什么？？？他打牌捅出了化学元素的惊天秘密！

RK588 2019-04-01

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门捷列夫版元素周期表是如何诞生的？

门捷列夫是周期表的创始人，但为何之前无人发现这一规律呢？他当时又是怎么找到周期律的呢？

1867年，经历了整整六年的农奴制改革，沙俄帝国百废待兴，期待进步，圣彼得堡大学请来了一名年轻的杰出“海龟”，担任普通化学教授。这位大胡子一开始倒也勤勤恳恳，准备讲义，没多久，一本厚达500页的巨著《化学原理》上半部已经新鲜出炉。可是当他翻阅自己的手稿时却不禁皱起了眉头，这厚厚的一叠竟然才讲了8种元素。（可比我能侃多了^_^）

接下来6个礼拜，他一边跟校方商谈延期交稿，另一边却躲在实验室里一个人玩起了纸牌，让人大跌眼镜。

▲玩纸牌玩成科学，真可谓是史上第一人。

这个大胡子“海龟”就是大名鼎鼎的德米特里*门捷列夫，他的童年充满了悲剧：出生于寒冷的西伯利亚，家里共有14个孩子，他是最小的那个，13岁那一年父亲去世，母亲为了填饱家里这么多张嘴，接管了当地的玻璃工厂。几年后工厂因一场大火而烧毁，母亲回首望去，家里大大小小一帮熊孩子就没几个会数数的，好在还有小儿子德米特里聪明伶俐。

▲伟大的母亲：玛利亚*门捷列夫。

战斗民族的女人就是不一样，她二话没说，把小儿子捆在马背上，骑着马翻过了白雪皑皑的乌拉尔山脉，飞奔2000公里，把儿子送到了莫斯科，希望能进首都的一所精英大学。没想到招生办铁青着脸：“请出示莫斯科户口本。”硬是把这位顽强的母亲挡在门外，她只好捆着小儿子继续飞奔600公里，一路向北，来到了圣彼得堡，求爷爷告奶奶，总算让小门捷列夫进入了亡父的母校，他刚登记入学，这位伟大的母亲就因过度劳累而去世了。

▲门捷列夫母亲的伟大长征！成就了自己的儿子，也成就了全人类。

门捷列夫不负众望，果然天资聪颖，才华横溢，顺利完成学业。毕业之后他又前往巴黎和海德堡求学，在海德堡，他遇到了当时最富盛望的化学家本生，接触了本生发明的分光镜，天底下竟然有这么神奇的东西，只要用它做一下光谱分析就会发现新元素！

可惜的是，他并没有跟本生处理好关系，后来双方各执一词，本生认为门捷列夫脾气古怪，而门捷列夫则不喜欢本生实验室里难闻的烟雾。总之，短暂的海德堡之旅结束了，门捷列夫成为“海龟”，回到了落后的俄国，开始写他的《化学原理》。

▲门捷列夫：咱年轻的时候也是“海龟”一个。

我在写这部《元素家族》的时候，能臆想到门捷列夫当年在起草《化学原理》时候的情境，可比我现在没有头绪多了。

当时只发现了62种元素，它们性质各异，有一到水里就着火的钾钠兄弟，也有呛人的氯，有轻的可以做气球的氢，也有重的可以做秤砣的铅。它们互相结合，更是形成了成千上万种化合物，这些化合物的性质就更加复杂和千变万化。即使如此，化学家们对它们也已经研究的非常详尽了。

然而，当这些专业的化学教授们站在讲台上时，却没有统一的标准。有人会先讲氧元素，因为它的分布最广；也有人认为应该先说氢，因为它是最轻的；还有人认为当然应该从铁讲起，因为这是最有用的元素；或者有人认为应该先说金，因为它最贵重。

化学家们面对的似乎是一片杂树丛生、毫无秩序的密林，他们已经习惯于研究每一棵树，细致到树上的叶子、切面的年轮，但如果你要问怎么样去更方便的描述这片密林，他们只会一棵一棵树给你介绍，但具体从哪一棵树开始，按照什么样的顺序，完全得按照他的心情或者经验。因为很少有人想过，这片密林竟然是有规律的。

▲这一大坨的元素，有啥规律吗？

其实，也不是没有人看出元素之间是有规律的，戴维发现了双胞胎元素：钾钠兄弟，后来本生和基尔霍夫发现的铷铯兄弟也和它们很相似，这四种元素被称为碱金属。类似的还有戴维发现的四种元素——镁、钙、锶、钡被称为碱土金属。1842年，贝采尼乌斯为氟、氯、溴、碘四种元素提出一个术语“卤素”，意为：形成盐。

但在当时，大部分化学家只把这些作为有趣的谈资，他们更为享受趴在每棵“树”上研究树叶和年轮的细节，却少有几个人愿意跳出密林，去看看这片密林究竟是什么样的。

▲卤素的几种典型元素：氟氯溴碘。

门捷列夫就是这少有的几个人里的一个，他实在是对过去写化学课本的方法看不下去，他总觉得应该有更好的方法去描述这片密林，让学生们一目了然。

所以，他开始玩牌。

他玩的当然不是普通的扑克牌，当时每一张纸牌上都写着元素的名字、颜色、熔点、沸点、比重、化合价等等，他想方设法把这些纸牌排列成“同花顺”、“四个头”等等，仍然是一头雾水。终于有一天，他想：如果按照原子量排列起来呢？

▲传说门捷列夫玩牌玩累了，梦见几张牌自己跑到一起去了，他醒来以后立即记录下来。最早体现出周期律的就是上图这几种元素。

他立即注意到，按照原子量排列，原子量为7的锂是当时的第二个元素，原子量为23的钠是第九个元素，再往后，钾是第十六，这些活泼的碱金属恰好每隔七个元素出现一次。比较类似的，碱土家族也是一样，卤素也是如此。

就这样，门捷列夫尝试着把手上的牌涂成了红橙黄绿青蓝紫七色，排列成一个矩阵，这个元素密林终于清晰了很多，元素第一次有了队形。

▲当时还没有发现稀有气体，不管是红橙黄绿青蓝紫，还是多来米发梭拉西，总归是排起来了。

第一排树是碱金属族，排头的锂最轻，也最安静，落到水里，只发出轻微的嘶嘶声，而钠就要比锂更活泼一点，钾丢到水里简直就要爆炸，而排在最后的铯，最重，也最容易跟别的物质化合，它在空气里，自己立刻就要烧起来。

而最后一排是卤素族，和碱金属族恰好相反，排头最轻的氟化学性质最活泼，几乎可以腐蚀任何物质，氯虽然腐蚀性也很强，但跟氟相比毕竟差了一个档次，后面的溴更重，还是液体，腐蚀性就弱了很多，而最后的碘已经是固体，其反应活性只能用来做碘酒这种消毒剂了。

这样一排序，这个杂乱无章的物质世界，竟然体现了惊人的统一性：周期律。

▲第一份完整的元素周期律。

好像这件事并没有那么复杂，不过是按照原子量的大小一个一个写下去，周期律就自动出现了。为什么其他化学家就没去试一试呢？

其实问题远没有那么简单，道尔顿提出原子理论之后，做了大量的实验去测量原子量。但是很可惜，他的结果大多数都是错的。后来贝采尼乌斯用盖吕萨克的气体公式修正了一部分道尔顿的结果，大部分气体元素的原子量搞定了，但仍有一些金属元素的原子量跟真实偏差很大。可以想象，拿着一份错误的原子量登记表会排列出什么样的周期律。

另一方面，当时人们还只知道62种元素，再自信的化学家也不得不承认，一定还有一些元素没有被发现。这就好像在排队之前，有一些人开了小差，如果还用红橙黄绿青蓝紫给他们穿衣排队的话，一切都乱了。

▲原子量，意为：相对原子质量。

63种元素，看似一团乱麻，无比纠结，但还是被门捷列夫解开了，这就是他天才的地方。

首先，既然原子量有误，那么大方向上我相信它，再根据每个元素的化学性质进行微调。比如当时碲的原子量是128，而碘的原子量是127，但显然碘应该是卤素一族，而碲和硫、硒的性质更为相近，所以老门开始放炮：碲的原子量肯定错了，应该在123-126之间。当时的老门还不知道同位素的概念，现在我们知道碲的准确原子量是127.6，当时的数字是没错的，门捷列夫用一个错误的假设蒙对了结论。

▲非金属碲。

然后，门捷列夫更为激进，既然还有一些元素没有被我们发现，那我就根据周期律排列现有的元素，然后给未知元素留下空格。

比如当时，如果按照原子量排列，钛排在钙的后面，但这样的话，钛就和硼、铝在一族了。但是很明显，硼和铝是三价的，而钛是四价的，所以老门大胆预言，钙和钛中间还有一种未知元素，他称之为“艾卡硼”，“艾卡”来自梵语，意思是一，“艾卡硼”就是硼加一。

他更加大胆的预言，在锌和砷之间，还有两个未发现的元素，分别是“艾卡铝”和“艾卡硅”。不仅如此，他还断言这两个未知元素各种各样的性质，甚至说明了它们的原子量以及同别的元素结合而成的化合物。

▲第一份发表出的元素周期律。

1869年，门捷列夫提出他的周期律伊始，并未得到化学界足够的重视。在主流化学界看来，门捷列夫的预言真是太狂妄了：“臆造一些不存在的元素，还写到课本里，这是科学还是魔术？”

几年过去了，周期表中的空格还是空着，人们似乎已经遗忘了它们。

▲样貌性格古怪的门捷列夫。

1875年，巴黎科学院的一次例会上，院士伍尔兹宣读了一份他的学生列科克邮递过来的信件：“8月27日，我在比利牛斯山所产的闪锌矿中发现了一种新元素……”

会场一下子沸腾了，新元素终于来了！

列科克是一位专业的光谱分析家，他亲手绘制了35种元素的身份证——光谱。他在观测一些锌盐溶液的时候，发现了一条陌生的紫色光线，他对比了所有已知的元素光谱，都没有被记录过。无疑，这里有一种未知元素。他提议将将新元素命名为：“镓”（gallium ），用以纪念他的祖国。因为法国的古称就是高卢（Gaul）嘛。

列科克在邮寄给老师伍尔兹的信件里还写道：他会继续往下研究，就目前的化学性质来看，镓很像铝。

▲法国科学家列科克，也是很多元素的发现者，后面还有他的故事。

当巴黎科学院的会议记录穿越千山万水来到圣彼得堡的时候，门捷列夫的心情无比复杂！这么多年，主流科学界对他理论的无视，成为他心里的一块大石头。虽然他的理性告诉他：“我不会错”，但长久的等待和煎熬也让他自我怀疑过。此时此刻，他的预言终于成真了，这块石头终于能落地了，因为镓就是他所预言的“艾卡铝”。

他马上提笔给巴黎科学院写信：“镓就是我预言的‘艾卡铝’，它的原子量接近68，比重在5.9左右，请你们研究一下吧……”

列科克这边的数据是：原子量69.2，比重4.7。

全世界化学家的眼球都被吸引过来了，这实在是史上未见的好戏：一边是辛辛苦苦在巴黎的实验室里摆弄他的烧瓶和试管，另一边则是坐在圣彼得堡的书房里玩纸牌瞎扯淡。大家宁可相信这是科学与神汉之争，所有人都站在了列科克那一边。

▲门捷列夫的预言和列科克实际的测量结果，从上到下的条目分别是：原子量、比重、熔点、氧化物、氧化物密度、氢氧化物的性质（两性，类似铝）。

可是门捷列夫不依不挠：“不对，比重肯定是5.9，可能你提纯的物质还不够纯。”

正当所有人准备看笑话的时候，却听到了列科克让他们大跌眼镜的话：“是的，门捷列夫先生，您没有错，我们用了一大块物质重新测量，确实是5.9！”

这真是周期律第一次伟大的胜利，门捷列夫终于翻身了！可是，这才只是开始呢。

▲俄罗斯，门捷列夫奖章。

1875年“镓”的发现之后，门捷列夫一炮走红。没过几年，尼尔森发现钪，就是门捷列夫预言的“艾卡硼”。这时候再也没有一个人把他的周期表当成魔术或者神学来看了，又过了几年，门捷列夫和他的周期表在另一个新元素的发现史上达到了巅峰。

▲门捷列夫：让我的巅峰时刻来的更猛烈些吧。

大约1885年左右，德国的弗莱堡地区发现了一座银矿，品位很高。一大帮化学家立刻扑上去展开研究，其中的一位名叫温克勒，他分析后指出，矿石的主要成分是硫化银，但还有一种未知的新元素。1886年，温克勒成功的将其分离出来，因为他是德国人，所以他用“日耳曼”来命名它：germanium，翻译成中文就是“锗”。1887年，为了严格测定这种锗各方面的性能，他共搜罗了半吨弗莱堡的银矿，等到他通过艰辛的实验把一条又一条搞清楚之后，他发现这种新金属和砷、铋都有点类似。

当时元素周期表虽未像现在这样成为标准，但因为“镓”和“钪”的预言成功也小有名气了，温克勒也想到能不能把他的新元素放到门捷列夫的表格里面。

▲锗的发现者：温克勒。

元素周期表主要是按照原子量来排列的，等到温克勒测出了锗的原子量，他不禁惊呆了。锗就是“艾卡硅”，门捷列夫十几年前不仅预言了这种新元素的存在，更是把这种元素从头到尾描述了一遍。更为恐怖的是，这些预言跟温克勒的测定吻合的严丝合缝，几乎一点不差：

“艾卡硅”的原子量应该是72.64。

锗的原子量是72.59。

比重应该约为5.5。

比重是5.35。

它的熔点很高，低于硅但高于锡。

熔点是947℃。

（硅熔点约1410℃，锡熔点约230℃）

它的颜色是深灰色，带金属光泽。

确实是深灰色的金属。

它的化合价一般体现为正四价。

确实如此。

它的二氧化物是一种特别耐火的材料。

二氧化锗真的很耐烧。

氧化物的比重应该是4.7。

一点都没错，确实是4.7。

它的四氯化物的沸点应该在100摄氏度以下。

四氯化锗的沸点是86摄氏度。

它的四氯化物的比重约为1.9。

是1.887。

▲门捷列夫的预言和温克勒的实测，从上到下的属性分别是：原子量、比重、熔点、颜色、氧化物形态、氧化物比重、氧化物活性、氯化物沸点、氯化物比重。

在这之前，还有一大群化学家对周期律嗤之以鼻：

“化学从来没这么玩过的。”

“谁见过不用试管烧瓶，光玩玩纸牌就能发现新元素，搞出新发现的？”

但锗被发现之后，这些反对者再无话说，所有人都接受了周期律理论，这些元素性质各异绝非偶然，它们之间确实存在着严格的规律。

在门捷列夫之前的化学家们不可谓不努力，他们的工作可以说是在探险，而他们究竟能不能发现新元素，很大程度上取决于客观条件，比如地球上元素的丰度，铝和镁在地球上这么多，戴维等人不发现，也会很快有人发现它们；或者还依赖于物理学家提供的工具，比如戴维没有电就发现不了化学性质活泼的金属，本生没有光谱分析，也发现不了铯铷这些微量元素。

▲本生在化学史上是一位可以与戴维平起平坐的人物，他的故事后面更加精彩。

现在，由于门捷列夫给所有化学家画出了一张清晰的地图。化学家们知道发现新元素的方向在哪里，他们接下来要做的，就是将这张表里的空白一个又一个填满，这样的效率会加快太多。化学家们再也不会做无用功，到不可能的地方去寻找新元素了。就好比现在有了精确的地图，地理学家不会跑到撒哈拉大沙漠去寻找热带雨林，也不会跑到太平洋里探索高山，因为那里不可能有。同样的，化学家也不会想方设法去钾钠中间寻找新的碱金属，更不会在氧和氟之间发现任何新的元素，因为这是周期律所不允许的。从1886年锗被发现、元素周期律大获全胜之后，只过了50多年，到了1939年二战之前，这张周期表上就只剩下三个空格了。这真是来源于周期律的伟大指引！

▲1871年，门捷列夫出版的一套元素周期表，其中提到了众多的未知元素。

人类的进步史上，门捷列夫的元素周期表乃是一座丰碑，但也不过是众多的里程碑之一。从古希腊时代开始，人类的认知从原始的自然哲学走向现代科学，使用的方法不过如此：发现——总结规律——再发现——打破规律——提出新规律——再发现。从伽利略时代至今，才不过500年，但人类社会的发展已经日新月异，把地球上相当大的一块地皮翻新了好几次。这一切发展的源动力还不是这些科学的方法吗？这种科学方法发展到极致，就是爱因斯坦掷地有声的语言：“理论决定了我们能观察到什么！”

很可惜的是，我们中国的祖先不可谓不聪明，也曾经制造过世界上最有分量的青铜器，在某几个方向上也曾领先世界n多年，但跟西方的发展相比，总体而言是走上了另一条道路，我们的祖先太喜欢罗列事实，而不爱分析原因，总结规律。

▲《九章算术》VS《几何原本》，哪个对世界影响大？

我们数学上有《九章算术》，只是几百道数学题的罗列，而欧几里得的《几何原本》则是建立了一个理论框架。

我们工程学上有《考工记》，有伟大的《天工开物》，也是一条条技术的列举，没有人愿意去做牛顿、卡文迪许，因此现代的物理学、化学没有诞生在中国。

甚至2000多年前我们伟大的孔子也只是述而不作，一部《论语》可谓是看到问题解决问题。而稍晚一点的亚里士多德已经开始写《物理学》和《形而上学》了。

▲孔子VS亚里士多德，一个述而不作，一个拼命著作。结果前者一直找不到工作，后者却调教出了千古一帝：亚历山大大帝！

看到了吗？我们的祖先总是享受解决问题的乐趣，而缺乏对不同现象的规律总结。确实，解决复杂的问题需要超人的智慧，但发现规律以后，一连串的问题只是小case而已。这是否能解释，现代科学没有能诞生在中国，更因此中国从16世纪开始渐渐被西方屌丝逆袭，中华民族的痛苦经历随之而来。

要知道，我们祖先的这一套到现在还有很多遗毒呢，在很多生产、科研领域仍然有重实践、轻理论之风。很多欠缺科学素养的管理者总是喜欢强调一些光辉的经验，讲一些玄幻故事，却根本不管不顾过去的经验在当前的情况下是否有可复制性。这无疑滋生了太多造神的土壤，想想过去那么多年的经历，难道我们被冤枉了吗？

▲水变油的闹剧，竟然可以发生，难道不值得我们反思吗？

回到门捷列夫时代，其实老门在当时也不是没有面临挑战，比如1868年让逊发现的太阳元素——氦，这个元素在老门的周期表里的哪个位置呢？

老门其实不怎么相信这种元素，他认为太阳上的元素光谱可能跟地球上不太一样，也有可能是铁或者氧在高温的太阳里发出的光谱偏移了。

等到拉姆塞一下子发现了一长串新元素——惰性气体家族，门捷列夫好像受到了最大的震惊，一开始，他坚决不愿意承认这些新元素，因为它们在他的周期表上找不到位置。但很快，拉姆塞们告诉他：惰性气体不是要打破元素周期律，而是对周期律最好的补充；惰性气体的发现正是证明了周期律的正确性！