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门捷列夫破译元素“密码”的故事

2018-02-19 11:31  来源: 十万个为什么

在古代,东方人和西方人都认为物质是由最基本的几种“元素”构成的。在中国,这些“元素”是金、木、水、火、土。而在古希腊,则是土、气、水、火。但是到了近代,这些“元素”就禁不住科学的考验了。比如法国化学家拉瓦锡就证明,水可以通过氢在氧气中燃烧而生成。后来,人们还发现用电可以把水分解为氢和氧,所以水不是元素。另一种所谓的“元素”——空气,则被发现约1/5是氧气,其余的是不支持燃烧的其他气体(主要是氮气),所以空气也不是元素。因此,科学家将元素定义为用化学方法不能再分解的物质。氢、氧、氮、氯、碳、硫、磷、铁、铜、金、银等才是构成物质的真正元素。

1789年,法国化学家拉瓦锡发表了33种化学元素的名单,随后在欧洲出现了一股搜寻新元素的热潮,被发现的元素很快达到了60多种。这些元素的性质不一,显得杂乱无章。这种情况使人们感到迷茫:这个世界上到底有多少种元素?元素之间的关系是什么?应该如何去寻找新的元素?

科学家进行了各式各样的努力来寻找规律,但是结果都不理想,直至俄国化学家门捷列夫找到了破解元素的“密码”。当时门捷列夫面临的最大困难是:在已经发现的元素中,有的原子量测得不准。这就像按人的个子高低排队时,1.8米的高个子被当成1.4米的矮个子来站队一样。许多元素当时还没有被发现,就像排队时还有缺席的。要在这样排列的队伍中找出规律,真是难上加难。

 

 

但是门捷列夫没有气馁。他把当时已经知道的63种元素的原子量和主要性质分别写在卡片上,再把这些卡片反复地分组排列,以寻找其中的规律。他发现,如果把元素按原子量从小到大排列,每过一段距离就会出现一个与前面的元素性质类似的元素。这就像人按从矮到高的顺序排队时,每过几个人就会出现一个穿红衣服的人一样。不仅如此,第一个穿红衣服的人后面,还依次排着穿橙、黄、绿、青、蓝、紫衣服的人。当第二个穿红衣服的人出现后,他的后面也依次有穿橙、黄、绿、青、蓝、紫衣服的人出现。这种颜色七人组会重复出现好几次,只不过从第三排开始,颜色七人组会被10个穿杂色衣服的人隔成两段,前面两个(红、橙),后面五个(黄、绿、青、蓝、紫)。当然,这个重复排列的队列中,还有一些位置仍然空缺。

如果把这一行人分成几段,每一段都含有一个颜色七人组,再将它们平行排列,让每种颜色对齐,穿红衣服的一列,穿绿衣服的一列,把穿杂色衣服的人排在两边,就形成了一个阵列。每一行里的人都按高矮排列,而每一列里的人衣服颜色相同。这基本上就是门捷列夫于1869年发表的第一张元素周期表,只是要把它按顺时针方向旋转90°来看。每一横行叫作一个周期,里面元素的性质从金属逐渐变为非金属(从红变为紫)。每一纵列叫作一个族,里面的元素性质彼此相似(衣服颜色相同)。用这种列表方式,元素随着原子量上升而性质发生周期性变化的规律就清楚地显现出来了。

门捷列夫是怎样克服原子量不准的困难的呢?除了亲自重新测定一些元素的原子量外,他还根据元素的性质来判断。这就像上面说的衣服的颜色一样。如果按原子量排列,穿橙色衣服的人跑到绿色的列里去了,这个原子量可能就有疑问。一个具体的例子就是元素铍。按照当时测定铍的原子量为13.5,它应该排在原子量为12的碳后面。但是根据铍的化学性质,它应该在锂(原子量7)和硼(原子量11)之间,原子量应该在9附近。后来重新测定的铍的原子量果然是9。

有时候,为了把颜色对齐,还必须在行中留出空位。门捷列夫不认为这是对周期律的破坏,反而认为是尚未发现的元素应该占据的位置。比如在锌和砷之间有两个空格,上面对应于铝和硅。他把这两个未知元素叫作“类铝”和“类硅”,并且按照它们在周期表中的位置和上下左右“邻居”元素的性质,推测出这两种元素的性质。这两种元素后来果然被发现了,分别叫作镓和锗。它们的性质也和门捷列夫预测的几乎一模一样!

这些事实说明,门捷列夫破解了元素的“密码”!这具有极大的理论意义和实用价值。每一种元素都在周期表中找到了自己的位置。已经被填满的行和列中不会有新的元素,而空格不但能预示尚未发现的元素,还能根据它们在周期表里的位置推测出它们的性质,这就极大地加速了寻找这些未知元素的过程。不过,在门捷列夫的时代,人们还不知道原子的结构,所以他并不知道这种规律背后的真正原因,也不知道如何处理那些“穿杂色衣服的人”,也就是后来所说的过渡元素。

通过英国科学家莫斯莱的工作,人们才发现原子核里的正电荷数目(即原子序数)决定了元素的化学性质。周期表所反映的,实际上是元素随原子序数上升时,最外层电子数的周期性变化。在此之前,门捷列夫根据不完全准确的原子量和有空位的序列发现了元素周期律,体现出他敏锐的洞察力和充满智慧的想象力。

 

作者: 朱钦士   [责任编辑: 吕芮光]