門得列夫與週期表：頑固就是戰鬥民族的浪漫（下）

• 在〈門得列夫與週期表：頑固就是戰鬥民族的浪漫（上）〉中，介紹了門得列夫辛苦的求學歷程，以及苦盡甘來的科學研究之路，但還沒講到他怎麼排出元素週期表呢！就讓我們繼續看下去。

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。

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。

以下是門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。

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。

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)