150年前，門捷列夫發現了化學元素之間的關系

俄國科學家門捷列夫(Dmitrii Mendeleev, 1880年左右)是第一個公布元素周期表的人，它将已知元素按邏輯順序排列，并為尚未發現的元素留出空間。

每一個科學領域都有值得紀念的重要日子。

對于物理學來說，是1687年的牛頓定律，它介紹了運動和重力定律；

生物學是慶祝達爾文的《物種起源》(1859年)和他的生日(1809年)；

天文愛好者紀念1543年哥白尼将太陽置于太陽系中心；

對于化學來說，沒有什麼比元素周期表的起源更值得慶祝的了。150年前的3月，俄國化學家門捷列夫發明了元素周期表。

門捷列夫的表格對化學專業的學生來說已經變得像電子表格對會計一樣熟悉。它用100個左右包含符号和數字的方塊概括了整個世界。它列舉了構成地球上所有物質的元素，并将其排列以揭示其性質，從而指導了化學研究在理論和實踐上的追求。

“元素周期表，”化學家彼得·阿特金斯(Peter Atkins)寫道，“可以說是化學中最重要的概念。”

門捷列夫的表格看起來像一個特别的圖表，但他想用這個表格來表達他發現的一個深刻的科學真理:周期律。他的定律揭示了已知化學元素之間深厚的家族關系——當按原子量的順序排列時，它們在有規律的間隔(或周期)内表現出類似的性質——并使門捷列夫能夠預測尚未發現的元素的存在。

門捷列夫宣稱:“在元素周期表出現之前，化學元素在自然界中隻是零星的、偶然的事實。”“周期性定律首先使我們能夠在過去化學視覺無法到達的距離上感知未發現的元素。”

門捷列夫的表格不僅預示了新元素的存在。它還證實了當時備受争議的原子存在的觀點。它暗示了亞原子結構的存在，并預測了作為物質規則基礎的數學儀器，最終在量子理論中顯現出來。他的桌子完成了化學科學從中世紀魔法煉金術神秘主義到現代科學嚴謹領域的轉變。元素周期表不僅象征着物質的成分，而且象征着所有科學的邏輯說服力和原則合理性。

門捷列夫的元素周期表發表于1869年，是一張垂直的圖表，按原子量排列了63種已知元素。這種安排将具有類似屬性的元素放置到水平行中。書名為《元素體系草案:基于它們的原子質量和化學特性》“Draft of system of elements: based on their atomic masses and chemical characteristics”。

傳說門捷列夫在一天之内構思并創造了這一切:1869年2月17日（俄國日曆）世界上大部分地區是3月1日。但這可能有些誇張。門捷列夫多年來一直在考慮對元素進行分組，在過去幾十年裡，其他化學家也多次考慮過元素之間的關系。

事實上，早在1817年，德國化學家約翰·沃爾夫岡·杜貝雷納就注意到了元素組合的特殊性。在那個年代，化學家還沒有完全掌握原子的本質，正如英國教師約翰·道爾頓在1808年提出的原子理論所描述的那樣。在他的新化學哲學體系中，道爾頓通過假設每種基本物質都是由某種特定類型的原子構成來解釋化學反應。

道爾頓提出，當原子斷開或連接時，化學反應産生新的物質。他推斷，任何給定的元素都完全由一種原子組成，與其他原子的重量不同。氧原子的重量是氫原子的8倍;道爾頓認為，碳原子的重量是氫的六倍。當元素合成新的物質時，利用這些原子量就可以計算出反應的量。

道爾頓在一些重量上錯了——氧的重量是氫的16倍，而碳的重量是氫的12倍。但他的理論使原子的概念變得有用，激發了一場化學革命。在接下來的幾十年裡，精确地測量原子量成了化學家們的首要任務。

當考慮這些權重時，杜貝雷納注意到，特定的三組元素(他稱之為三元組)顯示出一種特殊的關系。例如溴的相對原子質量介于氯和碘的質量之間，這三種元素都表現出相似的化學行為。锂、鈉和鉀也是三元組。

這張表上的每一個元素都有自己的故事。總之，它們囊括了所有已知的化學知識。

其他化學家發現了原子量和化學性質之間的聯系，但直到19世紀60年代，人們才對原子量有了足夠的了解和測量，從而産生了更深刻的見解。在英國，化學家約翰·紐蘭茲(John Newlands)注意到，按照增加原子量的順序排列已知元素，每八種元素就會産生一種重複的化學性質，他在1865年的一篇論文中把這種模式稱為“八度定律”。但是紐蘭茲的音型在前兩個八度之後就不怎麼适用了，這使得一位評論家建議他應該試着把這些元素按字母順序排列。顯然，正如門捷列夫很快意識到的那樣，元素屬性和原子量之間的關系要複雜一些。

門捷列夫1834年出生在西伯利亞的托博爾斯克(他父母的第17個孩子)，過着相對自由的生活，追求多種興趣，并沿着一條曲折的道路走向卓越。在聖彼得堡一所教學機構接受高等教育期間，他差點死于一場重病。畢業後，他在中學教書(這是他在教學機構獲得獎學金的一個要求)，在教授數學和科學的同時，他還為自己的碩士學位努力。

然後，他做了一名導師和講師(同時還有一些科普寫作)，直到獲得了在歐洲最著名的大學化學實驗室進行長期研究的獎學金。

當他回到聖彼得堡時，他沒有工作，所以他寫了一本關于有機化學的書，希望能赢得一大筆獎金。1862年德米多夫獎(Demidov Prize)為他帶來了豐厚的獎金。他還找到了一份為各種化學工業編輯，翻譯和顧問的工作。最終，他重返研究領域，1865年獲得博士學位，之後成為聖彼得堡大學(University of St. Petersburg)教授。

不久之後，門捷列夫開始教授無機化學。在準備掌握那個新領域時，可用的教科書并沒有給他留下深刻的印象。所以他決定自己寫。組織文本需要組織元素，因此如何最好地安排這些元素是他考慮的問題。

到1869年初，門捷列夫已經取得了足夠的進展，認識到一些類似的元素群的原子量有規律地增加;其他原子量大緻相等的元素具有相同的特性。按照元素的原子量排序似乎是對它們進行分類的關鍵。

在門捷列夫自己的叙述中，他将63種已知元素的每一種屬性都寫在一張便條卡上，以此來組織自己的思維。然後，通過一種化學紙牌遊戲，他找到了他要尋找的模式。将卡片從較低的原子質量排列到較高的原子質量的垂直列中，在每一行中放置具有類似性質的元素。門捷列夫周期表誕生了。3月1日，他畫出了第一張草圖，并把它送進了打印機，繼而把它納入了即将出版的教科書中。随後他很快準備了一篇論文提交給俄羅斯化學學會。

粗略的草圖

門捷列夫在他的論文中宣稱:“根據原子量大小排列的元素具有明顯的周期性。”“我所做的所有比較……使我得出結論，原子量的大小決定了元素的性質。”

與此同時，德國化學家洛塔爾·邁耶(Lothar Meyer)也一直在研究元素的組織。他準備了一張類似于門捷列夫的圖，甚至比門捷列夫更早。但是門捷列夫首先發表了。

比打敗邁耶更重要的是，門捷列夫利用他的表格對未發現的元素做出了大膽的預測。門捷列夫在收拾桌子的時候，發現有些便條卡不見了。他不得不留出空白來讓已知的元素正确對齊。在他的一生中，這些空白中有三個是由以前不為人知的元素镓、钪和鍺填補的。

門捷列夫不僅預言了這些元素的存在，而且準确地描述了它們的性質。例如，1875年發現的镓的原子量(當時的測量值)為69.9，密度是水的6倍。門捷列夫預測了一種元素(他稱之為eka-鋁)，其密度和原子量為68。他對埃卡矽的預測與1886年發現的鍺的原子量(預測72，觀察72.3)和密度(5.5對5.469)非常接近。他還正确地預測了鍺與氧和氯的化合物的密度。

門捷列夫的周期表成了神谕。這就像遊戲結束時拼字遊戲的小塊拼出了宇宙的秘密。當其他人已經瞥見了周期律的威力時，門捷列夫是利用它的大師。

門捷列夫的成功預言為他赢得了化學之父的傳奇地位。但今天，曆史學家們對預測元素的發現是否鞏固了人們對他的周期律的接受提出了質疑。元素周期表的正确可能更多地是因為它有權力解釋已确立的化學關系。無論如何，門捷列夫預測的準确性肯定引起了人們對他的表格優點的關注。

到19世紀90年代，化學家們普遍認為他的定律是化學的裡程碑。1900年，未來的諾貝爾化學獎得主威廉·拉姆齊(William Ramsay)将其稱為“化學領域迄今為止最偉大的歸納”。

也許這一切早已超出了門捷列夫的預期。

在科學史上的許多例子中，基于新方程的宏大預測被證明是正确的。不知何故，數學在實驗人員發現一些大自然的秘密之前就已經揭示出來了。反物質是一個例子，宇宙膨脹是另一個例子。在門捷列夫的例子中，新元素的預測沒有任何創造性的數學計算。但事實上，門捷列夫發現了一幅深刻的自然數學地圖，因為他的表格反映了量子力學的含義，即支配原子結構的數學規則。

門捷列夫在他的教科書中指出，“組成原子的物質的内部差異”可能是元素周期性重複特性的原因。但他并沒有遵循這一思路。事實上，多年來他一直在喋喋不休地說原子理論對他的研究有多重要。

但其他人能讀懂表格上的信息。1888年，德國化學家約翰内斯·維斯利塞努斯(Johannes Wislicenus)宣布，按重量排列的元素特性的周期性表明，原子是由更小的粒子的規則排列構成的。因此，在某種意義上，門捷列夫的表格确實預測到了(并為)原子複雜的内部結構提供了證據，而在那個時候，沒有人知道原子到底是什麼樣子，甚至根本不知道它是否有内部結構。

到1907年門捷列夫去世時，科學家們已經對原子有了一些了解:帶負電荷的電子，加上一些帶正電荷的部分，使原子具有電中性。1911年，英國曼徹斯特大學(University of Manchester)物理學家歐内斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)發現了原子核。不久之後，曾與盧瑟福共事的物理學家亨利·莫斯利(Henry Moseley)證明了原子核中正電荷的數量(包含的質子數，或“原子數”)決定了元素周期表中元素的正确順序。

原子量與莫斯利的原子序數密切相關——足夠接近，按重量排序的元素與按數量排序的元素隻差幾個點。門捷列夫堅持認為這些重量是錯誤的，需要重新測量，在某些情況下，他是對的。雖然仍存在一些差異，但莫斯利的原子序數澄清了這一問題。

與此同時，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)意識到，量子理論支配着原子核周圍電子的排列，而最外層的電子決定着一種元素的化學性質。

物理學家Niels Bohr于1922年修訂了元素周期表

外層電子的類似排列會周期性地重現，這就解釋了門捷列夫的表格最初揭示的模式。波爾在1922年根據電子能量的實驗測量(以及周期律的一些指導)，創造了他自己的版本。

波爾的表格增加了自1869年以來新發現的元素，但本質上仍然是門捷列夫發現的周期性排列。門捷列夫在對量子理論一無所知的情況下，創建了一張表，反映了量子物理學所規定的原子結構。

丹麥物理學家尼爾斯·玻爾1922年版的元素周期表，改編自丹麥化學家朱利葉斯·湯姆森的一張表。右邊的空框标記了一組元素的預期發生情況，這些元素在化學上類似于前一列中的稀土元素(編号58-70)。

N. BOHR，1922年

波爾的新表既不是門捷列夫最初設計的第一個也不會是最後一個變種。周期表的數百個版本已經被設計并出版。現代形态是一種橫向設計，與門捷列夫最初的縱向設計形成對比，直到二戰後才開始廣泛流行，這主要歸功于美國化學家格倫·西博格(Glenn Seaborg)的工作。

西博格和他的合作者綜合産生了幾個新的原子序數超過鈾的元素，鈾是表中最後一個自然存在的元素。西博格發現這些元素，超鈾元素(加上鈾之前的三種元素)需要在表中增加一行，這是門捷列夫沒有預見到的。西博格的表在稀土元素的類似行下面添加了這些元素的行，而稀土元素的正确位置也一直不是很清楚。“巴克·門捷列夫需要很大的勇氣，”西博格在1997年的一次采訪中說，他于1999年去世。

西博格對化學的貢獻為他赢得了與自己同名元素的榮譽，钅喜xǐ[Sg]，第106号。它是為數不多的以紀念一位著名科學家命名的元素之一，當然，這個名單還包括由西博格和他的同事在1955年發現并命名為钔【Md】的元素101号。

西博格

在他的修訂版中，美國化學家西博格将周期表橫向變為水平，并在鈾之外添加了幾種合成元素。

該表仍在繼續擴張中，在最近的2016年有四個元素被命名。破壞邊界的研究工作以及科學的奧秘仍然存在。