迈克·萨顿研究了门捷列夫的耐心如何揭示元素的周期性

在周围环境中发现模式的冲动似乎是人类的基本特征。数千年前,我们遥远的祖先建造了巨大的石碑,这些石碑精确地排列在每年太阳周期的重要时刻。在19世纪,有思想的化学家注意到元素之间的家族相似性,并试图将它们嵌入解释范式中。

一个半世纪前,德米特里·门捷列夫发表了他的元素周期表的初稿,在探索元素之间的秩序方面迈出了关键的一步。2019年,全世界的化学家都在庆祝这个纪念日,这是理所当然的。像巨石阵一样,这个表反映了自然界的规律,这些规律是由于最初建造时仍然神秘的原因造成的。但是门捷列夫是如何建造他的纪念碑的呢?

早期

年轻时门捷列夫的照片

来源:©科学图片库

德米特里·门捷列夫在圣彼得堡教书,自己写教科书——正是这个过程导致了他的阶段性发现

德米特里在西伯利亚长大,那里处于西方文明的边缘。他的家托博尔斯克离北京比巴黎近1000公里,他从那里获得科学成就的道路很艰难。他是门捷列夫兄弟姐妹中最小的一个,1834年他出生后不久,他的父亲伊凡(Ivan,一名高中教师)就因疾病被迫退休。伊凡的养老金不足,迫使他的妻子玛丽亚开始管理一家半废弃的玻璃工厂,这家工厂以前是由她哥哥经营的。

这家企业一直支撑着这个家庭,直到1848年被烧毁。后来伊凡去世了。1849年,玛丽亚带着两个最小的孩子去了莫斯科,希望哥哥能帮助德米特里在那里上大学。这个计划失败后,他们搬到了圣彼得堡。1850年,德米特里(有些不情愿地)被他父亲曾接受教师培训的大学录取。那里的一位讲师亚历山大·沃斯克列先斯基(Alexander Voskresensky)曾在德国师从李比希,他鼓励德米特里对化学产生兴趣。

他于1855年毕业,他的论文——关于物理形态和化学成分之间的同构和其他关系——发表在一本采矿杂志上。随后他又在科技期刊上发表文章,但缺乏稳定的收入。那时,他的母亲和妹妹都已经去世,而他自己似乎患上了肺结核。然而,在气候更为温和的克里米亚教书一年之后,他的健康状况显著改善,一位新医生自信地驳回了之前的诊断。

1856年秋,门捷列夫成功地完成了一篇硕士论文的答辩,论文的主题是物质的具体体积与其晶体学和化学性质之间的关系。不久之后,圣彼得堡大学授予他化学导师的资格,允许他进入该大学的实验室。1859年,他得到国家资助出国深造两年。

建立职业生涯

在德国海德堡大学,门捷列夫做了几个课题的研究,包括表面张力、毛细作用和蒸发,在他的职业生涯中,他对分子间作用力保持着兴趣。1860年,他参加了卡尔斯鲁厄会议,意大利化学家Stanislau Cannizzaro在会上发表了一篇关于原子量(现在称为相对原子质量)的开创性论文。这是迈向周期体系的关键一步,因为以前在元素的原子量分配上存在相当大的争议。

一些化学家声称这些重量无关紧要,或者完全否认原子的物理存在。另一些人则认为氧的原子量为8,假设水的分子式是HO,而不是H2但在卡尔斯鲁厄,坎尼扎罗重新唤起了他的同胞阿马迪奥·阿伏加德罗的想法,支持H2O水的公式,氧的相对原子质量是16。19世纪60年代,人们的观点转向了对他有利的方向——这对门捷列夫来说是幸运的,因为指引他找到元素周期表的规律在旧的系统上不太明显。

1861年回到圣彼得堡后,门捷列夫恢复了在大学的教学,同时也在该市的技术学院讲课。此外,他还出版了一本有机化学教科书和一本技术百科全书的几篇文章,并广泛旅行,寻找将科学发现应用于俄罗斯经济发展的机会。例如,1863年对巴库油田的访问开始了他对新兴石化工业的长期承诺。

门捷列夫的博士论文(关于解理论)于1865年被接受,1867年大学任命他为普通化学教授。他被要求讲授无机化学,由于没有令人满意的俄语教科书,他开始编写一本。这使他的注意力集中在如何将化学元素有序排列的挑战上。其他几个-包括德国的利奥波德·格梅林,法国的让·巴蒂斯特·杜马斯和英国的约翰·纽兰兹——曾尝试过,但收效甚微。门捷列夫知道其中一些努力,但他自己的方法在一些重要方面是与众不同的。

把他的底牌拿出来

这一突破是在1869年初实现的,当时门捷列夫正在准备另一次工业之旅——这次是为了研究和改进奶酪制作技术。与此同时,在完成教科书的第一卷后,他正在努力为第二卷建立一个框架。他后来回忆起这个过程如下:

于是我开始观察并在不同的卡片上写下元素的原子量、典型性质、类似元素和类似的原子量,这很快使我相信元素的性质周期性地取决于它们的原子量……”
门捷列夫,化学原理, 1905年(强调添加)

门捷列夫元素周期表的图片,1869年

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门捷列夫1869年手写的元素周期表——有空白

门捷列夫把他的牌一字排开,就像在玩纸牌游戏或耐心游戏——这是他在铁路旅行中最喜欢的消遣。垂直的列按照原子量增加的顺序列出已知元素,每当他能够将具有相似特征的元素放入同一水平行的时候,就会开始一个新的列。

正如其他化学家所指出的那样,有几组元素——尤其是碱金属和卤素——显然是属于一起的。但许多其他元素——尤其是稀土元素(镧系元素)——无论如何排列都存在问题。在这一点上,门捷列夫不像他的大多数前任,拒绝放弃斗争。

如果一个元素在他的表中的位置似乎不正常,他愿意调整它的原子量,给它更多兼容的伙伴。例如,他提出氧化铍的分子式是BeO,而不是公认的Be2O3..这降低了铍的原子量,使他能够用镁而不是铝来定位铍。

1869年3月6日,他的第一张桌子的草图被提交给了俄罗斯化学学会(一个他几个月前帮助建立的组织)。同年晚些时候,该学会的期刊发表了一个更加深思熟虑的版本,其中一个简短的摘要以德语译本出现。这在俄罗斯以外的地方几乎没有引起注意,但门捷列夫坚持了下来,继续在他的桌子上摆出更多的牌。

注意缝隙

门捷列夫在1871年发表的修订版图表在现代人看来更加熟悉。为了编纂这本书,他做了进一步的假设。例如,他降低了碲的原子量,使得它的邻居碘在两者中更重。这样,他就可以把碘和卤素放在一起,把碲和硫、硒放在一起。这样的调整可以说是在当时的实验误差范围内。但是门捷列夫不可能预见到原子序数而不是原子量后来会成为表的排序原则,也不可能预见到用质谱鉴定同位素最终会解释这些和其他异常现象。

门捷列夫首次发表的元素周期表

来源:©英国皇家&#万博代理28595;门万博官网化学学会

门捷列夫第一次发表的元素周期表出现在150年前——在现代人看来是错误的

门捷列夫以同样的大胆,通过为尚未发现的元素留出空隙来完成他设想的模式,增强了他的表格的连贯性。除了预测它们的化学性质外,他还为它们的物理性质,如比重和熔点,赋予了理论上的值。

1875年,法国化学家Paul Lecoq de Boisbaudran用光谱法发现了第一种元素——镓。当有足够的镓可供测试时,镓的所有性质都符合门捷列夫的预测——除了它的比重似乎是4.7。然而,在门捷列夫推荐了新的测量方法后,发现它是5.9——几乎与他预测的数字相同。

1879年钪和1885年锗的发现——两者都表现出门捷列夫所预测的性质——使更多的化学家相信,尽管门捷列夫的表格仍然存在异常,但它太有用了,不容忽视。与此同时,其他研究人员(尤其是德国的Lothar Meyer)也强调了元素物理性质的周期性变化。门捷列夫后来说:“虽然我对一些模糊的问题有过怀疑,但我从来没有怀疑过这个定律的普遍性,因为它不可能是偶然的结果。“[门捷列夫,op cit

虽然门捷列夫关于周期性的基本原则是正确的,但作为一个预言家,他也不是绝对正确的。他还预测了其他几种从未被发现的元素。直到他生命的最后一刻,他都在争论以太——在当时公认的光和电磁理论中,以太是一种重要但无法探测到的成分——实际上是一种化学元素,尽管他未能在实验室中将其分离出来。他认为它可能是惰性气体中最轻的,原子量为0.17。

晚年

在他的私人生活中,门捷列夫敢于打破常规。他每年只剪一次头发和胡子,甚至在觐见沙皇时也拒绝改变这一习俗。此外,他的家庭安排也有些不正常。1862年,他与费奥斯娃·莱斯切娃结婚,他好心的姐姐认为他是时候安定下来了,她引导他向她的方向发展。这对夫妇育有两个孩子,但经过一段时间的不和,他们同意分居,轮流住在德米特里的别墅和他的乡间别墅。

几年后,德米特里爱上了17岁的艺术学生安娜·波波夫。当安娜的父母送她去罗马继续学习时,德米特里也跟着她,1881年,47岁的德米特里向她求婚。安娜接受了,但即使在德米特里和费奥斯娃离婚后,还有一个障碍。俄罗斯东正教会承认民事离婚,但要求再婚前间隔七年。尽管如此,在1882年,德米特里找到了一位愿意(以一大笔费用)提前举行婚礼的牧师,尽管他们关系暧昧——严格来说是重婚罪——这对夫妇幸福地生活在一起,养育了四个孩子。

在政治上,门捷列夫也是一个特立独行的人——一个直言不讳的自由主义者,他于1890年辞去教授职务,与政府严厉镇压学生抗议活动撇清关系。他的这一举动得到了学生们的称赞,但却引起了官员们的敌意。尽管如此,1892年起担任俄罗斯财政部长的谢尔盖·维特(Sergius Witte)还是很欣赏门捷列夫贡献的价值,并在1893年任命他为政府度量衡局局长。在这个基础上,他继续运用科学知识来帮助俄罗斯的经济发展。

门捷列夫

门捷列夫的名声和影响力在此后的150年里并未减弱

1905年,伦敦皇家学会授予门捷列夫科普利奖章,此前他已于1882年获得戴维奖章。1906年,他被提名为诺贝尔奖候选人,尽管化学委员会支持他的候选人资格,但评奖委员会裁定,他的发现还不够近,不足以使他有资格获得诺贝尔奖。这一决定可能受到瑞典物理化学家Svante Arrhenius的影响,他过去曾与门捷列夫发生过冲突。

1907年,门捷列夫去世,近半个世纪后,他加入了一个更高级的俱乐部。1955年,加州大学伯克利分校的物理学家用阿尔法粒子轰击99号元素(爱因斯坦),产生了101号元素的痕迹。官方确认为“mendelevium”,这个新元素将他的名字嵌入了他所创造的图标中。那时,这个表的布局已经可以从亚原子结构和量子能量交换的角度来解释了,其细节达到了门捷列夫从未预料到的水平。然而,这丝毫不影响他的成就。

在他之前的一些人提出,已知元素的列表可能以一种有意义的模式排列。他们注意到明显的对应关系,但没有发现明确的图片。然而,门捷列夫确信,化学元素必须被视为一个集体的实体。带着这种信念,他大胆地修正了一些已知元素的位置,并为其他尚未发现的元素留下了空白,从而使他的表格具有一致性。虽然他的一些预测是不正确的,但他获得了足够的成功,使他的表成为我们理解元素的基础,并证实了他作为现代化学奠基人之一的地位。

迈克·萨顿(Mike Sutton)是英国纽卡斯尔的科学历史学家

进一步的阅读

W·H·布洛克,丰塔纳化学史丰塔纳出版社,1993年
Fontani先生,Costa先生和Orna先生,失落的元素:元素周期表的阴影面,牛津大学出版社,2015年
E R Scerri,元素周期表:它的故事和意义,牛津大学出版社,2006年