元素周期表150岁｜化学帝国的第一部宪法，带着问号和留白

1869年2月，零落散乱的化学帝国迎来了第一部宪法。

无论东方还是西方，“元素”的概念古已有之。从中国的“五行论”到古希腊的“四元素说”，人类渴望从繁中化简，寻找大千世界最初的那个“一”。

近代化学的发展让一些真正的元素显现出来，比如在“五行论”和“四元素说”都占一席之地的“水”，其实还可以分解为氢和氧。科学家们于是把元素定义为通过化学手段不能再分的物质。到了门捷列夫绘制出首版元素周期表的时代，世界上已知的化学元素共有63种，并以年均1个的速度新增。

同时代起码有4名西欧化学家和1名美国化学家做过相同的尝试，但只有门捷列夫能够将63个元素全都归纳整理，在表格上各司其职，随着原子质量的增加，化学性质呈现出有规律的变化。

这无异于见世界于一花，缩沧海为一粟，给古老的“炼金术”奠定法则与规范，成为真正的科学。门捷列夫更极具前瞻性地在表上留白，预言了新元素的存在，给后续探索点明了方向。

位于斯洛伐克首都的门捷列夫雕像

联合国将2019年定为“国际化学元素周期表年”，并评价道：“元素周期表是科学史上最卓著的发现之一，刻画出的不仅是化学的本质，也是物理学和生物学的本质。”

关于这一发现的始末，众说纷纭，史料与传奇交错，难以一一印证，其中最为著名的无外乎这两个：

其一，门捷列夫一夜梦见所有的元素纷纷落进相应的格子，组成了一张表。门捷列夫本人在后期认可了这个故事，并称自己只在一处做了必要的修改。

其二，门捷列夫把63个元素的名称、原子质量和化学性质绘制在63张卡片上，日夜把玩，排列组合，终于参破了规律。

不管是托梦还是玩牌，我们如今可以确定的是，元素周期表的发明与门捷列夫撰写《化学原理》一书密切相关。

门捷列夫在1867年接替前辈兼老朋友沃斯克列森斯基的空缺，成为了圣彼得堡大学一名纯化学教授，同时必须接替他的课程，开始教授无机化学。这对此前一直研究有机的门捷列夫来说是个相对陌生的领域，他决定亲自编写一本教材。

1897版《化学原理》的扉页

1869年，门捷列夫完成了《化学原理》的上卷，只整理了氢H、氧O、氮N、碳C等8个常见元素，他开始头疼，如何将剩下的55个元素全部塞进下卷？

元素周期表正是门捷列夫为此解出的完美答案。1891年，《化学原理》下卷完成。它将经历12次修订，成为全世界化学新生的入门教材，与元素周期表一起流传150年。

不存在的元素

门捷列夫画出的第一版表格看上去可能会令人迷惑。你需要把它顺时针旋转90度，再左右颠倒一番，才能找回熟悉的感觉。

后来，门捷列夫也会这么修改。

第一版门捷列夫元素周期表

表格上的元素符号与现代基本一致，只有三处不同：碘被标记为J而非I ，铀被标记为Ur 而非U。Di这个元素则根本不存在。它在1841年作为一种稀土元素被发现，直到1885年，新的分离结晶技术才最终证明它其实是第59号元素镨(Pr)和第60号元素钕的混合物。

事实上，稀土元素一直令门捷列夫烦恼不已，它们彼此间化学性质十分接近，以当时的实验条件很难区别。

如今，除了第23号元素钪（Sc）和第39号元素钇（Y）,其余15个稀土元素与周期表的主表分离开，统称为“镧系”盘踞在表格的“南极洲”。

惰性气体在首版手稿中并不存在，它们直到1890年代中期才会被世人发现，并被门捷列夫置于周期表的最左一列，作为“第0族元素”。现代周期表则把惰性气体放在最右一列。

周期性

门捷列夫在这张表格中发现的惊天奥秘是周期性。

随着原子质量的增加，元素的化学性质并非一直变化，而是间隔一段出现重复。

比如，从锂(Li）到钾（K),原子质量从7增加到39，门捷列夫的表中共列出了15个元素。

但锂的化学性质与紧接着排在后面的铍（Be)性质差别颇大，反而与间隔7个出现的钠（Na)和再间隔7个出现的钾十分相似。跟铍相似的元素则是铍之后间隔7个出现的镁(Mg)。

与此同时，碳与硅、氧与硫、氟与氯等互相相似，它们之间的间隔都是7。

门捷列夫想到了三角函数图像的循环往复，在一个周期内，元素的化学性质会随着原子质量的增加而一直变化，进入下一个周期，元素的化学性质又瞬间回到了原点，重新开始一轮变化。

首版手稿的每个纵列即为一轮变化周期，每个横排上的元素性质相似，后来演化为“族”的概念。

比如，锂、钠、钾、铷这一排后来被称为碱金属族，氟、氯、溴、碘后来被称为卤族。在最初的手稿中，门捷列夫把这两族置于比邻。后来，他将发现这两族元素的化学性质表现为两个极端，于是拆分到最左和最右的位置。

质量旁边的问号

纵然第一版元素周期表在门捷列夫的时代具有惊人的洞见力和前瞻性，其局限性也是显而易见的。

门捷列夫在化学元素旁标注的数字是原子的质量，而非现代周期表的排列依据质子数量。事实上，门捷列夫始终没有彻底搞清楚原子的结构，他尤其怀疑电子是否存在。

门捷列夫的手稿。密密麻麻的涂改可以看出他的纠结

在门捷列夫的时代，给原子称重是很难的。元素在自然界往往以化合物的形式存在 先要提纯，还要确定化合价（比如，H20中氧的化合价为-2)。 这个过程中可能产生10至100倍的误差。

门捷列夫给好几个元素的质量打上了问号，比如铀被标为116，门捷列夫后来会修改为更接近现代的数值。

钴（Co）和镍（Ni）、碲（Te）和碘（J）是非常奇特的两组“倒置”，由于一些特殊的化学性质，前者的质子数量要小于后者，但原子质量却大于后者。

困惑的门捷列夫在表上把钴（Co）和镍（Ni）的质量都标为59，而碲（Te）比排在后面的碘质量大。他在旁边打上了问号，其实这个质量在后来被证实并没有问题。

上述蹊跷之处，门捷列夫穷尽一生也未能解答。

门捷列夫辞世后6年，亨利•莫斯利提出了原子序数的概念，即原子核中质子的数量，破解了周期律背后真正的密码。

这种带正电的粒子数量决定了核外电子的数量，核外电子的分布情况又在很大程度上决定了元素的化学性质。最关键的是，原子序数的数字是连续增加的，从1开始，每个整数都对应了一个元素。

随着质子数量的增加，原子质量呈现总体增加的趋势，但偶尔也会出现例外的波动。这就是门捷列夫依据原子质量排序的周期表并非完全准确的根本原因。

伟大的留白

世界上第一张元素周期表最令人津津乐道之处，是表上的三个位置只标了原子质量，而没有元素字母。换句话说，门捷列夫预言了按照周期律，应该有三种未被发现的新元素存在。

1871年，门捷列夫把这三个元素起名“Eka硼 ”、“Eka铝”和“Eka硅”，预测它们的化学性质应当分别与硼、铝和硅类似。Eka这个前缀来自于梵文，意为“一”。

这在学术界引发了轩然大波，质疑的声音纷至沓来。但历史将证明门捷列夫是对的，这三个位置属于1886年发现的锗，1876年发生的镓和1879年发现的钪。

在更远的后来，科学家们甚至开始利用周期表的规律，自己动手创造新元素。

1937年，美国加州大学伯克利分校利用回旋加速器用氘原子核（含有一个质子和一个中子的氢同位素）去“轰击”第42号元素钼(Mo)，得到了锝（Tc),填补了第43号的位置。这是世界上第一个人造元素。

从第95号镅（Am)开始，新增的人造元素普遍“短命”，很快就会衰变为原子序数更小的元素。这是因为，随着原子核质量的增加，质子之间的排斥力也会越来越大，难以保持稳定的结构。104号元素的半衰期不足一分钟；106号元素的半衰期不足一秒；再之后的人造元素，存在的时间以毫秒计算，几乎刚刚诞生就会烟消云散。

现代元素周期表排到了118号

有一个位置专门留给了门捷列夫：第101号元素钔（Md)。

150年后的2019年，元素周期表已经排到了118号,科学家们仍在为门捷列夫的伟大发现开疆拓土，而那个终极问题仍未得到解答：

元素周期表的尽头在哪里？