发现元素周期律的门捷列夫

1834一1907


    到1869年止,已有63种元素被人们所认识。进一步寻找新元素成为当时化学家最热门的课题。但是地球上究竟有多少元素?怎样去寻找新的元素?却没有人能作比较科学的回答。寻找新元素的工作也固缺乏正确的理论指导,而带有很大的盲目性,常常白白地耗费了许多精力。

    在对物质、元素的广泛研究中,关于各种元素的性质的资料,积累日愈丰富,但是这些资料却是繁杂纷乱的,人们很难从中获得清晰的认识。整理这些资料,概括这些感性知识,从中摸索总结出规律,这是摆在当对化学家面前一个急待解决的课题,同时也是科学和生产发展的必然要求。在这样的科学背景下,从事元素分类工作和寻找元素之间内在联系的许多化学家,经过长期的共同努力,取得了一系列研究成果,其中最辉煌的成就是俄国化学家门捷列夫和德国化学家迈尔先后发现的化学元素周期律。

化学元素周期律的发现

    道尔顿提出了科学的原子论后,许多化学家都把测定各种元素的原子量当作一项重要工作,这样就使元素原子量与性质之间存在的联系逐渐展露出来、1829年德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”观点,把当时已知的44种元素中的15种,分成5组,指出每组的三允素性质相似,而且中间元素的原子量等于较轻和较重的两个元素原子量之和的一半。例如钙、锡、钡,性质相似,铬的原子量大约是钙和钡的原子量之和的一半。氯、澳、碘以及银、钠、钾等元素也有类似的关系。然而只要认真一点,就会发现这样分类有许多不能令人满意的地方,所以并没有引起化学家们的重视。

   1862年,法国化学家尚古多提出一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按原子量的大小顺序标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上,这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上。因此他第一个指出了元素性质的周期性变化。可是他的报告照样无人理睬。1864年,德国化学家迈尔在他的《现代化学理论》一书中刊出一个“六元素表”。可惜他的表中只列出了已知元素的一半,但他已明确地指出:“在原子量的数值上具有一种规律性,这是毫无疑义的”。1865年,英国化学家纽兰兹提出了“八音律”一说。他把当时已知的元素按原子量递增顺序排列在表中,发现元素的性质有周期住的重复,第八个元素与第一个元素性质相近,就好象音乐中八音度的第八个音符有相似的重复一样。纽兰兹的工作同样被否定,当时的一些学者把八音律斥之为幼稚的滑稽戏,有人甚至挖谤说:“为什么不按元素的字母顺序排列呢?那样,也许会得到更加意想不到的美妙效果。”“六元素表”、“八音律”是存在许多错误,但是应该看到,从三元素组”到“八音律”都从不同的角度,逐步深入地探讨了各元素间的某些联系,使人们一步步逼近了科学的真理。以前人工作所提供的借鉴为基础,门捷列夫通过顽强努力的探索,于1869年2月先后发表了关于元素周期律的图表和论文。在论文中,他指出:

   (1)按照原子量大小排列起来的元素,在性质上呈现明显的周期性。

   (2)原子量的大小决定元素的特征。

   (3)应该预料到许多未知元素的发现,例如类似铝和硅的,原子量位于65一75之间的元素。

   (4)当我们知道了某些元素的同类元素后,有时可以修正该元素的原子量。这就是门捷列夫提出的周期律的最初内容。

    门捷列夫深信自己的工作很重要,经过继续努力,1871年他发表了关于周期律的新的论文。文中他果断地修正了1869年发表的元素周期表。例如在前一表中,性质类似的各族是横排,周期是竖排;而在新表中,族是竖排,周期是横排,这样各族元素化学性质的周期性变化就更为清晰。同时他将那些当时性质尚不够明确的元素集中在表格的右边,形成了各族元素的副族。在前表中,为尚未发现的元素留下4个空格,而新表中则留下了6个空格。由此可见,门捷列夫的研究有了重要的进展。

经受实践的验证

    实践是检验真理的唯一标准。门捷列夫发现的元素周期律是否能站住脚,必须看它能否解决化学中的一些实际问题。门捷列夫以他的周期律为依据,大胆指出某些元素公认的原子量是不准确的,应重新测定,例如当时公认金的原子量为169.2,因此,在周期表中,金应排在饿。铱、铂(当时认为它们的原子量分别是198.6, 196.7, 196.7)的前面。而门捷列夫认为金在周期表中应排在这些元素的后面,所以它们的原子量应重新测定。重新测定的结果是:饿为190.9,铱为193.1,铂为195,2,金为197.2。实验证明了门捷列夫的意见是对的。又例如,当时铀公认的原子量是116,是三价元素。门捷列夫则根据铀的氧化物与铬、铂、钨的氧化物性质相似,认为它们应属于一族,因此铀应为六价,原子量约为240。经测定,铀的原子量为238.07。再次证明门捷列夫的判断正确。基于同样的道理,门捷列夫还修正了铟、镧、钇、铒、铈、的原子量。事实验证了周期律的正确性。

    根据元素周期律,门捷列夫还预言了一些当时尚未发现的元素的存在和它们的性质。他的预言与尔后实践的结果取得了惊人的一致。1875年法国化学家布瓦博德朗在分析比里牛斯山的闪锌矿时发现一种新元素,他命名为镓,并把测得的关于它的主要性质公布了。不久他收到了门捷列夫的来信,门捷列夫在信中指出关
于镓的比重不应该是4.7,而是5.9一6.0。当时布瓦傅德朗很疑惑,他是唯一手里掌握金属镓的人,门捷列夫是怎样知道它的比重的呢?经过重新测定,镓的比重确实为5,9“这给果使他大为惊奇。他认真地阅读了门捷列夫的周期律论文后,感慨他说:“我没有可说的了,事实证明门捷列夫这一理论的巨大意义。”
下表是个最有力的说明。         

类铝

原子量

69

69.72

比重

5.9-6.0

5.94

熔点

30.1

和氧气反应

不受空气的侵蚀

灼热时略起氧化

灼热时能分解水汽

灼热时确能分解水汽

能生成类似明矾的矾类

能生成结晶较好的镓矾

可用分光镜发现其存在

用分光镜发现的

    嫁的发现是化学史上第一个事先预言的新元素的发现,它雄辩地证明了门捷列夫元素周期律的科学性。1880年瑞典的尼尔森发现了钪,1885年德国的文克勒发现了锗。这两种新元素与门捷列夫预言的类硼。类硅也完全吻合。门捷列夫的元素周期律再次经受了实践的检验。

    事实证明门捷列夫发现的化学元素周期律是自然界的一条客观规律。它揭示了物质世界的一个秘密,即这些似乎互不相关的元素间存在相互依存的关系,它变成了一个完整的自然体系。从此新元素的寻找,新物质、新材料的探索有了一条可遵循的规律。元素周期律作为描述元素及其性质的基本理论有力地促进了现代化学和物理学的发展。

成才之路

    门捷列夫于1834年2月7日诞生在俄国西怕利亚的托波尔斯克 市。他父亲是位中学教师。在他出生后不久,父亲双眼固患白内障而失明,一家的生活全仗着他母亲经营一个小玻璃厂而维持着。1847年双目失明的父亲又患肺给核而死去。意志坚强而能干的母亲并没有出生活艰难而低头,她决心一定要让门捷列夫象他父亲那样接受高等教育。

    门捷列夫自幼有出众的记忆力和数学才能,读小学时,对数学、物理、历史课程感兴趣,对语文、尤其是拉丁语很讨厌,因而成绩不好。他特别喜爱大自然,曾同他的中学老师一起作长途旅行,搜集了不少岩石、花卉和昆虫标本。他善于在实践中学习,中学的学习成绩有了明显的提高。中学毕业后,他母亲变卖了工厂,亲自送门捷列夫,经过2千公里以上艰辛的马车旅行来到莫斯科。因他不是出身于豪门贵族,又来自边远的西怕利亚,莫斯科、彼得堡的一些大学拒绝他入学。好不容易,门捷列夫考上了医学外科学校。然而当他第一次观看到尸体时,就晕了过去。只好改变志愿,通过父亲的同学的帮忙,进入了亡父的母校——彼得堡高等师范学校物理数学系。母亲看到门捷列夫终于实现了上大学的愿望,不久便带着对他的祝福与世长辞了。举目无亲又无财产的门捷列夫把学校当作了自己的家,为了不辜负母亲的期望,他发奋地学习。1855年以优异的成绩从学校毕业。

    毕业后,他先后到过辛菲罗波尔、敖德萨担任中学教师。在教师的岗位上他并没有放松自己的学习和研究。1857年他又以突出的成绩通过化学学位的答辩。他刻苦学习的态度、钻研的毅力以及渊博的知识得到老师们的赞赏,彼得堡大学破格地任命他为化学讲师,当时他仅22岁。

    在彼得堡大学,门捷列夫任教的头两门课程是理论化学和有机化学。当时流行的教科书几乎都是大量关于元素和物质的零散资料的杂乱堆积。怎样才能讲好课?门捷列大下决心考察和整理这些资料。1859年他获准去德国海德堡本生实验室进行深造。两年中他集中精力研究了物理化学。他运用物理学的方法来观察化学过程,又根据物质的某些物理性质来研究它的化学结构,这就使他探索元素间内在联系的基础更宽阔和坚实。因为他恰好在德国,所以有幸和俄国化学家一起参加了在德国卡尔斯鲁厄举行的第一届国际化学家会议。会上各国化学家的发言给门捷列夫以启迪,特别是康尼查罗的发言和小册子。门捷列夫是这样说:“我的周期律的决定性时刻在1860年,我参加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,而正是当时,一种元素的性质随原子量递增而呈现周期性变化的基本思想冲击了我。”从此他有了明确的科研目标,并为此付出了艰巨的劳动。

    从1862年起,他对283种物质逐个进行分析测定,这使他对许多物质和元素的性质有了更直观的认识。他重新测定一些元素的原子量。因而对元素的这一基本特征有了深刻的了解。他对前人关于元素间规律性的探索工作进行了细致的分析。他先后研究了根据元素对氧和氢的关系所作的分类;研究了根据元素电化序所作的分类,研究了根据原子价所进行的分类:特别研究了根据元素的综合性质所进行的元素分类。有比较才有鉴别,有分析才能做好综合。这样,门捷列夫批判地继承了前人的研究成果。在他分析根据元素综合性质而进行的元素分类时,他坚信元素原子量是元素的基本特征,同时发现性质相似的元素,它们的原子量并不相近。相反一些性质不同的元素,它们的原子量反而相差较小。他紧紧抓住原子量与元素性质之间的关系作为突破口,反复测试和不断思索。他在每张卡片上写出一种元素的名称原子量、化合物的化学式和主要的性质。就象玩一副别具一格的元素纸牌一样,他反复排列这些卡片,终于发现每一行元素的性质都在按原子量的增大,从小到大地逐渐变化,也就是发现元素的性质随原子量的增加而呈周期往的变化。第一张元素周期表就这样产生了。

    随着周期律广泛被承认,门捷列夫成为闻名于世的卓越化学家。各国的科学院、学会、大学纷纷授予他荣誉称号、名誉学位以及金质奖章。具有讽刺意义的是: 1382年英国皇家学会就授予门捷列夫以戴维金质奖章。1889年英国化学会授予他最高荣——法拉第奖章。相反地在封建王朝的俄国,科学院在推选院士时,竟以门捷列夫性格高做而有棱角为借口,把他排斥在外。后来回门捷列夫不断地被选为外国的名誉会员,彼得堡科学院才被迫推选他为院士,由于气恼,门捷列夫拒绝加入科学院。从而出现俄国最伟大的化学家反倒不是俄国科学院成员的怪事。

    门捷列夫除了发现元素周期律外,还研究过气体定律、气象学、石油工业、农业化学、无烟火药、度量衡,由于他的辛勤劳动,在这些领域都不同程度地做出了成绩。1907年2月2日,这位享有世界盛誉的俄国化学家因心肌梗塞与世长辞,享年73岁。