元素週期表如何從素描變成持久的傑作

每個科學領域都有其最喜歡的周年紀念日。

對於物理學，這是牛頓的原理1687年，這本書介紹了運動和重力定律。生物學慶祝達爾文關於物種的起源（1859年）和他的生日（1809年）。天文學迷紀念1543年，當時哥白尼將陽光放在太陽系的中心。

對於化學，沒有慶祝的原因超過了元素元素表的起源，而元素的元素表的起源是150年前由俄羅斯化學家德米特里·伊瓦諾維奇·門德萊夫（Dmitrii Ivanovich Mendeleev）創建的。

Mendeleev的桌子已經變得對化學專業的學生所熟悉，就像電子表格對會計師一樣。它總結了包含符號和數字的100個左右正方形的整個科學。它列舉了構成所有地上物質的元素，並排列以揭示其性質中的模式，從而指導理論和實踐中的化學研究追求。

化學家彼得·阿特金斯（Peter Atkins）寫道：“元素週期表可以說是化學中最重要的概念。”

Mendeleev的桌子看上去像是一個臨時圖表，但他打算表達他發現的深刻科學真理：定期定律。他的定律揭示了已知的化學元素之間的深刻家族關係- 按照其原子量順序排列時，它們在定期的間隔（或週期）表現出相似的特性- 並使Mendeleev能夠預測尚未發現的元素的存在。

Mendeleev宣稱：“在該法律頒布之前，化學元素僅僅是零碎的，偶然的事實。” “週期性定律首先使我們能夠在以前無法訪問化學視覺的距離處感知未發現的元素。”

Mendeleev的表不僅預言了新元素的存在。它驗證了當時對原子現實的爭議信念。它暗示了亞原子結構的存在，並預測了有關問題的規則基礎的數學設備，最終在量子理論中揭示了自己。他的桌子完成了化學科學從中世紀的魔術神秘主義轉變為現代科學嚴峻的領域。元素週期表不僅象徵著物質的組成部分，還像徵著所有科學的邏輯性和原則合理性。

奠定基礎

傳說是Mendeleev在一天中構思並創建了他的桌子：1869年2月17日在俄羅斯日曆上（3月1日在世界其他大部分地區）。但這可能是誇張的。 Mendeleev多年來一直在考慮將元素分組，其他化學家在前幾十年中幾次都考慮了這些元素之間關係的概念。

實際上，德國化學家約翰·沃爾夫岡·多布雷納（JohannWolfgangDöbereiner）早在1817年就注意到了元素的特殊性。當時，正如1808年，英國學校老師約翰·達爾頓（John Dalton）在英國學校老師約翰·達爾頓（John Dalton）提出的原子理論中所述，化學家還沒有完全掌握原子的性質。在他的新的化學哲學體系，道爾頓通過假設每種基本物質都是由特定類型的原子製成的，從而解釋了化學反應。

道爾頓提出的化學反應在斷開或連接原子時產生了新物質。他認為，任何給定的元素完全由一種原子組成，與其他種類區別在於重量。氧原子的重量是氫原子的八倍。道爾頓認為，碳原子的重量是氫的六倍。當元素合併為新物質時，反應的量可以用這些原子量的知識來計算。

道爾頓的某些重量是錯誤的 - 氧實際上是氫的重量的16倍，碳的重12倍。但是他的理論使原子的想法有用，激發了化學革命。在隨後的幾十年中，準確測量原子量成為化學家的主要關注。

當考慮這些權重時，Döbereiner指出，某些三個要素（他稱他們為三合會）的集合顯示出獨特的關係。例如，溴在氯和碘的重量之間具有原子量，並且所有三個元素都表現出相似的化學行為。鋰，鈉和鉀也是三合會。

其他化學家認為原子量與化學特性之間存在聯繫，但是直到1860年代，原子量才得到足夠的理解和測量，以實現更深入的見解。在英格蘭，化學家約翰·紐蘭茲（John Newlands）注意到，按日常重量增加的已知元素排列的元素在1865年論文中稱為“八度別”的模式，使化學性質的複發復發。但是，在前幾個八度音階之後，紐蘭茲的模式並沒有很好地結束，這使批評家暗示他應該嘗試按字母順序排列元素。顯然，正如Mendeleev很快意識到的那樣，元素特性和原子量的關係更加複雜。

組織元素

Mendeleev於1834年出生於西伯利亞的托博爾斯克（他的父母的第17個孩子），過著分散的生活，追求多種利益，並帶著希格萊迪·皮格利迪（Higgledy-Piggledy ）走向突出的道路。在聖彼得堡的一家教學學院的高等教育期間，他幾乎死於嚴重疾病。畢業後，他在中學任教（在教學研究所的獎學金的要求），在教學和科學教學時，他為碩士學位進行了研究。

然後，他擔任導師和講師（以及一些流行的科學寫作），直到獲得歐洲最傑出的大學化學實驗室研究的獎學金。

當他回到聖彼得堡時，他沒有工作，所以他寫了一本關於有機化學的精湛手冊，希望贏得大型現金獎。這是一個遠景，獲得了1862年利潤豐厚的Demidov獎。最終，他回到了研究，獲得了博士學位。 1865年，然後成為聖彼得堡大學的教授。

此後不久，Mendeleev發現自己要教授無機化學。在準備掌握這個新（對他）領域的新教科書時，他對可用的教科書沒有印象。所以他決定寫自己的。組織文本需要組織元素，因此如何最好地安排它們的問題。

到1869年初，Mendeleev取得了足夠的進步，以意識到，一些類似元素的群體經常增加原子量。其他大致相等的原子量的元素具有共同的特性。看來，通過其原子量訂購元素是對它們進行分類的關鍵。

通過Mendeleev自己的帳戶，他通過在單個筆記卡上寫下63個已知元素的屬性中的每一個來結構自己的思想。然後，通過一種化學紙牌遊戲，他找到了他正在尋找的模式。從下部到較高原子重量的垂直柱中排列卡片，每個水平行中具有相似特性的元素。 Mendeleev的周期桌出生了。他於3月1日勾勒出桌子，將其發送給打印機，並將其納入他即將出版的教科書中。他迅速準備了一篇論文，要向俄羅斯化學學會提交。

Mendeleev在他的論文中宣稱：“根據其原子量的大小安排的元素顯示出明確的周期性特性。” “我進行的所有比較……使我得出結論，原子量的大小決定了元素的性質。”

同時，德國化學家洛薩·邁耶（Lothar Meyer）也一直在努力組織這些元素。他準備了一張與Mendeleev類似的桌子，也許甚至在Mendeleev做到了之前。但是Mendeleev首先出版。

不過，比擊敗邁耶（Meyer）出版物更重要的是，門德萊夫（Mendeleev）使用桌子對未發現的元素做出了大膽的預測。在準備桌子時，Mendeleev注意到缺少一些筆記卡。他不得不留下空白的空間才能使已知的元素正確對齊。在他的一生中，其中三個空白被以前未知的元素，scandium and enercanium。

Mendeleev不僅預測了這些元素的存在，而且還詳細描述了他們的屬性。例如，甘露在1875年發現，原子量（如那時測得的）為69.9，密度是水的六倍。 Mendeleev預測了一個密度和原子量為68的元素（他稱其為Eka-Aluminum）。他對Eka-silicon的預測密切匹配（1886年發現）原子量（72個預測，72.3觀察到）和密度，並且（5.5對5.469）。他還正確地預測了鍺和氯的密度。

Mendeleev的桌子已成為甲骨文。好像遊戲末遊戲拼字瓷磚闡明了宇宙的秘密。儘管其他人瞥見了周期性法律的權力，但門德萊夫（Mendeleev）還是利用它的主人。

Mendeleev的成功預測使他成為化學巫術大師的傳奇地位。但是今天，歷史學家對預測元素的發現是否鞏固了他的周期性法律的接受是否質疑。該法律的批准可能更多是由於其有能力解釋已建立的化學關係。無論如何，Mendeleev的預後準確性無疑引起了人們對他桌子的優點的關注。

到1890年代，化學家廣泛認為他的定律是化學知識中的地標。 1900年，未來的諾貝爾化學獲獎者威廉·拉姆齊（William Ramsay）稱其為“迄今為止在化學方面進行的最大概括”。 Mendeleev做到了這一點，而沒有任何深刻的理解，為什麼它根本可以工作。

數學圖

在科學史上的許多情況下，基於新穎方程式的宏偉預測是正確的。在實驗者找到它們之前，數學以某種方式揭示了大自然的一些秘密。反物質是一個例子，是宇宙的擴展。在Mendeleev的情況下，對新元素的預測出現了，沒有任何創造性的數學。但實際上，Mendeleev發現了自然的深刻數學圖，因為他的表反映了量子力學的含義，即控制原子結構的數學規則。

Mendeleev在他的教科書中指出，“包含原子的問題的內部差異”可能是該要素定期反復出現的屬性的原因。但是他沒有追求這種思路。實際上，多年來，他對原子理論對他的餐桌的重要性有多麼重要。

但是其他人可以閱讀表的信息。 1888年，德國化學家約翰內斯·威斯林斯（Johannes wislicenus）宣布，按重量排列時，元素特性的周期性表明原子是由較小顆粒的定期排列組成的。因此，從某種意義上說，Mendeleev的表確實可以預料（並提供證據）原子的複雜內部結構，而沒有人知道原子的真實情況，甚至是它是否有任何內部結構。

到Mendeleev於1907年去世時，科學家知道原子有部分：電子，它帶有負電荷，再加上一些帶正電荷的成分，以使原子產生電氣中性。 1911年，當時在英格蘭曼徹斯特大學工作的物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）發現了原子核，這是1911年如何安排這些部分的關鍵線索。此後不久，曾與盧瑟福（Rutherford）合作的物理學家亨利·莫斯利（Henry Moseley）證明，核中的正電荷量（其包含的質子數量或其“原子數”）確定了元素性表中元素的正確順序。

原子量與Moseley的原子數密切相關 - 足夠接近，以至於僅在幾個點上按數量訂購元素的訂購元素有所不同。 Mendeleev堅持認為這些重量是錯誤的，需要重新測量，在某些情況下，他是對的。仍然存在一些差異，但莫斯利的原子數將桌子伸直。

大約在同一時間，丹麥物理學家尼爾斯·鮑爾（Niels Bohr）意識到量子理論控制著核周圍電子的排列，最外面的電子確定了元素的化學特性。

外部電子的類似排列會定期重複，並解釋了Mendeleev最初揭示的模式。 Bohr根據電子能量的實驗測量（以及定期定律的一些指導），在1922年創建了自己的桌子版本。

Bohr的表格增加了自1869年以來發現的元素，但從本質上講，Mendeleev發現了定期安排。 Mendeleev在量子理論的絲毫線索方面，創建了一張表，反映了量子物理學決定的原子結構。

Bohr的新桌子既不是Mendeleev原始設計的第一個也是最後一個變體。該元素週期表的數百個版本已被設計和發布。現代形式是一種水平設計，與Mendeleev的原始垂直版本相比，僅在第二次世界大戰後才廣泛流行，這在很大程度上是由於美國化學家Glenn Seaborg（長期的科學委員會成員）的工作，這是科學委員會的長期成員，這是原始出版商科學新聞）。

Seaborg和合作者合成產生了幾個新元素，其原子數以外的原子數是鈾之外的最後一個天然出現的元素。西伯格（Seaborg）看到，這些元素，即脈絡膜（加上鈾之前的三個要素）要求在桌子上進行新的行，Mendeleev尚未預料到這一點。 Seaborg的桌子為稀土元素下方的那些元素增加了這一行，其適當的位置也從未很清楚。 1999年去世的賽堡（Seaborg）在1997年的一次採訪中說：“花了很多膽量才能使Mendeleev。”

Seaborg對化學的貢獻為他贏得了他自己的同名元素的榮譽，Seaborgium，編號106。這是紀念一位著名科學家的少數元素之一，當然包括Seaborg和Seaborg和同事在元素101中，其中包括元素101 1955年，命名為Mendelevium-對於化學家來說，最重要的是在元素週期表中得到一個地方。