元素周期表的发现与门捷列夫的创新精神

林书宇　王慧

【摘要】众所周知，元素周期表是化学史上一个里程碑式的发现。从古至今有许多科学家、研究者均对元素周期表进行了角度独特的研究，比如化学周期表的发现历程、元素周期表的内涵和架构方式、元素周期表中包涵的哲学思想以及给予现代人类的启示等，但门捷列夫作为元素周期表发现者的特殊性却鲜有研究。因此，在元素周期表150周年诞辰之际，本文拟从元素周期表发现的时代背景，以及发现者的科学精神的角度出发，探讨门捷列夫对于元素周期表发现的特殊贡献。

【关键词】元素周期表;门捷列夫;创新

化学是一门以实验为基础的科学，而化学理论亦是在解释实验现象时逐步发展完善起来的。这意味着，化学理论体系的建立绝不是一蹴而就的，而是一代又一代科学家薪火相传逐渐改进而形成。因此，如果中学生想更深层次地认识理解化学，就必须了解化学史的发展脉络，思考化学家成功背后的原因，他们是以什么样的研究方法和科学精神得出了这样的结论，而不仅仅是罗列记忆化学知识。由是观之，中学生绝不应该仅仅记住一个结论。比如对于有150年历史的元素周期表，我们应了解究竟哪些科学家在元素周期表的发现中做出了贡献以及做出了哪些贡献，而非是教科书上一句“门捷列夫发现了元素周期表”（见表1）。因此，本文试图讨论制约科学家理论体系发展的主要因素，从实验即客观事实发现以及科学家的精神两个角度研究元素周期表的发展史。

一、元素周期表发现历程

1.科学背景

公元前，西方人坚定地相信安培多克勒和亚里士多德的四元质说，即“世界是由水、火、气、土四种原质构成的”。在那个时期，人们主要依靠对自然现象的分析和自身想象力来研究科学，科学与神学的界限也未完全明晰。

在炼金术士长达几百年的试验尝试后，16世纪文艺复兴运动爆发，将人们的思想从固化的宗教枷锁中解放出来，使人们更加理性地看待所处的世界。因此，在这个时期，科学精神与实验技术都得到了迅速的发展，化学发展也迎来了其“理论大爆发”的契机。

实验哲学兴起之后，拉瓦锡提出“在任何情况下都应该使我们的推理受到实验的检验，不要猜想，而要依据事实”。这种“实验验证理论，理论解释实验”的思想也奠定了后世化学的基本思路。通过氧化汞的实验，拉瓦锡测定了空气中的氧气含量，发现空气可以分离。于是人们开始质疑四元质说，并重新定义元素。电和光谱的突破也为化学提供了新的分析手段，科学技术以及人们观念的进步成了元素周期表发现的基础。

第一张元素列表在1789年被提出，法国化学家安托万·拉瓦锡将当时发现的33种元素列于一张表格上，分为气体、金属、非金属矿物和稀土四组。

1803年，英国化学家、物理学家约翰·道尔顿提出了原子学说，提出用相对比较的方法求取原子量，否定了气体不可分离的说法。

1829年，德贝莱纳通过原子量的测定对当时已知的54种元素进行了系统的分析研究之后，提出了五组“三素组”。在“三素组”规律中，德贝莱纳发现元素之间彼此有联系，例如锂与钾的原子量之和的平均数与钠的原子量相同。

1843年，盖墨林进一步扩大了德贝莱纳的研究结果，把当时已经发现的元素按性质相似分类制成了元素表。

1850年，德国药物学家马克思·冯·佩腾科费尔指出相似性质元素间原子量应为8或8的倍数。其后有其他几位科学家也发现原子量与元素性质之间的进一步的规律。

1857年，德国有机学家弗里德里希·奥古斯都·凯库勒通过甲烷分子发现碳有四个价键，初步提出了化合价的概念，为科学家们发现元素间的规律以及排列顺序增加了依据，也为门捷列夫的研究奠定了基础。

1862年，法国地质学家德·尚古尔多创建了《螺旋图》，首先提出元素性质和原子量之间有关系，并初步提出了元素性质的周期性，由于种种原因该理论并未获得应有关注。

1864年，英国化学家威廉·欧德林按照原子量顺序用46种元素排出了《原子量和元素符号表》;同年，德国化学家迈耶尔指出“原子量上的规律性”，但他并未认识到元素性质上的彼此联系;其后英国化学家纽兰兹发现了“八音律”，即当把元素按照相对原子质量排列起来时，每隔八个原子，元素的化学性质便极为相近，但并未进行深入研究。之后美国化学家欣里希斯也做了以圆半径排列的表格。

1869年，门捷列夫以相对原子质量大小以及化合价（与其他元素结合能力）作为参照排列出了现在通行的元素周期表，而后又根据元素排列的顺序，大胆地预测了未发现的元素的物理化学性质。

2.理论完善时期

在门捷列夫提出“元素周期表”之后，同时代的科学家坚信“元素是不可理论预测的，只有发现的才是真实”。怀着对门捷列夫元素周期表确认或否定的想法，大量的科学家投入到发现新元素的事业中。

1869年，布瓦博德朗发现了元素“镓”，与门捷列夫预测的一个元素几乎完全吻合，但布瓦博德朗测得的相对原子质量与门捷列夫的预测却不完全相同。门捷列夫坚持自己的看法，并在寫给布瓦博德朗的信中坚定地表达了自己的观点。布瓦博德朗在重新测定原子质量之后，发现是元素提纯不够导致相对原子量不同，最终证实了门捷列夫元素周期表的正确性。

此后科学家对元素周期表的验证更是迅速。

1880年，瑞典两位化学家几乎同时发现一种新元素——钪。他们推测钪正是元素周期律中所预言的类硼。

1886年，德国化学家文克列尔用光谱分析法发现新元素——锗。

1895年，英国化学家拉姆赛发现了新元素氦。

氦正是门捷列夫在1871年排列出的原子量为1到7、位于氢和锂之间的无名元素。

三年后，英国化学家拉姆赛又发现了新元素氖。氖正是门捷列夫指出的位于氟和钠之间、原子量为20的元素。

1898年，居里夫妇发现了放射性元素镭，原子量为226.0254。而当年门捷列夫预言这种“类钡”元素的原子量在210至230之间，这是最有力的验证。

這些新元素的发现都证明了门捷列夫的超前思想和元素周期表的正确性。

二、门捷列夫的个人精神特点

在回溯元素周期表的发展历程后，我试图去解答一个问题：为什么有很多科学家均对元素规律进行了大量研究，但是只有门捷列夫发现了我们现在通用的“元素周期表”呢？笔者认为，门捷列夫本身的品质才是他最终能够成功的主要原因。

1.对前人成就的学习

伟大的物理学家牛顿曾经说过“我之所以站得高，是因为我站在巨人的肩膀上”，而门捷列夫也不例外，他的成就离不开对前人理论的学习。

在门捷列夫之前，已经有了成熟的元素周期表，其中最具有代表性的有三类元素周期表。第一类是法国化学家安托万·拉瓦锡1789年提出的元素周期表，他是按照元素的物理性质及状态将当时发现的33种元素分为气体、金属、非金属矿物和稀土四组。第二类是德贝莱纳在1829年根据原子量的排列规律提出的五组“三素组”。第三类则是英国化学家纽兰兹发现的“八音律”，他根据每隔八个原子元素性质便较为详尽的理论，按元素性质排列了他自己的元素周期表。可以说门捷列夫元素周期表中所依据的全部理论几乎已发展完全。

门捷列夫在毕业后十年左右的时间里，都在从事化学的相关研究，而前期的这些元素周期表也奠定了门捷列夫元素周期表的基础。

2.批判思维

门捷列夫的批判思想体现在不盲从于当时的权威。在前人的元素周期表中，有根据元素性质分类的，也有根据相对原子质量分类的。但为什么没有人将这两种规律联系在一起呢？这就是因为当时的社会中所认可的一些“权威”相对原子质量其实是不准确的，但是并没有人对此质疑。而门捷列夫则对此提出质疑并自己测定，最后修正了它的错误，并发现了这些规律间的联系。而且在门捷列夫研究“元素周期律”的时候，社会各界人士对此嗤之以鼻，甚至他的老师都在嘲笑他“研究元素周期律这种抽象概念毫无用处”。但门捷列夫仍是相信“再多事实的罗列，都不能被称之为科学”。而这种不盲从于“主流思想”的信念使得门捷列夫足以将他的想法研究到底。

3.科学创新精神

门捷列夫的创新精神也令人感到震撼。他研究元素周期表仅仅是因为在教书时对主流的无机教科书觉得失望，认为其中缺少元素之间的联系，于是决定从事这一接触不多的工作。然后他在精神上打破了无机化学和有机化学的壁垒，完善了凯库勒的“化合价”概念，并将其运用到无机物中，最后发现这个规律亦可作为元素排列依据。而这是其他科学家没有想到的。

4.自信

最后元素周期表的传播要归功于门捷列夫的自信，门捷列夫预测了许多当时还没有发现的元素，而这些元素在发现后受到了质疑。在瓦博德朗发现了“镓”之后，门捷列夫发现与自己预测的一个元素极为相似，可是元素的原子量却与门捷列夫预测的不同。于是门捷列夫大胆地选择了相信自己，向瓦博德朗寄去信件询问他是不是提纯不够，而不是第一时间怀疑自己理论的崩塌。事实证明，门捷列夫的理论是正确的。

5.厚积薄发的发现过程。

门捷列夫将元素写在纸牌上面，寻找他们之间的联系，门捷列夫经历了长达数十年的研究之后，发现按原子量排布最为适用。而元素周期表的真正完成，是在一天之内的，即1869年2月17日。这一天门捷列夫终于找到了纸牌排列合适的方式，于是乎，元素周期表诞生了。

元素周期表的确立为化学的进一步发展以及元素性质的研究奠定了基础。在理论体系发展方面，元素周期表表明在实验未发现的情况下，理论预测新元素是可行的。这将化学研究从一味地实验罗列中解放出来，开启了化学理论体系蓬勃发展的新纪元。

三、结语

由此，我们认为科学理论的奠定受多方面条件制约，尤其与实验事实以及科学家品质密切相关。首先，理论的发展依赖基础科学条件。比如对于验证元素周期表，是否能精准测定相对原子质量就是一个约束条件;同样在生物实验中，显微镜的发现也是如此。实验技术和科技水平限制了各种层次的理论研究。其次，我们认为一个理论的形成需要社会多领域的协助。只有把不同领域中先进的研究成果集中起来，才能使研究者站在巨人的肩膀上进一步接近真理。同时，科学研究需要我们坚定不移的信念，但绝非一味地固执己见。就像迈耶尔早年并不认同元素周期律，只把周期律当作“人们对原子认识更清晰的一种手段”。但当他看完门捷列夫的总结性论文时，他便转变了自己的想法，对元素周期律坚信不移，并试图将周期律的观点用在一切化学上，为元素周期律的普及做出了巨大贡献。最重要的是，科学研究要具有一定的前瞻性和细致入微的洞察力，可以将知识整合的能力以及抽象的哲学思维，此外还要坚持信念，不能盲目地追随主流观点。这些特质都在门捷列夫身上均有所体现。

在科学技术迅速发展的今天，作为新时代的中学生，我们更应该继承先辈科学家的精神，利用现代发达的网络条件，及时了解各领域尖端科技，不断更新知识储备。科学家陈小平可以在地理课上发现疟疾病毒与癌症的关系，我们也不能轻视任何一个领域的知识，因为任何一个微小的事物都可能给科学研究带来灵感。同时不能一意孤行，要善于听取老师和其他人的意见。当然更重要的，就是要不断学习知识，提高自己的知识水平，时刻保持好奇心，以辩证思考的角度去学习和看待这个世界。

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