面對已知的六十余種元素，所有的化學(xué)家都想整理出一套體系，但只有一個人成功了：他制作了一張有諸多留白的表格，仿佛一道待解的數(shù)獨(dú)。
而他從未聲稱自己理解這張表的結(jié)構(gòu)和周期性的含義。
本文經(jīng)授權(quán)摘選自《科學(xué)的畫廊》（人民郵電出版社），標(biāo)題為編者所加。點(diǎn)擊文末“閱讀原文”可購買此書。點(diǎn)擊“在看”并發(fā)表您的感想至留言區(qū)，截至6月24日12:00我們會選出兩條留言，每人贈書一本。
撰文丨John D. Barrow
翻譯丨唐靜、李盼
——約翰·埃姆斯利（John Emsley）[1]
在亞里士多德的引領(lǐng)下，古希臘哲學(xué)家相信，以各種形式存在、組成我們周遭世界的物質(zhì)都可以由四種基本物質(zhì)概括，即土、火、氣、水。在17世紀(jì)之前，這種質(zhì)樸的觀念一直都被尊崇為事實，直到由煉金術(shù)衍生的化學(xué)讓人們發(fā)現(xiàn)了其他元素的存在?！巴痢辈⒉皇菃我晃镔|(zhì)，而“氣”也不僅由一種氣體構(gòu)成。在18世紀(jì)，元素譜系經(jīng)歷了戲劇性增長。當(dāng)時，人們發(fā)現(xiàn)了很多新金屬，如鈷、鎳、錳、鎢、鉻、鎂、鈾，以及新氣體，如氫氣、氮?dú)?、氧氣、氯氣，這些氣體第一次被分離了出來。
化學(xué)中的“元素”概念最早是由羅伯特·玻意耳提出的：不能再用物理過程繼續(xù)分解的物質(zhì)就是元素。此后，法國化學(xué)家安托萬－洛朗·德·拉瓦錫（Antoine-Laurent de Lavoisier）[2]在1789年正式為元素命名[3]。拉瓦錫挑選了33種物質(zhì)，給它們定義了元素狀態(tài)，并將其分成四組：金屬、非金屬、土及氣體。后來，人們發(fā)現(xiàn)其中一些元素其實是化合物，另一些元素，如熱和光，甚至不是化學(xué)物質(zhì)。以下就是拉瓦錫的元素表，只有標(biāo)注為紅色的元素在今天仍被視為化學(xué)元素。
非金屬：硫、磷、碳、氯化物、氟化物、硼酸鹽。
這里的“土”組其實都是氧化物，比如石灰就是氧化鈣，而硅石就是二氧化硅，但是，以當(dāng)時的條件，拉瓦錫無法把氧原子從化合物中提煉出來，獨(dú)立認(rèn)知相關(guān)元素。另一些假元素都在“非金屬”組里，同樣，拉瓦錫以當(dāng)時的技術(shù)也無法把這些元素分離成氯、氟和硼等單個元素。在法國大革命期間，拉瓦錫成了讓－保羅·馬拉的敵人，最終因卷入國家稅收丑聞，在1794年的“恐怖統(tǒng)治”期間被送上了斷頭臺。法官宣布：“共和國不需要天才?！钡驮?8個月之后，革命政府就改口說，拉瓦錫其實被冤枉了。
之后，一位來自英國曼徹斯特的科學(xué)教師在此研究的基礎(chǔ)上更進(jìn)了一步。1805年，約翰·道爾頓（John Dalton）向曼徹斯特文學(xué)和哲學(xué)學(xué)會遞交了一份論文，解釋了元素互相結(jié)合的各種方式，以及基本成分如何形成了不同重量。當(dāng)時，大多數(shù)化學(xué)家認(rèn)為原子太小了，沒辦法研究。但是道爾頓更具冒險精神，他提出了一個含有20種元素及其重量的表格，并標(biāo)注了能表現(xiàn)它們?nèi)绾谓M合的符號。物質(zhì)由一幅幅圖畫來表現(xiàn)，還展現(xiàn)了其基本組成元素的圖案。從這張元素表中，可以衍生出更多化合物：化合物21是水，被描述成HO；化合物22是氨，被描述成NH。這些表現(xiàn)形式就是如今盡人皆知的化學(xué)方程式的萌芽狀態(tài)。
但是，道爾頓的符號過于復(fù)雜，無法使用。我們今天使用的化學(xué)符號來自瑞士化學(xué)家永斯·貝采利烏斯（J?ns Berzelius）[4]，他也是道爾頓的一位仰慕者[5]。貝采利烏斯用元素名稱（有時是拉丁文，有時甚至是阿拉伯文，比如鉀）的首字母來簡單標(biāo)記元素，或者在容易出現(xiàn)歧義的情況下用兩個字母來表示，比如C代表碳（carbon），而Co代表鈷（cobalt）。將這些符號捆綁在一起，就可以表示化合物了，比如H2O。在1835年之后，這種表示法被大規(guī)模采用，最終還被用在表示化學(xué)反應(yīng)的方程式中，比如[6]：
CuSO4 + 2HCl → H2SO4 + CuCl2
道爾頓被化學(xué)語言產(chǎn)生的這種全新復(fù)雜性震驚了。在看了這個新方案之后，他說：“一個年輕的化學(xué)系學(xué)生恐怕必須學(xué)習(xí)希伯來語了。”新元素不斷被發(fā)現(xiàn)，漢弗里·戴維（Humphry Davy）用電解法將拉瓦錫最初提出的“土組元素”分解成真實的元素。1863年已經(jīng)有超過60種元素。元素“大爆炸”是否有一個極限呢？
約翰·道爾頓在1805年劃分的20種元素以及它們的重量
在當(dāng)時，這確實是個吸引人的問題。如果有極限的話，元素數(shù)量有多少？什么因素才能真正決定這個極限？
在19世紀(jì)，很多人勇敢地嘗試從元素重量、屬性等角度對其進(jìn)行分類。當(dāng)時所有最優(yōu)秀的化學(xué)家[7]都會建立一個類似的體系[8]。但是，他們無一例外都被一位來自西伯利亞的俄國化學(xué)教授擊敗了。
迪米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）于1822年出生在西伯利亞的托波爾斯克當(dāng)?shù)匾凰W(xué)校長家中，他有13個兄弟姐妹。門捷列夫的母親堅信這個兒子具有特殊的才能，應(yīng)該接受所有可能的優(yōu)質(zhì)教育，所以，她把兒子送到了圣彼得堡上學(xué)。她是對的。在大學(xué)期間，門捷列夫的學(xué)習(xí)成績一直名列前茅。之后，他去了法國工作，然后又去了德國海德堡，擔(dān)任當(dāng)時如日中天的德國化學(xué)家羅伯特·本生（Robert Bunsen）的助手。最終在1867年，門捷列夫回到了圣彼得堡，在大學(xué)擔(dān)任化學(xué)教授[9]。
1867年春季的一天，門捷列夫因天氣不佳待在家中，只好借機(jī)繼續(xù)撰寫一本名為《化學(xué)原理》的新教科書。他不知該如何展示和排列數(shù)量激增的元素及其屬性。于是，他把每個元素的名字都寫在一張卡片上，旁邊還標(biāo)注了相應(yīng)元素的一些屬性，以及氧化物和氫化物。然后，他開始用各種各樣的方式排列卡片，試圖找到一種模式：橫排擺放具有相同化合價的元素，豎排按原子量降序排列元素。忽然，他發(fā)現(xiàn)了一種非常有特色的排列方式。他在一個舊信封的背面記下了結(jié)果，人們今天仍然可以在圣彼得堡見到這個信封[10]。
1867年，門捷列夫草繪的最初的元素周期表
接下來，門捷列夫發(fā)明了一個更簡潔的版本。他把從鋰到氟這頭7個元素按照原子量遞增的順序橫向排列[11]，然后，從鈉到氯這7個元素也按同樣方式排列。于是，周期性出現(xiàn)了：在縱列里，兩個化學(xué)性質(zhì)相近的元素挨在一起，在7列條目中，第一列元素的主化合價是1，下一列元素的主化合價是2，然后分別是3、4、3、1。接下來，門捷列夫很快發(fā)現(xiàn)，如果翻轉(zhuǎn)表格，交換行與列，表格就會更清晰。我們現(xiàn)在也可以辨認(rèn)出這一結(jié)果，盡管今天的表格里已經(jīng)填充了很多新元素。
元素表一共有8列，或叫作8個周期。在1870年一次較大的完善工作中，門捷列夫把已知的63種元素分配到12行中，從氫開始，以鈾結(jié)束，每個元素都被放置在化學(xué)性質(zhì)相似的列中，并按原子量升序排列。
門捷列夫的表格所展示的成果有一個直覺上的重大貢獻(xiàn)，即預(yù)測新元素的存在。他并沒有像其他人那樣，把所有已知元素都放在一個完整的元素周期表中。如果是亞里士多德，他肯定會這么干的。門捷列夫認(rèn)為，如果周期表擁有一個合乎邏輯的結(jié)構(gòu)，就意味著表里可能會存在空白。他推測，新元素會填充這些空白，利用表格的周期性可以預(yù)測原子量和原子的密度。在硼、鋁、硅之下，他推測出3個“未發(fā)現(xiàn)”元素，將其命名為“類硼”“類鋁”和“類硅”[12]。這3個元素之后被接連發(fā)現(xiàn)，而且其原子量和密度都與門捷列夫的預(yù)測一致：“類鋁”在1875年于法國巴黎被發(fā)現(xiàn)，稱為鎵（gallium，拉丁語中的法國）；“類硼”于1879年在瑞典烏普薩拉被發(fā)現(xiàn)，稱為鈧（scandium，拉丁語中的斯堪的納維亞）；“類硅”于1886年在德國弗萊貝格被發(fā)現(xiàn)，被稱為鍺（germanium，拉丁語中的德國）。
門捷列夫還預(yù)測出第四組中的新成員（鈦），其原子量是180左右。這個元素最終于1923年在丹麥哥本哈根大學(xué)被發(fā)現(xiàn)，原子量為178.5，命名為鉿（hafnium，拉丁語中的哥本哈根）。
1893年，門捷列夫成為俄國度量局的主管，并做出了令人欽佩的貢獻(xiàn)。他正式定義了伏特加酒的成分：一分子的酒加兩分子的水。分子量顯示伏特加酒的組成是38%的酒精和62%的水。1894年，俄國度量局發(fā)布的合法標(biāo)準(zhǔn)把這一數(shù)字略微調(diào)整到40%的酒精和60%的水。這是80%的美標(biāo)酒度（proof，即1酒度等于酒精體積的2倍）。
對于門捷列夫的成就及其對同時期科學(xué)家產(chǎn)生的巨大影響，杰拉爾德·霍爾頓（Gerald Holton）曾有過這樣的妙比：“這就像一位圖書管理員把所有書放成一堆，挨個給它們稱重，并按重量的升序?qū)⑦@些書排放在不同架子上。然后，他突然發(fā)現(xiàn)每個架子上的第一本都是關(guān)于藝術(shù)的，第二本是關(guān)于哲學(xué)的，第三本是關(guān)于科學(xué)的，第四本是關(guān)于經(jīng)濟(jì)的，以此類推。我們這位圖書管理員可能并不明白這些規(guī)則的內(nèi)在原理，但是，一旦發(fā)現(xiàn)其中一個架子上的書的順序是'藝術(shù)－科學(xué)－經(jīng)濟(jì)’，他就會在藝術(shù)書和科學(xué)書中間留一個空白，并開始尋找那本丟失的重量合適的哲學(xué)書。”[13]
我們從元素的一個屬性中就能看出元素表的周期性，比如用原子體積除以原子量。這是由尤利烏斯·邁耶爾（Julius Meyer）在1870年最早發(fā)現(xiàn)的[14]。堿金屬出現(xiàn)在圖表的最上端。
門捷列夫從沒有聲稱自己理解這個表的結(jié)構(gòu)和周期性的含義。這是一次直覺上的偉大飛躍。他相信，這些元素?fù)碛幸环N內(nèi)在的對稱結(jié)構(gòu)，但未曾想自己的表格還是一種方便的檢索工具，最后使他做出極具戲劇性的發(fā)現(xiàn)和預(yù)測。雖然門捷列夫沒能發(fā)現(xiàn)眼前這些元素的規(guī)律，但他知道這張表會幫助其他人來完成這件事。
這張周期表的現(xiàn)代版本[15]共分為7行（周期），每行分別放置了2、8、8、18、18、32、32個元素。在人們發(fā)現(xiàn)了原子的量子理論之后，這個模式就可以理解了。電子的量子波向本質(zhì)意味著，只有整數(shù)倍波長才能讓電子“裝載”在周遭軌道上。周期表每行元素數(shù)量的增加，反映出每個原子的原子核周圍軌道中的電子數(shù)量在增加。量子力學(xué)允許最內(nèi)層軌道（稱為殼層）含有兩個電子，接著是6個，然后是10個和14個。
在由此得來的周期表中，每行中的元素數(shù)字就是在軌道上排滿電子情況下的電子數(shù)，所以有8 = 2 + 6，18 = 2 + 6 + 10，32 = 2 + 6 + 10 + 14。每行中的元素根據(jù)原子序數(shù)升序排列，而在每列中，元素根據(jù)相同最外層電子數(shù)排列，這樣就得到了元素周期表的現(xiàn)代形式。在每一行，我們在軌道上規(guī)律地加入電子，直到滿員，最終得到的就是位于元素周期表最右邊的惰性（也就是不活潑）氣體。然后，我們開啟下一行，裝填下一級的軌道。值得一提的是，門捷列夫在電子和質(zhì)子被發(fā)現(xiàn)前就已經(jīng)找到了這種模式。他研究了原子量（由元素原子核中的質(zhì)子數(shù)決定）和化合價（由軌道上電子的完整度決定），并用這種簡單方法找到了這兩個化學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)。
如今，門捷列夫的元素周期表出現(xiàn)在全世界每個化學(xué)實驗室的墻壁上[16]?？磥?，他母親當(dāng)年的決定是對的。
注釋
[1] EMSLEY J. Nature’s Building Blocks. Oxford: Oxford UP, 2003: 527.
[2] LAVOISIER A. Traité élémentaire de chimie. 1789. 這是新化學(xué)的推廣教材，多年里在化學(xué)教育中起著重要的作用。
[3] 這讓人聯(lián)想起基本粒子的現(xiàn)代定義。當(dāng)然，拉瓦錫并不知道原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：由夸克組成的質(zhì)子和中子組成了原子核，后者被電子包圍。
[4] BERZELIUS J J. “Essay on the Cause of Chemical Proportions, and on Some Circumstances Relating to Them: Together with a Short and Easy Method of Expressing Them”. Annals of Philosophy. 181(32): 443-454. Annals of Philosophy. 18(143): 51-52, 93-106, 244-255, 353-364. reproduced in D. M. Knight (ed.). Classical Scientific Papers. New York: American Elsevier, 1968.
[5] 在1804年的倫敦，貝采利烏斯聆聽了道爾頓在英國皇家科學(xué)院的一次演講，并與之進(jìn)行了討論，由此了解了道爾頓的研究工作。
[6] 方程式展現(xiàn)了硫酸銅（CuSO4）與鹽酸（HCl）結(jié)合制得硫酸（H2SO4）和氯化銅（CuCl2）。
[7] 其中，尤利烏斯·邁耶爾的研究也許最值得注意。在1868年，他繪制了49個元素的原子體積和原子量圖，并發(fā)現(xiàn)了周期性變化。他準(zhǔn)備了一篇論文供朋友評注，但遺憾的是，這位朋友回應(yīng)遲鈍，遲遲未能完成。結(jié)果，門捷列夫在邁耶爾之前發(fā)表了更全面的版本。
[8] 1815年，英國化學(xué)家威廉·普勞特（William Prout）設(shè)計了一個詳細(xì)列表，其中所有元素都由氫制成，在19世紀(jì)，人們稱之為“普勞特假說”。
[9] POSIN D Q. Mendeleyev: The Story of a Great Scientist. New York: McGraw-Hill, 1948.
[10] 在圣彼得堡國立大學(xué)門捷列夫博物館和檔案館可以看到。
[11] 氫氣因其獨(dú)特的性質(zhì)而被排除，而稀有氣體（如氦氣）還尚未被發(fā)現(xiàn)。
[12] 在希臘語中，前綴eka的意思是“跟隨”。
[13] HOLTON G. Introduction to Concepts and Theories in Physical Science. 2nd rev. ed with S. Brush. Princeton: Princeton UP, 1985: 337.
[14] 固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)的原子體積等于原子量除以密度。
[15] 別忘了，仍可能存在未發(fā)現(xiàn)的超重元素，這些元素是不穩(wěn)定的，只存在短暫的時間。
[16] 普里莫·萊維的名著《元素周期表》（LEVI P. The Periodic Table. London: Michael Joseph, 1985）講述了作者自己非凡人生中的眾多獨(dú)特經(jīng)歷，他既是工業(yè)化學(xué)家，也是納粹集中營的幸存者。不同章節(jié)描述了不同的事件和人物，而每個章節(jié)都以一個元素命名。比如，一位著名的意大利天體物理學(xué)家，即已故的尼科爾·達(dá)拉波爾塔（Nicolò Dallaporta）作為一名年輕助教出現(xiàn)在名為《鉀》的章節(jié)里，這一章講述了1941年的“的里雅斯特事件”。20世紀(jì)80年代，我在的里雅斯特見到了達(dá)拉波爾塔。他與我的導(dǎo)師德尼·夏默（Dennis Sciama）都是意大利國際高等研究院（SISSA）的聯(lián)席主管。因此，我有幸親自確認(rèn)了達(dá)拉波爾塔和40年前萊維認(rèn)識的那位年輕人一樣迷人、友好。我甚至發(fā)現(xiàn)，達(dá)拉波爾塔被一些意大利人昵稱為“鉀”，正是因為他在萊維的這本名著中扮演了重要角色。萊維曾說，在戰(zhàn)爭期間遭受監(jiān)禁和酷刑時，認(rèn)真研究元素周期表是他的一個重要心理慰藉。他知道，當(dāng)施暴者顛倒黑白、企圖篡改人類倫理標(biāo)準(zhǔn)時，他們卻無法改變元素周期表里的事實——這里有一塊絕對真理的基石，沒有人能夠撼動。
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