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浅谈门捷列夫与元素周期律
摘要：道尔顿总结了原子论，阿伏伽德罗提出了分子的概念，而后多位科学家不懈地探究各种元素它们的内在规律，但并没有系统地归纳出来。门捷列夫在吸收了前人的研究成果，又经过自己严谨的思考，通过预言的科学方法，终于归纳出了元素周期律。元素周期律的发现为多门学科的研究提供了方便，也为科学的发展做出了不可替代的贡献。
关键字：门捷列夫；元素周期律；科学方法; 预言
元素周期律是门捷列夫的重大发现之一，它揭示了物质世界的秘密，把一些看似互不相关的元素统一起来，组成了一个完整的自然体系。
一、历史背景及其发现过程
1、元素周期律发现的历史背景
19世纪初,道尔顿的原子论提出以后,人们对化学元素的概念就更加清晰了。到1869年时,已经发现的元素达到了63种。经过意大利物理学家阿伏伽德罗细致地考察和思考 ,于1811年明确地提出了分子的概念:分子是物质中能够独立存在并保持该物质一切化学性质的最小微粒。单质的分子是由相同元素的原子所组成。从而,在同温同压下,相同体积的不同气体具有相同数目的分子，而不是原子 。经过将近50年的反复曲折,特别是气体分子运动论的成就和爱因斯坦的布朗运动理论在实验上得到证实,关于原子和分子的真实存在已经是一个不争的事实。到了19世纪60年代,物质的原子─分子论终于获得公认而被完全确定了下来。它结束了在化学式、原子量、化合价问题上长期的混乱局面,不但成为整个化学理论的基础,而且也已经成为整个自然科学的基本信念。
自然界到底有多少元素? 元素之间有什么异同和存在什么内部联系? 新的元素应该怎样去发现? 这些问题,在当时的化学界还都处在探索阶段。虽然有些化学家如德贝莱纳和纽兰兹等从不同角度发现了元素间的某些联系,猜到了其中的一些规律性,但是由于他们没有把所有的元素作为一个整体来概括,所以他们的工作还都是初步的。19世纪初叶,整个科学界还处在搜集科学事实的阶段,精力都集中在积累个别事物和现象的具体知识。而在化学界,化学家们则重在研究物质的化学成分和化学元素的性质以及各种化合物的特性。到19世纪中叶,这些知识和事实在化学方面已经相当多了,积累了大量关于元素物理和化学性质的感性材料,这些材料多、杂、乱,缺乏系统性。因此,整理和概括所积累的知识的任务就被顺理成章地提了出来。另一方面,相关学科的发展也为成功地建立元素周期律提供了可能和条件。尤其是原子量测定工作的日益精确及原子价学说的确立为元素周期律提供了必要的辅助手段。同时, 19世纪上半叶能量守恒定律、进化论和细胞学说三项重大发现,揭示了自然界内部的普遍联系和相互制约,彰显了物质世界内在的统一性,又从思想上促进了元素周期律的发现。
到19世纪中叶,元素周期律思想便逐渐显露在化学家们的视野之中。1829年,德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”的分类方法。把三种性质相似的元素划为一组,把十五种元素分为五组:锂、钠、钾;钙、锶、钡;磷、砷、锑;硫、硒、碲;氯、溴、碘。发现中间元素的原子量约等于前后两元素原子量的平均值。1862年,法国化学家和地质学家尚古多按照原子量由小到大递增顺序排列了一个“螺旋图”来表现元素周期性。他将已经发现的元素绘在一条带子上,然后将这条带子缠绕在一根柱子上,如果垂直地从上往下看,就会发现这些元素之间有某些相似的性质。这就是说,每隔一定距离的元素之间有性质的相似。三十五年以后, 1864年德国化学家迈耶尔基于元素的性质是其原子量的函数的认识,提出了一个包括二十八种元素的“六元素表”。他把元素分成六类,同一类各元素的原子量差数相近,如C和Si,N和P,O和S,原子量差数分别是16. 5、16. 95与16. 07。1865年,英国化学家纽兰兹又提出了“八音律表”。他按原子量增加的次序来排列元素,发现从任意一种元素算起,每到第八个元素,其性质跟第一个元素相似,如第1、第8和第15号之间,第9和第16号元素之间,有许多相似的性质,如同音乐中的八度音阶。到1869年时,对元素分类的方法已超过50种,但是,他们的工作却仅停留在对大量元素机械人为的排列,并未抓住其内在的规律,且也未把所有已经发现和可能存在的元素都包罗其中,因此,没有引起当时学术界的重视。尽管他们的工作还不系统和完整,但却预示了存在着更深层次的元素周期规律。
2、元素周期律发现的经过
2.1发现的起点
门捷列夫作为化学家的生涯可以追溯到1854年, 那年他发表了第一篇科学论文, 内容是关于芬兰矿物质的化学分析。在这篇文章中人们可以看到作者整理大量数据并使之系统化的非凡能力。
1859 年, 门捷列夫获得政府的资助前往西欧考察并参加学术会议。在旅欧期间, 他对种种物质( 尤其是有机化合物) 的凝聚力进行了研究, 还曾致力于寻找表达由表面张力的凝聚力与物质组成( 以及它的密度和分子量) 间关系的一般公式, 为此他还订购了研究必备的精密测定仪器。值得提及的是, 在此期间他出席了1860 年9 月3 日至5 日在德国卡尔斯鲁厄( Karlsruhe) 召开的首次国际化学家大会, 并得到了康尼查罗的那篇论述新原子量体系的著名论文“化学元素教程的概要”。他似乎立刻就理解了该文的意义, 并将大会的简况连同论文的要点寄给了远在国内的恩师沃斯克列森基教授。这封信很快被刊登在当年圣彼得堡和莫斯科的报章杂志上。
2.2元素周期表的初步创作
他的代表性成果是出版了《有机化学》。在该书中, 他主张将容易混同的两个概念“体”( bodies, 在描述单体和复合体时使用) 和官能团( radical) 加以区分。这个观点被视为他后面提出将单体和元素的概念区别开来这一重要思想的萌芽。门捷列夫于1864 年完成了他的博士论文——“酒精与水的化合“。这项工作也可以看作是他关不定比化合物研究中的一环。它对门捷列夫的元素概念产生了很大的影响, 并进而成为后来发现元素周期律的重大转机。
门捷列夫有意识地对元素进行系统的分类工作开始于1868 年他执笔《化学原理》一书之时。1869 年2 月17 日, 他做成了最初的元素周期表。门捷列夫成功创作元素周期的原因在于, 他确信原子量是元素的根本属性。在将自己2 月17 日做成的周期表的清样送印刷厂后, 门捷列夫在他论述这一伟大发现的第一篇论文中这样谈论原子量：处于游离状态的单体的性质尽管会发生种种变化,但其中某种东西是不变的, 在元素向化合物发生转变时, 这个某种东西, 亦即物质性的东西构成了包含这一元素的化合物的特性在这个意义上, 到目前为止, 已知元素的数值性的依据不是别的, 正是元素所固有的原子量。原子量的大小, 从其本性说来, 不仅是关系到各个单体的状态的数据, 而且是关系到游离的单体和其他所有化合物的共同物质性的依据。原子量不是炭或金刚石, 而是碳素的属性。
2.3深入研究工作
门捷列夫于1868 年2 月制成最初的元素周期表并提交了说明其伟大发现的第一篇论文之后, 直到1871 年底, 他的主要精力都集中在对事实的深入探讨和对原理意义的扩充上。这个时期他的工作大致包括以下几个方面:（1）关于周期律与物质的物理性质的对应关系。（2）关于周期律与物质的化学性质的对应关系。（3）将短周期型周期表作为元素周期律的基本表现形式加以运用, 对当时已知的所有元素都给出了在周期表上的正确位置。（4）对未知元素进行了系统的预测
二、元素周期律的重大意义
元素周期律和周期表，揭示了元素之间的内在联系，反映了元素性质与它的原子结构的关系，在哲学、自然科学、生产实践各方面都有重要意义。
在哲学方面，元素周期律揭示了元素原子核电荷数递增引起元素性质发生周期性变的事实，从自然科学上有力地论证了事物变化的量变引起质变的规律性。元素周期表是周期律的具体表现形式，它把元素纳入一个系统内，反映了元素间的内在联系，打破了曾经认为元素是互相孤立的形而上学观点。通过元素周期律和周期表的学习，可以加深对物质世界对立统一规律的认识。
　　 在自然科学方面，周期表为发展物质结构理论提供了客观依据。原子的电子层结构与元素周期表有密切关系，周期表为发展过渡元素结构、镧系和锕系结构理论、甚至为指导新元素的合成、预测新元素的结构和性质都提供了线索。元素周期律和周期表在自然科学的许多部门，首先是化学、物理学、生物学、地球化学等方面，都是重要的工具。
　　 在生产上的某些应用方面，由于在周期表中位置靠近的元素性质相似，这就启发人们在周期表中一定的区域内寻找新的物质。（1）农药多数是含Cl、P、S、N、As等元素的化合物。（2）半导体材料都是周期表里金属与非金属接界处的元素，如Ge、Si、Ga、Se等。（3）催化剂的选择：人们在长期的生产实践中，已发现过渡元素对许多化学反应有良好的催化性能。进一步研究发现，这些元素的催化性能跟它们的原子的d轨道没有充满有密切关系。于是，人们努力在过渡元素（包括稀土元素）中寻找各种优良催化剂。（4）耐高温、耐腐蚀的特种合金材料的制取：在周期表里从ⅢB到ⅣB的过渡元素，如钛、钽、钼、钨、铬，具有耐高温、耐腐蚀等特点。它们是制作特种合金的优良材料，是制造火箭、导弹、宇宙飞船、飞机、坦克等的不可缺少的金属。（5）矿物的寻找：地球上化学元素的分布跟它们在元素周期表里的位置有密切的联系。科学实验发现如下规律：相对原子质量较小的元素在地壳中含量较多，相对原子质量较大的元素在地壳中含量较少；偶数原子序的元素较多，奇数原子序的元素较少。处于地球表面的元素多数呈现高价，处于岩石深处的元素多数呈现低价；碱金属一般是强烈的亲石元素，主要富集于岩石圈的最上部；熔点、离子半径、电负性大小相近的元素往往共生在一起，同处于一种矿石中。在岩浆演化过程中，电负性小的、离子半径较小的、熔点较高的元素和化合物往往首先析出，进入晶格，分布在地壳的外表面。
三、科学思想和科学方法及其启示
1、元素周期律发现的科学思想和科学方法
门捷列夫在创作元素周期表时，不仅仅对前面的62种元素进行排序，更重要的是，他对三个未知元素做出过惊人的预言。
门捷列夫在他的周期表里为“未知元素”预留了空位，在随后的几年中，门捷列夫预言的类硼、类铝、类硅等11种未知元素陆续被发现，特别是后来发现的氦、氖、氩、氪、氙和氡又给元素周期表增加了新的惰性气体。
他的预言与尔后实践的结果取得了惊人的一致。1875年法国化学家布瓦博德朗在分析比里牛斯山的闪锌矿时发现一种新元素，他命名为镓，并把测得的关于它的主要性质公布了。不久他收到了门捷列夫的来信，门捷列夫在信中指出关于镓的比重不应该是4.7，而是5.9一6.0。当时布瓦傅德朗很疑惑，他是唯一手里掌握金属镓的人，门捷列夫是怎样知道它的比重的呢？经过重新测定，镓的比重确实为5，9“这给果使他大为惊奇。他认真地阅读了门捷列夫的周期律论文后，感慨他说：“我没有可说的了，事实证明门捷列夫这一理论的巨大意义。”
嫁的发现是化学史上第一个事先预言的新元素的发现，它雄辩地证明了门捷列夫元素周期律的科学性。1880年瑞典的尼尔森发现了钪，1885年德国的文克勒发现了锗。这两种新元素与门捷列夫预言的类硼。类硅也完全吻合。门捷列夫的元素周期律再次经受了实践的检验。
事实证明门捷列夫发现的化学元素周期律是自然界的一条客观规律。它揭示了物质世界的一个秘密，即这些似乎互不相关的元素间存在相互依存的关系，它变成了一个完整的自然体系。从此新元素的寻找，新物质、新材料的探索有了一条可遵循的规律。元素周期律作为描述元素及其性质的基本理论有力地促进了现代化学和物理学的发展。

2、启示
门捷列夫无意间发现同族元素的原子量差是常数，并且凭借敏锐的直觉以及丰富大胆的想象，预言创造元素周期律，而且再去证实周期理论的预言。再这一过程中，他付出了常人难以想象的精力与辛劳，而他的成就很大程度上归功与他的大胆与心细。这也是我们应该学习的地方。
参考文献：
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