门捷列夫之三：元素周期律发现之旅

1868年夏天，在俄罗斯彼得堡大学主楼左侧的一栋建筑里，34岁的化学工程教授门捷列夫在编写无机化学教科书《化学原理》的第二部分时遇到了前所未有的困难，并且长时间无法落笔。他站起来，回到卧室的一边去拿一件大外套，然后走到实验室的右边。这位长头发、蓝眼睛、直鼻子、宽额头的科学家刚刚走进实验室大门，仿佛想起了什么似的，立刻从夹克口袋里拿出一本厚厚的笔记本，写了下来。他记得的是:“我们必须找出氢、氧和铁的排列规则，克服一切困难！”

门捷列夫的困难正是化学元素排列的规律性问题。化学原理第二部分的主题是讨论化学元素的性质。当时的情况是，世界各地的化学家都不知道化学元素排列的规则，讨论是从哪里开始的？

事实上，化学元素排列的研究已经进行了近一个世纪。1789年，法国科学家拉瓦锡将33种已知元素分为四类:气体、金属、非金属和土壤。这种分类是主观的，不能证明要素的排列规律。公元1815年，英国医生普劳特提出所有元素都是由氢原子组成的。尽管这一观点打开了无机化学世界的迷雾，但它也缺乏科学依据。公元1829年，德国化学家柏林纳将15种元素分成五组，每组三种。他发现每组元素的化学性质非常相似，所以他称之为“三元素组”。贝瑞娜的研究不外乎如此。1865年，英国化学家纽兰兹做了一个开创性的实验:根据原子量重复排列元素。他惊讶地发现，无论从哪种元素来看，第八种元素在性质上与第一种元素相似。他称这种元素的循环为“八度音阶”。如果他坚持下去，也许现在没有多少人会认识门捷列夫了。不幸的是，纽兰兹只安排了元素，没有继续研究元素之间的规律。

纽兰兹八音速率图(网络图)

对元素排列的清晰理解不仅有助于一个人完成工作，也有助于世界各地的科学家避免走弯路。门捷列夫经常为此感到不舒服，在办公室和实验室之间徘徊。

很快门捷列夫想出了一个方便、快捷、高效的方法，即让仆人安东把厚纸切成60多张小纸片，每张纸片的正面都标有已知元素的名称、原子量和化合价等基本信息。这样，他可以直接比较和调整。

门捷列夫通过这些纸片找到了已知化学元素铍的化合价和原子量。他首先根据柏林方法将纸片分成三组，并根据元素的原子量进行排列，从而彻底理解所谓的“三元素组”。完成这一步后，他不断地改变排列，希望排列出一个能反映各种元素之间内在联系的顺序。几天后，他终于形成了一条线，同时画了一张表格。在这个表中，各种元素的性质随着原子量的增加而周期性地变化。

门捷列夫没有时间对这一进展感到兴奋，因为他遇到了新的问题。他将已知元素排列如下:

元素:锂氢硼碳铍氮氧氟

原子量:1 7 11 12 13.5 14 16 19

显然，铍夹在碳和氮之间在这种排列中是多余的。锂和硼之间似乎缺少一种元素。“铍应该在锂和硼之间吗？铍的原子量好吗？”门捷列夫做出了这个假设。为了证明这个想法，门捷列夫检查了大量数据，做了许多实验，最终证明铍与镁非常相似。根据镁的+2价，铍的原子量应该是9，正好在锂和硼之间。

这一成功极大地激发了门捷列夫的信心。他坚持不懈地努力，修正了几种元素的原子价和原子量，从而使这些元素找到了它们的“家”。

反映门捷列夫发现化学元素周期规律的邮票(网络图)

门捷列夫的第二个问题是未知元素的化学性质。一段时间后，门捷列夫发现钙的原子量是40，而其背后的钛已经飙升至47.9，而且其性质也彼此脱节。这不能说。

经过反复思考和研究，门捷列夫大胆地推测，这60多种元素并不是全部，而且肯定还有许多未被发现的元素。例如，钙和钛之间有一种元素尚未“诞生”。他无法证明这是什么元素，所以他把它命名为“类硼”，并在钙和钛之间留下了一个“家”。

门捷列夫进一步发现，砷最初仅次于锌，但砷的化学性质类似于磷。经过计算，他把砷放在磷后面，把锌留在后面。门捷列夫称这种未知元素为“类铝”，并预测了这种元素的性质。

经过这一切，门捷列夫终于松了一口气。很快，他抓起笔，在画上写了一行字:“根据原子量和化学性质列出的元素清单。”这样，门捷列夫在35岁时通过整理纸片发现了元素的周期规律。

左图:门捷列夫化学元素周期表，出版于1869年，周期为列，族为行。右图:门捷列夫，拍摄于1897年。(网络图)

1869年3月6日，一年一度的俄罗斯化学学会在彼得堡大学举行。门捷列夫将在会上报告他的最新发现，他不想因为过度劳累而住院。最后，助手在会上代表他读了一篇关于元素周期规律的论文。门捷列夫发现元素周期定律的旅程结束了。

(在元素周期定律诞生之初，它没有被人们所认识。相反，许多科学家也嘲笑这是无稽之谈。门捷列夫做了什么？如何使用周期定律？《化学原理》第二卷写好了吗？......要了解丧事，看下一集《元素周期规律验证之旅》。)

注:本文参考了《科学家传记词典》(1997)、百度百科等资料。

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