门捷列夫是如何给上百种元素排座位的？

张明 2024-02-02

门捷列夫是如何给上百种元素排座位的？

希腊神话中，尼俄伯（Niobe）是底比斯国王安菲翁的王后，她是幸福的女人：父亲是宙斯的儿子坦塔罗斯（Tantalus），丈夫是无所不能、出类拔萃的音乐家，她自己则是一位养育了7个小王子和7个小公主的骄傲的母亲。

然而，在希腊神话中，尼俄伯又是一位悲剧人物。雷托是阿波罗（太阳神）和阿耳特弥斯（月亮女神）的母亲，每年春天底比斯城的妇女都会向这位伟大母亲奉献鲜花，这使尼俄伯嫉妒不已。这一年，当妇女们再一次聚集到雷托的庙宇里时，尼俄伯披着柔软耀眼的长袍，走向人群，责备她们对女神的狂妄崇拜，她声称自己比雷托更高贵、更伟大，人们应当尊敬她而不是雷托，雷托不过是两个孩子的穷母亲而已。

雷托此时正站在山顶上俯视底比斯城，看到这一幕后，她决定“以牙还牙”。她找来阿波罗和阿耳特弥斯，将事情一五一十地告诉了他们。性急的阿波罗借着云彩的掩护来到底比斯城外，抽出了弓箭，正在玩耍的7个小王子纷纷倒在他那百发百中的箭下。

尼俄伯悲痛欲绝，她带着7个公主来到王子们的尸体旁，痛骂雷托和她的孩子。这次阿耳特弥斯特抽出了弓箭，一眨眼工夫，7个活泼可爱的公主都倒下了。尼俄伯呆住了！她一动不动地坐在14具尸体中间，目光漠然，那悲痛欲绝的愤怒竟将她化成了一块石头！

这个故事里的Tantalus和Niobe，将出现在我们的元素周期表里。

元素的早期发现

在古代，一些先哲都将水作为唯一的元素，无论是中国的管子所说的“水者，何也？万物之本原也”，还是英国的泰斯特认为的“水是万物之母，水生万物，万物最终又将化水而去”，都认为水是构成各种物质的基本单位。

后来，当人们发现单一的元素说根本无法对物质世界的多样性和变化性作出解释时，就不断地往元素家族里添加新成员，于是出现了“三要素说”、“四元素说”。比如在古希腊、古印度以及玛雅文化中，人们不约而同地将水、气、土、火认为是组成世间万物的原始物质，这就诞生了统治西方很长一段时间的“四元素说”。而在中国，人们信奉的是以金、木、水、火、土为基本元素的“五行说”。

在人类还没有掌握科学的实验手段之前，所有这些关于物质构成的元素学说都只是一种臆想和推断，真正跨出根据科学来理解元素概念第一步的是伟大的化学家玻意耳。1661年，玻意耳出版了在化学史上堪称里程碑式的作品——《怀疑派的化学家》，对上千年来视为真理的“四元素说”提出了颠覆性的批判，他指出：“元素是指某种原始的、简单的、一点也没有掺杂的物质。元素不能用任何其他物质造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所谓完全混合物的成分，也是完全混合物最终分解成的要素。”也就是说，只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。例如，黄金虽然可以同其他金属一起制成合金，或溶解于王水之中而隐蔽起来，但是人们仍可设法恢复其原形，重新得到黄金，所以它是一种元素。

古希腊的“四元素说”和中国的五行学说

元素名称的来历

元素周期表中共有100多种元素，它们名称的来历五花八门。最早发现的一些元素的命名大多根据它们本身的特性，如氧（O，成酸的）、氢（H，制造水的），有一些则表明了它的出处，如钠（Na，来自苏打），氦（He，来自太阳），还有一部分则取自希腊神话，如开头故事中讲到的Tantalus和Niobe，分别用于命名元素周期表中第73号元素钽（Ta）和41号元素铌（Nb），而且钽位于铌的正下方（Nb是在富含Ta的矿石中发现的）。为了纪念发现者或其祖国、故乡，最新发现的一些元素则以国家名称或科学家的名字命名。

从17世纪中叶起，一些科学实验室相继在欧洲成立，科学家积累了一些先进的实验手段和关于物质变化的数据资料，开始使用化学分析方法来解释元素的概念。拉瓦锡在1789年发表了化学史上具有划时代意义的集大成之作《化学基础》，在书里重新定义了元素的概念，总结了33种元素和常见的化合物，使当时零碎的化学知识逐渐清晰化。在这份元素名单里，已经找不到“四元素说”的身影了。

从我们现在了解的知识来看，玻意耳、拉瓦锡定义的元素实际上是单质。不过，他们的元素的定义使单质同化合物、混合物区分了开来，从而使化学研究沿着一条正确的思路向前发展。

拉瓦锡的33种元素名单

几乎就在拉瓦锡公布自己元素列表的同时，物理学家发现了电流并制造了产生电流的装置，而化学家则很快发现，用它能电解金属盐溶液，这让一些以前人们无法得知的金属露出了它们的“庐山真面目”。和拉瓦锡同时代的英国化学家戴维利用电解装置，先后发现了钾、钠、镁、钙等碱金属和碱土金属，并用热还原法得到了硼。另外一位伟大的化学家贝采利乌斯则发现了铈、硒、钍，还有人用浓硫酸处理海藻灰母液和纯盐湖水分别制得了碘和溴，而碱金属锂也从稀有矿石中被提炼了出来。而在贵金属方面，人们在熟知的银、金、白金（铂）之外，又得到了铑、钯、铱、锇和钌。在钌之后，人类发现的元素已经达57种之多了。

不同金属元素燃烧时产生不同颜色的火焰

给化学元素排个座

到19世纪初，人类已经发现了好几十种元素，对于这些元素的性质、颜色、密度、沸点以及如何制取等也已经了如指掌。这些元素虽然在性质、状态等方面各有差异，但也有类似的地方。比如锂、钠、钾都能在水中剧烈反应生成氢气，金、铂、钌都非常稳定。这些纷繁复杂的元素之间到底有什么联系？它们的性质有没有规律可循，可不可以将它们进行分类呢？

最早提出将元素归类的，是1829年德国化学家贝莱纳，他提出了“三元素组”观点。贝莱纳发现有一些元素的性质相似，如钙锶钡，氯溴碘，锂钠钾等。他将已知元素中的15种分成了这样的5组。约在30年之后，法国人尚古多将当时已知的62种元素一网打尽，按照原子量递增的顺序标记在一条旋转上升的螺旋线上，而一些性质接近的元素则出现在同一主线上。这个方法已经初现元素周期表的雏形了。英国人纽兰兹也发现了类似的现象，并且把这种规律叫做“八音律”，第八个元素和第一个元素在一定程度上性质相似。纽兰兹甚至还草拟了一份元素周期表，并且很好地解释了第一、二、三周期。但三周期以后就不那么令人满意了，有的位置上竟然被安排了两种元素。英国的化学同行们嘲笑他不务正业，居然把元素和音乐扯到一起。抑郁的纽兰兹只好放弃了对元素周期律的研究。

纽兰兹

纽兰兹也许不知道，他在德国有一位志同道合的探索者——迈耶尔。迈耶尔也在研究原子之间的关系，他首次将原子量和化合价的关系应用到了实际研究中，将28种元素创造性地分成6个族，验证了这些族的元素化合价4，3，2，1，1，2的规律，元素分类终于有了族的概念。迈耶尔的另一创新之处是区分了主、副族元素，还在自己的元素周期表中明智地预留了空位给待发现的元素。元素周期表的出世已初现端倪。

迈耶尔

门捷列夫与元素周期表

在发现元素周期律之前，门捷列夫只是一名普普通通的大学化学教授，对元素性质万分痴迷的他除上课以外，把所有时间都投入到了元素周期律的寻找中。他自制了一副纸牌，每张卡片上都写着不同元素的名称和性质，随身携带，有时间就拿出来摆弄，希望将这些杂乱无章的卡片按顺序排列，体现出元素的内在联系。为了这些可爱的元素卡片，门捷列夫到了近乎疯狂的地步，对周围发生的任何事情都不闻不问。在经过了无数次的尝试和失败之后，终于在一天深夜，他在自己的床上成功地拼出了自己的元素周期表。在这个表里，和迈耶尔一样，门捷列夫把元素按照原子量的递增关系分成了若干个周期，排在同一列的元素又分成性质相似的一个个族。门捷列夫还发现，如果把所有的已知元素排进这个元素周期表，有时候会破坏元素之间的协调关系，因此他大胆地预留了一些空位，并通过周期律预测了一些尚未发现的元素的性质。

门捷列夫把自己的发现写成论文发表后，在当时受到了和纽兰兹一样的遭遇。但冷嘲热讽并没有让门捷列夫像纽兰兹一样放弃自己的事业，他义无反顾地投入到后续的工作中。门捷列夫预言元素周期表中的第4号元素硼（当时还没有发现稀有气体元素，所以硼元素只是4号元素）下面有一个新元素，他将它称为“埃卡硼”，即“硼加一”的意思，并预言它有着和硼类似的性质。同样，他在锌和砷之间设置了埃卡铝、埃卡硅两个新元素，分别具有类似于铝和硅的性质。

门捷列夫的预言应验了。1875年，法国化学家布阿勃朗利用光谱法发现了新元素，其性质和铝极其相似，这种元素被它的发现者命名为镓。这个消息传到俄国后让门捷列夫大为振奋，在反复研究布阿勃朗的报告之后，门捷列夫确认这种镓元素就是他在自己的元素周期表中预留的埃卡铝。门捷列夫立即给巴黎科学院写信：“你们所发现的镓就是我预言的埃卡铝，它的原子量接近68，密度应该为5.0—6.0。请你们继续研究，再查一查吧。”

门捷列夫元素周期表的第一版手稿

门捷列夫

这实在太有趣了！一位科学家在圣彼得堡书房里用笔和纸预言了一种新元素，而另一位科学家在巴黎的实验室里用烧杯和烧瓶，借助精确的测量和实验，验证了前一位科学家的预言。第二次，布阿勃朗测得镓的密度为4.7，听到这个消息后，门捷列夫没有放弃，他固执地请求布阿勃朗：“镓的密度应该为5.9，也许您的那块并不纯，请您再查一查。”布阿勃朗小心谨慎地提纯了一块更大的镓，这次他不得不佩服门捷列夫，镓的密度确实是5.9。一位唯一拥有镓的科学家，竟然败给了仅在书桌上用笔计算的人，布阿勃朗感慨地说：“我没有什么可说的了，事实证明了门捷列夫周期律的巨大意义。”

隐秘的惰性气体家族

惰性气体包括氦、氖、氩、氪、氙、氡，它们的化学性质相当稳定，几乎不与任何元素化合。因为含量稀少，惰性气体又叫稀有气体。最早的稀有气体是法国天文学家们发现的，他们通过对太阳光谱的观察发现了氦。而地球上第一次发现的稀有气体元素则是氩。

在研究空气时，英国物理学家瑞利发现，从空气中得到的纯氮的密度是1.2572克/升；而从氨分解得到的纯氮的密度是1.2560克/升，两个数据相差约千分之一克。化学家拉姆齐在光谱中找到了引起这个差异的杂质气体的新谱线，证实空气中存在一种性质不活泼的新元素——氦，并很快在空气中发现了其他3种稀有气体元素，分别命名为——氖、氪、氙，终于完整地揭开了神秘的稀有气体的面纱。