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化學元素周期律的發現

來源:未知作者:毛遠明 點擊:所屬專題: 元素周期律
化學元素周期律的發現 到1869年止,已有63種元素被人們所認識。進一步尋找新元素成為當時化學家最熱門的課題。但是地球上究竟有多少元素?怎樣去尋找新的元素?卻沒有人能作比較科學的回答。尋找新元素的工作也固缺乏正確的理論指導,而帶有很大的盲目性,常常白白地耗

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化學元素周期律的發現   

    到1869年止,已有63種元素被人們所認識。進一步尋找新元素成為當時化學家最熱門的課題。但是地球上究竟有多少元素?怎樣去尋找新的元素?卻沒有人能作比較科學的回答。尋找新元素的工作也固缺乏正確的理論指導,而帶有很大的盲目性,常常白白地耗費了許多精力。

    在對物質、元素的廣泛研究中,關于各種元素的性質的資料,積累日愈豐富,但是這些資料卻是繁雜紛亂的,人們很難從中獲得清晰的認識。整理這些資料,概括這些感性知識,從中摸索總結出規律,這是擺在當對化學家面前一個急待解決的課題,同時也是科學和生產發展的必然要求。在這樣的科學背景下,從事元素分類工作和尋找元素之間內在聯系的許多化學家,經過長期的共同努力,取得了一系列研究成果,其中最輝煌的成就是俄國化學家門捷列夫和德國化學家邁爾先后發現的化學元素周期律。

    道爾頓提出了科學的原子論后,許多化學家都把測定各種元素的原子量當作一項重要工作,這樣就使元素原子量與性質之間存在的聯系逐漸展露出來、1829年德國化學家德貝萊納提出了“三元素組”觀點,把當時已知的44種元素中的15種,分成5組,指出每組的三允素性質相似,而且中間元素的原子量等于較輕和較重的兩個元素原子量之和的一半。例如鈣、錫、鋇,性質相似,鉻的原子量大約是鈣和鋇的原子量之和的一半。氯、澳、碘以及銀、鈉、鉀等元素也有類似的關系。然而只要認真一點,就會發現這樣分類有許多不能令人滿意的地方,所以并沒有引起化學家們的重視。

    1862年,法國化學家尚古多提出一個“螺旋圖”的分類方法。他將已知的62種元素按原子量的大小順序標記在繞著圓柱體上升的螺旋線上,這樣某些性質相近的元素恰好出現在同一母線上。因此他第一個指出了元素性質的周期性變化?墒撬膱蟾嬲諛訜o人理睬。1864年,德國化學家邁爾在他的《現代化學理論》一書中刊出一個“六元素表”?上谋碇兄涣谐隽艘阎氐囊话,但他已明確地指出:“在原子量的數值上具有一種規律性,這是毫無疑義的”。1865年,英國化學家紐蘭茲提出了“八音律”一說。他把當時已知的元素按原子量遞增順序排列在表中,發現元素的性質有周期住的重復,第八個元素與第一個元素性質相近,就好象音樂中八音度的第八個音符有相似的重復一樣。紐蘭茲的工作同樣被否定,當時的一些學者把八音律斥之為幼稚的滑稽戲,有人甚至挖謗說:“為什么不按元素的字母順序排列呢?那樣,也許會得到更加意想不到的美妙效果!薄傲乇怼、“八音律”是存在許多錯誤,但是應該看到,從三元素組”到“八音律”都從不同的角度,逐步深入地探討了各元素間的某些聯系,使人們一步步逼近了科學的真理。以前人工作所提供的借鑒為基礎,門捷列夫通過頑強努力的探索,于1869年2月先后發表了關于元素周期律的圖表和論文。在論文中,他指出:

(1)按照原子量大小排列起來的元素,在性質上呈現明顯的周期性。

(2)原子量的大小決定元素的特征。

(3)應該預料到許多未知元素的發現,例如類似鋁和硅的,原子量位于65一75之間的元素。

(4)當我們知道了某些元素的同類元素后,有時可以修正該元素的原子量。這就是門捷列夫提出的周期律的最初內容。

    門捷列夫深信自己的工作很重要,經過繼續努力,1871年他發表了關于周期律的新的論文。文中他果斷地修正了1869年發表的元素周期表。例如在前一表中,性質類似的各族是橫排,周期是豎排;而在新表中,族是豎排,周期是橫排,這樣各族元素化學性質的周期性變化就更為清晰。同時他將那些當時性質尚不夠明確的元素集中在表格的右邊,形成了各族元素的副族。在前表中,為尚未發現的元素留下4個空格,而新表中則留下了6個空格。由此可見,門捷列夫的研究有了重要的進展。

    門捷列夫發現的化學元素周期律是自然界的一條客觀規律。它揭示了物質世界的一個秘密,即這些似乎互不相關的元素間存在相互依存的關系,它變成了一個完整的自然體系。從此新元素的尋找,新物質、新材料的探索有了一條可遵循的規律。元素周期律作為描述元素及其性質的基本理論有力地促進了現代化學和物理學的發展。

 

門捷列夫成才之路

    門捷列夫在學校讀書的時候,一位很有名的化學教師,經常給他們講課。熱情地向他們介紹當時由英國科學家道爾頓始創的新原子論。由于道爾頓新原于學說的問世,促進了化學的發展速度,一個一個的新元素被發現了;瘜W這一門科學正激動著人們的心。這位教師的講授,使門捷列夫的思想更加開闊了,決心為化學這門科學獻出一生。 

    1834年2月7日生于西伯利亞托博爾斯克,這個時代,正是歐洲資本主義迅速發展時期。生產的飛速發展,不斷地對科學技術提出新的要求;瘜W也同其它科學一樣,取得了驚人的進展。門捷列夫正是在這樣一個時代,誕生到人間。門捷列夫從小就熱愛勞動,熱愛學習。他認為只有勞動,才能使人們得到快樂、美滿的生活;只有學習,才能使人變得聰明。

    他父親是位中學教師。在他出生后不久,父親雙眼固患白內障而失明,一家的生活全仗著他母親經營一個小玻璃廠而維持著。1847年雙目失明的父親又患肺結核而死去。意志堅強而能干的母親并沒有出生活艱難而低頭,她決心一定要讓門捷列夫象他父親那樣接受高等教育。

    門捷列夫自幼有出眾的記憶力和數學才能,讀小學時,對數學、物理、歷史課程感興趣,對語文、尤其是拉丁語很討厭,因而成績不好。他特別喜愛大自然,曾同他的中學老師一起作長途旅行,搜集了不少巖石、花卉和昆蟲標本。他善于在實踐中學習,中學的學習成績有了明顯的提高。中學畢業后,他母親變賣了工廠,親自送門捷列夫,經過2千公里以上艱辛的馬車旅行來到莫斯科。因他不是出身于豪門貴族,又來自邊遠的西怕利亞,莫斯科、彼得堡的一些大學拒絕他入學。好不容易,門捷列夫考上了醫學外科學校。然而當他第一次觀看到尸體時,就暈了過去。只好改變志愿,通過父親的同學的幫忙,進入了亡父的母!说帽じ叩葞煼秾W校物理數學系。母親看到門捷列夫終于實現了上大學的愿望,不久便帶著對他的祝福與世長辭了。舉目無親又無財產的門捷列夫把學校當作了自己的家,為了不辜負母親的期望,他發奮地學習。

    1850年入彼得堡師范學院學習化學,由于門捷列夫學習刻苦和在學習期間進行了一些創造性的研究工作,一八五五年,他以優異成績從學院畢業。畢業后,他先后到過辛菲羅波爾、敖德薩擔任中學教師。這期間,他一邊教書,一邊在極其簡陋的條件下進行研究,寫出了《論比容》的論文。文中指出了根據比容進行化合物的自然分組的途徑。1857年他又以突出的成績通過化學學位的答辯。他刻苦學習的態度、鉆研的毅力以及淵博的知識得到老師們的贊賞,彼得堡大學破格地任命他為化學講師,當時他僅22歲。

    1859年他到德國海德堡大學深造。1860年參加了在卡爾斯魯厄召開的國際化學家代表大會。1861年回彼得堡從事科學著述工作。1863年任工藝學院教授,1865年獲化學博士學位。1866年任彼得堡大學普通化學教授,1867年任化學教研室主任。1893年起,任度量衡局局長。1890年當選為英國皇家學會外國會員。

    在彼得堡大學,門捷列夫任教的頭兩門課程是理論化學和有機化學。當時流行的教科書幾乎都是大量關于元素和物質的零散資料的雜亂堆積。怎樣才能講好課?門捷列大下決心考察和整理這些資料。1859年他獲準去德國海德堡本生實驗室進行深造。兩年中他集中精力研究了物理化學。他運用物理學的方法來觀察化學過程,又根據物質的某些物理性質來研究它的化學結構,這就使他探索元素間內在聯系的基礎更寬闊和堅實。因為他恰好在德國,所以有幸和俄國化學家一起參加了在德國卡爾斯魯厄舉行的第一屆國際化學家會議。會上各國化學家的發言給門捷列夫以啟迪,特別是康尼查羅的發言和小冊子。門捷列夫是這樣說:“我的周期律的決定性時刻在1860年,我參加卡爾斯魯厄代表大會。在會上我聆聽了意大利化學家康尼查羅的演講,正是他發現的原子量給我的工作以必要的參考材料,而正是當時,一種元素的性質隨原子量遞增而呈現周期性變化的基本思想沖擊了我!睆拇怂辛嗣鞔_的科研目標,并為此付出了艱巨的勞動。

    從1862年起,他對283種物質逐個進行分析測定,這使他對許多物質和元素的性質有了更直觀的認識。他重新測定一些元素的原子量。因而對元素的這一基本特征有了深刻的了解。他對前人關于元素間規律性的探索工作進行了細致的分析。他先后研究了根據元素對氧和氫的關系所作的分類;研究了根據元素電化序所作的分類,研究了根據原子價所進行的分類:特別研究了根據元素的綜合性質所進行的元素分類。有比較才有鑒別,有分析才能做好綜合。這樣,門捷列夫批判地繼承了前人的研究成果。在他分析根據元素綜合性質而進行的元素分類時,他堅信元素原子量是元素的基本特征,同時發現性質相似的元素,它們的原子量并不相近。相反一些性質不同的元素,它們的原子量反而相差較小。他緊緊抓住原子量與元素性質之間的關系作為突破口,反復測試和不斷思索。他在每張卡片上寫出一種元素的名稱原子量、化合物的化學式和主要的性質。就象玩一副別具一格的元素紙牌一樣,他反復排列這些卡片,終于發現每一行元素的性質都在按原子量的增大,從小到大地逐漸變化,也就是發現元素的性質隨原子量的增加而呈周期往的變化。第一張元素周期表就這樣產生了。

    隨著周期律廣泛被承認,門捷列夫成為聞名于世的卓越化學家。各國的科學院、學會、大學紛紛授予他榮譽稱號、名譽學位以及金質獎章。具有諷刺意義的是:

    1382年英國皇家學會就授予門捷列夫以戴維金質獎章。1889年英國化學會授予他最高榮——法拉第獎章。相反地在封建王朝的俄國,科學院在推選院士時,竟以門捷列夫性格高傲而有棱角為借口,把他排斥在外。后來回門捷列夫不斷地被選為外國的名譽會員,彼得堡科學院才被迫推選他為院士,由于氣惱,門捷列夫拒絕加入科學院。從而出現俄國最偉大的化學家反倒不是俄國科學院成員的怪事。

    門捷列夫除了發現元素周期律外,還研究過氣體定律、氣象學、石油工業、農業化學、無煙火藥、度量衡,由于他的辛勤勞動,在這些領域都不同程度地做出了成績。1907年2月2日,這位享有世界盛譽的俄國化學家因心肌梗塞與世長辭,享年73歲。

   門捷列夫的最大貢獻是發現了化學元素周期律。今稱門捷列夫周期律。1869年2月,門捷列夫編制了一份包括當時已知的全部63種元素的周期表。同年3月,他委托Н.А.緬舒特金在俄國化學會上宣讀了題為《元素的屬性與原子量的關系》的論文,闡述了元素周期律的要點:①按照原子量的大小排列起來的元素,在性質上呈現明顯的周期性;②原子量的大小決定元素的特征;③應該預料到許多未知單質的發現,例如,預料應有類似鋁和硅的,原子量位于65~75之間的元素;④已知某些元素的同類元素后,有時可以修正該元素的原子量。

  1871年門捷列夫又發表了《化學元素周期性的依賴關系》論文,對化學元素周期律作了進一步闡述。他還重新修訂了化學元素周期表,把1869年豎排的表格改為橫列,突出了元素族和周期的規律性;劃分了主族和副族,使之基本上具備了現代元素周期表的形式。

  門捷列夫在發現周期律及制作周期表的過程中,除了不顧當時公認的原子量而改排了某些元素 (Os、Ir、Pt、Au;Te、I;Ni、Co)的位置外,并且考慮到周期表中合理的位置,修訂了其他一些元素 (In、 La、Y、Er、Ce、Th、U)的原子量,而且預言了一些元素的存在。在1869年的元素周期表中,門捷列夫為4種尚未被發現的元素留下空位。1871年他又發表論文《元素的自然體系和運用它指明某些元素的性質》,對一些元素,例如,“類鋁”、“類硼”和“類硅”的存在和性質以及它們的原子量做了詳盡的預言。這樣的空位共留下 6個。門捷列夫的這些推斷為后來的化學實驗所證實。

  元素周期律的發現激起了人們發現新元素和研究無機化學理論的熱潮。元素周期律的發現在化學發展史上是一個重要的里程碑,它把幾百年來關于各種元素的大量知識系統化起來,形成一個有內在聯系的統一體系,進而使之上升為理論。

  門捷列夫還曾研究氣體和液體的體積與溫度和壓力的關系,于1860年發現氣體的臨界溫度并提出了液體熱膨脹的經驗式。1865年研究了溶液的性質,提出了溶液的水合物學說,為近代溶液學說奠定了基礎。1872~1882年,他和他的學生準確地測定了數種氣體的壓縮系數。

  門捷列夫因發現周期律而獲得英國皇家學會戴維獎章(1882)。他還曾獲英國科普利獎章(1905)。1955年科學家們為了紀念元素周期律的發現者門捷列夫,將101號元素命名為鍆。門捷列夫運用元素性質周期性的觀點寫成《化學原理》一書(1869),曾被譯成英、法等多種文字。

    門捷列夫在大學學習期間,表現出了堅韌、忘我的超人精神。疾病折磨著門捷列夫,由于喪失了無數血液,他一天一天的消瘦和蒼白了?墒,在他貧血的手里總是握著一本化學教科書。那里面當時有很多沒有弄明白的問題,纏繞著他的頭腦,似乎在召呼他快去探索。他在用生命的代價,在科學的道路上攀登著。他說,我這樣做“不是為了自己的光榮,而是為了俄國名字的光榮!薄^了一段時間以后,門捷列夫并沒有死去,反而一天天好起來了。最后,才知道是醫生診斷的錯誤,而他得的不過是氣管出血癥罷了。 

    攀登科學高峰的路,是一條艱苦而又曲折的路。門捷列夫在這條路上,也是吃盡了苦頭。當他擔任化學副教授以后,負責講授《化學基礎》課。在理論化學里應該指出自然界到底有多少元素?元素之間有什么異同和存在什么內部聯系?新的元素應該怎樣去發現?這些問題,當時的化學界正處在探索階段。近五十多年來,各國的化學家們,為了打開這秘密的大門,進行了頑強的努力。雖然有些化學家如德貝萊納和紐蘭茲在一定深度和不同角度客觀地敘述了元素間的某些聯系,但由于他們沒有把所有元素作為整體來概括,所以沒有找到元素的正確分類原則。年輕的學者門捷列夫也毫無畏懼地沖進了這個領域,開始了艱難的探索工作。

    他不分晝夜地研究著,探求元素的化學特性和它們的一般的原子特性,然后將每個元素記在一張小紙卡上。他企圖在元素全部的復雜的特性里,捕捉元素的共同性。一但他的研究,一次又一次地失敗了?伤磺,不灰心,堅持干下去。

    為了徹底解決這個問題,他又走出實驗室,開始出外考察和整理收集資料。一八五九年,他去德國海德爾堡進行科學深造。兩年中,他集中精力研究了物理化學,使他探索元素間內在聯系的基礎更扎實了。 一八六二年,他對巴庫油田進行了考察,對液體進行了深入研究,重測了一些元素的原子量,使他對元素的特性有了深刻的了解。一八六七年,他借應邀參加在法國舉行的世界工業展覽俄羅斯陳列館工作的機會,參觀和考察了法國、德國、比利時的許多化工廠、實驗室,大開眼界,豐富了知識。這些實踐活動,不僅增長了他認識自然的才干,而且對他發現元素周期律,奠定了雄厚的基礎。  

   門捷列夫又返回實驗室,繼續研究他的紙卡。他把重新測定過的原子量的元素,按照原子量的大小依次排列起來。他發現性質相似的元素,它們的原子量并不相近;相反,有些性質不同的元素,它們的原子量反而相近。他緊緊抓住元素的原子量與性質之間的相互關系,不停地研究著。他的腦子因過度緊張,而經;柩。但是,他的心血并沒有白費,在一八六九年二月十九日,他終于發現了原素周期律。他的周期律說明:簡單物體的性質,以及元素化合物的形式和性質,都和元素原子量的大小有周期性的依賴關系。門捷列夫在排列元素表的過程中,又大膽指出,當時一些公認的原子量不準確。如那時金的原子量公認為169.2,按此在元素表中,金應排在鋨、銥、鉑的前面,因為它們被公認的原子量分別為198.6、6.7、196.7,而門捷列夫堅定地認為金應排列在這三種元素的后面,原子量都應重新測定。大家重測的結果,鋨為190.9、銥為193.1、鉑為195.2,而金是197.2。實踐證實了門捷列夫的論斷,也證明了周期律的正確性。 

  在門捷列夫編制的周期表中,還留有很多空格,這些空格應由尚??些尚未發現的元素的最重要性質,斷定它們介于鄰近元素的性質之間。例如,在鋅與砷之間的兩個空格中,他預言這兩個未知元素的性質分別為類鋁和類硅。就在他預言后的四年,法國化學家布阿勃朗用光譜分析法,從門鋅礦中發現了鎵。實驗證明,鎵的性質非常象鋁,也就是門捷列夫預言的類鋁。鎵的發現,具有重大的意義,它充分說明元素周期律是自然界的一條客觀規律;為以后元素的研究,新元素的探索,新物資、新材料的尋找,提供了一個可遵循的規律。元素周期律象重炮一樣,在世界上空轟響了!

    門捷列夫發現了元素周期律,在世界上留下了不朽的光榮,人們給他以很高的評價。恩格斯在《自然辯證法》一書中曾經指出!伴T捷列夫不自覺地應用黑格爾的量轉化為質的規律,完成了科學上的一個勛業,這個勛業可以和勒維烈計算尚未知道的行星海王星的軌道的勛業居于同等地位!  

   由于時代的局限性,門捷列夫的元素周期律并不是完整無缺的。一八九四年,惰性氣體氛的發現,對周期律是一次考驗和補充。一九一三年,英國物理學家莫塞萊在研究各種元素的倫琴射線波長與原子序數的關系后,證實原子序數在數量上等于原子核所帶的陽電荷,進而明確作為周期律的基礎不是原子量而是原子序數。在周期律指導下產生的原于結構學說,不僅賦予元素周期律以新的說明,并且進一步闡明了周期律的本質,把周期律這一自然法則放在更嚴格更科學的基礎上。元素周期律經過后人的不斷完善和發展,在人們認識自然,改造自然,征服自然的斗爭中,發揮著越來越大的作用。

(責任編輯:化學自習室)
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