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元素周期表150歲|化學(xué)帝國(guó)的第一部憲法,帶著問(wèn)號(hào)和留白

來(lái)源:澎湃新聞 記者虞涵棋       2019-02-25
導(dǎo)讀:1869年2月,零落散亂的化學(xué)帝國(guó)迎來(lái)了第一部憲法。

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位于斯洛伐克首都的門(mén)捷列夫雕像

無(wú)論東方還是西方,“元素”的概念古已有之。從中國(guó)的“五行論”到古希臘的“四元素說(shuō)”,人類(lèi)渴望從繁中化簡(jiǎn),尋找大千世界最初的那個(gè)“一”。

近代化學(xué)的發(fā)展讓一些真正的元素顯現(xiàn)出來(lái),比如在“五行論”和“四元素說(shuō)”都占一席之地的“水”,其實(shí)還可以分解為氫和氧??茖W(xué)家們于是把元素定義為通過(guò)化學(xué)手段不能再分的物質(zhì)。到了門(mén)捷列夫繪制出首版元素周期表的時(shí)代,世界上已知的化學(xué)元素共有63種,并以年均1個(gè)的速度新增。

同時(shí)代起碼有4名西歐化學(xué)家和1名美國(guó)化學(xué)家做過(guò)相同的嘗試,但只有門(mén)捷列夫能夠?qū)?3個(gè)元素全都?xì)w納整理,在表格上各司其職,隨著原子質(zhì)量的增加,化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。

這無(wú)異于見(jiàn)世界于一花,縮滄海為一粟,給古老的“煉金術(shù)”奠定法則與規(guī)范,成為真正的科學(xué)。門(mén)捷列夫更極具前瞻性地在表上留白,預(yù)言了新元素的存在,給后續(xù)探索點(diǎn)明了方向。

聯(lián)合國(guó)將2019年定為“國(guó)際化學(xué)元素周期表年”,并評(píng)價(jià)道:“元素周期表是科學(xué)史上最卓著的發(fā)現(xiàn)之一,刻畫(huà)出的不僅是化學(xué)的本質(zhì),也是物理學(xué)和生物學(xué)的本質(zhì)?!?/span>

關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的始末,眾說(shuō)紛紜,史料與傳奇交錯(cuò),難以一一印證,其中最為著名的無(wú)外乎這兩個(gè):

其一,門(mén)捷列夫一夜夢(mèng)見(jiàn)所有的元素紛紛落進(jìn)相應(yīng)的格子,組成了一張表。門(mén)捷列夫本人在后期認(rèn)可了這個(gè)故事,并稱(chēng)自己只在一處做了必要的修改。

其二,門(mén)捷列夫把63個(gè)元素的名稱(chēng)、原子質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)繪制在63張卡片上,日夜把玩,排列組合,終于參破了規(guī)律。

不管是托夢(mèng)還是玩牌,我們?nèi)缃窨梢源_定的是,元素周期表的發(fā)明與門(mén)捷列夫撰寫(xiě)《化學(xué)原理》一書(shū)密切相關(guān)。

門(mén)捷列夫在1867年接替前輩兼老朋友沃斯克列森斯基的空缺,成為了圣彼得堡大學(xué)一名純化學(xué)教授,同時(shí)必須接替他的課程,開(kāi)始教授無(wú)機(jī)化學(xué)。這對(duì)此前一直研究有機(jī)的門(mén)捷列夫來(lái)說(shuō)是個(gè)相對(duì)陌生的領(lǐng)域,他決定親自編寫(xiě)一本教材。

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1897版《化學(xué)原理》的扉頁(yè)

1869年,門(mén)捷列夫完成了《化學(xué)原理》的上卷,只整理了氫H、氧O、氮N、碳C等8個(gè)常見(jiàn)元素,他開(kāi)始頭疼,如何將剩下的55個(gè)元素全部塞進(jìn)下卷?

元素周期表正是門(mén)捷列夫?yàn)榇私獬龅耐昝来鸢浮?891年,《化學(xué)原理》下卷完成。它將經(jīng)歷12次修訂,成為全世界化學(xué)新生的入門(mén)教材,與元素周期表一起流傳150年。

不存在的元素

門(mén)捷列夫畫(huà)出的第一版表格看上去可能會(huì)令人迷惑。你需要把它順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度,再左右顛倒一番,才能找回熟悉的感覺(jué)。

后來(lái),門(mén)捷列夫也會(huì)這么修改。

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第一版門(mén)捷列夫元素周期表

表格上的元素符號(hào)與現(xiàn)代基本一致,只有三處不同:碘被標(biāo)記為J而非I ,鈾被標(biāo)記為Ur 而非U。Di這個(gè)元素則根本不存在。它在1841年作為一種稀土元素被發(fā)現(xiàn),直到1885年,新的分離結(jié)晶技術(shù)才最終證明它其實(shí)是第59號(hào)元素鐠(Pr)和第60號(hào)元素釹的混合物。

事實(shí)上,稀土元素一直令門(mén)捷列夫煩惱不已,它們彼此間化學(xué)性質(zhì)十分接近,以當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件很難區(qū)別。

如今,除了第23號(hào)元素鈧(Sc)和第39號(hào)元素釔(Y),其余15個(gè)稀土元素與周期表的主表分離開(kāi),統(tǒng)稱(chēng)為“鑭系”盤(pán)踞在表格的“南極洲”。

惰性氣體在首版手稿中并不存在,它們直到1890年代中期才會(huì)被世人發(fā)現(xiàn),并被門(mén)捷列夫置于周期表的最左一列,作為“第0族元素”?,F(xiàn)代周期表則把惰性氣體放在最右一列。

周期性

門(mén)捷列夫在這張表格中發(fā)現(xiàn)的驚天奧秘是周期性。

隨著原子質(zhì)量的增加,元素的化學(xué)性質(zhì)并非一直變化,而是間隔一段出現(xiàn)重復(fù)。

比如,從鋰(Li)到鉀(K),原子質(zhì)量從7增加到39,門(mén)捷列夫的表中共列出了15個(gè)元素。
但鋰的化學(xué)性質(zhì)與緊接著排在后面的鈹(Be)性質(zhì)差別頗大,反而與間隔7個(gè)出現(xiàn)的鈉(Na)和再間隔7個(gè)出現(xiàn)的鉀十分相似。跟鈹相似的元素則是鈹之后間隔7個(gè)出現(xiàn)的鎂(Mg)。

與此同時(shí),碳與硅、氧與硫、氟與氯等互相相似,它們之間的間隔都是7。

門(mén)捷列夫想到了三角函數(shù)圖像的循環(huán)往復(fù),在一個(gè)周期內(nèi),元素的化學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著原子質(zhì)量的增加而一直變化,進(jìn)入下一個(gè)周期,元素的化學(xué)性質(zhì)又瞬間回到了原點(diǎn),重新開(kāi)始一輪變化。

首版手稿的每個(gè)縱列即為一輪變化周期,每個(gè)橫排上的元素性質(zhì)相似,后來(lái)演化為“族”的概念。

比如,鋰、鈉、鉀、銣這一排后來(lái)被稱(chēng)為堿金屬族,氟、氯、溴、碘后來(lái)被稱(chēng)為鹵族。在最初的手稿中,門(mén)捷列夫把這兩族置于比鄰。后來(lái),他將發(fā)現(xiàn)這兩族元素的化學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為兩個(gè)極端,于是拆分到最左和最右的位置。

質(zhì)量旁邊的問(wèn)號(hào)

縱然第一版元素周期表在門(mén)捷列夫的時(shí)代具有驚人的洞見(jiàn)力和前瞻性,其局限性也是顯而易見(jiàn)的。

門(mén)捷列夫在化學(xué)元素旁標(biāo)注的數(shù)字是原子的質(zhì)量,而非現(xiàn)代周期表的排列依據(jù)質(zhì)子數(shù)量。事實(shí)上,門(mén)捷列夫始終沒(méi)有徹底搞清楚原子的結(jié)構(gòu),他尤其懷疑電子是否存在。

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門(mén)捷列夫的手稿。密密麻麻的涂改可以看出他的糾結(jié)

在門(mén)捷列夫的時(shí)代,給原子稱(chēng)重是很難的。元素在自然界往往以化合物的形式存在 先要提純,還要確定化合價(jià)(比如,H20中氧的化合價(jià)為-2)。 這個(gè)過(guò)程中可能產(chǎn)生10至100倍的誤差。

門(mén)捷列夫給好幾個(gè)元素的質(zhì)量打上了問(wèn)號(hào),比如鈾被標(biāo)為116,門(mén)捷列夫后來(lái)會(huì)修改為更接近現(xiàn)代的數(shù)值。

鈷(Co)和鎳(Ni)、碲(Te)和碘(J)是非常奇特的兩組“倒置”,由于一些特殊的化學(xué)性質(zhì),前者的質(zhì)子數(shù)量要小于后者,但原子質(zhì)量卻大于后者。

困惑的門(mén)捷列夫在表上把鈷(Co)和鎳(Ni)的質(zhì)量都標(biāo)為59,而碲(Te)比排在后面的碘質(zhì)量大。他在旁邊打上了問(wèn)號(hào),其實(shí)這個(gè)質(zhì)量在后來(lái)被證實(shí)并沒(méi)有問(wèn)題。

上述蹊蹺之處,門(mén)捷列夫窮盡一生也未能解答。

門(mén)捷列夫辭世后6年,亨利?莫斯利提出了原子序數(shù)的概念,即原子核中質(zhì)子的數(shù)量,破解了周期律背后真正的密碼。

這種帶正電的粒子數(shù)量決定了核外電子的數(shù)量,核外電子的分布情況又在很大程度上決定了元素的化學(xué)性質(zhì)。最關(guān)鍵的是,原子序數(shù)的數(shù)字是連續(xù)增加的,從1開(kāi)始,每個(gè)整數(shù)都對(duì)應(yīng)了一個(gè)元素。

隨著質(zhì)子數(shù)量的增加,原子質(zhì)量呈現(xiàn)總體增加的趨勢(shì),但偶爾也會(huì)出現(xiàn)例外的波動(dòng)。這就是門(mén)捷列夫依據(jù)原子質(zhì)量排序的周期表并非完全準(zhǔn)確的根本原因。

偉大的留白

世界上第一張?jiān)刂芷诒碜盍钊私蚪驑?lè)道之處,是表上的三個(gè)位置只標(biāo)了原子質(zhì)量,而沒(méi)有元素字母。換句話說(shuō),門(mén)捷列夫預(yù)言了按照周期律,應(yīng)該有三種未被發(fā)現(xiàn)的新元素存在。

1871年,門(mén)捷列夫把這三個(gè)元素起名“Eka硼 ”、“Eka鋁”和“Eka硅”,預(yù)測(cè)它們的化學(xué)性質(zhì)應(yīng)當(dāng)分別與硼、鋁和硅類(lèi)似。Eka這個(gè)前綴來(lái)自于梵文,意為“一”。

這在學(xué)術(shù)界引發(fā)了軒然大波,質(zhì)疑的聲音紛至沓來(lái)。但歷史將證明門(mén)捷列夫是對(duì)的,這三個(gè)位置屬于1886年發(fā)現(xiàn)的鍺,1876年發(fā)生的鎵和1879年發(fā)現(xiàn)的鈧。

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在更遠(yuǎn)的后來(lái),科學(xué)家們甚至開(kāi)始利用周期表的規(guī)律,自己動(dòng)手創(chuàng)造新元素。

1937年,美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校利用回旋加速器用氘原子核(含有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子的氫同位素)去“轟擊”第42號(hào)元素鉬(Mo),得到了锝(Tc),填補(bǔ)了第43號(hào)的位置。這是世界上第一個(gè)人造元素。

從第95號(hào)镅(Am)開(kāi)始,新增的人造元素普遍“短命”,很快就會(huì)衰變?yōu)樵有驍?shù)更小的元素。這是因?yàn)椋S著原子核質(zhì)量的增加,質(zhì)子之間的排斥力也會(huì)越來(lái)越大,難以保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。104號(hào)元素的半衰期不足一分鐘;106號(hào)元素的半衰期不足一秒;再之后的人造元素,存在的時(shí)間以毫秒計(jì)算,幾乎剛剛誕生就會(huì)煙消云散。

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現(xiàn)代元素周期表排到了118號(hào)

有一個(gè)位置專(zhuān)門(mén)留給了門(mén)捷列夫:第101號(hào)元素鍆(Md)。

150年后的2019年,元素周期表已經(jīng)排到了118號(hào),科學(xué)家們?nèi)栽跒殚T(mén)捷列夫的偉大發(fā)現(xiàn)開(kāi)疆拓土,而那個(gè)終極問(wèn)題仍未得到解答:

元素周期表的盡頭在哪里?  


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