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元素周期律的发现

来源:未知作者:刘明 点击:所属专题: 发现史 元素周期律
对元素周期律的发现众说纷纭,莫衷一是。在我国也曾经是如此。如有人说是门捷列夫连续三天三夜没睡觉后在梦中发现的,一些教科书、通俗读物中说周期律是在玩纸牌时偶然发现的,周期律的发现显得那么随机、偶然。还有的认为门捷列夫一开始就按原子量大小排列从而得出周期律,

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对元素周期律的发现众说纷纭,莫衷一是。在我国也曾经是如此。如有人说是门捷列夫连续三天三夜没睡觉后在梦中发现的,一些教科书、通俗读物中说周期律是在玩纸牌时偶然发现的,周期律的发现显得那么随机、偶然。还有的认为门捷列夫一开始就按原子量大小排列从而得出周期律,周期律的发现轻而易举,那样既定、必然。

然而,参与门捷列夫手稿遗产研究的苏联科学哲学家凯德洛夫博士在《伟大发现的一天》中谈到:“可能而且实际上是发生在一天之内:须知发现的开始(影印件Ⅰ,Ⅱ即表1.2)到发现的完成(影印件Ⅲ,Ⅴ即表3、4)都已注明了是同一天1869年2月17日”。

2月17日早,门捷列夫正在为他所编的《化学原理》一书在碱金属之后讲哪族元素的问题苦恼。这时他收到了“自由经济协会”秘书的来信,于是他在信的空白处写下了他正在思考的问题,对不相似的两族元素(A族和类Zn族)的原子量进行了计算,这就是凯德洛夫所指的表1。然后他另取一纸,从卤素开始,按原子量递减顺序,将氧、氮、碳族编成一张表,共计元素31(为已知元素的1/2),这就是表2中的上表。各元素族的原子量已最大限度靠近了。随后,又把元素扩大到42,制成表2中的下表。这时已将竖列改为横排,接近了元素周期律的发现了。那么,如何把已知的61个元素按前面原则类似地排列成一个总表──即元素周期表的问题就明显地摆在了门捷列夫面前。为了准确、方便、迅速,门捷列夫就采用了元素卡片,在其上面写下了化学元素符合、原子价、分布情况、化合物形态等,然后进行分类排列,这就是人们说的“化学牌阵”。表就是记载“化学牌阵”的结果,这就是从上到下按原子量递减顺序排列的完整的元素表草稿,难怪也有人以此为证说元素周期表是玩“化学牌阵”的结果。表4就是表3的加工,按元素原子量递增顺序排列,加上《依据元素的原子量和化学性质相似的元素体系尝试试验》题目,于2月17日交付排印,3月1日向世界各国宣告化学元素周期律的发现。

这就是化学史上建立勋业的一天,伟大发现的一天。

门捷列夫周期表的发现是在1869年2月17日。从着手到结束总共一天,这日子是或然的。从门捷列夫当时的思维状况,他也是从思考《化学原理》的编排转向元素性质间联系的,这是突然的;甚至连用化学牌阵方法来进行元素周期表的工作也是这天偶然做的。因此,许多人认为门捷列夫的发现纯属巧遇、运气所至。但是,事实上,无论从宏观──时代的造就,还是微观──个人的努力,都可以说明这些因素造成的必然结果就是元素周期律的发现。伟大发现的一天的偶然性、突发性、或然性,只是这些必然性的表面而已。

19世纪中叶,整个自然科学已由收集材料到了整理、概括材料时期,科学史上的三大发现已使化学的相邻学科由经验科学成为理论科学。化学也有待于从纯经验性科学过渡到理论科学。这时,化学元素不断发现,元素性质相继被测定。原子-分子说已有了确定的地位,原子量概念的确定与推广为元素体系的成立奠定了基石。前门捷列夫时期的发现就是元素周期律的发现的“前夜”。

从门捷列夫个人奋斗的历史看,他的成功也决非偶然。

1834年2月7日,门捷列夫出生在俄国西伯利亚的托波尔斯克市。他父亲是一名中学校长。门捷列夫自幼喜好数学、物理、历史等,热爱大自然,收集过不少岩石、花卉和昆虫标本。他从他姐夫──一名政治流亡者那里学到了最初的科学知识。1847年,他父亲病逝,意志坚强的母亲决心一定要让门捷列夫象他父亲一样接受高等教育,并为此付出一半的辛劳。后经多方努力,门捷列夫和母亲从边远的西伯利亚来到莫斯科,终于在亡父的母校──彼得堡高等师范学校物理数学系学习。

不久,他母亲带着对他的祝福与世长辞。门捷列夫为了不辜负母亲的厚望而发奋学习。在大学期间,他就有多方面的兴趣,物理、数学、技术、经济学、哲学和艺术。并为此常常和同学们进行争论,这些兴趣和爱好发展了门捷列夫的想象力,使他善于吸取人家的长处。这为他复盖前门捷列夫周期表的所有优势,能够在开始研究单独族的时候,在自己的想象中把握他所追求的总体──所有族。即把平常的摆牌阵与编制表格的任务之间作类比,就是他丰富想象力的结果。他受教于“俄罗斯化学之祖”伏斯克利斯基教授,物理学家楞次(Lenz.H.F.E.1804-1865)院士以及一些著名的数学家、矿物学家、动物学家、天文学家之下,使得他有良好的理论基础,广博的知识面,严谨的科学作风以及敢于提出和解决新问题的勇敢于胆略。

他的获金质奖的毕业论文《论结晶现象与结晶形态及其组成的其它关系》就已把不同元素比较联系起来了。大学毕业后,他留在彼得堡大学任教,被破格任命为讲师,那时他才22岁。1865年,该校授予他科学博士学位,且聘为化学教授。

在工作后,门捷列夫没有参与热门的化学成分研究工作,而是去探索化学中的“哲学原理”,去寻找化合物中的内在联系。他曾说过:“我在那时求学时代,已经感到有一种把元素的原子量与其特征联系起来的广泛概括。”他在研究了前人元素分类法之后,对自己的工作目的曾这样写道:“在相似元素的对比中,依我看,包含着一个能使我的体系有别于我的先行者的体系的基本特征。除了少数例外的情况,我与我的先行者一样,也采纳了那些相似元素的族,但我的目的是要研究这些族的相互关系中的规律性。这样我得出上述的一般原则,这个原则适用于所有元素并能包括过去所发表的同属,并且还能产生过去不可能产生的后果。”可见他的科学信念如此坚定,目的如此明确。门捷列夫对那些认为他的发现是偶然而得,视为运气所至的提法也很恼火,他曾回答一个记者的问题时说:“这个问题我大致考虑了20年,而您却认为:坐着不动,5个戈比一行,5个戈比一行地写着,突然就成了!事情并不是这样!”

门捷列夫周期表的出现在19世纪末叶,没有那么一个历史环境,时代背景,即使出现了门捷列夫这个人也不会出现门捷列夫周期律,或者就只会再有一个元素的分类而已,自然界普遍联系的规律发现就得再拖延下去。再则,如果门捷列夫这样认识的主体没有几十年的研究工作,没有预感到元素原子量与其属性有一种联系,那么即使列出了一些元素的原子量,也会对周期律的出现视而不见,有机不遇的。这两方面造就了伟大发现的一天,这一天不是门捷列夫对机遇盼望或猜想的结果,因为在其后面是一条扎扎实实的漫长的、艰巨的研究之路,知识和观念是这条道路的铺路石,它们在量上的积累才产生了2月17日这飞跃的一天。

那么由此是不浊完全否认了2月17日所发生的那些或然、偶然的东西呢?根据2月17日这天门捷列夫的活动情况和思想线路看远非如此。在表3完成以后,门捷列夫可能疲倦地休息了一会,在梦中探索如何更简便地表示已经发现的规律,于是才对草表4的不规则处作了更改。这梦中的创造性思维,对表4的完成,对元素的原子量随性质递变的规律阐述,无疑也起了不可忽视的作用,完成表2以后,,突然联想到用化学牌阵的方法,寻求到了那些研究甚少而又难于安排的元素的位置,把他前面所得的规律推广到所有已知元素上,从而完成了周期表的雏形表3。

“牌阵”方法对他完成元素体系起了重大作用。这些偶然因素,在科学发现的既定方向上起了重大作用。如果仍然坚持“偶然性是科学的敌人”,那显然是错误的。“被断定为必然的东西,是纯粹的偶然性构成的”,这在门氏周期律的发现中得以证明。

门捷列夫周期律的发现是偶然性与必然性巧妙、有机结合在一起的结晶。

    门捷列夫是一个作出重大贡献的化学家,但到了晚年他从革新转入保守。他经历了科学的原子-分子学说在19世纪确立的过程,道尔顿的一些基本观念牢固地印在他的思想中。而对电子和放射性已被发现的客观事实,他在1902年发表的不册子《从化学观点来了解世界的尝试》中,仍否认电子的存在和原子的复杂性,拒不接受元素可以衰变、原子可分等新观念。并强调“关于元素不能转化的观念特别重要”,“是整个世界观的基础”,是元素周期律得以成立的前提。直到他去世前一年(1906年),还在他的著作《化学原理》最后一版中,表示了对元素可变这些新观点的怀疑。但事实上正是以电子的发现、原子的可分性和元素转化的可能性为根据发展起来的原子结构学说,才是现代周期律的真实基础。

 

(责任编辑:化学自习室)
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