《人类科学技术史-278》元素周期律的发现

元素周期律的发现

从18世纪中到19世纪中的近百年里新元素不断被发现，截止1869年共发现新元素计63种。化学家们对这些元素的性质做了大量研究，但是所得资料纷杂，不成系统。人们自然会问："地球上究竟有多少种元素？各元素之间有没有内在联系？"1829年，贝莱纳(1780-1849年，德国）整理研究了当时已知的54种元素的有关资料，并把元素按性质分组。结果他发现了几个所谓"相似元素组"，每组都包括3个元素，位于中间的元素不仅化学性质介乎前后元素之间，而且原子量约为前后两元素原子量的平均值。

1850年，培顿科佛(1818-1901，德国）认为相似组的元素不限于3个，他还发现在同一相似组中，原子量值相差为8的倍数。进入60年代，人们对原子量和化合价概念取得了统一认识，对元素性质的研究有了新的进展。1862年，尚古多(1820-1886，法国）创作了一张《螺旋图》，他将已发现的62种元素按原子量大小顺序排列在绕圆柱上升的螺旋线上，结果显示出在圆柱同一母线上，纵向排列的各元素性质相近，如Li、Na、K、S、Te；Cl、Br、I等。于是他在论文中首先提出元素的性质周期性重复出现的观点。但是法国化学界很难接受这一观点，巴黎科学院甚至拒绝了他的报告。

1864年，J.L.迈尔也按原子量大小顺序列出了一张《六元素表》，并详细讨论了表中元素的性质。迈尔对元素的分族作了较好的安排，在表中还留出了未发现元素的空位。但他的工作不够彻底，他排列过的元素还不足当时已知元素的半数。次年，纽兰兹(1837-1898，英国）将元素按原子量排列时，发现每隔7个元素，元素的性质就会周期性重现。他说："相似元素常相隔7个或7的倍数重现，他把这一规律称为"八音律"。他列出的前2直列几乎与现代周期表的第2、3周期对应，但自第3列往后显得混乱，这一方面是由于当时原子量的测定不准确，造成了错误；另一方面他没有考虑为未来发现的原子留出必要的空位。人们嘲笑他的"八音律"，英国化学会也拒绝发表他的论文。

J.L.迈尔并没有灰心，他继续从事周期律的研究。1868年，他修改了《六元素周期表》，发表了原子体积——原子量图，这时他的思考已趋于成熟，终于在1869年独立地编制出元素化学周期表。

几乎同时，俄国化学家门捷列夫(1834-1907，俄国）也发现了元素周期律。

门捷列夫出生于西伯利亚的博尔斯克市，23岁任彼得堡大学化学教授，34岁当选俄罗斯物理化学协会主席。他分析了大量资料，在对元素的原子量仔细核对、比较的基础上，深刻地认识到原子量是元素的基本特征，它与元素性质的演变有着紧密的联系。当他深入研究元素的原子价时，他又发现各种元素的原子量可以相差很大，而原子价的变化却是有限的。他对同价元素作了对比，发现同价元素的性质非常相似，例如所有1价元素都是典型的金属，而4价元素的性质在金属与非金属之间，所有7价元素都是典型的非金属等。他也试着把元素按原子量排列起来，发现氯和钾的性质不同但原子量相近，钾和纳的性质相近但原子量差别却很大，这些初看很奇怪的现象却促使他更深入地去思考元素性质周期变化的特点。

1869年，门捷列夫独立地编制并发表了元素周期表。表中包括63个已知元素，但表中还留有4个空位，只标明原子量而没有元素名称，以此预示待发现的元素。不仅如此，门捷列夫还进而预言了这些未知元素的化学性质；根据周期律他对表中标示的钍、碲、金、铋4个元素的原子量值也表示怀疑。

同年3月，他在俄罗斯化学会上宣读了《元素属性和原子量关系》，系统阐述了元素周期律的基本观点。这些观点主要是：①"按原子量的大小排列起来的元素，在性质上呈周期性。"②"原子量的大小决定元素的特征"。③"应该预料到许多未知元素的存在"，"元素的某些同类元素将按它们的原子量大小被发现"。④"当我们知道某元素的同类元素之后，有时可以修正该元素的原子量"。

与门捷列夫同年发表的结果相比较，迈尔对相似元素族元素的族属划分较为完善；迈尔还在表中形成了如我们今天所说的"过渡元素族"，他把Hg、Cd、Pb、Sn、Tl和Al、S列为同一族，把In的原子量定为113.4，都较门捷列夫确切。

1871年，门捷列夫不顾权威的指责和一些人的嘲笑，发表了第二个经进一步修订的周期表。他将元素表的周期改为横排，竖行则是同族元素；在同族元素中他又划分了主族和副族；预言了6个待发现的元素；大胆地修订了某些元素当时已公布的原子量值。他的这些科学预见很快为后来的实验证实。

1875年，布瓦博德朗(1838-1891年，法国）在分析闪锌矿时发现了一种新元素，他命名为镓(Ga），他测量了镓的性质，将结果发表在《巴黎科学院院报》上，不久他接到门捷列夫的来信，指出他把镓的比重测错了。布瓦博德朗重做实验，果然证明门捷列夫是正确的。他赞扬道："我以为没有必要再来说明门捷列夫这一理论的巨大意义了"。元素镓就是门捷列夫所预言的"类铝"元素。

又过了4年，门捷列夫预言的"类硼"元素被瑞典人尼尔森(1840-1899年）发现，它的一切特征都与门捷列夫的预见相符。这个元素命名叫钪(Sc）。

又隔7年，文克勒(1838-1904年，德国）发现了锗(Ge）元素，其性质与门捷列夫预言的"类硅"相同。文克勒惊叹道："再没有比"类硅"的发现能更好地证明周期律的正确性了！"

周期律的发现奠定了现代无机化学的基础，它说明自然界的元素并不是孤立的，而是存在着内在联系的统一体。元素性质随原子量增加而变的事实，显示出物质由量变到质变的过程。恩格斯高度评价了这一发现，他说："门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业，这个勋业可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星轨道的勋业居于同等地位。"