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科学史古迹:直观的孝敬卓越领悟
发布日期:2022-06-18 16:44    点击次数:122

科学史古迹:直观的孝敬卓越领悟

​濒临已知的六十余种元素,总共的化学家都想整理出一套体系,但惟有一个人得胜了:他制作了一张有诸多留白的表格,仿佛一道待解的数独。

而他从未宣称我方领悟这张表的结构和周期性的含义。

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撰文丨John D. Barrow

翻译丨唐静、李盼

人们在研究化学时,都会用到元素周期表。毫无疑问,假如哪天人类和地球以外的人命取得了议论,两种颖悟细腻的共同点中详情包含一个成列有序、为人熟知的元素表。

——约翰·埃姆斯利(John Emsley)[1]

在亚里士多德的引颈下,古希腊形而上学家信赖,以各式体式存在、组成咱们周遭寰宇的物资都不错由四种基本物资轮廓,即土、火、气、水。在17世纪之前,这种质朴的观念一直都被尊崇为事实,直到由炼金术繁衍的化学让人们发现了其他元素的存在。“土”并不是单一物资,而“气”也不仅由一种气体组成。在18世纪,元素谱系履历了戏剧性增长。那时,人们发现了许多新金属,如钴、镍、锰、钨、铬、镁、铀,以及新气体,如氢气、氮气、氧气、氯气,这些气体第一次被分离了出来。

化学中的“元素”主见最早是由罗伯特·玻意耳提议的:不成再用物理经由不息领悟的物资等于元素。尔后,法国化学家安托万-洛朗·德·拉瓦锡(Antoine-Laurent de Lavoisier)[2]在1789年端庄为元素定名[3]。拉瓦锡挑选了33种物资,给它们界说了元素情状,并将其分红四组:金属、非金属、土及气体。自后,人们发现其中一些元素其实是化合物,另一些元素,如热和光,以至不是化学物资。以下等于拉瓦锡的元素表,惟有标注为红色的元素在今天仍被视为化学元素。

气:热、光、氢、氮、氧。

土:氧化铝、重晶石、石灰、氧化镁、硅石。

金属:锑、砷、铋、钴、铜、金、铁、铅、锰、汞、钼、镍、铂、银、锡、钨、锌。

非金属:硫、磷、碳、氯化物、氟化物、硼酸盐。

这里的“土”组其实都是氧化物,比如石灰等于氧化钙,而硅石等于二氧化硅,然则,以那时的条件,拉瓦锡无法把氧原子从化合物中索要出来,零丁解析关系元素。另一些假元素都在“非金属”组里,不异,拉瓦锡以那时的时代也无法把这些元素分离成氯、氟和硼等单个元素。在法国大创新期间,拉瓦锡成了让-保罗·马拉的对头,最终因卷入国度税收丑闻,在1794年的“恐怖统帅”期间被奉上了断头台。法官文告:“共和国不需要天才。”但就在18个月之后,创新政府就改口说,拉瓦锡其实被冤枉了。

之后,一位来自英国曼彻斯特的科学磨炼在此研究的基础上更进了一步。1805年,约翰·道尔顿(John Dalton)向曼彻斯特文体和形而上学学会递交了一份论文,解释了元素相互集结的各式神情,以及基本要素奈何变成了不同分量。那时,大多量化学家以为原子太小了,没主张研究。然则道尔顿更具冒险精神,他提议了一个含有20种元素过火分量的表格,并标注了能发达它们奈何组合的象征。物资由一幅幅丹青来发达,还展现了其基本组成元素的图案。从这张元素表中,不错繁衍出更多化合物:化合物21是水,被描述成HO;化合物22是氨,被描述成NH。这些发达体式等于如今众所周知的化学方程式的萌芽情状。

道尔顿被化学谈话产生的这种全新复杂性惊怖了。在看了这个新决议之后,他说:“一个年青的化学系学生就怕必须学习希伯来语了。”新元素束缚被发现,汉弗里·戴维(Humphry Davy)用电解法将拉瓦锡领先提议的“土组元素”领悟成实在的元素。1863年照旧有朝上60种元素。元素“大爆炸”是否有一个极限呢?

约翰·道尔顿在1805年分袂的20种元素以及它们的分量

在那时,这确乎是个蛊惑人的问题。淌若有极限的话,元素数目有若干?什么因素智力真确决定这个极限?

在19世纪,许多人勇敢地尝试从元素分量、属性等角度对其进行分类。那时总共最优秀的化学家[7]都会诞生一个雷同的体系[8]。然则,他们无一例外都被一位来自西伯利亚的俄国化学诠释打败了。

迪米特里·伊万诺维奇·门捷列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev)于1822年出身在西伯利亚的托波尔斯克当地一所小学校长家中,他有13个昆仲姐妹。门捷列夫的母亲校服这个犬子具有特殊的智力,应该禁受总共可能的优质扶助,是以,她把犬子送到了圣彼得堡上学。她是对的。在大学期间,门捷列夫的学习收获一直名列三甲。之后,他去了法国职责,然后又去了德国海德堡,担任那时如日中天的德国化学家罗伯特·本生(Robert Bunsen)的助手。最终在1867年,门捷列夫回到了圣彼得堡,在大学担任化学诠释[9]。

1867年春季的一天,门捷列夫因天气欠安待在家中,只好借机不息撰写一真名为《化学旨趣》的新教科书。他不知该奈何展示和成列数目激增的元素过火属性。于是, 久久精品无码一区二区小草他把每个元素的名字都写在一张卡片上,把握还标注了相应元素的一些属性,以及氧化物和氢化物。然后,他开动用各式种种的神情成列卡片,试图找到一种方式:横排摆放具有相易化合价的元素,竖排按原子量降序成列元素。忽然,他发现了一种荒谬有秉性的成列神情。他在一个旧信封的后面记下了已矣,人们今天仍然不错在圣彼得堡见到这个信封[10]。

1867年,门捷列夫草绘的领先的元素周期表

接下来,门捷列夫发明了一个更纯粹的版块。他把从锂到氟这头7个元素按照原子量递加的顺序横向成列[11],然后,从钠到氯这7个元素也按不异神情成列。于是,周期性出现了:在纵列里,两个化学性质临近的元素挨在沿路,在7列要求中,第一列元素的主化合价是1,下一列元素的主化合价是2,然后分别是3、4、3、1。接下来,门捷列夫很快发现,淌若翻转表格,交换行与列,表格就会更了了。咱们目前也不错阔别出这一已矣,尽管今天的表格里照旧填充了许多新元素。

元素表一共有8列,或叫作8个周期。在1870年一次较大的完善职责中,门捷列夫把已知的63种元素分拨到12行中,从氢开动,以铀收场,每个元素都被遗弃在化学性质相似的列中,并按原子量升序成列。

门捷列夫的表格所展示的服从有一个直观上的要紧孝敬,即估量新元素的存在。他并莫得像其别人那样,把总共已知元素都放在一个完美的元素周期表中。淌若是亚里士多德,他详情会这样干的。门捷列夫以为,淌若周期表领有一个适合逻辑的结构,就意味着内外可能会存在空缺。他揣度,新元素会填充这些空缺,应用表格的周期性不错估量原子量和原子的密度。在硼、铝、硅之下,他揣度出3个“未发现”元素,将其定名为“类硼”“类铝”和“类硅”[12]。这3个元素之后被接连发现,肉色超薄丝袜脚交一区二区并且其原子量和密度都与门捷列夫的估量一致:“类铝”在1875年于法国巴黎被发现,称为镓(gallium,拉丁语中的法国);“类硼”于1879年在瑞典乌普萨拉被发现,称为钪(scandium,拉丁语中的斯堪的纳维亚);“类硅”于1886年在德国弗莱贝格被发现,被称为锗(germanium,拉丁语中的德国)。

门捷列夫还估量出第四组中的新成员(钛),其原子量是180傍边。这个元素最终于1923年在丹麦哥本哈根大学被发现,原子量为178.5,定名为铪(hafnium,拉丁语中的哥本哈根)。

1893年,门捷列夫成为俄国度量局的垄断,并做出了令人钦佩的孝敬。他端庄界说了伏特加酒的要素:一分子的酒加两分子的水。分子量露出伏特加酒的组成是38%的乙醇和62%的水。1894年,俄国度量局发布的正当模范把这一数字略略和谐到40%的乙醇和60%的水。这是80%的美标酒度(proof,即1酒度等于乙醇体积的2倍)。

对于门捷列夫的树立过火对同期期科学家产生的宏大影响,杰拉尔德·霍尔顿(Gerald Holton)曾有过这样的妙比:“这就像一位典籍处理员把总共书放成一堆,挨个给它们称重,并按分量的升序将这些书排放在不同架子上。然后,他短暂发现每个架子上的第一册都是对于艺术的,第二本是对于形而上学的,第三本是对于科学的,第四本是对于经济的,依此类推。咱们这位典籍处理员可能并不解白这些章程的内在旨趣,然则,一朝发现其中一个架子上的书的顺序是‘艺术-科学-经济’,他就会在艺术书和科学书中间留一个空缺,并开动寻找那本丢失的分量合适的形而上学书。”[13]

咱们从元素的一个属性中就能看出元素表的周期性,比如用原子体积除以原子量。这是由尤利乌斯·迈耶尔(Julius Meyer)在1870年最早发现的[14]。碱金属出目前图表的最上端。

门捷列夫从莫得宣称我方领悟这个表的结构和周期性的含义。这是一次直观上的伟大飞跃。他信赖,这些元素领有一种内在的对称结构,但未始想我方的表格如故一种便捷的检索器具,临了使他做出极具戏剧性的发现和估量。天然门捷列夫没能发现咫尺这些元素的法例,但他清亮这张表会匡助其别人来完成这件事。

这张周期表的当代版块[15]共分为7行(周期),每行分别遗弃了2、8、8、18、18、32、32个元素。在人们发现了原子的量子表面之后,这个方式就不错领悟了。电子的量子波向实质意味着,惟有整数倍波长智力让电子“装载”在周遭轨道上。周期表每行元素数目的增多,反馈出每个原子的原子核周围轨道中的电子数目在增多。量子力学允许最内层轨道(称为壳层)含有两个电子,接着是6个,然后是10个和14个。

在由此得来的周期表中,每行中的元素数字等于在轨道上排满电子情况下的电子数,是以有8 = 2 + 6,18 = 2 + 6 + 10,32 = 2 + 6 + 10 + 14。每行中的元素把柄原子序数升序成列,而在每列中,元素把柄相易最外层电子数成列,这样就得到了元素周期表的当代体式。在每一排,咱们在轨道上法例地加入电子,直到满员,最终得到的等于位于元素周期表最右边的惰性(也等于不汜博)气体。然后,咱们开启下一排,装填下一级的轨道。值得一提的是,门捷列夫在电子和质子被发现前就照旧找到了这种方式。他研究了原子量(由元素原子核中的质子数决定)和化合价(由轨道上电子的完美度决定),并用这种浅易程序找到了这两个化学性质的实质。

如今,门捷列夫的元素周期表出目前全寰宇每个化学履行室的墙壁上[16]。看来,他母亲往时的决定是对的。

门捷列夫的元素周期表。这是俄国化学家门捷列夫的初版元素周期表,于1869年印制。他在表中为新元素留住了空缺。科学家们自后发现了这些元素,由此诠释了门捷列夫的揣度。这一版块中列出的元素都用化学象征默示,把柄原子量排序,但完美的元素排序还莫得出现。在1871年的最终版中,原子成列神情才是咱们今天所熟知的纵列或群组。

扫视

[1] EMSLEY J. Nature’s Building Blocks. Oxford: Oxford UP, 2003: 527.

[2] LAVOISIER A. Traité élémentaire de chimie. 1789. 这是新化学的实施课本,多年里在化学扶助中起着遑急的作用。

[3] 这让人期许起基本粒子的当代界说。天然,拉瓦锡并不清亮原子的里面结构:由夸克组成的质子和中子组成了原子核,后者被电子包围。

[4] BERZELIUS J J. “Essay on the Cause of Chemical Proportions, and on Some Circumstances Relating to Them: Together with a Short and Easy Method of Expressing Them”. Annals of Philosophy. 181(32): 443-454. Annals of Philosophy. 18(143): 51-52, 93-106, 244-255, 353-364. reproduced in D. M. Knight (ed.). Classical Scientific Papers. New York: American Elsevier, 1968.

[5] 在1804年的伦敦,贝采利乌斯凝听了道尔顿在英国皇家科学院的一次演讲,并与之进行了接头,由此了解了道尔顿的研究职责。

[7] 其中,尤利乌斯·迈耶尔的研究也许最值得从容。在1868年,他绘图了49个元素的原子体积和原子量图,并发现了周期性变化。他准备了一篇论文供知心评注,但缺憾的是,这位知心回话蠢笨,迟迟未能完成。已矣,门捷列夫在迈耶尔之前发表了更全面的版块。

[8] 1815年,英国化学家威廉·普劳特(William Prout)蓄意了一个谨慎列表,其中总共元素都由氢制成,在19世纪,人们称之为“普劳特假说”。

[9] POSIN D Q. Mendeleyev: The Story of a Great Scientist. New York: McGraw-Hill, 1948.

[10] 在圣彼得堡国立大学门捷列夫博物馆和档案馆不错看到。

[11] 氢气因其特有的性质而被排斥,而迥殊气体(如氦气)还尚未被发现。

[12] 在希腊语中,前缀eka的兴味是“奴婢”。

[13] HOLTON G. Introduction to Concepts and Theories in Physical Science. 2nd rev. ed with S. Brush. Princeton: Princeton UP, 1985: 337.

[14] 固态和液态物资的原子体积等于原子量除以密度。

[15] 别忘了,仍可能存在未发现的超重元素,这些元素是不牢固的,只存在良晌的时刻。

[16] 普里莫·莱维的名著《元素周期表》(LEVI P. The Periodic Table. London: Michael Joseph, 1985)叙述了作家我方非小人生中的繁多特有履历,他既是工业化学家,亦然纳粹汇集营的幸存者。不同章节描述了不同的事件和人物,而每个章节都以一个元素定名。比如,一位著明的意大利天体物理学家,即已故的尼科尔·达拉波尔塔(Nicolò Dallaporta)手脚又名年青助教出目前名为《钾》的章节里,这一章叙述了1941年的“的里雅斯特事件”。20世纪80年代,我在的里雅斯特见到了达拉波尔塔。他与我的导师德尼·夏默(Dennis Sciama)都是意大利海外高档研究院(SISSA)的联席垄断。因此,我有幸亲身阐发了达拉波尔塔和40年前莱维意志的那位年青人一样迷人、友好。我以至发现,达拉波尔塔被一些意大利人昵称为“钾”,恰是因为他在莱维的这真名著中饰演了遑急扮装。莱维曾说,在来回期间遇到截留和严刑时,负责研究元素周期表是他的一个遑急热诚慰藉。他清亮,当施暴者倒置口舌、企图改削人类伦理模范时,他们却无法蜕变元素周期内外的事实——这里有一块十足真谛的基石,莫得人或者撼动。

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