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6、元素周期律的發現者

  門捷列夫

  (1834~1907)

  [傳略]德米特裏・伊凡諾維奇・門捷列夫,19世紀俄國著名的化學家。化學元素周期律的發現使他飲譽世界,也是他對科學研究做出的重大貢獻之一。

  1834年,門捷列夫誕生在俄國西伯利亞托波爾斯克市的一個中學教員家庭。由於並非出身於豪門貴族,所以莫斯科和彼得堡的一些名牌大學都拒絕他入學。經過一番周折後,門捷列夫才進入彼得堡師範學院。在這所學院裏,門捷列夫得到一些優秀教師的指導,特別是化學家沃斯克列森斯基教授對他的教誨,培養了他對化學研究的濃厚興趣,並使他開始了創造性的研究工作。在彼得堡師範學院學習期間,門捷列夫先後發表了《芬蘭揭簾石的化學分析》、《從魯斯基拉到芬蘭的輝石》等學術論文;同時,他開始研究同晶現象。對同晶現象的研究使他了解到一些元素之間具有相似的屬性,這為他後來對元素進行分組奠定了基礎。

  1859年,門捷列夫被獲準到德國海德爾堡進行科學深造;1869年,他發現了舉世聞名的元素周期律。此後的門捷列夫除了繼續研究元素周期律以外,還積極傳播科學知識,到俄國各地進行實地考察,為推動俄國工業的發展起了重大的作用。1907年1月,門捷列夫因心髒病逝於彼得堡,俄國各界人士隆重地紀念了這位在科學上取得不朽功績的偉大科學家。

  門捷列夫在一生中寫了大量的學術論文,主要的有《論液體的毛細現象》《論液體的膨脹》《元素性質和原子量的相互關係》等。其名著《化學原理》,在很大程度上促進了當時化學研究的發展,為科學做出了巨大貢獻。

  [影響]在德國深造的兩年裏,門捷列夫集中精力研究物理化學,運用物理學的方法來觀察化學過程,根據物質的某些物理性質來研究它的化學結構。這使他探索元素間內在聯係的基礎更加深厚。返回俄國後,門捷列夫在彼得堡講授有機化學。為了表述化學上新的科研成果,他親自編寫教材,研究有機物的分類、演變及其與外部條件的關係,由此他發現了物質之間相互關聯的基礎是化學性質的聯係。這些都為元素周期律的發現提供了更加完備的知識體係。

  1867年,門捷列夫開始講授無機化學。由於當時這門學科的俄語教材已經陳舊,外文教科書又不能適應新的要求,因此迫切需要一本新的能夠反映當時化學發展水平的教科書出現。這就是門捷列夫編寫他的名著《化學原理》的開端,也是他發現元素周期律的引子。

  在《化學原理》的編寫過程當中,門捷列夫遇到的一個重要問題就是元素的排序問題。

  15世紀後的歐洲,已進入資產階級革命時期,隨後便出現了產業革命。在俄國,直到19世紀中葉,生產關係才發生了重大的變化。生產的迅速發展,不斷地對科學技術提出新的要求。化學與其他的科學門類一樣,在這一時期有了快速的發展。在1869年以前,世界上被發現的元素已有63種,尋找新的元素也成為化學家們研究的主要課題。但是由於沒有正確的解決元素之間關係及如何發現新元素的理論作指導,這就使研究工作帶有很大的盲目性。自從英國化學家道爾頓創立原子學說後,世界上許多國家都曾為發現元素之間的規律而進行不停地探索。在1869年之前的50年裏,各國進行元素分類的工作已達幾十次之多,其中比較有代表性的有德國化學家德貝萊納的《三組素》表及英國化學家紐蘭茲的“八音律”表。他們的這些元素表都在一定程度上表述了元素之間的某些聯係,但是他們既沒有充分估計到原子量測定值含有錯誤,又沒有考慮到應給未被發現的元素留出空位,而是機械地按當時的原子量大小將元素連續地排列起來,因此沒有找到元素的正確分類原則,更沒有能夠揭示出元素之間的內在聯係。一方麵是原來元素周期表的缺憾;另一方麵是編寫《化學原理》的需要,門捷列夫開始探索新的元素周期律。

  為了研究化學元素的規律,門捷列夫停止了《化學原理》的編寫與其他各種研究工作,轉而對前人的工作進行大量細致的分析與研究。在研究中,他發現,性質相似的元素,它們的原子量並不相似;相反,許多性質不同的元素,它們的原子量卻相差較小。這樣就使門捷列夫的研究目標縮小在元素的原子量與元素的性質之間。經過不斷地思索、試驗,他終於發現了元素的性質與原子量之間的周期性變化。同時,他的物質研究成果使元素的係統整理工作有了更加明確的依據,大大澄清了元素性質隨原子量的變化而逐漸變化的一般規律。門捷列夫及時總結了自己的發現,於1869年3月,正式發表了他關於元素周期律的第一篇論文:《元素性質和原子量的相互關係》。以後,門捷列夫又將自己的元素周期表不斷修改、完善。

  1872年,在李比希主辦的《年鑒》上,門捷列夫用德文發表了一篇關於元素周期律的論文,同時發表了自己最新的元素周期表。他根據元素周期律,修改了某些元素的原子量並對其順序進行了調整,這些改變與現在的原子量相比也是非常正確的。門捷列夫還以周期律為根據,科學地預言了一些當時尚未發現的元素的存在和它們的性質,例如他預言並詳細地描述了當時科學界尚未發現的三種元素――類硼、類鋁及類矽的性質,並指出它們存在的礦物及發現所要采用的方法,這是化學史上的第一次。盡管它還需要在實踐中接受檢驗,才能證明門捷列夫觀點的正確性。

  然而,像發表元素係列的先驅們一樣,門捷列夫的元素周期表發表以後,同樣沒有產生特殊的影響,未得到正確的評價,甚至有些科學家還持相反的意見,認為門捷列夫所發現的周期律並非自然規律,而是為方便研究而對元素分類的一種方便工具。但門捷列夫堅信自己的觀點是正確的。

  科學的發展表明,門捷列夫的觀點是正確的。1875年,法國化學家布阿勃朗用光譜分析法從閃鋅礦中發現了镓。镓的性質非常像鋁,它就是門捷列夫在元素周期表中所預言的類鋁。镓的發現引起人們的注意,這是化學史上第一次事先預言的一個新元素的發現。镓的發現在科學界產生了強烈的反響,歐洲的科學家們開始探索門捷列夫所預言的其他尚未被發現的元素。1879年,尼爾森發現了鈧――類硼;1885年,文克爾又發現了鍺――類矽。此外,門捷列夫所預言的其他一些元素的性質,也同樣為實踐所證實。

  大量的事實都證明了門捷列夫所發現的化學元素周期律是自然界的一條客觀規律,它揭示了物質世界的秘密,發現了化學元素間的相互依賴關係。此後,關於元素的研究,新元素的探索以及新物質、新材料的尋找,有了可以遵循的規律。元素周期律作為一個基本定律,有力地促進了現代化學和物理學的發展。

  但是,門捷列夫的元素周期律並非是完美無缺的,它必須在實踐中進一步發展和完善。1894年惰性氣體氬的發現,對周期律是一次考驗和補充;1913年,英國物理學家莫塞萊經過研究證實作為周期律基礎的不是原子量而是原子序數。這樣,在元素周期律指導下所產生的原子結構學說,不僅賦予了周期律以新的說明,而且進一步闡明了它的本質,從而將元素周期律這一自然法則放在了更嚴格更科學的基礎之上。元素周期律的發展與完善,在人們的科學研究中發揮著越來越大的作用。

  門捷列夫除了在元素周期律上做出了重大貢獻外,在其他科學領域也取得了不菲成績。作為一個理論家,他提出了溶液水化理論,為近代溶液學說奠定了基礎;他還研究了氣體和液體同溫度和壓力的關係,並發現了氣體的臨界溫度,門捷列夫還首先提出了煤地下氣化的觀點,為煤氣化的廣泛應用做出了前景的預測。作為一名實幹家,門捷列夫在石油工業、農業化學、無煙火藥、氣象學等方麵做出了突出的貢獻。

  [餘論]在門捷列夫的一生中,他既重視理論研究,又注重科學推廣,尤其是他對於化學元素周期律的發現,正確地指導了科學研究的方向,促進了現代物理化學的發展,為人類科學史做出了不可磨滅的貢獻。

  (劉合波)

  
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