化学界的“宪法”

发布日期:2019-11-06 19:24:31    浏览次数: 1335

今年是门捷列夫发现元素周期表150周年。在高中,甚至当我还是个孩子的时候,我打开字典的附录,我们就接触到了它。水平7行,垂直18列;行称为“周期”,列称为“族”氏族又分为主氏族和次氏族。主氏族在前两个周期开始,子氏族在第四个周期开始,这意味着子氏族更短。在大多数情况下,列和行仅对应于一种元素,例如,第六主族的第二周期对应于氧元素。然而,第三个分组的第六和第七阶段是例外的。它们分别对应于“镧系”和“锕系”。每个系列包含15个元素。

在元素周期表出现之前,化学家要么研究某种物质,要么研究某种元素。他们每个人都演奏着,唱着甜美的歌,但那是一片拼凑的沙子。元素周期表的出现,如演奏一首壮丽的交响曲,每一种元素在其位置上,都演奏了一个壮丽的乐章。它本质上支配着化学中所有的物质组成和变化规律,可以称为化学的“构成”。

回顾元素周期表的发现历史,似乎所有的路都通向罗马,但事实上,所有的路都是蜿蜒的。

人们一直在思考物质的本质。由于困难,哲学应运而生。中国古代的五行学说、印度古代的四大学说和埃及古代的三大学说都指向构成万物的几个要素。“元素主义”可以证明自己,表达物质的基本性质,并指导黄金冶炼。然而,当你扬起眉毛面对天空时,你身后就有一片天空。我低下头,让细沙像泥浆一样流过我的手指。“无限”和“无限小”的问题仍然影响着哲学家的思想,这是“元素理论”很少涉及的一个领域。伊壁鸠鲁和其他古希腊哲学家提出“原子理论”来处理物质中令人费解的“无限”概念。“原子”是不能再分裂的物质。“莫紫晶说下”也表达了类似的观点,“武”和“飞板”是分不开的,意思是“武”和“班布板”,是分不开的。“元素主义”就像“阳关大道”,每个人都可以坐在上面看天堂,提炼黄金。“原子理论”就像“一座木桥”。它会灼伤大脑,很少有人敢进去。他们似乎没有任何关系,但他们实际上是通过潜流联系在一起的。直到“原子理论”沉寂了近2000年后,战士们才出现。牛顿试着说,“在我看来,上帝似乎创造了坚实、厚重、坚硬的东西...他创造世界时的大小和形状。最重要的是能够形成其他物质。”与此同时,自然哲学家博伊尔写了一本名为《怀疑化学家》的书。他认为所有物质都可以分解成粒子。他还重新引入了元素的概念——最简单、最纯粹的物质。他同时站在元素理论的“阳关大道”和原子理论的“木桥”上。但是雾太浓了,博伊尔停在那里,没有发现宏观世界和微观世界必须在某个节点相遇。

一百年后,微风吹来。法国化学家拉瓦锡将定量描述引入物质世界。他本人是经验主义的倡导者,坚信只有可观察到的结果才是有用的。他继承了波义耳的定义,认为元素是最简单的物质,因此列出了33种元素。此外,他用天平称量,证明了化学反应前后的质量守恒。

从那以后,科学家们用拉瓦锡的方法用数字来测量各种现象,云逐渐散去。例如,英国化学家和物理学家道尔顿在这种背景下以定量的方式重新获得了“原子理论”。他感受到“阳关大道”和“独木桥”之间的暗流,坚决提出元素和原子一样多的说法。元素的定义无意识地从可见物质向不可见原子倾斜。为了进一步疏通宏观世界和微观世界之间的隧道,他想到了测量原子质量。然而,这个想法太超前了,不管原子是否真的存在,宏观物质中包含多少原子,原子在物质中的比例是多少。当时,没有解决办法。他必须找到另一种方法,提出相对原子质量的概念。相对原子量(以下统称为“原子量”)是氢的质量或氢的一半被设定为1并且其他原子被参考的值。它可以通过称量宏观物质来确定。令人惊讶的是,原子的存在还没有被确定,但是原子量已经被引入化学领域。

起初,许多原子量测量是错误的。正是在这个前提下,人们可以发现巧合——大多数元素的原子量接近氢的整数倍。另一位英国化学家普鲁特因此大胆地提出了所有原子都属于氢的假设。许多支持或反对普鲁特假说的科学家致力于精确测定原子量,为元素周期表的发现铺平了道路。

元素的定义很模糊。它是简单物质(单一成分的物质)和化合物(非唯一成分的物质)容易达到的组合,也是黑盒中的原子。然而,什么是元素似乎不再重要,因为人们本能地开始探索元素的相似性,并有了对元素进行分类的想法。

当门捷列夫致力于化学研究时,他的前辈已经铺好了足够的路:已经发现了60种元素;对现有元素进行了详细研究。光谱技术已经出现,通过物质发出的光来加热物质和识别元素。通过元素分类的尝试。元素的完整分类的发现似乎已经达到了极限,“罗马”可以从远处期待。

当时,构建元素周期表的困难在于建立元素之间的横向关系。同一个族元素的表观性质有许多相似之处,但同一时期元素的规律并没有反映在外观上。

一次会议突破了这个困难。1860年,在德国卡尔斯鲁厄举行的国际化学会议上,科学家们统一了原子量的校准方法,并校正了一些元素的原子量。科学家们从不同的角度看待原子量的重要性。你为什么不按原子量水平排列元素?这个看似简单的想法是在元素周期表中建立水平关系的方法。当所有的因素都具备时,问题就变成了谁会第一个到达罗马。

第一次尝试是由法国地质学家让·古尔多做出的。1862年,他根据原子量对元素进行分类,并绘制了直方图。不幸的是,他使用了化学家不熟悉的许多地质术语,地图被出版社藏了起来,不让出版。他的所作所为没有引起注意。两年后,英国化学家约翰纽兰兹和奥德林独立出版了《元素周期表》。

尽管这三位科学家都是根据原子量进行分类的,但无论是地质学家还是两位化学家都没有采取一个重要的细节步骤——将主族和子族分开。这一关键步骤似乎很简单,但却极其困难。从现代化学的观点来看,主族和亚族之间的区别意味着原子内不同类型的电子结构,但当时还没有电子知识。

最后,其他三名科学家从不同的道路独自来到罗马。他们是德裔美国科学家古斯塔沃辛里奇、德国化学家胡柳斯洛萨迈尔和俄罗斯化学家德米特里曼德列夫。

欣里奇是个不寻常的天才。25岁时,为了避免政治迫害,他从欧洲移居美国。不久,他被任命为爱荷华大学自然哲学、化学和现代语言教授。他涉足广泛的领域,精通矿物学、气象学、天文学、化学和许多语言。他从元素光谱的独特角度切入,构建了一个螺旋元素周期表。他的手表可以反映主氏族和次氏族之间的关系,这是周期表的一个飞跃。然而,他并不是最后一个拥有最深影响力的人,这与他的个性密不可分。他是一个特立独行的人,住在美国,但不发表英文论文。如果你不喜欢你在爱荷华大学的同事,就把他们转学。没有提到元素周期表的其他发现者,他们的贡献被忽略了。也许是因为人们对他的看法太不一样,所以无法客观地评价他的贡献。事实上,应用元素的光谱分析来赋予它们一个重要的位置并发现元素周期表是超越时代的。

迈耶是一个典型的严格保守的德国人。他来自一个医学家庭,为医学和化学博士学习。他还参加了国际化学会议,知道最新的原子量及其重要性。因此,早在1862年,梅耶尔就从物理性质的角度切入,根据原子量增加的规律画了一张两部分的表,这是主族和子族分离的表现。严格来说,他选择在两年后出版这张图表。1868年,比门捷列夫早一年,迈耶画了一张比门捷列夫更精确的周期表。然而,由于某些原因,他没有公布这份表格,错过了荣誉。

门捷列夫出生在寒冷的西伯利亚,父母英年早逝。他的母亲非常重视他的教育,并在他死前尽一切努力让他进入他父亲的母校圣彼得堡师范学院。在那里,他学习化学、物理、生物和教育。因为他很早就在高中教书,所以他知道各种各样的元素。后来,他在一所大学做兼职教师,在获得22个月的奖学金后,他去了欧洲留学。他选择留在德国海德堡,那里是俄罗斯人聚集的地方。一年后,他参加了在海德堡附近卡尔斯鲁厄举行的重要国际化学会议,并立即在后续研究中采用了最新的原子量。

九年后,1869年2月17日,圣彼得堡大学自由经济协会主席阿列克谢耶瓦诺维奇霍德涅夫写信给门捷列夫,安排他视察一家奶酪厂。在这封信的背面,门捷列夫第一次写下了元素周期表,它完整而准确,分为主族和子族。没有排练,而且是一次性完成的,所以有传言说他是在做梦或打牌时偶然得到的。事实上,门捷列夫的演绎过程更像是作家辛凤年在《乐迷闲话》中对德国作曲家理查·施特劳斯的描述他暂时搁置了最初形成的音乐理念,让它听起来像是潜意识中采摘的水果,慢慢“成熟”,过了很长时间才加工出来。"

门捷列夫在多年的教学和实验中熟悉了各种化学反应,并发现了各种物质的相似性。去掉它意味着回到基本的相似性。简单物质是最简单的物质,但它的规则很难掌握:碳本身有许多形式,如金刚石和石墨。简单物质钠和氯是有毒的,但它们可以结合成无毒的盐——氯化钠...这些不能反映内部的相似性。他在博伊尔、拉瓦锡和其他祖先铺设的道路上犹豫不决。当时,还没有现代原子理论。他不能把元素等同于道尔顿这样的原子。在路上,他必须勇敢地面对“元素的意义”的困难。

他避开了原子的黑匣子,并将元素的概念提升到超自然的水平——元素是不可变的,决定了物质的可观察属性。因此,在研究元素规律时,他选择的标准应该满足“不变”的条件。最后,他小心翼翼地选择原子量作为构建循环的参考。这还不够。虽然他采用了最新的原子量,但仍然有一些不正确的原子量。这时门捷列夫对化学的渊博知识帮助了他,他敢于打破自己制定的规则。他改变了碘和碲的位置,并根据周期表修正了现有的原子量。基于他工作的确定性,他对自己进行分类时所采用的所有规则和规定以及他基于元素周期表的预测都清楚地写在那一年发表的论文中,而其他发现者只暗示了他所采用的方法。

迈耶是第一个赶往罗马的人,门捷列夫是站在塔上接受祝贺的人。门捷列夫大胆而直接,说话努力,对新元素做出了许多预测,使人们对他的工作印象更加深刻。此外,他一直关注着周期表的后期发展,是周期表的最大贡献者。当元素周期表在1869年出版时,门捷列夫面对剩余的空间断言,“我们肯定会找到这些未知的元素。”他总共预测了16个元素,其中一半是正确的,并且性质与他的预测相似。碘和碲的顺序一直困扰着门捷列夫,他一直跟踪碲原子量的测定直到1895年,尽管最终结果令他失望。1894年,稀有气体氩的出现也打破了元素周期表的沉默,元素周期表并不类似于所有的元素。门捷列夫非常关心这种新元素在周期表中的位置,最终接受了稀有气体作为一个组。

这三位科学家没有找到正确的“探索之路”,直接去了“罗马”。无论元素的光谱、物理化学性质或原子量,都有太多不符合法律的“特例”。这绝不是解决问题的通用公式。由于事情的复杂性超出了我们的想象,仅仅根据某一标准对其进行绝对分类是不合理的。然而,这并不意味着原则或标准应该随意改变,而是应该以容错的方式考虑更多隐藏的因素。这样,当事情的真相被揭露时,我们将会对一开始被允许发生的错误心存感激。例如,20世纪发现的同位素解决了碘和碲的逆序问题。如果你没有经历过挣扎和容错的过程,你可能反而会被锁在原地。纵观科学史,我们会对它的容错能力更加惊讶。数百年来,它可以容忍没有证据的“绝对真理”,也可以让科学家集体犯错数十年,但最终它会找到正确的方向。

当这块手表诞生时,甚至在许多年后,我们突然意识到它诞生的规律。元素周期表的定律叫做元素周期定律。“氏族”的规则更容易找到,这表现在各种化学反应和物质形式上。另一方面,在水平方向上,相同周期的元素可以形成具有不同化学反应的不同物质。只有当我们从原子层面理解它时,才能非常清楚地看到,对于相同周期的元素,原子中电子的吸引力从左到右增强了。知道了这一点,我们就能抓住元素化学反应中的一些基本规律。这样,元素周期表确实是化学世界的“组成”,它本质上控制着所有的物质组成和变化。

著名历史学家黄仁宇先生曾在回忆录中谈到他的历史观。他写道,“史学是一种观点。过去必须被重新投射到现在的新前景中,但现在它在不断变化。”因此,当我们评估一个历史事件时,它会随着时间的推移而改变,或者在积极和消极之间跳跃。在科学界尤其如此,现有法律需要不断接受新的挑战。他们中的许多人要么被彻底推翻,要么被认为有局限性。对于元素周期表来说,视线向前延伸,变得更加饱满,更加稳定,不断被赋予新的意义和价值。

元素周期表首次出版时,只引起了一些关注。有机化学家伍兹当时坦率地说,他不喜欢元素周期表。他认为周期表只是一个强有力的概括,有许多缺陷。沙皇政府对门捷列夫学术活动的评价是一种手工活动。直到15年后,门捷列夫预言的镓、钪和锗元素才出现,元素周期表才受到重视。“致命的”问题一个接一个地出现了。稀有气体和稀土元素不能填入元素周期表。几十年后,科学家通过增加新家庭和建立新部门来解决上述问题。在20世纪,量子力学进一步解释了元素周期表——电子的排列决定了家族和系统。

回顾最初的发现,还不知道原子是否可以细分,甚至原子的概念是否正确,这显示了元素周期表的远见和伟大。元素周期表的可行性反映在它与新事物的兼容性和避免极端变化上。相比之下,“完美的”牛顿力学和麦克斯韦方程在20世纪被相对论和量子效应无情地摧毁了——它们的应用范围是有限的。

音乐评论家焦蒲元在《音乐技巧》中写道,当作曲家创作音乐时,他们实际上只完成了一半的作品。至于另一半,必须执行。因为乐谱本身给演奏者留下了演奏的空间,音色可以更加多样化,节奏可以快速而缓慢地波动。作为音乐的重要组成部分,观众的偏好往往会影响音乐的演奏风格。如果门捷列夫被比作作曲家,那么元素周期表就是他的作品,表演者是元素和科学家,观众是需求。除了符合元素周期表的规律性之外,元素通常还有其他需要科学家探索的特征。科技发展的需求往往决定着挖掘的方向。

例如,我们熟悉的硅和碳属于同一个家族,具有非常相似的原子结构。然而,与碳在生物中承担各种复杂功能相比,硅似乎是如此普通,以至于它在地球上的主要形式是沙子和石头。过去,硅要么用于铺路和建造房屋,要么存在于陶瓷和玻璃中。事实上,硅有点不寻常。它具有大多数元素没有的半导体特性。如今,高纯硅是集成电路不可或缺的一部分,几乎所有的技术都依赖于它。此外,它还可用于太阳能发电、光纤、航空航天等重要领域。

稀土元素是各种先进领域中必不可少的金属元素。很少,他们中的七个人在同一个岛上的同一个村子里被发现。在斯德哥尔摩附近的resar岛上,有一个叫ytterby的村庄,生产用于制造陶瓷的长石矿。1787年,卡拉塞拉特鲁里纽斯中尉注意到了废弃在矿区的黑色矿物碎片。他的直觉告诉他这不容易。因此,他立即将矿石交给他的化学家朋友约翰·阿道林检查。一百年后,稀土元素在世界上广为人知。Tb发出黄绿色荧光,是灯具和显示器不可或缺的一部分。铒发射的激光不穿过人体,现在它被用来治疗皮肤和牙齿疾病。随着含钇高温超导材料的诞生,储能、电子信息等领域发展迅速。这些元素来自同一个小村庄,但在不同的领域发光。

当新发现的元素被加入元素周期表时,元素43锝的延迟出现引起了科学家的注意。这时,科学家决定找到另一种方法来尝试人工合成。最后,在1937年,物理学家西格尔带头。这是人类第一次成功合成元素。锝具有良好的应用价值,可用于医学诊断和冶金。锝的出现似乎为一个新的世界打开了大门,甚至连地球上找不到的新元素也相继被合成。从1952年出现的元素99到2006年合成的元素118,第七个周期从不到“座位率”的一半变为“全座”。

让科学家着迷的问题是合成元素的道路是否有尽头。有两个隐藏的含义:挖掘新的元素是什么意思;元素是否可以无休止地被创造。物理学家费曼预测元素137将是最后一个元素。其他科学家将把范围扩大到元素172,如果它更大,将违反相对论效应。科学家们之所以兴奋地追求它,是因为第八周期的元素可能有一些特殊的性质,甚至可能打破元素周期表的范式。

这些元素就像是有着不同个性的天才音乐家,他们以前从未见过贵族,过着类似的潇洒的流浪生活。后来遇到了门捷列夫,他创作了一首宏伟的交响曲。一个接一个,新玩家加入进来。其中一些直接增加了原来的声音部分,使音色更饱满。当其他特立独行的艺术家选择建立一个新的声音部分,旋律变得相互交织和丰富。将来,也许一颗“新星”的出现会给我们带来许多惊喜,同时打破所有的安排。不过,没关系。我们曾经享受过一次盛大的音乐盛宴,这将被永远铭记。

 
 
 
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