——元素周期律的发现

　　前几回说到化学家们为发现新元素真是废寝忘食，绞尽脑汁。他们在元素王国这片陌生的土地上东奔西突，左砍右杀，各人祭起自己的法宝，八仙过海各显神通。那戴维用的是一把电斧，东劈西砍发现了钾、钠等几种元素；那本生、基尔霍夫用的是一柄光剑，一路刺开去找见了铯和铷；瑞利和拉姆赛则使的一把牛耳尖刀，专爱一层一层地剥竹笋，这就是分馏法，他们终于发现了氦、氖、氩、氪、氙等惰性气体。到此，化学家们已将所能使的各种化学、物理方法都已用尽。19世纪中期，元素已发现到了第63种，又是山穷水尽再无路了。而且就是已发现的这63种元素也够使化学家们眼花缭乱的。你看：有那硬的，一刀剁下不伤分毫；有那软的，指甲掐去如碰豆腐；有那性格沉稳的，任怎样摆弄也不去与别人结合；有那脾气暴躁的，放在空气中就冒火。更有那一物多变的，如磷，有红、有黄；如碘，有时棕色，有时紫色。就是一块灿烂的黄金，当把它打成极薄的箔片时竟会变成蓝绿色，而且还透明呢。现在不要说再去发现新元素了，就是先把这63种分分类、排排队也无从下手。这化学，真是刚从泥潭里拔出来，又在森林里迷了路，不知如何是好。

　　话说公元1867年，俄国彼得堡大学里来了一位33岁的化学教授门捷列夫（1834—1907年）。此人身材修长，眉清目秀，一看就是那种才华横溢、精力过人的青年学者。只要他一上台讲课，教室门里门外、窗台上、台阶下都挤满了学生。那奇妙的化学变化伴着他沉稳的手势和多彩的语言，直把听者吸引得就如钉钉住、胶粘住一般。连学校当局也暗自高兴聘了一个好教授。但是这门捷列夫却有两样毛病，一是爱喝酒，二是爱玩牌。他平时备课，桌子上就是少了纸笔也少不得一瓶白兰地和一只银杯。要是有一点儿伤风感冒的小病，他从不上医院，最妙的办法就是一仰脖子，咕嘟嘟半瓶酒下肚，然后拉过一件老羊皮袄，全身一裹，往沙发上一滚，呼噜噜地睡上一觉，什么头疼脑热都会在梦里云散烟消。他身为化学教授，大部分时间不是在实验室里度过，而是将自己关在书房里，手里总捏着一副纸牌，颠来倒去，整好又打乱，乱了又重排，也不邀请牌友，也不去上别人家的牌桌，真不知他这个牌是怎样的玩法。

　　门捷列夫

　　再说化学界因为那些难以捉摸的元素正闹得乱哄哄的，莫衷一是。1869年3月，俄罗斯化学会专门邀集各方专家进行了一次学术讨论。学者们有的带着论文，有的带着样品，有的带着自己设计的仪器当场实验，各抒己见，好不热闹。

　　而那个门捷列夫只身空手，裹一件黑色外衣，蓄着一把小胡子，静坐在桌子的一角，三天来不言不语，只是瞪着一双大眼睛看，竖起耳朵听，有时皱着眉头想。这天眼看会议日程将完，主持人躬身说道：“门捷列夫先生，不知你可有什么高见？”只见门捷列夫也不答话，起身走到桌子的中央，右手从口袋里抽了出来，随即就听刷拉一声，一副纸牌甩在了桌面上，在场的人无不大吃一惊。门捷列夫爱玩纸牌，化学界的朋友也都略有所闻，但总不至于闹到这步田地，到这个严肃的场合来开玩笑。在座的有一位长者寿眉双垂，银须齐胸，他叫齐宁，是门捷列夫的老师，过去很赏识门捷列夫的才华，推荐他来校任教，今天他见学生这样开玩笑心中早已不快。

　　只见门捷列夫将那一把乱纷纷的牌捏在手中，三两下便已整好，并一一亮给大家看。这时人们才发现这副牌并不是普通的扑克，每张牌上写着一种元素的名称、性质、原子量等，共有63张，代表着当时已发现的63种元素。更怪的是，这副牌中有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色。门捷列夫真不愧为一个玩纸牌的老手，他用拇指和食指轻轻一捻，纸牌由红到紫便成一排，再一捻又是一排。这样前排靠着后排，整整齐齐，竟在桌上列成了一个牌阵。要是竖看就是红、橙、黄……分别各成一列。

　　门捷列夫将这个牌阵摆好，叫大家看个明白，然后用手一搅，满桌只见花花绿绿，横七竖八，不过是一堆五彩乱纸片。他说：“这混乱的一团，就是我们最感头疼的元素世界，实际上这些元素之间有两条暗线将它们穿在一起。第一，就是原子量。尽管不同元素有时会有相似的某种特性，尽管同一元素不同情况下又会表现出不同的颜色、形状，但有一点它们却永不会变，就是各自有自己特有的、互不重复的原子量。因此，我们可以根据原子量的大小将它们排成一条长蛇。”

　　说着，门捷列夫十指拨弄一番，一堆乱牌变成整齐的一线。谁知这一排，却明显地看出那7种颜色的纸牌就像画出的光谱段一般，有规律地每隔7张就重复一次。门捷列夫又将其一截截地断开，上下对齐说：“可见，按原子量的大小，元素的性质在做着有周期的重复。如果竖着看，每一列的元素性质相似，这就是第二条暗线——原来每列元素的化合价相同。你们看，左边这列红纸牌上标的是氢、锂、钠、钾、铷、铯它们都是一价元素，性质活泼，除氢外都是碱金属。它们构成相似的一族，而在这一族里因原子量的递增，元素的活泼性也在递增。锂最轻，原子量是7，也最安静，落到水里只发一点儿咝咝声；钠的原子量是23，落到水面上就不安地又叫又跑；钾的原子量是40，落到水面上会尖叫着乱窜、爆响，还起火焰；排尾的那个铯，原子量是133，简直不能在空气里待一秒钟，立即就会自己燃烧起来。这63种元素，原来就这样暗暗地由原子量这条线穿起来，又分成不同的族，每族有相同的化合价，按周期循环，这就是周期律——元素周期律。”

　　地壳内所含各种元素的质量分数

　　只见门捷列夫双手像变魔术一样将那副纸牌在桌上变来变去，口中念念有词讲着每一个元素的性质，滚瓜烂熟，如数家珍。他放下红牌又拿起绿牌，说了第一族又说第二族，周围的人直听得目瞪口呆，他们这些在实验室钻了几十年，手上也不知被烧起多少伤疤，掉了几层皮的专家、教授，想不到一个青年人玩玩纸牌就能得出这番道理，要说不服气吧，好像有理，要说真是这样，又哪能这样容易。

　　这时突然有人说道：“先生，我看你那几张牌也未必就能将元素规律演示清楚。你看六年前发现的新元素铟，原子量是75.4，应排在砷和硒之间，可是这样一来砷无法和它相似的磷在一族里，硒也被挤出了硫那一族，岂不是扰得四邻不安？这还算什么规律？”

　　“先生，莫急。我看那铟的原子量很可怀疑，它的性质和铝相似，按我推算它的原子量应是113.1（后来测得是114.82），它本来就不应该挤在砷后面，应排到镉与锡之间去，这样大家不都相安无事了吗？”

　　这时，一直坐在旁边看着的齐宁早已气得胡子撅起老高，他一拍桌子站起来，以师长的严厉声调高声说道：“快收起你这套魔术吧。身为教授、科学家，不在实验室里老老实实做实验，却异想天开，摆摆纸牌就要发现什么规律。这些元素难道就由你这样随便摆布吗？”

　　门捷列夫一见是老师发了脾气，忙将纸牌收拢，毕恭毕敬地解释道：“不是我不做实验，是前人，戴维、本生、基尔霍夫他们已经做了够多的实验，发现了这么多元素，我们该从理论上做一点儿思考了。开普勒当年从他的老师第谷手中接过700颗恒星的观察资料，并没有按照师嘱再去观察第1000颗，他做了理论思考，终于发现了能解释众星运行的三定律。勒维烈之前有多少人在观察寻找天王星外的新星，他并没有把主要精力放在实地观察，而是做了理论推算，一下就准确地找见了海王星。在研究元素的过程中人们使用的武器够多了，有光，有电，有分馏法，这些都不够了，现在需要理论，化学该有自己强大的理论武器问世了。”

　　“你这是什么理论？像是说梦，像是小孩玩积木。你何不按字母顺序去排元素周期呢？那样不是更省事，更整齐吗？”这齐宁老头越说越激动，一边说一边就收拾皮包离去，别人见状也都纷纷站起，这场讨论不了了之。

　　再说门捷列夫回到家里后还是继续推着这副纸牌，遇有哪个地方的顺序接连不上时，他就断定一定还有什么新元素未被发现，暂时补上一张空牌，再根据它所在的族起一个“类铝”或者“类硼”等样的名字。他这样一口气预言了11种未知元素，那副纸牌也已是74张。自从那天在会上碰了钉子，他闭门谢客。每日起来独自玩一会儿纸牌，翻几本新到的杂志，便叫助手安东拿过酒瓶自斟自酌，倒也悠闲，这样一连过了几年。忽一日他正品酒翻书，突然大叫一声，将酒杯扔出老远。安东不知出了什么事，急忙推门进来。门捷列夫一下扑上去，双手摇着安东的肩膀喊道：“我们胜利了，他们这回要投降了，有人已经证实了我的预言！”

　　原来他刚才看到一个材料，法国科学院宣布他们的科学家布瓦博德朗在1875年9月发现了一种新元素——镓，而且那发现过程是多么艰苦，多么神秘。这个布瓦博德朗是一个光谱分析的好手，在1875年8月27日深夜3点多钟，他在分析从比利牛斯山送来的一种闪锌矿时捕捉到一丝紫色光线。他对这个新发现没有把握，但又怕别人抢了先，于是连忙写了一个备忘录，用火漆封好，寄交法国科学院备案。又过了三个星期，他手头的这种新物质已经积累到一毫克，他又测了它的比重、原子量，于是就正式宣布他发现了新元素。

　　再说门捷列夫见有人发现了新元素，喜得酒杯也扔了，牌也不玩了。但过一会儿他发现布瓦博德朗的测量并不准确，立即提笔写了一封很自信的短信：

　　先生，您发现的镓，就是我5年前预言的“类铝”，只是它的比重应该是5.9，而您却测得是4.7，请您再做一次实验，我想大概是您的新物质还不太纯的缘故吧。

　　这布瓦博德朗在巴黎正为自己的新发现所陶醉，不想突然收到这样一封信。全世界就只有他拥有这么一点儿镓，这个俄国人由哪里得到的数据呢？他半信半疑立即将新积累的共1/15克镓拿来再仔细测算一次。天啊，果然是5.94！这个法国人立即给彼得堡回了一信：

　　尊敬的门捷列夫先生，首先祝贺您的胜利。我能说什么呢？这次实验，连同我的发现都不过是您的元素周期表的一个小注解。这是您的元素周期律的伟大之处的最好证明！

　　没过几天，齐宁也亲自登门。这回他手里提着酒瓶，一进门就开朗地喊道：“年轻人你赢了，我们俄国人赢了，让我们一起来痛饮一杯！”

　　事情还不止于此。这门捷列夫坐在家里，千里之外不断地向他送着捷报。法国刚发现了镓。1879年瑞典人尼尔森又发现了钪，就是门捷列夫曾预言的“类硼”。1886年，德国人温克莱尔又发现了锗，就是门捷列夫曾预言的“类硅”。尤其是这锗和门捷列夫十五年前的预言竟然吻合得如此严密。门捷列夫说：“它的原子量可能是72。”温克莱尔说：“测到的是72或73。”门捷列夫说：“比重该是5.5。”温克莱尔说：“是5.47。”门捷列夫说：“新元素的氯化物比重大约是1.9。”温克莱尔说：“是1.887。”

　　门捷列夫惊人的预言、准确的周期表一时间轰动了法国、瑞典、德国，轰动了全欧洲。各国科学院纷纷请他去访问，争先恐后地向他授予学位、学衔。他预言的11种未知元素后来都一个个被人找到，乖乖地到他的周期表里排队站位去了。特别是后来找齐了的氦、氖、氩、氪、氙、氡，又给周期表增加了新的一族。元素世界一目了然，周期表真可谓天衣无缝了。它像一幅大地图，只要我们一展开，万里河山就尽收眼底。以后人们对化学的研究就全靠这幅指南图了。

　　元素周期律的发现，最典型地说明了实践产生理论，理论指导实践，并又进一步在实践中检验真理。各位读者已随着我们这本书从古代科学走入近代科学，现在大致可以看出一点儿科学发现轨迹。当人们对世界还一无所知时，便有如屈原、泰勒斯、毕达哥拉斯、德谟克里特这些先知从宏观的哲学的角度提出世界是什么。然后就是一批实验科学家一点一点儿去探寻，试想第谷观星、伽利略研究运动、戴维找元素、法拉第找电和磁，就如探险家深山探宝一样，没有任何目标，全靠辛苦去找。但是在实践一段后，各学科相继都产生了理论，并且在实验物理学家、化学家之后出现了理论物理学家、化学家，这就分别是开普勒的三定律、牛顿的万有引力、麦克斯韦的电磁理论和门捷列夫的元素周期律等等。有了这些理论的指导，科学家手里就有了一张“藏宝图”，以后的探宝活动就不那么盲目了。勒维烈坐在家里就推算出海王星，门捷列夫坐在家里就推算出十几个未知元素，然后再由天文台，由实验室一一证实，理论显示出多么强大的指导作用。

　　却说门捷列夫发现周期律后，当时有人真的以为他是在喝酒、玩牌就发现了周期律。有一天，彼得堡的一位小报记者上门采访说：“门捷列夫先生，您是不是承认您是一位天才？”

　　“什么是天才？终身努力，便成天才！”

　　“可是我听说您是在一个晚上做了一个梦，梦见您桌子上的牌变成一条蛇，这蛇又弯成几折，醒来后就制出了周期表。”

　　门捷列夫哈哈大笑，笑得胡子都在颤抖，答道：“您要知道，这个问题我大约想了有二十年，而您却以为坐着不动，五个戈比一行、五个戈比一行地写，就写出来了，事情哪有这样简单。”

　　门捷列夫本来就是学院里有名的教授，发现周期律后他更受学生的欢迎了，每天慕名来听课的人挤得连教室的走廊上也插不进一只脚。这天，像往常一样，门捷列夫又来上课，照样是满堂屏气凝神，鸦雀无声。一会儿讲课结束，学生们欢呼雀跃，掌声雷动。可是门捷列夫却将讲义合上，示意学生们静下来，走到讲台的前沿。他沉默了片刻，像要说什么，却又说不出，眼里含着愤怒，还闪着一点儿泪光，最后只说了一句：“对不起，同学们，这是我给大家上的最后一堂课。希望你们今后认真读书，各自珍重。再见！”

　　门捷列夫为何突然罢课，请听下回分解。