元素周期表是怎么诞生的(元素周期表150岁了)(1)

元素周期表。 (新华社/图)

1869年,俄国人德米特里·门捷列夫发布了他的第一张元素周期表,其中只有63种元素。如今,元素周期表扩展到118种元素。为纪念他的开创性成果诞生150周年,联合国教科文组织将2019年定为“元素周期表国际年”。进入这一年后,《自然》和《科学》两本重要刊物不约而同地发布了元素周期表专辑。

如今世人都知道门捷列夫,但另一位曾经共享发现权的人——尤利乌斯·洛塔尔·迈耶尔却没那么有名。两人几乎同时独立发布周期表,后来围绕发现权打了很多笔仗,又一起拿了化学奖项。20世纪初的化学教科书提到元素周期表时仍然会同时提到两人,但最终被记住的似乎只有门捷列夫。

发布完元素周期表,门捷列夫去关心奶酪了

门捷列夫出生于1834年,成长于西伯利亚,父亲是教师,母亲经营一家玻璃工厂。他是家里17个孩子中的老幺,13岁时父亲去世,一年后母亲的工厂倒闭。母亲带他去圣彼得堡接受教育,不久也去世了。命途多舛的门捷列夫据说当时一年只理一次发,理发师是拿着羊毛剪的牧羊人。

德国人迈耶尔大门捷列夫三岁半,父亲和外祖父都是医生。除小时候因严重头痛休学做了一年园丁,他从未偏离成为大学教授的轨道。

24岁拿到医学博士学位后,迈耶尔前往海德堡大学,在著名化学家罗伯特·本生的实验室待了四个月,兴趣从医学转移到化学。迈耶尔离开海德堡大学3年后,门捷列夫依靠政府资助,也去那里学习了两年,因为恼火本生实验室的烟雾和噪音,在自己的公寓里开辟了实验室。

1860年9月,迈耶尔和门捷列夫都参加了德国举办的国际化学会议,同样对一位意大利化学家关于原子量的论文印象深刻。那次大会确立的原子量测量方法,为两人后来的工作打下了基础。

1861年2月,门捷列夫回到俄国,穷困潦倒。他花四个月撰写了一本500页的教科书《有机化学》,以此向圣彼得堡科学院申请德米多夫奖(Demidov Prize)。当时优质俄语教科书非常匮乏,这部教材深受学生们欢迎,他由此拿到奖金,顺势结了婚。

1864年,迈耶尔出版《现代化学原理》,书中包括一张含有28种元素的表格,按照原子量排序并按化学价分为六个“族”。他在硅和锡之间留了一个空位,即锗的位置,但并未像门捷列夫后来做的那样,用这个空位预测尚未被发现的新元素。

31岁的门捷列夫当上了圣彼得堡大学的化学教授。两年后教无机化学课时,他由于找不到合适的俄语教材,决定再写一部。由此而生的两卷本《化学原理》,在他有生之年出到了第八版。上卷写毕,只讲完八8种元素,他得在下册中安排剩下55种元素的写作顺序。他希望创设一种确定的原则,而不是随机排列。

据说受到单人纸牌游戏启发,门捷列夫找到了自己的方法。1869年3月1日(俄历2月17日),他把自己的成果印制200份分发给化学界同仁,其中150份俄语,50份法语。这便是举世闻名的第一张元素周期表,门捷列夫自己叫它“元素系统”。

门捷列夫将这一成果提交给俄罗斯化学学会,请朋友代为宣读,自己则去视察制作奶酪的合作社——那时他还是著名的农业事务顾问。紧接着,他关于元素周期表的第一篇文章发表在新创刊的《俄罗斯化学学会杂志》上,提及尚未发现的元素可以被推断出来,并未详细阐述。

元素周期表全球化之后,麻烦产生了

拉丁语衰弱后,英语、法语和德语成为当时主要的学术语言。欧洲的化学家们几乎不读俄语期刊,门捷列夫能说德语,但写作不灵光,他将十多页文章缩成一页摘要,交给俄国出生的德裔化学家弗里德里希·拜耳斯坦翻译。

因为类似的翻译请求堆积如山,拜耳斯坦先让自己的学生翻译,然后把摘要寄给了迈耶尔,希望他确保将其发表在影响力较小的德语期刊《化学杂志》上。迈耶尔照做了。

不过,这份德语摘要有一处误译。门捷列夫的原意是,按原子量大小排列的元素,在性质上呈现出“明显的周期性”,而德语翻译为“呈现出渐变”。关键词“周期性”没被翻译出来。

1870年,迈耶尔在当时最著名的化学期刊《化学与药学年鉴》发表文章。他引用了门捷列夫的德语摘要,并承认自己的元素周期表跟门捷列夫的很像,但抓住对方没有点透的“周期性”大做文章。

门捷列夫非常气愤,认为那份德语摘要明明注明了原文出处,而俄语文章里也反复出现了“周期性”一词。“很明显,(“‘周期性”’)这个词不是我从迈耶尔先生那里借来的。”他回应道。

“我们德国化学家有各种日耳曼语言和罗曼语言的文章要读,要求我们除此之外还要去看斯拉夫语言的文章,并且监督其德语翻译是否准确,这在我看来是过分的要求。”迈耶尔认为,自己不该为没有读俄语原文而受到指责。

事实上,迈耶尔并未否认门捷列夫的发现。他只希望自己的贡献也得到承认,但俄国同行想要独占发现权。

那一两年中,门捷列夫对“元素系统”的认知发生了变化,越来越意识到这不仅仅是方便教学的工具,而是钢铁一般的自然法则。1871年,他也在《化学与药学年鉴》上发文,将其发现重新阐述为“周期定律”,不仅适用于已知元素,而且可以预测未知元素。他预测了三种按元素周期表应该存在,但尚未被发现的未知元素及其性质。这次,他请了另一位德语翻译。

这三种元素即镓、钪、锗,它们很快在十几年中被相继发现。门捷列夫的成功预测震动了国际化学界,他由此确立了元素周期表主要发现者的地位,也促进了科学界对元素周期表的接纳。此前,他和迈耶尔的文章其实都未能引发广发关注。“这篇文章是我建立起科学声望的主要原因,因为很多东西很久之后被证明是正确的。”他后来回顾道。

1882年,两人共同获得英国皇家学会颁发的化学奖项——戴维奖章,以表彰他们发现了“原子量的周期关系”。有趣的是,1877年该奖项第一次颁奖,得主正是他们的前辈罗伯特·本生。

自从确信自己会出名,门捷列夫就开始保存所有经手的笔记、文件和信件,其中与迈耶尔有关的只有两份。一份是1893年迈耶尔的来信。当时一位著名德国化学家发起编辑一套科学经典丛书,其中两册关于元素周期表,下册写门捷列夫和迈耶尔,上册关注先驱者们。迈耶尔编辑上册,而把下册交给自己的学生苏伯特。他写信请门捷列夫寄给他一些材料,尤其是1869年的那篇俄语文章。另一份是1895年4月12日迈耶尔妻子约翰娜的来信,她告知他,迈耶尔于前一天去世了。

半年后,苏伯特编辑的书籍出版,不仅收录了门捷列夫的文章,还首次公布了一份包含52种元素的元素周期表,由迈耶尔作于1868年。那是门捷列夫发布元素周期表的前一年,当时迈耶尔在德国勃兰登堡州省?的一所大学任教,他把手稿交给了继任者。当年跟门捷列夫打笔仗时,他为何没要回这份手稿,至今还是谜团。

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