從草圖到杰作：化學元素周期表演化史

編譯 許林玉

150年前，門捷列夫發現了化學元素之間的關系。

俄國化學家門捷列夫是首位發表元素周期表的人。元素周期表將已知元素按邏輯順序排列，并為尚未發現的元素預留了空間

每一個科學領域都有其鐘愛的周年紀念。對物理學來說，是1687年牛頓的《原理》一書出版的日子，該書介紹了牛頓運動定律和引力定律；在生物學領域，是達爾文的《物種起源》（1859年）以及他的誕辰（1809年）；天文學愛好者則紀念1543年，哥白尼正是那個時候認識到太陽是太陽系的中心。

而在化學界，沒有什么比元素周期表的起源更值得慶祝了。150年前的3月，俄國化學家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）創造了元素周期表。

對于化學專業的學生來說，門捷列夫的元素周期表如同會計師對電子表格一樣熟悉。它用大約100個包含符號和數字的正方形總結了一門完整的科學，列舉了構成地球上所有物質的元素，并將其按照能夠揭示其性質的順序排列，從理論和實踐上為化學研究提供指導。化學家彼得·阿特金斯（Peter Atkins）寫道：“元素周期表是化學領域最重要的貢獻。”

門捷列夫的周期表看起來像一張特別的圖表，但他想用這張表格來闡釋他發現的一個深刻的科學真理——周期律。該定律揭示了已知化學元素之間深刻的家族關系，門捷列夫也因此能夠預測那些尚未發現的元素的存在。這些化學元素按原子質量的順序排列時，在規律性的間隔（或周期）內表現出相似的性質。門捷列夫稱：“在該定律公之于眾前，化學元素在性質上只是零碎的偶然事實。有了周期律，我們第一次能夠在化學視野此前無法企及的地方看到未發現的元素。”

門捷列夫的元素周期表不僅預測了新元素的存在，還證實了原子的存在——這一觀點在當時曾經備受爭議。該表反映了亞原子結構的存在，并預測了最終在量子理論中揭示的物質規則背后的數學機制。憑借元素周期表，化學完成了從中世紀魔法神秘煉金術到嚴謹現代科學的轉變。

奠定基礎

傳說門捷列夫在一天之內構思并創建了元素周期表，這一天是俄歷1869年2月17日（世界上其他大部分地區為3月1日）。不過，這一說法可能有點夸張。在此前數年時間里，門捷列夫一直在考慮將這些元素分組。在這之前的數十年，其他化學家也曾多次考慮過元素之間的關系。

事實上，早在1817年，德國化學家約翰·沃爾夫岡·德貝萊納（Johann Wolfgang D?bereiner）就注意到了元素組合的特性。在那段時期，正如英國教師約翰·道爾頓（John Dalton）在1808年提出的原子理論所描述的那樣，化學家們還沒有完全掌握原子的性質。道爾頓在其著作《化學哲學新體系》中假設每一種基本物質都由一種特殊類型的原子構成，以此解釋化學反應。

道爾頓提出，化學反應在原子斷開或連接時會產生新的物質。他推斷，任何特定元素都完全由一種原子組成，其質量與其他原子不同。氧原子的質量是氫原子的8倍，碳原子的質量是氫原子的6倍。當元素結合形成新的物質時，可通過這些相關的原子量知識來計算。

然而，有些原子量道爾頓弄錯了——氧的質量是氫的16倍，碳的質量是氫的12倍。但他的理論使原子的概念變得有用，并引發了一場化學革命。在接下來的幾十年里，精確地測量原子量成了化學家們的首要任務。

在考慮原子的質量時，德貝萊納指出，某些三元素組合（他稱之為三元組）顯示出一種特殊的關系。例如，溴的原子量介于氯和碘的原子量之間，這三種元素的化學性質非常相似。鋰、鈉和鉀也是三元組。

其他化學家發現了原子量和化學性質之間的聯系，但直到19世紀60年代，人們才對原子量有足夠的了解，并對其進行了充分的測量，從而產生了更深刻的見解。在英國，化學家約翰·紐蘭茲（John Newlands）注意到，按照原子量遞增的順序排列已知元素，每八種元素的化學性質就會重復出現。1865年，他在一篇論文中將這種模式稱為“八音律”（law of octaves）。但紐蘭茲的模式在前幾組元素之后就不太適用了，因此一位評論家建議他應該試著將元素按字母順序排列。顯然，正如門捷列夫很快意識到的那樣，元素性質和原子量之間的關系有點復雜。

粗略草圖：門捷列夫在元素周期表手寫草圖中，根據原子量對元素進行排列，揭示了元素的周期律，展現了元素如何在一定的間隔或周期內表現相似的性質

一個有序的愿景：1869年出版的門捷列夫元素周期表是一張垂直的圖表，按原子量排列了63種已知元素，這種排列將性質相似的元素放在了同一水平行上。圖表名稱意為“基于原子量和化學特性的元素體系草圖”

組織元素

1834年，門捷列夫出生于西伯利亞托博爾斯克，在眾多兄弟姐妹中排行17。他興趣廣泛，但追求卓越之路并非一帆風順。在圣彼得堡的一所師范學院接受高等教育期間，他差點死于一場嚴重的疾病。畢業后，他進入中學教書（這是他就讀師范學院獲得獎學金的要求）。在教授數學和科學的同時，他為了獲取碩士學位從事著研究工作。之后，他做過家庭教師和講師，還兼職寫過一些科普文章。

當他回到圣彼得堡時，因為沒有工作，所以寫了一本關于有機化學的操作手冊，希望能夠獲得一大筆現金獎勵。盡管成功的希望渺茫，但他卻獲得了回報——1862年，門捷列夫獲得獎金豐厚的杰米多夫獎。他還找到了編輯、翻譯和各種化學工業顧問的工作。最終，他重返研究領域，并在1865年獲得博士學位，隨后成為圣彼得堡大學的教授。

不久之后，門捷列夫發現自己要教無機化學。在儲備這個新領域（對他而言）的知識時，他對現有教科書感到失望，因此決定自己寫書。撰寫文本需要將元素進行組織，所以他一直在思考如何最合理地排列它們。

1869年初，門捷列夫取得了重大進展。他認識到某些家族的相似元素的原子量有規律地增加，其他原子量大致相等的元素具有共同的特性。元素的原子量似乎是對它們進行分類的關鍵。

根據門捷列夫自己的敘述，他把已知的63種元素的性質分別寫在一張卡片上，以此來組織自己的想法。然后，通過一種化學紙牌游戲找到了自己努力尋找的模式。將卡片按原子量高低排列在垂直列中，在每一行中放入性質相似的元素。就這樣，門捷列夫的元素周期表誕生了。3月1日，他畫好表格草圖后，寄給了印刷公司，并將其收錄在即將出版的教科書中。他很快撰寫了一篇論文，準備提交給俄國化學會。

門捷列夫在他的論文中宣稱：“按原子量大小排列的元素具有明顯的周期性。根據所有這些比較，我得出了一個結論，原子量的大小決定元素的性質。”

與此同時，德國化學家勞爾·梅耶（Lothar Meyer）也在研究如何組織這些元素。他繪制了一張類似于門捷列夫元素周期表的表格，而且可能比門捷列夫做得更早。不過，梅耶在元素周期表的發表方面被重重擊了一拳，首次將其發表的人是門捷列夫，更重要的是，門捷列夫利用自己的表格對未發現的元素做出了大膽預測。他在繪制表格時，注意到有幾張便條卡不見了，因此必須留出空白以使已知元素準確對齊。在他的一生中，這些空白中有三個被之前未知的元素（鎵、鈧和鍺）所填滿。

門捷列夫不僅預測出這些元素的存在，而且準確、詳細地描述了它們的性質。例如，發現于1875年的鎵，其原子量為69.9（當時的測量結果），密度是水的6倍。門捷列夫曾預測過一種原子量為68的元素，他稱之為準鋁。他還預測了準硅，其原子量（72）和密度（5.5）與鍺（發現于1886年，原子量和密度分別為72.3和5.469）非常接近。此外，他正確地預測了含氧和氯的鍺化合物的密度。

門捷列夫的元素周期表成了神諭，這就像拼字游戲結束時揭示了宇宙的秘密。門捷列夫的預測為他奠定了化學魔法大師的傳奇地位。但是今天，歷史學家們爭論的是，預測元素的發現是否促使人們更容易接受他的周期律。這項定律之所以得到認可，可能更多是因為它能夠解釋已經確立的化學關系。無論如何，門捷列夫的預測準確性無疑使人們注意到了他那張表格的優點。

到19世紀90年代，化學家們普遍認為他的元素周期律是化學知識領域的里程碑。1900年，未來的諾貝爾化學獎得主威廉·拉姆齊（William Ramsay）稱其為“化學領域迄今為止最偉大的總結”。但門捷列夫做這件事的時候，并不知道它為什么會起作用。

1922年，物理學家尼爾斯·玻爾對元素周期表進行了修訂

數學地圖

科學史上的許多事例中，基于新方程的重大預測都被證明是正確的。在一定程度上，數學在實驗者發現之前就揭示了一些自然界的秘密，例如反物質和宇宙膨脹。在門捷列夫的例子中，對新元素的預測是在沒有任何創造性數學的情況下進行的。但事實上，門捷列夫發現了一幅深奧的自然數學地圖，因為他的表格反映了量子力學的含義，而量子力學又是支配原子結構的數學規則。

門捷列夫在他的教科書中指出，構成原子的物質的內部差異可能是元素周期性重復的原因。但他并沒有遵循這一思路，事實上，多年來他一直在大談特談原子理論對他的周期表有多重要。

有人讀懂了表格上的信息。1888年，德國化學家約翰內斯·維斯里辛努斯（Johannes Wislicenus）宣稱，按質量排列元素性質的周期性表明原子是由規則排列的更小粒子組成的。所以從某種意義上說，門捷列夫的周期表確實預測了原子復雜的內部結構（并對此提供了證據)，而當時沒有人知道原子的真正面貌，甚至根本不知道它們是否存在內部結構。

丹麥物理學家尼爾斯·玻爾創制的1922年版元素周期表改編自丹麥化學家朱利葉斯·湯姆森（Julius Thomsen）的元素周期表，其中性質相似的元素排列在同一水平行，并用線條連接。右邊的空框標記了一組預期出現的元素，這些元素在化學性質上類似于前一列中的稀土元素（編號為58～70）

到1907年門捷列夫去世時，科學家們已經知道原子包括不同的組成部分：帶負電荷的電子和帶正電荷的某種物質，從而使原子呈電中性。1911年，英國曼徹斯特大學物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）發現了原子核。此后不久，曾與盧瑟福共事的物理學家亨利·莫斯萊（Henry Moseley）證明，原子核中正電荷的數量（即原子包含的質子數，或其“原子序數”）決定了元素周期表中元素的順序。

原子量與莫斯萊的原子序數關系非常密切——按質量排序的元素與按數量排序的元素只有幾個位置有所不同。門捷列夫曾經堅持認為這些質量是錯誤的，必須重新測量，而他在某些情況下的確是對的。雖然一些差異仍然存在，但莫斯萊用原子序數對元素周期表進行了修正。

大約在同一時期，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）發現，量子理論支配著原子核周圍電子的排列，而最外層的電子決定元素的化學性質。

外層電子的類似排列會周期性地重復，這就解釋了門捷列夫的元素周期表最初揭示的模式。1922年，玻爾根據電子能量的實驗測量結果（以及一些來自周期定律的指導）創建了他自己的元素周期表。

玻爾的元素周期表增加了1869年之后發現的元素，但本質上與門捷列夫發現的周期性排列相同。門捷列夫在對量子理論一無所知的情況下，創建了一張反映量子物理學所規定的原子結構的周期表。

玻爾的新表既不是門捷列夫最初設計的周期表的第一個不同版本，也不是最后一個版本。如今，已經設計并發表的元素周期表版本達數百個。現代版本為水平設計，與門捷列夫最初的垂直版本形成鮮明對比，但直到第二次世界大戰后才廣泛流行起來，這在很大程度上歸功于美國化學家格倫·西博格（Glenn Seaborg）的工作。他是科學服務學會的長期會員，該學會是《科學新聞》雜志的最初出版者。

西博格和他的合作者們合成了一些原子序數超過鈾的新元素（鈾是周期表中最后一個自然生成的元素）。西博格發現，需要在周期表中增加一行才能排列這些超鈾元素（加上排在鈾前面的三種元素），這是門捷列夫沒有預見到的。西博格的周期表將這些元素所需的行添加在類似的稀土元素行下面，而稀土元素的正確位置也一直不太清楚。1997年，西博格在接受采訪時說：“否認門捷列夫需要很大的勇氣。”

憑借對化學的貢獻，西博格贏得了以自己名字命名元素的殊榮——第106號元素（seaborgium）。這是為數不多的以一位著名科學家名字命名的元素之一。其他以著名科學家名字命名的元素還包括第101號元素鍆（mandelevium），這是西博格和他的同事在1955年發現的，并以理應在元素周期表上占有一席之地的門捷列夫的名字命名。

在修訂版中，美國化學家西博格將元素周期表水平放置，添加了鈾之后的幾種合成元素