門捷列夫元素周期律

門捷列夫元素周期律

門捷列夫對化學這一學科發展最大貢獻在於發現了化學元素周期律。他在批判地繼承前人工作的基礎上,對大量實驗事實進行了訂正、分析和概括,總結出這樣一條規律:元素及由它所形成的單質和化合物的性質隨著原子量(現根據國家標準稱為相對原子質量)的遞增而呈周期性的變化,既元素周期律。他根據元素周期律編制了第一個元素周期表,把已經發現的63種元素全部列入表里,從而初步完成了使元素系統化的任務。他還在表中留下空位,預言了類似硼、鋁、矽的未知元素(門捷列夫叫它類硼、類鋁和類矽,即以後發現的鈧、鎵、鍺)的性質,並指出當時測定的某些元素原子量的數值有錯誤。而他在周期表中也沒有機械地完全按照原子量數值的順序排列。

門捷列夫元素周期律

素周期律的發現,是眾多科學家心血的結晶。從德貝萊納的“三元素組”,邁爾的“六元素表”到紐蘭茲的“八音律”,他們在一步步地向真理逼近,最終在科學資料的積累和科學研究發展的基礎上,俄國化學家門捷列夫(1834-1907)發現了元素周期律。
門捷列夫首先對前人的工作進行認真的審視,批判地繼承了前人關於元素分類工作的成果,對所掌握的有關元素的資料進行核對、驗證和比較。在深入研究元素的相對原子質量與化合價時,他發現各種元素的相對原子質量可以相差很大,而不同元素的化合價變動範圍則較小。而且有許多元素具有相同的化合價。在比較同價元素的性質時,門捷列夫發現它們的性質非常相似,而且一價元素都是典型的金屬,七價元素都是典型的非金屬,四價元素的性質則介於金屬與非金屬之間。
為了便於比較和尋找規律,他用一些厚紙剪成像撲克牌一樣的卡片,然後把各種化學元素的名稱、相對原子質量、化合價、氧化物及各種物理性質與化學性質分別寫在卡片上,一種元素一張卡片,共寫了63張卡片,然後按相對原子質量遞增的順序,把當時的63種元素排成幾行,再把各行中性質相似的元素上下對齊。這樣,所有化學元素的內在聯繫終於表現出來了,每一縱行化學元素的性質都相近;每一橫行化學元素的性質都從金屬變為非金屬。整個元素系列呈現出周期性變化。門捷列夫堅信,他已經發現了自然界中最偉大的規律,他對自己發現的規律深信不疑。當時有些相對原子質量和它們的性質不符,他就大膽地修訂了相對原子質量。如當時測定的鈹相對原子質量為14.1,只能排在氮和氧之間。他考慮到鈹的相對原子質量是根據一個鈹原子和三個氯原子相結合而得BeCl3的量測定的。但鈹的性質與三價元素硼和鋁的性質有許多不同,倒是與二價的鎂、鈣、鋇有許多共同之處,因此鈹應是二價的。按BeCl2計算,它的相對原子質量應為9.4,於是門捷列夫大膽地修正了當時公認的鈹的相對原子質量,這樣就把鈹排在鋰和硼之間,得出下列序列:
Li  BeBC  N  O  F
Na  Mg  Al  Si  P  S  Cl
他就是這樣,在必要的地方大膽地修正原來的相對原子質量,在個別地方即使相對原子質量的數據是可靠的,他也並不簡單地安全按照相對原子質量的大小順序排列,而是結合元素的性質全面地分析處理。例如把碲(127.6)排在碘(126.9)之前,使碲位於性質和它極為相似的硒同一列,使碘位於性質和它極類似的溴同一列。
另外,他還不因當時表中缺少某個元素破壞整個自然序列,而是留下空位,預言了這些未知元素的存在。他預言了“類鋁”、“類硼”和“類矽”(Ga、Se、Ge)三種未發現的化學元素的存在和性質。而且他的預言與以後考察的結果取得了驚人的一致,正因為這一成就,門捷列夫的偉大發現才為世人所公認。
1875年,法國化學家布瓦博德朗在分析閃鋅礦時,發現了新元素,他命其名為鎵(Ga),並把他所測得的關於鎵的重要性質簡要地發表在《巴黎科學院院報》上。可是不久他收到門捷列夫的來信,指出關於鎵的密度是不正確的,不應該是4.7×103kg/m3,而應該是5.9~6.0×103kg/m3,當時布瓦博德朗很疑惑,他明知自己是獨一無二在手中握有鎵的人,而門捷列夫怎么知道這種元素的密度?於是布氏重新仔細測定了它的密度,結果確為5.94×103kg/m3,原來門捷列夫根據報導認定布氏發現的鎵就是他預言的“類鋁”。化學史上第一次一個預言的新元素髮現了,這件事引起普遍的重視,門捷列夫的論文迅速被許多國家翻譯,使全世界的科學家都知道了周期律的內容和意義。
1880年,瑞典化學家尼爾森發現了鈧(Sc),它是門捷列夫預言的“類硼”。
1885年,德國化學家文克勒發現了鍺(Ge)。文克勒的發現一經發表,全世界的化學家都立刻將它和十五年前門捷列夫的預言作了對比,它正是預言過的“類矽”。元素周期律這一理論驚人的預言性和強大的邏輯力量,使許多化學家為之嘆服。但門捷列夫的元素周期律還不夠完善,隨著人們對原子結構的逐步認識,元素周期律又有新的發展。
門捷列夫的元素周期律使人們認識的化學元素形成一個嚴整的自然體系,和原子—分子論一樣,又一次促使化學變成一門系統的科學。

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