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这张表用科学揭示万物秩序,150年过去了

2019-09-07 02:55

1869年,中国还在垂帘听政的同治年间,上海出现了自行车,美国爆发了着名的黑色星期五,连接非洲与欧洲的苏伊士运河开通,俄国大文豪列夫·托尔斯泰写完了《战争与和平》,而他的同胞,德米特里·门捷列夫发表了元素周期表的第一版,将当时已知元素中的63种按顺序排位。

150岁了,这张表用科学揭示万物秩序

可别以为这张表一开始就长得和我们小时候教科书里似的,事实上,它一开始是竖着排的,需要沿着两个轴翻转两次才能和后世的标准图表一致,外观相当之朴素,就长这样:

图片 1

在自然界天然存在的元素一共有90种,其余的超重元素都是在实验室中通过核反应生成的,它们的寿命极短,会很快衰变成自然元素。迄今最大的元素是2002年合成2016年才通过命名的第118号Oganesson,中文发音ao,字型为一个气字头下面一个奥,完整的当代元素周期表如下图所示,这个是你熟悉的样子了吧。

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门捷列夫元素周期表的特点是按照原子量来排列已知元素,每一行都以碱金属开头,以惰性气体结尾,这不但便于记忆,还有利于迅速地知道元素的一些化学性质。就像那个118号元素,我们甚至能通过它的中文字型立刻就知道它具有惰性元素的特性。从认识事物本质的层面而言,它是非常巧妙且深刻的,为了纪念这一让人惊叹的成就,联合国教科文组织宣布2019年为国际元素周期表年。

著名化学家门捷列夫和他的元素周期表手稿

如果说这张标准元素周期表还有什么比较大的缺陷的话,那就是人为切断了元素的连续性。回到1871年,门捷列夫在论文中就曾这样写道:事实上,这一系列元素是不间断的,一定程度上代表了一个螺旋函数。与他同时期的几位元素系统开山人物之中,有两位——Alexandre-?mile Béguyer de Chancourtois和Gustavus Detlef Hinrichs——都是主张螺旋式结构的元素周期表的。他们的主张也许更具美感,只不过门捷列夫的影响力较大,而且他的方法的确更为实用,所以才占据了上风。

“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……”一提到元素周期表,不少人都能想起自己在化学课堂上背诵元素排序的场景。这一张小小的表格,将物质世界中所有的元素囊括其中,将性质差异巨大、杂乱无章的化学元素排列得整整齐齐。那么,这张神奇的表格究竟是如何被制作出来的呢?

法国法国地质学家和矿物学家Alexandre-?mile Béguyer de Chancourtois是第一个按原子量排列化学元素的人,1862年就发表了相关论文,但他没有把图表公布出来,同时也因为这篇文章是用地质学术语写的,于是被化学界忽略了。

化学家们对元素分类问题的探索还要追溯到1789年。被称为近代化学之父的法国化学家拉瓦锡在他的《化学纲要》中对当时已知的33种元素分为气体、金属、非金属、土质四类,制作出第一张元素分类表。因为当时对元素的理解还相当有限,拉瓦锡的分类还是相对粗糙的,他也并没有关注到各个元素性质之间的规律性。

上面这张历史久远的印刷物可能还不太容易让你领略到螺旋形的感觉,那么看一下后世给做的美化,就很好理解了,它其实是在一个立体的圆柱体上螺旋向下。

十九世纪初,英国化学家道尔顿提出了原子论,并被引入元素化学的研究。化学家们把元素的概念和原子量联系起来,尝试通过测各元素的原子量来建立一种更为精确的元素分类方式。1829年,德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”理论。他在当时已知的44种元素中选取了15种,并按照化学性质的相似程度将这些元素分成了5个“三元素组”。在“三元素组”中,中间元素的原子量等于前后两个元素原子量的算术平均值。因此德贝莱纳认为,元素的原子量与元素的化学性质之间一定存在着某种规律性。

化学家和自然哲学家Gustavus Detlef Hinrichs是一位丹麦人,但在当时还属于德联邦治下,1860年以后移民美国,去了爱荷华大学任教,同时也担任爱荷华州气象局的负责人。在那里他建立了第一个州立天气和作物服务系统,并且是第一个确认并命名直线风暴现象的人。他也因对元素周期性规律的研究而着名,并设计了下面这个元素周期表

1862年,法国地质学家尚古多提出了一种名为“螺旋图”的分类方法。他首先在圆柱体的表面上划一条与底面成45度角的螺旋线,并用垂线在圆柱体上分成16格。然后,他将螺旋线的出发点设为0,那么原子量为1的氢元素就标记在第一条垂线与螺旋线的交点上,以此类推,可以将已知的62种元素按原子量的大小顺序,依次标记在螺旋线与垂线的交点上。尚古多发现,性质相近的元素恰好出现在同一垂直母线上。在化学史上,尚古多被认为是第一个发现元素之间存在周期性规律的人。然而,当时的他并未收获到应有的荣誉。原因有些许荒诞,尚古多在论文中使用了太多的地质学术语,所以他的研究成果在很长时间内都没有得到来自化学界的重视。

严格来说,Gustavus Detlef Hinrichs的元素周期表保持了曲线结构,是由一系列射线和不完整圆环所组成,不是螺线形。但是做一个优美的螺线元素周期表,却成了一个诸多科学家和艺术家的努力方向,这一百多年来,也产生了不少让人眼睛一亮的作品。

在尚古多提出“螺旋图”三年之后,英国化学家纽兰兹于1865年独立提出了“八音律”分类法。他把62个元素的原子量按递增顺序排列,发现元素的性质存在着周期性的重复,即从任意一个元素算起,每到第八个元素就和第一个元素的性质相近。遗憾的是,不但当时保守的英国化学学会拒绝发表他的论文,纽兰兹还经受了很多来自同行的嘲讽。年轻的纽兰兹因此心灰意冷,退出了化学界,转行成了一名制糖工程师。

平面上的螺线形元素周期表最早是由德国化学家和矿物学家Heinrich Adolph Baumhauer做出来的,他的父亲是一位平版画家兼商人,也许是家学渊源,使得他在平面设计上很有感觉。1870年,Baumhauer写文章分析了原子量和元素性质之间的关系,并提出了基于原子量递增的螺旋周期系统

1867年,年仅33岁的门捷列夫教授成为圣彼得堡大学化学教研室的主任。门捷列夫早年有在德国和法国留学的经历,在游学海德堡期间,他一度有幸在大化学家本生的门下学习过,对当时欧洲化学界的前沿知识了如指掌。新官上任的门捷列夫干劲十足,他计划为俄国学生编写一部涵盖当时所有已知元素性质的化学教科书。

1951年英国科学展(Festival of Britain Science Exhibition)上,Edgar Longman的元素周期表亮相,加上了色块和流线型的设计,非常亮眼,这是第一次由艺术家做的周期表,也因为这次展会的盛名而蜚声于世。这个由英国皇家艺术学会提出举办的用以纪念1851年第一届世界博览会的科学展,被认为是重塑了一代人的艺术、工艺品、设计观念的运动。

门捷列夫研究了前人提出的“三元素组”“螺旋图”“八音律”等分类方法,认为问题的关键在于加深对元素性质的理解。化学家对元素的信息掌握得越准确,制作出的分类表就越科学。于是,门捷列夫开始大量收集当时元素测定的论文,受到当时流行的纸牌游戏启发,他用空白卡片为每个元素制作了一张“身份证”,将已经被化学家们确认过的元素的原子量、化合价和化学性质一一填写进去。

德国语言学家和梵文学者Theodor Benfey在1964年推出了第一个平面二维元素周期表,此“二维”,指的是他把过渡元素和镧族元素等标准元素周期表里面需要在下面单独辟出一块来表示的成员都用一种加塞方式安插进去了,长得呃,有点像蛇一样,所以这个扭来扭曲的螺旋构造也被人叫做蛇形周期表。他这个脑洞开得不错,之后也被争相效仿。

在之后近两年的时间中,摆弄这些纸牌成了门捷列夫最重要的工作。他将六十多张元素卡片反复组合,按照化学性质的相似程度将元素分成不同的“牌组”,这些牌组也就是我们现在所说的元素族。门捷列夫按照原子量递增的顺序,将每一个牌组内的元素依次排列起来,他发现随着原子量的递增,元素的化学性质呈现出了明显的周期性变化。

因为发明了用硅化合物制造有机硅的美国化学家和发明家James Franklin Hyde被誉为“有机硅之父”,在2000年还被道康宁公司提名并入选美国国家发明家名人堂。他也做了一张好像彩虹比色卡似的元素周期表,那是在1976年,他从道康宁公司退休3年后,估计也是闲来无事搞创作了,如下图:

经过细致整理和反复论证,1869年3月,门捷列夫在俄国化学学会上提交了题为《元素属性和原子量的关系》的论文。在这篇具有历史意义的论文中,门捷列夫公布了自己制作的元素周期表,并严密详实地阐述了元素周期律的基本观点。论文一出,顿时轰动了学界,门捷列夫编写的教科书《化学原理》更是一时洛阳纸贵,被翻译成了多种外国文字。

上面这张图可能看不清楚,这里放一个细节,就能了解到其中的玄机奥妙了——因为硅对于他的意义无比重要非同凡响,所以Hyde做的是一个以硅元素为中心的元素周期表,哈哈。

但门捷列夫对元素的探索并未就此止步,他在1871年的论文《化学元素的周期依赖关系》中修改了第一张元素周期表,为了更加凸显元素的周期性,把原来的周期表由竖行改成横排。凭借着对元素周期律的深刻认知,门捷列夫成为了化学界的“预言家”。他不但断言当时的一些原子量测定结果存在误差,而且预言出了“类铝”、“类硼”和“类硅”等当时尚未发现的元素。

1999年《纽约时报》发表了软件开发员、来自伍德斯托克的Jeff Moran所设计的六角螺旋元素周期表,并介绍了这个设计的特点,它由块、组和期三个层级构成,是一个由计算机软件来执行的样式,螺线的生成以公式完成。

在之后的几十年中,门捷列夫的这些预言被逐一证实。此后,填补元素周期表中的空白成为了各国化学家们争先恐后想要完成的任务。随着科学家对原子内部结构认识的加深,今天的元素周期表的编排依据已经从原子量修正为了原子的质子数。1955年,为了纪念门捷列夫的伟大贡献,美国科学家将通过原子撞击合成出的101号元素命名为钔。

软件做的当然比较省心,118号元素公布后,Jeff Moran也轻轻松松完成了这个表的更新。

元素周期律的发现无疑是化学史上的划时代事件。从此之后,化学研究不再只是局限于测定单一元素或化合物的性质,而是转向揭示每个元素之间的性质联系。元素周期律将所有的化学元素纳入一个完整的体系中,是对无机化学的一次大综合,化学因此得以进入一个系统化发展的全新时代。如果说牛顿力学揭示了宇宙万物在运动层面的规律,那么元素周期律则揭示了宇宙万物在物质层面的内在联系。元素周期律证明了物质世界具有统一性,用科学的语言描述了万物的秩序。从这一意义上说,元素周期律不仅是科学史上的伟大成就,更具有深刻的哲学意义。

2005年,牛津大学的Philip Stewart发布了一个银河系元素周期表,此人也是兴趣极其广泛,在大学获得了阿拉伯语和林业学位,此后在阿尔及利亚从事森林和土壤保护,但同时对艺术有着很大热情。从这个元素周期表的设计可以看出,他在广阔的星云中找到了宏观宇宙和微观原子世界之间的某种暗合,他甚至在中心放了一个0号元素,Stewart解释说,这应该是中子,正是这个电中性的粒子和质子的结合而生成了所有元素的原子核。

今年是元素周期表诞生150周年,为了纪念这个“科学共同的语言”,联合国教科文组织将2019年定为“国际化学元素周期表年”。迄今为止,化学家们已经发现了118个元素。随着我们对物质世界认识的不断深入,相信在不久的将来,这张150周岁的表格还会再次更新。

作为元素周期表150周年庆祝活动的一部分,欧洲化学学会出版了一个全新的周期表版本——濒危元素元素周期表。这是基于20世纪70年代美国化学家William Sheehan的想法而重新绘制的,图中出现的都是自然元素,每个元素占据的面积代表了其在对数尺度上的丰度,而颜色代表了它的濒危程度。红色是一级警告,这部分元素因为人类的消耗,将在100年或更短时间内变得难以获得,它们包括氦、碲、锗、钇、铟、铪。

联合国教科文组织为化学元素周期表庆生

稍加观察还可以注意到,在90个元素中,31个带有手机符号——没错,因为我们的智能手机生产需要它们——其中有6种是红色,而另外4种深灰色色块则包含了所有的冲突矿石(conflict minerals),这个词主要指的是来自于刚果民主共和国非政府军事团体或非军事派别所控制冲突地区的矿区生产的金属矿物,由于开采和不端贸易所助长的军事暴力,自20世纪90年代后期开始,这场冲突迄今已经夺取了超过540万人的生命,令人唏嘘。出于人道原则,冲突矿石的使用被越来越多制造公司列入了原料检查范围。

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排版:Ruiying

题图来源:meta-synthesis.com

文章来源:本文经授权转载自作者本人公众号“科学艺术研究中心”,转载请联系原账号。

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