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元素周期表150歲|門捷列夫做夢之前的35年硬核人生

作者:澎湃新聞

1869年2月的一個晚上,門捷列夫經曆了一個著名曆史的夢:

當時,世界上已知的63種化學元素已經落入相應的網格中,形成一個表。它們根據原子品質排列,并随着品質的增加而有規律地變化。

門捷列夫醒了過來,立刻把葫蘆畫在紙上,隻做了一次必要的修改。他發現循環變化與三角函數的起伏非常相似,是以他借用了函數周期的概念,并将表命名為元素周期表。

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斯洛伐克首都門捷列夫的雕像

這是科學史上最著名的夢之一,它可能不像德國化學家凱庫勒夢中蛇的夢那樣宏偉,蛇的一端接一端相遇,進而破解了苯的六角形環結構,但更重要。

聯合國已将2019年定為"國際化學元素周期性年",并評論道:"元素周期表是科學史上最引人注目的發現之一,不僅描繪了化學的本質,也描繪了實體學和生物學的本質。"

這張彩色的表格,幾乎貼在每本化學教科書上,與門捷列夫從150年前的夢想中開創的版本相比,自然有許多變化和改進,但150年前的原始心髒能夠遵循:從曆史上看,聖彼得堡大學的年輕化學教授想要總結元素定律, 主要是為備課。

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1869年版元素周期表

隻是在門捷列夫的時代,至少有四位西歐化學家和一位美國化學家嘗試了同樣的事情,但隻組織二三十種元素是不可持續的。門捷列夫為什麼成功?

在1869年2月那個寒冷的俄羅斯冬夜之前,哪些伏特被埋在了生活中,最後,在墨菲斯的力量下,它們出現了,給正念的問題帶來了爆炸性的回聲?

(1)如果孩子迷路了,門媽媽移動了三次

1834年,也是在一個寒冷的二月,門捷列夫出生在西伯利亞托博爾斯克的一個東正教家庭。它曾經是俄羅斯國家在西伯利亞首都烏拉爾山脈以東的第二個城市,但在門捷列夫的時代,托博爾斯克正在衰落,最終因錯過西伯利亞大鐵路而陷入沉默。

門捷列夫的父親伊萬在中等教育部門工作,母親瑪麗亞來自當地著名商人賈石的家庭。瑪麗亞的祖父在西伯利亞創立了第一家玻璃廠和印刷廠,這可能是門捷列夫的"化學基因"。

這對夫婦有17個孩子,是門捷列夫最小的孩子。他出生後,家庭日趨困難,父親白内障手術失敗,失明後失業,母親不得不在他祖家接玻璃生意,手術不順利。

13歲時,門捷列夫的父親去世,母親的玻璃廠被點燃。

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瑪麗亞的肖像

然而,失去年幼的孩子并沒有影響他的學業。瑪麗亞鼓勵他「耐心地尋找神聖和科學的真正含義」。

早期化學家6歲入學,數學和科學成績都很好,文學成績平平。他15歲高中畢業,在規定的年限之前,老師們不得不把他的結業證書改成16歲。

事實上,在門捷列夫近20年的生命中,超越時代的天賦将反複與規則聯系在一起。他再也沒有在随後的許多淺灘上如此輕易地越過邊界。

不久,他在莫斯科遭受了第一次重大挫折。想見成龍的瑪麗亞一路送門捷列夫去上學,卻因為"學區"的規定被莫斯科大學拒絕了。次年,門捷列夫一家搬到了當時的首都聖彼得堡,并再次被聖彼得堡大學拒絕為"學區"。

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"門之母"三舉,送門捷列夫出西伯利亞千裡學習

最終,在伊凡的前海軍部的幫助下,門捷列夫于1850年夏天進入了他父親的母校聖彼得堡師範學院。他在入學考試中表現良好,但仍然獲得了獎學金,前提是他畢業後在中學任教。

門捷列夫的學習經曆被死亡所掩蓋。瑪麗亞于1850年去世。她的富有叔叔于1851年去世。她的妹妹麗莎于1852年去世。1853年,門捷列夫開始咳血,醫生以肺結核判處他死刑。

但門捷列夫康複了,甚至回到學校參加考試。盡管他身體健康,但他的成績穩步提高,從入學時在28名學生中排名第25位,到畢業時已位居榜首。

他研究了異常複雜的科目,"中國的國小教育","聖彼得堡的齧齒動物","熱量對動物分布的影響","古代植物"和"陰影的無機分析",沒有看到明顯的偏好。

然而,值得注意的是,門捷列夫關于礦物分析的第一篇論文是用德語寫的。該研究的主任Voskresensky是俄羅斯科學史上的領軍人物。沃斯克列森斯基是有機化學男爵泰德·馮·利比奇的學生,後來被稱為"俄羅斯化學之父"。

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"俄羅斯化學之父"沃斯克列森斯基(1808-1880)

這是門捷列夫生平的第一幅化學畫。礦物分析顯然與分子的稱重和原子的類型密切相關。

(二) 在德國學習的非在職教師

由于健康原因,門捷列夫拒絕了大學畢業後繼續在師範學院學習的機會,計劃前往天氣較為溫和的南部城市敖德薩,那裡有一個很棒的圖書館。然而,由于一些檔案錯誤,他被意外地送到辛菲羅波爾小城近距離見證克裡米亞戰争。在火災前線附近,醫院人滿為患。唯一的好消息是,門捷列夫在那裡遇到了一位著名的外科醫生,并診斷他患有肺結核。

1856年5月,他多次回到聖彼得堡,在那裡他想申請出國留學。在過去的幾個月裡,除了教授數學和自然科學之外,他還準備了關于同構的碩士論文。然而,教師教育訓練學院已經關閉。1856年10月,他在聖彼得堡大學發表了一篇關于矽化合物結構的論文,完成了他的碩士辯護。

此時,門捷列夫22歲。

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門捷列夫十幾歲時

由于當時大學編制的稀缺性,基本上是"蘿蔔坑",門捷列夫在接下來的兩年裡作為大學的非教職員工,開始了漫長的"右轉"鬥争。

他教授化學理論,化學史和有機化學研讨會,并指導大學生的實驗研究。由于他的工資微薄和不定期,門捷列夫經常為教育部的期刊撰稿,并接受私立教育。在這段時間裡,他短暫地訂婚了,但後來懊悔地結婚了。

1859年春,非職員教師門捷列夫終于出國留學,并獲得了22個月的獎學金。他沒有立即選擇一個地方,而是花了幾個月的時間前往西歐。在前往巴黎的路上,他遇到了提出"最大原理"的熱化學家貝塞洛特,制備烷烴的有機化學家吳子和提出燃燒氮的方法的杜馬斯;

他留在海德堡的原因很簡單:有很多村民。當時,海德堡大約10%的學生來自俄羅斯,形成了一個龐大的僑民社群。

(3)自制裝置,發現沸點

在涅卡河畔的德國南部小鎮,門捷列夫終于有了一個穩定的朋友圈:俄羅斯詩歌《伊戈爾王子》的鮑羅丁、解剖青蛙大腦反射的謝切諾夫、俄羅斯現代化學的創始人之一齊甯。

很明顯,當時被俄羅斯嚴格的大學機構強迫成為國際學生的偉大化學家不僅僅是門捷列夫。當門捷列夫在該國打零工時,津甯在一家軍火企業中擔任瑞典移民的家庭教師。這個姓氏是諾貝爾。

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俄羅斯有機化學家子甯(1812-1880)

在海德堡,門捷列夫反對"原生電池"和"活燈"的發明者。本森因實驗爆炸而失去了右眼,但他提出了一種稱為"化學家之眼"的光譜分析方法。

門捷列夫對實驗室條件并不滿意。他在自己的較高價的電梯大廈裡建立了自己的實驗室,并從他遇到的化學大師那裡購買了精确的溫度計和其他裝置。其中一個由他自己設計的實驗裝置現在被稱為門捷列夫水合物瓶,它可以精确測量液體的密度。

他發現了氣體和液體随溫度和壓力轉變的奧秘,這表明隻要将氣體降低到"絕對沸點"(現在稱為"臨界溫度"),所有氣體都可以液化。這是門捷列夫獨立做出的第一個重要發現。

1860年9月3日是一個事後的想法,似乎至關重要。當時,海德堡附近的卡爾斯魯厄主辦了第一屆國際化學大會,包括凱庫爾和拜耳在内的140位歐洲著名化學家出席了會議。來自意大利的Cannizaro呼籲通過使用Avogadro發明的原子和分子量的标準統一概念來解決長期存在的争議。

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意大利的Cannizaro呼籲化學統一

26歲的門捷列夫出席了演講。他敏銳地感覺到一個新時代即将到來,并在俄羅斯日報的一篇文章中報道了這次會議的結果。

在大統一前夕,化學帝國迫切需要一部真正的憲法。

(4)養家糊口,瘋狂兼職工作

1861年,門捷列夫提出的延長留學期限的請求沒有得到俄國外交部的準許。當他回到聖彼得堡時,舊帝國正在醞釀變革,亞曆山大二世廢除了農奴制。

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農奴制于1861年在俄國被廢除

年輕的化學家也關注學生運動,但更直接的是,Chaimi油鹽的困境。聖彼得堡大學因首都的政治局勢而關閉,他失去了非從業人員職位。

門捷列夫整天都餓着肚子,不得不付錢買衣服。他接管了他能勝任的所有工作,教化學、實體、地理,并在高中之間來回奔波。

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門捷列夫曾經一貧如洗

稿件費自然是賺錢的一種方式。門捷列夫很快開啟了幾部作品的高産生活,這些作品都傳遍了世界。回國後不到四個月,門捷列夫就完成了俄羅斯曆史上第一本有機化學著作。這本書不僅是以前資訊的彙編,而且還增加了新的知識點。例如,他在書中首次提出了極限理論,認為甲烷CH4的碳氫化合物比是所有碳氫化合物中最低的。

這本500頁的手冊暢銷,第一版很快售罄。更好的是,在Zining和Voskresensky的支援下,它在第二年獲得了傑米多夫寫作獎。這兩位,在門捷列夫的一生中多次扮演波萊和貴族。

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門捷列夫與他的第一任妻子列謝娃

門捷列夫終于喘不過氣來,他用獎金還清了債務,組建了一個家庭。現在,他與第一任妻子Lizhwa的婚姻,更多的是被姐姐的"婚姻"所驅使,似乎沒有太多的感情。十五年後,43歲的門捷列夫将遇到19歲的藝術學生波波娃,她一見鐘情,當她的第二次婚禮被教會阻撓時,她一度認為自殺。

(5)博士畢業并成為教授

在寫完《有機化學》之後,門捷列夫接管了《德國技術百科全書》翻譯的校對工作,并把他的著作用在了幾章中。他在出版界獲得了非凡的聲譽,沒有博士學位,并被聘為聖彼得堡應用技術學院的教授。值得一提的是,當時的學校校長是著名作曲家柴可夫斯基的父親。

由于百科全書"酒精測量",門捷列夫還被财政部聘請為酒精技術委員會的專家,以尋求新的方法和裝置來準确測量乙醇溶液的濃度,以改革酒精稅。他用幾次立方蒸餾得到極純的乙醇,研究了溶液體積和密度随溫度和水乙醇比例的變化,提煉出精确複雜的配方作為工業标準。

除了薪水,門捷列夫還有一筆意外之财。他一直對液體和溶液的基本材料特性感興趣。在研究酒精時,他可以從精确映射的圖像中讀取清晰的化合物組分,即乙醇與水分子的摩爾比。

這後來成為他的博士論文的标題:關于酒精和水化合物。1865年1月31日,門捷列夫成為門捷列夫博士。

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門捷列夫博士

這個非常接地氣的話題在這個熱愛葡萄酒的國家留下了一些傳說,例如門捷列夫研究過的伏特加40度酒精度的"黃金比例"。

1865年初,發生了一件大事,門捷列夫"轉過身來"。通過教授考試後,他成為聖彼得堡大學技術化學教授,并于同年秋天搬進了一所大學較高價的電梯大廈。在那裡,他将繪制元素周期表的第一個版本。

1867年,沃斯克列森斯基搬出聖彼得堡,将純化學教授的職位空缺留給了門捷列夫。

除了繼承教學功能外,門捷列夫還繼承了前任和老朋友的教學任務:無機化學課。這對他來說是一個相對陌生的領域,他決定自己寫一本全新的教科書。

這本具有裡程碑意義的書分為兩卷,在門捷列夫去世前進行了八次修訂,并在他去世後修訂為第13版,仍然是一本面向新生化學入門的書。這本書的标題是"化學原理"。

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1897年版《化學原理》

然而,當時精心準備課程的化學家們并沒有預測到這本教科書的活力,反而令人頭疼:當時,世界上已知的化學元素共有63種,"化學原理"的上卷隻有氫H、氧O、氮N、碳C等8種常見元素,如何将剩餘的55種元素全部放入體積中?

從锂锂、鈉鈉、鉀鉀K、铌Rb到鹵素元素氟F、氯cl、溴Br、碘J(注:碘的化學符号後來被分類為I)到堿性金屬鎂鎂、鈣Ca、铌SR、铌Ba,元素化學性質變化的依據是什麼?

化學究竟構成了人類所看到和使用所産生的物質的世界,是什麼樣的憲法運作?

在寫完《化學原理》一書後的一個冬夜,門捷列夫經曆了一個著名曆史的夢想。

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