元素週期律的發現——對“科學”的完美詮釋_風聞

1、科學是獲取知識的過程，而非知識本身。

2、這個過程又被稱作科學方法，其涵義是通過組織一個經嚴格驗證被認定可信的解決問題的方案來獲取信息。

3、科學方法包含以下重要元素：嚴謹的觀察、構建假説並驗證之、對新信息新點子的開放性、自願接受他人的經過驗證的成果。

科學只能解決有客觀現實基礎的問題。由於信息的缺乏或者誤解，人們有時候也會得出錯誤的結論。但是科學本身是具有自我糾錯能力的，當我們獲取了新的知識，就必須改變或者拋棄原本錯誤的想法。

科學與非科學的根本區別在於假設能否被驗證。偽科學不是科學，卻用“科學”的外表和“科學”的語言來説服、迷惑和誤導人們認為它是科學可信的。但它們經不起真正的科學的檢驗。

       在門捷列夫發現元素週期律以前， 化學這門學科已經誕生了２００ 年以上。在這段時間裏， 這門學科雖然有了很大進展， 但是， 它只是積累了很多零散的知識而已。這些知識之間的內在聯繫如何， 怎樣才能把它們系統起來， 還是沒有解決的問題。因此， 這時的化學學科， 就像個管理不好的庫房一樣， 雖然各種材料很多， 但是東一攤、西一攤， 放得個亂七八糟， 毫無規律。

　　當時學校裏的化學老帥， 包括大學裏專門教化學的教授在內， 在這一大堆亂七八糟、漫無秩序的材料面前， 對於如何組織教學， 誰也拿不出好主意來， 只能各行其是。有的人先從氫講起， 因為它最輕；有的先講氧， 因為它分佈最廣；有的先講鐵， 因為它是最常見的金屬；……

　　化學家們實在不能繼續容忍這種混亂的狀態了! 大家都在想， 怎樣才能找到一個規律， 把這些各種各樣的元素有系統的排列起來， 把這些雜亂無章的化學現象和化學知識系統化起來。

　　１８２９ 年， 德國化學家段柏萊納在比較各種元素的原子量的時候， 注意到有幾個化學性質很相似的元素組， 每組包括三個元素。在每一組的三個元素中， 按原子量的順序排列， 中間那個元素的原子量大約是兩邊的元素原子量的平均值。

　　例如: 鋰、鈉、鉀三種元素的性質就很相似， 它們都是金屬， 能和水激烈地反應放出氫氣， 並且生成很強的鹼。排在中間的元素鈉， 它的原子量 (２３) 正好是鋰 (７) 和鉀 (３９) 原子量之和的二分之一。

　　氯、溴、碘三個元素都是非金屬， 都能和金屬起反應， 它們的原子量也有上邊説的那種情況。

　　這樣三個元素一組、三個元素一組， 共找到五組。段柏萊納把它叫做三元素組。

　　三元素組的分類方法， 雖然比過去進了一步， 但它只包括了１５ 個元素， 還有幾十種元素沒有歸納進去。另外， 這一組一組的元素相互間有什麼關係， 段柏萊納也説不出來。

　　在這以後， 還有許多人嘗試過用各種方法分類和歸納元素， 試圖從中找出規律性的東西。其中比較引人注意的一種方法， 就是英國人紐蘭茲提出的八音律。在音樂中， 當我們把音符１ (do) 、２ (Le) 、３ (mi) 、４ (fa) 、５ (So) 、６ (La) 、７ (Ti) 、i (do) 、２ (Le) 、３ (mi) ……排起來的時候， 你從任意一個音數起， 數到第八個音時， 一定和第一個音的的唱法一樣， 這兩個音之間的距離就是八度。紐蘭茲把當時已知的元素按原子量一個比一個增加的順序列成行的時候， 他發現， 從任何一個元素開始， 數到第八時， 就會出現一個和第一個元素性質相似的元素， 好像音樂中的八度音一樣。紐蘭茲把這種現象叫做八音律。

　　紐蘭茲根據八音律把當時已經知道的元素編了號， 排成了一張表。從這張表裏元素排列的順序來看， 在第一行氫、鋰、鈹、硼、氮、氧這七種元素之後的氟、鈉、鎂、鋁、硅、磷、硫分別和前七種元素相似。第二行的氯、鉀、鈣也分別和氟、鈉、鎂性質相似。再往後就不能令人滿意了， 比如２２ 號位置上的鈷和鎳， 同前面的氟、氯的性質便沒有什麼相似的地方。１８６６ 年， 紐蘭茲在英國化學會的年會上報告了它的這種分類方法。遺憾的是， 他不但沒有受到應有的鼓勵， 反而因為回答不出聽眾提出的許多問題而受到了奚落。傷心的紐蘭茲失去了勇氣和信心， 放棄了他的理論研究工作而改行去幹別的事了。

　　這樣， 化學家們嘗試把元素系統化的努力又一次失敗了。

       1867年，在俄國聖彼得堡大學任化學教授的門捷列夫(1834年2月7日—1907年2月2日)也向這個領域發起了挑戰。為了摸索元素間的內在聯繫，他用硬卡紙製了63張像撲克牌似的卡片，每張卡片寫上一種元素的化學符號，以及它的性質和原子量。然後，他玩起這些“紙牌”來。他想按原子量的大小把卡片排成一張表，就像打撲克一樣，一會兒排齊，一會兒分開，不斷地調換着桌子上紙牌的位置。

       當時門捷列夫面臨的最大困難是：在已經發現的元素中，有的原子量測得不準，還有許多元素當時還沒有被發現。有一次，他從按原子量大小排列的表中，驚奇地發現有好幾處都是在某個元素之後，隔了7個元素又出現了一個與這個元素性質十分相似的元素。他心裏豁然開朗：元素性質具有周期規律重複。但一些元素按照現有的原子量，出現在了錯誤的位置，比如當時已知元素作如下排列：

　　元素：  氫     鋰     硼     碳     鈹      氮      氧      氟

　　原子量：1     7      11     12    13.5   14     16     19

根據鈹的化學性質，它應該在鋰（原子量7）和硼（原子量11）之間，原子量應該在9附近。門捷列夫判斷這些元素的原子量有誤差，重新校定後的原子量必定落在週期律中的位置上。

      門捷列夫要解決的第二個問題，就是未知元素的化學性質。一段時間後，門捷列夫發現鈣的原子量是40，而後面的鈦卻猛增到47.9，性質也上也與週期律脱節，這説不過去。經過反覆思考和研究，門捷列夫大膽地推測：這60多種元素，並不是全部，肯定還有許多沒被發現的元素；比如鈣與鈦之間就有一個還沒“出世”的元素。他沒法證明這是什麼元素，便命名為“類硼”，並給它留下一個“家”——在鈣與鈦之間。門捷列夫進一步發現，鋅後面本來是砷，但砷的化學性質與磷相似。於是經過計算，他把砷放在磷後面，鋅後面空出了位置。門捷列夫把這種未知元素稱為“類鋁”，並預言了這種元素的性質。

       1869年的一天，俄羅斯化學會邀請專家進行一次學術討論。大家各抒己見，好不熱鬧，只有門捷列夫一言不發。主持人躬身説道：“門捷列夫先生，您有什麼高見？”門捷列夫也不説話，起身走到桌子的中央，從口袋裏取出一副紙牌，甩在桌面 上。在場的人都大吃一驚。只見門捷列夫三兩下便將亂糟糟的牌整理好，大家這才發現那並不是一副普通的撲克：每張牌上寫着一種化學元素的名稱、性質、原子量等，共63張，代表着當時已發現的63種元素。更怪的是，這副牌中有紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色。接着門捷列夫在桌子上列出一個牌陣：豎看就是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫分別各一列，橫看七種顏色的紙牌就像畫出的光譜段，有規律地每隔七張就重複一次。周圍的人都傻眼了。

       1869年3月，門捷列夫在他題為《元素性質與原子量的關係》的一篇論文中首次提出了元素週期律，發表了第一張元素週期表。

      他將元素在圖表中以元素的原子序數逐漸增大的順序進行排列，創造了元素週期表的雛形。這種結構化的順序幫助門捷列夫和其他科學家確定了元素之間的相似性和差異性，有助於預測未來的化學反應。雖然門捷列夫的元素週期表包含 63 種元素，但他預計總有一天會發現其他元素，因此他在週期表中留出了空位，以便進行補充。今天，元素週期表上確定的 118 種化學元素包括構成宇宙中所有已知物體的物質。鐵（Fe）是地球物質構成中最豐富的元素（按質量計），而氧（O）是地殼中最常見的元素。

       門捷列夫發現元素週期律的論文公佈後，並沒引起科學界的轟動，相反，許多化學家們都表示懷疑。尤其是對他預言並描述當時還未發現的類硼、類鋁和類硅三種元素情況，均説不可理解。1875年，法國化學家德布瓦博德蘭檢測在閃鋅礦樣品的原子光譜時發現兩條紫色譜線，後來經過電解其氫氧化物的氫氧化鉀溶液得到鎵。經測定，這種新元素比重是4.7克/立方厘米。這種新元素與元素週期律中的類鋁太相似了，唯一不同的就是比重。門捷列夫元素週期表中得出類鋁的比重在5.9—6克/立方厘米，門捷列夫看到《法國科學院院報》上一則關於發現新元素鎵的報道內容後，給布瓦博德朗教授寫了一封短信：“親愛的布瓦博德朗先生，聽説你發現了一種名叫鎵的新元素，可喜可賀。從您提供的鎵的性質推斷，鎵就是我曾預言的類鋁。鎵的比重應為5.9—6克/立方厘米，而不是4.7克/立方厘米，看看是不是測錯了。這件事關係到元素週期律的的正確與否，萬望重視！”

　   布瓦博德朗立即禮貌性地回了一封信。在信中，他説自己經過多次測定，鎵的比重不會有錯。門捷列夫自然不願放棄這次機會，便寫信告訴布瓦博朗德，兩人的測定的鎵比重不一致，是不是某一方實驗室的鎵不夠純淨所致。

　　開明的布瓦博德朗重新提煉鎵，並再次測定其比重。結果連他自己也感到驚訝：鎵的比重是5.96，正在門捷列夫所指出的5.9—6克/立方厘米範圍！布瓦博德朗懷着敬佩的心情給門捷列夫寫了回信，信中高度肯定了這位元素週期律大師預言的科學性。

       法國科學家用實驗的方法，第一次驗證了門捷列夫的預言，從而證明了元素週期律的科學性。這件事在歐洲科學界引起了巨大的反響。門捷列夫關於化學元素週期律的論文，被迅速地譯成法文和英文 ，並且發表於歐洲各大科學刊物。元素週期律驗證之旅正式拉開序幕。自此，許多科學家根據元素週期表，去探索尚未被發現的元素。幾十個著名的實驗室都在緊張地工作，千百個科學家渴望獲得新的發現。

　　以後的驗證速度出乎門捷列夫的意料。公元1880年，瑞典兩位化學家差不多同一時間發現了一種新的元素——鈧（kàng）。他們經過推測，鈧正是元素週期律中所預言的類硼。

　　喜訊繼續傳來。公元1886年，德國化學家文克列爾用光譜分析法發現了一個新的元素——鍺（zhě）。文克列爾驚奇地發現，鍺與門捷列夫預言過的類硅的性質非常相似。原來，門捷列夫預言類硅的原子量大約是72，比重大約是5.5，沸點大約是90攝氏度；它幾乎不和酸起作用，但可和鹼作用，並極易溶解於鹼。文克列爾的結果是：鍺的原子量為72.3，比重為5.35，沸點為86攝氏度；它很難和酸作用，但在熔融時極易和鹼起作用，並易溶解於鹼……預言竟如此準確，誰都想不到。

　　公元1895年，英國化學家拉姆賽發現了新元素氦。氦正是門捷列夫在1871年排列出的原子量為1到7、位於氫和鋰之間的無名元素。三年後，英國化學家拉姆賽又發現了新元素氖（nǎi）。氖就是門捷列夫指出的位於氟和鈉之間、原子量為20的元素。

　　最大的驗證來自居里夫婦。公元1898年，居里夫婦發現了放射性元素鐳，原子量為226.0254。當初，門捷列夫預言這種“類鋇”元素的原子量在210至230之間。

       在週期表裏, 我們把橫排叫做週期．現在週期表裏, 共有７ 個橫排, 就是有７ 個週期．縱行叫做族, 就是家族的意思；族裏面還有主族和副族之分．現在的週期表裏共有８ 個主族, 它們是第１ 到７ 主族和零族．還有８ 個副族, 它們是第１ 到第７ 副族以及第８ 族．表的左側標出的阿拉伯數字, 代表週期的次序；表的上方的羅馬數字代表族的次序；羅馬數字右邊的字母A 代表主族, B 代表副族．由於元素週期表是根據元素週期律排列出來的, 因而在每一個橫排也就是同一個週期裏的元素的性質, 從左到右呈現出有現則的變化；每一豎行也就是同一族裏的元素, 都具有相似的性質, 並且這種性質依照從上到下的次序也呈現出逐步增強或者減弱的趨勢。

       在每個週期，元素的原子序數從左到右逐漸增大。同一週期的所有元素具有相同數量的電子層，但是具有不同數量的電子和質子。化學元素族具有相似的屬性，例如，具有與鈉 (Na) 相似性質的元素包含在同一族中，例如鋰 (Li) 和鉀 (K)。

       週期表幫助化學家們按屬性和類似性分類元素。其中一種元素排序方法為將它們分為三類：金屬、非金屬和類金屬。

       元素週期表中的大多數元素都被視為金屬。它們具有相似的特徵，多數為固體、有光澤，是良好的導電體以及具有延展性。

       非金屬具有與金屬相反的特性，它們為脆性而非柔性，不是強導電體或導熱體。部分非金屬為液體，部分為氣體。

       準金屬，也被稱為半金屬，是介於金屬和非金屬之間的物質。準金屬具有獨特的導電性能，這使得它們在半導體和計算機芯片工業中應用較廣。

       1901年3月，虞和欽在杜亞泉主辦的科學期刊《亞泉雜誌》第6期上發表《化學週期律》。此文共7頁，其正文分為五部分：元素的天然分類、週期律表、各週期元素的規律性、各屬(主族)元素的規律性、週期律的功能，而週期律“向來譯書中未曾述及”，故虞氏的《化學週期律》一文，是中國最早完整引介“元素週期律”和“元素週期表”的文獻。