11了不起的元素地圖！-《從紙牌中玩出來的元素周期表》

1829年德國化學(xué)家德貝萊(J.Dobereiner)發(fā)現(xiàn)當(dāng)時已知的44種元素中有15種元素可分成5組，每組的三個元素性質(zhì)相似，而且中間元素的相對原子質(zhì)量約為較輕和較重的兩個元素相對原子質(zhì)量之和的一半。例如，鈣、鍶、鋇性質(zhì)相似，鍶的相對原子質(zhì)量大約是鈣和鋇的相對原子質(zhì)量之和的一半。氯、溴、碘，鋰、鈉、鉀等組元素的情況類似，由此提出了“三素組”的概念，為發(fā)現(xiàn)元素性質(zhì)的規(guī)律性打下了基礎(chǔ)。

1859年，24歲的俄國彼得堡大學(xué)年輕講師門捷列夫來到德國海德堡大學(xué)本生的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)修。當(dāng)年，本生和基爾霍夫發(fā)明了光譜儀，用光譜發(fā)現(xiàn)了一些新元素，掀起一股發(fā)現(xiàn)新元素?zé)帷４文?，門捷列夫出席了在化學(xué)史上具有里程碑意義的德國卡爾斯魯厄化學(xué)大會。門捷列夫回憶道：“我的周期律的決定性時刻在1860年，我……在會上我聆聽了意大利化學(xué)家康尼查羅的演講……正是當(dāng)時，元素的性質(zhì)隨原子量(相對原子質(zhì)量)遞增而呈現(xiàn)周期性變化的基本思想沖擊了我?！贝撕?，門捷列夫?yàn)槭顾乃枷胄拍钷D(zhuǎn)化為科學(xué)理論，作出了10年艱苦卓絕的努力，系統(tǒng)地研究了元素的性質(zhì)，按照相對原子質(zhì)量的大小，將元素排成序，終于發(fā)現(xiàn)了元素周期律——元素的性質(zhì)隨相對原子質(zhì)量的遞增發(fā)生周期性的遞變。

在門捷列夫時代，沒有任何原子結(jié)構(gòu)的知識，已知元素只有63種，元素大家族的信息并不完整，而且當(dāng)時公認(rèn)的許多元素的相對原子質(zhì)量和化合價是錯誤的，確定元素在周期系中的次序——原子序數(shù)是十分困難的。門捷列夫通過對比元素的性質(zhì)和相對原子質(zhì)量的大小，重新測定了一些元素的相對原子質(zhì)量，先后調(diào)整了17種元素的序列。例如，門捷列夫利用他人的成果，確認(rèn)應(yīng)將鈹?shù)南鄬υ淤|(zhì)量從14糾正為9，使元素按相對原子質(zhì)量遞增的序位從H—Li—B—C—N—Be—O—F糾正為H—Li—Be—B—C—N—O—F。經(jīng)過諸如此類的調(diào)整元素順序，元素性質(zhì)的周期性遞變規(guī)律才呈現(xiàn)出來：從鋰到氟，金屬性漸次下降，非金屬性漸次增強(qiáng)，從典型金屬遞變?yōu)榈湫头墙饘?；序列中元素的化合價的漸變規(guī)律也得以顯露：從鋰到氮，正化合價從+1遞增到+5；從碳到氟，負(fù)化合價從-4下降為-1。門捷列夫敏感地認(rèn)識到當(dāng)時已知的63種元素遠(yuǎn)非整個元素大家族，大膽地預(yù)言了11種尚未發(fā)現(xiàn)的元素，為它們在相對原子質(zhì)量序列中留下空位，預(yù)言了它們的性質(zhì)，并于1869年發(fā)表了第一張?jiān)刂芷诒怼?/p>

值得一提的是，敢于宣布自己發(fā)現(xiàn)了一條普遍規(guī)律，創(chuàng)造一個理論，是需要很大勇氣的。早在1864年，德國化學(xué)家邁耶爾(L Meyer)在他的《現(xiàn)代化學(xué)理論》一書中已明確指出：“在原子量的數(shù)值上存在一種規(guī)律性，這是毫無疑義的?！倍宜谠摃挟嬃艘粡埜T捷列夫第一張周期表十分相似的元素表格；他還于1870年發(fā)表了一張比1869年門捷列夫發(fā)表的周期表更完整的元素周期表。1880年，邁耶爾坦言道：“我沒有足夠的勇氣去作出像門捷列夫那樣深信不疑的預(yù)言。”他之所以沒有勇氣，在他1870發(fā)表的有關(guān)元素周期性的文章里有答案，他說：“在差不多每天都有許多新事物出現(xiàn)的領(lǐng)域里，任何概括性的新學(xué)說隨時都會碰到一些事實(shí)，它們把這一學(xué)說加以否定。這種危險的確是存在的……因此我們必須特別小心?！边~耶爾比門捷列夫早幾年也在本生的實(shí)驗(yàn)室里工作過。

門捷列夫發(fā)表的第一張周期表對我們來說，已經(jīng)不太好懂了，因?yàn)樗⒉煌暾?。例如，門捷列夫周期表里沒有稀有氣體。后來的化學(xué)發(fā)現(xiàn)終于使門捷列夫元素周期系變得完整。到1905年，維爾納(A.Werner，1913年諾貝爾獎獲得者)制成了現(xiàn)代形式的元素周期表，而當(dāng)時還不知道原子序數(shù)的實(shí)在物理意義。1913年，英國物理學(xué)家莫斯萊發(fā)現(xiàn)，門捷列夫周期表里的原子序數(shù)原來是原子的核電荷數(shù)。從此，元素周期律被表述為：元素的性質(zhì)隨核電荷數(shù)遞增發(fā)生周期性的遞變。