元素周期律的发现——对“科学”的完美诠释_风闻

1、科学是获取知识的过程，而非知识本身。

2、这个过程又被称作科学方法，其涵义是通过组织一个经严格验证被认定可信的解决问题的方案来获取信息。

3、科学方法包含以下重要元素：严谨的观察、构建假说并验证之、对新信息新点子的开放性、自愿接受他人的经过验证的成果。

科学只能解决有客观现实基础的问题。由于信息的缺乏或者误解，人们有时候也会得出错误的结论。但是科学本身是具有自我纠错能力的，当我们获取了新的知识，就必须改变或者抛弃原本错误的想法。

科学与非科学的根本区别在于假设能否被验证。伪科学不是科学，却用“科学”的外表和“科学”的语言来说服、迷惑和误导人们认为它是科学可信的。但它们经不起真正的科学的检验。

       在门捷列夫发现元素周期律以前， 化学这门学科已经诞生了２００ 年以上。在这段时间里， 这门学科虽然有了很大进展， 但是， 它只是积累了很多零散的知识而已。这些知识之间的内在联系如何， 怎样才能把它们系统起来， 还是没有解决的问题。因此， 这时的化学学科， 就像个管理不好的库房一样， 虽然各种材料很多， 但是东一摊、西一摊， 放得个乱七八糟， 毫无规律。

　　当时学校里的化学老帅， 包括大学里专门教化学的教授在内， 在这一大堆乱七八糟、漫无秩序的材料面前， 对於如何组织教学， 谁也拿不出好主意来， 只能各行其是。有的人先从氢讲起， 因为它最轻；有的先讲氧， 因为它分布最广；有的先讲铁， 因为它是最常见的金属；……

　　化学家们实在不能继续容忍这种混乱的状态了! 大家都在想， 怎样才能找到一个规律， 把这些各种各样的元素有系统的排列起来， 把这些杂乱无章的化学现象和化学知识系统化起来。

　　１８２９ 年， 德国化学家段柏莱纳在比较各种元素的原子量的时候， 注意到有几个化学性质很相似的元素组， 每组包括三个元素。在每一组的三个元素中， 按原子量的顺序排列， 中间那个元素的原子量大约是两边的元素原子量的平均值。

　　例如: 锂、钠、钾三种元素的性质就很相似， 它们都是金属， 能和水激烈地反应放出氢气， 并且生成很强的碱。排在中间的元素钠， 它的原子量 (２３) 正好是锂 (７) 和钾 (３９) 原子量之和的二分之一。

　　氯、溴、碘三个元素都是非金属， 都能和金属起反应， 它们的原子量也有上边说的那种情况。

　　这样三个元素一组、三个元素一组， 共找到五组。段柏莱纳把它叫做三元素组。

　　三元素组的分类方法， 虽然比过去进了一步， 但它只包括了１５ 个元素， 还有几十种元素没有归纳进去。另外， 这一组一组的元素相互间有什么关系， 段柏莱纳也说不出来。

　　在这以后， 还有许多人尝试过用各种方法分类和归纳元素， 试图从中找出规律性的东西。其中比较引人注意的一种方法， 就是英国人纽兰兹提出的八音律。在音乐中， 当我们把音符１ (do) 、２ (Le) 、３ (mi) 、４ (fa) 、５ (So) 、６ (La) 、７ (Ti) 、i (do) 、２ (Le) 、３ (mi) ……排起来的时候， 你从任意一个音数起， 数到第八个音时， 一定和第一个音的的唱法一样， 这两个音之间的距离就是八度。纽兰兹把当时已知的元素按原子量一个比一个增加的顺序列成行的时候， 他发现， 从任何一个元素开始， 数到第八时， 就会出现一个和第一个元素性质相似的元素， 好像音乐中的八度音一样。纽兰兹把这种现象叫做八音律。

　　纽兰兹根据八音律把当时已经知道的元素编了号， 排成了一张表。从这张表里元素排列的顺序来看， 在第一行氢、锂、铍、硼、氮、氧这七种元素之后的氟、钠、镁、铝、硅、磷、硫分别和前七种元素相似。第二行的氯、钾、钙也分别和氟、钠、镁性质相似。再往后就不能令人满意了， 比如２２ 号位置上的钴和镍， 同前面的氟、氯的性质便没有什么相似的地方。１８６６ 年， 纽兰兹在英国化学会的年会上报告了它的这种分类方法。遗憾的是， 他不但没有受到应有的鼓励， 反而因为回答不出听众提出的许多问题而受到了奚落。伤心的纽兰兹失去了勇气和信心， 放弃了他的理论研究工作而改行去干别的事了。

　　这样， 化学家们尝试把元素系统化的努力又一次失败了。

       1867年，在俄国圣彼得堡大学任化学教授的门捷列夫(1834年2月7日—1907年2月2日)也向这个领域发起了挑战。为了摸索元素间的内在联系，他用硬卡纸制了63张像扑克牌似的卡片，每张卡片写上一种元素的化学符号，以及它的性质和原子量。然后，他玩起这些“纸牌”来。他想按原子量的大小把卡片排成一张表，就像打扑克一样，一会儿排齐，一会儿分开，不断地调换着桌子上纸牌的位置。

       当时门捷列夫面临的最大困难是：在已经发现的元素中，有的原子量测得不准，还有许多元素当时还没有被发现。有一次，他从按原子量大小排列的表中，惊奇地发现有好几处都是在某个元素之后，隔了7个元素又出现了一个与这个元素性质十分相似的元素。他心里豁然开朗：元素性质具有周期规律重复。但一些元素按照现有的原子量，出现在了错误的位置，比如当时已知元素作如下排列：

　　元素：  氢     锂     硼     碳     铍      氮      氧      氟

　　原子量：1     7      11     12    13.5   14     16     19

根据铍的化学性质，它应该在锂（原子量7）和硼（原子量11）之间，原子量应该在9附近。门捷列夫判断这些元素的原子量有误差，重新校定后的原子量必定落在周期律中的位置上。

      门捷列夫要解决的第二个问题，就是未知元素的化学性质。一段时间后，门捷列夫发现钙的原子量是40，而后面的钛却猛增到47.9，性质也上也与周期律脱节，这说不过去。经过反复思考和研究，门捷列夫大胆地推测：这60多种元素，并不是全部，肯定还有许多没被发现的元素；比如钙与钛之间就有一个还没“出世”的元素。他没法证明这是什么元素，便命名为“类硼”，并给它留下一个“家”——在钙与钛之间。门捷列夫进一步发现，锌后面本来是砷，但砷的化学性质与磷相似。于是经过计算，他把砷放在磷后面，锌后面空出了位置。门捷列夫把这种未知元素称为“类铝”，并预言了这种元素的性质。

       1869年的一天，俄罗斯化学会邀请专家进行一次学术讨论。大家各抒己见，好不热闹，只有门捷列夫一言不发。主持人躬身说道：“门捷列夫先生，您有什么高见？”门捷列夫也不说话，起身走到桌子的中央，从口袋里取出一副纸牌，甩在桌面 上。在场的人都大吃一惊。只见门捷列夫三两下便将乱糟糟的牌整理好，大家这才发现那并不是一副普通的扑克：每张牌上写着一种化学元素的名称、性质、原子量等，共63张，代表着当时已发现的63种元素。更怪的是，这副牌中有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。接着门捷列夫在桌子上列出一个牌阵：竖看就是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别各一列，横看七种颜色的纸牌就像画出的光谱段，有规律地每隔七张就重复一次。周围的人都傻眼了。

       1869年3月，门捷列夫在他题为《元素性质与原子量的关系》的一篇论文中首次提出了元素周期律，发表了第一张元素周期表。

      他将元素在图表中以元素的原子序数逐渐增大的顺序进行排列，创造了元素周期表的雏形。这种结构化的顺序帮助门捷列夫和其他科学家确定了元素之间的相似性和差异性，有助于预测未来的化学反应。虽然门捷列夫的元素周期表包含 63 种元素，但他预计总有一天会发现其他元素，因此他在周期表中留出了空位，以便进行补充。今天，元素周期表上确定的 118 种化学元素包括构成宇宙中所有已知物体的物质。铁（Fe）是地球物质构成中最丰富的元素（按质量计），而氧（O）是地壳中最常见的元素。

       门捷列夫发现元素周期律的论文公布后，并没引起科学界的轰动，相反，许多化学家们都表示怀疑。尤其是对他预言并描述当时还未发现的类硼、类铝和类硅三种元素情况，均说不可理解。1875年，法国化学家德布瓦博德兰检测在闪锌矿样品的原子光谱时发现两条紫色谱线，后来经过电解其氢氧化物的氢氧化钾溶液得到镓。经测定，这种新元素比重是4.7克/立方厘米。这种新元素与元素周期律中的类铝太相似了，唯一不同的就是比重。门捷列夫元素周期表中得出类铝的比重在5.9—6克/立方厘米，门捷列夫看到《法国科学院院报》上一则关于发现新元素镓的报道内容后，给布瓦博德朗教授写了一封短信：“亲爱的布瓦博德朗先生，听说你发现了一种名叫镓的新元素，可喜可贺。从您提供的镓的性质推断，镓就是我曾预言的类铝。镓的比重应为5.9—6克/立方厘米，而不是4.7克/立方厘米，看看是不是测错了。这件事关系到元素周期律的的正确与否，万望重视！”

　   布瓦博德朗立即礼貌性地回了一封信。在信中，他说自己经过多次测定，镓的比重不会有错。门捷列夫自然不愿放弃这次机会，便写信告诉布瓦博朗德，两人的测定的镓比重不一致，是不是某一方实验室的镓不够纯净所致。

　　开明的布瓦博德朗重新提炼镓，并再次测定其比重。结果连他自己也感到惊讶：镓的比重是5.96，正在门捷列夫所指出的5.9—6克/立方厘米范围！布瓦博德朗怀着敬佩的心情给门捷列夫写了回信，信中高度肯定了这位元素周期律大师预言的科学性。

       法国科学家用实验的方法，第一次验证了门捷列夫的预言，从而证明了元素周期律的科学性。这件事在欧洲科学界引起了巨大的反响。门捷列夫关于化学元素周期律的论文，被迅速地译成法文和英文 ，并且发表于欧洲各大科学刊物。元素周期律验证之旅正式拉开序幕。自此，许多科学家根据元素周期表，去探索尚未被发现的元素。几十个著名的实验室都在紧张地工作，千百个科学家渴望获得新的发现。

　　以后的验证速度出乎门捷列夫的意料。公元1880年，瑞典两位化学家差不多同一时间发现了一种新的元素——钪（kàng）。他们经过推测，钪正是元素周期律中所预言的类硼。

　　喜讯继续传来。公元1886年，德国化学家文克列尔用光谱分析法发现了一个新的元素——锗（zhě）。文克列尔惊奇地发现，锗与门捷列夫预言过的类硅的性质非常相似。原来，门捷列夫预言类硅的原子量大约是72，比重大约是5.5，沸点大约是90摄氏度；它几乎不和酸起作用，但可和碱作用，并极易溶解于碱。文克列尔的结果是：锗的原子量为72.3，比重为5.35，沸点为86摄氏度；它很难和酸作用，但在熔融时极易和碱起作用，并易溶解于碱……预言竟如此准确，谁都想不到。

　　公元1895年，英国化学家拉姆赛发现了新元素氦。氦正是门捷列夫在1871年排列出的原子量为1到7、位于氢和锂之间的无名元素。三年后，英国化学家拉姆赛又发现了新元素氖（nǎi）。氖就是门捷列夫指出的位于氟和钠之间、原子量为20的元素。

　　最大的验证来自居里夫妇。公元1898年，居里夫妇发现了放射性元素镭，原子量为226.0254。当初，门捷列夫预言这种“类钡”元素的原子量在210至230之间。

       在周期表里, 我们把横排叫做周期．现在周期表里, 共有７ 个横排, 就是有７ 个周期．纵行叫做族, 就是家族的意思；族里面还有主族和副族之分．现在的周期表里共有８ 个主族, 它们是第１ 到７ 主族和零族．还有８ 个副族, 它们是第１ 到第７ 副族以及第８ 族．表的左侧标出的阿拉伯数字, 代表周期的次序；表的上方的罗马数字代表族的次序；罗马数字右边的字母A 代表主族, B 代表副族．由於元素周期表是根据元素周期律排列出来的, 因而在每一个横排也就是同一个周期里的元素的性质, 从左到右呈现出有现则的变化；每一竖行也就是同一族里的元素, 都具有相似的性质, 并且这种性质依照从上到下的次序也呈现出逐步增强或者减弱的趋势。

       在每个周期，元素的原子序数从左到右逐渐增大。同一周期的所有元素具有相同数量的电子层，但是具有不同数量的电子和质子。化学元素族具有相似的属性，例如，具有与钠 (Na) 相似性质的元素包含在同一族中，例如锂 (Li) 和钾 (K)。

       周期表帮助化学家们按属性和类似性分类元素。其中一种元素排序方法为将它们分为三类：金属、非金属和类金属。

       元素周期表中的大多数元素都被视为金属。它们具有相似的特征，多数为固体、有光泽，是良好的导电体以及具有延展性。

       非金属具有与金属相反的特性，它们为脆性而非柔性，不是强导电体或导热体。部分非金属为液体，部分为气体。

       准金属，也被称为半金属，是介于金属和非金属之间的物质。准金属具有独特的导电性能，这使得它们在半导体和计算机芯片工业中应用较广。

       1901年3月，虞和钦在杜亚泉主办的科学期刊《亚泉杂志》第6期上发表《化学周期律》。此文共7页，其正文分为五部分：元素的天然分类、周期律表、各周期元素的规律性、各属(主族)元素的规律性、周期律的功能，而周期律“向来译书中未曾述及”，故虞氏的《化学周期律》一文，是中国最早完整引介“元素周期律”和“元素周期表”的文献。