化學界的“憲法”

谷歌謠2019-10-14 14:27


今年是門捷列夫發現元素周期表一百五十周年。中學時期,甚至小時候翻開字典附錄,我們就接觸過它。橫七行,豎十八列;行稱為“周期”,列稱為“族”。族再分為主族與副族,主族始于第一二周期,副族始于第四周期,也就是說副族更短。大部分情況下,某列某行只對應一個元素,如第六主族的第二周期對應的是氧元素。但第三副族的第六和七周期例外,它們分別對應“鑭系”和“錒系”,每個系包含十五個元素。

在元素周期表出現之前,化學家們或研究某一類物質,或鉆研某一種元素,各自彈唱,聽來悅耳,卻是一盤散沙。元素周期表的出現,如奏響了一首氣勢磅礴的交響樂,每個元素各就其位,共奏華麗樂章。它從本質上統領了化學里所有的物質組成、變化規律,堪稱化學界的“憲法”。

回溯元素周期表的發現史,好似條條大路通羅馬,可實際上,每條路都是蜿蜒曲折。

人早已在思考物質的本質是什么。由于難解,哲學思想應運而生。中國古代的五行說、古印度的四大說、古埃及的三元素說,皆指向幾個元素即構成萬物。“元素論”可以自圓其說,且表達了物質的基本屬性,還能指導煉金。然而抬眉對空,天外有天;俯首望地,任憑細沙如泥從指縫流過。“無窮大”與“無限小”的問題依然牽動著哲學家們的心,這是“元素論”鮮有涉足的領域。伊壁鳩魯等古希臘哲學家提出了“原子說”,來應對物質中難以解釋的“無限”概念。“原子”,即分割下去,不能再分割的物質。《墨子·經說下》也表達了類似的觀點,“無”與“非半”,不可斫也,意思是“無”和“不能半分的”,是不可以分割的。“元素論”如“陽關大道”,人人走在上面,用以坐地觀天煉金;“原子說”則像“獨木橋”,燒腦,鮮有人敢闖。他們看似風馬牛不相及,實則暗流相通。“原子說”沉寂近兩千年后,才有勇士出現。牛頓試探著,“在我看來,似乎上帝在創世時創造了這樣大小和形狀的實心的、厚重的、堅硬的……最重要的是能構成其他物質。”同一時期,自然哲學家波義耳寫了一本書,叫《懷疑派的化學家》。他認為,所有物質都能分解為微粒。他還重新提出了元素的概念——最簡單的、純凈的物質。他同時站在了元素論的“陽關大道”和原子說的“獨木橋”上。但迷霧重重,波義耳步止于此,沒能發現宏觀與微觀世界要在某個節點交匯。

一百年后,一陣微風拂來。法國化學家拉瓦錫將定量描述引入物質世界。他本人是經驗主義的倡導者,堅信只有能觀察到的結果才是有用的。他繼承了波義耳的定義,認為元素是最簡單的物質,并由此列出了33種元素。并且,他通過用天平秤量,證明了化學反應前后質量守恒。

之后,科學家們紛紛采用拉瓦錫的方法,用數字來衡量各種現象,云霧漸漸撥開。比如,英國化學家、物理學家道爾頓就是在這樣的背景下,以定量的方式重拾“原子說”。他感受到了伏于“陽關大道”與“獨木橋”間的暗涌,于是果斷提出有多少種元素,就有多少種原子的說法。元素的定義不知不覺從看得見的物質靠向了看不見的原子。為了將宏觀與微觀世界間的暗道進一步疏通,他想到了測定原子質量。可是想法過于超前,原子是否真的存在,宏觀物質包含多少原子,原子又是以何種比例存在于物質中的,在當時都是無解的,他只得另辟蹊徑,提出了相對原子質量的概念。相對原子質量(以下統稱“原子量”),是設氫的質量或其二分之一為1,其他原子以此為參照的值,它可以通過稱量宏觀物質來確定。很神奇,原子存在與否尚未確定,原子量卻被引入了化學領域。

最初,許多原子量測定有誤。就是在這樣的前提下,人們居然都能發現巧合——大多數元素的原子量都接近氫的整數倍。另一位英國化學家普勞特(WilliamProut)因此大膽提出了假說——所有原子都歸于氫原子。許多支持或反對普勞特假說的科學家們,紛紛投入到原子量的精確測定中,為元素周期表的發現鋪平了道路。

元素的定義模糊,它是觸手可及的單質(成分單一的物質)和化合物(成分不唯一的物質)里的組成成分,也是黑匣子里的原子。但元素究竟是什么似乎不再重要,因為人們本能地開始探索本于元素的相似性,并有了對元素分類的念頭。

在門捷列夫投身化學研究之時,前輩們們已經鋪了足夠多的路:發現了六十種元素;對現有元素進行了詳細研究;出現了光譜技術,加熱物質,通過其發出的光,進行元素鑒定;有了元素分類的嘗試。發現元素完備的分類方式,似乎已到臨門之境,“羅馬”遙望可期。

當時構建元素周期表的難點在于,建立元素間的橫向關系。緣于同族的元素在表觀性質上有許多相似之處,而同周期元素的規律則不體現在表象。

一次會議讓這個難點有了突破。1860年,在德國卡爾斯魯厄召開的國際化學會議上,科學家們統一了原子量的標定方式,并更正了一些元素的原子量。原子量的重要性,以別樣視角進入到科學家的視線。何不以原子量對元素進行橫向排序?這一看似樸素的想法,正是建立元素周期表內橫向關系的途徑。當所有因素都具備時,問題變成了花落誰家,誰將最先抵達羅馬。

最早進行嘗試的是法國的地質學家尚古爾多阿(DeChancourtois)。1862年,他將元素按照原子量排序,并繪出了柱狀圖。不幸的是,他用了許多化學家們不熟悉的地質學詞匯,且圖被出版社隱而不發,其所做的一切并未引起關注。兩年后,英國化學家紐蘭茲(JohnNewlands)和奧德林(WilliamOdling)分別獨立地發表了“元素周期表”。

雖然這三位科學家都以原子量為依據進行了排序,但是無論是地質學家,還是兩位化學家,都沒能在細節上邁出重要一步——分出主族與副族。這極為關鍵的一步看似簡單卻至為困難,以現代化學的觀點來看,主副族的區分意味著原子內部不同類型的電子結構,可當時沒有任何關于電子的認識。

最終,另外三位科學家分別從不同的路上獨自走到了“羅馬”,他們分別是德裔美籍科學家欣里赫斯(GustavusHinrichs),德國化學家邁耶爾(JuliusLotharMeyer),和俄國化學家門捷列夫(DmitriMendeleev)。

欣里赫斯是個另類的奇才。25歲那年,他為了躲避政治迫害,從歐洲移居到美國,不久,即被任命為愛荷華大學的自然哲學、化學和現代語的教授。他涉獵十分廣泛,精通于礦物學、氣象學、天文學、化學,以及多種語言。他從元素光譜這一獨特的角度切入,構建了螺旋式的元素周期表。他的表能體現主副族關系,是周期表向前推進的飛躍一步。然而他并不是走到最后、影響最深的那個人,這與他的個性分不開。他特立獨行,身在美國,卻不以英語發表論文;不喜歡愛荷華大學的同事,就調離;只字不提元素周期表的其他發現者,對他們的貢獻視而不見。或許是因為在人們的心中太過異類,他作出的貢獻沒能得到客觀的評價。事實上,應用元素光譜分析,賦予其重要地位,并以此發現元素周期表,是超越時代的事。

邁耶爾是個典型的德國人,做事嚴謹、保守。他出身于醫學世家,攻讀了醫學和化學博士。他也參加了國際化學大會,知道最新的原子量和其重要性。因此早在1862年,邁耶爾就從物理性質的角度切入,并根據原子量遞增的規律,繪制了一張包含兩部分的表,這正是主族與副族分開的表現。嚴謹的他,選擇兩年后才發表了這張圖表。1868年,早于門捷列夫一年,邁耶爾繪制了一張準確性比門捷列夫更好的周期表。然而出于一些原因,他沒有發表這張表,錯失榮譽。

門捷列夫出身在寒冷的西伯利亞,父母早逝。母親十分重視他的教育,在去世前竭盡全力讓他進入了父親的母校——圣彼得堡師范學院。在那里,他學習了化學、物理、生物和教育學。由于很早就在中學教書,他對元素的各種性質如數家珍。后來他在大學當編外教員,獲得22個月的獎學金后,立赴歐洲留學。他選擇了留在俄國人聚集的地方——德國的海德堡。一年后,他參加了在海德堡附近的卡爾斯魯厄召開的那次重要的國際化學大會,于是立馬在后續研究工作中采用了最新的原子量。

九年后的一天,1869年2月17日,圣彼得堡大學自由經濟學會會長霍德涅夫(AlexeiIvanovichKhodnev)寫信給門捷列夫,安排他去視察一個乳酪廠。在這封信的背面,門捷列夫第一次寫下了元素周期表,完整準確,有主副族之分。沒有什么預演,一氣呵成,以至于傳聞他是做夢或者玩撲克牌時偶然得到。實際上,門捷列夫的推演過程,更像是作家辛豐年在《樂迷閑話》中對德國作曲家理查德·施特勞斯(RichardStrauss)的描寫,“他把初步形成的樂想暫時擱置起來,讓它在潛意識中聽起來像摘下的果子那樣,慢慢‘后熟’,過了好久再來加工。”

門捷列夫在多年的教學與實驗中熟知各種化學反應,探知到了體現在各種物質當中的相似性。剝離出來即是,回歸到基本的相似性。單質是最簡單的物質,但它的規律難以把握:光是碳就有金剛石、石墨等多種形式;單質的鈉與氯都有毒性,可他們卻能結合為無毒的食鹽——氯化鈉……這些都不能體現一種內在的相似性,他站在波義耳、拉瓦錫等先輩鋪好的路上猶豫了。當時尚未有現代原子理論,他無法像道爾頓一樣,將元素等同于原子。他的路上,必要勇闖“元素的意義”這一難關。

他避開了原子這一黑匣子,將元素的概念升到超自然的高度——元素是永恒不變的,并且決定了物質的可觀測性質。因此,在研究元素的規律時,他選擇的標準要滿足“不變”的條件。最終,他謹慎地選擇以原子量為參照,進行周期的構建。這還不夠。雖然他采用了最新的原子量,但是仍有一些原子量不正確。這時門捷列夫深厚的化學功底幫助了他,他敢于打破自己設下的準則。他調換了碘與碲的位置,還根據自己的周期表,對已有的原子量糾錯。基于對自己工作的篤定,他將自己分類采用的所有條條框框,以及他基于元素周期表的預測,都清清楚楚地寫在了當年發表的論文里,而其他的發現者對自己采用的方法只是有所暗示。

邁耶爾是第一個奔向“羅馬”的人,而門捷列夫是站在城樓接受祝賀的人。門捷列夫大膽直接,說話強硬,對新元素作出了許多預言,使得人們對他的工作印象更深。而且,他一直跟進元素周期表的后期發展,是元素周期表最大的貢獻者。1869年發表元素周期表時,面對留出的空位,門捷列夫斷言:“我們一定能發現這些未知元素。”他一共預言了十六種元素,其中有一半是對的,性質與他預測的相似。碘和碲的順序一直困擾著門捷列夫,他一直追蹤碲原子量的測定至1895年,雖然最終結果令他大失所望。1894年,稀有氣體氬的出現,還打破了元素周期表本有的寂靜,它和所有元素都不相似。門捷列夫十分關心這一新元素在周期表中的位置,最終欣然接受稀有氣體自成一族。

這三位科學家并非找到了正確的“探索之路”,就直接通向“羅馬”。無論是元素光譜、物理和化學性質,還是原子量,都有太多不符合規律的“特例“存在,絕非一個通用公式就能解決問題。由于事情的復雜性超乎我們的想象,僅以某一準則就進行絕對歸類是不合理的。但這并不意味著要隨便改變原則或者判據,而不妨以容錯的方式,去考慮更多隱而未現的因素。這樣當事情的真相揭開時,我們會為當初允許發生的錯誤所慶幸。比如,20世紀發現的同位素解決了碘和碲排序相反的問題。若未經歷過掙扎與容錯的過程,可能反而會被禁錮在原地。縱觀科學史,我們更會為它容錯的能力驚訝。它可以容忍缺乏證明的“絕對真理”幾百年,也可以容許科學家們集體犯錯幾十年,但最終它會找到正確的方向。

當這張表橫空出世后,甚至是很多年以后,我們才對它孕育的規律恍然大悟。關于元素周期表的法則,稱為元素周期律。“族”的規律更容易發現,它表現在各種化學反應與物質形態當中。而橫向上,同周期的元素所能形成的物質形態各異,能發生的化學反應不盡相同。只有當我們從原子的層面上理解,才會非常清晰:同周期元素從左到右,原子內部的電子受到的吸引作用增強。了解到這一點后,我們才能在元素的化學反應上捕捉到一些本質規律。這樣看來,元素周期表確實是化學世界的“憲法”,它從本質上統領了所有的物質組成和變化。

著名歷史學家黃仁宇先生曾在他的回憶錄里,談及他的歷史觀,他這樣寫道,“史學是一種觀點。過去必須重新投射于現在的嶄新前景中,而現在卻不時在變換中。”因此,我們評價一件歷史事件,是會隨著時間推移變化的,或在正面與負面中不斷跳躍。科學界更是這樣,現行的定律需要不斷接受新的挑戰。他們中的很多,或被完全推翻,或被認識到有局限性。而對于元素周期表,視線向前延伸,它變得愈發飽滿,站得更穩,并不斷被賦予新的意義與價值。

元素周期表剛問世時,只是引起了一些關注。有機化學家伍茲在當時坦言,他不喜歡元素周期表,他認為周期表只是一個強有力的概括,并且有諸多缺陷。沙皇政府對門捷列夫的學術活動評價是某種手工活動。直到十五年后,門捷列夫預言的鎵、鈧和鍺元素出現了,元素周期表才受到重視。“致命的”問題又接連出現,稀有氣體和稀土元素無法填入元素周期表。幾十年后,科學家們通過增加新族,以及另立新系的方式,解決了上述問題。二十世紀,量子力學又對元素周期表進行了更加深入的解釋——電子的排布決定了族、系。

回望最初發現時,原子是否可以再分割,甚至原子的概念是否正確,都尚且未知,可見元素周期表的前瞻性與偉大之處。元素周期表的生存能力體現在,它可以與新事物兼容,并避免極端的改變。相較之下,“完美的”牛頓力學和麥克斯韋方程組,到了二十世紀,被相對論效應和量子效應無情地擊垮了——他們的應用范圍是有限的。

音樂評論家焦元溥在《樂之本事》中寫道,作曲家寫出樂曲,其實只完成了作品的一半,至于那另外一半,必須靠演出來實現。因為樂譜本身留給演奏者發揮的余地,音色可以更加多元,節奏可以起伏急緩。而聽眾作為至關重要的部分,他們的偏好往往會影響樂曲的演奏風格。若把門捷列夫比作作曲家,那么元素周期表就是他的作品,演出者是元素與科學家,聽眾是需求。元素除了符合元素周期表的遞變規律外,常常有著其他的特點,有待科學家們探索。而科技發展的需求,往往決定了挖掘的方向。

比如大家熟悉的硅,它和碳同屬一族,原子結構很相似。不過相較于碳在生物中擔負各種復雜功能,硅是看似如此平凡的存在,它在地球上的主要形態是沙土、石頭。過去,硅或者用在鋪路、建房上,或者存在于陶瓷,玻璃里。而實際上,硅一點不平凡,它有絕大多數元素沒有的半導體性能。如今,高純度硅是集成電路里不可缺少的部分,幾乎所有科技都要依靠它;此外,它還可以應用在太陽能發電、光導纖維、航空航天等重要領域。

稀土元素,是當今各種高精尖領域必不可少的金屬元素。極其罕見的是,它們中的七種發現于同一個小島的同一個村莊里。在斯德哥爾摩附近的雷薩雷(Resar觟)島上,有一個叫做伊特比(Ytterby)的村莊,它出產用于制作陶瓷的長石礦。1787年,中尉阿倫尼烏斯(CarlAxelArrhenius)注意到了采礦場中棄置的黑色礦物碎片,直覺告訴他,這不簡單。于是,他立刻將這塊礦石交給了他的化學家朋友加多林(JohanGadolin)進行檢驗。一百年后,稀土元素聞名于世。發出黃綠色熒光的鋱是燈具、顯示屏不可缺少的部分;鉺發出的激光不會穿過人體,如今它被用在治療皮膚和牙齒疾病上;隨著含釔高溫超導材料的誕生,儲能、電子信息等領域飛速發展。這些元素出落于同一個小村莊,卻在不同的領域里大放光彩。

當新發現的元素陸續填入元素周期表時,遲遲未露面的43號元素锝引起了科學家們的注意。這時,科學家們決定另辟蹊徑,嘗試人工合成。最終在1937年,物理學家謝格爾(EmilioSegrè)拔得頭籌。這是人類首次成功地合成出元素。锝具有很好的應用價值,可以用在醫療診斷和冶金中。锝的出現仿佛開啟了新世界的大門,就連地球上沒有的新元素也陸續合成出來。從1952年出現的99號元素,到2006年合成的118號元素,第七周期就這樣從“入座率”不到一半到“滿席”了。

令科學家們著迷的問題是,合成元素之路是否有盡頭。這隱藏的意思有二:挖掘新元素的意義何在;元素是否可以無窮盡造下去。物理學家費曼就曾預測,137號元素將是最后一個元素。另一些科學家則將范圍擴大到172號元素,再大的話,將違背相對論效應。而科學家們一直興奮著追尋下去的原因是,第八周期的元素可能具有一些奇特的性質,甚至可能打破元素周期表的范式。

元素仿若性格迥異的天才音樂家們,從前未遇貴人,過著相似的瀟灑流浪生活。后來遇到門捷列夫,他譜寫了一曲壯美交響樂。陸陸續續,又有新的演奏者加入。他們中的有些直接加入原來的聲部,音色更加飽滿;而另一些特立獨行的藝術家,選擇另立新聲部,旋律反而交織在一起,豐富起來。未來,也許一個“新星”的出現會帶給我們許多驚喜,同時打破所有編排。但是這沒有關系,我們曾經欣賞了一場不曾間斷波瀾壯闊的音樂盛宴,它將會永遠被我們紀念。

 

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