元素周期表是如何誕生的？一起來聽150年前的真實故事

英國《新科學家》周刊網站2月26日刊登題為《150年前元素周期表誕生的真實故事》的文章，講述了德米特里·門捷列夫在150年前如何設計元素周期表的故事。

德米特里·門捷列夫

德米特里·門捷列夫在俄羅斯聖彼得堡大學擔任教授時，他的工作是給學生們上化學課。為了幫助完成這項任務，他與一家俄羅斯出版商簽訂了合同，編寫一套上下兩卷的教科書。1869年1月，他完成了第一卷，但書中只涵蓋當時已知的63種化學元素中的8種。怎樣才能把剩下的55種元素塞進第二卷？

很顯然，他需要建立某種系統，將它們有序排列起來。當人們複述科學家思考此類重大問題的故事時，常常會添加一些浪漫元素。當事人會有一段掙扎和困惑的時期，當孤獨的天才看到光明時，痛苦掙扎就結束了，一切變得明朗化。這聽起來比孤注一擲地試圖在出版商給出的最後期限前完成任務要高尚得多。

文章稱，一些描述門捷列夫如何設計出元素周期表的故事試圖載入這個浪漫模板。它們聲稱，這名來自西伯利亞偏遠城鎮托博爾斯克的俄羅斯人痴迷於在這些元素之間尋找結構，並把它們寫在卡片上，就像玩紙牌遊戲那樣。故事說，門捷列夫嘗試了各種排列方法，但都沒有成功，直到1869年2月筋疲力盡的他在書房裡睡著了。

後來有一種說法是，門捷列夫稱：「我在夢裡看到一張表，表上所有的元素都排列有序。」醒來後，他匆忙寫下了自己在夢中看到的東西，兩周後發表了他的「元素推薦系統」。

門捷列夫說，這個系統的邏輯本質上是這樣的：如果根據元素的原子量——以最輕的氫作為相對原子量的基準——來給元素排序的話，它們的特性似乎會定期重複。所以你可以把元素排列成表，使具有相似屬性的元素排成一列。

文章稱，這個模式仍然是現代元素周期表的基礎，但門捷列夫如何發明它的故事禁不起推敲。門捷列夫自己從來沒有說過。這是40年後他的一位同僚給出的說法。

無論如何，當時並沒有一種完美的排列方法能夠讓現有的所有知識說得通。首先，門捷列夫通過原子量來排列這些元素，並非人們今天所使用的辦法。原子的重量是通過實驗推導出來的：通過將化合物分解成構成元素，權衡其中包含多少這樣的元素。但更基本的排列方法來自每個元素的原子序數，即一個原子核內包含的質子數量。在19世紀中葉的時候，沒有人能肯定原子是否真實存在，門捷列夫本人也對此持懷疑態度。

就連原子量的說法也存在爭議。例如，水由氫和氧按1∶8的重量比化合而成，但這是否意味著水分子包含著相同數量的氫原子和氧原子，後者的重量是前者的8倍？還是說水分子里含有的氫原子數量是氧原子的兩倍，後者的重量是氫原子的16倍？（實際上第二種說法是正確的，水的分子式是H2O。）

事實上，正是對H2O分子式的日益支持幫助門捷列夫對這些元素進行了正確的排序。但他需要做出一些改變，以確保擁有類似化學特性的元素被歸入同一類。例如，他決定把氧化鈹的分子式定為BeO，而不是（像大多數人所認為的）Be2O3，以便把鈹與鎂放在同一列，兩者似乎有著相似之處。在這個問題上，門捷列夫後來被證明是對的。他的元素周期表是一個例子，證明了一種領先於現有數據的想法，它挑戰了科學界的一個共同觀點：如果你的假設與數據不一致，那麼你必須拋棄它，無論它有多好。

在門捷列夫發明元素周期表之前，其他科學家也有過類似的嘗試。德國化學家約翰·沃爾夫岡·德貝賴納就做過類似的事情，他在19世紀20年代把化學上相似的元素分成三組，稱之為「三元素組」。實際上，德國的尤利烏斯·洛塔爾·邁耶爾1868年編製的元素周期表與門捷列夫1869年發表的有很多相似之處，但直到1870年他才發表自己的研究成果。

編輯 | 張馨午

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