在圣彼得堡的初夏,阳光普照着大地,门捷列夫和鲍罗廷漫步在涅瓦河岸边。鲍罗廷兴致勃勃地看着周围的景色,时不时地发出赞叹。
可是门捷列夫只是在那里一声不响地走着,双眉紧蹙,周围的一切好像一点也打动不了他的心。
“我亲爱的米嘉,有什么烦心的事情吗?说出来让我帮你分担一下。”鲍罗廷恳切地说。
“你知道的,我认定每种元素之间都是有一定的规律可循,我研究了一下关于这方面的不同观点,更加坚信了我的看法。现在我在想从哪个方面着手对这些元素进行分类才是最正确的。”
“每种元素都具有多种理化性质:颜色、味道、比重、光泽、对氢氧的关系、原子价等。而这些理化性质又各不相同,你要找到一个每种元素都具有的标记,并且这个标记都各不相同,而且在物质发生化学反应后,它也不能有变化。”鲍罗廷一边想,一边分析着。
“物质的颜色?不对,就拿磷来说,它有红色的、有黄色的,究竟哪种是它的本色呢?这个都确定不了,肯定不会是颜色。”门捷列夫自问自答道。
“是比重?可这种性质更不稳定,有的物质稍微一加热,就会变轻,看来也不会是它。”
两个人一边走一边讨论着,将物质的性质,如导热性、导电性、磁性等根据同样的道理,一一列出,结果又一一地否定。这种标记究竟是什么呢?门捷列夫苦苦地思索着。
经过仔细地研究,门捷列夫发现钾与比它的原子量小的钠的性质十分相似,而且在钾以后的元素铷和铯也出现了类似的情况,它们都和钠、钾的性质相似。
同样,在卤素氟、氯、溴、碘之间也存在着类似的关系,这种相似性还出现在钙、锶、钡之间。
门捷列夫的眼睛一亮:“它们之间是不是靠原子量联系在一起的啊?原子量为各种元素共同具有,而且几乎都不一样,当时测得的镍和钴的原子量都是59,同时这些元素的原子量不会随着化学反应的发生而发生变化,它是一个极为稳定的性质。”
这些都符合鲍罗廷对标记的设想,同时门捷列夫还发现一个有意思的现象:依照原子量逐渐递增排列的元素,它们的金属性逐渐减弱而非金属性逐渐增强。
比如磷族的氮、硫族的氧和卤素族的氟,它们的原子量分别为14、16和19,非金属性也是氧比氮强,氟比氧强。结论是:“元素的性质随着原子量的变化而发生变化。”
经过上述分析,门捷列夫确定了原子量为研究元素之间关系的主要依据。据这一重要依据,就能探索到使元素有相似和不相似之分的规律。那把能够帮他找到物质世界的统一性与规律性的钥匙找到了。
“只要善于利用它,问题就可以解决了。”门捷列夫兴奋地想。
一种元素的原子量告诉我们,这种元素的每一个原子比起最轻的元素氢来说,当时都是重多少倍。
例如,氧的原子量是16,这就是说,任何一个氧原子的重量都是氢原子的16倍;金的原子量是197,那就是说,金原子的重量是氢原子的197倍。原子量决定着组成每一元素的最简单的微粒——原子的大小。
19世纪,人们还尚未发现一种化学元素的原子不一定都是一样重。直至1910年英国化学家索迪提出了一个假说,化学元素存在着相对原子质量和放射性不同而其他物理、化学性质相同的变种,这些变种应处于周期表的同一位置上,称作同位素。
不久,他就从不同放射性元素得到一种铅的相对原子质量是206.08,另一种则是208.
1912年,约瑟夫·约翰·汤姆逊制成了一种磁分离器,当他用氖气进行测定时,无论氖怎样提纯,在屏上得到的都是两条抛物线,一条代表质量为20的氖,另一条则代表质量为22的氖。这就是第一次发现的稳定同位素,即无放射性的同位素。
其实,许多元素都有变种,亦即所谓的同位素。有的同位素的原子比较轻,有的比较重,但它们的化学性质都相同。
一切元素的原子量都是由两项条件决定的,一项是它的同位素的原子量,另一项是这些同位素在自然界互相混合的对比关系。
这一同位素的问题,在当时还没有被揭示,所以人们都认为同一元素的所有原子都是绝对一样的。任何一种元素的每一原子和任何另一种元素的每一原子间的差别,首先就表现在大小上、重量上。至于元素的其他一切特性,显然都应该由这一基本特征来决定。
这个结论是门捷列夫把一切元素的性质仔细比较以后得出来的。他终于想到了,根据这一重要的特征,就能探索到使元素有相似和不相似之分的规律。只要善于利用它,问题就会迎刃而解了。
门捷列夫开始时,是挑选原子量相近的各元素。后来将不相类似的元素加以对比,首先是钾和氯,然后是对整族的碱金属和卤族元素。
当然在研究过程中,他也试验了利用其他性质对元素进行分类,例如利用元素与氧、氢的关系进行分类;利用元素的金属性和非金属性进行分类;利用元素的活泼性顺序进行分类;利用原子价进行分类,但是都不太满意。最后他还是紧紧地抓住了元素的基本特性——原子量来探索元素之间的规律性。
在寻找元素关系的过程中,如果每有一点新的设想,就要重新制表,或在原来的表上勾来画去,不仅麻烦,而且不便于研究。而元素的各种性质,即使能全部背出,也无法方便、直观、明显地加以对比研究。
门捷列夫在探索周期律时,创造了新的方法:他将当时已经发现的63种元素的名称、相对原子质量、原子价、溶解度及性质,写在63张卡片上,用这些卡片来对元素之间的关系加以分析、对比、排列、调整,使之逐渐地趋近于一个有规律的系统。
显然,这种方法比每次重新书写或勾画要方便、明晰、随机得多。不仅便于元素的两相对照,而且还可以很容易地进行大幅度的调整。
门捷列夫的家人、朋友、同事还有他的学生,看到一向珍惜时间的教授突然热衷于“纸牌”游戏,都感到非常奇怪。而他却拿起卡片像玩牌一样,一会儿摆到这儿,一会儿摆到那儿,对别的事情丝毫也不在意。
通过对卡片深入的研究,门捷列夫发现了几个难以解决的问题。
第一个是原子量变化的连续性和间断性。
从原子量最小的氢1到原子量最大的铋210,共有63种元素。平均每相邻元素的原子量之差为3.37.凡是差在3.37左右的状况,均可认为是正常的连续性变化,而超出这个变化幅度的,可视为反常、间断性变化。
在整个序列中,这种间断共有Ca(40)与Er(56)之间、Zn(65)与As(75)之间、Mo(96)与Rh(104.4)之间、Ba(137)与Ta(182)之间,四处间断性跳跃。
“那么产生这种间断的原因究竟是什么呢?”门捷列夫冥思苦想着,“是不是原子量测定本身有问题?”
当将这一因素尽可能由实验排除之后,他发现,在原子量变化发生间断的地方,这些元素与前后、左右元素性质相比较,常常出现明显的反常。
“这是为什么呢?难道还有别的原因吗?”门捷列夫想了很久,得出的唯一结论是:这里有未被发现的新元素存在。可是这可能吗?这不符合科学的理论啊!
这个问题作为一个没有答案的难题,门捷列夫将它先放在了一边,因为这时他发现了第二个问题。
原来门捷列夫在把元素按原子量大小排列时,发现元素铍破坏了化合价周期变化的规律。同时锂与硼之间相差太大,而碳与氮之间相距太近,好像前面少了一个元素,而后面多了一个元素,那么这个元素是铍吗?
于是他把铍放在锂和硼之间,化合价便呈现由小到大的规律性变化,但是原子量从小到大的变化却被破坏了。
“这是怎么回事呢?我该怎么处理呢?”门捷列夫忽然想到了欧德林的排表,他为顾及周围元素之间的关系,对碘和碲在次序上作了仅有一例的倒置。
对,我为什么不换一种思路呢,我以化合价为依据,改变铍的原子量试试。于是他便果断地把铍的原子量由13.5改为9.紧接着他重新测定了铍的原子量,果然是9.4.
由此,门捷列夫改变了自己的总体思路,变为既以原子量为主要线索,统率全局,又在局部以元素其他性质为依据,或改排某些元素的先后次序,或对原子量作了大胆的修改。
门捷列夫发现的第三个问题是,如何正确处理长短周期的关系。
门捷列夫在研究中发现,元素的性质虽然有周期性的变化,但是并不是当原子量每有一定的差值的变化,元素的化学性质也就有确定的变化,如同数学上的等差级数一样准确无误。
“除氢元素之外,前两周期元素之间的对应关系早已被人发现。往下各周期,长短究竟怎样确定?”这个也成了令门捷列夫头疼的难题。
这些难题,并没有把门捷列夫吓倒,反而更加坚定了他寻求真理的决心。