科学史奇迹：直觉的贡献超越理解

面对60多种已知元素，所有化学家都试图整理出一个体系，但只有一个人成功了:他做了一个有很多空格的表格，像一个待解的数独。

他从未声称自己理解这张表的结构和周期。

人们学习化学时总是使用元素周期表毫无疑问，如果有一天人类接触到了地球以外的生命，那么两大智慧文明的共同点一定是包含了有序的，众所周知的元素列表

——约翰·艾姆斯利①

古希腊哲学家在亚里士多德的指导下，认为以各种形式存在并构成我们周围世界的物质可以用四种基本物质来概括，即土，火，气和水在17世纪之前，这个简单的想法被尊崇为事实，直到炼金术衍生出的化学让人们发现了其他元素的存在土不是单一的物质，气也不是只有一种气体组成的在18世纪，元素谱系经历了戏剧性的增长当时，人们发现了许多新的金属，如钴，镍，锰，钨，铬，镁和铀，以及新的气体，如氢，氮，氧和氯，这些都是首次分离出来的

化学中元素的概念最早是由罗伯特·波义耳提出的:不能再被物理过程分解的物质是元素此后，法国化学家安托万·洛朗·德·拉瓦锡于1789年正式命名了元素拉瓦锡选取了33种物质，定义了它们的元素状态，并把它们分成四组:金属，非金属，土和气后来，人们发现，这些元素中的一些实际上是化合物，而另一些，如热和光，甚至不是化学物质以下是拉瓦锡作品中的元素列表只有标有红色的元素至今仍被视为化学元素

气体:热，光，氢，氮，氧。

土:氧化铝，重晶石，石灰，氧化镁，二氧化硅。

金属:锑，砷，铋，钴，铜，金，铁，铅，锰，汞，钼，镍，铂，银，锡，钨，锌。

非金属:硫，磷，碳，氯化物，氟化物，硼酸盐。

这里的土族其实都是氧化物，比如石灰就是氧化钙，硅石就是二氧化硅但在当时的条件下，拉瓦锡无法从化合物中提取氧原子，也无法独立识别相关元素其他伪元素属于非金属类同样，拉瓦锡也无法以当时的技术将这些元素分离成氯，氟，硼等单一元素法国大革命期间，拉瓦锡成为了让·保尔·马拉的敌人，并最终在1794年的恐怖统治期间因卷入国家税收丑闻而被送上断头台法官宣布:共和国不需要天才但仅仅18个月后，革命政府就改变了主意，称拉瓦锡其实是被冤枉的

之后，一位来自英国曼彻斯特的科学老师在这项研究的基础上更进一步1805年，约翰·道尔顿向曼彻斯特文学和哲学协会提交了一篇论文，解释了元素相互结合的各种方式以及基本成分如何形成不同的重量当时，大多数化学家认为原子太小，无法研究但是道尔顿更有冒险精神他提出了一个包含20种元素及其重量的表格，并标记了可以显示它们如何组合的符号从这个元素表可以推导出更多的化合物:化合物21是水，描述为HO，化合物22是氨，描述为NH这些现象是众所周知的化学方程式的雏形

可是，道尔顿的符号太复杂，无法使用我们今天使用的化学符号来自瑞士化学家Yongsbetselius ，他也是道尔顿的崇拜者Bethelius只是用元素名称的第一个字母来标记元素，或者在有歧义的情况下用两个字母来标记，比如C代表碳，Co代表钴当这些符号绑在一起，他们可以代表化合物，如H2O

硫酸铜+盐酸硫酸+氯化铜

道尔顿对化学语言的新复杂性感到震惊看了新的程序后，他说:恐怕一个年轻的化学系学生必须学习希伯来语新元素不断被发现，汉弗莱·大卫用电解法将拉瓦锡最初提出的土组元素分解为实元素在1863年，有超过60种元素元素大爆炸有极限吗

约翰·道尔顿在1805年划分的20种元素及其重量

在当时，这真的是一个很吸引人的问题如果有极限，元素个数是多少真正能决定这个极限的因素有哪些

在19世纪，许多人勇敢地尝试根据元素的重量和属性对元素进行分类当时所有最好的化学家都会建立一个类似的系统可是，他们都被一位来自西伯利亚的俄罗斯化学教授打败了

德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫1822年出生在西伯利亚波尔斯克一个当地小学校长的家里他有13个兄弟姐妹门捷列夫的母亲坚信这个儿子有特殊的才能，应该接受一切可能的素质教育，于是把儿子送到圣彼得堡上学她是对的大学期间，门捷列夫的学习成绩一直名列前茅之后，他去了法国工作，然后去了德国海德堡，在那里做了当时德国化学家罗伯特·本生的助手最后，在1867年，门捷列夫回到了圣彼得堡，成为了大学的化学教授

1867年春天的一天，门捷列夫因为天气不好待在家里，只好借机继续写一本新教材，叫《化学原理》他不知道如何显示和排列数量激增的元素及其属性于是，他把每种元素的名字写在一张卡片上，上面有相应元素的一些属性，还有氧化物和氢化物然后，他开始用各种方式排列卡片，试图找到一种模式:同价元素横向排列，元素按原子量降序纵向排列突然，他发现了一个非常有特色的安排他把结果写在一个旧信封的背面，今天人们在圣彼得堡仍然可以看到这个信封

1867年，门捷列夫草拟了原始的元素周期表。

接下来，门捷列夫发明了一个更简洁的版本他把从锂到氟的前七种元素按照原子量增加的顺序横向排列，然后从钠到氯的七种元素也是这样排列于是，周期性出现了:在列中，两种化学性质相似的元素紧挨着在七列中，第一列的主价是1，下一列的主价是2，然后分别是3，4，3，1接下来，门捷列夫很快发现，如果把表格翻转过来，交换行列，表格会更清晰我们现在也能认识到这个结果，虽然今天的表已经被很多新元素填满了

表格中有8列，或8个周期1870年，门捷列夫将63种已知元素分成12行，以氢开始，以铀结束每种元素都被放在一个化学性质相似的柱子里，并按原子量的升序排列

门捷列夫表中显示的结果在直觉上有一个重要贡献，就是预言新元素的存在他没有像其他人一样把所有已知元素放在一个完整的元素周期表里如果是亚里士多德，他肯定会这么做门捷列夫认为，如果元素周期表具有逻辑结构，就意味着其中可能存在空白他推测新元素将填补这些空白，表格的周期性可以用来预测原子量和原子密度在硼，铝，硅下，他推导出三种未被发现的元素，并命名为类硼，类铝，类硅这三种元素相继被发现，它们的原子量和密度与门捷列夫的预言一致:类铝于1875年在法国巴黎被发现，被称为镓，类硼是1879年在瑞典乌普萨拉发现的，被称为钪，类硅是1886年在德国弗赖贝格发现的，被称为锗

门捷列夫还预言了第四族的新成员，其原子量约为180这种元素最终于1923年在丹麦哥本哈根大学被发现，原子量为178.5，被命名为铪

1893年，门捷列夫成为俄罗斯计量局局长，做出了令人钦佩的贡献他正式定义了伏特加的成分:一分子酒和两分子水伏特加的分子量是38%的酒精和62%的水1894年，俄罗斯计量局发布的法定标准将这一数字略微调整为40%酒精和60%水这是80%的美国标准酒精含量

对于门捷列夫的成就和他对当代科学家的巨大影响，杰拉尔德·霍尔登曾经有过这样一个绝妙的比喻:这就像一个图书管理员把所有的书放在一堆，一本书一本书地称重，然后按照重量升序排列在不同的书架上然后，他突然发现每个书架上的第一本书是关于艺术的，第二本是关于哲学的，第三本是关于科学的，第四本是关于经济的，以此类推我们的图书管理员可能并不理解这些规则的内在原理，但一旦他发现其中一个书架上的书的顺序是‘艺术—科学—经济’，他就会在艺术书和科学书之间留下一个空白，开始寻找丢失的重量适当的哲学书

我们可以从元素的一个属性看出元素表的周期性，比如原子体积除以原子量这是由朱利叶斯·迈耶在1870年首次发现的碱金属出现在图表的顶部

门捷列夫从未声称他了解这块手表的结构和周期这是直觉上的一大飞跃他认为这些元素具有内部对称的结构，但他从未想到他的形式是一种方便的检索工具，最终导致他做出了戏剧性的发现和预测虽然门捷列夫没能在他面前发现这些元素的规律，但他知道这张表会帮助别人完成它

现代版的这个周期表分为7行，每行2，8，8，18，18，32，32个元素在人们发现了原子的量子理论之后，这个模型就可以理解了电子的量子波方向的性质意味着只有波长的整数倍才能使电子负载在周围的轨道上周期表每一行中元素数量的增加反映了每个原子围绕原子核的轨道中电子数量的增加量子力学允许最里面的轨道包含两个电子，然后是六个，然后是十个和十四个电子

在得到的周期表中，每一行的元素数是轨道充满电子时的电子数，所以有8 = 2+6，18 = 2+6+10，32 = 2+6+10+14每一行中的元素按照原子序数升序排列，而每一列中的元素按照相同的最外层电子数排列，从而得到现代形式的元素周期表在每一行中，我们有规律地给轨道添加电子，直到轨道填满，最后的结果就是位于周期表最右边的惰性气体然后，我们打开下一行，填充下一个轨道值得一提的是，门捷列夫在发现电子和质子之前就发现了这种模式他研究了原子量和化合价，用这种简单的方法找到了这两种化学性质的本质

今天，门捷列夫的周期表出现在世界上每个化学实验室的墙上看来他妈妈的决定是对的

门捷列夫元素周期表这是俄罗斯化学家门捷列夫在1869年出版的第一版元素周期表他在表格中为新元素留出了空白科学家后来发现了这些元素，从而证明了门捷列夫猜想本版所列元素均以化学符号表示，并按原子量排序，但完整的元素排序尚未出现在1871年的最终版本中，原子的排列就是我们今天所知道的柱或群

给…作注解

大自然的积木牛津:牛津大学出版社，2003: 527

lav sier a . traitélémentaire de Chimie1789.这是新化学的普及教材，多年来在化学教育中发挥了重要作用。

这让人想起基本粒子的现代定义当然，拉瓦锡并不知道原子的内部结构:由夸克组成的质子和中子构成原子核，后者被电子包围

1804年在伦敦，Bethelius听取并讨论了道尔顿在皇家科学院的演讲，了解了道尔顿的研究工作。

该方程式表明硫酸铜和盐酸的结合可以产生硫酸和氯化铜。

其中，朱利叶斯·迈耶的研究或许是最值得关注的1868年，他画出了49种元素的原子体积和原子量，发现了周期变化他准备了一篇论文让他的朋友评论，但不幸的是，这位朋友反应迟钝，未能完成结果门捷列夫在迈耶之前发表了更全面的版本

1815年，英国化学家威廉·普劳特设计了一份详细的清单，其中所有元素都是由氢构成的在19世纪，人们称之为普劳特假说

门捷列夫:一个伟大科学家的故事纽约:麦格劳—希尔公司，1948年

可以在门捷列夫博物馆和圣彼得堡国立大学档案馆看到。

氢气因其独特的性质而被排除在外，而稀有气体尚未被发现。

在希腊语中，前缀eka的意思是跟随。

物理学概念和理论导论用不锈钢刷进行第二次修订普林斯顿:普林斯顿大学，1985: 337

而固体和液体物质的原子体积等于原子量除以密度。

别忘了，可能还有未被发现的超重元素，它们不稳定，只存在很短的时间。

普里莫·莱维的名著《元素周期表》伦敦:迈克尔·约瑟夫，1985讲述了他自己非凡一生中的许多独特经历他既是工业化学家，也是纳粹集中营的幸存者不同的章节描述不同的事件和人物，每一章都以一个元素命名例如，意大利著名天体物理学家，已故的尼古拉·达拉波特曾作为年轻助教出现在一个名为《钾》的章节中，该章节讲述了1941年的的里雅斯特事件20世纪80年代，我在的里雅斯特遇到了达拉波特他和我的导师丹尼斯·西阿玛是意大利国际高级研究所的联合主任因此，我很荣幸地亲自确认，达拉波塔就像40年前李维遇到的那个年轻人一样迷人，友好我甚至发现，达拉波特被一些意大利人戏称为钾，正是因为他在李维的名著中扮演了重要角色列维曾说，当他在战争中被囚禁和折磨时，认真研究元素周期表是他重要的心理安慰他知道，当作恶者颠倒黑白，企图篡改人类伦理标准时，他们无法改变元素周期表中的事实——有一块绝对真理的基石，谁也无法撼动