门捷列夫与元素周期表的故事

一张不足几百字的表格，能把物质世界深层次的秘密揭示出来，堪称奇迹。看到这张表格，人们突然发现，原来纷繁复杂、姿态万千的大自然，竟然有简洁、有序的一面，这就是元素周期表。元素周期表的问世，彻底改变了人类对自然界的看法，更促进了近代化学的发展。回溯元素周期表的发现史，好似条条大路通罗马。可实际上，每条路都是蜿蜒曲折，布满荆棘。

人类一直在思考，物质的本质是什么？一时难于解答，哲学思想应运而生。中国古代的五行说、古印度的四大说、古埃及的三元素说，皆指向元素构成万物。伊壁鸠鲁等古希腊哲学家提出了“原子说”，来应对物质中难以解释的“无限”概念。“原子”，即分割下去，不能再分割的物质。《墨子·经说下》也表达了类似的观点，如“无”与“非半”不可斫也。

一百年后，法国化学家拉瓦锡将定量描述引入物质世界。拉瓦锡证明，水可以通过氢在氧气中燃烧而生成。后来，人们发现用电可以把水分解为氢和氧，所以水不是元素。空气也不是元素，约1/5是氧气，其余的是不支持燃烧的其他气体（主要是氮气）。

1789年，法国化学家拉瓦锡发表了33种化学元素的名单（实际上只包含了23种元素），随后欧洲掀起一股搜寻新元素的热潮，相继发现了六十多种元素；人们对现有元素进行详细研究，出现了光谱技术，通过其发出的光，进行元素鉴定，罗马城似乎抬脚可到了。

1860年，在德国卡尔斯鲁厄召开的国际化学会议上，科学家们统一了原子量的标定方式，并更正了一些元素的原子量。当时构建元素周期表的难点在于，建立元素间的横向关系。谁先找到其中的规律，谁就拿到了打开罗马大门的钥匙。

门捷列夫很忙

1834年2月7日，德米特里·门捷列夫生于西伯利亚的首府托博尔斯克。门捷列夫的父亲伊万从事中学教育工作，母亲玛利亚来自当地著名的商贾世家。玛利亚的祖父创办了西伯利亚地区第一家玻璃厂和印刷厂。

1847年，失去父亲的门捷列夫随母亲来到彼得堡。1850年夏，门捷列夫进入父亲的母校——彼得堡师范学院学习。在那里，他学习了化学、物理、生物和教育学。由于当时高校编制的稀缺，基本上是“一个萝卜一个坑”，门捷列夫在随后的两年内担任大学的编外教员，开始了漫长的“转正”史。

门捷列夫开授化学理论、化学史和有机化学方面的研讨课，并指导本科生的实验研究。因薪资微薄且不固定，门捷列夫时常为教育部的期刊撰稿，并接私教的活。在此期间他曾短暂地订婚，但随后遭遇悔婚。1859年的春天，编外教员门捷列夫终于出国留学，拿到了为期22个月的奖学金。他并没有立即选定一个地方，而是花了数月游历西欧。

行至巴黎，他相识了提出“最大功原理”的热化学家贝赛洛特、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。他留在了海德堡，原因很简单：老乡多，海德堡大约有10%的学生来自俄国，构成了庞大的侨民社区。

1860年9月3日上午9时，来自德国、法国、英国、俄国、意大利等十多个国家的约140名化学家齐聚在德国的卡尔斯鲁厄，参加为期三天的首次国际化学家代表大会。来自意大利的坎尼扎罗号召用阿伏伽德罗发明的标准统一原子量、分子量的概念，解决纷争已久的分歧。26岁的门捷列夫旁听了这场演讲。他敏锐地嗅到了一个新的时代即将来临，并在《俄罗斯日报》上发文报告了这场会议的成果。

1861年，门捷列夫延长留学的请求未获俄国外交部通过。当他回到圣彼得堡时，亚历山大二世下诏废除了农奴制。圣彼得堡大学因首都的政治局势关停，门捷列夫那段时间终日饥肠辘辘，修补衣物都要赊账。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。稿费自然也是一门生财之道。门捷列夫完成了俄国历史上第一本《有机化学》。该书不仅是前人资料的汇编，还加入了新的知识点。写完《有机化学》之后，门捷列夫接下了翻译德文《技术百科全书》的校对工作，并心血来潮主笔了几个章节。他在出版界获得了惊人的声誉，身无博士学位，竟被圣彼得堡应用技术学院聘为教授。

1865年1月31日，门捷列夫获得了化学博士学位，通过教授资格考试后，门捷列夫终于转正成为圣彼得堡大学的技术化学教授，并在同年秋天入住大学公寓。在那里，他将画出最初一版元素周期表。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门捷列夫。继承教职的同时，门捷列夫也要继承朋友的教学任务：无机化学课。这对他来说是个相对陌生的领域，门捷列夫决定自己动手编写一本全新的教材。这本划时代的著作，分上下两卷，书名叫做《化学原理》。

1869年2月17日，圣彼得堡大学自由经济学会会长霍德涅夫写信给门捷列夫，安排他去视察一个乳酪厂。在这封信的背面，门捷列夫第一次写下了元素周期表，完整准确，有主副族之分。没有什么预演，一气呵成，以至于传闻他是做梦或者玩扑克牌时偶然得到。实际上，一切是水到渠成。一个月后，俄罗斯化学会收到了门捷列夫的一份科学报告，题目就是《元素的性质与其原子量的关系》。这实际上就是门捷列夫发现的化学元素周期律。

德国化学家迈耶尔Meier与门捷列夫几乎同时各自发明了自己的周期表，并且都是按照原子量进行排列的。只是迈耶尔仅包含28种元素，其他元素在其周期表上并不适用。1869年2月19日，门捷列夫排出了一个周期性的元素表，不只是列出了63种当时已知的化学元素，同时还指出世界上还有未被发现的元素，并表明它们在元素周期表中的位置，以及其基本参数。例如在锌和砷之间有两个空格，门捷列夫就预言出这两个未知元素的性质分别具有类铝和类硅的性质。

元素周期表的故事

元素周期表刚问世时，并没有受到太多的重视。沙皇政府对门捷列夫的学术活动评价是某种手工活动。1875年，法国化学家布瓦博德兰从闪锌矿中发现了镓元素，元素符号定为Ga，中文名为“镓”，这就是门捷列夫所预言的“类铝”元素。门捷列夫预测的比重为5.9—6克/立方厘米，而发现者测定的比重为4.7克/立方厘米。不久，布瓦博德兰就收到了门捷列夫写来的信件，信中说让他重新测定一下镓的比重。于是，布瓦博德朗把镓提纯之后重新进行了测量，镓的比重实测值为5.96，与门捷列夫的预测十分吻合！此事在欧洲的震动很大，门捷列夫赢得了很好的口碑。

若干年之后，1879年，瑞典化学家尼尔森从镱土中发现了钪元素；1886年，德国化学家文克勒从硫银锗矿中发现了锗元素。预言成真，元素周期表才受到重视。化学家们再也不会做无用功，到不可能的地方去寻找新元素了。就好比现在有了精确的地图，地理学家不会跑到撒哈拉大沙漠去寻找热带雨林，也不会跑到太平洋里探索高山，因为那里不可能有。同样的，化学家也不会想方设法去钾钠中间寻找新的碱金属，更不会在氧和氟之间发现任何新的元素，因为这是周期律所不允许的。

“致命的”问题又接连出现，拉姆齐等人在19世纪90年代发现了惰性气体，分离出了氩元素，还发现了氦、氖、氪和氙元素。所以，门捷列夫对周期表系统进行了一次最大的修改，1906年，门捷列夫在生前最后一版《化学原理》中把“惰性一族”排进了周期表。经过历年多次修订后，才定型为今天的元素周期表。

门捷列夫的元素周期表不断增加新的元素，但仍有一个空位迟迟没有元素来认领——第43号元素。长久以来，化学家们都在自然界中寻找新的元素，直到1937年在回旋加速器中由氘核轰击钼原子产生了第一个人造新元素“锝”。

锝的发现，第一次证明了周期表上的元素并不仅限于地球上已有的元素。人造元素也推动元素发现进入新的加速期。从1952年出现的99号元素，到2006年合成的118号元素，第七周期就这样从“入座率”不到一半到“满席”了。

1907年，门捷列夫与世长辞，但门捷列夫对元素周期表的贡献却影响至今。元素是否可以无穷尽地造下去？对于元素周期表，视线向前延伸，它变得愈发饱满，站得更稳，并不断被赋予新的意义与价值。

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