揭示元素周期律

德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫，1834 年 2 月 7 日生于西伯利亚的托波尔斯克，父亲是中学校长。

1841 年秋天，不满 7 岁的门捷列夫考进了托波尔斯克中学，成为当地的一大新闻。由于年龄太小，需要在中学一年级学习两年。他十分爱好数学、物理和地理，成绩优秀，父母为儿子的聪明和好学而自豪。

门捷列夫非常喜爱大自然，他和老师一起外出旅行，采集花卉和昆虫标本，深得老师的器重。

1847 年，门捷列夫的父亲去世，第二年他母亲经营的玻璃工厂也失火倒闭。

1849 年春，门捷列夫中学毕业了。老师们都说他具有卓越的才能和智慧，将来一定很有出息。母亲也了解儿子的志趣，希望儿于能成为科学家，便带着他到莫斯科求学去了。

然而，莫斯科大学并不欢迎这位西伯利亚的乡间少年，因他不是豪门贵族出身而拒绝让他入学。

他母亲不气馁，又带着他去了彼得堡。幸好他父亲有一位朋友现在身居要职，帮助门捷列夫进了彼得堡师范学院物理系。

在学院一些有名望的教授和物理学家椤次、数学家奥斯特罗格拉德斯基、地质学家库托尔加等的指导下，门捷列夫一方面受到了良好的科学教育，特别在矿物化学方面打下了坚实的基础，另一方面开始了创造性的科学研究。

1854 年，门捷列夫以优异的成绩从彼得堡师范学校毕业，前往敖德萨一

所中学任教。在 1855 年 5 月，他荣获了“一级教师”的光荣称号和金质奖章。在此期间，道尔顿的原子论和贝采利乌斯的二元学说，引起了门捷列夫

的极大关注，促使他探索物质的内部奥秘。他一边教书，一边准备硕士论文。1856 年，门捷列夫顺利通过彼得堡大学的硕士论文答辩。第二年初被批

准为彼得堡大学的化学副教授，时年 23 岁。

门捷列夫讲授的是理论化学和有机化学，教学工作非常繁忙，但他主要把精力放在科学研究上。当时，研究条件是非常差的，他的实验室是石头铺的两间小房子，设备非常简陋，连基本的试管也很少。

俄国当时的科学发展水平也很落后，无法和西欧一些国家相比。这些常常使门捷列夫感到苦恼。1859 年，他获得去德国海德堡大学深造的机会，跟随著名化学家本生研究物理化学。

1860 年 9 月，国际化学会议在德国的卡尔斯厄召开，门捷列夫也出席了这个盛会。在会上，化学家们广泛地探讨原子、当量以及分子、原子价等问题，并希望统一化学符号。

门捷列夫得以全面了解欧洲化学的实验水平和理论现状。特别是意大利青年化学家坎尼查罗不畏权威，力陈阿佛加德罗的分子观点，给门捷列夫留下了为真理而斗争的伟大形象。

1861 年，门捷列夫回国。为了反映化学新成就，他着手编写教材。但在

编写的过程中，如何排列已发现的 63 种化学元素呢？

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。

门捷列夫知难而上，渴望能在理论上有所建树。这需要多么大的勇气啊！门捷列夫从事纯理论工作，没有得到德高望重的前辈们的赞同。一位老

教授劝告他不要搞这些难有结果的研究，不妨做些别的工作。就连他的老师齐宁也不支持他的工作，甚至在门捷列夫发现了元素周期律后，还毫不客气地训诫他是不务正业，希望他干点正事。

门捷列夫坚持自己的奋斗方向。

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。”

于是，门捷列夫紧紧抓住原子量这个元素的基本特性，去探索原子量和元素的性质之间的相互关系。

在这个过程中，首先对前人的工作进行了认真地核对，批判地继承了前人的成果，又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。

在研究元素的原子量和原子价时，为了便于排列，门捷列夫把每个元素制成一个卡片，上面详细地注明他们的原子量、原子价、溶解度及性质，然后按照原子量的大小摆满了宽大的实验台。

门捷列夫的家人看到一向珍惜时间的教授突然热衷于“纸牌”游戏，感到非常奇怪。而他却拿起卡片像玩牌一样，一会摆到这儿，一会摆到那儿。通过对卡片深人的研究，他发现各种元素的原子量可以相差很大，而不

同元素的原子价变动范围却比较小。而且有许多元素具有相同的原于价。在比较同价元素的性质时，发现它们的性质非常相似，而且所有 1 价元

素都是典型的金属，7 价都是典型的非金属，4 价元素的性质介于金属和非金属之间。这使他坚信各种元素之间一定存在着统一规律性。

门捷列夫把元素按原子量的大小排列起来，发现像氯和钾这两个性质截然不同的元素，其原子量相差不多。而钾和钠的原于量相差很大，性质却十分相似。在钾以后的元素随原子量的增加其性质又显示出与钠到氯相类似的变化。

这些有规律的现象的出现，使门捷列夫更坚信各种元素的性质呈现出周期性变化的规律。

门捷列夫认为元素呈周期性变化的规律，应设法把它们排列起来。可是，排来排去都觉得不满意。夜深了，彼得堡大学的化学实验室仍然亮着灯光，

门捷列夫仍在排列卡片，他已经从鲜花盛开排到落叶缤纷，从赤日炎炎排到大雪飘飘，排了一年又一年⋯

这一天，他仍然在排着，已经三天三夜没合眼了，不知不觉中坐在椅子上睡着了，很快进人了梦乡，梦到了井然有序的元素周期表。

醒来后，立即排出梦中的表，后来发现只有一处需要修正。这就是门捷列夫的第一张元素周期表，时间是 1869 年 2 月。

门捷列夫制成周期表后，立即把它打印出来，分送给他熟悉的物理学家和化学家，并决定在 3 月份举行的俄罗斯化学学会上发表。

化学学会召开了，由于门捷列夫患病不能亲自出席，便委托他的朋友门舒特金代为宣读了题为《元素属性和原子量的关系》的论文，阐述了元素周期律的基本论点：

“按照原子量的大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性”；
“原子量的大小决定元素的特征，正像质点的大小决定复杂物质的性质一样”；
“应该预料到许多未知单质的发现，例如预料类似铝和硅的，原子量位于 65

至 75 之间的元素”，“元素的某些同类元素将按它们原子量的大小而被发现”；
“当我们知道了某元素的同类元素以后，有时可以修正该元素的原子量”。

这样，门捷列夫初步实现了使元素系统化的任务，把已发现的 63 个元素

全部列进表中。尤为注目的是，他在表中列出了 4 个只有原子量而没有元素名称的空位，表明门捷列夫预示必有这种原子量的未知元素存在。他还对表中的钍、碲、金、铋 4 个元素的原子量表示了怀疑。

门捷列夫的发现没有立即被承认，甚至他的老师也不支持。但门捷列夫深信自己的研究工作具有重要意义，不顾名家和权威的指责，继续对周期律进行更深人细致的研究。

门捷列夫从元素周期律的基本观点出发，大胆地修改了某些元素的原子量。

他在把元素按原子量大小排列时，发现元素铍破坏了化合价周期变化的规律。同时锂与硼之间相差太大，而碳与氮之间相距太近，好像前面少了 1

个元素，而后面多了 1 个元素，那么这个元素是铍吗？

于是他把铍放在锂和硼之间，化合价便呈现由小到大的规律性变化，但是原子量从小到大的变化却被破坏了，便果断地把被的原子量由 13.5 改为9。紧接着他重新测定了铍的原子量，果然是 9.4。

门捷列夫还对铀、铟、镱、饵、铈、针等元素的原子量进行了修改。1871 年，门捷列夫发表《化学元素的周期性依赖关系》，制作了第二个

“元素周期表”。

在这个表中，他首先将元素周期表由竖行改为横排，使同族元素处于同一竖行中，更突出了元素化学性质的周期性；在同族元素中，他和迈尔一样划分为主族和副族。他还预言了未知元素的性质。

元素周期律在化学发展史上具有重要的科学价值。从此，自然界的各种元素不再被看作是彼此孤立、不相依赖的偶然堆积，而是把它们看作是有内在联系的统一体。

元素周期律的发现，使人们对世界的物质统一有了进一步的认识。

元素周期表中，表明了元素性质发展变化的过程是一个由量变到质变的过程。每一周期的元素随着原子量的增加显示出性质逐渐地发生量变，到周期的末尾就显示出质的飞跃。到下一个周期不是简单的重复，而是由低级到高级的发展过程，从而反映了物质内部的本质联系，证明了辩证唯物主义的正确性。

门捷列夫的元素周期律是 19 世纪科学的重要成果，对当时以及后来的化学，还有相关科学产生了深远的影响。

门捷列夫的元素周期律为进一步寻找新元素提供了理论依据。

他在元素周期表中留有 6 个空位，预言其中有 3 个元素的性质分别类似于硼、铝、硅，他们的原子量大约是 44、68 和 72。

他指出，类铝这个元素的原子量为 68，原子体积为 11.5，比重为 5.9～ 6.0，它熔点低，易挥发，可希望在光谱分析中发现。

在门捷列夫预言的 4 年后，即 1875 年，法国化学家布瓦博德朗，在分析比利牛斯山的闪锌矿时，用分光镜发现了一个新元素，命名为“镓”。他把这一成果发表在《巴黎科学院院报》上，关于镓的几个数值是：

原子量：69.9，原子体积：11

.7，比重：4.7。

布瓦博德朗发现的镓正是门捷列夫预言的“类铝”。他兴奋地看到了这一消息，但布瓦博德朗的比重是 4.7，和自己预言的 5.9～6.0 之间相差较大， “肯定是他弄错了，或者是那块物质纯度不够！”门捷列夫非常自信。

不久，布瓦博德朗收到了门捷列夫的来信。信的大意是：衷心祝贺你发现了新的元素镓，但根据我的元素周期律推测，它的比重应该是 5.9～6.0 之间，希望你重新测量一下。

布瓦博德的感到非常奇怪，自己是世界上唯一拥有镓的人，这个俄国人怎么知道它的比重应该是 5.9～6.0 呢？于是将信将疑地重新进行了测定。

在对镓进行进一步的提纯后，布瓦博德朗测得的比重为 5.94，正处于5.9～6.0 之间。

布瓦博德的大为惊讶，立即回信对门捷列夫表示感谢，并著文盛赞他的元素周期表的成功，并指出：“我以为没有必要再来说明门捷列夫这一理论的巨大意义了。”

化学史上第一次预言的新元素发现了。

镓元素的发表，在科学界引起了巨大的反响，元素周期律迅速地闻名天下，得到了人们的承认。各个国家的实验室迅速行动起来，以期发现门捷列夫的其他元素。

在这场竞赛中，瑞典化学家尼尔森在 1879 年首先发现了“钪”。这是他在对硅铍钆矿石和黑稀金矿进行研究时发现的，它的特征几乎和门捷列夫预言的“类硼”完全符合。

钪的发现又一次光辉地证实了门捷列夫的元素周期律。

1886 年，德国化学家文克勒发现了“锗”，这又与门捷列夫预言的“类硅”极其相似。文克勒大为惊奇，由衷地赞叹道：“再也没有比‘类硅’的发现能这样好地证明元素周期律的正确性了，它不仅证明了这个有胆略的理论，它还扩大了人们在化学方面的眼界，而且在认识领域里迈进了一步。”门捷列夫的元素周期律获得了伟大的胜利，它的天才成就得到了全世界

的公认。

门捷列夫一生著述颇丰，发表 431 部（篇）著作，在 1869～1871 年写成的名著《化学原理》，是有史以来第一部根据元素周期律安排材料的化学教程，生前再版 8 次，各种外文本也多次再版。

门捷列夫的成就得到了全世界的承认，几乎所有的外国科学院都聘请他为名誉院士，他还担任了世界上 100 多个科学团体的名誉会员。

门捷列夫从一个西伯利亚的穷孩子，成长为世界上杰出的科学家，是他不懈努力的结果。

1907 年 1 月 27 日，门捷列夫坐在椅子上，手里握着笔。人们发现他已经逝世了。