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化学元素周期律的发现

来源:未知作者:毛远明 点击:所属专题: 元素周期律
化学元素周期律的发现 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

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化学元素周期律的发现   

    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。

    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。

    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。

 

门捷列夫成才之路

    门捷列夫在学校读书的时候,一位很有名的化学教师,经常给他们讲课。热情地向他们介绍当时由英国科学家道尔顿始创的新原子论。由于道尔顿新原于学说的问世,促进了化学的发展速度,一个一个的新元素被发现了。化学这一门科学正激动着人们的心。这位教师的讲授,使门捷列夫的思想更加开阔了,决心为化学这门科学献出一生。 

    1834年2月7日生于西伯利亚托博尔斯克,这个时代,正是欧洲资本主义迅速发展时期。生产的飞速发展,不断地对科学技术提出新的要求。化学也同其它科学一样,取得了惊人的进展。门捷列夫正是在这样一个时代,诞生到人间。门捷列夫从小就热爱劳动,热爱学习。他认为只有劳动,才能使人们得到快乐、美满的生活;只有学习,才能使人变得聪明。

    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结核而死去。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。

    1850年入彼得堡师范学院学习化学,由于门捷列夫学习刻苦和在学习期间进行了一些创造性的研究工作,一八五五年,他以优异成绩从学院毕业。毕业后,他先后到过辛菲罗波尔、敖德萨担任中学教师。这期间,他一边教书,一边在极其简陋的条件下进行研究,写出了《论比容》的论文。文中指出了根据比容进行化合物的自然分组的途径。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。

    1859年他到德国海德堡大学深造。1860年参加了在卡尔斯鲁厄召开的国际化学家代表大会。1861年回彼得堡从事科学著述工作。1863年任工艺学院教授,1865年获化学博士学位。1866年任彼得堡大学普通化学教授,1867年任化学教研室主任。1893年起,任度量衡局局长。1890年当选为英国皇家学会外国会员。

    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傲而有棱角为借口,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。

   门捷列夫的最大贡献是发现了化学元素周期律。今称门捷列夫周期律。1869年2月,门捷列夫编制了一份包括当时已知的全部63种元素的周期表。同年3月,他委托Н.А.缅舒特金在俄国化学会上宣读了题为《元素的属性与原子量的关系》的论文,阐述了元素周期律的要点:①按照原子量的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单质的发现,例如,预料应有类似铝和硅的,原子量位于65~75之间的元素;④已知某些元素的同类元素后,有时可以修正该元素的原子量。

  1871年门捷列夫又发表了《化学元素周期性的依赖关系》论文,对化学元素周期律作了进一步阐述。他还重新修订了化学元素周期表,把1869年竖排的表格改为横列,突出了元素族和周期的规律性;划分了主族和副族,使之基本上具备了现代元素周期表的形式。

  门捷列夫在发现周期律及制作周期表的过程中,除了不顾当时公认的原子量而改排了某些元素 (Os、Ir、Pt、Au;Te、I;Ni、Co)的位置外,并且考虑到周期表中合理的位置,修订了其他一些元素 (In、 La、Y、Er、Ce、Th、U)的原子量,而且预言了一些元素的存在。在1869年的元素周期表中,门捷列夫为4种尚未被发现的元素留下空位。1871年他又发表论文《元素的自然体系和运用它指明某些元素的性质》,对一些元素,例如,“类铝”、“类硼”和“类硅”的存在和性质以及它们的原子量做了详尽的预言。这样的空位共留下 6个。门捷列夫的这些推断为后来的化学实验所证实。

  元素周期律的发现激起了人们发现新元素和研究无机化学理论的热潮。元素周期律的发现在化学发展史上是一个重要的里程碑,它把几百年来关于各种元素的大量知识系统化起来,形成一个有内在联系的统一体系,进而使之上升为理论。

  门捷列夫还曾研究气体和液体的体积与温度和压力的关系,于1860年发现气体的临界温度并提出了液体热膨胀的经验式。1865年研究了溶液的性质,提出了溶液的水合物学说,为近代溶液学说奠定了基础。1872~1882年,他和他的学生准确地测定了数种气体的压缩系数。

  门捷列夫因发现周期律而获得英国皇家学会戴维奖章(1882)。他还曾获英国科普利奖章(1905)。1955年科学家们为了纪念元素周期律的发现者门捷列夫,将101号元素命名为钔。门捷列夫运用元素性质周期性的观点写成《化学原理》一书(1869),曾被译成英、法等多种文字。

    门捷列夫在大学学习期间,表现出了坚韧、忘我的超人精神。疾病折磨着门捷列夫,由于丧失了无数血液,他一天一天的消瘦和苍白了。可是,在他贫血的手里总是握着一本化学教科书。那里面当时有很多没有弄明白的问题,缠绕着他的头脑,似乎在召呼他快去探索。他在用生命的代价,在科学的道路上攀登着。他说,我这样做“不是为了自己的光荣,而是为了俄国名字的光荣。”——过了一段时间以后,门捷列夫并没有死去,反而一天天好起来了。最后,才知道是医生诊断的错误,而他得的不过是气管出血症罢了。 

    攀登科学高峰的路,是一条艰苦而又曲折的路。门捷列夫在这条路上,也是吃尽了苦头。当他担任化学副教授以后,负责讲授《化学基础》课。在理论化学里应该指出自然界到底有多少元素?元素之间有什么异同和存在什么内部联系?新的元素应该怎样去发现?这些问题,当时的化学界正处在探索阶段。近五十多年来,各国的化学家们,为了打开这秘密的大门,进行了顽强的努力。虽然有些化学家如德贝莱纳和纽兰兹在一定深度和不同角度客观地叙述了元素间的某些联系,但由于他们没有把所有元素作为整体来概括,所以没有找到元素的正确分类原则。年轻的学者门捷列夫也毫无畏惧地冲进了这个领域,开始了艰难的探索工作。

    他不分昼夜地研究着,探求元素的化学特性和它们的一般的原子特性,然后将每个元素记在一张小纸卡上。他企图在元素全部的复杂的特性里,捕捉元素的共同性。一但他的研究,一次又一次地失败了。可他不屈服,不灰心,坚持干下去。

    为了彻底解决这个问题,他又走出实验室,开始出外考察和整理收集资料。一八五九年,他去德国海德尔堡进行科学深造。两年中,他集中精力研究了物理化学,使他探索元素间内在联系的基础更扎实了。 一八六二年,他对巴库油田进行了考察,对液体进行了深入研究,重测了一些元素的原子量,使他对元素的特性有了深刻的了解。一八六七年,他借应邀参加在法国举行的世界工业展览俄罗斯陈列馆工作的机会,参观和考察了法国、德国、比利时的许多化工厂、实验室,大开眼界,丰富了知识。这些实践活动,不仅增长了他认识自然的才干,而且对他发现元素周期律,奠定了雄厚的基础。  

   门捷列夫又返回实验室,继续研究他的纸卡。他把重新测定过的原子量的元素,按照原子量的大小依次排列起来。他发现性质相似的元素,它们的原子量并不相近;相反,有些性质不同的元素,它们的原子量反而相近。他紧紧抓住元素的原子量与性质之间的相互关系,不停地研究着。他的脑子因过度紧张,而经常昏眩。但是,他的心血并没有白费,在一八六九年二月十九日,他终于发现了原素周期律。他的周期律说明:简单物体的性质,以及元素化合物的形式和性质,都和元素原子量的大小有周期性的依赖关系。门捷列夫在排列元素表的过程中,又大胆指出,当时一些公认的原子量不准确。如那时金的原子量公认为169.2,按此在元素表中,金应排在锇、铱、铂的前面,因为它们被公认的原子量分别为198.6、6.7、196.7,而门捷列夫坚定地认为金应排列在这三种元素的后面,原子量都应重新测定。大家重测的结果,锇为190.9、铱为193.1、铂为195.2,而金是197.2。实践证实了门捷列夫的论断,也证明了周期律的正确性。 

  在门捷列夫编制的周期表中,还留有很多空格,这些空格应由尚??些尚未发现的元素的最重要性质,断定它们介于邻近元素的性质之间。例如,在锌与砷之间的两个空格中,他预言这两个未知元素的性质分别为类铝和类硅。就在他预言后的四年,法国化学家布阿勃朗用光谱分析法,从门锌矿中发现了镓。实验证明,镓的性质非常象铝,也就是门捷列夫预言的类铝。镓的发现,具有重大的意义,它充分说明元素周期律是自然界的一条客观规律;为以后元素的研究,新元素的探索,新物资、新材料的寻找,提供了一个可遵循的规律。元素周期律象重炮一样,在世界上空轰响了!

    门捷列夫发现了元素周期律,在世界上留下了不朽的光荣,人们给他以很高的评价。恩格斯在《自然辩证法》一书中曾经指出。“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律,完成了科学上的一个勋业,这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星的轨道的勋业居于同等地位。”  

   由于时代的局限性,门捷列夫的元素周期律并不是完整无缺的。一八九四年,惰性气体氛的发现,对周期律是一次考验和补充。一九一三年,英国物理学家莫塞莱在研究各种元素的伦琴射线波长与原子序数的关系后,证实原子序数在数量上等于原子核所带的阳电荷,进而明确作为周期律的基础不是原子量而是原子序数。在周期律指导下产生的原于结构学说,不仅赋予元素周期律以新的说明,并且进一步阐明了周期律的本质,把周期律这一自然法则放在更严格更科学的基础上。元素周期律经过后人的不断完善和发展,在人们认识自然,改造自然,征服自然的斗争中,发挥着越来越大的作用。

(责任编辑:化学自习室)
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