Question

元素周期表到底是咋来的？

Answer 1

之前，我们聊到了古希腊哲学家们致力于「 ”万物本源”的问题。学者们努力了1000多年，一直到拉瓦锡和道尔顿时期才有了进展，也正式使化学成为一门科学理论。 门捷列夫之前 其中拉瓦锡将自然界的物质分解成基本元素，并且对元素的性质进行了一系列的检验。 最后，拉瓦锡提出了历史上第一个化学元素表。 不过要注意的是，这时候还不是化学元素周期表。因为这张表并没有体现出周期性。到了1829年，德国化学家德贝莱那提出了「 ”三素组学说”。 在他的时代，人类一共发现了54中元素，在这些元素中，德贝莱那发现： 锂和钾的原子量的平均数与钠的原子量非常接近；同样的事情也发生在钙，锶，钡、硫，硒，碲，以及氯，溴，碘之间。 也就是说，他发现了元素的排列是有规律可循的。 英国纽兰兹受到了德贝莱那「 ”三素组学说”的启发，同时结合对于音乐音阶的特点，把当时已知的61种元素按照相对原子质量递增的顺序排列，他发现每隔7种元素，就会出现性质类似的元素。因此，这也被称为元素八音律。于是，就有了「 ”元素八音律”周期表。 他把自己的发现写成论文发了出去，结果被拒稿了，还被人当成了笑话。 除了纽兰兹的「 ”元素八音律”周期表，其实当时还有尚库尔图瓦斯的「 ”螺旋图”，以及迈尔的「 ”六元素表”。但是，都没有能够很好地解决元素排列的问题。 门捷列夫的元素周期表 1869年3月，门捷列夫在大量工作的基础之上，发表了一篇名为《元素性质与原子量的关系》的论文，提出了元素周期律，并且发表了他的第一张元素周期表，这当中涵盖了当时已经发现的63种元素。不过表中有67个位置，这就意味着有4个空位只有原子量但是还没有发现元素，这是门捷列夫假设这四个元素存在的，并且预测了它们的性质。同时，他还对铟、碲、金、铋四种元素的原子量提出了质疑，并且提出他认为的正确的结果。 随着对元素周期律的进一步研究，在1871年12月，他发表了他的第二个元素周期表。这张表比第一张更加系统。而这张化学元素周期表也获得了后来科学界的认可。 那为什么是门捷列夫成功了呢？ 这主要是因为门捷列夫坚持不懈地收集和掌握了海量的元素数据，这个工作持续了近20年。并且试图在海量的数据当中去寻找规律。他大概总结出了三个规律： 元素周期性上升为普遍的规律； 元素周期性的核心特征是：渐变； 某些元素特质的变化既不符合周期性，也不符合门捷列夫估算的变化幅度，这时候就要遵照事实。 那门捷列夫的周期律有多厉害呢？ 我们来举个例子，当时有个科学家发现了「 ”镓”这个元素，并且公布了他的测算结果。门捷列夫看到后，第一时间给这位科学家写了一封信，信上的大意是： 你发现的新元素恰好就是我预测存在的四个元素之一。不过，你的论文里有个氧化物密度的数据跟我预测的不一样，肯定是你错了。 一开始这个科学家并没有当一回事，但出于尊重，还是重新做了一遍，结果真的和门捷列夫所预测的数据一模一样。这也成了门捷列夫的成名之战，一下子轰动了整个欧洲。 我们知道牛顿，爱因斯坦是物理学家最顶尖的存在，他们的厉害之处在于以一己之力完成了伟大的理论，而更重要的是这个理论可以精准的预测。而门捷列夫在化学中的地位就如同牛顿，爱因斯坦在物理学中的地位。他的元素周期律不仅能够很好对已经的元素进行排序，并且还能够预测未知元素的存在。 诺贝奖的「 ”失误”，化学界的遗憾 照理说，门捷列夫如此大的成就，拿到诺贝尔奖是不成问题的。实际上，他也确实被提名过，分别是1904年、1905年、1906年。 前两年没有获奖，据说是因为门捷列夫早年得罪了瑞士化学家阿累尼乌斯，门捷列夫对阿累尼乌斯的溶解理论颇有批评。而阿累尼乌斯对诺贝尔奖组委会的评委们有很大的影响力，所以在他的影响下，没有把奖授予门捷列夫。 而1906年，门捷列夫遇到了一个特别强劲的对手，那就是法国化学家莫瓦桑，他的成就是制造出了单质氟，制备单质氟可以说是化学史上的一段流血的奋斗史，经历了多年，多位化学家才最终成功。除了制造单质氟，当时莫瓦桑还制备了金刚石，这也是他获奖呼声最高的一个原因。于是，在1906年，诺贝尔奖委员会把诺贝尔奖颁给了莫瓦桑，主要是基于他对制备单质氟的功绩。 但是在获奖致辞中，莫瓦桑还是把自己制备金刚石的事情大谈特谈，因为他也觉得自己能获奖主要和制备金刚石有关。可他自己不知道，实际上他的办法并不能制备金刚石，只是他的学生对于他的固执烦透了，于是偷偷地在实验中放入了金刚石，使得莫瓦桑误以为自己真的成功了。这件事情最后也被揭露了，好在诺贝奖委员会当时比较保守并没有把获奖的理由写上「 ”制备金刚石”，否则将会成为诺贝奖史上的一大丑闻。 但这也使得门捷列夫错过了最后一次获奖机会。1907年2月，门捷列夫因为心肌梗塞与世长辞。后来，每当人们说起诺奖的「 ”错颁”，就很容易会想到门捷列夫。他没有得诺贝尔化学奖就如同爱因斯坦没得到诺贝尔物理学奖让人感到不可思议。 虽然门捷列夫与世长辞，但是他的元素周期律将随着人类文明的发展永存。对于整个化学界来说，这张元素周期表就好比武林人士的武林秘籍，如果没搞懂，都不好意思出去跟别人说自己是化学家。而化学元素周期律的本质，其实揭示的是物质的内在联系。 后来，伟大的物理学家泡利，将从物理学家的角度出去，重新对元素周期律的本质进行诠释，我们之后再详细聊。