门捷列夫的突破：元素简史及周期表改进

将元素周期表整理成我们现在熟悉的形式的人，就是门捷列夫。他是一位教师，也编写化学教科书。在编写当时的权威教材《化学原理》时，他解决了元素周期表的问题。这本教材使他不得不思考这个问题，因为他得按顺序整理元素的集合。他在教材的第一部分介绍了碱金属，现在需要定夺哪些元素与碱金属最相近，才能开始写下一部分。科学史家们很幸运，门捷列夫执迷于保存自己的个人文档资料，甚至连明显无用的纸片都要留存。

从这些“废纸”上，我们可以看到门捷列夫的突破路径。他首先将碱金属与其他金属族进行比较，重点在于原子量的差异。化学家们已经根据相似的性质，对元素做了大致分组。比如碱金属都具有很强的反应活性，甚至能和水发生反应；卤素与碱金属反应，都会生成盐。就像早期按行为和形状对动植物分类一样，这是根据元素的性质而非固有结构进行分类的。由于许多性质是内在结构的结果，所以这种分类法在某种程度上是有效的。门捷列夫猜测，元素的性质是某种基本结构的结果。

门捷列夫早期关于元素周期表排列所做的笔记（1869年）

灵光乍现的时刻

门捷列夫的收集癖，使他灵光乍现的时刻得以保存。在圣彼得堡的门捷列夫档案馆里，化学家、科学史家凯德洛夫（B. Kedrov）发现了一份文献，其中记录了门捷列夫对元素周期表问题的洞见。门捷列夫对俄国这个农耕国家的农业改革和正在兴起的新经济模式很感兴趣，还参观了一家乳品合作社。1869年2月17日，他在阅读一封罗列了第二天访问日程的信时，在信纸背面潦草地写下了第一稿试验性的元素分组，也就是后来元素周期表的雏形。

门捷列夫最开始的努力虽没能揭示什么，但他始终坚持把原子量当作重要的线索。他记下了非金属元素的原子量，把卤素族横排，将原子量最接近的元素排在它们下层。作为一名实验化学家，门捷列夫做过大量实验，因而对这些元素的特征和反应非常熟悉。他知道对于分组而言，什么样的元素特征是重要的。

（门捷列夫是）一个奇特的外国人，他头上的每一根头发都会独立行动。

——英国化学家拉姆齐在伦敦会见门捷列夫之后评论道

他成功地排列了当时已知63种元素中的42种。其他元素比较棘手，因为对它们的特性了解不多，甚至还不能确定其原子量。这项工作进展迟缓而令人沮丧，门捷列夫每次尝试将某种元素置于其他位置时，都要重新誊写整张表。

而门捷列夫对这个游戏乐此不疲，最终，耐心为他打开了突破口。他在苦苦地反复抄写表格时突然想到，可以在单独的卡片上写下每种元素的名称、原子量和特征，然后就能任意摆放卡片了！到了这个阶段，他已经把自己寻求的答案可视化了：他知道自己想得到的是一张表，其中特性相似的元素水平成组排列，而原子量相似的元素则垂直成组排列（这与现代元素周期表的排列方式正好相反，即按照原子序数和重量水平排列）。

门捷列夫的第一张元素周期表

这一原理没有问题，困难在于找到每张卡片的正确位置。门捷列夫很久以来一直认为：元素的原子量和性质之间应该有某种关系，等待着被人们发现。他偶尔会记下卡片的布局和位置未定的元素符号，并在给这些元素找到位置后将其划掉。借助这些保存下来的纸片，我们可以充分了解他的思考过程。第一天结束时，门捷列夫已经在他的表格中为56个元素找到了位置，还有7个位置待定。他意识到，要想为它们全部找到归宿，还需要进一步的研究。

以现代方式重新排列的门捷列夫元素周期表。可见表中第2族（始于铍）之后紧接着就是第13族（始于硼）。现在被归为过渡元素的元素列在右侧，紧挨着最右侧的惰性气体（在19世纪90年代之前大多不为人所知）

门捷列夫并不是第一个根据原子量来给元素分类的人，但若论以原子量和对元素特性的深刻认识为指导，他确实是第一人。最关键的是，当两者冲突时，他以元素特性优先。也就是说，他偶尔会根据元素特性来调整元素的位置，即使这意味着与原子量顺序不符。例如，他将铍（原子量14）从氮的上方移到第2族中镁的上方。就元素特性而言，这当然是正确的位置，但就原子量而言，需要为9才符合顺序。

根据元素的特性而不是原子量来定位，门捷列夫由此部分规避了19世纪化学家们在组织元素时面临的最大局限：依赖原子量，而非当时尚不完全清楚的原子序数。一旦在20世纪克服了这一障碍，一切就会水到渠成。

门捷列夫
（1834—1907）(www.xing528.com)

门捷列夫出生在西伯利亚，家中17个兄弟姐妹里有14个都在婴儿期夭折。他自幼是东正教徒，但后来脱离了教会。父亲双目失明，在门捷列夫年幼时就不得不放弃教书的工作。母亲则重新经营起了属于她的家族但早已废弃的玻璃厂。尽管她有着惊人的毅力，但这个家庭的生活条件仍然没有改善。门捷列夫13岁时父亲去世，玻璃厂毁于大火。母亲把他带到莫斯科，却没有一家大学接收他，母子俩紧接着去了圣彼得堡。1850年，门捷列夫考入了彼得堡师范学院（今圣彼得堡国立大学）。入校十天后，母亲因肺结核去世。毕业后不久，他自己也染上了肺结核。

但门捷列夫还是坚持了下来。他在海德堡大学与德国化学家本生（本生灯的发明者）一同工作，并于1860年参加了卡尔斯鲁厄会议。1861年回到俄国后，他在圣彼得堡教授化学，33岁时成为大学教授。门捷列夫对于学生们只能使用劣质教科书感到失望，于是开始着手编写自己的教科书，重点先是有机化学，然后是无机化学。这些教材成为当时最杰出的教科书，一直沿用到20世纪，甚至俄国以外的国家也在使用。

门捷列夫对元素周期表的改进和发展，并没有让他一夜成名。然而，当他所预言的第一个元素镓被发现后，他的声誉就不可动摇了。门捷列夫不仅是一位卓越的化学家，还是一位技术娴熟的行李箱制造者，对造船、石油和农业也都有兴趣。他参与了1898年下水的第一艘北极破冰船“叶尔马克号”的制造工作。虽说名声显赫，门捷列夫也并非没有犯过错误。他曾误认为石油等碳氢化合物是通过无机方式形成于地球深处的，还设想了两种比氢更轻的惰性元素，声称这是构成乙醚的化学成分。

门捷列夫刻意树立自己狂野、疯狂的科学家形象，每年只让剪羊毛的人帮自己剪一次头发

门捷列夫的元素周期表。表中没有为过渡金属留出空间，却将其中一些塞进了其他元素族。表中没有惰性气体，也没有最后一个周期（现代元素周期表的最底行始于钫）

门捷列夫通常被认为是按原子量来组织元素的第一人。不过，德国化学家梅耶在1864年也发表过一张类似但稍小一些的表。他将原子量结合原子体积绘制成图，并得到了一系列的峰和谷，碱金属位于峰，卤素位于谷（这取决于现在所谓的“下行正电性”，即一种元素易于失去电子的程度，从碱金属到卤素逐渐降低）。他以此作为周期性的排序依据，绘制了一张包含28种元素的表，同时将横向和纵向序列的安排都考虑在内。

如果不去寻找和尝试，想发现某种东西是不可能的，不论是蘑菇还是某种规律。

——门捷列夫

门捷列夫留出了一些空当，因为他预测将来会发现更多元素，他甚至预测了那些元素的性质和原子量。他成功预测了“准铝”（Eka-铝，即镓）、“准硼”（钪）和“准硅”（锗）。他使用的前缀“Eka”来自梵文，意思是“第一”，加在某个元素名称前，表示这个元素下方空白处的未知元素（他还有更多的前缀，如“Dvi”表示第二，“Tri”表示第三，用于预测某一族中后续的未知元素）。

法国化学家德布瓦博德兰（L. de Boisbaudran）于1875年发现了镓，1879年发现了钪，1886年发现了锗。出于一腔爱国热忱，德布瓦博德兰以拉丁文中“法国”一词命名了镓，其大部分特性与门捷列夫对“准铝”的预测高度吻合。然而德布瓦博德兰认为，镓的密度低于门捷列夫的预测值。门捷列夫写信给德布瓦博德兰，说自己已经预测了这种金属的特性，并指出对方犯了错。德布瓦博德兰仔细检查后发现，真实值确实更接近门捷列夫的预测。

门捷列夫的预言自然使得化学家们急于找到经他预测的未知元素，并赢得命名权。这导致了对一些元素一而再、再而三的重复命名。例如，门捷列夫预言的元素“准铯”最终变成了“钫”，它是锕-227放射性衰变的产物，由法国女物理学家玛格丽特·佩雷（Marguerite Perey）于1939年发现。在门捷列夫的预言和佩雷的发现之间，“准铯”先后被“发现”过四次。

门捷列夫预测过的元素。表中包括他为这些元素所起的名字、它们最终的名称以及被发现的日期

*原本在钍和铀之间为Eka-钽分配的位置，最终被所占据，由于镤最终被归为锕系元素，故不在过渡金属之列

第一次是苏联化学家多布罗谢尔多夫（D. K. Dobroserdov）在1925年发现的，他以自己祖国之名将其命名为“russium”。随后的1926年，英国化学家布鲁斯（G. Bruce）和洛林（F. Loring）使用一种名为“光谱学”的新技术，发现了他们认为属于“准铯”的光谱线。他们将其命名为“碱”，因为它是最重的碱金属。1930年，美国人艾利森（F. Allison）再次“发现”了“准铯”，并希望用自己的家乡弗吉尼亚州来称呼它为“virginium”。接下来，罗马尼亚物理学家胡卢贝伊（H. Hulubei）和法国物理学家哥舒瓦（Y. Cauchois）在1936年认为自己找到了这种元素的放射光谱，以胡卢贝伊的出生地（罗马尼亚一省份）将其命名为“moldavium”。其他许多化学家也在搜寻着若干种缺失的元素，情况和钫类似，在确认被发现之前，都经历过多次虚假的发现过程。

87号元素钫的原子结构。在门捷列夫预言其存在70年后的1939年，钫才被真正发现。在此之前，它曾被声称“发现”过四次