神妙无比的周期

第二十三章　神妙无比的周期

我们这里要讲的神妙无比的周期就是元素周期律，可以这样说，元素这个神妙无比的周期律的发现乃是自化学诞生以来最为重要的发现，它直到今天都构成了我们对于元素、对于化学甚至对于整个世界最为基本的、科学的认识之一。

自然界存在着许多种元素，在古代，人们就已经知道有金、银、铜、铁、锡、锌、汞、碳、硫等元素。炼金术出现之后，炼金术士们虽然没能炼出金，但也发现了一些新元素，像砷、铋、锑、磷等。

—最初的探索—

当化学诞生之后，通过玻意耳与拉瓦锡等化学先驱者的努力，发现了许多新元素，特别是存在于空气中的新元素，如二氧化碳、氧、氢、氮等。不仅如此，化学家们又发现了许多新的金属元素，像钴、钼、镍、锰、铂、钨、铀等。

到19世纪初，科学家们发明了一种寻找新元素的好办法，那就是电解法。

所谓电解法，即用电去分解之意。具体方法就是在一个叫电解槽的容器里盛入一些化合物溶液，然后两边分别插上电源的正极与负极，再通上电。这时候，原来溶液里的化合物就会发生分解，还原为单质，并且分别附在电解槽的阴极与阳极上面，那通常是一块导体，例如铁板、镍板、石墨条等。电解法是最有效的从化合物还原单质的办法之一，直到现在还被广泛运用，例如用电解水的办法来制造氢气与氧气，用电解铝矿石与铜矿石——也就是含有铝与铜的化合物——来冶炼铝与铜，直到今天都是最通行的炼矿法。

电解法发明之后，立即掀起了一个发现新元素的高潮。现在，科学家们只要找到了含有某种元素的化合物，就能够将这种元素还原出来。如果这种化合物里含有新元素的话，新元素就能轻易地发现了。

电解法发明后的短短40年里，就发现了30余种新元素，例如钾、钠、锂、钙、钡、钛等金属元素和硼、硒、碘、溴等非金属元素。

当用电解法能够发现的新元素发现完之后，发现的高潮就停止了，直到1860年德国化学家本生发明另一种新办法——光谱分析法。

光谱分析法的原理很简单，就是认为每一种元素都有自己独特的光谱线，而且在某种条件下会发射这样的光谱线。因此只要分析其光谱线就能确定是什么元素，同样，如果发现某些从来没有发现过的独特谱线，那么发射这种谱线的就可能是某种未知的新元素。

通过这种方法，科学家们又发现了几种新元素，例如本生发现的铯和铷，后来又发现了铟和铊等。到1869年，共发现了63种元素。

知道自然界存在这么多种不同的元素之后，化学家们自然而然会想到，在这些元素之间是不是有什么关系呢？是不是可以找到一条内在的线将它们连接起来呢？

有许多人早就作过这种努力，像拉瓦锡、奥地利化学家贝莱纳等。不过他们的努力都没多少成效。关键原因是这时候的原子量还很不精确。

这种情形直到阿佛伽德罗的理论被广泛接受时才得以改变。我们前面说过，如果用阿佛伽德罗的办法，那么测定原子量就是一件相当容易的事了。借助这种办法，科学家们不久就测定了已经发现的所有元素的原子量。

依靠已经测定的原子量，化学家们开始从这里出发寻找各元素之间的内在联系了。

第一个系统地提出自己理论的是法国化学家兼地质学家康古图。他设计出了一张螺旋形状的元素表，将已经发现的元素绘在一条带子上，然后将这条带子缠绕在一根柱子上。他发现，这时，如果垂直地从上往下看，就会发现这些元素之间有某些相似的性质。这等于说，每隔一定距离的元素之间有性质的相似。

1864年左右，英国化学家纽兰兹提出了一个更为科学的元素排列表。他将所有元素按原子量的大小依次排列。结果发现，如果将这些元素排列成行，每行7个，那么每隔6个元素，例如第1、第8和第15号元素之间，第9和第16号元素之间，有许多相似的性质。纽兰兹认为它们就像音乐中的8度音阶，故称之为元素的“八度律”。

但他们两人的成果都没有得到时人的承认，纽兰兹甚至还遭到了嘲笑。

但另一个人的命运就不同了，他也在作着同样的发现，并且因这发现而永垂不朽。

这人就是门捷列夫。

—伟大的发现者—

门捷列夫1834年生于俄罗斯西伯利亚的托博尔斯克。他的父亲名叫伊万·巴甫洛维奇，毕业于圣彼堡大学的师范学院，后来被派到西伯利亚的托波尔斯克城一所中学担任校长。在那里与一位叫玛丽娅·德米特里耶夫娜的姑娘成亲，两人感情很好，先后生了14个孩子，最后一个就是我们这里要讲的门捷列夫。

门捷列夫生下后不久家里就遭到大不幸。本来，靠他父亲当校长的收入，一家大小可以衣食无虞，然而门捷列夫出生不久，校长先生就患上了严重的眼疾，导致双目失明。一个瞎子怎能当老师？他只得退职。门捷列夫一下尝到了鲁迅小时候也尝过的那种家里“由小康转入困顿”的生活。

这时，多亏了门捷列夫的母亲，她虽然没念过多少书，但人既聪明，身体又健康。看到这样下去是没法养活一大堆孩子的，便毅然带领全家回到了自己隔得不远的家乡。在那里她娘家有一座制造玻璃的工厂，现在已经关门了。她把它顶了下来，重新开工生产。凭她出色的管理，工厂不久就运转起来，开始赢利了。

有了工厂的收入，门捷列夫一家子又过起了好日子。

7岁时，门捷列夫上学了，去的是父亲担任过校长的吉姆纳捷姆中学。

在学校里，门捷列夫的数学和物理等成绩很好，但痛恨拉丁文。据说，为了发泄这种痛恨之情，毕业那天，门捷列夫与一个同伴一起在学校后面的山上将拉丁文课本烧成了灰。

门捷列夫家的好日子过得并不久，到他13岁时，父亲拖着病体离开了人世。

所谓祸不单行，工厂这时候也已经步履维艰，父亲去世后不久，更是被一把火烧了个精光。

怎么办呢？门捷列夫的母亲这时候将生活的全部希望寄托在了聪明的儿子身上，她决定带儿子去莫斯科上大学。

她是个性格刚强的女人，办事也雷厉风行，一打定主意便带着儿子上路了。

从西伯利亚到莫斯科的路途不用说非常遥远。然而，当他们历尽艰辛到达目的地后，等待他们的并不是成功的喜悦。由于门捷列夫在学校里有些功课不行，例如拉丁文，加之他来自边远地区，各门功课底子都不怎么样，想进俄罗斯最好的大学莫斯科大学根本不可能。

但坚强的母亲并没有就此放弃，她立即带着孩子踏上了新的旅程，去首都圣彼得堡。

又经过漫长而艰苦的奔波后，终于到达了目的地，母子俩直奔圣彼得堡大学。

一开始也不顺利，因为门捷列夫的入学条件实在不怎么样。最后他们找到了圣彼得堡大学附属的师范学院，或称圣彼得堡师范学院，这里是他父亲的母校。此时的校长正好是父亲的老同学，他看到母子俩的情形，怜悯顿生，立即让门捷列夫入了学，还给了他一个官费生名额，这样大学四年就用不着母亲为学费操心了。

然而，长久以来的艰难生活已经使他可怜的母亲筋疲力尽。此前她强撑着为儿子打拼，儿子安排好后，她终于可以放心了。这时，她一直强撑着的身体终于油尽灯枯。她死于1850年，这时门捷列夫只有16岁。

父母双亡，一个人孤零零地待在举目无亲的城市，门捷列夫的孤苦伶仃可想而知。在这样的环境下，支撑他工作下去的仍是对母亲的怀念，他不能辜负母亲对自己的厚望，就像他后来在其《水溶液》一书的卷头献词中所言：

这项研究是为了怀念母亲和献给母亲而作的。我的母亲作为一位妇女来经营工厂，用她的汗水抚育幼子，以身示范熏陶我，以真诚之爱激励自己。为了能让儿子献身于科学事业，从遥远的西伯利亚长途跋涉来到这里，耗尽了她的全部物力与精力。临终之前还告诫我说：“不要依靠幻想，不能依靠空谈，应该依靠实际行动，应该追求自然之神的智慧、真理的智慧，并要经久不倦地追求它。”

从这段话中我们可以看到门捷列夫的母亲是一位何等伟大的母亲。

在大学里，贫困的门捷列夫成了最勤奋的学生之一，他的天赋也逐渐显露出来。毕业之时，他已经是全校最优秀的学生了，荣获金质奖章。

此后，他到俄罗斯南部的克里米亚当了一名教师，但不久又回到了圣彼得堡，在圣彼得堡大学攻读化学硕士学位。第二年就完成了学业，获得硕士学位，被留校任教。这是1857年的事，门捷列夫时年22岁。

两年后，门捷列夫被派往德国的海德堡大学进修。我们在上章说过，1860年时，在德国，超过100位化学家在这里商讨如何测定原子量的事，门捷列夫参加了这次会议，并且在会上第一次听说了由康尼查罗宣讲的阿佛伽德罗的理论，并被它深深打动了。后来他回忆这次会议时说：

我的周期律的决定时刻在1860年。我参加了卡尔斯鲁厄代表大会，在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲，正是他发现的原子量给我的工作以必要的参考材料……而正是在当时，一种元素的性质随原子量递增而呈现周期性变化的思想冲击了我。

在海德堡，门捷列夫的导师就是大名鼎鼎的本生。在这里学习两年后，门捷列夫回到了圣彼得堡，先在一所工学院当化学教授，1865年时获得了圣彼得堡大学的博士学位。又两年后，成为了受人尊敬的圣彼得堡大学的化学教授。从此他就专心待在大学里教他的书，做他的学问了。

此后20余年，他的生活甚少变化，他将主要精力放在著书立说上，先后出版了《有机化学教科书》、《化学原理》等著作，翻译了《分析化学》、《化学工业大全》等。其中1870年出版的《化学原理》最有名，正是在那本书里他提出了元素周期律。

1890年时，门捷列夫的生活才有了变故。这年，圣彼得堡大学的学生们起来反对在学校里试行警察制度，门捷列夫支持他们的行动，并亲自将学生们的请愿书转交给当局。然而当局根本不屑于接受之，更甭提里头的要求了。这令门捷列夫极为愤怒，事实上这也是当局对他的侮辱，他立即辞职，离开待了30余年的大学。

门捷列夫失业的事在社会上激起了不小的反响，他毕竟是俄罗斯、也是整个欧洲最伟大的科学家之一，当局这样做只会令他们在更加文明的英国人、法国人或者德国人面前丢脸。于是，政府当局赶快为门捷列夫安排工作。他们将门捷列夫请进了政府部门，先是要他主持全国化工产品的进口工作，1893年时更任命他担任国家度量衡局局长。这时门捷列夫还不到60岁。

进入政府部门后，门捷列夫显示了他不但是一个卓越的科学家，而且是一位出色的管理者，他不但要管理度量衡局的工作，还为许多政府部门提供了大量的咨询，例如农商部、财政部、陆军部与海军部等，给他们出了许多好主意。

因此，门捷列夫的晚年可以说是过得怡然自得，如果不是1904年爆发的日俄战争让他痛苦之外，他简直没什么痛苦呢！他看到自己为之付出了那么多辛勤汗水的政府竟然那么不堪一击，被小小的日本打得惨败，心中之痛难以言喻。

带着这样的痛苦，门捷列夫死于1907年，埋葬在母亲身边。

—元素周期律的发现—

门捷列夫最伟大的成就是发现元素周期律。

前面我们已经讲到了他在德国参加那次关于原子量的大会，正是在那次大会上他脑海里浮现了元素周期律的概念。

回国后，他埋头钻研各元素的性质，试图将它们按某种规律分类。据说他用厚纸剪成扑克牌模样的卡片，然后将各元素的名称、原子量、有关的氧化物等各种物理的与化学的性质写在上面，一个元素占一张卡片。当时一共发现了63种元素，他便制作了63张卡片。

以后的日子里，他经常将这些卡片摆来摆去，想知道它们之间有些什么内在联系。

决定性的日子在1869年2月17日来临了。这天，当他试着将这些元素按两种方式排列时，有了惊人的发现。

他先是将元素们按原子量的顺序由小到大排列，排列到性质相似的元素时，就另起一行，也就是说，让性质相似的元素上下对齐。这样，它们之间的内在联系顿时显山露水、水落石出：每一横行的化学元素的性质都相近，每一纵行化学元素的性质都是从金属变成非金属。更令他又惊又喜的是，整个已经发现的元素基本上都呈这种周期性的变化。

门捷列夫立即对这个规律作了更深入的研究，并且做了两件一般人不敢做的事：

一是对已知元素的原子量根据他所发现的规律进行订正。因为他发现，元素的性质与其原子量有密切的关系，而且周期表中的元素的性质与他所发现的周期律是完全符合的，但有些元素的原子量却不那么符合。我们知道，那时原子量的测定手段还相当原始，可靠性并不大，这些科学家们众所周知。相对很可能发生错误的原子量，元素的性质却是看得见的，错误的可能性当然要小得多。于是，门捷列夫就大胆地根据元素的性质来修订它们的原子量。

二是他发现，在表上，元素的性质一般而言是慢慢地改变的，就像梯级般一级级均匀递上，然而在某些地方相邻元素的性质却大为不同。他便勇敢地猜测在这些元素之间应当还有未曾发现的新元素。他就毅然在这两种性质大不相同的元素间留下了适当的空位，并预言这空位里头还有新元素等待人们去发现。他甚至大体给出了新元素的有关性质与原子量。

经过一番辛苦之后，门捷列夫完成了他的第一张化学元素周期表。

门捷列夫是按元素原子量的大小从小到大、从上往下排列的，例如氢（H）是1，锂（Li）是7，铍（Be）是9.4，硼（B）是11，等等。

完成这张表后，门捷列夫将之用法文和俄文印出来，寄给了许多同行，并准备在1869年3月份举行的一次俄罗斯化学学会会议上宣读相关论文。

遗憾的是这天他突然病倒，论文由他的一个朋友宣读，名为《元素属性与原子量的关系》，文中提出的主要论点如下：

一是化学元素原子量的大小决定元素的化学性质。

二是将各种元素按原子量的大小排列起来，将呈现明显的周期性。

三是在排列中，原子量跳跃过大的地方有新元素有待发现。

四是可以根据元素在周期表中的位置修订测得不准确的原子量。

大致与此同时，一个叫迈尔的德国化学家也绘制出了相似的元素周期表，不过还是门捷列夫的表的影响更大。

在第一张表的基础上，经过两年努力，门捷列夫又绘制出了第二张元素周期表。

这张表最大的一个改革是由从上到下、由小到大改为从左至右，从小到大。这样，在竖行里我们就能看到同一族元素，在横行里则看到了元素的周期性，十分明白。这些特征与现在我们看到的周期表已经基本上一样了。

至此，元素周期律的发现工作告一段落。一开始它并没有被广泛接受，有人表示怀疑，有人甚至公开讥笑。将怀疑打破最有效的办法当然是像爱因斯坦的相对论一样使其预言得到证实。

这证实不久就来了，1875年8月，一位叫布瓦博德朗的法国科学家在一个山谷里找到了一些闪锌矿石，用光谱分析时发现里面有一种新元素，这就是镓。

镓发现之后，布瓦博德朗公布了它的有关性质，不久他就接到了来自一个叫门捷列夫的陌生人写来的信，告诉他镓的比重应该不是他公布的4.7，而是5.9。

布瓦博德朗大为吃惊，这世界上只有他手里有点镓呢，这位门捷列夫怎么知道它的比重呢？但他还是尊重同行的意见，重新测量了比重，竟然发现与那个人的所言真的一致。不仅如此，那人在信中预言的镓的其他物理、化学性质竟然都相当准确！

这一下对门捷列夫理论的怀疑迅速地消失了，他的理论也很快传播开来，人们纷纷根据他的预言去寻找新元素。不久，被门捷列夫预言过的那些元素一一被发现，如1879年发现了“类硼”，这也就是钪，1886年发现“类硅”，即锗。这些新元素的性质与门捷列夫预言过的几乎完全一样。

至此，元素周期律就被广泛接受了，它成为化学科学最基本、最重要的理论之一。

元素周期律的发现对于化学甚至整个科学的意义是显而易见的，可以说，自化学诞生以来，还没有哪个理论具有如此重要的意义呢，事实上，直至今天，还没有哪个化学理论有如元素周期律一样对整个科学乃至人们对世界的认识有如此重要的意义，它以一种直截了当的态度向我们揭示：

自然界并不是神秘的，它有其内在的规律，只要我们去寻找，就可以能够找到它。同时，只有找到这种规律，我们才能认识自然。