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門捷列夫的夢 誕生了元素周期表

發布時間: 2019-02-15 15:45:40 來源:俄羅斯龍報 作者: 瀏覽次數:

聯合國教科文組織今年1月在總部巴黎啟動“化學元素周期表國際年”活動,將在今年舉辦一系列主題活動,紀念俄國科學家門捷列夫編制化學元素周期表150周年,并評價道:“元素周期表是科學史上最卓著的發現之一,刻畫出的不僅是化學的本質,也是物理學和生物學的本質。”

無論是這張被稱為化學帝國首部憲法的周期表,還是它的發現者門捷列夫,都有著堪稱傳奇的經歷。

 

位于斯洛伐克首都的門捷列夫雕像。(圖片來源:上海澎湃新聞網)

開創時代:不存在的元素

綜合上海澎湃新聞網、香港《星島日報》報道,關于這一發現的始末,眾說紛紜,其中最廣為人知并被門捷列夫本人在后期認可的故事是:他在一天夜里夢見了所有元素落進相應的格子,組成了一張表,并稱自己只在一處做了必要的修改。

門捷列夫畫出來的元素表格上的元素符號與現代基本一致,只有三處不同:碘被標記為J而非I ,鈾被標記為Ur 而非UDi這個元素則根本不存在。它在1841年作為一種稀土元素被發現,直到1885年才最終證明它其實是第59號元素鐠(Pr)和第60號元素釹的混合物。

惰性氣體在門捷列夫的首版手稿中也不存在,它們直到1890年代中期才被世人發現,并被門捷列夫置于周期表的最左一列,作為“第0族元素”。

驚天奧秘:元素的周期性

門捷列夫在這張表格中發現的驚天奧秘是周期性。

隨著原子質量的增加,元素的化學性質并非一直變化,而是間隔一段出現重復。如,從鋰(Li)到鉀(K),原子質量從7增加到39,門捷列夫的表中共列出了15個元素。但鋰的化學性質與緊接著排在后面的鈹(Be)性質差別頗大,反而與間隔7個出現的鈉(Na)和再間隔7個出現的鉀十分相似。跟鈹相似的元素則是鈹之后間隔7個出現的鎂(Mg)。同時,碳與硅、氧與硫、氟與氯等互相相似,它們之間的間隔都是7

首版手稿的每個縱列即為一輪變化周期,每個橫排上的元素性質相似,后來演化為“族”的概念。

時代局限:質量旁邊的問號

縱然第一版元素周期表在門捷列夫的時代具有驚人的洞見力和前瞻性,其局限性也是顯而易見的。

門捷列夫在化學元素旁標注的數字是原子的質量,而非現代周期表的排列依據質子數量。事實上,他始終沒徹底搞清楚原子的結構,尤其懷疑電子是否存在。

在門捷列夫的時代,很難給原子稱重。元素在自然界往往以化合物的形式存在,先要提純,還要確定化合價,這個過程中可能產生10100倍的誤差。于是,他給好幾個元素的質量打上了問號,比如鈾被標為116,他后來修改成了更接近現代的數值。而有些當時認為的“蹊蹺之處”,他窮盡一生也未能解答。

終極一問:留下偉大的留白

世界上第一張元素周期表最令人津津樂道之處是表上的三個位置只標了原子質量,沒有元素字母。即:門捷列夫預言了按照周期律,應有三種未被發現的新元素存在。

1871年,他把這三個元素起名“Eka硼 ”、“Eka鋁”和“Eka硅”,預測它們的化學性質應當分別與硼、鋁和硅類似。Eka這個前綴來自于梵文,意為“一”。

這在學術界引發了軒然大波,質疑的聲音紛至沓來,但歷史證明他是對的,這三個位置屬于1886年發現的鍺,1876年發生的鎵和1879年發現的鈧。在更遠的后來,科學家們甚至開始利用周期表的規律,自己動手創造新元素。

值得一提的是,元素周期表上有一個位置專門留給了門捷列夫:第101號元素鍆(Md)。

150年后的2019年,元素周期表已經排到了118號,科學家們仍在為門捷列夫的偉大發現開疆拓土,而那個終極問題仍未得到解答:元素周期表的盡頭在哪里?

 

1897版《化學原理》扉頁。(圖片來源:上海澎湃新聞網)

硬核人生:縱然多坎坷 成就開先河

實際上,在門捷列夫的時代,至少有4名西歐化學家和1名美國化學家嘗試過相同的事情,但都只能整理到二三十個元素就難以為繼。然而,門捷列夫成功了。

18692月一個寒冷的冬夜之前,哪些伏筆已經在門捷列夫的人生中埋下,最終給了他和這個世界一個如此名留青史的回響?

上海澎湃新聞網報道,18342月,門捷列夫出生在西伯利亞的托博爾斯克,父親從事中學教育工作,母親來自當地商賈世家。這對夫妻共孕育了17個子女,門捷列夫最小。他出生后,家境日益窘迫,13歲那年,父親去世,母親的玻璃廠付之一炬。

不過,幼年失怙并未影響他的學業。他6歲入學,數學和科學成績很好,15歲就早于規定年限從中學畢業。然而,他后面的人生卻并未像中學畢業這樣順利。

望子成龍的母親千里迢迢把他送去求學,可他卻先后在莫斯科和圣彼得堡因“學區”的規定被大學拒之門外。最終,在友人幫助下,1850年,門捷列夫進入了圣彼得堡師范學院。他拿到了獎學金,但條件是畢業后在中學執教。

本科畢業后,門捷列夫想去氣候溫和的敖德薩,但因檔案錯誤,他被意外送到了小城市辛菲羅波爾。1856年,他幾經輾轉回到圣彼得堡,想申請出國留學。當年10月,22歲的他以一篇《論硅化合物的結構》完成了碩士答辯。

因高校編制稀缺,門捷列夫在隨后的兩年內任大學的編外教員,開始了漫長的“轉正”奮斗。他開授化學理論、化學史和有機化學研討課,并指導本科生實驗研究。因薪資微薄且不固定,他經常為期刊撰稿,接私活。

1859年,門捷列夫出國留學,在游歷至巴黎時相識了熱化學家貝賽洛特、制備烷烴的有機化學家武慈和提出燃燒定氮法的杜馬斯;行至慕尼黑,他與“祖師”李比希相談甚歡;行至海德堡,他遇到了本生電池、愛倫美燒瓶和基爾霍夫定律的冠名者。最終,他留在了海德堡。

門捷列夫終于有了穩定的朋友圈:解剖青蛙提出大腦反射的謝切諾夫,還有俄國近代化學的奠基人之一齊寧。

在海德堡,他投靠在“本生電池”“本生燈”的發明人門下。他對本生的實驗室條件并不滿意,遂在自己的公寓里自建實驗室,其中一種實驗器材是他自己設計的,如今被命名為門捷列夫比重瓶,可精確測量液體密度。他由此發現了氣體和液體隨著溫度和壓力轉化的奧秘,提出只要降至“絕對沸點”一切氣體皆可液化。這是他獨立作出的第一項重要發現。

1861年,門捷列夫回到了圣彼得堡,但圣彼得堡大學因政治局勢關停,他失業了。那段時間,他接下了所有能接的活,同時教化學、物理、地理,在幾個高中之間來回跑。

稿費也是一門生財之道。他很快開啟了著作等數身、本本皆傳世的高產人生。回國后不到4個月時間,他完成了俄國歷史上第一本《有機化學》。這本500頁的手冊首版迅速售罄。更妙的是,在齊寧和沃斯克列森斯基的支持下,他在次年拿下了德米多夫寫作獎。這兩位在門捷列夫生命中多次扮演伯樂和貴人。

門捷列夫終于能喘一口氣,他用獎金還清了債務,還成家了。

寫完《有機化學》,門捷列夫又接下了翻譯德文《技術百科全書》的校對工作,并主筆了幾章。在出版界獲得驚人聲譽的他雖無博士學位,卻被圣彼得堡應用技術學院聘為教授。

因編寫了《酒精度量學》的其中一章,門捷列夫還被財政部聘為酒精技術委員會專家。這份工作還給了他一個意外收獲:在研究酒精的過程中,他可以從精準繪制的圖像中讀出清晰的化合物組分,這后來成了他的博士論文題目:《論酒精和水的化合物》。1865年,門捷列夫成了博士,同年,他“轉正”為圣彼得堡大學技術化學教授。

1867年,沃斯克列森斯基搬離圣彼得堡,把一個純化學教授的空缺留給了他。繼承教職的同時,他也要繼承前輩兼老朋友的教學任務:無機化學課。這對他來說是個相對陌生的領域,他決定自己編寫一本新教材。

這本劃時代的著作在門捷列夫生前改過8版,死后修至第13版,如今仍是化學專業大一新生的入門讀物——《化學原理》。

不過,彼時正在認真備課的他正為一件事撓頭:當時世界上已知的化學元素有63種,《化學原理》的上卷只整理了8個常見元素,如何將剩下的55個元素全部塞進下卷?元素的化學性質依據什么規律發生變化?化學究竟在圍繞怎樣的憲法運作,才構成了人類所見所用所生產的物質世界?

寫完《化學原理》上卷后的一個冬夜,門捷列夫經歷了那個名垂青史的夢……

(編輯:李余)

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