• 《走进化学的迷宫:门捷列夫的故事》化学迷宫

  • 发布时间:2016-01-11 01:12 浏览:加载中
  •   1867年,彼得堡大学聘请青年化学家门捷列夫担任普通化学教授,讲授无机化学课程。在这所著名的大学里作教授并讲授无机化学是何等的光荣!这一神圣 的职责落到了这位33岁的青年教授肩上,他既感到光荣又感到责任重大。于是他决心尽自己最大的努力讲好这门课程,他翻遍了所有的无机化学课本,阅读了许多 当时有名的化学家的著作,整日埋头在书刊里,勤勤恳恳地准备讲义。他知道,大学生们迫切需要一本能够反映新的化学科学发展水平的教科书,可是,现有的陈旧 落后,不堪使用。外文版的无机化学教科书,同样也不适用。为此,门捷列夫决心自己动手编写一本新的教科书。

      他找出了自己在求学时代和 研究活动中多年积下的札记、笔录和著作,又把自己淹没在世界各国千百位化学家在许多年里所查出、所做过、所建立的事实和实验及法则的海洋里。他手头的资 料,用来编写一部大学教程已经绰绰有余了。可是很奇怪,门捷列夫对于这门科学,虽然早已十分熟悉,但现在他越是深入科学丛林的深处,就越发感到糊涂起来。

       无机化学与有机化学,是人为地将化学进行的分类。有机化学研究的是有机化合物,即所有含碳的化合物(除少数简单的含碳化合物,如一氧化碳、二氧化碳和碳 酸盐等归入无机化合物外)。世界上由各种元素组成的无机化合物,不过5万多种,含碳的有机化合物,则有300多万种。然而,7年前门捷列夫编写《有机化 学》时,分门别类,有条不紊,颇为得心应手;而着手编写关于无机化学的教科书《化学原理》时,却感到枝蔓错综,杂乱无章。有时觉得自己是在森林里从一棵树 走向另一棵树,只对每一棵树做些个别描写,而这里的树却有千棵、万棵……

      的确,当时已被发现的化学元素虽然仅有63种,可是每一种元 素要和其他物质化合成几十、几百、甚至几千种化合物:氧化物、盐、酸、碱……化合物里,有气体、液体、晶体……其中有的没有颜色,有的五光十色,闪闪发 光,有的气味强烈,有的没有气味;有的硬,有的软,有的重,有的轻,有的安定,有的不安定,几乎无法找到完全相似的两种物质。

      组成大 千世界的物质,真是形形色色,千姿百态!可是,这如此浩繁的物质,却被化学家们已经研究得十分详尽了。他们确切知道怎样来用其中的每一种物质和用哪一种方 法来制作它最经济;他们已经测定了每一种已知物质的颜色、结晶体的形状、比重、沸点、熔点……并且把它们写到了教科书和手册中;他们还研究了热和冷、高压 和真空对于每一种化合物会起怎样的作用;检查明白了每一种化合物会怎样和氧、氢起反应,怎样和酸、碱起作用,怎样彼此化合,怎样分解和怎样再生成,以及这 时会产生多少热量……

      这无数化学物质的性质,可以讲述几个星期、几个月,甚至几年。不过枝枝节节地讲得越多,听的人对于化学的认识反 而会越少。因为在这片混乱的天地里简直没有一点统一性,也没有任何系统。难道组成世界的这些物质当真是漫无秩序,极其偶然地凑合在一起的吗?当时,绝大多 数科学家都坚信,物质之间是无规律可循的。而门捷列夫则不以为然。他想在大学生面前展开一幅描写物质统一的、逻辑的图画,指出宇宙的物质构造所凭借的几条 重要法则。可是他苦思冥想,竟找不出一点儿统一性和逻辑来。他仿佛走进了化学“迷宫”。

      不错,当时人们都知道,这许多千差万别的物质,也可以简单化成数目不多的基本物质——元素。可是,这几十种元素里面,那时都是混乱、无序,带有偶然性的。

       金属镁比碳更容易燃烧;白金可以放置千年不起变化,而气体氟却十分容易发生化学变化,连玻璃也经不住它的腐蚀……这一切的一切,化学家们都一清二楚。可 是为什么会这样,他们却一无所知。大多数人认为,每一种元素和它所具有的一切特殊性质,都好像是物质的偶然表现。看来在物质的一切初级形态——元素中间, 或至少在其中大多数中间,并没有一点儿亲缘关系。所以,他们讲元素,基本上都按着自己认为最方便的顺序来讲,通常从氧讲起。因为氧元素在自然界分布最广; 有人从氢讲起,理由是氢在元素中分量最轻;有人从铁讲起,因为它是元素中最有用的;有人从金讲起,因为它是元素中最贵重的;有人从最少见的铟讲起……不管 怎样。都有自己的理由。门捷列夫则不然,他不愿意兴之所至地向大学生们讲授无机化学课。他确信,“只是单纯地搜集事实——即使是极广泛地搜集事实;只是单 纯地积累事实——即使是无遗漏地积累事实……这样的方法是不能获得成就的,甚至没有权利称为科学。科学的大厦不仅需要材料,而且需要计划,需要协调,需要 劳动。”在门捷列夫看来,自然界并不存在杂乱无章的现象,如果看到自然界呈现出杂乱无章,那么只是由于人们对自然界认识得还不够。他不想盲目地在这座“迷 宫”里漫步,决心寻找一般的规律,寻找一切元素都要服从的自然秩序。

      事实上,在门捷列夫之前,或差不多与他同时,确实有一些科学家进行过或进行着这方面的工作,并且或多或少地取得了一些成绩。

      1789年,法国化学家拉瓦锡(1743—1794)试图把当时已知的化学“元素”分成4个大类:气体、金属、非金属和土质。然而,这样分类虽然注意到了元素的性质,却没有揭示事物的本质。

       1815年,英国医生普劳特(1785—1850)提出了非常大胆的“氢原子构成论”。按照普劳特的观点,所有的元素都是由氢原子构成的,它们的性质之 所以不同,无非是因为所含有的氢原子多少不同罢了。现在我们都已知道,氢原子的原子核只有一个质子;而所有的化学元素,又的的确确是依着质子自然数序列递 增而不同的(在元素周期表上称为“原子序数”)。所以普劳特的这一观点应当说在一定程度上触及了元素的本质,但在当时,人们都觉得不可思议。

       化学界的权威责问普劳特:氢的原子量是l,为什么许多元素的原子量不是整数?现代科学可以轻易地回答这个诘难:因为原子核除了质子以外还含有数量有差异 的中子,质子数相同而中子数不同的元素,称为同位素。每种元素的原子量,即是取其所含同位素的百分组成或相对半度(相对存在量)求得的平均同位素量,所以 不是整数。自然,普劳特当时不可能说出这个答案。他的新观点也不得不被认为是一种臆造。

      19世纪20年代末,累积发现的化学元素已有 44种,人们对于这些元素性质的认识也比以前更加充分。比如,科学家们已经注意到,把性质相似的元素归纳在一起,可以分成若干族,像碱金属族的锂、钠、 钾,卤素族的氯、溴、碘等。于是,1829年,德国化学家德贝莱纳(1780—1849)做了化学元素自然分类的首次尝试,他把每三个性质相似的元素归成 一组,列出了“三素组表”,并且特别指出了“三素组规则”:每组中三个元素的原子量近似成等差级数,即中间一个元素的原子量约等于上下两个元素原子量的平 均数。

      德贝莱纳虽然列出了“三素组表”,揭示了每组元素原子量关系的规则,但是,发现元素全部规律的时刻尚未到来,因为人类所掌握的 化学元素还不多.对它们各自的原子量的测定也不够准确。所以,被德贝莱纳列入表中的化学元素仅有已发现元素的三分之一。1857年,有人试图把当时所有已 知的约60个元素硬塞到狭窄的。“三素组”模式中去,制定了共有18组的新三素组,结果当然失败了。在制定的18个三素组中,有8个组是由化学性质极不相 似的元素组成的,如第11组,竟是氧、氮和碳!这与德贝莱纳的尝试相比,可以说是倒退了。

      1864年,德国化学家迈尔(1830— 1895)制定了“六元素表”。这张表将每组3个元素扩大到6个,排列的顺序也是按原子量的大小为先后,各组中相似位置的后面元素的原子量与前面元素的原 子量之差非常接近。但是,迈尔没有对这个问题一口咬住不放,以致望而却步。他说:“毋庸置疑,在原子量数值上,存在着一定的规律。不要以为这种规律现象看 起来那么简单,则是极不正确的。”直到1869年,他再次修改了“六元素表”,才使它成了比较完整的一种元素周期表。

      与迈尔制定“六 元素表”几乎同时,1862年,法国地质学家尚古多(1820—1886)从另一角度提出了一种新的假设:如果把各种元素按照原子量由小到大排列起来,它 们的性质会出现周期性的变化,每个周期包含16个元素。他设计了一个圆柱体,并在侧面画了一条由F盘旋而上的“螺旋线”,然后把各种元素按照原子量的递增 依次写在线上,每个元素与从它数起的第17个元素就处在同一条侧垂线位置,它们的性质也确实很相似。其实,这个假设已较好地发现了元素性质周期性的变化。 遗憾的是,尚古多向巴黎科学院报告自己的假设时,由于它与某些元素化学性质的事实不尽符合,而没有得到认可,尚古多关于“螺旋图”的论文受到冷遇,直至他 逝世后多年才得以发表。

      同样,在探索元素周期律方面取得成就却没有发表出成果的还有英国化学家纽兰兹(1837—1898),他拟定 的“八音律表”,其思路与尚古多相似,结论更加符合于事实。他依照原子量大小将56种元素依次排列,发现从任何一个元素算起,每到第8个元素就同第1个元 素的性质相近,好像7个音符,1、2、3、4、5、6、7之后,再高一个音就是i一样,所以叫它“八音律”,从“八音律表”的某些纵列(相当于族)和某些 横行(相当于周期)的若干元素来看,纽兰兹离发现元素周期律已相隔不远。然而,纽兰兹是一位经验主义者,他只相信已知的事实,既没有预见到还可能存在尚未 发现的元素,也没有考虑到单凭经验确定的原子量可能有误。所以他的“八音律表”也将某些化学性质极不相似的元素排入了一个纵列(族)。正因为如此,纽兰兹 在英国化学会报告自己的发现时,不仅遭到漠视,而且被人耻笑。学会拒绝发表他的论文,会长还挖苦他道:“你怎么不按元素的字母顺序排列呢?那样说不定会得 到更妙的结果!”纽兰兹伤心之余,把附有“八音律”的论文往箱子里一塞,断然改行研究制糖工艺去了。

      门捷列夫虽不知尚古多的“螺旋 图”假设和纽兰兹的“八音律表”,但他了解到许多科学家对于化学元素规律所做的探索,以及“三素组表”、“六元素表”等成果。他坚信元素之间一定存在客观 的必然规律,化学正面临着揭示元素规律这样一个极其重要的任务。于是他勇敢地闯入了这座“化学迷宫”,千方百计地寻觅规律或统一性……
  • (责任编辑:中国历史网)

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