化学家门捷列夫与元素周期表 门捷列夫元素周期表



化学家门捷列夫与元素周期表 门捷列夫元素周期表

1907年1月27日,俄国首都彼得堡寒风凛冽气温降到零下20多度,太阳黯淡无光。街上到处点着蒙有黑纱的灯笼,显出一派悲哀的气氛。几万人的送葬队伍在街上缓缓移动着,十几个青年学生扛着的一块大木牌,上面画着好多方格,方格里写着“C”、“O”、“Fe”、“Zn”等元素符号。原来,死者是著名的俄国化学家门捷列夫,木牌上画着好多方格的表是化学元素周期表----门捷列夫对化学的主要贡献。

德米特里•伊万诺维奇•门捷列夫生于一八三四年二月七日俄国西伯利亚的托波尔斯克市。这个时代,正是欧洲资本主义迅速发展时期。生产的飞速发展,不断地对科学技术提出新的要求。化学也同其它科学一样,取得了惊人的进展。门捷列夫正是在这样一个时代,诞生到人间。他生活于十七个子女的中学校长家庭,排行十四。刚出生数月,父亲就双目失明,接着又丢掉了校长的职务。微薄的退休金难以维持生计,全家搬进附近一个村子里,因为舅舅在那里经营一个小型玻璃厂。工人们熔炼和加工玻璃的场景,对他以后从事与烧杯、烧瓶打交道的化学研究产生很大影响。

1841年秋,不满七周岁的门捷列夫和十几岁的哥哥一起考进市中学,在当地轰动一时。不幸总是打击贫苦人家。门捷列夫13岁时父亲去世,14岁时工厂因火灾化为灰烬,母亲只好再次搬家,将成年的女儿们嫁出去,让两个儿子参加工作。1849年春,门捷列夫中学毕业,母亲变卖家产,一心想让小儿子上大学。在父亲的一位朋友的帮助下,门捷列夫进入彼得堡师范学院物理系。只过了一年,就成为优等生。紧张学习之余,还撰写科学简评得到少量稿费。这时他已经失去任何经济支持:舅舅和母亲相继去世。1854年,他大学毕业并荣获学院的金质奖章,23岁成为副教授,31岁成为教授。

化学家门捷列夫

化学元素是什么呢?化学元素是同类原子的总称。原子(atom)指化学反应的基本微粒,原子在化学反应中不可分割。原子直径的数量级大约是10^-10m。原子质量极小,且99.9%集中在原子核。原子核外分布着电子,电子跃迁产生光谱,电子决定了一个元素的化学性质,并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素,每一种元素至少有一种不稳定的同位素,可以进行放射性衰变。原子最早是哲学上具有本体论意义的抽象概念,随着人类认识的进步,原子逐渐从抽象的概念逐渐成为科学的理论。原子用来表示化学变化中的最小的单位。

元素周期律揭示了一个非常重要而有趣的规律:元素的性质,随着原子量的增加呈周期性的变化,但又不是简单的重复。门捷列夫根据这个道理,不但纠正了一些有错误的原子量,还先后预言了15种以上的未知元素的存在。结果,有三个元素在门捷列夫还在世的时候就被发现了。1875年,法国化学家勒科克·德·布瓦博德兰,发现了第一个待填补的元素,命名为镓。这个元素的一切性质都和门捷列夫预言的一样,只是比重不一致。门捷列夫为此写了一封信给巴黎科学院,指出镓的比重应该是5.9左右,而不是4.7。当时镓还在布瓦博德兰手里,门捷列夫还没有见到过。这件事使布瓦博德兰大为惊讶,于是他设法提纯,重新测量镓的比重,结果证实了门捷列夫的预言,比重确实是5.94。这一结果大大提高了人们对元素周期律的认识,它也说明很多科学理论被称为真理,不是在科学家创立这些理论的时候,而是在这一理论不断被实践所证实的时候。当年门捷列夫通过元素周期表预言新元素时,有的科学家说他狂妄地臆造一些不存在的元素。而通过实践,门捷列夫的理论受到了越来越普遍的重视。

门捷列夫对元素周期律的探索发现,花了大约20年的功夫。他不怕名家指责,不怕嘲讽,勇于实践,终于在1869年发表了元素周期律。为了纪念他的成就,人们将美国化学家希伯格在1955年发现的第101号新元素命名为Mendelevium,即“钔”。后来人们根据周期律理论,把已经发现的100多种元素排列、分类,列出了今天的化学元素周期表,张贴于实验室墙壁上,编排于辞书后面。它更是每一位学生在学化学的时候,都必须学习和掌握的一课。

1867年,担任教授的门捷列夫为了系统地讲好无机化学课程中,正在着手著述一本普通化学教科书《化学原理》在著书过程中门捷列夫准备了许多类似扑克牌一样的卡片,将63种化学元素的名称及其原子量、氧化物、物理性质、化学性质等分别写在卡片上。他用不同的方法去摆那些卡片,用以进行元素分类的试验。1869年3月1日,门捷列夫仍然在对着这些卡片苦苦思索。他先把常见的元素族按照原子量递增的顺序拼在一起,之后是那些不常见的元素,最后只剩下稀土元素没有全部“入座”,门捷列夫无奈地将它放在边上。从头至尾看一遍排出的“牌阵”,门捷列夫惊喜地发现,所有的已知元素都已按原子量递增的顺序排列起来,并且相似元素依一定的间隔出现,从而初步完成了使元素系统化的任务。第二天,门捷列夫将所得出的结果制成一张表,这是人类历史上第一张化学元素周期表。在这个表中,周期是横行,族是纵行。他还在表中留下空位,预言了类似硼、铝、硅的未知元素(门捷列夫叫它类硼、类铝和类硅,即以后发现的钪、镓、锗)的性质,并指出当时测定的某些元素原子量的数值有错误。而他在周期表中也没有机械地完全按照原子量数值的顺序排列。若干年后,他的预言都得到了证实。事实上,德国化学家迈尔早在1864年就已发明了“六元素表”,此表已具备了化学元素周期表早几个月,迈尔又对“六元素表”进行了递减,提出了著名的《原子体积周期性图解》。该图解比门氏的第一张化学元素表定量化程度要强,因而比较精确。但是,迈尔未能对该图解进行系统说明,而该图解侧重于化学元素物理性质的体现。

1871年12月,门捷列夫在第一张元素周期表的基础上进行增益,发表了第二张表。在该表中改竖排为横排,使用一族元素处于同一竖行中,更突出了元素性质的周期性。至此,化学元素周期律的发现工作已圆满完成。客观上来说,迈尔和门捷列夫都曾独自发现了元素周期律,但是,由于门捷列夫对元素周期律的研究最为彻底,故而在化学界通常将周期律称为门捷列夫周期律。

门捷列夫为了写作《有机化学》,他几乎两个月没离开过书桌。年过七旬后,积劳成疾,竟双目半盲。每天从清晨工作到下午5:30,“中饭”后继续工作到深夜。他是在书桌前死去的,去世时手里还握着笔。1869年元素周期律的发现使他名声大噪,好多外国科学院纷纷聘请他为名誉院士。门捷列夫对化学这一学科发展最大贡献在于发现了化学元素周期律。由此而来的化学元素周期表揭示了物质世界的秘密,把一些看来似乎互不相关的元素统一起来,组成了一个完整的自然体系。它的发明,是近代化学史上的一个创举,对于促进化学的发展,起了巨大的作用。门捷列夫还研究过气体定律、气象学、石油工业、农业化学、无烟火药、度量衡等。由于他总是日以继夜地顽强地劳动着,在他研究过的这些领域中,都在不同程度上取得了成就。

门捷列夫1948年入彼得堡专科学校,1850年入彼得堡师范学院学习化学,1855年取得教师资格,并获金质奖章,毕业后任敖德萨中学教师。1856年获化学高等学位,1857年首次取得大学职位,任彼得堡大学副教授。1859年他到德国海德堡大学深造,两年中,他集中精力研究了物理化学,使他探索元素间内在联系的基础更扎实了。1860年参加了在卡尔斯鲁厄召开的国际化学家代表大会。1861年回彼得堡从事科学著述工作。1863年任工艺学院教授,1864年,门捷列夫任技术专科学校化学教授,1865年获化学博士学位。1866年任彼得堡大学普通化学教授,1867年任化学教研室主任。1869年2月19日,他终于发现了原素周期律。1893年起,任度量衡局局长。1890年当选为英国皇家学会外国会员。1907年2月2日,这位享有世界盛誉的俄国化学家因心肌梗塞在彼得堡(今列宁格勒)与世长辞,享年73岁。

  

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