探讨元素间规律性

门捷列夫是一个教学非常严谨的人，作为无机化学教研室主任，他觉得自己更应该将无机化学这门课程讲好。

他翻遍了所有的无机化学课本，阅读了许多当时有名的化学家的著作，还时不时地在别的教授讲课时去旁听。他吸取众人之长，勤勤恳恳地准备讲义。

拜柯夫院士曾经评价道：“由于门捷列夫对当时科学的发展有了明确的认识，他直接参加解决各种最新的基本问题，而且又结识了许多当代出色的人物，因此他的讲述就成了包括许多直接观察和印象的一股生动泉流。”

但是，门捷列夫的心灵深处，一点也不满足。

他讲授无机化学这门课以后，深深感到化学还没有牢固的基础，化学在当时只不过是记述无数的零碎事实和现象而已，甚至连化学最基本的基石元素学说也还没有一个明确的概念。这种状况对学生掌握这门科学十分不利。门捷列夫意识到编写一本无机化学的教科书是多么必要。当时的化学课本无论是国内的还是国外的版本都有内容陈旧、体系混乱的毛病。

门捷列夫决定动手写一本新的无机化学的教材《化学原理》，他将这本书进行了定位，规定它立足于大多数化学家所能接受的新原理，反映化学理论和实践的一切最新成果。

门捷列夫是从来不会把自己的计划束之高阁的。当他找齐了资料后，便开始了教材第一卷的编写。

第一卷前言写得非常顺利，于1869年3月就出版了。当众人都在期待下面的章节的时候，门捷列夫却忽然犯难了。

“这本书我究竟要以什么作为贯穿始终的线索呢？怎么写才能够让它条理清楚，让人一目了然呢？”门捷列夫又开始整理资料，可是越整理越是糊涂。

世界上各种元素组成的无机化合物，不过五万多种，含碳的有机化合物，则有三百多万种。当年门捷列夫编写《有机化学》时，分门别类，有条不紊，两个月就写完了，可现在他着手编写《化学原理》时，却感到无从下手。他觉得这些化合物都交错地掺杂在一起，想写这个，可是写着写着就跑到了别的上面，而且越跑越远。

线索！门捷列夫意识到造成这种现象的原因是没有找到能够将书贯穿在一起的线索。

当时人们所知道的元素只有63种，它们之间相互反应，生成各种各样的化合物，这些元素的性质没有任何两个是相同的，彼此反应形成的化合物也是五花八门：有的是气体、液体，其中有的没颜色，有的是蓝色、黄色、红色，有的软、有的硬，有的加热变硬，有的加热变软等。

这些无机物之间杂乱无章，要把这么多元素单质、化合物的性质一五一十地讲起来，会让人听得头发晕。

而教授们讲解的时候也无规律可循，他们都按照自己认为最方便的顺序：一般从氧讲起，因为氧元素在自然界分布最广；有的则先讲氢，因为它是最轻的元素，当时各个元素的原子量就是相对氢而言的；也有的人把铁放在最前面，因为它是用途最广的金属；也可以从金讲起，因为它是元素中最贵重的；还可以从最少见的铟讲起，因为它是最“年轻”的，刚发现的。门捷列夫在学习和工作中养成了良好的工作作风。他认为，修建科学的大厦光有材料不行，还需要计划、协调，这样才有可能取得成功。他不是一个盲目的收集材料的人，他是一个善于用独特方法处理素材的科学家。

针对无机化学面临的混乱世界，门捷列夫坚信，自然界并不存在杂乱无章的现象，如果看到自然界呈现出杂乱无章，那只是由于人们对自然界认识得还不够。化学元素之间存在某种“一般规律”，这种“一般规律”还有待于人们去探索，去研究，去发现。

他说：“当我在考虑物质时，总不能避开两个问题：物质有多少和物质是怎样的？就是说，有两个概念，物质的质量和化学性质。我相信物质质量的永恒性，也相信化学元素的永恒性。因此，自然而然地产生出这样的思想：在元素的质量和化学性质之间一定存在着某种联系。”

当时，大多数科学家热衷于研究物质的化学成分，醉心于发现新元素，但很少有人整理和概括这方面的材料。虽然一些有识之士也曾探索这方面的理论，由于存在这样或那样的缺点，不断遭到攻击，研究的人越来越少。

夜深了，门捷列夫站在窗前遥望着夜空，不断地问自己：“我应该怎么做呢？寻找化学元素之间的规律，是件纯理论的工作，是很难有结果的研究，甚至会被认为是不务正业。我真的要做下去吗？”

这时，他仿佛听到天空的一角传来巴赫的钢琴声，他仿佛听见巴赫在说“能用简单的主题，呼唤出整个世界”，他仿佛看见康尼查罗那执着的身影。

是啊，巴赫虽饱受嘲讽，却在音乐史上树起了一座里程碑；康尼查罗的观点虽一开始不被接受，却是为化学研究的正确方向勇于探索的孤胆英雄。对！我要知难而上，要为了自己的信念坚持下去。

于是，门捷列夫开始了自己执着地钻研。他将整个过程分为两步：

首先是对前人在同一问题上的工作进行尽可能多地了解、熟悉、掌握，从中汲取丰富的营养，指出失败的教训与成功的希望，使下一步研究工作少走弯路。

其次，对所掌握的大量资料进行比较、核对和验证，进行去粗取精、去伪存真的整理工作，对于一些有疑问的，根据其化学性质并利用原子价、当量、相对原子质量之间的关进行某些修订。

在化学元素之间寻找其相互联系的工作，最早作出努力的是法国著名化学家拉瓦锡。

正如人们所评述的那样，如果把波义耳描绘成左手握着气筒，右手举着木槌，正奋力敲钟为化学世界报晓的先驱，那么拉瓦锡就应该被描绘成左手握着水银曲颈瓶，右手指向天平的领路人。

拉瓦锡否定了古希腊哲学家的四元素说和三要素说，建立了在科学实验基础上的化学元素的概念：

“如果元素表示构成物质的最简单组分，那么目前我们可能难以判断什么是元素；如果相反，我们把元素与目前化学分析最后达到的极限概念联系起来，那么，我们现在用任何方法都不能再加以分解的一切物质，对我们来说，就算是元素了。”

在1789年，出版的历时四年写就的《化学概要》里，拉瓦锡列出了第一张元素一览表，元素被分为四大类：气体，光、热、氧、氮、氢等物质元素；简单的非金属物质，硫、磷、碳、盐酸素、氟酸素、硼酸素等，其氧化物为酸；简单的金属物质，锑、银、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌等，被氧化后生成可以中和酸的盐基；土质，石灰、镁土、钡土、铝土、硅土等。

这个分类只能是个尝试，其中有很多不是元素，也没有触及到元素之间的内在联系。

以此为发端，到周期律发现的百多年间，由于新元素的大量出现，认识元素之间规律性方面的工作不下几十起之多。

这些工作，一方面逐步清除了那些并非真正的元素，如光、热、石灰等，另一方面逐步地将越来越多的元素依照其理化性质变化情况，联系在一起。其中有代表性的工作有：

瑞典化学家贝采利乌斯把元素分为三类，即负电性元素、过渡性元素、正电性元素。他试图以元素的本质来分类，稍微有些进步。

1851年，英国医生普劳特第一次试图把所有的元素统一在一定的秩序下。他根据当时测定的原子量都近似整数，并且是氢原子量的整倍数，提出所有元素都是由氢原子构成的假说。它们的性质之所以不同，无非是因为所含有的氢原子多少不同罢了。

普劳特的假说过于牵强，化学家的权威责问他：“氢的原子量是1，为什么许多元素的原子量不是整数？”

普劳特不能说出让人信服的理由，他的新观点不得不被认为是一种臆造当。但他第一次从原子量方面来研究元素之间的关系，影响较大。

到了1829年，德国化学家德贝莱纳在探索元素的原子量和其化学性质相互关系的基础上，对元素进行局部分类，提出“三元素组”的分类法。

从已知元素中抽出15种，分为5组：锂钠钾、钙锶钡、氯溴碘、硫硒碲和锰铬铁。

德贝莱纳发现，某三种化学性质相近的元素，如氯、溴、碘，不仅在颜色、化学活性等方面可以看出有定性规律变化，而且同组元素中，中间一个元素的性质介于前后两个元素之间，而它的原子量正好是前后两个元素原子量的算术平均数的近似值。

“三元素组”分类法，向人们揭示了元素的原子量和元素的性质之间确实存在着内在关系，为人们指明了探索元素规律的方向。

1850年，德国药物学家培顿科弗提出，性质相似的元素原子量相差常为8或8的倍数，并对“三元素组”分类法进行了修正，把一些原子量相近、性质相似的元素加进相关的组中去。

尽管他找到的规律仅能说明局部，而且使人感到偶然性的成分更大，但是，这种从事物本身来说明事物，寻求联系，由定性到定量的过渡却代表了本质上正确的新方向，开了寻找元素间规律的先河。

他的工作启发了一批科学家开始进一步研究相对原子质量与化学性质的关系。

1862年，法国化学家尚古多创造了一个“螺旋图”。他把当时已发现的62种元素按相对原子质量大小，有序地标在圆柱体表面的一条上升的螺旋线上。他惊奇地发现：

化学性质相似的元素竟出现在同一条垂直的直线上，如Li-Na-K；Cl-Br-I；S-Se-Te等，和德贝莱纳的“三元素组”极为相似；同一条母线上的元素的相对原子质量差值，大多数接近某一个常数16；每隔一定数目的元素，又有性质相似的元素出现在同一条母线上。

根据“螺旋图”，尚古多第一次提出元素的性质有周期性重复的规律。他于1862年和1863年，向巴黎学院提交的有关这方面的三篇论文、图表和模型，由于其与某些元素化学性质的实事不尽符合，而遭到拒绝。

虽然尚古多的螺旋图并未在周期律的发现史上起到应有的作用，但是它却向元素周期律迈出了有利的一步。

1864年，德国化学家迈尔出版了《近代化学物理论》一书，发表了第一张化学元素周期表。这是迈尔在详细研究各元素物理性质的基础上，按照元素原子量的顺序编排的“六元素分类表”。

这张表将每组三个元素扩大到了每组六个元素，排列的顺序也是按照原子量的大小为先后，各组中相似位置的后面元素的原子量与前面元素的原子量之差非常接近。

这张表按原子量排成顺序，对元素的分族作得已经很好，有了周期表的雏形。只可惜表中元素还不及当时已知元素的一半。

这张表当时没有引起化学界的关注，迈尔教授放弃了。

1865年，英国工业化学家纽兰兹把当时已知的元素按相对原子质量大小的顺序加以排列，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，就像声乐的音阶一样。

于是，他把各种元素按原子量递增的顺序排成了有几个族系和周期的周期表，并将其称为“八音律”表。

可当1866年3月，纽兰兹站在伦敦化学会的讲坛上，满心欢喜地报告了自己的发现后，不仅遭到漠视，而且被人挖苦。

“如果按原子量把元素挨着排列起来，就可以得到重要的定律的话，那么按元素的名称的第一个字母，依照字母表的顺序排，又将发现什么呢？”

最后的结果是，人们对纽兰兹的发现不屑一顾，甚至连他的论文也未能在会刊上发表。纽兰兹在遭到别人责难时退缩了，中止了自己的探索，未能将碰到鼻尖的真理揭示出来。

这一百多年有价值的探索，并未能在科学界得到公认，其根本原因是未能找到有说服力的、内在逻辑条理明晰的结论。尽管这些工作对局部、个别、部分元素颇为有效，但对全局、一般、整体来讲，缺少必然性的描述，而这恰恰是建立周期系统应当完成的历史任务。

这些化学前辈们没能够揭示化学元素的最终规律，究其实质，或是对这一自然规律的存在本身表示怀疑，或是对人揭示这一规律的能力表示怀疑。门捷列夫在综合分析了化学元素漫长的发现过程后，更加坚定了揭示真理的信念，坚信规律存在的客观性和可能性。

他认为某些元素有着极大的相似性，而这些相似性决非偶然，一定有某种内在的依从性。一切的元素，应该毫无例外地有着某种特征，即决定它们之间的类似，又决定它们之间的差别。

知道这点以后，就可以把所有的元素连同它们那不计其数的化合物，全都排成十分整齐的行列，像按照个子高低把士兵排成一队一样。他觉得自己正处在黎明前最黑暗的时刻，只要以百折不饶的精神坚持下去，他就一定能够解开这困惑了人们多年的迷雾。