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门捷列夫的梦 诞生了元素周期表

发布时间: 2019-02-15 15:45:40 来源:俄罗斯龙报 作者: 浏览次数:

联合国教科文组织今年1月在总部巴黎启动“化学元素周期表国际年”活动,将在今年举办一系列主题活动,纪念俄国科学家门捷列夫编制化学元素周期表150周年,并评价道:“元素周期表是科学史上最卓著的发现之一,刻画出的不仅是化学的本质,也是物理学和生物学的本质。”

无论是这张被称为化学帝国首部宪法的周期表,还是它的发现者门捷列夫,都有着堪称传奇的经历。

 

位于斯洛伐克首都的门捷列夫雕像。(图片来源:上海澎湃新闻网)

开创时代:不存在的元素

综合上海澎湃新闻网、香港《星岛日报》报道,关于这一发现的始末,众说纷纭,其中最广为人知并被门捷列夫本人在后期认可的故事是:他在一天夜里梦见了所有元素落进相应的格子,组成了一张表,并称自己只在一处做了必要的修改。

门捷列夫画出来的元素表格上的元素符号与现代基本一致,只有三处不同:碘被标记为J而非I ,铀被标记为Ur 而非UDi这个元素则根本不存在。它在1841年作为一种稀土元素被发现,直到1885年才最终证明它其实是第59号元素镨(Pr)和第60号元素钕的混合物。

惰性气体在门捷列夫的首版手稿中也不存在,它们直到1890年代中期才被世人发现,并被门捷列夫置于周期表的最左一列,作为“第0族元素”。

惊天奥秘:元素的周期性

门捷列夫在这张表格中发现的惊天奥秘是周期性。

随着原子质量的增加,元素的化学性质并非一直变化,而是间隔一段出现重复。如,从锂(Li)到钾(K),原子质量从7增加到39,门捷列夫的表中共列出了15个元素。但锂的化学性质与紧接着排在后面的铍(Be)性质差别颇大,反而与间隔7个出现的钠(Na)和再间隔7个出现的钾十分相似。跟铍相似的元素则是铍之后间隔7个出现的镁(Mg)。同时,碳与硅、氧与硫、氟与氯等互相相似,它们之间的间隔都是7

首版手稿的每个纵列即为一轮变化周期,每个横排上的元素性质相似,后来演化为“族”的概念。

时代局限:质量旁边的问号

纵然第一版元素周期表在门捷列夫的时代具有惊人的洞见力和前瞻性,其局限性也是显而易见的。

门捷列夫在化学元素旁标注的数字是原子的质量,而非现代周期表的排列依据质子数量。事实上,他始终没彻底搞清楚原子的结构,尤其怀疑电子是否存在。

在门捷列夫的时代,很难给原子称重。元素在自然界往往以化合物的形式存在,先要提纯,还要确定化合价,这个过程中可能产生10100倍的误差。于是,他给好几个元素的质量打上了问号,比如铀被标为116,他后来修改成了更接近现代的数值。而有些当时认为的“蹊跷之处”,他穷尽一生也未能解答。

终极一问:留下伟大的留白

世界上第一张元素周期表最令人津津乐道之处是表上的三个位置只标了原子质量,没有元素字母。即:门捷列夫预言了按照周期律,应有三种未被发现的新元素存在。

1871年,他把这三个元素起名“Eka硼 ”、“Eka铝”和“Eka硅”,预测它们的化学性质应当分别与硼、铝和硅类似。Eka这个前缀来自于梵文,意为“一”。

这在学术界引发了轩然大波,质疑的声音纷至沓来,但历史证明他是对的,这三个位置属于1886年发现的锗,1876年发生的镓和1879年发现的钪。在更远的后来,科学家们甚至开始利用周期表的规律,自己动手创造新元素。

值得一提的是,元素周期表上有一个位置专门留给了门捷列夫:第101号元素钔(Md)。

150年后的2019年,元素周期表已经排到了118号,科学家们仍在为门捷列夫的伟大发现开疆拓土,而那个终极问题仍未得到解答:元素周期表的尽头在哪里?

 

1897版《化学原理》扉页。(图片来源:上海澎湃新闻网)

硬核人生:纵然多坎坷 成就开先河

实际上,在门捷列夫的时代,至少有4名西欧化学家和1名美国化学家尝试过相同的事情,但都只能整理到二三十个元素就难以为继。然而,门捷列夫成功了。

18692月一个寒冷的冬夜之前,哪些伏笔已经在门捷列夫的人生中埋下,最终给了他和这个世界一个如此名留青史的回响?

上海澎湃新闻网报道,18342月,门捷列夫出生在西伯利亚的托博尔斯克,父亲从事中学教育工作,母亲来自当地商贾世家。这对夫妻共孕育了17个子女,门捷列夫最小。他出生后,家境日益窘迫,13岁那年,父亲去世,母亲的玻璃厂付之一炬。

不过,幼年失怙并未影响他的学业。他6岁入学,数学和科学成绩很好,15岁就早于规定年限从中学毕业。然而,他后面的人生却并未像中学毕业这样顺利。

望子成龙的母亲千里迢迢把他送去求学,可他却先后在莫斯科和圣彼得堡因“学区”的规定被大学拒之门外。最终,在友人帮助下,1850年,门捷列夫进入了圣彼得堡师范学院。他拿到了奖学金,但条件是毕业后在中学执教。

本科毕业后,门捷列夫想去气候温和的敖德萨,但因档案错误,他被意外送到了小城市辛菲罗波尔。1856年,他几经辗转回到圣彼得堡,想申请出国留学。当年10月,22岁的他以一篇《论硅化合物的结构》完成了硕士答辩。

因高校编制稀缺,门捷列夫在随后的两年内任大学的编外教员,开始了漫长的“转正”奋斗。他开授化学理论、化学史和有机化学研讨课,并指导本科生实验研究。因薪资微薄且不固定,他经常为期刊撰稿,接私活。

1859年,门捷列夫出国留学,在游历至巴黎时相识了热化学家贝赛洛特、制备烷烃的有机化学家武慈和提出燃烧定氮法的杜马斯;行至慕尼黑,他与“祖师”李比希相谈甚欢;行至海德堡,他遇到了本生电池、爱伦美烧瓶和基尔霍夫定律的冠名者。最终,他留在了海德堡。

门捷列夫终于有了稳定的朋友圈:解剖青蛙提出大脑反射的谢切诺夫,还有俄国近代化学的奠基人之一齐宁。

在海德堡,他投靠在“本生电池”“本生灯”的发明人门下。他对本生的实验室条件并不满意,遂在自己的公寓里自建实验室,其中一种实验器材是他自己设计的,如今被命名为门捷列夫比重瓶,可精确测量液体密度。他由此发现了气体和液体随着温度和压力转化的奥秘,提出只要降至“绝对沸点”一切气体皆可液化。这是他独立作出的第一项重要发现。

1861年,门捷列夫回到了圣彼得堡,但圣彼得堡大学因政治局势关停,他失业了。那段时间,他接下了所有能接的活,同时教化学、物理、地理,在几个高中之间来回跑。

稿费也是一门生财之道。他很快开启了著作等数身、本本皆传世的高产人生。回国后不到4个月时间,他完成了俄国历史上第一本《有机化学》。这本500页的手册首版迅速售罄。更妙的是,在齐宁和沃斯克列森斯基的支持下,他在次年拿下了德米多夫写作奖。这两位在门捷列夫生命中多次扮演伯乐和贵人。

门捷列夫终于能喘一口气,他用奖金还清了债务,还成家了。

写完《有机化学》,门捷列夫又接下了翻译德文《技术百科全书》的校对工作,并主笔了几章。在出版界获得惊人声誉的他虽无博士学位,却被圣彼得堡应用技术学院聘为教授。

因编写了《酒精度量学》的其中一章,门捷列夫还被财政部聘为酒精技术委员会专家。这份工作还给了他一个意外收获:在研究酒精的过程中,他可以从精准绘制的图像中读出清晰的化合物组分,这后来成了他的博士论文题目:《论酒精和水的化合物》。1865年,门捷列夫成了博士,同年,他“转正”为圣彼得堡大学技术化学教授。

1867年,沃斯克列森斯基搬离圣彼得堡,把一个纯化学教授的空缺留给了他。继承教职的同时,他也要继承前辈兼老朋友的教学任务:无机化学课。这对他来说是个相对陌生的领域,他决定自己编写一本新教材。

这本划时代的著作在门捷列夫生前改过8版,死后修至第13版,如今仍是化学专业大一新生的入门读物——《化学原理》。

不过,彼时正在认真备课的他正为一件事挠头:当时世界上已知的化学元素有63种,《化学原理》的上卷只整理了8个常见元素,如何将剩下的55个元素全部塞进下卷?元素的化学性质依据什么规律发生变化?化学究竟在围绕怎样的宪法运作,才构成了人类所见所用所生产的物质世界?

写完《化学原理》上卷后的一个冬夜,门捷列夫经历了那个名垂青史的梦……

(编辑:李余)

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