門得列夫:化學元素週期表的發現者 / 洪文東

星期日 , 8, 一月 2017 Leave a comment

門得列夫:化學元素週期表的發現者

洪文東

美和科技大學護理系
hung3893@yahoo.com.tw

n  早期的元素表

在早期,元素被發現的種類不多,化學家只能局部的對某些性質相近的元素進行歸類整理。1789年法國化學家拉瓦傑(A. L. Lavoisier, 1743 – 1794)在其化學基本論述書中列出包含33種元素分類表。1864年英國化學家紐蘭茲(John Alexander Reina Newlands, 1837 – 1898)將元素依照其當量大小排列。自某一元素後的第八種元素,與此元素的性質相似,就像音樂上的音度音程一樣。1865年英國化學家伍德林(W. Woodling)按原子量排列元素順序,初步排出今日元素週期表中的鹵族、氮族、氧族。1866年紐蘭茲發表論文「八音律與原子量數字關係的起因」,依原子量大小給元素編上序號依次排列,看出元素間有類似音樂中之八音階規律(Law of Octaves)。1868年德國化學家梅耶(J. L. Meyer, 1830 – 1895)繪製出《原子體積周期性圖解》,揭示出化學元素的原子量與原子體積間的關係。1869年,他又製作了一張化學元素週期表,表中不但明確按原子量遞增的順序來列元素,而且也留下一些空格表示未知元素。不過,梅耶的研究側重於元素的物理性質。

n  元素週期表與週期律

在前述幾位化學家工作的基礎上,俄國化學家門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834 – 1907)(見圖1)發現在63種已知元素中,42種元素有了較精確的原子量,但尚有7種元素的原子量未能正確判斷,因為它們的原子量都計算錯誤。門得列夫全面考慮了元素的各種性質,製作出63張卡片,把各種元素的名稱、原子量、氧化物以及物理和化學性質,分别寫在各元素的卡片上。在排列這些卡片時,不僅根據元素的原子量,而且很重視元素的性質及其與其他元素的關係。1869217曰,門得列夫依原子量遞增的順序把63種元素排列成幾行,同時把各行中性質相似的元素左右對齊,當依原子量順序安排的位置與元素的位置及元素的特徵發生衝突時,他遵從元素的特徵而掉換位置,或者留下空位。這樣使得每一横排化學元素的性質相近,每一縱列化學元素性質的變化也呈現着規律性,整個元素系列呈現出周期性變化。18692月,門得列夫發表了《元素性質和原子量的關係》論文,同時公布了他的第一張化學元素週期表(見圖2)。周期表中留下了四個空位,空位上没有元素名稱,只有預計的原子量,表示尚待發現的元素。

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1:門得列夫

(圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫

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2:門得列夫1871年的元素周期表

(圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫

對比梅耶在1869年公布的元素週期表,門得列夫對元素的族別分得更细緻,並在表中初步形成了過渡元素族。門得列夫吸取了梅耶週期表的優點,對週期表繼續進行更深入的研究,在187112月,與他的論文《化學元素週期性依賴關係》同時發表了第二張元素週期表。在這張週期表中,將原來的直行改成横排,使同族元素處於同一直行中,突出了化學元素性質的週期性。在同一族裡,也同梅耶一樣劃分了主族和副族,使元素的週期性更加明顯。他大膽地修正了一些已被公認的原子量,如銦In、鑭La、釔Y、釷Th、鈾U等。他把尚未發現元素的空格由原来的四個增至六個,並且還預言了它們的性質。這幾種尚未發現元素,門得列夫稱之為:eka-Boron(類硼)、eka-aluminium(類鋁)、eka-silicon(類矽);其對類硼類鋁類矽等的預言,日後發現準確得令人驚奇。

門得列夫在《化學元素週期性依赖關係》一文中,確立了元素週期律,即元素(以及由它形成的單質或化合物)的性質週期性地隨著它們的原子量而改變。其週期律的要點整理如下:

1.        若把元素依原子量的大小排列,明顯地呈現出性質上的週期性變化。

2.        化學性質相似的元素的原子量,有些作有規則的增大,如KRbCs;有些具有幾近相等的原子量,如OsIrPt

3.        以原子量為序排列,所得元素的族(Groups)的順序,與其化合的價相當。

4.        原子量較小的幾種元素,它們的性質上差異較大,分散在各族裡,是各 族有代表意義的元素。

5.        原子量的大小,可以决定元素的性質。

6.        元素的原子量,可借其相鄰各元素的性質及原子量進行校正,Te的原子量不應是128,而應介於123-126之間。

7.        可以預測尚未被發現的元素,例如類鋁類矽的原子量應65-75之間。

化學元素週期律的確立,使化學從對個别元素的零星事實的羅列中,揭示出了化學元素之間存在的自然規律關係,把所有化學元素納入一個完整的體系,使化學進入了系統化的階段,特别是對無機化學進行了一次大統合。它將過去研究過的無機物如氧化物、氢化物以及酸、鹼、鹽等,都納入一個系統的理論體系之中,並對各種化學元素及其化合物的性質提供了統一的說明。1869年他出版了《化學原理》一書,此書不但是按照元素週期系統编寫的一本化學教學参考書,而且也標誌著化學教本不再是各種元素和它們的化合物的資料的堆積,而是成了一個有系統化的化學知識體系。

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 2 門得列夫第一份英文版本(建基於俄文第五版)的元素周期表

 (圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫

n  門得列夫週期表預言之應驗

在門得列夫作出類硼類鋁類矽的科學預言四年之後,法國化學家德布瓦斯波德朗(P.E.L.de Boisbaudran, 1838-1912)於1875年在用光譜分析研究一種鋅礦時,發現了一種新元素,命名為Ga鎵,並在巴黎科學院的《報告錄》中發表了論文。門得列夫讀了以後,寫信给德布瓦斯波德朗,說明鎵正是類鋁,但鎵的比重不該是德布瓦斯波德朗所測得的4.7,而應該是5.9-6.0。這使德布瓦斯波德朗驚奇不已,因為鎵是他發現的,其他人還没見過,更不用說千里之外的門得列夫了。但經他重新提煉純鎵後,測得的比重果然是5.96,不僅鎵的其他物理、化學性質與門得列夫的預言相符合,而且連發現的方法也與門得列夫預言的一樣。鎵的發現,使人類第一次科學地預言了未知的元素得以應驗。這一件事震驚了當時歐洲的科學界。接着,在1879年,瑞典人尼爾森(L.F. Nilson, 1840-1899)又發現了類硼,並命名為Sc鈧;1886年,德國化學家文克勒(C.A. Winkler, 1838-1904)接著發現了類矽,並命名為Ge鍺。這幾個元素的性質都與門得列夫的預言相符合。

n  結語

門得列夫在他的週期表裡為「未知元素」預留了空位,並依照這些未知元素應當具有的性質給他們起名為類硼類鋁類矽等。在1869年門得列夫首次發表元素週期律時,他的成果並不為當時的化學家們所認可。但在隨後的幾年中,門得列夫預言的類硼類鋁類矽11種未知元素皆陸續的被發現,此即以後發現的鈧、鎵、鍺等。這些元素的各種性質與門得列夫的預言驚人地吻合,特別是後來發現的He氦、Ne氖、Ar氬、Kr氪、Xe氙和Rn氡;又給元素週期表增加了新的惰性氣體。他的名著、伴隨著元素週期律而誕生的《化學原理》,在十九世紀後期和二十世紀初,被國際化學界公認為標準著作,前後共出了八版,影響了一代又一代的化學家。

門得列夫說:「我因為懷著一個有確切目標的意識,不斷研究、不斷努力的結果才有了那個夢想。」他又說:「我的研究,是從許多的觀察中找出有價值的事實,也就是在尋求其確實性。」這些話倒是說出了他的研究精神。門得列夫的智慧雋語與研究精神,實值得後人學習。

n  參考資料

洪文東、李文德、黃嘉崑、謝榮藏(2006)。 師院普通化學。臺北市:五南圖書出版公司。

林景淵、李嫈嫈(1985)。不朽的科學家。臺北市:書評書目出版。

門得列夫(1834.2.81907.2.2Dmitry Ivanovich Mendeleyev。取自http://edson.tw/chap08/period/08p01.htm20161226日)

德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫。維基百科。取自https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫20161226日)

 

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