元素周期表的發(fā)現(xiàn)與門捷列夫的創(chuàng)新精神

林書宇　王慧

【摘要】眾所周知，元素周期表是化學(xué)史上一個(gè)里程碑式的發(fā)現(xiàn)。從古至今有許多科學(xué)家、研究者均對(duì)元素周期表進(jìn)行了角度獨(dú)特的研究，比如化學(xué)周期表的發(fā)現(xiàn)歷程、元素周期表的內(nèi)涵和架構(gòu)方式、元素周期表中包涵的哲學(xué)思想以及給予現(xiàn)代人類的啟示等，但門捷列夫作為元素周期表發(fā)現(xiàn)者的特殊性卻鮮有研究。因此，在元素周期表150周年誕辰之際，本文擬從元素周期表發(fā)現(xiàn)的時(shí)代背景，以及發(fā)現(xiàn)者的科學(xué)精神的角度出發(fā)，探討門捷列夫?qū)τ谠刂芷诒戆l(fā)現(xiàn)的特殊貢獻(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】元素周期表;門捷列夫;創(chuàng)新

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，而化學(xué)理論亦是在解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)逐步發(fā)展完善起來的。這意味著，化學(xué)理論體系的建立絕不是一蹴而就的，而是一代又一代科學(xué)家薪火相傳逐漸改進(jìn)而形成。因此，如果中學(xué)生想更深層次地認(rèn)識(shí)理解化學(xué)，就必須了解化學(xué)史的發(fā)展脈絡(luò)，思考化學(xué)家成功背后的原因，他們是以什么樣的研究方法和科學(xué)精神得出了這樣的結(jié)論，而不僅僅是羅列記憶化學(xué)知識(shí)。由是觀之，中學(xué)生絕不應(yīng)該僅僅記住一個(gè)結(jié)論。比如對(duì)于有150年歷史的元素周期表，我們應(yīng)了解究竟哪些科學(xué)家在元素周期表的發(fā)現(xiàn)中做出了貢獻(xiàn)以及做出了哪些貢獻(xiàn)，而非是教科書上一句“門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期表”（見表1）。因此，本文試圖討論制約科學(xué)家理論體系發(fā)展的主要因素，從實(shí)驗(yàn)即客觀事實(shí)發(fā)現(xiàn)以及科學(xué)家的精神兩個(gè)角度研究元素周期表的發(fā)展史。

一、元素周期表發(fā)現(xiàn)歷程

1.科學(xué)背景

公元前，西方人堅(jiān)定地相信安培多克勒和亞里士多德的四元質(zhì)說，即“世界是由水、火、氣、土四種原質(zhì)構(gòu)成的”。在那個(gè)時(shí)期，人們主要依靠對(duì)自然現(xiàn)象的分析和自身想象力來研究科學(xué)，科學(xué)與神學(xué)的界限也未完全明晰。

在煉金術(shù)士長達(dá)幾百年的試驗(yàn)嘗試后，16世紀(jì)文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)爆發(fā)，將人們的思想從固化的宗教枷鎖中解放出來，使人們更加理性地看待所處的世界。因此，在這個(gè)時(shí)期，科學(xué)精神與實(shí)驗(yàn)技術(shù)都得到了迅速的發(fā)展，化學(xué)發(fā)展也迎來了其“理論大爆發(fā)”的契機(jī)。

實(shí)驗(yàn)哲學(xué)興起之后，拉瓦錫提出“在任何情況下都應(yīng)該使我們的推理受到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，不要猜想，而要依據(jù)事實(shí)”。這種“實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論，理論解釋實(shí)驗(yàn)”的思想也奠定了后世化學(xué)的基本思路。通過氧化汞的實(shí)驗(yàn)，拉瓦錫測(cè)定了空氣中的氧氣含量，發(fā)現(xiàn)空氣可以分離。于是人們開始質(zhì)疑四元質(zhì)說，并重新定義元素。電和光譜的突破也為化學(xué)提供了新的分析手段，科學(xué)技術(shù)以及人們觀念的進(jìn)步成了元素周期表發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

第一張?jiān)亓斜碓?789年被提出，法國化學(xué)家安托萬·拉瓦錫將當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的33種元素列于一張表格上，分為氣體、金屬、非金屬礦物和稀土四組。

1803年，英國化學(xué)家、物理學(xué)家約翰·道爾頓提出了原子學(xué)說，提出用相對(duì)比較的方法求取原子量，否定了氣體不可分離的說法。

1829年，德貝萊納通過原子量的測(cè)定對(duì)當(dāng)時(shí)已知的54種元素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究之后，提出了五組“三素組”。在“三素組”規(guī)律中，德貝萊納發(fā)現(xiàn)元素之間彼此有聯(lián)系，例如鋰與鉀的原子量之和的平均數(shù)與鈉的原子量相同。

1843年，蓋墨林進(jìn)一步擴(kuò)大了德貝萊納的研究結(jié)果，把當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的元素按性質(zhì)相似分類制成了元素表。

1850年，德國藥物學(xué)家馬克思·馮·佩騰科費(fèi)爾指出相似性質(zhì)元素間原子量應(yīng)為8或8的倍數(shù)。其后有其他幾位科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)原子量與元素性質(zhì)之間的進(jìn)一步的規(guī)律。

1857年，德國有機(jī)學(xué)家弗里德里?！W古斯都·凱庫勒通過甲烷分子發(fā)現(xiàn)碳有四個(gè)價(jià)鍵，初步提出了化合價(jià)的概念，為科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)元素間的規(guī)律以及排列順序增加了依據(jù)，也為門捷列夫的研究奠定了基礎(chǔ)。

1862年，法國地質(zhì)學(xué)家德·尚古爾多創(chuàng)建了《螺旋圖》，首先提出元素性質(zhì)和原子量之間有關(guān)系，并初步提出了元素性質(zhì)的周期性，由于種種原因該理論并未獲得應(yīng)有關(guān)注。

1864年，英國化學(xué)家威廉·歐德林按照原子量順序用46種元素排出了《原子量和元素符號(hào)表》;同年，德國化學(xué)家邁耶爾指出“原子量上的規(guī)律性”，但他并未認(rèn)識(shí)到元素性質(zhì)上的彼此聯(lián)系;其后英國化學(xué)家紐蘭茲發(fā)現(xiàn)了“八音律”，即當(dāng)把元素按照相對(duì)原子質(zhì)量排列起來時(shí)，每隔八個(gè)原子，元素的化學(xué)性質(zhì)便極為相近，但并未進(jìn)行深入研究。之后美國化學(xué)家欣里希斯也做了以圓半徑排列的表格。

1869年，門捷列夫以相對(duì)原子質(zhì)量大小以及化合價(jià)（與其他元素結(jié)合能力）作為參照排列出了現(xiàn)在通行的元素周期表，而后又根據(jù)元素排列的順序，大膽地預(yù)測(cè)了未發(fā)現(xiàn)的元素的物理化學(xué)性質(zhì)。

2.理論完善時(shí)期

在門捷列夫提出“元素周期表”之后，同時(shí)代的科學(xué)家堅(jiān)信“元素是不可理論預(yù)測(cè)的，只有發(fā)現(xiàn)的才是真實(shí)”。懷著對(duì)門捷列夫元素周期表確認(rèn)或否定的想法，大量的科學(xué)家投入到發(fā)現(xiàn)新元素的事業(yè)中。

1869年，布瓦博德朗發(fā)現(xiàn)了元素“鎵”，與門捷列夫預(yù)測(cè)的一個(gè)元素幾乎完全吻合，但布瓦博德朗測(cè)得的相對(duì)原子質(zhì)量與門捷列夫的預(yù)測(cè)卻不完全相同。門捷列夫堅(jiān)持自己的看法，并在寫給布瓦博德朗的信中堅(jiān)定地表達(dá)了自己的觀點(diǎn)。布瓦博德朗在重新測(cè)定原子質(zhì)量之后，發(fā)現(xiàn)是元素提純不夠?qū)е孪鄬?duì)原子量不同，最終證實(shí)了門捷列夫元素周期表的正確性。

此后科學(xué)家對(duì)元素周期表的驗(yàn)證更是迅速。

1880年，瑞典兩位化學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)現(xiàn)一種新元素——鈧。他們推測(cè)鈧正是元素周期律中所預(yù)言的類硼。

1886年，德國化學(xué)家文克列爾用光譜分析法發(fā)現(xiàn)新元素——鍺。

1895年，英國化學(xué)家拉姆賽發(fā)現(xiàn)了新元素氦。

氦正是門捷列夫在1871年排列出的原子量為1到7、位于氫和鋰之間的無名元素。

三年后，英國化學(xué)家拉姆賽又發(fā)現(xiàn)了新元素氖。氖正是門捷列夫指出的位于氟和鈉之間、原子量為20的元素。

1898年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了放射性元素鐳，原子量為226.0254。而當(dāng)年門捷列夫預(yù)言這種“類鋇”元素的原子量在210至230之間，這是最有力的驗(yàn)證。

這些新元素的發(fā)現(xiàn)都證明了門捷列夫的超前思想和元素周期表的正確性。

二、門捷列夫的個(gè)人精神特點(diǎn)

在回溯元素周期表的發(fā)展歷程后，我試圖去解答一個(gè)問題：為什么有很多科學(xué)家均對(duì)元素規(guī)律進(jìn)行了大量研究，但是只有門捷列夫發(fā)現(xiàn)了我們現(xiàn)在通用的“元素周期表”呢？筆者認(rèn)為，門捷列夫本身的品質(zhì)才是他最終能夠成功的主要原因。

1.對(duì)前人成就的學(xué)習(xí)

偉大的物理學(xué)家牛頓曾經(jīng)說過“我之所以站得高，是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀?，而門捷列夫也不例外，他的成就離不開對(duì)前人理論的學(xué)習(xí)。

在門捷列夫之前，已經(jīng)有了成熟的元素周期表，其中最具有代表性的有三類元素周期表。第一類是法國化學(xué)家安托萬·拉瓦錫1789年提出的元素周期表，他是按照元素的物理性質(zhì)及狀態(tài)將當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)的33種元素分為氣體、金屬、非金屬礦物和稀土四組。第二類是德貝萊納在1829年根據(jù)原子量的排列規(guī)律提出的五組“三素組”。第三類則是英國化學(xué)家紐蘭茲發(fā)現(xiàn)的“八音律”，他根據(jù)每隔八個(gè)原子元素性質(zhì)便較為詳盡的理論，按元素性質(zhì)排列了他自己的元素周期表。可以說門捷列夫元素周期表中所依據(jù)的全部理論幾乎已發(fā)展完全。

門捷列夫在畢業(yè)后十年左右的時(shí)間里，都在從事化學(xué)的相關(guān)研究，而前期的這些元素周期表也奠定了門捷列夫元素周期表的基礎(chǔ)。

2.批判思維

門捷列夫的批判思想體現(xiàn)在不盲從于當(dāng)時(shí)的權(quán)威。在前人的元素周期表中，有根據(jù)元素性質(zhì)分類的，也有根據(jù)相對(duì)原子質(zhì)量分類的。但為什么沒有人將這兩種規(guī)律聯(lián)系在一起呢？這就是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的社會(huì)中所認(rèn)可的一些“權(quán)威”相對(duì)原子質(zhì)量其實(shí)是不準(zhǔn)確的，但是并沒有人對(duì)此質(zhì)疑。而門捷列夫則對(duì)此提出質(zhì)疑并自己測(cè)定，最后修正了它的錯(cuò)誤，并發(fā)現(xiàn)了這些規(guī)律間的聯(lián)系。而且在門捷列夫研究“元素周期律”的時(shí)候，社會(huì)各界人士對(duì)此嗤之以鼻，甚至他的老師都在嘲笑他“研究元素周期律這種抽象概念毫無用處”。但門捷列夫仍是相信“再多事實(shí)的羅列，都不能被稱之為科學(xué)”。而這種不盲從于“主流思想”的信念使得門捷列夫足以將他的想法研究到底。

3.科學(xué)創(chuàng)新精神

門捷列夫的創(chuàng)新精神也令人感到震撼。他研究元素周期表僅僅是因?yàn)樵诮虝鴷r(shí)對(duì)主流的無機(jī)教科書覺得失望，認(rèn)為其中缺少元素之間的聯(lián)系，于是決定從事這一接觸不多的工作。然后他在精神上打破了無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)的壁壘，完善了凱庫勒的“化合價(jià)”概念，并將其運(yùn)用到無機(jī)物中，最后發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律亦可作為元素排列依據(jù)。而這是其他科學(xué)家沒有想到的。

4.自信

最后元素周期表的傳播要?dú)w功于門捷列夫的自信，門捷列夫預(yù)測(cè)了許多當(dāng)時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)的元素，而這些元素在發(fā)現(xiàn)后受到了質(zhì)疑。在瓦博德朗發(fā)現(xiàn)了“鎵”之后，門捷列夫發(fā)現(xiàn)與自己預(yù)測(cè)的一個(gè)元素極為相似，可是元素的原子量卻與門捷列夫預(yù)測(cè)的不同。于是門捷列夫大膽地選擇了相信自己，向瓦博德朗寄去信件詢問他是不是提純不夠，而不是第一時(shí)間懷疑自己理論的崩塌。事實(shí)證明，門捷列夫的理論是正確的。

5.厚積薄發(fā)的發(fā)現(xiàn)過程。

門捷列夫?qū)⒃貙懺诩埮粕厦妫瑢ふ宜麄冎g的聯(lián)系，門捷列夫經(jīng)歷了長達(dá)數(shù)十年的研究之后，發(fā)現(xiàn)按原子量排布最為適用。而元素周期表的真正完成，是在一天之內(nèi)的，即1869年2月17日。這一天門捷列夫終于找到了紙牌排列合適的方式，于是乎，元素周期表誕生了。

元素周期表的確立為化學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展以及元素性質(zhì)的研究奠定了基礎(chǔ)。在理論體系發(fā)展方面，元素周期表表明在實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)的情況下，理論預(yù)測(cè)新元素是可行的。這將化學(xué)研究從一味地實(shí)驗(yàn)羅列中解放出來，開啟了化學(xué)理論體系蓬勃發(fā)展的新紀(jì)元。

三、結(jié)語

由此，我們認(rèn)為科學(xué)理論的奠定受多方面條件制約，尤其與實(shí)驗(yàn)事實(shí)以及科學(xué)家品質(zhì)密切相關(guān)。首先，理論的發(fā)展依賴基礎(chǔ)科學(xué)條件。比如對(duì)于驗(yàn)證元素周期表，是否能精準(zhǔn)測(cè)定相對(duì)原子質(zhì)量就是一個(gè)約束條件;同樣在生物實(shí)驗(yàn)中，顯微鏡的發(fā)現(xiàn)也是如此。實(shí)驗(yàn)技術(shù)和科技水平限制了各種層次的理論研究。其次，我們認(rèn)為一個(gè)理論的形成需要社會(huì)多領(lǐng)域的協(xié)助。只有把不同領(lǐng)域中先進(jìn)的研究成果集中起來，才能使研究者站在巨人的肩膀上進(jìn)一步接近真理。同時(shí)，科學(xué)研究需要我們堅(jiān)定不移的信念，但絕非一味地固執(zhí)己見。就像邁耶爾早年并不認(rèn)同元素周期律，只把周期律當(dāng)作“人們對(duì)原子認(rèn)識(shí)更清晰的一種手段”。但當(dāng)他看完門捷列夫的總結(jié)性論文時(shí)，他便轉(zhuǎn)變了自己的想法，對(duì)元素周期律堅(jiān)信不移，并試圖將周期律的觀點(diǎn)用在一切化學(xué)上，為元素周期律的普及做出了巨大貢獻(xiàn)。最重要的是，科學(xué)研究要具有一定的前瞻性和細(xì)致入微的洞察力，可以將知識(shí)整合的能力以及抽象的哲學(xué)思維，此外還要堅(jiān)持信念，不能盲目地追隨主流觀點(diǎn)。這些特質(zhì)都在門捷列夫身上均有所體現(xiàn)。

在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，作為新時(shí)代的中學(xué)生，我們更應(yīng)該繼承先輩科學(xué)家的精神，利用現(xiàn)代發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)條件，及時(shí)了解各領(lǐng)域尖端科技，不斷更新知識(shí)儲(chǔ)備?？茖W(xué)家陳小平可以在地理課上發(fā)現(xiàn)瘧疾病毒與癌癥的關(guān)系，我們也不能輕視任何一個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)，因?yàn)槿魏我粋€(gè)微小的事物都可能給科學(xué)研究帶來靈感。同時(shí)不能一意孤行，要善于聽取老師和其他人的意見。當(dāng)然更重要的，就是要不斷學(xué)習(xí)知識(shí)，提高自己的知識(shí)水平，時(shí)刻保持好奇心，以辯證思考的角度去學(xué)習(xí)和看待這個(gè)世界。

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