元素周期律的发现

时间:2018-05-07  栏目:历史故事  点击:172 次

元素周期律的发现

门捷列夫一生勤奋地从事化学研究,终于发现了自然科学的重要定律之一——元素周期律,并据此预见了一些当时尚未发现的元素。元素周期律还指导了对元素及其化合物性质的系统研究,成为现代有关物质结构理论发展的基础。

1834年2月8日,门捷列夫生于俄国贫寒的中学教员家庭。他天资聪颖,勤奋好学,少年时父亲去世,由母亲抚养,母亲希望日后他能成为一个对社会有用之才。1855年,门捷列夫毕业于彼得堡师范学院,当过中学化学教师。1859年至1861年在德国海德大学进修,在那里,门捷列夫结识了一大批著名的化学家,有德国的,还有法国、意大利的。他们有关区别原子量与分子量的主张对门捷列夫产生了重大影响。回国后,他在著名的彼得堡大学任教,博学多才的他,讲授的课程妙趣横生,深受学生喜爱。不久他就成为彼得堡大学首屈一指的化学教授。与此同时,他还在研读前人的科学论著,搜集了大量的科学文献资料。(www.guayunfan.com)

1869年,门捷列夫开始教授无机化学这门课程。他发现这门课的内容太陈旧,迫切需要一本能反映最新科学发展水平的无机化学教科书。于是,他决定编一本新的教材,并取名为《化学原理》。经过两年的努力,他完成了《化学原理》第一卷,但是,当他从事第二卷的著述时,遇到了困难。这一卷要论述到化学元素的性质,可是,它们的次序应该怎样排列呢?当时化学家们在论述这个问题时,有的先讲氢,因为它最轻;有的先讲氧,因为它最为常见;有的先讲铁,因为它使用得最多。门捷列夫认为:之所以产生这种现象,是因为化学家们还不清楚化学元素之间排列的规律。他决心找出化学元素性质变化的规律,并把它写进《化学原理》中去。

为此,门捷列夫制作了60多张卡片,在每张卡片上都写了该元素的名称、原子量、化合物的化合价和主要性质以及有关它的已知材料。以什么为依据来编排元素的顺序呢?经过反复比较,门捷列夫终于发现只有按照元素的原子量来编排才是最理想的,因为每种元素的原子量都有确定的数值,而且当时已经知道的60多种元素的原子量彼此都不相同。他排成了一张表,在这张表中,各种元素的性质随着原子量的增加,而大致呈现出周期性的变化。

然而,在排列过程中,门捷列夫遇到了一些特殊情况。这些情况很难处理。比如铍这个化学元素,如果按原子量顺序来排列,应该插在碳和氮之间,但显然是多余的;而锂和硼之间,却又好像少了一个元素。“会不会是铍的原子量弄错了呢?”门捷列夫大胆地提出了这个疑问。铍的当量是4.5,这是通过实验得到的不会有问题,但化合价是推测出来的。当时人们认为铍的性质像铝,因而把它的化合价与铝定为一样,都是+3价,而原子量是化合价乘以当量计算出来的,因此铍的原子量是13.5(碳的原子量为12,氮的原子量为14)。如果它的性质不像铝而像其他什么元素,原子量就会不同。

门捷列夫查阅了大量资料,结果发现,铍的性质也很像镁,而镁的化合价为+2价。这样铍的原子量成为6,正好排在锂(原子量为7)和硼(原子量为11)之间。这一突破极大地鼓舞了门捷列夫,他又用类似的办法,大胆更正了好几个元素的化合价和原子量,从而使这些元素在排列中回到它们应有的位置上。

但新的问题又出来了:比如钙的原子量为40,而在它后面的钛的原子量,却猛增到50。按周期性排列的元素之间在原子量和性质上上下脱节!门捷列夫苦苦地思索,终于想到,现在的60多种元素不会是自然界现存的全部元素,今后还会有新的元素被发现。他设想在钙和钛之间,还会有一个至今仍未发现的元素,它迟早会被人们发现,所以应该在钙的后面,给这个未发现的元素留下一个空位。门捷列夫称之为“类硼”,并预言了它的一些主要性质。

门捷列夫在排列时还发现,锌后面应该是砷,但砷的性质和磷相似,应该放在磷下面。于是他又大胆推测锌与砷之间还有两种元素未被发现,门捷列夫把这两个位置空了出来,并称之为“类铝”和“类硅”,并同样预言了它们主要的性质。

就这样,35岁的门捷列夫在化学元素符号的简单排列中,发现了化学元素周期律。1869年,门捷列夫发表了世界上第一张化学元素周期表。发表后,不少化学家对它表示怀疑。特别是对他预言并描述当时还未发现的类硼、类铝和类硅三种元素,表示不可理解。甚至有人认为门捷列夫是想入非非。连他的导师也告诫他要踏踏实实做些实事,别再不务正业了。然而,门捷列夫坚信,周期律是科学的,它一定经得起实践的检验。

1875年,门捷列夫在法国科学院院报上看到一篇报道:法国化学家布瓦博德朗发现了一种新的元素——镓。门捷列夫认为它的性质和自己预言过的类铝很相似,但这种新元素的比重是4.7克/立方厘米,与他预言的比重5.9~6克/立方厘米差距较大,这是为什么呢?门捷列夫再次核算了一遍,认为自己的预言是正确的。于是他给布瓦博德朗写了一封信,告诉他镓的比重测错了。布瓦博德朗接信后大吃一惊,这位法国化学家按照门捷列夫的建议重新提炼了镓,并再次测定了它的比重。完全证实了门捷列夫的科学预言。就这样,法国科学家用实验的方法,证明了元素周期律的科学性。这件事在欧洲引起了巨大反响,许多科学家根据门捷列夫创制的元素周期表,去探索尚未发现的元素。欧洲几十个著名的实验室,都在紧张地工作,他们渴望新发现。

1880年,瑞典两位化学家发现了一种新元素——钪,这就是门捷列夫预言过的类硼;1886年,德国化学家文克列尔用光谱分析法发现了一个新元素——锗,这就是门捷列夫预言过的类硅。早在1871年,门捷列夫还曾预言过11种未发现的元素,并且指出了它们应排列的位置和原子量等。以后陆续被发现的新元素氦、氖、镭、铼、锝、砹等,再次证明了周期律确实是普遍适用的。周期律作为一个基本定律,有力地促进了现代化学和物理学的发展。

由于发现了化学元素周期律,门捷列夫顺利地写出了《化学原理》第二卷。这是世界上第一部以化学元素周期律为纲的无机化学教科书。

门捷列夫晚年继续勤奋地工作。1887年,他根据溶剂与溶液相互作用的原理,创立了溶液水代理论,之后又提出煤在地下气化和以化学精炼石油的主张。1902年2月2日,门捷列夫病逝,几万人自发地参加了他的葬礼。在送葬的队伍中,有人高举着一条巨大的横幅,上面画着这位伟大化学家所创制的元素周期表。

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