從草圖到杰作：化學元素周期表演化史

編譯 許林玉

150年前，門捷列夫發(fā)現(xiàn)了化學元素之間的關系。

俄國化學家門捷列夫是首位發(fā)表元素周期表的人。元素周期表將已知元素按邏輯順序排列，并為尚未發(fā)現(xiàn)的元素預留了空間

每一個科學領域都有其鐘愛的周年紀念。對物理學來說，是1687年牛頓的《原理》一書出版的日子，該書介紹了牛頓運動定律和引力定律；在生物學領域，是達爾文的《物種起源》（1859年）以及他的誕辰（1809年）；天文學愛好者則紀念1543年，哥白尼正是那個時候認識到太陽是太陽系的中心。

而在化學界，沒有什么比元素周期表的起源更值得慶祝了。150年前的3月，俄國化學家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）創(chuàng)造了元素周期表。

對于化學專業(yè)的學生來說，門捷列夫的元素周期表如同會計師對電子表格一樣熟悉。它用大約100個包含符號和數(shù)字的正方形總結了一門完整的科學，列舉了構成地球上所有物質的元素，并將其按照能夠揭示其性質的順序排列，從理論和實踐上為化學研究提供指導。化學家彼得·阿特金斯（Peter Atkins）寫道：“元素周期表是化學領域最重要的貢獻。”

門捷列夫的周期表看起來像一張?zhí)貏e的圖表，但他想用這張表格來闡釋他發(fā)現(xiàn)的一個深刻的科學真理——周期律。該定律揭示了已知化學元素之間深刻的家族關系，門捷列夫也因此能夠預測那些尚未發(fā)現(xiàn)的元素的存在。這些化學元素按原子質量的順序排列時，在規(guī)律性的間隔（或周期）內(nèi)表現(xiàn)出相似的性質。門捷列夫稱：“在該定律公之于眾前，化學元素在性質上只是零碎的偶然事實。有了周期律，我們第一次能夠在化學視野此前無法企及的地方看到未發(fā)現(xiàn)的元素。”

門捷列夫的元素周期表不僅預測了新元素的存在，還證實了原子的存在——這一觀點在當時曾經(jīng)備受爭議。該表反映了亞原子結構的存在，并預測了最終在量子理論中揭示的物質規(guī)則背后的數(shù)學機制。憑借元素周期表，化學完成了從中世紀魔法神秘煉金術到嚴謹現(xiàn)代科學的轉變。

奠定基礎

傳說門捷列夫在一天之內(nèi)構思并創(chuàng)建了元素周期表，這一天是俄歷1869年2月17日（世界上其他大部分地區(qū)為3月1日）。不過，這一說法可能有點夸張。在此前數(shù)年時間里，門捷列夫一直在考慮將這些元素分組。在這之前的數(shù)十年，其他化學家也曾多次考慮過元素之間的關系。

事實上，早在1817年，德國化學家約翰·沃爾夫岡·德貝萊納（Johann Wolfgang D?bereiner）就注意到了元素組合的特性。在那段時期，正如英國教師約翰·道爾頓（John Dalton）在1808年提出的原子理論所描述的那樣，化學家們還沒有完全掌握原子的性質。道爾頓在其著作《化學哲學新體系》中假設每一種基本物質都由一種特殊類型的原子構成，以此解釋化學反應。

道爾頓提出，化學反應在原子斷開或連接時會產(chǎn)生新的物質。他推斷，任何特定元素都完全由一種原子組成，其質量與其他原子不同。氧原子的質量是氫原子的8倍，碳原子的質量是氫原子的6倍。當元素結合形成新的物質時，可通過這些相關的原子量知識來計算。

然而，有些原子量道爾頓弄錯了——氧的質量是氫的16倍，碳的質量是氫的12倍。但他的理論使原子的概念變得有用，并引發(fā)了一場化學革命。在接下來的幾十年里，精確地測量原子量成了化學家們的首要任務。

在考慮原子的質量時，德貝萊納指出，某些三元素組合（他稱之為三元組）顯示出一種特殊的關系。例如，溴的原子量介于氯和碘的原子量之間，這三種元素的化學性質非常相似。鋰、鈉和鉀也是三元組。

其他化學家發(fā)現(xiàn)了原子量和化學性質之間的聯(lián)系，但直到19世紀60年代，人們才對原子量有足夠的了解，并對其進行了充分的測量，從而產(chǎn)生了更深刻的見解。在英國，化學家約翰·紐蘭茲（John Newlands）注意到，按照原子量遞增的順序排列已知元素，每八種元素的化學性質就會重復出現(xiàn)。1865年，他在一篇論文中將這種模式稱為“八音律”（law of octaves）。但紐蘭茲的模式在前幾組元素之后就不太適用了，因此一位評論家建議他應該試著將元素按字母順序排列。顯然，正如門捷列夫很快意識到的那樣，元素性質和原子量之間的關系有點復雜。

粗略草圖：門捷列夫在元素周期表手寫草圖中，根據(jù)原子量對元素進行排列，揭示了元素的周期律，展現(xiàn)了元素如何在一定的間隔或周期內(nèi)表現(xiàn)相似的性質

一個有序的愿景：1869年出版的門捷列夫元素周期表是一張垂直的圖表，按原子量排列了63種已知元素，這種排列將性質相似的元素放在了同一水平行上。圖表名稱意為“基于原子量和化學特性的元素體系草圖”

組織元素

1834年，門捷列夫出生于西伯利亞托博爾斯克，在眾多兄弟姐妹中排行17。他興趣廣泛，但追求卓越之路并非一帆風順。在圣彼得堡的一所師范學院接受高等教育期間，他差點死于一場嚴重的疾病。畢業(yè)后，他進入中學教書（這是他就讀師范學院獲得獎學金的要求）。在教授數(shù)學和科學的同時，他為了獲取碩士學位從事著研究工作。之后，他做過家庭教師和講師，還兼職寫過一些科普文章。

當他回到圣彼得堡時，因為沒有工作，所以寫了一本關于有機化學的操作手冊，希望能夠獲得一大筆現(xiàn)金獎勵。盡管成功的希望渺茫，但他卻獲得了回報——1862年，門捷列夫獲得獎金豐厚的杰米多夫獎。他還找到了編輯、翻譯和各種化學工業(yè)顧問的工作。最終，他重返研究領域，并在1865年獲得博士學位，隨后成為圣彼得堡大學的教授。

不久之后，門捷列夫發(fā)現(xiàn)自己要教無機化學。在儲備這個新領域（對他而言）的知識時，他對現(xiàn)有教科書感到失望，因此決定自己寫書。撰寫文本需要將元素進行組織，所以他一直在思考如何最合理地排列它們。

1869年初，門捷列夫取得了重大進展。他認識到某些家族的相似元素的原子量有規(guī)律地增加，其他原子量大致相等的元素具有共同的特性。元素的原子量似乎是對它們進行分類的關鍵。

根據(jù)門捷列夫自己的敘述，他把已知的63種元素的性質分別寫在一張卡片上，以此來組織自己的想法。然后，通過一種化學紙牌游戲找到了自己努力尋找的模式。將卡片按原子量高低排列在垂直列中，在每一行中放入性質相似的元素。就這樣，門捷列夫的元素周期表誕生了。3月1日，他畫好表格草圖后，寄給了印刷公司，并將其收錄在即將出版的教科書中。他很快撰寫了一篇論文，準備提交給俄國化學會。

門捷列夫在他的論文中宣稱：“按原子量大小排列的元素具有明顯的周期性。根據(jù)所有這些比較，我得出了一個結論，原子量的大小決定元素的性質。”

與此同時，德國化學家勞爾·梅耶（Lothar Meyer）也在研究如何組織這些元素。他繪制了一張類似于門捷列夫元素周期表的表格，而且可能比門捷列夫做得更早。不過，梅耶在元素周期表的發(fā)表方面被重重擊了一拳，首次將其發(fā)表的人是門捷列夫，更重要的是，門捷列夫利用自己的表格對未發(fā)現(xiàn)的元素做出了大膽預測。他在繪制表格時，注意到有幾張便條卡不見了，因此必須留出空白以使已知元素準確對齊。在他的一生中，這些空白中有三個被之前未知的元素（鎵、鈧和鍺）所填滿。

門捷列夫不僅預測出這些元素的存在，而且準確、詳細地描述了它們的性質。例如，發(fā)現(xiàn)于1875年的鎵，其原子量為69.9（當時的測量結果），密度是水的6倍。門捷列夫曾預測過一種原子量為68的元素，他稱之為準鋁。他還預測了準硅，其原子量（72）和密度（5.5）與鍺（發(fā)現(xiàn)于1886年，原子量和密度分別為72.3和5.469）非常接近。此外，他正確地預測了含氧和氯的鍺化合物的密度。

門捷列夫的元素周期表成了神諭，這就像拼字游戲結束時揭示了宇宙的秘密。門捷列夫的預測為他奠定了化學魔法大師的傳奇地位。但是今天，歷史學家們爭論的是，預測元素的發(fā)現(xiàn)是否促使人們更容易接受他的周期律。這項定律之所以得到認可，可能更多是因為它能夠解釋已經(jīng)確立的化學關系。無論如何，門捷列夫的預測準確性無疑使人們注意到了他那張表格的優(yōu)點。

到19世紀90年代，化學家們普遍認為他的元素周期律是化學知識領域的里程碑。1900年，未來的諾貝爾化學獎得主威廉·拉姆齊（William Ramsay）稱其為“化學領域迄今為止最偉大的總結”。但門捷列夫做這件事的時候，并不知道它為什么會起作用。

1922年，物理學家尼爾斯·玻爾對元素周期表進行了修訂

數(shù)學地圖

科學史上的許多事例中，基于新方程的重大預測都被證明是正確的。在一定程度上，數(shù)學在實驗者發(fā)現(xiàn)之前就揭示了一些自然界的秘密，例如反物質和宇宙膨脹。在門捷列夫的例子中，對新元素的預測是在沒有任何創(chuàng)造性數(shù)學的情況下進行的。但事實上，門捷列夫發(fā)現(xiàn)了一幅深奧的自然數(shù)學地圖，因為他的表格反映了量子力學的含義，而量子力學又是支配原子結構的數(shù)學規(guī)則。

門捷列夫在他的教科書中指出，構成原子的物質的內(nèi)部差異可能是元素周期性重復的原因。但他并沒有遵循這一思路，事實上，多年來他一直在大談特談原子理論對他的周期表有多重要。

有人讀懂了表格上的信息。1888年，德國化學家約翰內(nèi)斯·維斯里辛努斯（Johannes Wislicenus）宣稱，按質量排列元素性質的周期性表明原子是由規(guī)則排列的更小粒子組成的。所以從某種意義上說，門捷列夫的周期表確實預測了原子復雜的內(nèi)部結構（并對此提供了證據(jù))，而當時沒有人知道原子的真正面貌，甚至根本不知道它們是否存在內(nèi)部結構。

丹麥物理學家尼爾斯·玻爾創(chuàng)制的1922年版元素周期表改編自丹麥化學家朱利葉斯·湯姆森（Julius Thomsen）的元素周期表，其中性質相似的元素排列在同一水平行，并用線條連接。右邊的空框標記了一組預期出現(xiàn)的元素，這些元素在化學性質上類似于前一列中的稀土元素（編號為58～70）

到1907年門捷列夫去世時，科學家們已經(jīng)知道原子包括不同的組成部分：帶負電荷的電子和帶正電荷的某種物質，從而使原子呈電中性。1911年，英國曼徹斯特大學物理學家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）發(fā)現(xiàn)了原子核。此后不久，曾與盧瑟福共事的物理學家亨利·莫斯萊（Henry Moseley）證明，原子核中正電荷的數(shù)量（即原子包含的質子數(shù)，或其“原子序數(shù)”）決定了元素周期表中元素的順序。

原子量與莫斯萊的原子序數(shù)關系非常密切——按質量排序的元素與按數(shù)量排序的元素只有幾個位置有所不同。門捷列夫曾經(jīng)堅持認為這些質量是錯誤的，必須重新測量，而他在某些情況下的確是對的。雖然一些差異仍然存在，但莫斯萊用原子序數(shù)對元素周期表進行了修正。

大約在同一時期，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）發(fā)現(xiàn)，量子理論支配著原子核周圍電子的排列，而最外層的電子決定元素的化學性質。

外層電子的類似排列會周期性地重復，這就解釋了門捷列夫的元素周期表最初揭示的模式。1922年，玻爾根據(jù)電子能量的實驗測量結果（以及一些來自周期定律的指導）創(chuàng)建了他自己的元素周期表。

玻爾的元素周期表增加了1869年之后發(fā)現(xiàn)的元素，但本質上與門捷列夫發(fā)現(xiàn)的周期性排列相同。門捷列夫在對量子理論一無所知的情況下，創(chuàng)建了一張反映量子物理學所規(guī)定的原子結構的周期表。

玻爾的新表既不是門捷列夫最初設計的周期表的第一個不同版本，也不是最后一個版本。如今，已經(jīng)設計并發(fā)表的元素周期表版本達數(shù)百個。現(xiàn)代版本為水平設計，與門捷列夫最初的垂直版本形成鮮明對比，但直到第二次世界大戰(zhàn)后才廣泛流行起來，這在很大程度上歸功于美國化學家格倫·西博格（Glenn Seaborg）的工作。他是科學服務學會的長期會員，該學會是《科學新聞》雜志的最初出版者。

西博格和他的合作者們合成了一些原子序數(shù)超過鈾的新元素（鈾是周期表中最后一個自然生成的元素）。西博格發(fā)現(xiàn)，需要在周期表中增加一行才能排列這些超鈾元素（加上排在鈾前面的三種元素），這是門捷列夫沒有預見到的。西博格的周期表將這些元素所需的行添加在類似的稀土元素行下面，而稀土元素的正確位置也一直不太清楚。1997年，西博格在接受采訪時說：“否認門捷列夫需要很大的勇氣。”

憑借對化學的貢獻，西博格贏得了以自己名字命名元素的殊榮——第106號元素（seaborgium）。這是為數(shù)不多的以一位著名科學家名字命名的元素之一。其他以著名科學家名字命名的元素還包括第101號元素鍆（mandelevium），這是西博格和他的同事在1955年發(fā)現(xiàn)的，并以理應在元素周期表上占有一席之地的門捷列夫的名字命名。

在修訂版中，美國化學家西博格將元素周期表水平放置，添加了鈾之后的幾種合成元素