150年前，门捷列夫发现了化学元素之间的关系。
俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫首次发表了元素周期表，该表按逻辑顺序排列已知元素，并为尚未发现的元素留出了空间。
每个科学领域都有自己最喜欢的纪念日。对于物理学来说，是 1687 年牛顿《自然哲学的数学原理》的发表，该书介绍了他的运动定律和引力定律；对于生物学来说，是达尔文的《物种起源》（1859 年）和他的生日（1809 年）；天文学爱好者则纪念 1543 年，这一年哥白尼意识到太阳是太阳系的中心。
在化学界，没有什么比元素周期表的诞生更值得庆祝的了。本月，150 周年之际，俄罗斯化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫创建了元素周期表。
门捷列夫的元素周期表对于化学专业的学生来说就像会计人员对电子表格一样熟悉。它用大约 100 个符号和数字的方格概括了整个科学，列出了构成地球上所有物质的元素，并按揭示其特性的顺序排列它们，为理论和实践上的化学研究提供指导。化学家彼得·阿特金斯写道：“元素周期表是对化学领域最重要的贡献。”
门捷列夫的元素周期表看上去像一张特殊的图表，但他想用它来说明他发现的一个深刻的科学真理——周期律。这一定律揭示了已知化学元素之间深厚的家族关系，门捷列夫由此得以预测尚未发现的元素的存在。当这些化学元素按原子质量的顺序排列时，它们会以规律的间隔（或周期）表现出相似的性质。门捷列夫说：“在周期律公开之前，化学元素只是自然界中零碎的偶然事实。有了周期律，我们第一次可以在化学视野从未达到的地方看到未被发现的元素。”
门捷列夫的元素周期表不仅预言了新元素的存在，还证实了原子的存在——这一概念在当时备受争议。该表反映了亚原子结构的存在，并预测了物质规则背后的数学机制，这些机制最终在量子理论中得到揭示。有了元素周期表，化学就完成了从中世纪神奇神秘炼金术到严谨现代科学的转变。
奠定基础
传说门捷列夫在一天之内就构思并创建了元素周期表，即 1869 年 2 月 17 日（世界大部分地区为 3 月 1 日）。但这可能有点夸张。在此之前，门捷列夫已经思考了多年如何对元素进行分组。在此之前的几十年里，其他化学家也曾多次考虑过元素之间的关系。
其实，元素组合的特殊性早在1817年就被德国化学家约翰·沃尔夫冈·德贝赖纳注意到了。当时，化学家们还没有完全掌握原子的性质，正如英国教师约翰·道尔顿在1808年提出的原子理论所描述的那样。道尔顿在他的著作《化学哲学新体系》中，通过假设每种元素物质都是由一种特殊类型的原子组成的来解释化学反应。
道尔顿提出，当原子断开或连接时，化学反应会产生新物质。他推断，任何特定元素都完全由一种原子组成，这种原子的质量与其他原子不同。氧原子的质量是氢原子的八倍，碳原子的质量是氢原子的六倍。了解这些相对原子量可以计算元素何时结合形成新物质。
然而，道尔顿对一些原子量的计算是错误的——氧的质量是氢的 16 倍，碳的质量是氢的 12 倍。但他的理论使原子的概念变得有用，并引发了一场化学革命。在随后的几十年里，准确测量原子量成为化学家的首要任务。
在考虑原子质量时，德贝莱纳注意到三种元素的某些组合（他称之为三元组）表现出一种特殊的关系。例如，溴的原子量介于氯和碘之间，这三种元素的化学性质非常相似。锂、钠和钾也是三元组。
其他化学家也发现了原子量和化学性质之间的联系，但直到 19 世纪 60 年代，人们才对原子量有了足够的了解和测量，从而获得了更深入的见解。在英国，化学家约翰·纽兰兹 (John ) 注意到，按原子量递增的顺序排列已知元素，每八个元素的化学性质都会重复出现。在 1865 年的一篇论文中，他将这种模式称为“八度律”。但纽兰兹的模式在前几组元素之后就不再适用了，因此一位批评家建议他应该尝试按字母顺序排列元素。显然，正如门捷列夫很快意识到的那样，元素性质和原子量之间的关系有点复杂。
组织要素
门捷列夫 1834 年出生于西伯利亚托博尔斯克，在众多兄弟姐妹中排行第 17。他兴趣广泛，但成就之路并非一帆风顺。在圣彼得堡师范学院接受高等教育期间，他险些因重病而死。毕业后，他在中学任教（这是获得师范学院奖学金的必要条件）。在教授数学和科学的同时，他还从事硕士学位研究。后来，他担任导师和讲师，还兼职撰写了一些科普文章。
回到圣彼得堡后，他失业了，于是他写了一本有机化学手册，希望能赢得一大笔现金奖励。尽管成功的机会很小，但门捷列夫在 1862 年获得了丰厚的德米多夫奖，他的成功得到了回报。他还找到了一份编辑、翻译和各种化学工业顾问的工作。最终，他重返研究领域，于 1865 年获得博士学位，随后成为圣彼得堡大学的教授。
不久之后，门捷列夫开始教授无机化学。在学习这个（对他而言）新领域的知识时，他对现有的教科书感到失望，于是决定自己编写教科书。编写教科书需要组织元素，因此他思考如何最好地安排它们。
草图：在门捷列夫手写的元素周期表草图中，元素按照原子量排列，揭示了元素的周期律，显示了元素在一定间隔或周期内如何表现出相似的性质。
有序的景象：门捷列夫于 1869 年发表的元素周期表是一张垂直图表，按原子量排列 63 种已知元素，将具有相似性质的元素放在同一水平行中。该图表的名称意为“基于原子量和化学性质的元素系统草图”。
1869 年初，门捷列夫取得了重大突破。他意识到某些类似元素族的原子量有规律地增加1808年物理学家，而原子量大致相等的其他元素则具有共同的性质。元素的原子量似乎是对其进行分类的关键。
根据门捷列夫自己的说法，他先将 63 种已知元素的性质写在卡片上，然后通过玩化学纸牌游戏，找到了自己想要的模式。他按原子量将卡片垂直排列1808年物理学家，并将性质相似的元素放在每一行。门捷列夫的元素周期表就这样诞生了。3 月 1 日，他画出了元素周期表的草图，并将其寄给印刷公司，以便将其收录到即将出版的教科书中。不久，他就写了一篇论文，提交给俄罗斯化学学会。
门捷列夫在论文中表示：“元素按照原子量排列呈现出明显的周期性。通过所有这些比较，我得出结论：原子量的大小决定了元素的性质。”
与此同时，德国化学家劳尔·迈耶也在研究如何排列元素。他绘制了一张与门捷列夫相似的元素周期表，甚至可能比门捷列夫更早。然而，迈耶在发表元素周期表方面却抢先了一步，因为门捷列夫是第一个发表元素周期表的人，更重要的是，他利用元素周期表对未发现的元素做出了大胆的预测。在绘制元素周期表时，他注意到有几张卡片缺失，因此必须留出空白，以使已知元素准确排列。在他有生之年，其中三个空白处被之前未知的元素（镓、钪和锗）填满了。
门捷列夫不仅预言了这些元素的存在，还准确详细地描述了它们的性质。例如，1875年发现的镓，其原子量为69.9（当时测量），密度是水的六倍。门捷列夫曾预言过一种原子量为68的元素，他称之为伪铝。他还预言了伪硅，其原子量（72）和密度（5.5）与锗（1886年发现，原子量和密度分别为72.3和5.469）非常接近。此外，他还正确地预测了含氧和氯的锗化合物的密度。
门捷列夫的元素周期表成为了神谕，就像拼字游戏结束时揭示的宇宙秘密。门捷列夫的预测使他成为传奇的化学魔术大师。但今天，历史学家们争论的是，预测元素的发现是否导致了人们更接受他的元素周期律。该定律之所以被更多人接受，可能是因为它解释了已经建立的化学关系。无论如何，门捷列夫预测的准确性无疑引起了人们对他的元素周期表优点的关注。
到了 19 世纪 90 年代，化学家们普遍认为他的元素周期表是化学知识的一个里程碑。1900 年，未来的诺贝尔化学奖获得者威廉·拉姆齐称其为“有史以来最伟大的化学总结”。但当门捷列夫做这个表时贝语网校，他并不知道它为什么有效。
数学地图
科学史上有许多基于新方程的重大预测被证明是正确的例子。在某些情况下，数学在实验者发现之前就揭示了一些自然界的秘密，例如反物质和宇宙膨胀。在门捷列夫的案例中，新元素的预测是在没有任何创造性数学的情况下做出的。但事实上，门捷列夫发现了一幅深刻的自然数学图谱，因为他的表格反映了量子力学的含义，即支配原子结构的数学规则。
门捷列夫在教科书中提出，构成原子的物质内部的差异可能是元素周期重复的原因。但他并没有继续这种思路，事实上，多年来他一直在谈论原子理论对他的元素周期表的重要性。
有人理解了元素周期表上的信息。1888 年，德国化学家约翰内斯·维斯里西努斯声称，按质量排列的元素性质的周期性表明，原子是由规则排列的较小粒子组成的。因此，从某种意义上说，门捷列夫的元素周期表确实预测了（并提供了证据）原子复杂的内部结构，而当时没有人知道原子到底是什么样子，甚至不知道它们是否有任何内部结构。
1922年，物理学家尼尔斯·玻尔修改了元素周期表。
丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）创建的 1922 年版元素周期表改编自丹麦化学家尤利乌斯·汤姆逊（ ）的元素周期表，其中具有相似性质的元素排列在同一水平行中，并用线连接。右侧的空间标记了一组化学性质与上一列中的稀土元素（编号为 58 至 70）相似的预期元素。
到 1907 年门捷列夫去世时，科学家们已经知道原子是由不同的成分组成的：带负电的电子和一些带正电的物质，因此原子呈电中性。1911 年，英国曼彻斯特大学物理学家欧内斯特·卢瑟福发现了原子核。此后不久，曾与卢瑟福共事的物理学家亨利·莫斯利表明，原子核中的正电荷数（原子所含的质子数，即“原子序数”）决定了元素在元素周期表中的顺序。
原子量与莫斯莱的原子序数非常接近——按质量排序的元素与按原子序数排序的元素只有几个位置不同。门捷列夫坚持认为质量是错误的，必须重新测量，在某些情况下他是对的。尽管仍然存在一些差异，但莫斯莱还是使用原子序数修正了元素周期表。
大约在同一时间，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔发现量子理论控制着原子核周围电子的排列，最外层的电子决定了元素的化学性质。
外层电子的类似排列周期性重复，解释了门捷列夫元素周期表最初揭示的模式。1922 年，玻尔根据电子能量的实验测量结果（以及周期律的一些指导）创建了自己的元素周期表。
玻尔的元素周期表添加了 1869 年后发现的元素，但本质上与门捷列夫发现的周期排列相同，门捷列夫在没有任何量子理论知识的情况下创建了反映量子物理所规定的原子结构的元素周期表。
玻尔的新表既不是门捷列夫原始元素周期表的第一个变体，也不是最后一个变体。如今，已有数百个版本的元素周期表被设计和出版。现代版本是水平的，与门捷列夫最初的垂直版本不同，但它直到二战后才广为人知，这在很大程度上要归功于美国化学家、科学服务协会（科学新闻杂志的最初出版商）的长期会员格伦·西博格的工作。
西博格和他的同事合成了原子序数超过铀（元素周期表中最后一种自然存在的元素）的新元素。西博格发现需要多出一行来容纳这些超铀元素（以及铀之前的三种元素），这是门捷列夫没有预见到的。西博格的元素周期表将这些元素所需的行添加到稀土元素的类似行下方，而稀土元素的正确位置也不清楚。“否认门捷列夫需要很大的勇气，”西博格在 1997 年的一次采访中说道。
西博格因在化学领域的贡献而获得了以自己的名字命名元素的荣誉：元素 106，钔。它是少数以著名科学家的名字命名的元素之一。其他以著名科学家的名字命名的元素包括元素 101，钔，它是西博格和他的同事于 1955 年发现的，以德米特里·门捷列夫的名字命名，门捷列夫理应在元素周期表中占有一席之地。
在修订版中，美国化学家西博格将元素周期表水平放置，并在铀之后添加了几个合成元素。
来源：新闻