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门捷列夫是如何在元素周期表上给元素排座位的?

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 元素周期表历史
一张不足几百字的表格,能把物质世界最深层次的秘密揭示出来,堪称是个奇迹。看到这张表格,人们突然发现,原来纷繁复杂、姿态万千的大自然,竟然有如此简单的一面。它显示了自然界的简洁、有序,还揭示出物质周期性的内在联系,令人叫绝。 揭开大自然简单、有序秘密的

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一张不足几百字的表格,能把物质世界最深层次的秘密揭示出来,堪称是个奇迹。看到这张表格,人们突然发现,原来纷繁复杂、姿态万千的大自然,竟然有如此简单的一面。它显示了自然界的简洁、有序,还揭示出物质周期性的内在联系,令人叫绝。

揭开大自然简单、有序秘密的就是这张元素周期表,它的问世,彻底改变了人对自然界的看法,更促进了近代化学的发展。

门捷列夫是周期表的主要创始人,但周期表并非是一下子从他头脑中冒出来的,而是经过了十几年的摸索,并曾经在黑暗中长时间找不到方向,能带给他一丝光亮的竟然是经他的双手积累出来的一堆卡片!

门捷列夫是如何在元素周期表上给元素排座位的?

门捷列夫

1834年2月7日德米特里·门捷列夫生于西伯利亚托博尔斯克,1856年获得化学学位后,他担任了彼得堡大学教师。在讲授“基础化学”时,他本可以年复一年、日复一日地照本宣科,但他却对所讲授的内容存有疑问:究竟为什么不同元素有不同的化学性质?为什么有些元素的性质彼此相近?有些又相差甚远呢?元素的原子量与性质之间到底有什么联系?为了寻求答案,他制作了像纸牌一样的卡片,并把收集到的元素性质记录在上面,还常常拿出这些卡片,边翻看,边琢磨。

1859年,门捷列夫去德国海德堡大学深造,在这两年中,他集中精力研究物理化学。有心人容易捕捉到灵感,在赴德的第二年,从德国卡尔斯鲁厄化学大会上,他得到了一个重要的启示。后来他回忆说:“我的周期律决定时刻是1860年……,在这次会上,我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲……,一个想法涌上心头,这就是元素的原子量递增而使性质呈现周期性变化的想法。”说明此时,在探索元素间关系的时候,他悟出了一个重要线索,这就是原子量和元素性质周期性关系。

1862年,门捷列夫去巴库油田考察,在对液体进行研究中,他又重测了一些元素的原子量,把得出的结果记录在卡片上。

门捷列夫是如何在元素周期表上给元素排座位的?

门捷列夫画像

1865年,获得化学博士学位后,门捷列夫担任彼得堡大学化学教授。两年以后,他参与筹备法国工业展览会的俄国展馆,借此机会,他参观了法国、德国和比利时的许多化工厂和实验室,令他大开眼界。

在门捷列夫时代,人们所知的元素一共只有63种,对原子的结构更是一无所知,不仅元素大家族的信息不完整,许多元素所公认的原子量和化合价也并不准确。在这种情况下,确认出它们的周期关系并不容易。门捷列夫抓住了一切机会,使卡片上所标记的元素性质和原子量线索逐渐丰富了起来,从而使他逐渐接近了目标。

在整理这些卡片时,他先按照原子量的大小把元素顺序排开。他发现,性质相似的元素,原子量并不相近,原子量彼此接近的元素性质却并不相同,元素的性质是否有着周期性呢?当他把性质相似的元素按着列排起来时,果然发现了周期性,令他茅塞顿开!十几年的黑暗摸索,终于看到了一丝曙光,他立刻把这个灵感捕捉下来,写出了如下图的第一个小表。

依照现在的眼光,这个小表着实让人看不懂,但对他来说,这是一缕照亮前进方向的光。这份表格发表在俄国化学学会会刊上,事实上,这时门捷列夫病了,这篇文章是由他的助手尼古拉·曼舒特金代他发表的。

1869年2月19日,门捷列夫终于排出了一个周期性的元素表(如下图)。

门捷列夫是如何在元素周期表上给元素排座位的?

对着这张表格他做了仔细的研究,得到如下结论:无论是简单物质还是化合物的性质,都应该与原子量周期变化有一定的依赖关系。从周期表所处的位置,他大胆地指出了一些元素的原子量并不准确,如那时公认金的原子量是169.2,如果按照这个量,它应该排在锇、铱和铂的前面,因为当时它们的原子量分别是198.6、197.6和196.7,而门捷列夫坚持认为,金应该排在这3种元素的后面,它的原子量应该重新确定。果然,重测的结果锇是190.9,铱是193.1,铂是195.2,而金的原子量是197.2,证实了门捷列夫的论断。

就这样,按照这张周期表,门捷列夫先后调整了17种元素的序列,重新测定一些元素的原子量。例如铍的原子量从14调整到9,使元素按照相对质量周期性递增的序位从H-Li-B-C-N- Be-O-F纠正为H-Li-Be-B-C-N-O-F。

就这样,利用元素的原子量确定了周期表,又利用周期表核实了原子量,经这番调整,元素的周期性质如拨开云雾见青天般地立刻呈现了出来。例如,从锂到氟金属性逐渐下降,非金属性逐渐增强,从典型的金属变成典型的非金属;序列中的化合价也呈现了渐变的规律:从锂到氮,正化合价从+1上升到+5,从碳到氟,负化合价从-4上升为-1。

最初的周期表上有很多的空格,门捷列夫从理论上不仅预言了11种尚未发现的元素,还预言出它们的重要性质。例如在锌和砷之间有两个空格,他预言出这两个未知元素的性质分别具有类铝和类硅的性质。在这一预言的4年后,法国化学家布阿勃朗用光谱分析法,从锌矿中发现了镓,这就是门捷列夫所预言的“类铝”元素。镓的发现充分地证明了元素周期律是自然界的一条客观规律,为以后的元素研究、新元素的探索以及新物质、新材料的寻找提供了一个可遵循的规律。

值得一提的是,在门捷列夫创建元素周期表的5年以前,即1864年,德国化学家迈耶尔已经发现了元素的周期律。在当年出版的《现代化学论》一书中,他就说过,“在原子量数字上存在着一定的规律性,这是毫无疑义的。”在这本书中,他还画了一张跟门捷列夫的周期表非常相似的表格,后来又做了调整和补充,1870年,他得出一张比门捷列夫周期表还完整的元素周期表。然而,德国人谨慎小心的性格使他对这个重要发现迟疑不决,当时他说:“在差不多每天都有许多新事物出现的领域里,任何概括性的新学说随时会遭遇到一些事,这些新出现的事会把这一学说否定。这种危险是存在的……,因此我们必须特别小心。”

1880年,当他见到门捷列夫发表的周期表以后,他坦言“我没有足够的勇气,能像门捷列夫那样深信不疑地做出预言。”这一谨慎,不仅使他错过了首先发表,也失去了进一步发展的机会。

门捷列夫是如何在元素周期表上给元素排座位的?

彼得堡大学门捷列夫博物馆前的门捷列夫雕像和周期表浮雕

后来,门捷列夫的周期表又经过了数次调整,特别是1905年经著名瑞士化学家维尔纳改制之后,才变成现在的格式。但在当时,人们仍然不知道“原子序数”实在的物理意义。

1913年,经英国物理学家莫斯莱确定,“原子序数”实际上是原子的核电荷数,从此,元素周期律被表述为元素性质随核电荷数的递增发生周期性的改变。


(责任编辑:化学自习室)
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