第三十五章  门捷列夫与元素周期律

相对于西欧各国而言，俄罗斯是一个后起的民族国家，其中原因不乏地理的因素。

1502年，蒙古人统治俄罗斯各民族的金帐汗国灭亡，俄罗斯成为独立与统一的国家。

西欧的发达使俄罗斯觉得有向西欧学习的迫切需要，1696年，沙皇彼得一世派出一支250人的考察团，前往西欧各国考察，而他本人则以下士的身份化名随团前往。俄罗斯的军事与工业由此开始发展起来，到了19世纪初，俄罗斯已经与西欧处于同等发展水平。

除了工业与军事方面，俄罗斯的文学、艺术与科学也有了飞跃性的发展^①。

门捷列夫1834年出生于西西伯利亚平原上的托波尔斯克市，他的父亲是一个中学的校长，在14个子女中门捷列夫排行最末^④。门捷列夫能够发现元素周期律，跟他有这样多的兄弟姐妹有关系吗？要区别这样多的兄弟姐妹，跟区别许多种不同的元素，大概有着类似的困难。

门捷列夫自小就有出众的才能，早慧使他很早就开始接受教育，7岁时他和哥哥一起考进了市立中学。1849年，门捷列夫进入彼得堡高等师范学院物理与数学系学习，这里是他父亲的母校。

不久，门捷列夫的母亲便去世了；在他上大学前两年，他的父亲便已去世；这样，他便只有靠自己独立生活了。门捷列夫不但学习成绩优秀，课余时间还撰写科学评论文章。1855年，门捷列夫毕业了，因为成绩优异，获得学院颁发的金质奖章。

门捷列夫毕业后担任中学教师。1857年，他精彩的化学论文答辩，使他成为彼得堡大学的化学讲师。当时尚不清晰的元素体系引起了门捷列夫的主意，成为他的研究方向。

还在师范学院读书的时候，门捷列夫便已经了解了道尔顿的原子论。1859年，门捷列夫来到德国本生实验室学习深造；第二年，德国举行了第一届国际化学家会议，门捷列夫得以出席。在会议上，各国科学家的研究报告使门捷列夫得以了解当时化学科学的最新研究成果与进展，给门捷列夫以很大启迪。

在门捷列夫之前和他的同时代，也有其他的科学家对元素的分类做出过努力，将元素按照原子质量与性质进行分类，有“三元素周期”、 “六元素周期”、“八元素周期”等分组方法。然而，因为当时元素的发现并不完全，这些分组方法都没有真正发现元素的本质。

门捷列夫制成一张张卡片，将各个元素的名称、质量与性质标在上面，反复排列，终日思考。经过了十年的努力，门捷列夫终于领悟到了元素的奥秘。1869年，他开始将当时已知的元素排成一张表，按照元素的化学性质呈周期性的排列，因而被称为“元素周期表”。

门捷列夫将质量最轻的氢排在第一位，就像现在的元素周期表中一样，但是当时还没有发现氦，所以下一个需要考虑的元素是锂。由锂开始，门捷列夫排列下了铍、硼、碳、氮、氧和氟，一共7个元素。为什么门捷列夫将氢单独放在一边？大概是氢的质量与后边的7个元素相差得不成比例，不太符合规律吧。我们现在知道元素都有同位素存在，因而原子量都不是整数。在140年前，人们对于原子还没有真正的理解，原子质量的测定也不是很准确，但是门捷列夫的元素卡片上的原子质量都标的是整数^⑤，他这样做是出于怎样一种考虑，也许是出于他本能的直觉.

看一下门捷列夫的前八个元素和它们的原子质量，就大概知道他为什么会那样排列了：

（氢）     锂       铍      硼      碳      氮      氧      氟

    （1）       7       9       11      12      14      16      19

为了表示氢的特殊，我们将它用括号与其它7个元素区分开了。也幸好那时还没有发现氦，这样氢与后面7个元素的差别就更明显了。如果将上面碳、氮和氧的原子质量各加上1，那么由锂到氟7个元素的原子质量就成为一个奇数数列，而如果要把氢也包含进去，那么这个奇数数列在氢与锂之间还差了两个数，3和5。这也许就是门捷列夫将氢单独放在一边的原因之一吧。

由钠开始，门捷列夫又写下了镁、铝、硅、磷、硫和氯。我们再把它们排列在下面：

钠     镁      铝      硅      磷      硫      氯

     23     24      27      28      31      32      35

这一行与第一行的两行中各自7个元素分别依次对应，钠对应锂，镁对应铍，这7对元素的性质都很相近。

另外，就像处理氢和锂的关系一样，氟和钠之间原子质量也有一个较大的变化，相差4，由钠另起一行是合适的。这样，在第二行里，如果将镁、硅和硫的原子质量各加上1，由钠到氯7个元素的原子质量同样成为一个奇数数列。这种巧合可能使门捷列夫看到了元素的原子质量变化中有一种暗含的规律。

对于这样两个分别包含7个元素的周期，门捷列夫正确地排列了出来，（两个第八元素当时尚未发现。）下一个周期他是怎样排列的，其中的细节不是很清楚，（这个周期我们现在称为长周期，由18个元素组成，）即使在今天，元素周期表也有各种不同的样式^⑥。实际上，一开始门捷列夫的周期表是纵向排列的，直到两年后，才采取了横向按行排列的形式^⑦。据说，在他的周期表中，门捷列夫“把所有的元素都挤放在一个矩形的阵列之中”了^⑧。

门捷列夫的过人之处在于他将原子质量当作一个“索引”，同时将元素的化学性质作为“关键词”来排列元素在周期表中的位置。

以这两点为指引，门捷列夫完成了周期表，将当时已知的元素全部排列起来。当按照原子质量排列与元素的化学性质发生矛盾时，门捷列夫明智地将化学性质放在前面，钴和镍、碲和碘的情况就是这样。门捷列夫清楚地知道当时还有元素没被发现，于是在表中留出了相应的位置，例如镓和锗，并且门捷列夫还预言了它们的性质，称其为类铝与类硅，因为它们的位置正好在铝和硅的下方。

1875年，法国人发现了镓；1886年，德国人又发现了锗；它们的性质几乎与门捷列夫预言的完全一致。

1895年及之后的几年间，表中最右边一列的几个元素被英国人发现，包括第二个元素氦，以及氖、氩、氪与氙，元素周期表逐渐完整了。

在表中，元素的性质由左向右逐渐变化，最左边的元素是最“活泼”的元素，最右边的元素是最“怠惰”的元素，因而英国人发现的那一组元素被称为惰性气体。

①《俄罗斯/世界历史系列》，吉林出版集团有限责任公司，2008年5月第1版。

②《周期王国》，P·W·阿特金斯著，张瑚等译，上海科学技术出版社，1996年12月第1版。

③《科学进化史》，（《The Ascent of Man》，Jacob Bronowski，）李斯译，海南出版社，2002年第一版。

④ 资料①说门捷列夫是17个子女中的第14个，而②与③说他是14个子女中最小的一个。

⑤ 同③，第338页。

⑥《元素周期表说明》，戴安邦、沈孟长编，上海科学技术出版社，1979年5月第一版。

⑦ 同③，第339页。

⑧ 同②，第58页。