建立元素周期表

在人类认识和探索自然界中各种物质的内在规律过程中，有过许多光辉的典型的范例。构筑化学这座宏伟的大厦，俄国伟大的化学家、化学元素周期表的创始人——门捷列夫有着不可磨灭的贡献。关于门捷列夫是怎样创立化学元素周期表的，曾经有过许多美好的传说。有一种传说是，门捷列夫在梦中想出了化学元素周期表：门捷列夫坐在办公桌旁，一连三天两夜没有合眼。他试图把自己深思熟虑的化学元素结构综合制成周期表，但是没有成功。他累极了，不由得睡着了。睡梦中，他见到一张周期表，那上面一个个化学元素全都排好了位置。门捷列夫高兴得哈哈大笑，从睡梦中笑醒，赶紧起来把刚才梦中所见的周期表记录下来。后来，他仔细研究了这张睡梦中所得周期表，发现除了一处加以修改补充外，其余都是正确的。就这样，他发现了化学元素周期表，成为世界上最伟大的化学家。

传说是这样逼真。但传说毕竟是传说，它只能说明门捷列夫勤奋刻苦，连做梦也离不开研究化学。

门捷列夫进行科学研究活动的时代，正是自然科学飞速发展的19世纪中叶。当时已经积累了相当丰富的化学知识，创立了原子价理论，发明了比较精确的测定原子量的技术和方法，发现了60多种天然的化学元素，比较全面地认识了这些化学元素的物理结构特征和化学性质。此外，当时的冶金工业、炼焦工业和各种化学工业部门，如燃料工业、印染工业等部门的发展，也对化学科学的发展提出了新的要求。为了对化学工业进行新的概括和总结，当时有许多化学家，如英国的格拉斯顿（1827—1902年）、欧德林（1829—1921年）和纽兰兹（1837—1898年），法国化学家杜马（1800—1884年）和尚古都（1820—1886年），德国化学家麦耶尔（1830—1895年），美国化学家库克（1827—1894年）等，都曾经从事过化学元素规律性联系的研究工作。然而，最有成效的还是门捷列夫。

那时，化学家们所认识和知道的化学元素一共有63种。每一种都要和其他物质化合生成几十、几百种甚至上千种不同的化合物、氧化物、碱、酸、盐等。这里有气体、有液体、有晶体、有金属……有的有颜色，有的没有颜色；有的闪闪发光，有的气味强烈，有的没有气味；有的软，有的硬，有的苦，有的甜，有的轻，有的重；有的不稳定，就没有一种和另一种完全相似。在这片混乱的天地里，似乎没有一点统一性和规律性。

门捷列夫在1865年已经是俄国彼得堡大学年轻的化学教授，这一年他年仅31岁，并且刚刚获得博士学位。门捷列夫认为，这种现象绝不是偶然的。在这些化学元素中，每一种元素都应该有一种根本的特征作为它的标记，这个标记应该永远不会变化。但如何把这些化学元素有规律地排列起来，这个问题早已引起化学家们的注意。1789年，法国化学家拉瓦锡曾经着手把化学元素进行分类。不过当时人们只知道33种元素，其中包括一些根本不是化学元素的热和光等。拉瓦锡把它们分成气体、金属、非金属、土质4类。这当然未能揭示事物的本质。

1815年，美国青年医生普劳斯特提出一个大胆的观点：世界上的元素都是由氢原子构成的。这个见解已经揭开了笼罩着无机化学世界的迷雾，但还有许多问题普劳斯特无法解决，所以这个新发现未能引起人们的注意。

到了1829年，人们已经发现了54种元素。德国化学家段柏莱纳把其中的15个元素按3个元素一组，分为5组，他发现每3种元素的化学性质都很相似，他称为“三素组”。

1862年，法国地质学家尚古都做了一个圆柱体，把各种元素按原子量大小，从上到下写在螺旋线上。他发现，性质相似的元素都在同一条垂线上。

1864年，德国化学家麦耶尔在讲授无机化学课时，把化学元素排成“六元素”表。

1866年，英国化学家纽兰兹又把“六元素”扩展成8个元素，称为“八音律”。

在探索化学元素周期律的历史长河中，这些科学家都做出了努力，他们的工作都在一定深度和不同角度客观地揭示了元素间的某些联系，只因为没有把元素作为整体来概括，加上思想方法没有摆脱形而上学的自然观的束缚，所以没有找到元素的正确分类原则，更没有揭示元素之间的内在联系，历代化学家未能完成的艰巨任务历史地落在了门捷列夫的肩上。

门捷列夫正确地吸取了前人的研究成果，并在元素的分类研究中运用了辨证的思维分析方法，搜集整理了大量的事实材料。为了清楚地看出元素间的联系，他在发现了区别元素特征的主要标记原子量之后，用厚纸板切成63个方形卡片，在每一张卡片上写下元素的名称、重要性质及原子量。然后把这些小方块一组一组地摆起来，不断变换它们的位置，像玩纸牌一样一下子摆齐，又一下子散开，仔细推敲，认真分析，以便从中找出一般的规律。这样夜以继日，眼里布满了血丝。1869年春天，门捷列夫把使用的化学元素按原子量大小排列起来，使元素自动形成了一些互相类似的组或同类元素的族。这时，他发现在某个元素之后，每隔7个元素，便有一个元素的性质与这个元素十分相似。这好比就是穿着赤橙黄绿青蓝紫七色服装的人排队，第一排依次是从高到低的赤橙黄绿青蓝紫七色服装，第二排也依次是这7个颜色。这样，第一排向后纵向看去是7个不同颜色的纵队，第一排左边那个人身材最低，后排右边那个人身材最高。

门捷列夫的分类方法不是机械的，而是辨证的、灵活的。他不是把原子量作为决定元素排列位置的唯一依据，而是综合地考虑到各个方面的因素，辩证地进行分析和比较、排列和分类。例如，他把原子量为127.6的碲排在了原子量为126.9的碘的前面，而把原子量为58.9的钴原子量为58.7的镍的前面，如此等等，从而使这些元素的位置同它所具有的物理和化学性质一致起来。最惊人的是，他给那些暂时缺席的元素留下了空位，并且做出了非常精确的预言，这些预言后来都被一个一个的事实证明了。这是门捷列夫的前辈人和同辈人们所没有做到的。1875年，法国化学家布瓦博德朗（1838—1912年）发现了一种新元素，并把这个新云素命名为“镓”，就是现在元素周期表上的第31 号元素。布瓦博德朗在《巴黎科学院院报》上发表文章，介绍了他自己测得的关于镓元素的一些性质。过了不久，他收到了门捷列夫的一封信，信中说他测定的镓的比重不对，不是4.7，而是在5.9和6.0之间。布瓦博德朗感到非常惊讶，因为他是世界上第一个独一无二的手中握有镓元素的人。门捷列夫怎么会知道这种元素的比重不是4.7而是在5.9和6.0之间呢？难道真的是自己弄错了不成吗？于是，布瓦博德朗又一次对镓进行了提纯，重新仔细地测定了镓的比重。果然，镓的比重为5.94。这个结果同门捷列夫的预言完全一致。从此，布瓦博德朗对门捷列夫十分钦佩。

门捷列夫创立的化学元素周期律，形成了近代化学最基本的理论，至今全世界的无机化学教科书，几乎都是以门捷列夫的化学元素周期律为系统来讲述各种化学元素的。门捷列夫被誉为近代化学的奠基人——化学之父。

在那个时代，有些化学元素的原子量测定很不准确，甚至有很大的误差。如果机械地按照原子量大小进行排列，势必找不到元素的化学性质同原子量相关的周期变化规律。门捷列夫从元素总的化学特性上以及这种元素同其他元素的整体联系上，综合地进行分析和研究，纠正了一些在当时测得不准确的元素的原子量，把这些元素排在了适当的位置。例如，当时化学界公认铍的原子量为13.5，应该排在原子量为12的碳和原子量为14的氮之间。但是，门捷列夫在分析研究中认为，从铍的总体化学特性来看，从铍与其元素的整体联系来看，铍应该排在原子量为6.9的金属锂的后面。因此，门捷列夫大胆地指出铍的原子量还不准确。后来经过反复测定，铍的原子量是9.4而不是13.5。这充分显示了门捷列夫这位伟大的化学家深邃的科学知识功底和独具慧眼的科学精神。

门捷列夫给当时未知的化学元素留出了位置，并科学地预言了“类铝”“类硅”和“类硼”3种化学元素，并精确地预测了它们的物理特征和化学性质。这些科学预言后来都一一得到了证实。我们上面提到的镓元素就是门捷列夫预言的“类铝”；现在，化学元素周期表中列第21号的“钪”和第32号的元素“锗”，就是门捷列夫预言的“类硼”和“类硅”。

1879年，瑞典化学家尼尔森（Lars Fledrik Nilson，1840—1899年）发现了亚硼——钪，法国化学家鲍依斯培德兰发现了化学元素钐，瑞典化学家克里夫（Per Theodor Cleve，1840—1905年）发现了化学元素铥和钬。1886年，德国化学家温克勒（Alexandes Winkler，1838—1904年）发现了亚硅——锗，鲍依斯培德兰发现了化学元素镝。门捷列夫预言的未知元素达13种以上，后来都基本上被实践所证实。

在周期表发现以前，人们发现元素是偶然的。在周期律指导下，人们就可以有计划、有目标地寻找化学元素了。在对化学元素的认识上，人们从必然王国进入了自由王国。

在门捷列夫制定元素周期表时，还有很多惰性元素未被发现，因此，他未给它们排列位置。1894年，英国化学家拉姆塞（Andrew Crombie Ramsay，1814—1891年）和瑞利（1842—1919年）发现了惰性气体氩；1895年证实了地球上有氦、氖、氪、氙、氡。门捷列夫尊重实践，在周期表中补充了惰性元素族，发展了元素周期律。

周期律的建立，具有伟大的科学意义和哲学意义。它使化学研究从只限于对无数个别的零散事实做无规律的罗列中摆脱出来，奠定了现代化学的基础；它把原来认为是彼此孤立、不互相依赖的各种元素，看成是内在联系的统一体；它清楚地表明了化学元素性质发展变化的过程，是由量变到质变的过程。从现在的元素周期表上我们可以清楚地看到，在每个周期中，随着原子量的增加，元素的各种性质也逐步发生变化，到这个周期的末尾，就显示出质的飞跃。既不是截然不同，又不是简单重复，而是一个由简单到复杂、由量变到质变的发展过程。正如恩格斯所说的那样，门捷列夫是“不自觉地运用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和法国天文学家勒维耶计算当时尚未发现的海王星轨道的勋业居于同等地位”。

元素周期表的功绩是非常巨大的，它本身奥妙的推测引起人们去揭示原子构造的秘密，使人们打开了原子构造的大门，并引导建立了一门新学科——核子物理学，并且帮助以后的科学家去揭示原子能的秘密并利用这种能源。

门捷列夫发现化学元素周期律的成功充分说明，一个科学家，不仅要有矢志不移、奋发努力、顽强刻苦献身科学事业的精神，而且要有一个切合自己科学研究实际的行之有效的方法。门捷列夫正是具备了这样优秀科学家的基本素质才取得成功的。门捷列夫的天赋并不太好，他是家里第十四个孩子，学习成绩排在二十几位。但是他并不灰心，急起直追，顽强而又刻苦地钻研，1855年毕业时成绩跃居第一名，荣获金质奖章。当年曾拒绝他报考的彼得堡大学校委会又一致同意授予他“物理和化学硕士”学位。1856年，他又被聘请担任了普通化学副教授。就在这样一个他所热爱的岗位上，他完成了划时代的伟大贡献。