鋁、鎵、銦的相對原子質(zhì)量精確值分別為26.98、69.72和114.82)。

圖2 圣彼得堡門捷列夫故居前的雕像(https://learnodonewtonic.com/dmitri-mendeleev-facts)

圖3 蘇聯(lián)發(fā)行的門捷列夫紀(jì)念郵票(https://commons.wikimedia.org/wiki)

1875年，法國化學(xué)家布瓦博德蘭(Paul de Boisbaudran，1838—1912)利用光譜分析法從閃鋅礦石中發(fā)現(xiàn)了一種新元素鎵，它的許多性質(zhì)與門捷列夫1871年預(yù)言的“類鋁”完全一樣，如熔點(diǎn)低、灼熱時分解水汽、能結(jié)晶生成礬類等，只是布氏測得的密度4.7比門捷列夫估計的數(shù)值5.9～6.0要低一些。對自己發(fā)現(xiàn)的周期律十分自信的門捷列夫立即寫信給布瓦博德蘭，建議他提純后重新測一下密度。布瓦博德蘭起初感到懷疑，因為當(dāng)時只有他掌握鎵的樣品，遠(yuǎn)在彼得堡的門捷列夫怎么可能知道它的精確密度呢？不過重新測量的結(jié)果令他大為折服，鎵的精確密度是5.94！之后的十來年里，在元素周期表的指導(dǎo)下，“類硼”(鈧，1879年)、“類硅”(鍺，1885年)以及許多新元素都被相繼發(fā)現(xiàn)。

西方近代化學(xué)知識于清末傳入中國，代表性譯著是1871年左右出版的《化學(xué)初階》(廣州博濟(jì)醫(yī)院)和《化學(xué)鑒原》(上海江南制造局)。學(xué)者們認(rèn)為兩書出于同一底本，即美國人威爾斯(David Ames Wells，1828—1898)的《化學(xué)原理》。威爾斯的書初版于1858年，后來又曾多次重版。王揚(yáng)宗認(rèn)為傅蘭雅(John Fryer，1839—1928)和徐壽(1818—1884)翻譯《化學(xué)鑒原》時參考了較新的修訂本[5]。兩書都介紹了當(dāng)時已知的64種元素(其中一種后來證明不是元素)，但是沒有提到元素周期律。

有趣的是，有關(guān)元素周期律的最早中文記錄，似乎出自中國第一位派駐海外的外交官、清廷駐英公使郭嵩燾(1818—1891)。圖4是《倫敦電訊畫報》1877年2月24日增刊上刊登的郭嵩燾像。郭嵩燾出使英國期間，曾多次向人請教近代化學(xué)方面的知識，而他身邊恰好有兩個堪當(dāng)此任的人。第一位是其英國隨員馬格里(Halliday Macartney，1833—1906)，此公是乾隆年間英國派往中國的外交使團(tuán)團(tuán)長馬嘎爾尼(George Macartney，1737—1806)的后人，早年曾在愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)，1876年以三品銜候選道兼三等翻譯官的身份隨郭嵩燾出使英國。第二位是福州船政學(xué)堂艦船駕駛科首屆畢業(yè)生會考第一名羅豐祿(1850—1901)，他的同期同學(xué)包括嚴(yán)復(fù)、劉步蟾、方伯謙、林永升、鄧世昌等眾多名人。1877年3月，清廷選派第一屆赴歐留學(xué)生時，羅豐祿已經(jīng)留校任教，但是他還是以候選主事兼翻譯官的身份獲選，只是沒有像嚴(yán)復(fù)等同學(xué)那樣被派往海軍學(xué)院，而是直接進(jìn)入倫敦國王學(xué)院深造，師從化學(xué)名家蒲陸山(Charles Loudon Bloxam)學(xué)習(xí)化學(xué)和其他自然科學(xué)。羅豐祿后來成了一名職業(yè)外交官，先后出任清廷派駐英、意、比、俄等國的公使。圖5是英國伯明翰市1900年制作的羅豐祿紀(jì)念章。

圖4 《倫敦電訊畫報》刊登的郭嵩燾像

圖5 英國制作的羅豐祿紀(jì)念章(http://image.baidu.com)

在郭嵩燾的日記中，留有多則同馬格里、羅豐祿談?wù)摶瘜W(xué)的記錄。例如：1877年6月2日記馬格里“言化學(xué)，分別本質(zhì)不變者六十三種”；12月2日記“稷臣(羅豐祿字)在京斯科里治(國王學(xué)院Kings’ College的音譯)學(xué)習(xí)化學(xué)……言化學(xué)書精者”；12月18日記“羅豐祿留談化學(xué)，極可聽”；1878年11月14、15日連續(xù)兩天聽馬格里講化學(xué)等[6]。1878年2月25日的一則日記特別值得注意：

數(shù)十年前，英人有紐倫斯，推求六十四品中應(yīng)尚有一種，而后其數(shù)始備。至一千八百七十一年，日耳曼人曼德勒茀始著書詳言之，謂合各種金質(zhì)，辯其輕重，校其剛?cè)釄源啵虚g實微有曠缺，應(yīng)更有一種相為承續(xù)。至是法人洼布得隆又試出一種金，在化學(xué)六十四品之外，名曰嘎里恩摩，其質(zhì)在錫與黑鉛之間。其試法亦用英人羅爾曼洛布爾斯光氣之法：湊合五金之質(zhì)，加之火而以鏡引其光，凡有本質(zhì)不能化者，必得黑光一道。雜六十四品試之，則得黑光若干道。又于其光之左右疏密，以辯知其為何品。[6]

上文中的“紐倫斯”就是1865年提出“八音律”的紐蘭茲；“六十四品”即當(dāng)時已知的64種元素；“日耳曼人曼德勒茀”應(yīng)是“俄羅斯人門捷列夫”之誤，按門捷列夫曾于1859年前往德國海德堡大學(xué)學(xué)習(xí)并出席了次年在卡爾斯魯厄召開的國際化學(xué)家大會，他在1871年發(fā)表的第二篇論文中對兩年前提出的周期表作了進(jìn)一步完善；“微有曠缺”是指他在周期表中留下的空位；“洼布得隆”就是布瓦博德蘭；“嘎里恩摩”就是元素鎵(gallium)的音譯；“黑鉛”不是單質(zhì)元素，這里應(yīng)該是鋅，也就是說新元素鎵的質(zhì)(原子量)在鋅和錫之間；“羅爾曼洛布爾斯”即英國天文學(xué)家洛克耶(Joseph Norman Lockyer，1836—1920)，“光氣之法”就是他所發(fā)明的光譜分析法。

郭嵩燾當(dāng)天日記沒有交代信息來源，然而前一天的日記提到使館隨員及船政學(xué)堂督學(xué)李鳳苞(字丹崖，1834—1887)攜羅豐祿自“滿吉斯”(曼徹斯特)歸來向他匯報，則“略記丹崖所游歷，以備他日訪求?！睂W(xué)者認(rèn)為郭嵩燾記下的，正是羅豐祿講述的“曼德勒茀”與“洼布得隆”關(guān)于鎵之發(fā)現(xiàn)的故事[7]。

有趣的是，郭嵩燾在記述了上面的故事之后，又聯(lián)想到大約半年前(1877年8月26日)從報紙上讀到的海王星之發(fā)現(xiàn)的故事：1846年，在法國人勒維耶(Jean Joseph Le Verrier，1811—1877)和英國人亞當(dāng)斯(John Couch Adams，1819—1892)各自獨(dú)立推算的基礎(chǔ)上，天文學(xué)家找到了天王星外一顆較大行星，即海王星。郭嵩燾在敘述發(fā)現(xiàn)經(jīng)過時同樣使用了“測其中空缺處”這樣的話語，感嘆“西洋天文士憑空悟出，則遂有人循而得之”，與門捷列夫先預(yù)言再由布瓦博德蘭從礦物中提煉發(fā)現(xiàn)鎵的經(jīng)過有異曲同工之妙，由此“亦略見西人用心之銳與其求學(xué)之精也?！盵6]

無獨(dú)有偶，恩格斯在《自然辯證法》中，也將門捷列夫的工作與海王星的發(fā)現(xiàn)相提并論，認(rèn)為：

門捷列夫通過——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(xué)上的一個勛業(yè)，這個勛業(yè)恐怕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。[8]

按照于光遠(yuǎn)等人在1984年修訂版中的注釋，恩格斯這份題為“辯證法”的手稿大約寫于1879年末，與郭嵩燾有關(guān)門捷列夫的日記幾乎同時。問題是：恩格斯與郭嵩燾(或羅豐祿)的說法是否有一個共同的來源呢？