化學天才的“發現”— 紀念元素週期表150周年 / 李瑞祥、邵紅能

星期四 , 2, 五月 2019 Leave a comment

化學天才的“發現”—紀念元素週期表150周年

李瑞祥1、邵紅能*2

安徽省禹王學校蚌埠校區1

上海市城市科技學校

*shaohongneng@163.com

前言

在中學化學教科書中,都附有一張“元素週期表”。這張表揭示了物質世界的秘密,把一些看來似乎互不相關的元素統一起來,組成了一個完整的自然體系。它的發明,是近代化學史上的一個創舉,對於促進化學的發展,起了巨大的作用。看到這張元素週期表,人們便會想到它的最早發明者:門得列夫!

為紀念俄羅斯化學家門得列夫編制化學元素週期表150周年,國際純粹與應用化學聯合會IUPAC成立100周年,聯合國將2019年定為“化學元素週期表國際年”,將舉行一系列活動,提高公眾對化學學科知識,以及化學對可持續發展目標貢獻的認識。2019129日,法國巴黎聯合國教科文組織總部舉辦“國際化學元素週期表年IYPT2019”開幕式,由中國化學會與美麗科學團隊聯合打造的科普視頻《重現化學》被組織方選為開幕式素材,在開幕式上進行了播放,吸引了國際化學領域的廣泛關注。

德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834.2.81907.2.2),俄國著名化學家,其研究領域為化學,特別是無機化學和物理化學。門得列夫在一生中寫了大量的學術論文,主要有《論液體的毛細現象》、《論液體的膨脹》和《元素性質和原子量的相互關係》等。其名著《化學原理》,在很大程度上促進了當時化學研究的發展,為科學做出了巨大貢獻。他發現化學元素的週期性,依照原子量,製作出世界上第一張元素週期表,並據以預見了一些尚未發現的元素。門得列夫除了發現元素週期律外,還研究過氣體定律、氣象學、石油工業、農業化學、無煙火藥和度量衡等,由於他的辛勤勞動,在這些領域都不同程度地做出了成績。門得列夫對化學最重要的貢獻是:“建立了元素週期分類法”。這是自18世紀科學化學開始以來,繼拉瓦錫、道爾頓之後的又一功績。

中學畢業後,他母親變賣了工廠,親自送門得列夫來到莫斯科。後來,門得列夫把每張紙正面標明已知元素名稱、原子量、化合價等基本資訊。他發現夾在碳與氮中間的鈹是多餘的,進一步發現鋅後面本來是砷,但砷的化學性質與磷相似。門得列夫通過排列紙片,在35歲這年發現了元素週期律。

門得列夫對於化學元素週期律的發現激起了人們發現新元素和研究無機化學理論的熱潮,元素週期律的發現在化學發展史上是一個重要的里程碑,它把幾百年來關於各種元素的大量知識系統化並形成一個有內在聯繫的統一體系,進而使之上升為理論。1955年,科學家們為了紀念元素週期律的發現者門得列夫,將101號元素命名為“鍆”。

從小勤學好問,刻苦鑽研

門得列夫183427日誕生在俄國西伯利亞的托波爾斯克市,父親是一位中學教師。在他出生後不久,父親因患白內障而雙目失明,一家的生活全仗著母親經營一個小玻璃廠維持著。門得列夫自幼有出眾的記憶力和數學才能,讀小學時,對數學、物理、歷史課程感興趣。他特別喜愛大自然,曾同他的中學老師一起作長途旅行,搜集了不少岩石、花卉和昆蟲標本。他善於在實踐中學習,學習成績有了明顯的提高。

1841年,7歲的門得列夫進了中學,他在上學的早幾年就表現出了出眾的才能和驚人的記憶力,他對數學、物理學和地理發生了極大的興趣。1850年,門得列夫進入中央師範學院學習,在大學一年級,門得列夫就迷上了化學。他決心要成為一個化學家,為了人類的利益而獲得簡單、價廉和“到處都有”的物質。他各門功課都學的很扎實,在課外還閱讀各種科學文獻,在20歲那年,門得列夫的第一篇科學論著《關於芬蘭褐廉石》發表在礦物學協會的刊物上,在研究同晶現象方面完成了巨大和重要的研究。

1855年,門得列夫以第一名的優異成績畢業於師範學院,曾擔任中學教師,後來門得列夫在聖彼得堡參加碩士考試,並在說有的考試科目中都獲得了最高的評價。在他的碩士論文中,門得列夫提出了“倫比容”,這些研究對他今後發現週期律有至關重要的意義。兩年後,23歲的門得列夫被批准為聖彼得堡大學的副教授,開始教授化學課程,主要負責講授《化學基礎》課。在理論化學裡,應該指出自然界到底有多少元素?元素之間有什麼異同和存在什麼內部聯繫?新的元素應該怎樣去發現?這些問題,當時的化學界正處在探索階段。年輕的學者門得列夫也毫無畏懼地衝進了這個領域,開始了艱難的探索工作。

1860年,門得列夫在德國卡爾斯盧厄(Karlsruhe)召開第一次國際化學家代表大會,會議上解決了許多重要的化學問題,最終確定了“原子”、“分子”、“原子價”等概念,並為測定元素的原子量奠定了堅實的基礎。這次大會也對門得列夫形成週期律的思想產生了很大的影響。1861年,門得列夫回到聖彼得堡,擔任化學教授工作。雖然教學工作非常繁忙,但他繼續進行科學研究。門得列夫深深的感覺到化學還沒有牢固的基礎,化學在當時只不過是記述零星的現象而已,甚至連化學最基本的基石—元素學說還沒有一個明確的概念。

門得列夫開始編寫一本內容很豐富的著作《化學原理》。他遇到一個難題,即用一種怎樣的合乎邏輯的方式來組織當時已知的63種元素。門得列夫仔細研究了63種元素的物理性質和化學性質,他準備了許多撲克牌一樣的卡片,將63種化學元素的名稱及其原子量、氧化物、物理性質、化學性質等分別寫在卡片上。他用不同的方法去擺那些卡片,用以進行元素分類的試驗。

186931日這一天,門得列夫仍然在對著這些卡片苦苦思索。他先把常見的元素族按照原子量遞增的順序拼在一起,之後是那些不常見的元素,最後只剩下稀土元素沒有全部“入座”,門得列夫無奈地將它放在邊上。從頭至尾看一遍排出的“牌陣”,門得列夫驚喜地發現,所有的已知元素都已按原子量遞增的順序排列起來,並且相似元素依一定的間隔出現。第二天,門得列夫將所得出的結果製成一張表,這是人類歷史上第一張化學元素週期表。在這個表中,週期是橫行,族是縱行。在門得列夫的週期表中,他大膽地為尚待發現的元素留出了位置,並且在其關於週期表的發現的論文中指出:按著原子量由小到大的順序排列各種元素,在原子量跳躍過大的地方會有新元素被發現,因此週期律可以預言尚待發現的元素。

187112月,門得列夫在第一張元素週期表的基礎上進行增益,發表了第二張表。在該表中,改豎排為橫排,使用一族元素處於同一豎行中,更突出了元素性質的週期性。至此,化學元素週期律的發現工作已圓滿完成。化學界通將週期律稱為門得列夫週期律:主族元素越是向右非金屬性越強,越是向上金屬性越強。同族元素,隨著週期數的增加,分子量越來越大,半徑越來越大,金屬性越來越強。同週期元素,隨著原子係數數的增加,分子量越來越大,半徑越來越小,非金屬性越來越強。最後一列上都是稀有氣體,化學性質穩定。門得列夫發現了元素週期律,在世界上留下了不朽的光榮。

在會議激發靈感

在一個化學學術討論會上,參會者都帶有筆紙,只有門得列夫兩手空空,什麼也沒有帶,會議討論了好幾天,門得列夫什麼也沒有說,當會議要結束時,主持人問:“門得列夫先生,你有什麼高見”。門得列夫什麼也沒有說,站起來從口袋中取出一副牌放在桌子上,周圍的人都很驚訝,門得列夫把桌子上的牌整理並一一給大家看,這時大家才發現每張牌上都寫著元素的名稱,一共63種元素。更怪的是這副牌還有七種顏色,這七種顏色的紙牌就像光譜段,有規律的重複著,並且門得列夫口中念念有詞的介紹每一個元素,與會者個個都目瞪口呆,這是要在實驗室待多久才明白的,想不到一個年輕人全掌握了,眾人感到很吃驚。

但是門得列夫的老師批評他,說難道元素被他用紙牌這樣擺佈就能發現什麼規律嗎?結果這場討論也就不歡而散,但是門得列夫堅持自己的想法,不斷地尋找元素之間的規律,才得以日後發現元素週期律。

一天清晨,門得列夫經過一個夜晚的研究後,疲倦地躺在書房的沙發上,他預感十五年來一直縈繞心頭的問題即將迎刃而解,因此,這幾個星期以來他格外地努力。

十五年來,從他學生時代開始就一直對“元素”與“元素”之間可能存在的種種關聯感興趣,並且利用一切時間對化學元素進行研究。最近他感覺自己的研究大有進展,應該很快就能把元素間的關聯和規律串在一起了。

門得列夫之夢

由於過度疲勞,門得列夫在不知不覺中睡著了。睡夢中,他突然清晰地看見元素排列成週期表浮現在他的眼前,他又驚又喜,隨即清醒過來,順手記下夢中的元素週期表。元素週期表的發現成了一項劃時代的成就,而因為在夢中得到靈感,所以人們稱為“天才的發現,實現在夢中。”但門得列夫卻不這麼認為,把這個累積十五年的成就歸功於“夢中的偶然”讓他忿忿不平。他說:“在做那個夢以前,我一直盯著目標,不斷努力、不斷研究,夢中的景象只不過是我十五年努力的結果。”

1860年,門得列夫在為著作《化學原理》一書考慮寫作計畫時,深為無機化學的缺乏系統性所困擾。於是,他開始搜集每一個已知元素的性質資料和有關資料,把前人在實踐中所得成果,凡能找到的都收集在一起。人類關於元素問題的長期實踐和認識活動,為他提供了豐富的材料。他在研究前人所得成果的基礎上,發現一些元素除有特性之外還有共性。例如,已知鹵素元素的氟、氯、溴、碘,都具有相似的性質;鹼金屬元素鋰、鈉、鉀暴露在空氣中時,都很快就被氧化,因此,都是只能以化合物形式存在於自然界中;有的金屬例銅、銀、金都能長久保持在空氣中而不被腐蝕,正因為如此它們被稱為“貴金屬”。

於是,門得列夫開始試著排列這些元素。他把每個元素都建立了一張長方形紙板卡片。在每一塊長方形紙板上寫上了元素符號、原子量、元素性質及其化合物。然後,把它們釘在實驗室的牆上排了又排。經過了一系列的排隊以後,他發現了元素化學性質的規律性。

門得列夫在批判地繼承前人工作的基礎上,對大量實驗事實進行了訂正、分析和概括,總結出這樣一條規律:元素的性質隨著原子量的遞增而呈週期性的變化,既元素週期律。他根據元素週期律編制了第一個元素週期表,把已經發現的63種元素全部列入表裡,從而初步完成了使元素系統化的任務。他還在表中留下空位,預言了類似硼、鋁、矽的未知元素的性質,並指出當時測定的某些元素原子量的數值有錯誤。而他在週期表中也沒有機械地完全按照原子量數值的順序排列。若干年後,他的預言都得到了證實。門得列夫工作的成功,引起了科學界的震動。

元素週期表聞名於世

1854年,不滿21歲的門得列夫寫出第一篇化學學術報告。1855年,寫成自己的畢業論文《論同晶現象與結晶形狀及其組成的關係》。接著他以優異的成績,從聖彼得堡高等師範學校畢業,並獲得一枚金質獎章。1856年,聖彼得堡大學授予門得列夫物理和化學碩士學位。第二年,這個當年被拒之門外的外省中學生,被批准為該大學化學教研室副教授,此時門得列夫僅23
歲。1865
年,他取得博士學位,並被正式任命為教授。

門得列夫的天才不僅僅表現在他找到了元素的性質週期性地隨著它們的原子量而改變的規律,更大膽地修改了一批當時公認的原子量,最令人欽佩的是,他在週期表留下了一些未知元素的空位,並預言它們的性質,其高度的準確性至今令人讚歎不已。這正是門得列夫作為元素週期律的主要發現者的主要原因。門得列夫對自己的預言曾寫道:“我決定這樣做,預言中的元素一個一個遲早會被發現,但也有可能這些週期表中的元素始終隱避著不讓化學家發現。”

隨著週期表的廣泛被承認,門得列夫成為聞名於世的卓越化學家,各國的科學院、學會、大學紛紛授予他榮譽稱號、名譽學位以及金質獎章。1882年,英國皇家學會就授予門得列夫以大衛金質獎章。1889年,英國化學會授予他最高榮譽“法拉第獎章”。

1889年的夏天,門得列夫接受英國化學會的邀請,參加了“紀念法拉第的學術講演會”,當他站在講臺上講述週期表的作用和意義時感慨萬分。他在講演即將結束時說:“20年前我們發現了週期律,並根據它預言了尚未發現的三個元素的性質。那時曾指出過這樣性質的元素將來是一定會發現的,但是並沒有想到能在我的有生之年就會發現它們。我今天能夠在尊敬的英國化學會的各位會員先生面前,榮幸地報告說我的預言是完全準確的,這也是我完全夢想不到的事情。”

門得列夫除了發現元素週期律外,還研究過氣體定律、溶液化學理論、氣象學、石油工業、農業化學、無煙火藥、度量衡,由於他的辛勤勞動,在這些領域都頗有建樹。比如發現了氣體的臨界溫度並提出液體熱膨脹的經驗公式,提出了溶液的水合物理論,研製出新型無煙火藥—低氮硝化棉膠火藥。

門得列夫晚年工作

1893年,門得列夫出任俄國國家度量衡檢定總局局長,負責制定各行業的標準和精密的度量衡標準測量的研究(這相當於現在中國的標準化委員會和計量委員會),他在度量衡局工作了十四年,一直到他光輝生命的最後一天。

門得列夫的晚年並不富裕,缺乏必要的照顧。他晚年撰寫自傳,整理已發表的文獻,他有一段話:“和我的名字相聯繫的只有四件事:元素週期律、氣體張力的研究、把溶液理解為締和以及《化學原理》。這就是我的全部財富。他們不是從別人那裡搶來的,而是由我自己創造出來的,這是我的成果,我極為珍視它們,啊,就像珍愛我的孩子一樣。”190722日,這位享有世界盛譽的俄國化學家因心肌梗塞與世長辭,那一天距離他的73歲生日只有六天。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。

結語

門得列夫發現了元素週期律,在世界上留下了不朽的光榮,人們給他以很高的評價。恩格斯在《自然辯證法》一書中曾經指出:“門得列夫不自覺地應用黑格爾的量轉化為質的規律,完成了科學上的一個勳業,這個勳業可以和勒維烈(Urbain Jean Joseph Le Verrier)計算尚未知道的行星海王星的軌道的勳業居於同等地位。”元素週期律經過後人的不斷完善和發展,在人們認識自然,改造自然,征服自然的鬥爭中,發揮著越來越大的作用。

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