第三回 微观探奥妙原子越雷池 天才靠勤奋化学竖丰碑

自学成才，道尔顿成了近代化学之父。各种学说、定律，原子论的种子长出幼芽。门捷列夫的周期律与“伟大的一天”，稀土元素被纷纷发现。预言变现实，非一日之功。

且说人们在分析物质的性质时，总是先看表象，然后再接触到它的内部。我们平常所接触到的物质，大多是混合物；人类一分钟也离不开的空气，便是氧气、碳酸气、氮气以及稀有气体组成的混合物，人类赖以生存的水，便是氢和氧以及钙、镁、铁等元素所组成的混合物。

如果我们用化学方法将这些混合物分离，便可以得到称为单质或化合物的纯净物了。如食盐是由钠和氯所组成的化合物；水是由氢和氧组成的化合物。但是，组成氯化钠的氯和钠，组成水的氢和氧，是否还由更小的质点所组成呢？

这就引起了一场争论：物质到底是连续的，还是不连续的？也就是说组成物质的微粒是有穷的，还是无穷的？

约在公元前 460 年，希腊哲学家德谟克利特就提出：任何一种东西，不管看起来多么均匀，总是由大量很小的微粒组成的。这种很小的微粒就是原子（英文为 atom 从希腊语 atoms 来的），意思是不可分割的。这种观点当时遭到柏拉图和亚里斯多德的反对。到了公元 1650 年，意大利科学家伽桑狄重新提出，并得到牛顿的支持。

1800 年以前，物质的微粒观念大体上建立在推测与直觉的基础之上。人们一方面看到物质处于永恒的变化状态；另一方面又不可动摇地相信实物是永恒存在的。它缺乏科学理论的基本特征，也没有严格的实验支持和验证， 多少有点属于臆测。

17、18 世纪，原子论所以再度兴起，是由于对空气和真空所作的实验， 以及工业革命中对机械运动的研究，人们对物质构造的见解又进入了一个新的时期。

且说科学大师拉瓦锡奠定了化学元素学说，但没有专门探讨原子论问题。而他的同代人，爱尔兰化学家希金斯经过多年研究，于 1789 年在他的一本著述中，阐述了自己的原子概念。他提出，元素的终极粒子具有一定的重量，在成为化合物时仍保持不变。因此他差不多推出了定比定律和倍比定律

（前章已述）了。遗憾的是，他没有及时用分析实验来确证自己的设想，也没有求出各种原子的相对重量。所以只能把他看成是化学原子论的先驱。

到了 1808 年，一位英国中学教师道尔顿以非凡的科学洞察力对当时知名的几条化学定律提出解释，这就是后来为人们所熟知的原子论。

道尔顿 1766 年 9 月 6 日生于英国的昆伯兰城。父亲是位农民，后来当过纺织工人，家境清贫。道尔顿小时没受过正规的教育，他的学问主要靠自学得来。道尔顿从 15 岁起当助理教师，后来当中学校长，在教学的余暇，进行科学研究。

道尔顿沉默寡言，好学不倦。他从不轻易相信书本上讲的知识，而是抱怀疑的态度审视，经过独立思考或做了实验之后，这才加以吸收。

道尔顿很穷，没钱买仪器，他常常自己动手，用便宜易得的材料，制造各种精巧的土仪器。

道尔顿在科学上很有恒心，持之以恒。他对科学的贡献是巨大的，是多方面的。

物理学上，他发现混和气体的总压力等于各种气体分压之和，被称为“道尔顿分压定律”。这是物理上的事件，就不多叙。化学上，1803 年发现了“倍比定律”，前章已叙，从略。

却说道尔顿的原子学说。由道尔顿引进的原子学说是科学发展史上最重要的里程碑之一。尽管物质由原子组成的假说由来已久，但只有道尔顿才使这个概念成为现实的、有用的假说。

道尔顿的原子学说主要内容如下：

元素（单质）的最终粒子称为简单原子，它们极其微小，是看不见的； 是既不能创造，也不能毁灭和不可再分割的。它们在一切化学变化中保持其本性不变。

同一种元素的原子，其形状、质量及各种性质都是相同的，不同元素的原子在形状、质量及各种性质上则各不相同。每一种元素以其原子的质量为最基本的特征。

不同元素的原子以简单数目的比例相结合，形成了化学中的化合现象。化合物的原子称为复杂原子。复杂原子的质量为所含各种元素原子质量之总和。同一化合物的复杂原子，其组成、形状、质量和性质也必然相同。

道尔顿的原子说“一眼看去，并不显眼”，似乎平庸无奇。但在 19 世纪初，可谓具有划时代的意义。

道尔顿还设计了一整套符号来表示他的理论。道尔顿认为原子是球状， 所以他设计的原子符号都是一些圆圈，图上还有各种线、点和字母，用来表现不同的原子。这些符号起到了一个原子模型作用，现在通常把它们称之为道尔顿球式原子模型。

在道尔顿进行原子研究的同时，人们已经知道水是唯一的氢和氧的化合物。道尔顿认为它是二元化合物（HO），从现在来看，道尔顿明显是错了。但是道尔顿利用拉瓦锡的有关水中氧和氢的分析结果，初步指定氧的原子量为 7，虽不太精确，但指明了一个方向，明确了一个开端。

再说道尔顿 1808 年的著述《化学哲学新体系》一书。这本书是研究大气、混合气体、液体和固体的性质而讨论热的学说的。只是在最后一章介绍了化学原子论的基本原理。他把复杂原子依次分类如下：

1 个 A 原子＋1 个 B 原子＝C 原子，C 为二元化合物

1. 个 A 原子＋2 个 B 原子＝D 原子，D 为三元化合物

2. 个 A 原子＋1 个 B 原子＝E 原子，E 为三元化合物

1 个 A 原子＋3 个 B 原子＝F 原子，F 为四元化合物

上述道尔顿确定化合物组成的原则过于武断和随意，缺乏实验依据，因此很多化合物的原子组成被弄错了。读者不必当真，一笑置之，知道有此事罢了。

综观化学发展史，可以断言，近代原子学说创始人的荣誉非道尔顿莫属。难怪恩格斯对道尔顿在化学发展中的作用这样评价：“化学中的新时代是随着原子论开始的。”

道尔顿对他发现的倍比定律和确定原子质量最初并没引起足够的重视， 是著名英国化学家汤姆逊在他的著作中，把道尔顿的学说介绍给其他科学家，使道尔顿的研究成果为人们所熟知。

但是科学家们对道尔顿的某些论点，特别是有关化合物组成持怀疑态度，因此有一段时间他们贬低道尔顿的功绩，并把一切功绩归之于他人。

最终，道尔顿的原子学说还是被人们广泛传播，为日后应用原子理论打下了基础。一位当代化学家说：“道尔顿的原子论虽然没有证明原子的存在， 但继承和发展了古代的原子论。⋯⋯所有化学理论中，最为主要的是原子学说。”

且说 19 世纪初的化学，是在氧学说和化学原子论的基础上全面改造的时期。这一点反映到实验研究上，对未来化学发展有着重要的意义。

意大利著名物理学家伏特发现了电流；他的同胞伽法尼观察到了动物电；在英国解剖学家卡莱齐偶然从一点小事中注意电流能分解水，等等。所有这些为电化学以及物理化学的发展开辟了道路。

英国化学家戴维是 19 世纪初最杰出的化学家之一。他家境清贫，自幼没受过正规教育，也是靠自学成才。他最初是以首次发现一氧化二氮（笑气）对人体的麻醉作用而驰名。他是英国皇家学会会员，获得了许多科学奖章。戴维的实验是电解水。通过对氢、氧两种元素的研究，他得出氢的体积

比氧的多一倍。1805 年戴维开始电解苛性碱，最初他试图从碱中电解出金属来，一次次都失败了，但他始终没有失去信心。一次偶然中，他取了一小块干燥的苛性钾，发现只在很短的时间内就受到潮湿空气的作用，于是戴维将苛性钾放到电极中间，通上电流，用此方法第一次制出了金属钾。当看到水银般可爱的钾球穿开苛性钾的表层，接触到空气引起一闪一闪的火花时，戴维兴奋地手舞足蹈，在屋里跳了起来。随后戴维又用同样的方法制取了金属钠。

戴维是电化学创始人之一。通过截维的实验和理论研究，物质的化学性质与电状况开始有了直接的联系。

19 世纪初叶，人们已经接受了道尔顿关于组成物质的最小质点是原子的观点，因此原子成了时髦的东西。但原子是个什么样子，它到底有多大，有多重，谁也说不清楚。

当时，人们对气体研究得比较多，因为气体可以量体积，这总比称量来得方便。法国物理学家兼化学家盖吕萨克就是专门从事气体研究的。

1804 年盖吕萨克乘坐气球进行地磁与高度的研究；1805 年他去国外旅行，归来后便着手分析从南美洲采集回来的空气样品。他进行了氢氧化合时体积比的试验，试验结果是：当氢过量时，与 100 份体积氧完全化合的氢是199.89；当氧过量时，100 份氧与 199.8 份氢相化合。这一事实促使他进一步去探讨其他气体反应是否也表现出类似的简单的体积比关系。结果他居然发现都具有简单整数比的关系。例如，1 体积的氧与 2 体积的氢化合成 2 体积的水蒸气：

氧＋氢→水蒸气

又如，一氧化碳与氧反应就生成二氧化碳： 一氧化碳＋氧→二氧化碳

于是在 1808 年，盖吕萨克综合实验结果，做出如下结论：“各种气体在相互发生化学反应时，常以简单的体积比相结合。”盖吕萨克还进一步发现， 气体在化合后，气体体积的改变（收缩或膨胀）与发生反应的气体体积间也有简单的关系。这就是盖吕萨克的气体体积比定律。

却说盖吕萨克的气体反应体积定律给了道尔顿的原子学说以有力的支

持。但却遭到道尔顿的拒绝和反对。道尔顿反驳的理由是：不同物质的原子大小必定不同，因此在相同体积内，不同气体物质不可能含有相等数目的原子；如果在相同体积中不同气体的原子数目相等，那么每 1 水原子中就应只含半个氧原子。因此道尔顿指责盖吕萨克实验数据不够确切，靠不住。

后来随着一系列精确的实验证明，不是盖吕萨克的定律不正确，而是道尔顿当时的实验技术远不如盖吕萨克。最终解决原子学说和气体体积比定律这一矛盾的钥匙却为阿佛加德罗掌握了。

阿佛加德罗是一位意大利科学家。他既熟悉道尔顿的原子学说，又了解盖吕萨克的气体体积比定律。在道尔顿指责盖吕萨克的时候，他已意识到道尔顿理论上的错误，引进当时人们不太熟悉的分子概念作为补充。

阿佛加德罗将化合物分子与元素单质分子加以区别，他得出了后来被叫做阿佛加德罗定律的原理：“气体物质的体积与它们所生成的分子数目之间存在着极简单的比例关系。任何气体所生成的化合物分子的数目在同体积下总是相当的，在不同体积下，则与体积成正比。”

阿佛加德罗定律把盖吕萨克气体体积比定律解释了一番。然而很遗憾， 阿佛加德罗分子假说在当时化学界几乎没有引起反响。许多著名化学家对阿佛加德罗的论文简直不屑一读。

阿佛加德罗定律只适用于气体，但阿佛加德罗本人却企图将其推广到固体。用了一些与事实不相符的无稽之谈，支持他的人越来越少，到后来他的理论差一点被人们遗忘了。只是到了 1833 年，才由法国化学家高丁重新阐述，并用于确定原子量，方被人们接受，这是后话，暂且不提。

且说在化学原子论的发展中，瑞典化学家贝采里乌斯起了极其重大的作用。

贝采里乌斯先是学医，获得医学博士学位。之后在大学化学实验室工作。获得医学和药学教授后，他仍不忘化学研究工作。贝采里乌斯的工作主要特点是：观察精确，描述清晰，具有严密性与坚持性。

贝采里乌斯对当时化学的每个分支都有深邃、渊博的知识，他在很简陋的实验室里，曾对大约 2000 种的化合物和矿物进行了准确的分析。尤其为计算原子量和论述其他学说提供了的丰富的科学实验依据。

贝采里乌斯对道尔顿在原子量测定中的武断假设表示怀疑，于是他时刻注意用其他科学实验成果来旁证。他对盖吕萨克的气体体积比定律表示基本赞同，他积极用各种事例来支持。

1814 年，贝采里乌斯发表了他的第一个原子量表，列出了 41 种元素的原子量，分析数据更加丰富和精确。

他在改善化合物的命名方法时，采用了许多物质新名称和各种化学术语。他为化学制定了元素符号，采用了化学式和方程式。

在化学原子论的发展过程中，贝采里乌斯最早采用了字母为化学元素符号。他以每种元素的拉丁文名称的开头字母作为元素符号。例如：Si 为硅、C 为碳、O 为氧、S 表示硫等。他还规定每一个元素符号在化学式中各代表一个原子。

在制订化学式和反应方程式来表达元素的组成时，他最初是用加号把某一化合物中的各元素连接起来，例如铜的两种氧化物为 Cu＋O 和 Cu＋2O，硫酸的组成为 S＋3O 等等。后来他又简化了化学式的书写法，把化合物组成中表示其原子数目的数字，写在右上角，例如把二氧化碳写为 CO²，把三氧化

硫写为 SO³，水写为 H²O。其后化学家又把原子数目移在右下角。

1819 年，法国两位科学家杜隆和普蒂发表了以他们两个人名字命名的杜隆—普蒂定律。他们在研究单质的比热后发表论文，认为他们发现了许多固体单质。他们还说贝采里乌斯对化学式的确定有错误，并以此准则对贝采里乌斯的很多原子量进行了大胆修正，结果各有对误。杜隆—普蒂定律虽然不准，但对原子量的选择起了一定的帮助作用。

却说差不多与此同时，德国青年科学家米希尔里希发现了同晶型定律。有关晶体的同晶现象在米希尔里希以前人们已有所知了。早在 1784 年，近代结晶学奠基人，法国矿物学家阿维就断言：“物质间结晶形状的一致性可能暗示着化学组成的一致性。”1816 年，盖吕萨克从钾明矾结晶在铵明矾的溶液中可正常地继续长大中，得出两种明矾具有相同晶形的结论。

米希尔里希于 1819 年宣布了同晶型定律：同数目的原子以相同方式即得同晶型。例如酸式磷酸钾（KH2PO4）与酸式砷酸钾（KH2AsO4）的晶型是相同的。前者的晶体浸于后者的饱和溶液中，可以继续长大。

很快米希尔里希就把同晶型定律应用于原子量的修订与测定。虽有所突破，但很多问题依然没有解决。1828 年，化学家们通过原子热容定律和同晶型定律把钾、钠、银的原子量正确修订了。钠原子量为 23，钾原子量为 39， 银的原子量为 108。

对于原子量的测定，还要提到法国著名化学家杜马。他 15 岁当学徒， 16

岁在业余时间进行化学实验， 27 岁便开始了研究原子量的测定。杜马生性敏锐，洞察力极强。通过实验和观察，他意识到阿佛加德罗对于原子与分子的区分及有关分子的论述有深刻的意义。

他发明了极简便的蒸气密度测定法，以此来测定挥发性物质的分子量。此外他还试图用分子量计算原子量，但在此课题中，他接受了阿佛加德罗学说中的不确切部分，他规定氢的原子量为 1。因为氢气是双原子分子，这样一来，凡是单质气体都成了双原子分子。

对于杜马的测定结果，贝采里乌斯没有接受，因为他始终坚持不承认单质多原子分子的存在，而杜马自己很快也承认他的假定是不全面的，并且宣称“通过蒸气密度测定原子量是不可靠的”。

在 1815 年与 1816 年的《哲学年鉴》杂志上载了两篇匿名文章，文章中说道：元素（还有化合物）的原子质量是氢原子质量（等于 1）的倍数，并且应该是整数。这一文章的作者是英国化学家普劳特。

普劳特在第一篇文章中指出，许多元素的原子质量能被 4 除，因而提出这样的假定：是不是一切简单物质都是由氢原子和氧原子组成的？在第二篇文章中，他明确谈到初始物质（母质），并且认为初始物质（母质）应该是氢。其他元素的原子量都应是氢原子量的整数倍，原子量偏离整数是由于实验误差造成的。

普劳特假说不仅对他的同时代人，而且对后一代的化学家产生了深刻的影响。杜马在 1840 年与另一位化学家斯达仔细地重新测定碳的原子量之后（H

＝1，C＝12），转而倾向普劳特的假说，他们相信常见元素的原子量是符合普劳特假说的。

不过斯达在以后进一步研究中，又认识到这一假说是不能成立的。然而杜马在 1859 年发表的一篇论文中，再次支持这一假说，他认为可把已知的元素分为三类，其中一大类元素的原子量，当令 H＝1 时，是氢的整数倍；第

二类元素的原子量，当令 H＝0. 5 时，则是氢的整数倍；第三类，当令 H＝

0. 25 时，则是氢的整倍数。

杜马认为氢原子是 4 个氢元粒子的牢固结合体，在化学反应中总是不分

解的；其他元素的原子也是氢元粒子的牢固结合体，其数目多数是 4 的整倍

数，少数是 2 的整倍数，个别的是第三类。

但斯达进一步对原子量的测定，仍表明有些原子量不是 0. 25 的整倍数。

到了 1860 年，面对斯达令人信服的实验结果，杜马不得不宣布承认普劳特学说的失败。

普劳特的假说完全被化学家们抛弃了，并逐渐被遗忘，但谁会想到半个世纪以后，科学家们发现了同位素，普劳特的见解再度放出了光彩。

且说 19 世纪前半叶的 50 多年中，虽有很多人致力于原子量的测定， 但由于没有找到一个合理的办法，使原子量的测定陷入了困境，推测和人为规定司空见惯，化学符号的应用、化学式的表示方法，更是各行其是。

戴维、盖吕萨克、李比希等甚至怀疑测定原子量的可能性；有人甚至对原子学说也发生动摇，表示怀疑了。原子学说既然处于这种危机中，阿佛加德罗的分子论当然就更少有人问津了。

1855 年，意大利的一位化学家鉴于当时的境况，重读了阿佛加德罗的论文后，认为要澄清一些化学现象，非得采用阿佛加德罗的学说不可，这位化学家就是康尼查罗。

康尼查罗，生于意大利巴列摩，15 岁开始学医，19 岁学习化学，21 岁参加著名的西西里起义，失败后侨居法国，26 岁任一所大学的物理化学教授。意大利统一后，康尼查罗回到罗马大学任教，不久被选为议员。

1858 年，康尼查罗在一本科学杂志上发表了一篇题为《化学哲学教学大纲》的论文，概述了阿佛加德罗假说在数学中的应用。

他根据阿佛加德罗假说和利用测定蒸气密度的方法，得出存在着单质分子的结论；他根据对水银及其挥发性化合物蒸气密度的测定，建议将另一位化学家日拉尔所取的原子量增加一倍；他还根据金属的原子价，金属与烷基化合的能力，论证了必须改进许多金属离子的理由。

康尼查罗还明确指出：“在不同的分子中同一元素的含量不同，这些不同含量都是某一种单位量的整数倍数，这种单位量在化合物中不能再分，理应把它叫做原子。”这一原理被称做康尼查罗原子定律。

康尼查罗的主要功绩在于他使阿佛加德罗假说获得了新生，并且坚持不懈地把它应用于分子量和原子量测定的工作中去。

再说 1860 年 9 月 3 日在德国卡尔斯鲁召开的国际化学会议，这次会议由德国化学家凯库勒等人发起，其目的是，希望在化学式、原子价和元素符号的采用上得到一个统一的意见。

会上争论很激烈，杜马说有机化学与无机化学是两个截然不同的领域， 应有各自的原子量系统；另一位化学家欧德林则力主每一元素只能有一种原子量。会议的结论却是：“科学上的问题，不能勉强一致，只好各行其是罢了。”

在这次会议散会时，一位意大利化学家帕维西散发了康尼查罗的《化学哲学教程提要》，由于他据理分析，论据充分，方法严谨，对盖吕萨克、杜马的有关错误一一加以澄清，并为确定原子量提出了一个非常合理的、令人信服的途径，因此很快得到了化学界的赞许和承认。

康尼查罗的《提要》谈些什么呢？大家想必要知道，转录几段如下： “⋯⋯只要我们把分子与原子区别开来，只要我们把用以比较分子数目

和重量的标志与用以推导原子量的标志不混为一谈，只要我们最后心目中不固执这类成见，以为化合物的分子可含不同数目的原子而各种单质的分子都只含一个原子或相同数目的原子，那么，阿佛加德罗分子理论和已知事实毫无矛盾之处。”

他还明确指出：“据我看来，近来化学之进步，已经证实阿佛加德罗和杜马的假说⋯⋯即等体积的气体中无论单质或是化合物，都含有相同数目的分子，但它绝不是含有相同数目的原子。”

他还说：“应用阿佛加德罗的假说，即使物质的组成尚不知道，还是可以测定它的分子量的。”

康尼查罗的《化学哲学教程提要》是用意大利文写成，读者有限。化学家迈耶尔就用他的观点，用德文及时写成《现代化学原理》（1864 年）。许多化学家就从这本著作中获知了阿佛加德罗的观点和康尼查罗的论证。

至于阿佛加德罗学说令人信服的“实验”证明，首先是由法国著名物理学家佩兰做出的，测得一克分子（摩尔）物质中的分子数为 6.85×10²³，实验相对误差为 3％。

在之后的数年间，先后又有几十位物理学家对该常数进行了测定：英籍新西兰科学家卢瑟福，用 a—粒子实验法测得为 6.2×10²³；英国物理学家布拉格，用 X—射线法测得为 6.0228±0· 001×10²³，（因此获得 1915 年诺贝尔物理学奖金）。通过用不同方法测得如此吻合的结果，阿佛加德罗的假说当然令人叹服了，从此他的这一“假说”被尊为定律。

却说自 18 世纪中叶至 19 世纪中叶的一百多年中，随着生产和科学实验

的大发展，平均每两年半左右就有一个新元素被发现，到 1869 年已有 63 种元素为科学家们所认识。

关于各种元素的物理及化学性质的研究成果也积累得相当丰富了，于是科学家们便提出：地球上究竟有多少种元素？怎样去寻找新元素？各元素之间究竟是否存在着一定的内在联系？

1829 年，德国化学家德贝莱纳首先开始对元素的原子量和化学性质之间的关系进行研究。

他提出了三元素组规则，他确定的三元素组有：Li、Na、K；Ca、 Sr、 Ba； Cl、 Br、 I； S、Se、 Te； Mn、Cr、 Fe。同组的元素不仅性质相似，中间一个元素的化学性质介乎它前后两个元素之间，而且其原子量也差不多为前后两元素的算术平均值。

1854 年，美国科学家库克把元素分为六系；1857 年英国化学家欧德林又

发表了一个把元素分为 13 类的分类表。可惜他们都只列出了一些现象，没有能做出任何逻辑性的解释。

到了 1862 年，法国科学家尚古多提出了关于元素性质就是数的变化的论点，他作出所谓的螺旋线图。

他把元素性质用螺线表示出来加以对比，他在圆柱体的表面上划上螺线，与底面成 45 度角，然后用垂线在圆柱体上分成 16 格（氧的原子量为 16）。他将已知的 62 个元素，按原子量大小循序标记在绕着圆柱体向下的螺旋

线上，性质相近的元素出现在同一条垂直母线上，如 Li—Na－K；S－Se—Te；

Cl－Br—I 等。

于是他提出了元素性质有周期性重复出现的规律。

应该说，螺旋图是向揭示周期律迈出的有力一步，但它缺乏精确性，所以最终没有被化学界接受。

1865 年，英国工业化学家纽兰堡把 62 个元素的原子量按递增顺序排列， 发现从任意一个元素算起，每到第八个元素就和第一个元素的性质相近，与八度音程相似，所以他把此规律称为“八音律”。

“八音律”揭示了元素化学性质周期性的重要特征。它的缺点是没有考虑到原子量测定值会有错误，也没有估计到还有未发现元素的存在，没有留出空位，只是机械地按当时的原子量大小将元素排列起来，这样做往往就把事物的内在规律掩盖起来了。

但是“八音律”向周期律的发现又迈出了可贵的一步，因为纽兰兹已觉察到，原子量递增顺序排列时元素性质上有某种重复关系。

正在这个时期，一位天才的科学家大胆地拨开化学上的迷雾。他就是伟大的俄罗斯化学家门捷列夫。

门捷列夫 1834 年出生于西伯利亚。父亲是一所高级中学校长。祖父是西伯利亚第一家报纸的出版者。在西伯利亚，一个政治流放者指导门捷列夫学习科学并使他对科学产生了爱好。

门捷列夫中学毕业时，考试成绩在全班名列第一。不久，他父亲去世， 母亲把他带到莫斯科，然后又带他到彼得堡，希望他能进入大学学习。

1850 年，门捷列夫考进彼得堡的中央师范学院学习，他的母亲在同年死去。1855 年，他被派往一所中学任中学教师。1857 年任彼得堡大学的副教授。1859 年到国外进行研究，参加了在卡尔斯鲁厄召开的国际化学家代表大会。

1862 年初，门捷列夫回到彼得堡，从事科学著述工作，第二年当选为技

术学院的教授，完成了《论酒精与水的化合作用》的博士论文。从 1867 年起， 门捷列夫担任了化学教研室主任。

1868—1871 年间，他为学生编写《化学原理》一书，在编写过程中，发现了元素周期律。1890 年 3 月，门捷列夫因同情学生运动而辞职，由于他的自由观点，他未能被选为科学院士。

1907 年 1 月 20 日清晨 5 时，门捷列夫因心肌梗塞与世长辞，死时坐在椅子上，面前的写字桌上是一本未写完的科学著作，手里还握着笔⋯⋯

门捷列夫的一生是光辉的一生，这从葬礼上足可证明：

长长的送殡队伍，达几万人之多。在队伍的最前面，既不是花圈，也不是遗像，而是由两个学生举着的周期表，上面写着各种化学元素符号—— “C”、“O”、“Fe”、“Zn”⋯⋯人们在追悼会上，反复引述门捷列夫的格言：“什么是天才？终身努力，便成天才！”

回过头来，再说门捷列夫的元素周期律：

1867 年，门捷列夫着手著述一部普通化学教科书，他所遇到的一个问题

是，如何用一种合乎逻辑的方式，组织当时已知的 63 种化学元素。

在几次不妥的开头后，他想起一个主意，将性质类似的元素归并成族， 分成各章去写。他专心研究了各种元素的性质，把元素的性质做了一套卡片， 上面记载着元素的原子量、化合价和化学性质等等。

1869 年 2 月，他从事卤素、碱金属和碱土金属各章的写作。

他根据原子量大小的顺序，将这些族中的各相似元素逐个排列出来。

门捷列夫沿着上面的线索深入推敲，他发现性质截然不同的 Cl（35.5） 和 K（39）、Br（80）和 Rb（85）在原子量差值方面很相近。再深入研究其他元素，发现也存在着同样的联系。

于是，他就发现了相似元素，依一定间隔出现的周期性。所有这一切都是在 1 869 年 3 月 1 日完成的，即所谓“伟大的一天”。

同年 3 月 6 日，门捷列夫阐述了他关于元素周期律的基本论点：

（l）按照原子量的大小排列起来的元素，性质上呈现出明显的周期性。

1. 原子量的数值决定元素的特征，例如 S 和 Te 的化合物，Cl 和 I 的化合物等，既相似，又呈现明显的差别。

2. 应该预料到，还有许多未被发现的元素，例如会有分别类似铝和硅，原子量介于 65 至 75 之间的两个元素。

3. 当我们掌握了某元素的同类元素的原子量之后，有时可以修正该元素的原子量。

门捷列夫通过周期律表，初步实现了使元素系统化的任务，全表有 66

个位置，尚有 4 个空位只有原子量而没有元素名称，门捷列夫预示，今后一定能发现与原子量相应的元素存在。

新生事物的产生往往不是一帆风顺的，会遭到攻击和非难，元素周期律的发现也同样如此。

一些知名学者，甚至他的老师齐宁也不支持他的研究，曾告诫他是不务正业。在这种压力下，有些人便知难而退了。

但门捷列夫还是深信自己研究工作的重要意义，不顾名家的指责、嘲笑， 继续对周期律进行深入细致的研究。1871 年，他又发表了《化学元素的周期依赖关系》一文。

他果断地修改了第一张元素周期表，使原来的周期表由竖行改成横排。这样更加突出了化学元素的周期性。

在同族元素中，他采用了另一位化学家迈尔的见解，划分为主族和副族； 他把以往预言元素的空格，由 4 个改成 6 个，并预言了它们的性质。

他给元素周期律下了定义：“元素（以及由元素所形成的单质或化合物） 的性质，周期地随着它们的原子量而改变。”

门捷列夫在发现周期律和制订周期表的过程中，不顾当时已公认的原子量，改排了某些元素（Os、Ir、Pt、Au；Te、I；Ni、Co）的位置，还根据一些元素的合理位置，修订了原子量（In、La、Y、Er、Ce、Th、U）。

除此以外，又先后预言了 15 种未知的元素，后经科学研究证明，基本上是正确的。总之，周期律为寻找新元素，提供了一个理论上的向导。

门捷列夫周期律的发现，使化学又一次渡过了它的迷惘时期，化学家们终于走出浓雾弥漫的山间深谷，开始向科学顶峰攀登了。

因此，恩格斯评价说：“门捷列夫⋯⋯完成了科学上的一个勋业。这个勋业可与勒维烈推算尚未知道的行星（天王星）的轨道一事相媲美。”

却说门捷列夫与同时期的化学家比较，高明的地方在于他对化学元素的性质以及原子量之间的关系，获得了规律性的认识。这可以从修订某些元素的原子量和预言一些元素的性质得以证实。

以铀为例，当时公认其质子量为 116，误认为是三价元素。但门捷列夫根据铀的氧化物，同铬、钼、钨的氧化物性质相似，该四种元素的单质也相似，它们当属一族，因此判断铀为六价，于是将原子量修订为 240，并放在了正确的位置上。这一数值与现代值 238.07 相差不大。

根据类似的判断，门捷列夫还修订了 La、Y、Er、Ce 及 Th 的原子量。门捷列夫以周期律为基础，对当时公认的一些原子量提出了重新精确测

定的建议，可举铂族元素为例：

当时公认金的原子量为 196.2，而 Os、Ir、Pt 的原子量依次为 198.6、196.7、196.7。若以此，金在周期表中应排在 Os，Ir，Pt 之前，但门捷列夫根据金的性质，认为它应排在三者之后，因而建议重新测定金的原子量，结果得出 Os，Ir，Pt，Au 的原子量分别为 190.1、193. l、95.2、197.2，事实证明门捷列夫的见解是正确的。

门捷列夫发现了化学元素周期律，并据此科学地预言了一些未知元素的存在，这是门捷列夫在研究周期律上，远高于同期其他人的另一个重要方面， 也是科学理论用于指导实践的典型事例。

1875 年，法国化学家布瓦斯博德朗在分析闪锌矿时，从中发现了一个新元素，他命名为镓，并把他所测得的关于镓的一些主要性质，简要地发表在一家科学报上。

可是不久，他收到门捷列夫的来信，在信中，门捷列夫指出：他在报告中关于镓的比重有错误，不应是 4.7，而应在 5.9 和 6.0 之间。

布瓦斯博德朗大惑不解，因为他是当时独一无二手中握有镓的人，而门捷列夫何以能有这种指责？

于是他再一次提纯了镓，重新测定其比重，结果居然确实为 5.94。这使他大为惊讶和叹服。布瓦斯博德朗怀着激动的心情，在另一篇论文中写道： “我想没有必要再来说明门捷列夫这一理论的巨大意义了。”

门捷列夫根据周期律，成功地预言了“类铝”（镓是其中一个），这是化学界的骄傲，也是周期律第一个回合的胜利。

1880 年，瑞典化学家尼尔森发现了钪，这正是门捷列夫预言的“类硼”。

1885 年，德国化学家文克尔发现了另一个元素锗——这也是门捷列夫预言过的“类硅”。

文克尔看到自己发现的锗与门捷列夫的预言如此一致，大为惊叹，立即将它和预言作了对比。见表：

门捷列夫预言的“类硅”和文克尔发现的锗对比

预言的兑现，极大地鼓舞了门捷列夫，他又在 1889 年预言了“类碲”元

素。到了 1898 年，“类碲”元素终于被玛里·居里发现，即放射性元素钋。这是后话，暂且不提。

门捷列夫的周期律，经受住了实践的考验，获得了初步的巨大的胜利。

却说门捷列夫所预言的尚未发现的元素（镓、钪、锗）性质得到了证实， 使化学家对寻找新元素发生了广泛的兴趣。但是惰性气体一族元素的发现， 完全是出人意料的。

门捷列夫曾预见：在氢和锂之间有一个元素存在，但他没能够预估到是惰性元素。

1882 年，英国剑桥大学的科学家瑞利着手研究大气中各成分的密度，经过 10 年的努力，他确定了氢和氧密度之比不是 1∶16，而是 1∶15.882（现代值是 1∶15.874）。

当研究氮气时，他感到迷惑不解。瑞利先是把空气反复通过红热的装满铜粉的管子，清除掉氧气部分，测得氮气的密度。其后他又把氧氨的混合气通过赤热的氧化铜，使氨氧化分解，生成氮气和水，再测定氮气的密度。

结果发现，两种来源的氮气密度，竟相差 5/1000。于是他提出了好几种假说，解释造成两种密度不一致的原因，但没有引起广泛的注意。

只有苏格兰的著名化学家拉姆赛，注意到了瑞利的实验，并要求共同研究这一问题。

当拉姆赛对大气氮进行光谱分析时，他发现，在光谱中除了已知的氮谱线外，还清楚地观察到一种未知的红色与绿色的光谱线，毫无疑问，在大气氮中含有某种未知元素。

这时他们想起了卡文迪什过去做过的一种试验：卡文迪什让含有充足氧气的空气通过放电，以便“固定”（氧化）全部氮气，但是结果剩下的 1/20 的氮气不能被氧化。

两位科学家在研究这种剩余气体时发现，它的密度比氮气的密度大得多。

这年 8 月，在英国牛津召开的自然科学家代表大会上，瑞利、拉姆赛宣

布了他们的重要发现。大会主席提议给这个新气体元素命名为氩（Argon）， 其意思是“懒惰”、“迟钝”的意思。

在氩在 1894 年被发现后不久，又发现了一个惰性气体元素——氦。它的发现过程是这样的：1868 年，法国天文学家让森在印度观察日蚀时，摄下了太阳色球层的光谱，发现了一种与钠的黄色谱线不相吻合的谱线。

两个月后，英国天文学家洛克耶和费兰克兰一起研究日蚀时，又重新发现了不属于任何已知元素的黄色谱线，他们推测这是太阳大气中特有的元素谱线。

新元素被命名为氦（英文为 Helium），希腊文原意是太阳。

在太阳大气中发现氦以后的 25 年中，有关氦的发现，仍充满了趣闻。例

如 1881 年意大利人帕尔米报道，他自维苏威火山岩放出的气体中发现了氦。

到了 1895 年，拉姆赛和他的助手读到美国一位化学家有关氦的报告，他声称，在研究沥青铀矿时，发现了一种惰性气体，于 是拉姆赛重复了他的实验，并把收集到的气体，进行光谱检验。

拉姆赛看到了明亮的黄色谱线，差不多与钠的色谱线相吻合。他便把气体标本寄给英国化学家克鲁克斯，请予判断。

很快就收到克鲁克斯的结果，这种气体就是氦，至此，第二个惰性气体被完全承认。

另外几个惰性气体元素的搜寻是由特拉费斯完成的。

最初他到各种稀有矿物中去寻找惰性气体，都宣告失败了，于是设想它们隐藏在空气中，就用液态空气作原料，采用分馏法来离析。终于，1898 年 5 月他用光谱法发现了一种新气体，取名为（氪），含有“隐藏”的意思。之后，经过不懈的努力，又分别发现了另二种惰性气体，就命名为“氖”，

岔有新奇的意思。“氙”，含有“陌生”的、“异国人”的意思。

且说在周期表中，按照原子量的大小，氦应排在氢锂之间，但在当时没有这么一族。拉姆赛认为：一般来说，周期表中相邻各元素随着原子量的增加，性质也是逐渐变化的，然而从氢到锂，尤其是从氟到钠，从氯到钾性质变化异样剧烈，令人感到反常。因此他相信，一定有一个以氦为首的惰性气体元素新族存在。

拉姆赛开始了极其艰难的研究工作。首先他把氖、氩、氪、氙四种惰性气体从空气中离析出来。然后采用液态氢作为致冷剂，其他气体在低温下都凝固了，唯有氦仍为气体，于是氦也被分离出来。

至此大气中分离各种惰性气体的壮举宣告圆满成功。这样，五个惰性气体便形成了周期表中的一个完整新族——零族。

零族元素的发现，进一步丰富了周期律的内容，使周期律又经受住了一次考验。

且说在周期表第三族中，包括钪、钇和全部镧系元素，共 17 个成员，被称为稀土元素，是周期表中最大的一族。

稀土元素的化学性质极为相似，在矿物中总是共生，所以稀土元素的相互离析一直是化学中的重大难题之一。稀土元素的逐个辨明，经历了漫长的岁月，在这条极其曲折的道路上，留下了几十位化学家的足迹。

稀土元素先是以氧化物的形式发现的，因为分布不广而极难分离，故被称为稀土，又因为它们类似于稀土金属氧化物，所以又称之为“土素”。

该族中第一个被发现的是钇。1788 年，瑞典的一位军官在斯德哥尔摩的

一个小镇上，发现了一块黑色石头。这块石头辗转到了芬兰著名化学家多加林手里。1794 年多加林从中分离出一种白色土质，其化学性质不同于任何已知的氧化物，于是给它取名叫多加林矿石，以纪念稀土研究的开创人多加林。

第二个问世的稀土族成员是铈。首先接触到它的是瑞典一位矿物学家。1781 年他把家乡矿山中产的一种矿石寄给舍勒，请他分析，舍勒没有找到其他特殊成分。1803 年，贝采里乌斯也在分析这种矿物，分析出一种白色氧化物，他称之为铈土。

贝采里乌斯称其中的新元素叫铈，为的是纪念刚发现不久的小行星—— 谷神星。

1839 年，瑞典的另一位化学家莫桑德尔，在研究铈硅石时，将其溶于稀硝酸时，有一部分不能溶解。莫桑德尔把可溶的部分叫镧土（希腊语含有隐藏的意思），把不溶的部分仍旧叫做铈土，

两年以后，瑞典另一名化学家埃尔得曼用稀硝酸浸取出镧土以后，再从中逐步沉淀出镧土时，发现先析出一种粉红色的氧化物，他认为这是隐藏在其中的一种新元素土质，于是就给它取名叫锱。他声称“锱和镧是难舍难分的孪生兄弟”。

莫桑德尔剖析了原来的“铈土”以后，1843 年他发现分离掉了铈土、镧土和锱土之后的钇土，居然至少是三种土质的混合物。白色的，他仍把它称做钇土；另一种是暗褐色的，他称之为铒土；再一种是淡玫瑰红色的，他称之为铽土。

到了 1878 年，搜索稀土元素的奋斗又取得了新成果。

这年，瑞士日内瓦化学教授马利纳克，从铈土中又发现了一种新土质， 他把它命名为“镱土”，称其中的新元素叫镱。

1879 年，瑞典化学家尼尔松又从镱土中分离出了钪土，其中所含新元素即钪。它就是门捷列夫当初所预言过的“类硼”元素。

1878 年，瑞典化学家索雷特开始借助分光镜寻找稀土元素，他看到有一组未知的时隐时显的光谱，于是猜想其中一定有一种新元素。几经努力，最后还是被瑞典化学家克利夫识破。

克利夫把一种元素命名为钬，以纪念他的故乡斯德哥尔摩；另一种白色略带淡绿色调的，他命名为铥，意思指他的祖国瑞典，在斯堪的那维亚半岛。

接着又发现了钫、钇、铵、镨等。至此，化学家们历经千辛万苦，终于取得了 15 种稀土元素。从此以后的很多年，再也没有人从自然界提取到新的稀土元素。

欲知后事如何，且听下回分解。