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【原创】为化学元素排序的艺术家——门捷列夫

——纪念元素周期表创制150周年

  世界是由什么构成的呢?

  2000年前,古希腊哲学家恩培多克勒认为水火土气四种物质元素构成了世界万物,几乎同一时间,中国先民认为金木水火土是最基本的物质形态;

  500多年前,医学家与炼金术师帕拉塞尔苏斯提出三元素理论,认为可以用盐、硫和汞来描述世界上一切物质;

  400多年前,波义尔提出化学元素的概念,标志着近代化学的诞生;

  300多年前,拉瓦锡在其《化学基础论述》中列举了33种化学元素,其中光和热也被认为是元素的一种;

  200多年前,道尔顿创立原子学说,化学元素的概念开始和物质的原子量联系起来;

  150年前,门捷列夫向俄国化学学会递交了元素表的草图,两年后他又对其进行了修正并提出了周期的概念。他以相对原子质量的大小进行横排,把性质相似的元素整理到同一竖排,并揭示了元素性质周期变化的奥秘。这一创举为构成世界的所有化学元素提供了最美妙的家族谱系。自此,所有已发现、未发现的元素不再是浩渺宇宙中偶然邂逅的个体而成为了注定相见的兄弟姐妹。

图1 科学巨匠德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫

图2 1969年门捷列夫绘制的元素周期表手稿

图3 人教版教科书上的元素周期表,现已成为探究化学世界的基石

  所有伟大的科学成果都同时是令人惊叹的艺术作品。万有引力公式简洁而无所不包地描绘了天上地下同时进行的有条不紊的运动,进化论铺展开整个地球所有物种几千年自然选择多姿变换的画卷。元素周期表也是这样一件化学世界里简洁而无所不包的艺术品。从门捷列夫创制第一幅元素周期表到现在为止,新元素增加了几百个,除了局部的调整外,所有的元素都井然有序地被排列到元素表上的十几个族里,被编上最容易记忆的阿拉伯数字编号,像纪律严明的军队,守护着自然的秩序。元素周期表揭开了化学世界神秘的面纱,为复杂的世界赋予了最为简洁而和谐的表达。

  除了其简洁性与包容性外,门捷列夫元素周期表最为人称道的还是其留白的智慧。国画中有一种很有特色的艺术手法叫做留白,以空白延展想象的空间,门捷列夫也在其元素周期表上留下了几处空白,但这几处空白可并不是为了增加艺术想象力,而是严谨而胆大的化学家门捷列夫以空白为还未发现的元素留下位置,不仅如此,他还根据元素周期律预言了其中空下来的三种元素的一些性质,并根据这些性质给这些未来元素起名为“类铝”、“类硼”和“类硅”。这种创新而冒险的留白是之前的科学家所从未尝试过的,而这个来自当时化学界边缘地带的俄国人竟敢对未来指手画脚,岂不令人质疑和讥讽。

  然而,随着1875年法国化学家布瓦博德朗发现“类铝”并命名为镓,1879年瑞典化学教授尼尔松发现“类硼”并命名为钪,1886年德国化学家文克莱尔发现“类硅”,并命名为锗,笼罩在元素周期表上的阴云消失了。发现“类铝”的文克莱尔激动地说“从前只是假定的类硅果然发现了,证明元素周期性的学说的正确性的证据,难道还有比这更明显的吗?这证据当然不只简单地证明了这个大胆的理论,它还意味着化学视野的进一步开阔,在认识领域中迈进了一大步”。曾经的质疑变成了热烈的掌声。门捷列夫天才般的留白也成了科学史上为人津津乐道的神来之笔。

  150年后的今天,量子力学充实了元素周期表的内涵,无数新发现续写着化学世界新的辉煌,回首过去,我仿佛看见150年前大胆而坚定地为化学元素排序的门捷列夫,正在对我们点头微笑。

  作者:冷玥

  图1、图3来自于网络

  图片2来源:杨奇,陈三平,邸友莹,周春生,高胜利. 再论化学元素周期表的形成和发展 [J].大学化学,2017,32(06):46-67.

本文来自:中国数字科技馆
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