元素周期律的建立

第二节　元素周期律的建立

化学这门科学刚刚诞生时，就涌现出来了许多卓越的化学家，波意耳就是其中之一。他建立了波意耳气体定律。在1661年又出版了《怀疑主义的化学家》一书，书中他第一次给元素下了一个明确的新定义：元素是一种基质，它能够与其他元素相结合而形成“化合物”，但把它从化合物中分离出来以后，它便不能再被分解为任何比它更简单的物质了。

然而，在什么是真正的元素这一问题上，波意耳依旧保留了中世纪的观点。例如，他认为金不是一种元素，而是能够通过某种方式由其他金属变成的。事实上，他的同时代的人牛顿也是这样，他曾经花费了大量时间去搞炼金术。

波意耳去世以后，化学工作者开始想弄清哪些物质能够再分解为更简单的物质，哪些物质不能够再分解。例如，卡文迪许曾指出，由于氢能够与氧相化合而形成水，所以水不可能是一种元素。后来，拉瓦锡又把曾经被认为是元素的空气分为氧与氮。这样一来，古希腊人所设想的那四种元素，如果按波意耳所定的准则来判断，就没有一种可算得上是元素。

按波意耳的准则，中世纪的炼金术士们所列出的有些元素，如汞与硫，确实可算得上是元素。但是，没有被他们当作元素的铁、锌、铅、铜、银、金等金属与磷、碳、砷等非金属，这时也都被判明是元素，而被提奥夫拉斯塔当作元素的盐，则终于被分解成两种更简单的物质。

要判别一种物质是不是元素，这完全依赖于当时的化学水平。只要某种物质用当时的化学技术还不能加以分解，这种物质就一直被看成是一种元素。例如，在拉瓦锡的元素表中共有33种元素，其中就包括石灰与镁灰。但是在拉瓦锡死后14年，英国化学家戴维用电流来分解这两种物质，结果把石灰分解为氧与一种被他称为“钙”的新元素，把镁灰分解为氧与另一种被他称为“镁”的新元素。另一方面，戴维在当时就已经可以指出，瑞典化学家舍勒用盐酸制出的绿色气体并不像人们所设想的那样，是盐酸与氧的化合物，而是一种名副其实的元素，他把这种元素定名为“氯”（这个名词出自希腊文，原意是“绿色的”）。

随着19世纪的渐进，元素数量逐渐增多，而由于每一种元素都具有不同的特性，化学家们开始感到他们像是迷失在一座茂密的丛林中：自然界究竟有多少种元素？它们之间的内在关系怎样？有没有规律？怎样分类？由于科学的精髓就在于要从表面的杂乱中理出秩序来，所以科学家们一直想从元素的特性当中找出某种规律来。

1829年，人类已经知道的元素有50种左右。德国人多贝赖纳发现有些元素性质相近，在原子量上有一种算术级数的关系。他对15种元素进行分组，三个一组，分成五组。这是根据元素性质与原子量对部分元素进行分类的首次尝试，它对后来周期律的发现是很有启发的。

在康尼札罗把原子量确定为化学上的一个重要的研究手段以后，法国的地质学家比古耶·德尚库图瓦在1862年发现，如果按原子量递增的顺序把元素排列成表的形式，他能使性质相似的元素处在同一栏内。两年以后，英国青年化学家纽兰兹也发现：按原子量递增的顺序，每隔8个元素就有重复的物理与化学性质出现，因为与音乐上的八度音相似，所以称“八音律”。但是，他们两人还没有认识到在已知元素之间还有未发现的元素，因此“八音律”存在许多矛盾。

1866年，纽兰兹在英国化学学会上提出了“八音律”的见解时，引起了哄堂大笑。有人讽刺说，你怎么不按元素的字母排列呢？可见要让人们接受一个青年人提出的新的但是还不完整的思想，是多么的困难，科学界内部的保守势力同样在阻碍科学的进步。许多年以后，即在元素周期表的重要性得到普遍承认以后，他们的论文才得以发表；纽兰兹甚至还因此而获得了勋章。

在过往经验与研究的基础上，俄国化学家门捷列夫终于从杂乱无章的元素迷宫中理出了一个头绪。门捷列夫为了研究元素的分类与规律，把当时已知的几十种元素的主要性质与原子量写在一张张的小卡片上，反复进行排列，比较它们的性质，探索它们之间的联系。1869年，他正式提出元素周期律，它在周期表中排列了当时已经知道的63种元素。门捷列夫的元素周期律的原理基本上同德尚库图瓦以及纽兰兹的相同，不过门捷列夫的周期律更加的科学与完整，同时也比他们具有更大的勇气与信心来宣扬他的观点。

门捷列夫的“周期表”比纽兰兹的元素表更为复杂，也更接近我们今天认为是正确的东西。当某一元素的性质使它不能按原子量来排列时，门捷列夫就大胆地把它的排列位置调换一下，他这样做的根据是：元素的性质比元素的原子量更为重要。后来证明，他这样做是正确的。例如，碲的原子量是127.61，如果按原子量排，它应该排在碘的后面，因为碘的原子量是126.91。但是在这个分栏的周期表中，门捷列夫把碲提到碘的前面，以便使它位于性质与它极为相似的硒的下面，并使碘位于性质与碘极为相似的溴的下面。

当找不出任何别的办法使排列不致违背即定原则时，门捷列夫就在周期表中留出空位，并以一种似乎是十分大胆的口气宣布说：属于这些空位的元素将来一定会被发现。不仅如此，他还用表中待填补进去的元素的上、下两个元素的特性作为参考，指出表中三个待填补的元素的大致性状。

在这件事上门捷列夫是很幸运的：他所预言的这三种元素全都在他还活着的时候被发现了。1875年，法国化学家布瓦博德郎在研究闪锌矿时发现了新元素镓，它和门捷列夫预言的亚铝性质一样。于是镓就成为化学史上第一个先有理论预言，后被发现认证的元素。1879年，瑞典化学家尼尔森发现了亚硼——钪；1886年德国化学家温克勒尔发现亚硅——锗。门捷列夫预言未知元素15种，后都被实践所证实。

在元素周期律发现以前，人们发现元素是偶然的，常常会有某一个新发现的元素突然闯进到元素的序列中，把原先采用的序列打乱。在周期律的指导下，人们就能够有计划、有目的的寻找化学元素了。

在门捷列夫制定元素周期表的时候，惰性元素还没有被发现，因此没有给它们排列位置。1894年发现了氩，紧接着又发现了其他惰性元素。门捷列夫尊重事实，在周期表中补充了惰性元素族，完善了元素周期律。