《人類科學技術史-278》元素周期律的發現

元素周期律的發現

從18世紀中到19世紀中的近百年里新元素不斷被發現，截止1869年共發現新元素計63種。化學家們對這些元素的性質做了大量研究，但是所得資料紛雜，不成系統。人們自然會問："地球上究竟有多少種元素？各元素之間有沒有內在聯系？"1829年，貝萊納(1780-1849年，德國）整理研究了當時已知的54種元素的有關資料，并把元素按性質分組。結果他發現了幾個所謂"相似元素組"，每組都包括3個元素，位于中間的元素不僅化學性質介乎前后元素之間，而且原子量約為前后兩元素原子量的平均值。

1850年，培頓科佛(1818-1901，德國）認為相似組的元素不限于3個，他還發現在同一相似組中，原子量值相差為8的倍數。進入60年代，人們對原子量和化合價概念取得了統一認識，對元素性質的研究有了新的進展。1862年，尚古多(1820-1886，法國）創作了一張《螺旋圖》，他將已發現的62種元素按原子量大小順序排列在繞圓柱上升的螺旋線上，結果顯示出在圓柱同一母線上，縱向排列的各元素性質相近，如Li、Na、K、S、Te；Cl、Br、I等。于是他在論文中首先提出元素的性質周期性重復出現的觀點。但是法國化學界很難接受這一觀點，巴黎科學院甚至拒絕了他的報告。

1864年，J.L.邁爾也按原子量大小順序列出了一張《六元素表》，并詳細討論了表中元素的性質。邁爾對元素的分族作了較好的安排，在表中還留出了未發現元素的空位。但他的工作不夠徹底，他排列過的元素還不足當時已知元素的半數。次年，紐蘭茲(1837-1898，英國）將元素按原子量排列時，發現每隔7個元素，元素的性質就會周期性重現。他說："相似元素常相隔7個或7的倍數重現，他把這一規律稱為"八音律"。他列出的前2直列幾乎與現代周期表的第2、3周期對應，但自第3列往后顯得混亂，這一方面是由于當時原子量的測定不準確，造成了錯誤；另一方面他沒有考慮為未來發現的原子留出必要的空位。人們嘲笑他的"八音律"，英國化學會也拒絕發表他的論文。

J.L.邁爾并沒有灰心，他繼續從事周期律的研究。1868年，他修改了《六元素周期表》，發表了原子體積——原子量圖，這時他的思考已趨于成熟，終于在1869年獨立地編制出元素化學周期表。

幾乎同時，俄國化學家門捷列夫(1834-1907，俄國）也發現了元素周期律。

門捷列夫出生于西伯利亞的博爾斯克市，23歲任彼得堡大學化學教授，34歲當選俄羅斯物理化學協會主席。他分析了大量資料，在對元素的原子量仔細核對、比較的基礎上，深刻地認識到原子量是元素的基本特征，它與元素性質的演變有著緊密的聯系。當他深入研究元素的原子價時，他又發現各種元素的原子量可以相差很大，而原子價的變化卻是有限的。他對同價元素作了對比，發現同價元素的性質非常相似，例如所有1價元素都是典型的金屬，而4價元素的性質在金屬與非金屬之間，所有7價元素都是典型的非金屬等。他也試著把元素按原子量排列起來，發現氯和鉀的性質不同但原子量相近，鉀和納的性質相近但原子量差別卻很大，這些初看很奇怪的現象卻促使他更深入地去思考元素性質周期變化的特點。

1869年，門捷列夫獨立地編制并發表了元素周期表。表中包括63個已知元素，但表中還留有4個空位，只標明原子量而沒有元素名稱，以此預示待發現的元素。不僅如此，門捷列夫還進而預言了這些未知元素的化學性質；根據周期律他對表中標示的釷、碲、金、鉍4個元素的原子量值也表示懷疑。

同年3月，他在俄羅斯化學會上宣讀了《元素屬性和原子量關系》，系統闡述了元素周期律的基本觀點。這些觀點主要是：①"按原子量的大小排列起來的元素，在性質上呈周期性。"②"原子量的大小決定元素的特征"。③"應該預料到許多未知元素的存在"，"元素的某些同類元素將按它們的原子量大小被發現"。④"當我們知道某元素的同類元素之后，有時可以修正該元素的原子量"。

與門捷列夫同年發表的結果相比較，邁爾對相似元素族元素的族屬劃分較為完善；邁爾還在表中形成了如我們今天所說的"過渡元素族"，他把Hg、Cd、Pb、Sn、Tl和Al、S列為同一族，把In的原子量定為113.4，都較門捷列夫確切。

1871年，門捷列夫不顧權威的指責和一些人的嘲笑，發表了第二個經進一步修訂的周期表。他將元素表的周期改為橫排，豎行則是同族元素；在同族元素中他又劃分了主族和副族；預言了6個待發現的元素；大膽地修訂了某些元素當時已公布的原子量值。他的這些科學預見很快為后來的實驗證實。

1875年，布瓦博德朗(1838-1891年，法國）在分析閃鋅礦時發現了一種新元素，他命名為鎵(Ga），他測量了鎵的性質，將結果發表在《巴黎科學院院報》上，不久他接到門捷列夫的來信，指出他把鎵的比重測錯了。布瓦博德朗重做實驗，果然證明門捷列夫是正確的。他贊揚道："我以為沒有必要再來說明門捷列夫這一理論的巨大意義了"。元素鎵就是門捷列夫所預言的"類鋁"元素。

又過了4年，門捷列夫預言的"類硼"元素被瑞典人尼爾森(1840-1899年）發現，它的一切特征都與門捷列夫的預見相符。這個元素命名叫鈧(Sc）。

又隔7年，文克勒(1838-1904年，德國）發現了鍺(Ge）元素，其性質與門捷列夫預言的"類硅"相同。文克勒驚嘆道："再沒有比"類硅"的發現能更好地證明周期律的正確性了！"

周期律的發現奠定了現代無機化學的基礎，它說明自然界的元素并不是孤立的，而是存在著內在聯系的統一體。元素性質隨原子量增加而變的事實，顯示出物質由量變到質變的過程。恩格斯高度評價了這一發現，他說："門捷列夫不自覺地應用黑格爾的量轉化為質的規律，完成了科學上的一個勛業，這個勛業可以和勒維烈計算尚未知道的行星海王星軌道的勛業居于同等地位。"