就這樣,門捷列夫還修正了銦、鑭、釔、鉺、鈰、釷、鈾的原子量,並不顧當時公認的原子量,改排了鋨與銥、鉑與金、碲與碘、鈷與鎳的順序,提出重新測定這些元素原子量的建議。
後來,科學家們經過測定,證明了門捷列夫的修正值是正確的,門捷列夫對這幾種元素位置的改排也是正確的,不過碲與碘、鈷與鎳位置為什麼要顛倒,那是到後來人們發現原子序以後才解釋清楚的。
對未知的元素,門捷列夫根據元素周期律及前後元素的性質,給它們留下了空位置,並且預言了這些元素的性質,甚至在什麼樣的情況下被發現。其中最有名的三個未知元素就是類硼、類鋁、類矽。
門捷列夫是怎樣想到並敢於這樣做的呢?他曾對他的朋友這樣說過:“許多不明了的地方使我為難,但我沒有一分鍾懷疑過我所做的結論的正確性。”
是的,門捷列夫堅信他發現的周期律是一個普遍的規律,一切元素的性質和他們的原子量是相關的,每一個元素都不是孤立地住在它的小房子裏的,而和它四鄰的元素性質有密切的關係。對四鄰元素性質掌握得越清楚,就越能推算出中間元素的性質。
掌握了規律,並用規律能動地指導實踐,作出科學的預測,這正是門捷列夫比他同時代其他人高明的地方。
不過,在當時的一些化學家看來,門捷列夫那麼自信地修正一些元素的原子量,並預言一些不存在的元素,這簡直是太狂妄了!他們批評道:“這是在臆造元素!化學是一個精密的學科,依據的是實在的物質,是無可辯駁的事實,如果把杜撰的東西也搜羅進去,那麼這究竟是科學呢還是相術?”就連門捷列夫的老師也訓誡他不務正業。
事實上,門捷列夫絕不是在毫無根據的主觀臆測,他根據的正是大量實驗和觀察中得到的事實,以及從這些事實中抽象概括出的規律,他正是以此為出發點作出了科學的預測。
沒有多久,門捷列夫的預言就被證實了。
預言被證實
1875年9月20日,巴黎科學院召開例會。院士伍爾茲代表他的學生布瓦博德朗宣讀了一封信:
“前天,1875年8月27日夜間三四點,我在庇裏牛斯山中的皮埃耳菲特礦所產的閃鋅礦中,發現了一種新元素……”
布瓦博德朗用分光鏡發現了一種陌生的紫色光譜,並且從鋅鹽中提純到這種物質。為紀念他的祖國——法國,他給這種元素起名為镓(拉丁文是法國古時候的名稱)。
這篇載有镓的發現的法國科學院院報傳到了彼得堡,門捷列夫一口氣讀完了全文,激動萬分:“毫無疑問,這個元素就是我在1869年預言的類鋁!”
的確,镓和類鋁性質完全一樣,連門捷列夫所說的類鋁是一種易於揮發的物質,將來一定有人用光譜分析法把它查出來也應驗了。隻不過門捷列夫預言類鋁的比重是59,而布瓦博德朗測定镓的比重是47。
門捷列夫當即給布瓦博德朗寫了一封信:“镓就是我預言的類鋁,它的原子量接近68,比重是59,請你再試驗一下,也許你那塊物質還不純。”
接到門捷列夫的信,布瓦博德朗十分驚訝,因為世界上隻有他才是獨一無二手中握有镓的人,門捷列夫根本沒有這種元素,他怎麼能知道這種元素的比重是59而不是47呢?而且這個人還如此的自信。不過,他還是決定再做一次試驗。
果然,他的物質還不夠純。他又一次提純了镓,並重新測定了镓的比重。結果,他信服了,門捷列夫是對的,镓的比重是5941。
化學史上第一次一個預言的元素被發現了,這引起了全世界的轟動。門捷列夫的論文被迅速譯成法文、英文,全世界的科學家們都知道了元素周期律的內容和意義。歐洲十幾個實驗室的科學家們緊張地工作著,他們在搜索門捷列夫預言的另外的尚未被發現的元素。
人們沒有等待多久,1879年,瑞典科學家尼爾森在對矽鈹釔礦石和黑稀金礦進行研究時,發現了一個新元素,完全符合門捷列夫描述的類硼,他命名這個元素為鈧。
1886年,德國人溫克勒在一種含銀礦石中發現了一種新元素鍺,它的性質與15年前門捷列夫預言的類矽是那樣的一致:
門捷列夫預言:它的原子量大約是72。
溫克勒測定:鍺的原子量是7273。
“它的比重應在55左右。”門捷列夫說。
“574。”溫克勒證實。
門捷列夫:類矽的氧化物很難熔化,即使用烈火燒也不會融化,比重約47。
溫克勒:正是這樣。
門捷列夫:類矽的顏色是灰的。
溫克勒:是的,還稍帶點白色。
門捷列夫:新元素與氯的化合物比重為19。
溫克勒:比重為1887。
……
門捷列夫有關鍺的一係列預言得到了溫克勒的證實。溫克勒由衷地說:“再也沒有比類矽的發現更好地證明元素周期律的正確性了。它不僅證明了這是一個有膽略的理論,還擴大了我們的化學眼界,使人們在認識領域邁進了一步。”
門捷列夫先後預言了15種以上的未知元素,後來基本上都為實踐所證實了。
考驗與發展
隨著門捷列夫所預言的元素一個個被證實,元素周期律得到全世界的普遍承認,成為指導人們進行化學研究的重要的理論。
在門捷列夫元素周期律發現之前,許多元素的發現帶有很大的偶然性。例如碘就是庫多瓦一次在海藻灰的母液中不小心加多了硫酸,結果突然升起了一股紫色的蒸氣,於是歪打正著被發現。
有了元素周期表作參考,人們不必再大海撈針般地尋找新元素了,可以知道大概還有什麼樣的新元素沒有被發現,這些元素的性質大概是怎麼樣的,應該用什麼方法到哪裏去尋找。元素周期表上的空白點一個一個被人們消滅了。
但是,就在1874年,門捷列夫元素周期律經受了一次幾乎使之動搖的嚴重考驗。
英國科學家瑞利發現從空氣中除去氧、二氧化碳、水蒸汽後得到的氮和從化合物中得到的氮比重不一樣。在化學家拉姆齊的幫助下,他發現了一種新元素氬。為研究氬的性質,拉姆齊把釔鈾礦與硫酸一起加熱,第一次在地球上得到了原先用光譜法發現的在太陽上才有的元素氦。
氬和氦的性質和過去人們發現的元素都不相同,它們好像頑固的單身漢一樣,無論酸、堿、通電、加熱,都不能讓它們和任何物質起反應。在周期表中,哪一族也都無法安插它們,如果非要把它們插進已經排得滿滿的各族中,就會打破元素性質的周期性變化。
莫非是元素周期律錯了嗎?為了打破這種尷尬的局麵,於是有的人就論證氬不是什麼新元素,而是氮的變種。
拉姆齊不讚同這些看法,他相信元素周期律是一個普遍的規律。他認為,根據元素周期律,應該還有幾種類似氬和氦的元素存在,它們可以組成性質類似的族,整個地加入元素周期表。
拉姆齊像門捷列夫那樣,也盡可能寫下了這些元素的性質,並預見它們的各種關係,與助手一起,開始了尋找新元素的工作。
1898年,他在分餾液態空氣時,終於找到了三個新的稀有元素:氖、氪、氙,它們同氬和氦一樣,都是性質不活潑的惰性氣體。於是,這5種性質相似的元素組成了一個新的族,集體加入了元素周期表。門捷列夫及另外一些科學家建議這個族叫零族。
元素周期律又一次經受住了實踐的考驗。
隨著科學技術的發展,今天,人們對元素周期律已經有了更深刻的認識。
元素的性質為什麼會隨著原子量的變化而呈現周期性的變化呢?即使當年門捷列夫對這個問題也回答不出來。現在人們已經搞清楚了。
原來,原子還不是物質不能再分的最小微粒。原子是由帶正電的原子核和核外帶負電的電子組成的。電子圍繞著原子核運動著。
原子核也不是不可分化的,它是由質子和中子組成的,質子帶一個正電荷,中子是不帶電的中性粒子。
氫是第一號元素,它的原子核中有一個質子,氦是2號元素,它的原子核中有兩個質子……鈾是第92號元素,它的原子核中有92個質子……也就是說,某種元素原子核中的質子數,就等於它在周期表上的房間號數,這就是原子序數。
元素的原子核中有多少個質子,核外就有多少個電子。元素的性質所以會呈周期性的變化,就是由原子核的結構,特別是核外電子的排布決定的。同一族元素,最外層電子殼上的電子數是相同的,因而他們的化學性質相似。
於是,元素周期率的敘述由元素的性質是原子量的周期函數改為元素的性質是原子序數的周期函數。
有了對元素周期律的新認識,許多原來不能解釋的現象可以解釋了。門捷列夫在元素周期表中把鈷和鎳、碲和碘的位置顛倒了,他以為是它們的原子量測得不準,可是卻一直找不出錯來。現在真相大白了,原來按照原子序數的順序,它們正好該如此排列。
門捷列夫發現元素周期律,是化學史上一個重要的裏程碑。他把幾百年來大量的化學知識係統化起來了,形成了一個有內在聯係的統一的體係,並上升為理論,大大推動了化學的發展。
今天,盡管元素周期律被賦予了新的意義,盡管元素及它們的化合物的性質用元素周期律已不能完全概括,但元素周期律對研究和應用化學依然有著重要的指導意義,它仍然是我們認識世界、改造世界的重要階梯。