公元 1847 年，对于俄罗斯托博尔斯克省（Tobolsk）的门捷列夫家族来说，是一个极为不幸的年份。这原本是一个幸福的中产阶级大家庭，大大小小的门捷列夫加起来一共有 15 个（一个父亲和 14 个孩子）要不是夭折了几个，原本还要多，一家子人生活在一起，其乐融融。但是，福无双至祸不单行，这一年，父亲老门捷列夫不幸病逝。一家人还没从丧失一家之主的悲痛中缓过来，家里的玻璃工厂又突然失火。
门捷列夫太太眼睁睁地看着熊熊大火将全家赖以为生的工厂烧毁，丝毫没有办法。她只能紧紧抱着哭泣中的小儿子，一边流泪一边安慰他。正在哭泣中的这个小男孩，稚气未脱，今年 13 岁，他的名字叫德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev），家中最小的一个，这是他命运的第一次转折点。或许是母亲独到的眼光和直觉，让她坚信这个最小的门捷列夫一定能够光宗耀祖，重振家族。2 年后的 1849 年，这位非凡的母亲做了一个果敢的决定，她变卖了家产，将其他孩子托付给亲戚，自己带着门捷列夫辗转莫斯科、柏林、巴黎等地求学，最后来到圣彼得堡，进入圣彼得堡高等师范学院就读，这所学校也是门捷列夫父亲曾经就读过的学校。门捷列夫很聪明，但对学习的热情不高。1850 年，16 岁的门捷列夫迎来了命运的第二次转折。这一年，与他相依为命的母亲不幸病逝。母亲临终前，自然是嘱咐门捷列夫要好好读书，光宗耀祖。母亲的去世深深触动了门捷列夫，他在母亲的遗体前发誓，一定会发愤图强，不辜负母亲的遗愿。假如我来拍电影的话，我会让刚刚失去母亲的门捷列夫坐在圣彼得堡高等师范学院的一间教室中，讲台上的老师沃斯克列森斯基用手指了指门捷列夫，李比希的精神之光笼罩在这位 16 岁的青年头上，于是，门捷列夫突然就被开了光，顿悟了，开始了他的英雄之旅，终成一代宗师。当然，历史的细节已经无从考证，我只能这么脑补一下。
门捷列夫毫无疑问，门捷列夫是人类化学史上知名度最高的化学家，而让他名垂青史的就是我们每一个人在化学第一课上就要学习的“元素周期表”。无论用什么样的语言来形容元素周期表在化学史上的地位都不为过，在天文学史上，开普勒被称为天空立法者，仿照这个句式，门捷列夫就是当之无愧的元素立法者。
我们的故事还要从门捷列夫 26 岁那年开始讲起。1860 年，第一次国际化学家代表大会[1]在德国的卡尔斯卢厄举行，当时全世界富盛名的一批化学家悉数参加了会议，门捷列夫作为后生晚辈也参加了这次会议。会议的一个主要目的就是建立化学标准化的方法，这在当时是一项迫切的需求。在这次会议上，解决了许多重要的化学问题，其中最有意义的是统一了原子量的计算标准，正式确定氢元素的原子量为 1（现代标准是碳原子的 1/12）。还有像“分子”、“原子价”等现代化学概念也都是在这次会议上确定。正是这次大会，让年轻的门捷列夫对化学元素的性质和特征萌生了极大的兴趣。1861年，门捷列夫从欧洲回到俄罗斯，在圣彼得堡技术学院化学系任教。在那里，他是一位受欢迎的教师，不仅是因为他的能力出众，他的形象也十分出众。当时，年仅27岁的他留着飘逸的胡须和一头乱糟糟的长发，据说每年只修剪一次。这幅古怪的形象让他显得有点儿神秘，很多学生私下传说门捷列夫老师不仅是个化学家，还是一位占卜师。门捷列夫自己似乎还挺享受这些传闻，从不解释，依旧我行我素。他一边忙着教学出书，一边进行科学研究。门捷列夫发现国际上化学领域的新发展很少传到俄国，学生们仅局限在以往的旧知识里。每当他热切地向学生们讲述国际新发现时，他都发现学生们对他所讲的东西一无所知。1867 年，门捷列夫以他出色的学识当上了圣彼得堡大学化学系主任，当他开始教授“无机化学”这门课时，竟然发现自己找不到一本像样的教科书。怎么办呢？简单，那就自己编一本教材吧。于是，他开始编写无机化学教材，他的想法是把当时已知的 63 种元素一个一个地讲过去。可能是门捷列夫的知识实在太渊博了，他痛苦地发现，教材已经写到 500 页了，才刚刚讲完第 8 种元素——碳[2]。不过，最终他还是把教材写完了，取名为《化学原理》，成为了化学史上的一本经典教材之一。正是编写教材的这段期间，让门捷列夫对每一种元素的各种参数和性质烂熟于胸，也让他开始深入思考元素本身的规律。根据元素相似的性质，给元素分类，在当时已经是一项从拉瓦锡时代就开始的古老而传统的研究项目。比如说，氢、氧、氮、氯这几种元素，他们都是化学性质非常活泼的元素，能够和许多金属形成盐类，这几种元素可以归为一类，被称为卤素。而锂、钠、钾以及当时最新发现的铷，这几种元素的性质也很相似，有金属的质感，但很不稳定，遇到水或者空气就会发生剧烈反应，他们被称为碱土金属。但是，这些元素分类都是单纯地按照元素的性质来分类，并没有触及元素本身的规律。但门捷列夫在与这些元素长期的亲密接触中，逐渐意识到，元素的性质与原子量之间似乎存在着某种内在的联系。比如说，最典型的就是锂、钠、钾这三种元素，当时对这三种元素的原子量测定结果是7、23 和 39，巧的是，23-7=16，39-23=16，原子量之差都是 16，门捷列夫不仅想，这仅仅是一种巧合呢还是某种尚未被发现的内在规律？其实，思考原子量和元素性质之间关系的人，在当时并不是只有门捷列夫一个人，还有好几位。在门捷列夫之前，有一位叫约翰·纽兰兹（J.A.R.Newlands）的英国化学家也在试图建立原子量和元素性质之间的联系。他是这么做的，首先他在纸上画了一个 7 行乘以 8 列的表格，一共 56 个单元格。他把当时已经发现的元素，按照原子量从小到大往这张表格上填。注意，他不是横着填写过去的，而是竖着填写过去，相当于每 7 个元素就会另起一列。不过，当时已知的元素有 60 多个，并不是刚好 56 个，纽兰兹的做法是在有些格子中填写两个元素，这样就刚好把 56 个格子全部凑满。因为这些元素一共有 8 列，所以，他还给自己的发现起了个很好听的名字叫“八度定律”，把元素的排列比作是钢琴键盘上的八度音阶。说实话，我对着这个表格左看右看，上看下看，不管是横着看还是竖着看，我是真看不出来有啥规律。难怪，纽兰兹同时代的化学家都没有对纽兰兹的所谓发现提起兴趣，甚至还在一些公开场合揶揄纽兰兹，让他用元素做个小曲儿听听，而英国皇家学会也拒绝发表他的论文。这让纽兰兹备受打击，他很快就放弃了自己的这种想法。不过呢，10 多年后，门捷列夫的元素周期表名声大噪，纽兰兹要求英国皇家学会承认自己当年的发现。英国皇家学会还真能知耻而后勇，尽管很清楚纽兰兹的所谓周期律的含金量，但还是决定给纽兰兹颁发一个戴维奖章，表彰他“发现了元素周期律”[3]。在那个年代，欧洲各个国家对于科学新发现的荣誉看得极重，历史上发生过很多争夺发现权的公案。估计英国皇家学会也是想和俄国争夺一下元素周期律的发现权，可惜，纽兰兹的发现实在有点儿麻绳提豆腐，怎么也提不起来。真正对元素周期律发现权有竞争力的是德国化学家迈耶尔（Julius Lothar Meyer），他也是一位痴迷于寻找元素自身规律的化学家，早在 1864 年，他就按照化合价排序，把 44 个元素填到了一张表格中，已经隐约可以看出元素的某些内在规律。到了1868 年，也就是门捷列夫第一次拿出元素周期表的前一年，迈耶尔对自己的元素表进行了扩展，又编出了一份元素周期表，这时候已经是按照原子量来排序了。迈耶尔的周期表与门捷列夫早期拿出的周期表确实有很多相似之处，但他的元素周期表正式发表的时间又比门捷列夫晚一年，以至于在之后很长一段时间，他们俩都在争夺元素周期表的发现权，当然，他们俩的背后是德国和俄国之争。那么，为什么现在科学界又公认，元素周期律的发现者是门捷列夫，而不是迈耶尔呢？他们各自的元素周期表又有些什么本质的区别呢？你要听我慢慢细说。门捷列夫发现元素周期表的故事，在大多数科普文章中都会给我们生动地讲述一个这样的故事，他怎么用元素做成纸牌，然后又怎么痴迷于用这些纸牌玩类似接龙的游戏，就这么日思夜想，满脑子的纸牌。然后在一次睡梦中，突然就梦到了清晰的元素周期表。这个故事，几乎每一个俄罗斯人都耳熟能详。但令我感到惊讶的是，这个故事，我只能在网上的科普文章中看到，在正式的门捷列夫研究论文或者像维基百科这样比较讲究点儿的百科资料中，都看不到这个故事。说明门捷列夫玩纸牌、做梦等等传说都还处于野史的级别，我这个节目的定位主要还是讲正史。所以，我接下去要讲的内容主要来自正规学术期刊上正式发表的研究论文[4]。我们现在能确认的事实是，1869 年，门捷列夫在他的论文《论元素性质与其原子量的关系》中正式发表了他的第一张元素周期表。这张周期表一共包含了当时已知的所有 63 种元素，但它的样子与我们今天见到的元素周期表大相径庭。它是什么样子的呢？我给你描述一下：你在脑子中先建立一个 6 列 19 行，总共114 个单元格的空的 Excel 表格，下面，我们要把 63 个已知的元素按照原子量的大小，填到这个表格中。但是，原子量最小的 H 元素不是填在第一行第一列的单元格中。而是填在了第 1 列第 7 行的单元格中。然后，在第 1 列第 14 行中填入当时已知的原子量第二小的 Li 元素。第 1 列就这两个元素，填完了。然后我们开始填写第 2 列，从第 8 行开始往下依次填入 Be、B、C、N、O、F、Na，第 2 列填写完毕。第 3 列也是从第 8 行往下填，分别是 Mg、Al、Si 等等，我就不再多啰嗦了，然后第 4、5、6 列，都是从第一行开始往下填。我没有说得太细，希望你脑子中大致有这么一个概念就行。这样填写出来的元素周期表就是 1869 年门捷列夫拿出来的第一个周期表，与我们今天熟悉的元素周期表相差很大。在这张表格中的第 3 列的第 16 行、第 4 列的第 9 和第 10 行这三个单元格中，门捷列夫是这么填的，?=45，?=68，?=70，什么意思呢？就是说，门捷列夫认为，这里有三个尚未发现的元素，它们的原子量分别是 45、68 和 70。正是这三个问号让门捷列夫名垂青史，最终成为科学史上毫无争议的元素周期律的发现者。换句话说，门捷列夫预言了三个尚未发现的新元素以及它们的原子量。不仅如此，他还预言了这三个元素的性质。比如说，它在论文中，把第 3 列 16 行的那个问号命名为 Eka-Al，什么意思呢，Eka 是梵语中“相似”的意思，我们可以翻译为“类铝”，也就是说，这种新元素有着与铝相似的性质。另外两个未知元素，他命名为“类硼”和“类硅”，也就是与硼和硅有相似的性质。科学理论都有一个特征，不但能解释已经发生的现象，还要能预言尚未发生的现象，而一个理论的预言能力越强，它的可靠性也就越强。为什么我们今天如此推崇爱因斯坦的相对论，真的不是因为爱因斯坦的名气大，而是用它的理论预言的一个个不可思议的天文现象都被观测到了。像引力波这样的天文事件，甚至是在爱因斯坦做出预言后的 100 年被证实了，这是多么了不起的智力成就啊。门捷列夫的这张表格做出了明确的新元素的预言，而同时代的其他化学家，比如迈耶尔，尽管也排出了类似的元素周期表。但迈耶尔没有做出新元素的预言，这是门捷列夫与其他人最大的不同。门捷列夫在他的论文中写道："因为元素显示出的周期性规律，我们从表中不仅可以看到一些元素的缺失，而且还可以非常确定地预言这些未知元素的性质，我们可以预测它们的原子量、自由态、氧化物的密度、酸性、碱性以及氧化还原能力等等。我们甚至可以详细描述这些未知元素的某些化合物的性质。尽管它们今天还没被发现，但将来一定能找到。"门捷列夫就是这么自信，他在论文中非常细致地描述了他对新元素化学性质的预测。实际上，1869 年的这张表格虽然看上去和今天的元素周期表如此不同，但如果我们把这张表格顺时针旋转 90 度，再左右翻转一下，就会立即见到今天我们熟悉的那张元素周期表的雏形。而门捷列夫没过多久，自己就给原始表格做了旋转和翻转的重新排列，等到 1871 年他发布最新一版元素周期表时，已经和我们现代的元素周期表很像了。
门捷列夫 1871 年发布的元素周期表
不过，与许多伟大的科学发现一样，门捷列夫刚提出元素周期表时，也是遭到了化学界的普遍质疑。在很多人看来，门捷列夫对新元素的预言就像是巫师占卜一样不可信。再加上门捷列夫不修边幅的古怪形象，越发让人怀疑他的正确性。时间走到了 1875 年 8 月 27 日，法国化学家布瓦博德朗向往常一样在他的工作室里忙碌着。此时他正用分光镜对一块闪锌矿样品，仔细地检测着。这块闪锌矿来自法国和西班牙边界上比利牛斯山脉，这些锌矿虽然很早就被发现，但是具体成分一直未被检测出来。16世纪的德国矿物学家阿格里科拉认为它是毫无用处的铅矿，18 世纪瑞典化学家布朗特也仅确定它是含锌的矿石而已。在布瓦博德朗手中，这些矿石就成了至宝，他期待着能从中发现渴望已久的东西[5]。两个小时前，他将一块锌矿石溶解在王水中，然后将锌加入滤液。随着锌的溶解，溶液中过剩的酸逐步消耗掉，氢氧化锌沉淀出来。他又加入少许盐酸溶解沉淀，小心的用白金丝蘸取一些溶液放在电弧中灼烧，然后放在分光镜下仔细分辨。突然，他发现了两种从未见过的紫色谱线，他马上断定自己发现了一种新的元素，这让他激动不已。他紧紧地盯着谱线，不敢把视线移开，哪怕眼睛涨的酸痛流泪。最后他在日记中记下——在下午三点到四点之间一个小时内，这条色带一直存在，未曾消失。1875 年 9 月，布瓦博德朗在法国化学家面前重新演示了这个实验，来证明新元素的存在。他建议用法国的古名“高卢”（Gallia）来命名它为 gallium，元素符号定为 Ga，中文正式译名为镓。
金属镓
第二年底，法国科学院和布瓦博德朗同时收到了门捷列夫的来信，门捷列夫先是高度赞扬了新元素镓的发现，但是他指出镓的密度不是 4.7，应该是 5.9 到 6.0，并建议再测量一次。经过再次测量，他们惊讶地发现，门捷列夫是对的。这个新元素镓正是门捷列夫在元素周期表上填上的第一个问号——类铝。这件事情轰动了化学界，从此，化学家们开始真正重视元素周期表。6 年后，表中的第二个空格也被准确的填补上了。瑞典化学界尼尔森发现了“钪”，它与门捷列夫所预言的“类硼”性质完全一致。又过了 5 年，德国化学家温克勒发现了“锗”，这就是门捷列夫预言的“类硅”。1889 年，在伦敦皇家学院著名的法拉第演讲中，55 岁的门捷列夫承认自己都没有想到这些空白这么快就被填补上了。至此，再也没有人怀疑元素周期表的正确性，剩下的只是不断的修正和完善它。不过，门捷列夫年龄越大，脾气也变得越古怪。他拒绝承认任何新生的事物，比如放射性、电子等等，而且很难相处。在生命的最后几十年，他的足迹遍及欧洲，人们总是看到他气冲冲地从实验室或者某个讲座中冲出来。为了纪念门捷列夫，1955 年发现的 101 号元素以他的名字命名为“钔”，这是一种半衰期很短的不稳定的放射性元素。有人对此的评价是：“名字取的太恰当了，这是一种很不稳定的元素。”对我们大多数人来说，元素周期表是一个抽象的东西，那些像咒语一样的符号和不常用的生僻字，仿佛跟我们的生活毫不相关。但对化学家来说，元素周期表给所有的元素建立了一个直观的、清晰的秩序。每一个元素的位置决定了它的结构，而结构又决定了它的性质，性质又决定了它的用途。元素周期律是化学这门学科的理论基石，它使化学研究实现了从现象到本质的根本性飞跃。它就像元素世界的宪法，规定了宇宙万事万物遵循的根本大法。从这个意义上说，元素周期表对于化学的重大意义，完全可以媲美于同时代的麦克斯韦方程组对于电磁学、达尔文进化论对于生物学的重大意义。在十九世纪即将结束的时候，化学作为现代科学，已经发展了 100 多年，随着元素周期律的发现，它开始从混沌走向秩序。当二十世纪的曙光照亮世界时，化学也将进入一个百花齐放的崭新时代，下一个百年化学故事，更加精彩。[1]https://www.rsc.org/news-events/profiles/2019/jan/dmitri-mendeleev[2]https://www.osti.gov/biblio/1599311 [3]https://zh.wikipedia.org/wiki/约翰·纽兰兹[4]https://www.researchgate.net/publication/2171744_Mendeleev_and_the_Periodic_Table_of_Elements
[5]https://www.guayunfan.com/baike/58298.html
