書房雜亂的書桌前,油燈的光線在黑暗中映出了男子的輪廓,長髮與鬍鬚的光影恣意交錯。男子將五官埋在雙掌之間,已經三天沒闔眼了,看著桌上的元素紙牌,他相信解開一切的關鍵答案必定藏在某處,不斷的重新排列這些紙牌,排著排著竟然就這樣睡著了。他是門得列夫(Dmitri Mendeleev),始終相信元素之間有規律性,並成功製作出原始版本週期表的男人。

-德米特里.伊萬諾維奇.門得列夫。圖 / By Historical and Public Figures Collection – New York Public Library Archives, Public Domain, wikimedia commons

孟母三遷般的求學歷程

1834 年,門得列夫出生於俄國的西伯利亞,家中排行老十四,家境小康,老爸是學校校長,老媽則是經營玻璃工廠。在教育上,雖然西伯利亞算是俄國十分荒涼的區域,但正因為荒涼所以成了流放政治犯最好的選項,而這些擁有知識的政治罪犯(知識份子)便成為西伯利亞傳授知識的重要角色,像門得列夫的老師就是一位被流放的十二月黨人。

可惜的是命好不代表運好,在門得列夫 13 歲那年家裡碰上巨大的變故,父親過世、隔年母親的玻璃工廠慘遭祝融,家中經濟頓失,但門媽仍希望門得列夫可以受到最好的教育,於是帶著尚未自立的門得列夫和他姐姐,一同前往較為發達的莫斯科求學。

不過門得列夫的壞運還沒有結束,當時要申請莫斯科大學必須看出生地,不同出生地會有不同的分配名額,而門得列夫出生的西伯利亞卻是一個名額也沒有分配到。在遭到莫斯科大學的拒絕後,門媽不放棄,帶著兩個孩子前往首都聖彼得堡繼續努力。不過出身西伯利亞的劣勢並沒有因為到了聖彼得堡而消失,在不斷的求學碰壁下,最後門媽找盡各種關係,終於找到們爸以前的同學,願意引薦門得列夫,讓他進入聖彼得堡教育大學就讀。

門媽在確定門得列夫有學校讀之後,就像完成使命一般,隨即離開了人世。一連串的打擊下本來身體就不好的門得列夫,在母親去世後的隔年,因咳出血被診斷為肺結核,當時醫生甚至預估門得列夫可能撐不了一年。

-聖彼得堡大學。圖 / TwWiki

門得列夫的人生,起飛了!

在門媽離開後,門得列夫始終遵循著母親的遺言「遠離幻想,堅持成果而非誇言。耐心尋求神聖科學的真相。」努力讀書,潛心於科學,很快的門得列夫的天賦在校園中開始活躍了起來,即使被診斷出肺結核後仍持續進行科學研究,甚至在休養期間發表了許多具有原創性的論文拿到碩士學位。隨著門得列夫在科學領域的不斷突破,一切就像否極泰來一般,連原本被診斷出來的肺結核,也被醫生重新評估為不至於危及性命。看樣子門得列夫的人生似乎是要起風了。

當時的俄國正值革命高峰,雖然文化上確實有相當多的改革,但在科學領域上卻是落後了歐洲一大截,一方面是俄國與歐洲各國的交流並不比歐洲大陸內頻繁,另外俄國幅員廣闊在知識推廣上有一定程度的障礙。為了提升俄國的科學研究環境,1859 年,門得列夫得到政府的補助,到法國與德國進行科學研究。當時的歐洲科學界正處於大量發現新元素的階段,由於化學分離方法的發現(電化學),從原本拉瓦傑提出 20 種左右的元素在五十年內增加到 63 種。

門得列夫在國家的推薦下進入了歐洲當時最先進的實驗室,而研究的主題,除了當時主流的流體研究外,還有當時元素的尖端研究——光譜學。

在國際化學研討會上,搭上當代科學列車

原本在俄國就是頂尖科學家的門得列夫,在這樣的環境下更是如魚得水,腦洞大開的他迅速地吸收這些世界最新、最突破的知識。而且在 1860 年門得列夫代表俄國參加第一屆卡爾魯斯厄國際化學研討會,與歐洲各國頂尖科學家齊聚一堂,共同就化學的基本定義來訂定初步的共識(原子、分子以及原子量的測量方法等等)。這場研討會將化學家們的語言做了更有系統的釐清,像是原子量準確地測量方法,以及化學分子式的訂定等,門得列夫的參與無疑是帶著俄國科學搭上當代的科學列車。

不過門得列夫除了在此次會議搭上世界化學的列車外,還受到了另一項十分重要的啟發,在研討會中義大利科學家肯尼札羅提出原子量的測量方式,正式確定了原子量表上各個元素的排序,與此同時門得列夫想起德國化學家貝萊納提出的發現——三元素組(三元素組就是指特定三個元素具有很相似的化學性質,而且這種狀況總共有三組),很快地他就意識到發現越來越多的元素後,能找到特定元素之間的相似性,那所有元素之間是不是有著特別的關係呢?自此門得列夫對元素之間的關係產生了強烈的感應。

為家鄉帶來化學新天地

1861 年,門得列夫帶著歐洲現代化學的重要知識回到俄國,雖然國內正值解放農奴的前衛改革浪潮中,但令他震驚的是,國內知識分子對於現代化學的重大進步竟一無所知,此時身為遠赴歐洲學成歸國的年輕教師,馬上開始著手傳授這些令人興奮的科學發展。

有鑑於俄國當時國內並沒有像樣的俄文化學教科書,於是門得列夫決定自己親手撰寫,並以驚人的速度在六十天內完成了一本多達五百頁的有機化學課本,突出的能力再加上對於科學的熱情,門得列夫開始受到更多人的注意,1864 年,他獲聘進入當初因出身西伯利亞而拒絕他的聖彼得堡大學擔任教授一職。

「身材高大、鬍鬚長髮、才華洋溢、精力過人的青年學者」是門得列夫給學生們的第一印象,只要有他的課,教室裡外都會塞滿學生。深奧且神奇的化學反應配合著他沉穩的手勢與多才的語言,總是讓聽者們如癡如醉,這就是門得列夫在教學上的魔力,有深度也有廣度,一名學生對門得列夫的課是這樣形容的:「因為有門得列夫先生,我才開始認為化學真的是一門科學」。

-「身材高大、鬍鬚長髮、才華洋溢、精力過人的青年學者」是門得列夫給學生們的第一印象,只要有他的課,教室裡外都會塞滿學生。圖 / By Original uploader was Serge Lachinov at ru.wikipedia – Transferred from ru.wikipedia, 公有領域, wikimedia commons

這樣的形容並不誇張,因為當時化學有許多的技術和概念,但多半是看似不具相關性的知識,為此,門得列夫又編著了十二冊的化學著作——《化學原理》,來條列和解說看似雜亂無章的化學知識,而且還在書中加入許多註解,這些註解可能是軼事、思考問題以及各式討論,讓教科書讀起來更為吸引人。不過在其撰寫《化學原理》的過程中,門得列夫與幾年前在卡爾魯斯厄得到的啟發碰了頭,因為當他在撰寫元素分類與性質介紹的同時,「元素與元素之間究竟有什麼樣的關係呢?」的問題,再度出現在門得列夫的面前。

元素週期表,在門得列夫的固執下誕生

其實在研究元素週期特性或是元素之間關係的領域,在門得列夫之前就已經開始發展,不過發展的並不順利,雖然前人提出的三元素組,這樣的關聯性證據,還有得尚寇斯特發現的螺旋圖,以及紐蘭茲的八音律法則,這些推論都認為元素在經由原子量排列後,似乎有一些關係存在。但可惜的是,這些推論既無法囊括全部的元素,也無法得出合理的解釋,所以元素間關係的推論並不被當時的科學界所接受。

門得列夫在科學界的名氣除了能力之外,還有他的兇悍性格。門得列夫脾氣出名的暴躁(容易暴怒),和他起過爭執的科學家不計其數,不過科學家會爭論並不是什麼特別的事,另外一點就是他對於自己認為是對的事物就十分堅持(就是固執)。

但有趣的是,週期表就是這種性格下的產物。

當時門得列夫每天都沉浸在找尋元素之間關係的漩渦中,他可以確定的是重量大小提供了一種排列順序,但這種排列方式無法解釋元素間性質的相似性。我們也知道三元素組,氟氯溴、鋰鈉鉀、鈣鍶鋇這三組元素,同組內具有相同的性質,卻只知道三者間重量差異極大,但沒有明顯的規律可循。這種狀況就好像在拼一塊不知道原圖模樣也不知道框框大小的拼圖,每一塊拼圖都有號碼,但我卻不曉得拼圖究竟是長什麼樣子。

1869 年 2 月 17 號,門得列夫已經思考了三天三夜,他將每個元素製作成一張張卡片,將卡片鋪於桌上,試圖要找到其中的規律,但遲遲沒有想出適合的排列組合。

正當吃早餐時,門得列夫看了看寄來的郵件,開始在郵件後方書寫了起來,把他所知道的三元素組依左到右照原子量大小排序,再由上而下的把低原子量者放上面,把高原子量者放下面。這時擅長卡牌遊戲的門得列夫想到,如果每個相似的元素組都屬於一種花色,然後原子量就像是卡牌上的點數,63 個元素就可以排出一個大概的圖形,最後可以得到一個有七組相似組,然後組內在由原子量大小作排列的奇怪表格,而這個化學紙牌遊戲就是化學週期表的前身。

門得列夫對週期表的出現是這麼形容的,「我的腦海中有一張表,元素們都照著定位排好,當他們清楚地出現時,我馬上就將其寫下」。這樣聽起來發現週期表好像對門得列夫來說並沒有那麼困難,但在寫出週期表之前,門得列夫每天都在進行原子量的測定,並到處蒐集各個元素的資訊,也因為奠定了這些基礎,才能夠在靈感來臨時,馬上將這些資訊進行整理,將腦海中的表格呈現出來。

-門得列夫 1871 年的元素周期表。圖 / By Källa:Dmitrij Ivanovitj Mendelejev, 公有領域, wikimedia commons

門得列夫的第一版週期表其實就是將前人對元素關聯的推論,在加上自己的直覺做了一次整合,不過在這樣充滿元素符號的表格中,其實蘊藏了許多前人沒有發現到的神奇秘密。

這份週期表顯示出照原子量排序後每七個元素會有一循環(實際上是八個不過當時還沒發現惰性氣體),也就是前人說的八音律;每一循環就稱為一個週期,所以第一個元素會與第八個以及第十五元素都會有類似的性質,門得列夫將這樣類似性質的關係稱為 「族」。

這份週期表大致上是依照原子量排的,不過其中幾個元素並沒有照原子量的順序排入週期表,而是照元素性質被編入週期表的,例如:釷(Th)並不在第四週期而是在第三週期的底部。對於這種現象,門得列夫的反應是,他認為這些元素的原子量在測量上是有錯誤的。另外,如果有找不到符合他週期表性質的元素時,他選擇將其空白(就像圖表中 45、68、70 這樣),他認為 Al 和 Ur 之間還缺少一種元素(68),他將其命名為類鋁,甚至進一步預測其性質;依照週期表的規律,門得列夫預測了三個未知的元素的存在。

以下是門德烈夫提出的週期律

1. 按照原子量編排,元素的性質顯然具有週期性

2. 擁有類似性質的元素不會是原子量類似的元素,但原子量會規律增加

3. 原子量決定元素性質

4. 未知元素是可以預期的

5. 得知元素在週期表的位置後可用來修正該元素之原子量

6. 從原子量可以預測元素特性

7. 週期表的縱向代表價數,亦即元素之結合力

門得列夫提出週期律後其實並沒有受到太多的關注,而且在同期間也不只門得列夫一人發表週期表,德國科學家梅爾在門得列夫發表週期表的隔年,也提出了類似的排列方式。可惜梅爾依照原子量的排列規則,在元素性質上有時會發生不符的現象,再加上這種推測當時並沒有理論可以證明,所以很快的梅爾就選擇放棄主張這樣的推論了。

反觀門得列夫,依照性質所排出的週期表,雖然不會完全遵守原子量排序,但更能符合門得列夫對於元素之間性質的關係。除此之外,門得列夫對週期表是這樣說的:「儘管有些不解之處,我仍有所懷疑,但我曾未懷疑過這種定律的通用性,因此這些絕對不可能是巧合。」

當時科學界並不接受這種推測,但就在 1875 年發生了一件事……

週期表精準預測新元素的發現!

1875 年法國科學家布瓦伯德朗在礦場中的礦物採樣中發現了新的元素,他將其命名為鎵(gallium),而鎵的原子量經由測量為 69,正是門得列夫週期表中預測的類鋁元素(68)。經過量測後發現多數的數據都與門得列夫所預測的性質相近,唯獨比重與預測的 5.9 低了一些只有 4.7。

對此,門得列夫特別寄信去建議布瓦伯德朗,請他以更科學、更嚴謹的方式再次量測鎵的真實比重,科學家敢這麼狂的應該只有門得列夫了吧!不過有趣的是,經過重新量測後發現,鎵的比重確實是 5.9,竟與門得列夫預測的幾乎完全相同。這時,科學界才對門得列夫的週期表產生好奇。

將所知所學奉獻給俄國

在門得列夫的週期表成為科學界的旋風後,歐洲各國紛紛邀請門得列夫前去演講甚至做研究,但心繫祖國的們德烈夫還是選擇留在俄國,帶領俄國科學界一步步追上歐洲的水準。

可惜門得列夫的兇悍性格,與其支持的自由主義,使他陷入十分不利處境。一方面在科學界的仇家阻撓下與諾貝爾獎失之交臂,另一方面又因支持左翼學生(就是反政府的學生),使得俄國科學不敢接受門得列夫,以免散布更多革命思想。但俄國對這位貢獻甚鉅的科學家,還是希望能將其留在國內做貢獻,所以任命他為國家度量衡局的總裁,繼續為俄國的各方面進行努力。

1907 年,門得列夫因肺炎逝世,享壽 72 歲,喪禮當天數以百計人民前來送行,其中大部分是他在大學教書時的學生。這是俄羅斯歷史上與科學史上特別的時刻,在部隊前方人們舉著刻上週期表的木板,以紀念門得列夫的曠世巨作以及他過人的貢獻。

在成功預測鎵的存在與性質後,還是有人認為這種毫無實驗證明的推論矇中一個並不代表什麼,不過時間再度給出了公正的答案。1879 年發現了原子量 45 的元素鈧(Sc),1886 年發現原子量為 72 的元素鍺(Ge),門得列夫當年預測的三個未知元素接連出現,且與其預測的性質幾乎完全相同,證實了週期表的推論並非僥倖,這種特殊的週期關係確實存在,自此科學界對門得列夫的週期表產生了高度的興趣。

-門德烈夫獎章。圖 / By Robert Wielgórski, 創用CC, wikimedia commons

現在看起來,預測了未知元素,發現元素規律、為前人的研究成果平反好像很厲害,但事實上週期表的價值遠大於這些讓人驚豔的成果。週期表的出現,證明了元素之間的週期性,但問題來了,這些週期性又是為什麼會出現呢?為何每七的元素會有一個循環(事實上是八個)?而每一族內的結合能力會如此相似(他稱為價數)?雖然現在我們知道這與電子組態有關,不過當時既沒有發現電子、也不曉得原子序。對於當時尚未釐清元素本質的化學界,週期律的驗證,確實給了當時的科學家們思考物質的新方向。

週期表嚴格來說並不算是一個科學成就,它一直都在,但它無法解釋現象,沒有其他的理論基礎(除了週期性之外的科學理論),他將許多發現兜在一塊,最後發現眾多規律中更大更密切的連結。週期表在科學史上的定位反而更像是一個大發現,他揭露了上帝對萬物的安排、所有物質之間微妙的關係,而這個蓋住週期表的面紗,正等著科學家們去掀開它呢!

參考資料

1.《化學通史》凡異出版

2.《門得列夫之夢—從煉金術到週期表的誕生》究竟出版

3.《他們創造了科學—改變人類命運的科學先驅》究竟出版

4.《數理化通俗演義》好讀出版

5.《不朽的科學家》洪建全出版

6.門得列夫(Dmitri Mendeleev)—高瞻自然科學教學資源平台

7.元素週期表的蛻變—《科學月刊》

8.門捷列夫元素週期表是怎麼發現的—歷史趣聞

9.A Historic Overview:Mendeleev and the Periodic Table —genesis search for origins

10.Dmitri Mendeleev—wikipedia(英文版)