化学界的“宪法”

谷歌谣2019-10-14 14:27


今年是门捷列夫发现元素周期表一百五十周年。中学时期,甚?#21015;?#26102;候翻开字典附录,我们就接触过它。横七行,竖十八列;行称为“周期”,列称为“族”。族再分为主族与副族,主族始于第一二周期,副族始于第四周期,也就是说副族更短。大部分情况下,某列某行只对应一个元素,如第六主族的第二周期对应的是氧元素。但第三副族的第六和七周期例外,它们分别对应“镧系”和“锕系”,每个系包含十五个元素。

在元素周期表出现之前,化学家们或研究某一类物质,或钻研某一种元素,各自弹唱,听来悦耳,却是一盘散沙。元素周期表的出现,如奏响了一首气势磅礴的交响乐,每个元素各就其位,共奏华丽乐章。它从本质上统领了化学里所有的物?#39318;?#25104;、变化规律,堪称化学界的“宪法”。

回溯元素周期表的发现史,好似条条大路通罗马,可实际上,每条路都是蜿蜒曲折。

人早已在思考物质的本质是什么。由于难解,哲学思想应运而生。中国古代的五行说、古印度的四大说、古埃及的三元素说,皆指向几个元素即构成万物。“元素论”可以自?#36130;?#35828;,且表达了物质的基本属性,还能指导炼金。然而抬眉对空,天外有天;俯首望地,任凭细沙如泥从指缝流过。“无穷大”与“无限小”的问题依然牵动着哲学家们的心,这是“元素论”鲜有涉足的领域。伊壁鸠?#36710;?#21476;希腊哲学家提出了“原子说”,?#20174;?#23545;物?#25163;?#38590;以解释的“无限”概念。“原子”,即分割下去,不能再分割的物质。《墨子·经说下》也表达了类似的观点,“无”与“?#21069;?rdquo;,不可斫也,意思是“无”和“不能半分的”,是不可以分割的。“元素论”如“阳关大道”,人人走在上面,用以坐地观天炼金;“原子说”则像“独木桥”,烧脑,鲜有人敢闯。他们看似风马牛不相及,实则暗流相通。“原子说”沉寂近两千年后,才有勇士出现。牛顿试探着,“在我看来,似乎?#31995;?#22312;创世时创造了这样大小和形状的实心的、厚重的、坚硬的……最重要的是能构成其他物质。”同一时期,自然哲学家波义耳写了一本书,?#23567;?#24576;疑派的化学家》。他认为,所有物质都能分解为微粒。他还重新提出了元素的概念——最简单的、纯净的物质。他同时站在了元素论的“阳关大道”和原子说的“独木桥”上。但迷雾重重,波义耳步止于此,没能发现宏观与微观世界要在某个节点交汇。

一百年后,一阵微风拂来。法国化学家拉瓦锡将定量描述引入物质世界。他本人是经验主义的倡导者,坚信只有能观察到的结果才是有用的。他继承了波义耳的定义,认为元素是最简单的物质,并由此列出了33种元素。并且,他通过用天平秤量,证明了化学?#20174;?#21069;后质量守恒。

之后,科学家们纷纷采?#32654;?#29926;锡的方法,用数字来衡量各种现象,云?#26027;?#28176;拨开。比如,英国化学家、物理学家道尔顿就是在这样的背景下,以定量的方式重拾“原子说”。他感受到了伏于“阳关大道”与“独木桥”间的暗涌,于是果断提出有多少种元素,就有多少种原子的说法。元素的定义不知不觉从看?#30473;?#30340;物质靠向了看不见的原子。为了将宏观与微观世界间的暗道进一步疏通,他想到了测定原子质量。可是想法过于超前,原子是否真的存在,宏观物质包含多少原子,原子又是?#38498;?#31181;比例存在于物?#25163;?#30340;,在当时都是无解的,他只得另辟蹊径,提出了相对原子质量的概念。相对原子质量(以下统称“原子量”),是设氢的质量或其二分之一为1,其他原子以此为参照的值,它可以通过称量宏观物质来确定。很神奇,原子存在与否尚未确定,原子量却被引入了化学领域。

最初,许多原子量测定有误。就是在这样的前提下,人们居然都能发现巧合——大多数元素的原子量都接近氢的整数倍。另一位英国化学家普劳特(WilliamProut)因此大胆提出了假说——所?#24615;?#23376;都归于氢原子。许多支?#21482;?#21453;对普劳特假说的科学家们,纷纷投入到原子量的精确测定中,为元素周期表的发?#21046;?#24179;了道路。

元素的定?#36837;?#31946;,它是触手可及的单质(成分单一的物质)和化合物(成分不唯一的物质)里的组?#27801;?#20998;,也是黑匣子里的原子。但元素究竟是什么似乎不再重要,因为人们本能地开始探索本于元素的相似性,并有了对元素分类的念头。

在门捷列夫投身化学研究之时,前辈们们已经铺了足够多的路:发现了六十种元素;对现有元素进行了详细研究;出现了光谱?#38469;酰?#21152;热物质,通过其发出的光,进行元素鉴定;有了元素分类的尝试。发现元素完备的分类方式,似乎已到临门之境,“罗马”遥望可期。

当时构建元素周期表的难点在于,建立元素间的横向关系。缘于同族的元素在表观性质上有许多相似之处,而同周期元素的规律则不体现在表象。

一?#20301;?#35758;让这个难点有了突破。1860年,在德国卡尔斯鲁厄召开的国际化学会议上,科学家们统一了原子量的标定方式,并更正了一些元素的原子量。原子量的重要性,以别样视角进入到科学家的视线。何不以原子量对元素进行横向?#21028;潁空?#19968;看似朴素的想法,正是建立元素周期表内横向关系的途径。当所有因素都具备时,问题变成了花落谁家,谁将最先抵达罗马。

最早进行尝试的是法国的地质学家尚古尔多阿(DeChancourtois)。1862年,他将元素按照原子量?#21028;潁?#24182;绘出了柱状图。不幸的是,他用了许多化学家们不熟悉的地质学词汇,且图被出版社隐而不发,其所做的一切并未引起关注。两年后,英国化学家纽兰兹(JohnNewlands)和奥德林(WilliamOdling)分别独立地发表了“元素周期表”。

虽然这三位科学家?#23478;?#21407;子量为依据进行了?#21028;潁?#20294;是无论是地质学家,还是两位化学家,?#27982;?#33021;在细节?#19979;?#20986;重要一步——分出主族与副族。这极为关键的一步看似简单却至为困难,以现代化学的观点来看,主副族的区分意味着原子内部不同类型的电子结构,可当时没有任何关于电子的?#40092;丁?/p>

最终,另外三位科学家分别从不同的路上独自走到了“罗马”,他们分别是德裔美籍科学家欣里?#36134;?GustavusHinrichs),德国化学家迈耶尔(JuliusLotharMeyer),和俄国化学家门捷列夫(DmitriMendeleev)。

欣里?#36134;?#26159;个另类的奇才。25岁那年,他为了躲避政治迫害,从?#20998;摶凭?#21040;美国,不久,即被任命为爱荷华大学的自然哲学、化学和现代语的教授。他涉猎十分广泛,精通于矿物学、气象学、天文学、化学,以及多种语言。他从元素光谱这一独特的角度切入,构建了螺旋式的元素周期表。他的表能体现主副族关系,是周期表向前?#24179;?#30340;飞跃一步。然而他并不是走到最后、影响最深的那个人,这与他的个性分不开。他特立独行,身在美国,却不以英语发表论文;不?#19981;?#29233;荷华大学的同事,就调离;只字不提元素周期表的其他发现者,对他们的贡献视而不见。或许是因为在人们的心中太过异类,他作出的贡献没能得到客观的评价。事实上,应用元素光谱分析,?#31204;?#20854;重要地位,并以此发现元素周期表,是超越时代的事。

迈耶尔是个典型的德国人,做事严谨、保守。他出身于医学世家,攻读了医学和化学博士。他也参加了国际化学大会,知道最新的原子量和其重要性。因此早在1862年,迈耶尔就从物理性质的角度切入,并根据原子量递增的规律,绘制了一张包含两部分的表,这正是主族与副族分开的表现。严谨的他,选择两年后才发表了这张图表。1868年,早于门捷列夫一年,迈耶尔绘制了一张准确性比门捷列夫更好的周期表。然而出于一些原因,他没有发表这张表,错失荣誉。

门捷列夫出身在寒冷的西伯利?#29301;改?#26089;逝。母亲十分重视他的教育,在去世前竭尽全力让他进入了父亲的?#24863;?mdash;—圣?#35828;?#22561;师范学院。在那里,他学习了化学、物理、生物和教育学。由于很早就在中学教书,他对元素的各种性质如数家珍。后来他在大学当编外教?#20445;?#33719;得22个月的奖学金后,立赴?#20998;?#30041;学。他选择了留在俄国人聚集的地方——德国的海德堡。一年后,他参加了在海德堡附近的卡尔斯鲁厄召开的那次重要的国际化学大会,于是立马在后续研究工作中采用了最新的原子量。

九年后的一天,1869年2月17日,圣?#35828;?#22561;大学自由经济学会会长霍德涅夫(AlexeiIvanovichKhodnev)写信给门捷列夫,?#25165;?#20182;去视察一个乳?#39029;А?#22312;这封信的背面,门捷列夫第一次写下了元素周期表,完整准确,有主副族之分。没有什么预演,一气呵成,以至于传闻他是做?#20301;?#32773;玩扑克牌时偶然得到。实际上,门捷列夫的推演过程,更像是作家辛丰年在《乐迷闲话?#20998;?#23545;德国作曲家理查德·施特?#36864;?RichardStrauss)的描写,“他把初步形成的乐想暂时搁置起来,让它在潜意识中听起来像摘下的果子那样,慢慢‘后熟’,过了好久再来加工。”

门捷列夫在多年的教学与实验中熟知各种化学?#20174;Γ?#25506;知到了体现在各种物质当中的相似性。剥离出来即是,回归到基本的相似性。单质是最简单的物质,但它的规律难以把握:光是碳就有金刚石、石墨等多?#20013;?#24335;;单质的钠与氯都有毒性,可他们却能结合为无毒的食盐——氯化钠……这些都不能体现一种内在的相似性,他站在波义耳、拉瓦锡等先?#36130;?#22909;的路上犹豫了。当时?#24418;从?#29616;代原子理论,他无法像道尔顿一样,将元素等同于原子。他的路上,必要勇闯“元素的意义”这一难关。

他避开了原子这一黑匣子,将元素的概念升到超自然的高度——元素是永恒不变的,并且决定了物质的可观测性质。因此,在研究元素的规律时,他选择的标?#23478;?#28385;足“不变”的条件。最终,他谨慎地选择以原子量为参照,进行周期的构建。这还?#36824;弧?#34429;然他采用了最新的原子量,但是仍有一些原子量不正确。这时门捷列夫深厚的化学功底帮助了他,他敢于打?#35889;?#24049;设下的准则。他调换了碘与碲的位置,还根据自己的周期表,对已有的原子量?#26469;懟?#22522;于对自己工作的笃定,他将自己分类采用的所有条条框框,以及他基于元素周期表的预测,?#35760;?#28165;楚楚地写在了当年发表的论文里,而其他的发现者对自己采用的方法只是有所暗?#23613;?/p>

迈耶尔是第一个奔向“罗马”的人,而门捷列夫是站在城楼接受祝贺的人。门捷列夫大胆直接,说话强硬,对新元素作出了许多预言,使得人们对他的工作印象更深。而且,他一?#22791;?#36827;元素周期表的后期发展,是元素周期表最大的贡献者。1869年发表元素周期表时,面对留出的空位,门捷列夫断言:“我们一定能发现这些未知元素。”他一共预言了十六种元素,其中有一半是对的,性?#35270;?#20182;预测的相似。碘和碲的?#25215;?#19968;直困扰着门捷列夫,他一直?#32439;?#30898;原子量的测定至1895年,虽然最终结果令他大失所望。1894年,稀有气体氩的出现,还打破了元素周期表本有的寂静,它和所有元素都不相似。门捷列夫十分关心这一新元素在周期表中的位置,最终欣然接受稀有气体自成一族。

这三位科学家并非找到了正确的“探索之路”,就直接通向“罗马”。无论是元素光谱、物理和化学性质,还是原子量,都有太多不符合规律的“特例“存在,绝非一个通用公式就能解决问题。由于事情的复杂性超乎我们的想象,仅以某一准则就进行绝对归类是不合理的。但这并不意味着要随便改变原则或者判据,而不妨以容错的方式,去考虑更多隐而未现的因素。这样当事情的真相揭开时,我们会为?#32972;?#20801;许发生的错误所庆幸。比如,20世纪发现的同位素解决了碘和碲?#21028;?#30456;反的问题。若未经历过挣扎与容错的过程,可能反而会被禁锢在原地。纵观科学史,我们更会为它容错的能力惊?#21462;?#23427;可以容忍缺乏证明的“绝对真理”几百年,?#37096;?#20197;容许科学家们集体犯错几十年,但最?#36134;?#20250;找到正确的方向。

?#38381;?#24352;表横空出世后,甚至是很多年以后,我们才对它孕育的规律恍然大悟。关于元素周期表的法则,称为元素周期律。“族”的规律更容易发现,它表现在各种化学?#20174;?#19982;物质形态当中。而横向上,同周期的元素所能形成的物质形态各异,能发生的化学?#20174;?#19981;尽相同。只有当我们从原子的层面上理解,才会非常清晰?#21644;?#21608;期元素从左到?#36965;?#21407;子内部的电子受到的吸引作用增强。了解到这一点后,我们才能在元素的化学?#20174;?#19978;捕捉到一些本质规律。这样看来,元素周期表确实是化学世界的“宪法”,它从本质上统领了所有的物?#39318;?#25104;和变化。

著名历史学家?#36843;视?#20808;生曾在他的回忆录里,谈及他的历史观,他这样写道,“史学是一种观点。过去必须重新投射于现在的崭新前景中,而现在却不时在变换中。”因此,我们评价一件历史事件,是会随着时间推移变化的,或在正面与?#22909;?#20013;不断跳跃。科学界更是这样,现行的定律需要不断接受新的挑战。他们中的很多,或被完全推翻,或被?#40092;?#21040;有局限性。而对于元素周期表,视线向前?#30001;歟?#23427;变得愈发饱满,站得更稳,并不断被?#31204;?#26032;的意义与价值。

元素周期表刚问世时,只是引起了一些关注。有机化学家伍兹在当时坦言,他不?#19981;?#20803;素周期表,他认为周期表只是一个强有力的概括,并且有诸多缺陷。沙皇政府对门捷列夫的学术活动评价是某种手工活动。直到十?#36837;?#21518;,门捷列夫预言的镓、钪和锗元素出现了,元素周期表才受到重视。“致命的”问题又接连出现,稀有气体和稀土元素无法填入元素周期表。几十年后,科学家们通过增加新族,以及另立新系的方式,解决了上述问题。二十世纪,量子力学又对元素周期表进行了更?#30001;?#20837;的解释——电子的排布决定了族、系。

回望最初发现时,原子是否可以再分割,甚至原子的概念是否正确,都尚且未知,可见元素周期表的前瞻性与伟大之处。元素周期表的生存能力体现在,它可以与新事物兼容,并避免极端的改变。相较之下,“完美的”牛顿力学和麦克斯韦方程组,到了二十世纪,被相对论效应和量?#26377;?#24212;无情地击垮了——他们的应用范围是有限的。

音乐评论家焦元溥在《乐之本事?#20998;?#20889;道,作曲家写出乐曲,其实只完成了作品的一半,至于那另外一半,必须靠演出来实现。因为乐谱本身留给演奏者发挥的余地,音色可以更加多元,节奏可以起伏?#34987;骸?#32780;听众作为至关重要的部分,他们的偏好往往会影响乐曲的演奏风格。若把门捷列夫比作作曲家,那么元素周期表就是他的作品,演出者是元素与科学家,听众是需求。元素除了符合元素周期表的递变规律外,常常有着其他的特点,?#20889;?#31185;学家们探索。而科技发展的需求,往往决定了挖掘的方向。

比如大家熟悉的硅,它和碳同属一族,原子结构很相似。不过相较于碳在生物中担负各种复杂功能,硅是看似如?#20284;?#20961;的存在,它在地球上的主要形态是沙土、石头。过去,硅或者用在铺路、建房上,或者存在于陶瓷,玻璃里。而实际上,硅一点不平凡,它有绝大多数元素没有的半导体性能。如今,高纯度硅是集成电路里不可缺少的部分,几乎所有科技?#23478;?#20381;靠它;?#36865;猓?#23427;还可以应用在太阳能发电、光导纤维、航空航天等重要领域。

稀土元素,是当今各种高精尖领域必不可少的金属元素。极其罕见的是,它们中的七种发现于同一个小岛的同一个村庄里。在斯德哥尔摩附近的?#20857;祝≧esar觟)岛上,有一个叫做伊特比(Ytterby)的村庄,它出产用于?#35889;?#38518;瓷的长石矿。1787年,中?#26223;?#20262;尼乌斯(CarlAxelArrhenius)注意到了采矿场中弃置的黑色矿物碎片,?#26412;?#21578;诉他,这不简单。于是,他立?#25506;?#36825;块矿石交给了他的化学家朋友加多林(JohanGadolin)进行检验。一百年后,稀土元素闻名于世。发出黄绿色荧光的铽是?#20973;摺?#26174;示屏不可缺少的部分?#27963;?#21457;出的激光不会穿过人体,如今它被用在治?#30772;?#32932;和牙齿疾病上;随着含钇高?#40065;?#23548;材料的诞生,储能、电?#26377;?#24687;等领域飞速发展。这些元素出落于同一个小村庄,却在不同的领域里大放光彩。

当新发现的元素?#21483;?#22635;入元素周期表时,迟迟未露面的43号元素锝引起了科学家们的注意。这时,科学家们决定另辟蹊径,尝试人工合成。最终在1937年,物理学家谢格尔(EmilioSegrè)拔得头筹。这是人类首次成功地合成出元素。锝具有很好的应用价值,可以用在医?#26222;?#26029;和冶金中。锝的出现仿佛开启了新世界的大门,就连地球上没有的新元素也?#21483;?#21512;成出来。从1952年出现的99号元素,到2006年合成的118号元素,第七周期就这样从“入座率”不到一半到“满席”了。

令科学家们着迷的问题是,合成元素之路是否有尽头。这隐藏的意思有二?#21644;?#25496;新元素的意义何在;元素是否可以无穷尽造下去。物理学家费曼就曾预测,137号元素将是最后一个元素。另一些科学家则将范围扩大到172号元素,再大的?#22467;?#23558;违背相对论效应。而科学家们一直兴奋着?#36153;?#19979;去的原因是,第八周期的元素可能具有一些奇特的性质,甚至可能打破元素周期表的范式。

元素仿若性格迥异的天才音乐家们,从前?#20174;?#36149;人,过着相似的潇洒流浪生活。后?#20174;?#21040;门捷列夫,他谱写了一曲壮美交响乐。陆?#21483;?#32493;,又有新的演奏者加入。他们中的有些直接加入原来的声部,音色更加饱满;而另一些特立独行的艺术家,选择另立新声部,旋律反而交织在一起,丰富起来。未来,也许一个“新星”的出现会带给我们许多惊喜,同时打破所有编排。但是这没有关系,我们曾经欣赏了一场不曾间断波澜壮阔的音乐盛宴,它将会永远被我们纪念。

 

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