臺灣化學教育

2019國際元素週期表年(IYPT)：

門得列夫化學元素週期表

最具突破性的研究報告是哪一篇?

邱美虹

國立臺灣師範大學  科學教育研究所
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n  前言

科學家進行研究時，是在不斷面對問題、不斷解題的過程中累積研究的能量與智慧，並在適當的時機下產生打破僵局的研究成果，使研究得以邁向另一個新的里程碑。然而科學家重大的研究成果，究竟應以同一主題下所發表的第一篇文章屬最具突破性呢?還是被引用的次數最多的呢?這是一個有趣且值得深入探討的問題。門得列夫找到元素的規律性而提出元素週期表的想法分別在1869年發表一本書，兩篇期刊論文、1871年發表兩篇和1872年發表一篇文章，本文即根據相關文獻對此作簡介，或許可以提供讀者對門得列夫的貢獻和科學成果的價值有進一步的認識。 

n  化學突破獎的由來

2006年美國化學會(American Chemical Society, 簡稱ACS)化學史組 (Division of the History of Chemistry, HIST)首次設立化學突破引用獎[Citation for Chemical Breakthrough (CCB)Award]。該獎項旨在肯定ACS所有科學出版品中具突破性的論文、書籍、和專利。當年第一屆有一本書、三個專利、六篇論文獲獎。自2006年到2018年已頒發68個具突破性的科學成果獎項，其中最早的一篇是1787年由法國化學家德•莫法與拉瓦錫等人共同發表的文章(de Morveau, Lavoisier, Berthollet, & de Fourcroy, 1787)，該篇文章在2015年獲得肯定。有關這方面的資料可以在HIST的官網找到(如註一所示)。

所謂「突破性」文章就是指在化學上提出革命性的概念，拓展了化學領域的廣度以及有長期的影響力。獎項委員會的篩選過程其實很簡單，就是評審委員給從推薦名單中根據優先次序分別給予10, 9, 8依序下去，得分最高的就是該年度獲獎的作品，在這些獎項中最具挑戰性的就屬論文獎，每年獲獎個數取決於因子間投票的分布情形(Seeman, 2013)。一般而言，都是以特定主題下第一篇發表的論文為主，但也未必，因為還要考慮哪篇文章才對該科學社群比較重要、哪篇文章造成轟動、或是哪篇文章被注意到且造成後續的影響?若是如此，那獎項委員會就需要有專業知識而不是只懂化學史的人來擔任評審委員(Seeman, 2013)。

n  門得列夫的週期表

2012年ACS的HIST將化學突破引用獎頒給蘇俄的聖彼得堡大學，以表揚門得列夫的貢獻。門得列夫在1869年-1872年之間共發表有關週期表的教科書一本和五篇文章，如表一所示，本文是以當年擔任HIST主席的Lewis(2014)一文為主要討論的內容，再佐以其他相關文獻的評析(註2)。

表一   門得列夫在1869-1872年之間依序所發表的重要文章

排序	年	發表的書名或期刊	語言	重點內容
1	1869a	Osnovy Khimi (Elements of Chemistry)	俄文	週期的排序
2	1869b	Zhurnal Russkago Fiziko-Khimicheskago Obshchestva (註1)	俄文	內容與1869a Osnovy Khimi這本教科書大致相同。文中預測三個尚未發現的元素並進行勘誤。
3	1869c	Zeitschrift fÜr Chemie	德文	Osnovy Khimi德文摘要(2頁)
4	1871a	Zhurnal	俄文
5	1871b	Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft	德文	回應其他化學家(如德國化學家尤利烏斯·洛塔爾·梅爾 (Julius Lothar Meyer)提出的問題
6	1872	Liebigs Annalen der Chemie補充資料處	德文	翻譯1871年以俄文發表的文章長達92頁。

 

門得列夫於1863年獲得聖彼得堡大學的教授一職，1866年擔任該校化學系系主任。他最為人熟知的成就當然就是建立週期表。許多人大概都知道週期表是門得列夫1869年提出的，但是可能很多人並不知道，其實在1869年這一年裡，門得列夫一共發表了三份週期表的文件，各自都有不同時在之後的兩三年內又陸續發表一篇俄文(1871a)和兩篇德文的文章(1871b, 1872)同的貢獻。接下來讓我們來看看這些文章的內容為何。

門得列夫的第一部作品是教科書，以俄文發表。第二篇文章是在1869年在Zhurnal期刊以俄文發表，文中所呈現的週期表基本上與1869a Osnovy Khimi(1868a)這本教科書大致相同，只是花了更多篇幅去說明元素系統的邏輯關係(見圖一)。在這張圖中以兩個重要的發現可以用來說明週期系統。首先是三個尚未被發現元素的可能原子量，即(1)預測原子量為45的鈧(Sc，原子序21)、(2) 預測原子量為68的鎵(Ga，原子序31)、(3) 預測原子量為70的鍺(Ge，原子序32)，還有一個常被遺忘的是預測的原子量為180的鉿(Hf，原子序72)，這些原子量與後來的數值相當接近。其次是根據元素化學性質來放置位置，如碲(Te，原子序52)和碘(I，原子序53)放在他們應在的位置，但是當時門得列夫其實預測錯了碲的原子量。不僅如此，這張週期表還有其他一些錯誤，但所幸後來都被校正了。譬如，根據物質常見的氧化態為基準，金(III)的氧化態Au(III)比Au(II)常見，所以門得列夫將金放在8A族，而鉛二價Pb(II)又較四價Pb(IV)常見，所以將鉛置於7A族；同理，則將鉈置於1A族，這些元素的位置現在都已被後來發現的放射性物質取代，還有一些元素的原子量也不同，如鈾(是116不是238)、釷(是118不是232)、銦(是75.6不是114.8)。所以當時周期表並不完全正確，但他精準的預測某些元素，更彰顯週期表的價值。

當年門得列夫預測三個元素的原子量和性質，門得列夫用類硼(eka- boron), 類鋁(eka-aluminum) and 類矽(eka-silicon)來命名這三個元素，eka在梵文中代表<在…之下>或是超越(beyond)，同時也代表”1”的意思(dev代表2，treeni代表3)。換句話說，若以eka-aluminum為例，就代表在原子序13的鋁下方一格，也就是現在原子序31的鎵(gallium, Ga)的位置。這些元素後來分別在1875年(gallium, Ga, 鎵)、1879年(Scandium, Sc, 鈧)、和1886年(germanium, Ge, 鍺)被證實是存在的，且性質和位置都準確無誤。除此之外，門得列夫還對之前的文章進行勘誤。

很明顯的這一篇發表在Zhurnal期刊的文章是週期系統的心臟與靈魂的作品，但是它是以俄文發表，受限於寫作的語言所致，在當時並未受到科學社群應有的重視。

反倒是第三篇1869年以德文在Zeitschrift期刊所發表的兩頁精簡摘要廣泛的受到更多西歐科學家的注意，因為當時大部分的科學家都能讀能寫德文，但卻不懂俄文，這一點是值得關注的。

第五篇文章是1871年在Berichte發表的文章，主要是回覆當時其他科學家對他的質疑，門得列夫在文章他開宗明義的說: 因為有幾位科學家對於我所提出的元素系統有所意見，請讓我多做一些說明。他在註解裡面也提及此句話，並列出他有關元素週期系統的編年史。事實上，門得列夫的宣稱已獲得了許多德國化學家讀者的高度關注，當然也就為他在Zeitschrift所發表的文章成為突破性文章有更多的支持與和可信度。除此之外，這篇文章本身沒有包含新的資訊，主要是在為他自己的宣稱去做辯駁 尤其是針對歐德林(Odling) and 麥爾(Meyer)的批判。

剩下兩篇是第四篇1871年在Zhurnal發表的俄文文章和第六篇1872年以德文撰寫的文章(翻譯1871年的文章)， 這兩篇文章都較先前1869年的文章要來得更大量的內容(1872年一文計有96頁!)，它詳細的說明週期表原理的概念發展過程，同時也很明確的說明潛藏在所預測的三個元素的性質背後的週期性原理，彷彿這三個元素都已經被發現了似的。這篇文章中門得列夫以一種非常高度的邏輯方式將他的論證說明得相當清楚且具說服力。在這同時，原文中的許多錯誤也都被修正了。這個現象當然也發生在其他的元素上，如將原來預測的鉿以鑭系來取代。

文章走筆至此要去決定哪一篇文章才是突破性的文章變成非常主觀了。三篇以俄文撰寫都比對應的德文版要早，若只是以時間序來做決定的因子，那麼無庸置疑1869年的文章當然應該是最具突破性的，但是在18-19世紀時，德文在科學上是最具權威性的語言，幾乎所有各國化學家都能讀能寫德文和法文，除門得列夫是特例外，很多人都精通英文。反之，很少的歐洲化學家能夠讀俄文，即使到今日仍是如此。 雖然第一篇發表的文章說明了週期律，但門得列夫以俄文撰寫，除了俄國，在其他地方的影響力相對來講是較低的，使得第一篇文章未必是具突破性或成為具有影響力的文章。

無庸置疑的，門得列夫的週期表的起源可以追溯到他1869年的那本教科書，在他的寫作中很明顯的他認為所觀察到的這個週期性，事實上是有用的而且是千真萬確的。不僅如此，門得列夫也相信那些在週期表中預留位置的元素，只需假以時日就會被發現，果如預期，對於他所做的預測事實上後來也的確都逐一的被證實、被發現，使得他的預測與其他的學者非常不同，更加鞏固他的理論的歷史地位。但是因為門得列夫的教科書是以俄文撰寫，勢必減少它被視為是具突破性的論文。同理，1869年在另一個期刊(Zhurnal)所發表的俄文文章也有相同的命運，不足以展現它的影響力，根據Gordin (2004，引自lewis, 2014))指出，事實上在當時門得列夫尚未完全掌握他劃時代的發現，因為他請他的朋友將這篇文章送到俄國物理化學學會，而他自己卻在莫斯科外的一家起司工廠巡視。當然我們也可以說，門得列夫已充分的了解他的週期系統的重要性，因而選擇讓他的朋友盡快將該文章送達該學會，以免因他個人的私事而耽誤文章的發表(Lewis, 2014)。

1871年門得列夫在Zhurnal所發表的文章擁有所有具突破性文章的特質，他清楚的定義科學的基礎、校正先前的錯誤，而且對元素進行預測並被證實其在週期表中的適當位置，使得它成為現代科學最被廣泛認可的文章。但是再一次面臨語言的問題，這一篇文章仍是以俄文撰寫，當然也就暗示著他在西歐被廣為流傳的機會是有限的。發表論文所使用的語言，自然成為這篇文章無法成為突破性文章的理由。

經過審查委員謹慎地討論與分析後，只剩下兩篇以德文發表的文章有可能成為該委員會所認定的最具突破性的作品，這其中有一篇是精簡的兩頁摘要，這是在1869年在Zeitschrift所發表的。根據Lewis (2014)的觀點，1871年那篇德文的文章，門得列夫回應了西方化學家對他的週期表的質疑，無庸置疑的正是宣稱1869年那篇德文摘要就是突破性的文章，因為很明顯的它吸引19世紀中葉，大部分科學家的注意，且大都已肯定該文章的價值，尤其是門得列夫所提出的週期表的預測力是其他科學家所不可比擬的。門得列夫的對手麥爾(Meyer)在一年後也提出可信的週期表，但他在文章中也肯定門得列夫於他之前在週期表上的貢獻。

不知您推出來門得列夫的哪一篇文章是最具突破性的文章了嗎? HIST在2014年將當年的獎項頒給了門得列夫1869c年的文章(見圖3)，它雖然不是第一篇文章，但卻是HIST認為最具有代表性且影響科學界最深的一篇。看官認為呢?若是西歐的科學家來評選，也會是這一篇以德文撰寫的文章嗎?若當年期刊有影響因子(Impact factor)或是計算引用次數，或許這問題就好解多了

n   後語

2019年是門得列夫提出元素週期表的第150週年，許多國家都以辦理各種不同形式的元素週期表活動來緬懷這位偉大的科學家，由於他發現的元素週期律以及該週期表所展現的強大預測力，使得科學能夠在混沌中露出曙光，開創嶄新的一頁，這位終身未獲得諾貝爾獎的科學家，對科學界的貢獻不可言喻。

n  註解

註1: Mendelejeff, D. (1869c)由門得列夫的朋友Nikolai Aleksandrovich Menshutkin代為將第一篇文章Osnovy重要的部分做了報告

註2: Lewis (2014)在p.1六篇文章的排序及內容與後來的討論略有出入，本文作者重新調整並製表以利討論。

註3: http://acshist.scs.illinois.edu/awards/citations_chem-breakthroughs.php

n  參考文獻

1.          Guyton de Morveau, L. B., Lavoisier, A. L., Berthollet, C-L., & de Fourcroy, A. F. (1787). Méthode de Nomenclature Chimique, chez Cuchet (sous le Privilège de l’Académie des Nomenclature Chimique), Paris, France.

2.          Lewis, D. E. (2014). Citation for chemical breakthrough award: Mendeleev’s periodic system of the elements. Bulletin for the History of Chemist, 39(1), 1-6.

3.          Mendeleev, D. I. (1869a). Osnovy Khimii [Elements of Chemistry], St. Petersburg.

4.          Mendelejeff, D. (1869b). Üeber die Beziehungen der Eigeschaften zu den Atomgewichten der Elemente (On the Relationship of the Properties of the Elements to their Atomic Weights), Zeitschrift für Chemie (in German), 12, 405-406. (Abstract translated into German from Zhur. Russ. Fiz. Khim. Obshch. I, 60-77.

5.          Mendeleev, D. I. (1869c). Sootnoshenie svoistv s atomnym vesom elementov (The correlation of properties with the atomic weights of the elements), Zh. Russ. Fiz.-Khim. O-va, 1, 60-77.

6.          Mendeleev, D. (1871a). Estestvennaya sistema elementov I primenenie ee k ukazaniyu svoistv nekotorykh elementov (The natural system of the elements and it application in the prediction of the properties of certain elements), Zh. Russ. Fiz.-Khim. O-va., 3, 25-56.

7.          Mendeleejeff, D. (1872). Die periodische Gesetzmässigkeit der chemischen Elemente (The Law of Periodic Regularity of the Chemical Elements), Annalen der Chemie und Pharmacie, Suppl. 8, 133-229.

8.          Mendelejeff, D. (1871b). Zur Frage über das System der Elemente, Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft, 4, 348-352.

9.          Seeman, J. I. (2013). Hist’s citation for chemical breakthrough awards: The first paper or the “breakthrough” paper? Bulletin for the History of Chemist, 38(1), 4-6.

10.      Stewart, P. J. (2018). Mendeleev’s predictions: success and failure. Foundation of Chemistry, https://doi.org/10.1007/s10698-018-9312-0.