分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

門得列夫與週期表:頑固就是戰鬥民族的浪漫(下)

位於布拉提斯拉瓦斯洛伐克科技大學(Slovak University of Technology in Bratislava)中的門得列夫紀念碑。圖/By http://www.flickr.com/people/mmmdirt/ - http://www.flickr.com/photos/mmmdirt/279349599, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1526889

位於布拉提斯拉瓦斯洛伐克科技大學(Slovak University of Technology in Bratislava)中的門得列夫紀念碑。圖/By mmmdirt@flickr, CC BY-SA 2.0, wikimedia commons.

文/姚荏富

1869 年 2 月 17 號,門得列夫已經思考了三天三夜,他將每個元素製作成一張張卡片,將卡片鋪於桌上,試圖要找到其中的規律,但遲遲沒有想出適合的排列組合。

正當吃早餐時,門得列夫看了看寄來的郵件,開始在郵件後方書寫了起來,把他所知道的三元素組依左到右照原子量大小排序,再由上而下的把低原子量者放上面,把高原子量者放下面。這時擅長卡牌遊戲的門得列夫想到,如果每個相似的元素組都屬於一種花色,然後原子量就像是卡牌上的點數,63 個元素就可以排出一個大概的圖形,最後可以得到一個有七組相似組,然後組內在由原子量大小作排列的奇怪表格,而這個化學紙牌遊戲就是化學週期表的前身。

門得列夫對週期表的出現是這麼形容的,「我的腦海中有一張表,元素們都照著定位排好,當他們清楚地出現時,我馬上就將其寫下」。這樣聽起來發現週期表好像對門得列夫來說並沒有那麼困難,但在寫出週期表之前,門得列夫每天都在進行原子量的測定,並到處蒐集各個元素的資訊,也因為奠定了這些基礎,才能夠在靈感來臨時,馬上將這些資訊進行整理,將腦海中的表格呈現出來。

們德烈夫週期表

mendelejevs_periodiska_system_1871

門得列夫 1871 年的元素周期表。圖 / By Källa:Dmitrij Ivanovitj Mendelejev, 公有領域, wikimedia commons

門得列夫的第一版週期表其實就是將前人對元素關聯的推論,在加上自己的直覺做了一次整合,不過在這樣充滿元素符號的表格中,其實蘊藏了許多前人沒有發現到的神奇秘密。

這份週期表顯示出照原子量排序後每七個元素會有一循環(實際上是八個不過當時還沒發現惰性氣體),也就是前人說的八音律;每一循環就稱為一個週期,所以第一個元素會與第八個以及第十五元素都會有類似的性質,門得列夫將這樣類似性質的關係稱為 「族」。

這份週期表大致上是依照原子量排的,不過其中幾個元素並沒有照原子量的順序排入週期表,而是照元素性質被編入週期表的,例如:釷(Th)並不在第四週期而是在第三週期的底部。對於這種現象,門得列夫的反應是,他認為這些元素的原子量在測量上是有錯誤的。另外,如果有找不到符合他週期表性質的元素時,他選擇將其空白(就像圖表中 45、68、70 這樣),他認為 Al 和 Ur 之間還缺少一種元素(68),他將其命名為類鋁,甚至進一步預測其性質;依照週期表的規律,門得列夫預測了三個未知的元素的存在。

以下是們德烈夫提出的週期律

1. 按照原子量編排,元素的性質顯然具有週期性

2. 擁有類似性質的元素不會是原子量類似的元素,但原子量會規律增加

3. 原子量決定元素性質

4. 未知元素是可以預期的

5. 得知元素在週期表的位置後可用來修正該元素之原子量

6. 從原子量可以預測元素特性

7. 週期表的縱向代表價數,亦即元素之結合力

門得列夫提出週期律後其實並沒有受到太多的關注,而且在同期間也不只門得列夫一人發表週期表,德國科學家梅爾在門得列夫發表週期表的隔年,也提出了類似的排列方式。可惜梅爾依照原子量的排列規則,在元素性質上有時會發生不符的現象,再加上這種推測當時並沒有理論可以證明,所以很快的梅爾就選擇放棄主張這樣的推論了。

反觀門得列夫,依照性質所排出的週期表,雖然不會完全遵守原子量排序,但更能符合門得列夫對於元素之間性質的關係。除此之外,門得列夫對週期表是這樣說的:「儘管有些不解之處,我仍有所懷疑,但我曾未懷疑過這種定律的通用性,因此這些絕對不可能是巧合。」

當時科學界並不接受這種推測,但就在 1875 年發生了一件事……

週期表精準預測新元素的發現!

1875 年法國科學家布瓦伯德朗在礦場中的礦物採樣中發現了新的元素,他將其命名為鎵(gallium),而鎵的原子量經由測量為 69,正是門得列夫週期表中預測的類鋁元素(68)。經過量測後發現多數的數據都與門得列夫所預測的性質相近,唯獨比重與預測的 5.9 低了一些只有 4.7。

對此,門得列夫特別寄信去建議布瓦伯德朗,請他以更科學、更嚴謹的方式再次量測鎵的真實比重,科學家敢這麼狂的應該只有門得列夫了吧!不過有趣的是,經過重新量測後發現,鎵的比重確實是 5.9,竟與門得列夫預測的幾乎完全相同。這時,科學界才對門得列夫的週期表產生好奇。

table

將所知所學奉獻給俄國

在門得列夫的週期表成為科學界的旋風後,歐洲各國紛紛邀請門得列夫前去演講甚至做研究,但心繫祖國的們德烈夫還是選擇留在俄國,帶領俄國科學界一步步追上歐洲的水準。

可惜門得列夫的兇悍性格,與其支持的自由主義,使他陷入十分不利處境。一方面在科學界的仇家阻撓下與諾貝爾獎失之交臂,另一方面又因支持左翼學生(就是反政府的學生),使得俄國科學不敢接受門得列夫,以免散布更多革命思想。但俄國對這位貢獻甚鉅的科學家,還是希望能將其留在國內做貢獻,所以任命他為國家度量衡局的總裁,繼續為俄國的各方面進行努力。

1907 年,門得列夫因肺炎逝世,享壽 72 歲,喪禮當天數以百計人民前來送行,其中大部分是他在大學教書時的學生。這是俄羅斯歷史上與科學史上特別的時刻,在部隊前方人們舉著刻上週期表的木板,以紀念門得列夫的曠世巨作以及他過人的貢獻。

在成功預測鎵的存在與性質後,還是有人認為這種毫無實驗證明的推論矇中一個並不代表什麼,不過時間再度給出了公正的答案。1879 年發現了原子量 45 的元素鈧(Sc),1886 年發現原子量為 72 的元素鍺(Ge),門得列夫當年預測的三個未知元素接連出現,且與其預測的性質幾乎完全相同,證實了週期表的推論並非僥倖,這種特殊的週期關係確實存在,自此科學界對門得列夫的週期表產生了高度的興趣。

們德烈夫紀念幣

們德烈夫獎章。圖 / By Robert Wielgórski, 創用CC, wikimedia commons 

現在看起來,預測了未知元素,發現元素規律、為前人的研究成果平反好像很厲害,但事實上週期表的價值遠大於這些讓人驚豔的成果。週期表的出現,證明了元素之間的週期性,但問題來了,這些週期性又是為什麼會出現呢?為何每七的元素會有一個循環(事實上是八個)?而每一族內的結合能力會如此相似(他稱為價數)?雖然現在我們知道這與電子組態有關,不過當時既沒有發現電子、也不曉得原子序。對於當時尚未釐清元素本質的化學界,週期律的驗證,確實給了當時的科學家們思考物質的新方向。

週期表嚴格來說並不算是一個科學成就,它一直都在,但它無法解釋現象,沒有其他的理論基礎(除了週期性之外的科學理論),他將許多發現兜在一塊,最後發現眾多規律中更大更密切的連結。週期表在科學史上的定位反而更像是一個大發現,他揭露了上帝對萬物的安排、所有物質之間微妙的關係,而這個蓋住週期表的面紗,正等著科學家們去掀開它呢!

 

LIS官方網站:http://www.lis.org.tw/

LIS門德烈夫傳送門:〈決鬥吧!元素王(下)

參考資料

  1. 《化學通史》凡異出版
  2. 《門得列夫之夢—從煉金術到週期表的誕生》究竟出版
  3. 《他們創造了科學—改變人類命運的科學先驅》究竟出版
  4. 《數理化通俗演義》好讀出版
  5. 《不朽的科學家》洪建全出版
  6. 門得列夫(Dmitri Mendeleev)—高瞻自然科學教學資源平台
  7. 元素週期表的蛻變—《科學月刊》
  8. 門捷列夫元素週期表是怎麼發現的—歷史趣聞
  9. A Historic Overview:Mendeleev and the Periodic Table —genesis search for origins
  10. Dmitri Mendeleev—wikipedia(英文版)

「空虛寂寞覺得冷會傳染嗎?」「為什麼人看到可愛的東西就想捏?」「為什麼蚊子喜歡叮穿深色衣服的人?」

科學從不只是冷冰冰的文字,而是存在世界各個角落熱騰騰的知識!不論是天馬行空的想像或日常生活的疑問,都可能從科學的角度來解釋。

本月的泛科選書 《不腦殘科學2》是泛科學作者編輯團隊嘔心瀝血的超級鉅獻!不只能滿足大人與小孩的好奇心,更將拓展你的視野,帶領大家發現一個嶄新的世界!

泛科限時優惠79折(含運),現在就帶一本回家

關於作者

LIS線上教學平台

LIS線上教學平台

LIS是一個專注於引發學生學習動機,製作線上/線下教材,為國中小教育提供創新課程的非營利組織。 「讓每個孩子為自己而學 」是LIS對教育的期許,我們拋開分數,重新定義每個科目的學恩習價值,重寫教育部的國中小的課綱,要讓每個孩子能連結知識與生活,培養他們能開創自己的未來的能力。