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第27章 门捷列夫的花园(1)

1945年,南肯辛顿的自然科学博物馆重新开放(大战期间,这家博物馆都处于关闭状态),在那里我第一次看到了巨大的元素周期表,这个元素周期表占满了楼梯前的整整一面墙。它是由深色的木头制作的一个柜子,分成90多格,每一格都标有元素名、原子量及其化学符号。此外,每个格里都有元素的样本(都是纯正的元素,并且都可以安全地展览)。这大木柜有个牌子,上面写着:门捷列夫元素周期表。

我最先看到的是几十种金属,它们形状各异:条状、团状、方块状、线状、箔片、圆盘状,还有晶体。大多数金属都是灰色或者银色的。有些金属是蓝色或者玫瑰色;有些金属的表面很光滑并发出微弱的淡黄色亮光;有些颜色艳丽,像红铜或金。

右上角是非金属。硫是非常美的黄色晶体;硒是透明的红色晶体;磷就像白色的蜂蜡,保存在水里;碳则是小钻石和乌黑色石墨;还有硼以及晶体硅。硼是一种暗棕色的粉末,晶体硅与石墨或者方铅矿一样,是黑色的。

左边是碱金属和碱土金属--汉弗莱·戴维的金属。除了镁,其他的金属都装在轻油中保存。上方角落里的锂让我感到很吃惊,因为它比较轻,所以漂浮在轻油表面。而铯则沉在油底部,形成了一种闪闪发光的胶泥。我知道铯的熔点非常低,并且现在还是炎热的夏天。以前见过的铯总有点儿氧化了,因此我不知道纯铯是金色的。它似乎只是发出了一点儿金光,然而从更低的角度看,它则会显得十分夺目,就像是金色的水银。

在这之前,有一些金属我只能叫出它们的名字(我对它们的认识都非常抽象,只知道它们的名字、物理性质和原子量),现在我终于看到了它们形形色色的真面目。眼前的元素周期表仿佛一场华丽的宴会,巨大的桌子上摆放着80多道佳肴。

这时,我才对很多元素的特性有所了解,并且知道它们有自己的家族,比如碱金属、碱土族金属以及卤族。这些族在元素周期表中各占一列。碱金属族和碱土族金属在左侧,卤族和惰性气体在右侧,其他的四组中间物质位于它们之间。这些中间组的分类不是很明显。在第六组元素中我发现了硫、硒和碲。我知道这三种元素性质非常接近,但是位于这组金属最上面的氧气是用来做什么的呢?这里肯定有更为深奥的秘密。事实上,确实是有。谜底被印在了元素周期表的最上方,不过我的眼睛当时被元素吸引了,根本没注意到它。原来,它们之所以会归为同一族,是因为化合价。在维多利亚时代早期出版的书籍中我并未发现化合价这个术语,因为到了19世纪50年代后期才出现该术语。门捷列夫是第一个掌握化合价并用它作为元素分类基础的人,并且他还证明了前人没有弄清楚的事情:为什么元素会属于同一家族,为什么它们有近似的化学和物理性质。门捷列夫依据化合价的不同,分出了八族元素。

第一族的碱金属元素的化合价是1。该族元素的一个原子可以与一个氢原子结合,形成诸如氢化锂(LiH)、氢化钠(NaH)、氢化钾(KH)等化合物;或者与氯原子结合,形成氯化锂(LiCl)、氯化钠(NaCl)或者氯化钾(KCl)。第二族里的碱土族金属的化合价是2,所以能形成二氯化钙(CaCl2)、二氯化锶(SrCl2)、二氯化钡(BaCl2)等化合物。第八族元素有最强的结合力,化合价为8。

当门捷列夫根据化合价来为元素分类的时候,他还被原子量深深地吸引了。事实上每一元素的原子量都是唯一的,是该元素特有的。从某种意义上来说,原子量是元素的标志。门捷列夫也试着根据原子量来为元素分组。很奇怪的是,原子量和化合价居然大有联系。因为如果只是很简单地按照原子量的大小编排周期表,也可以看到具有同样特性以及化合价的元素会有规律地出现。

每一种元素的属性与其上方元素--就是同一族元素中比较重的元素--属性都很接近。同样的规律会出现在每一个周期里--起初是碱金属,然后是碱土族金属,接着又是六种元素,每一种元素都有自己的化合价--但是它们的音域不一样。我禁不住想起了八度和音阶,因为我出生在一个爱好音乐的家庭,每天都能听到这些音符。

在我面前的元素周期表由八族组成,虽然在它的下面人们可以看到额外的元素被插在基本的八重奏之间:第四周期和第五周期分别有10个额外的元素,第六周期也多了两行,各是10个和14个。

从周期表的基本结构看,循着每一周期一层一层往上回旋,我眼前长形的周期表仿佛变成了螺旋形的天梯,一直延伸到天堂。

我突然无法抗拒地想到人们第一次看到元素周期表时那种吃惊的表情。化学家也许对七、八个家族的元素很熟悉,但却没有意识到这些族存在的基础--化合价,也没有想到将它们放在一个表格中。我在想第一次看到这张表时,他们是否也和我的反应一样:“当然!多明显啊!我怎么就没想到?”

周期表上无论横行还是纵行都可以。这就像玩填字游戏,字既可以从纵着的线索猜出来,也可以从横着的线索猜出来。但填字游戏是随意的组字游戏,纯属人类构建的,而元素周期表本质上就反映了一种更为深奥的自然顺序,因为它显示出所有以一种基本关系排列的元素。我有这样一种感觉:元素周期表中隐藏着秘密,但是却无法解开。为什么会这样呢?

看完元素周期表的那个晚上,我非常兴奋,难以入睡。把完整的、巨大的、看上去很混乱的化学弄得有条不紊,在我看来是不可思议的成就。第一个伟大的阐述是拉瓦锡对于元素的定义,其次是普罗斯特的发现:元素只能以特定的比例化合。还有道尔顿的理论:原子量是唯一的。拥有了这些理论,化学的发展逐渐趋向成熟。但是元素本身好像没有什么顺序可言,只能依据字母顺序来排列(就像伦敦皇家理工学院的派佩尔在其著作《金属游戏》里阐述的那样),或者根据孤立的族或者组来列举。在门捷列夫取得巨大成就之前,这种事情根本无法想象。天才才能想出这种奇妙的排列,将所有元素连接到一起,这让我第一次感受到人类思维的巨大力量。之后人类可能还会发现或者破译自然界中最深奥的秘密,也许能了解上帝的真实想法。

那天晚上,在半睡半醒之间,我不断地梦到元素周期表。我梦到它像纸风车那样不停地旋转,此后又像一团巨大的星云。这团星云中蹦出第一个元素,然后是第二个,第三个,一直到最后一个元素,并且越转越大。第二天醒来的时候,我几乎等不及自然科学博物馆开门,就想冲到最顶层。门一开,我就冲到了元素周期表前面。

第二次看到元素周期表的时候,我仿佛看到了一个个领域和王国,它们具有不同的领土和自己的边界线。将元素周期??看成不同的领域,可以让我不受单个元素的影响,从而更容易弄清楚某些梯度和趋势。有很长一段时间,人们认为金属是元素的特殊种类。现在只需在远处看一下,人们就能知道金属是怎样占有四分之三的领土的--西面所有的地方,还有南边的大部分地方都属于金属。这样一来非金属元素则被挤到了东北区域的狭小地盘上。一条锯齿形的线,就像万里长城,将金属元素和其他元素,包括半金属元素砷和硒等分开了。人们可以从这里看出酸碱的变化以及西部元素的氧化物如何与水反应变成碱,东部元素的氧化物--大多数是非金属--如何与水反应形成酸。而且,只需要看一眼,人们就能看出每一领域边界的元素--如碱金属和卤族元素,像钠和氯--是如何互相吸引并且爆炸般地结合到一起,形成了结晶盐。该结晶盐的熔点很高,溶解的时候,能形成电解质。然而中间的那些元素形成的化合物就大不相同--不导电的挥发性液体或者是气体。此外,人们还可以看见带最多正电的元素都在左边,带最多负电的元素却都在右边。因此不要忘了伏特、戴维以及贝采利乌斯是怎样按照电荷多少将元素分类的。所以,看元素周期表时,我们不应该只看单个元素的位置,而是应该着重看其中化学特征的变化。

看到元素周期表并“认识”周期表,这一切改变了我的生活。只要一有空,我就跑去博物馆看那张元素周期表。我还在练习本上摘抄了一份,无论去哪里,我都会带在身上。

对于周期表里元素的性质和位置,我都了如指掌。它就像一座神奇的数字花园,深深地吸引着我!在我的心目中,它不仅仅是一座花园,更是一把开启宇宙之门的钥匙。我长久地沉迷在这所花园中:漫步、思索、寻求新的发现。

自然科学博物馆的元素周期表旁边有一张门捷列夫的照片。他看上去就像教唆犯或巫师:头发蓬生,胡子拉碴。但他的眼睛看起来很有洞察力。他的外形有点儿狂野,看上去有些粗犷,但整个人看起来却神采奕奕,这点和汉弗莱·戴维很像。我想对他了解更多,也想读一下他那本震古烁今的《化学原理》,就在这本书中他第一次提出了元素周期表的理论。

他的书籍、他的生活从未让我失望过。他是一个爱好极其广泛的人。他喜欢音乐,是鲍罗丁(作曲家,也是化学家)的亲密朋友,并且他还是《化学原理》--最令人兴奋和最生动的化学教材--的作者。

和我的父母一样,门捷列夫也来自一个大家庭。我从书上看到,他在家中排行十四。在他14岁的时候,他的母亲意识到如果他再不接受正式教育,真的是一种极大的浪费。于是她从西伯利亚出发,和门捷列夫千里跋涉,来到了莫斯科大学(因为门捷列夫是西伯利亚人,这所学校禁止他入校)。这是他们第一次去这所学校,后来他们又去了圣彼得堡,那里的人允许他接受师范教育训练。那时门捷列夫的母亲差不多60岁了,这次长途奔波后,她因为过度劳累而去世。门捷列夫非常爱她的母亲,后来他写了《化学原理》这本书献给她。

在圣彼得堡当学生的时候,门捷列夫不仅表现出很强的好奇心,还渴望能将所有原理组织到一起。18世纪,林奈对动物和植物进行了分类,并且还对矿物质进行了分类(不是很成功)。19世纪30年代的时候,德纳用十几种化学分类(自然元素、氧化物、硫化物等)代替了矿物质原来的物理分类。虽然当时已知的元素有了60种,但是始终没有关于元素本身的分类。事实上,有些元素好像很难分类。铀属于哪一类?铍,这让人费解的超轻金属,它属于哪一类呢?一些近期发现的元素特别难分类,比如1862年发现的铊,它在某些方面与铅很相似,还有些方面像银和铝,也有些性质像钾。

门捷列夫从第一次对分类感兴趣到1869年他的元素周期表发表,这中间经过了差不多20年的时间。这种长期的深思熟虑(在某种程度上来看,与达尔文发表《物种起源》的过程很相似)也许就是门捷列夫为什么最终能够发表《化学原理》,为什么他的知识面和洞察力远远超过了同时代其他人的原因。一些与门捷列夫同时代的人对周期有着清楚的了解,但是没有人能像门捷列夫那样编排得那么仔细。

门捷列夫描述了他怎样在卡片上写上元素的化学性质以及元素的原子量,并且在穿越俄罗斯的长途旅行中,不断地考虑这一问题。正如他所说,他在耐心地做“化学单人纸牌游戏”,并且在不断地探索所有元素的化学性质和与原子量有关的顺序和系统。

还有另一个至关重要的因素。关于很多元素的原子量问题,几十年来一直存在着很大的争议。在1860年的德国卡尔斯鲁厄会议上,这一问题才得到了最终的解决。门捷列夫与鲍罗丁一起去了卡尔斯鲁厄。这是一次化学之旅,同时也是一次音乐之旅。因为想尝试一下当地的管风琴,所以在途中他们拜访了很多教堂。卡尔斯鲁厄会议之前,可以看到元素三五成群,但是没有人发现它们之间有这么多的联系。只有意大利化学家康尼查罗演示出如何得到可靠的原子量并演示出碱土族金属(钙、锶、钡)的原子量可能是40、88和137的时候(不是以前认为的20、44和68),人们才意识到碱金属(钾、铷、铯)的关系是多么密切。加上卤素原子量之间的密切关系,门捷列夫于1868年将三组元素排列出来(卤族元素为氯、溴和碘)。

氯Cl(35.5)钾K(39)钙Ca(40)

溴Br(80)铷Rb(85)锶Sr(88)

碘I(127)铯Cs(133)钡Ba(137)

按照原子量排列的三组元素表现出一种规律:卤素后面是碱金属,碱金属后面是碱土族金属。基于这一点,门捷列夫认为这肯定只是冰山一角,所有元素的背后一定有一个支配的规律,即周期律。

第一个较小的元素周期表完成后,门捷列夫并不满足,而是进行了一系列的大胆推测。他想知道,哪一种元素与碱土族金属化学性质相近,并且原子量在锂之后。这样的元素还没发现。难道是铍?通常情况下人们认为铍是三价的,原子量是14.5。如果铍不是三价,而是二价,并且原子量不是14.5而是9,会怎么样呢?这样的话它就可以摆在锂后面的空位上。

徘徊在有意识的计算和预感之间,结合自己的直觉和分析,几周之后,门捷列夫就列出了一个含有30种古老元素的表格。按照原子量从小到大的顺序排列,实际上每隔7个元素就会出现一种规律。据说,1869年8月16日这天夜里,门捷列夫做了一个梦,在梦里他看到几乎所有的已知元素都放在了一个大型的表格中。第二天早晨,他把这个规律写成论文。

门捷列夫元素周期表的逻辑性和模式是如此的清晰,因此一旦有反常,立刻就能看出来。某些元素好像放错了位置,而一些地方却空着。知识渊博的门捷列夫将6种元素换了位置,而无视它们众所周知的化合价和原子量。在做这件事的时候,门捷列夫表现得相当大胆,这让同时代的科学家感到很吃惊。德国科学家迈耶尔就认为因为不方便排序而改变原子量的做法很是怪异。

但门捷列夫表现得相当自信,并且在他的元素周期表上还为那些尚未发现的元素留出了位置。通过推测上下元素(并且在某种程度上只靠其中之一)的属性,他断言这些尚未发现的元素是什么样子,让人们可以做出可靠的预测。门捷列夫在1871年列出的元素周期表中,对一种新元素(类铝)作出了准确的预测,他认为这种新元素会排在第三族元素铝的下方。4年之后,法国化学家勒科克·德·布瓦博德朗真的发现了这种元素,并将其命名为镓。

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