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元素周期表150岁|门捷列夫做梦之前的35年硬核人生

作者:澎湃新闻

1869年2月的一个晚上,门捷列夫经历了一个著名历史的梦:

当时,世界上已知的63种化学元素已经落入相应的网格中,形成一个表。它们根据原子质量排列,并随着质量的增加而有规律地变化。

门捷列夫醒了过来,立刻把葫芦画在纸上,只做了一次必要的修改。他发现循环变化与三角函数的起伏非常相似,因此他借用了函数周期的概念,并将表命名为元素周期表。

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斯洛伐克首都门捷列夫的雕像

这是科学史上最著名的梦之一,它可能不像德国化学家凯库勒梦中蛇的梦那样宏伟,蛇的一端接一端相遇,从而破解了苯的六角形环结构,但更重要。

联合国已将2019年定为"国际化学元素周期性年",并评论道:"元素周期表是科学史上最引人注目的发现之一,不仅描绘了化学的本质,也描绘了物理学和生物学的本质。"

这张彩色的表格,几乎贴在每本化学教科书上,与门捷列夫从150年前的梦想中开创的版本相比,自然有许多变化和改进,但150年前的原始心脏能够遵循:从历史上看,圣彼得堡大学的年轻化学教授想要总结元素定律, 主要是为备课。

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1869年版元素周期表

只是在门捷列夫的时代,至少有四位西欧化学家和一位美国化学家尝试了同样的事情,但只组织二三十种元素是不可持续的。门捷列夫为什么成功?

在1869年2月那个寒冷的俄罗斯冬夜之前,哪些伏特被埋在了生活中,最后,在墨菲斯的力量下,它们出现了,给正念的问题带来了爆炸性的回声?

(1)如果孩子迷路了,门妈妈移动了三次

1834年,也是在一个寒冷的二月,门捷列夫出生在西伯利亚托博尔斯克的一个东正教家庭。它曾经是俄罗斯国家在西伯利亚首都乌拉尔山脉以东的第二个城市,但在门捷列夫的时代,托博尔斯克正在衰落,最终因错过西伯利亚大铁路而陷入沉默。

门捷列夫的父亲伊万在中等教育部门工作,母亲玛丽亚来自当地著名商人贾石的家庭。玛丽亚的祖父在西伯利亚创立了第一家玻璃厂和印刷厂,这可能是门捷列夫的"化学基因"。

这对夫妇有17个孩子,是门捷列夫最小的孩子。他出生后,家庭日趋困难,父亲白内障手术失败,失明后失业,母亲不得不在他祖家接玻璃生意,手术不顺利。

13岁时,门捷列夫的父亲去世,母亲的玻璃厂被点燃。

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玛丽亚的肖像

然而,失去年幼的孩子并没有影响他的学业。瑪麗亞鼓勵他「耐心地尋找神聖和科學的真正含義」。

早期化学家6岁入学,数学和科学成绩都很好,文学成绩平平。他15岁高中毕业,在规定的年限之前,老师们不得不把他的结业证书改成16岁。

事实上,在门捷列夫近20年的生命中,超越时代的天赋将反复与规则联系在一起。他再也没有在随后的许多浅滩上如此轻易地越过边界。

不久,他在莫斯科遭受了第一次重大挫折。想见成龙的玛丽亚一路送门捷列夫去上学,却因为"学区"的规定被莫斯科大学拒绝了。次年,门捷列夫一家搬到了当时的首都圣彼得堡,并再次被圣彼得堡大学拒绝为"学区"。

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"门之母"三举,送门捷列夫出西伯利亚千里学习

最终,在伊凡的前海军部的帮助下,门捷列夫于1850年夏天进入了他父亲的母校圣彼得堡师范学院。他在入学考试中表现良好,但仍然获得了奖学金,前提是他毕业后在中学任教。

门捷列夫的学习经历被死亡所掩盖。玛丽亚于1850年去世。她的富有叔叔于1851年去世。她的妹妹丽莎于1852年去世。1853年,门捷列夫开始咳血,医生以肺结核判处他死刑。

但门捷列夫康复了,甚至回到学校参加考试。尽管他身体健康,但他的成绩稳步提高,从入学时在28名学生中排名第25位,到毕业时已位居榜首。

他研究了异常复杂的科目,"中国的小学教育","圣彼得堡的啮齿动物","热量对动物分布的影响","古代植物"和"阴影的无机分析",没有看到明显的偏好。

然而,值得注意的是,门捷列夫关于矿物分析的第一篇论文是用德语写的。该研究的主任Voskresensky是俄罗斯科学史上的领军人物。沃斯克列森斯基是有机化学男爵泰德·冯·利比奇的学生,后来被称为"俄罗斯化学之父"。

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"俄罗斯化学之父"沃斯克列森斯基(1808-1880)

这是门捷列夫生平的第一幅化学画。矿物分析显然与分子的称重和原子的类型密切相关。

(二) 在德国学习的非在职教师

由于健康原因,门捷列夫拒绝了大学毕业后继续在师范学院学习的机会,计划前往天气较为温和的南部城市敖德萨,那里有一个很棒的图书馆。然而,由于一些档案错误,他被意外地送到辛菲罗波尔小城近距离见证克里米亚战争。在火灾前线附近,医院人满为患。唯一的好消息是,门捷列夫在那里遇到了一位著名的外科医生,并诊断他患有肺结核。

1856年5月,他多次回到圣彼得堡,在那里他想申请出国留学。在过去的几个月里,除了教授数学和自然科学之外,他还准备了关于同构的硕士论文。然而,教师培训学院已经关闭。1856年10月,他在圣彼得堡大学发表了一篇关于硅化合物结构的论文,完成了他的硕士辩护。

此时,门捷列夫22岁。

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门捷列夫十几岁时

由于当时大学编制的稀缺性,基本上是"萝卜坑",门捷列夫在接下来的两年里作为大学的非教职员工,开始了漫长的"右转"斗争。

他教授化学理论,化学史和有机化学研讨会,并指导本科生的实验研究。由于他的工资微薄和不定期,门捷列夫经常为教育部的期刊撰稿,并接受私立教育。在这段时间里,他短暂地订婚了,但后来懊悔地结婚了。

1859年春,非职员教师门捷列夫终于出国留学,并获得了22个月的奖学金。他没有立即选择一个地方,而是花了几个月的时间前往西欧。在前往巴黎的路上,他遇到了提出"最大原理"的热化学家贝塞洛特,制备烷烃的有机化学家吴子和提出燃烧氮的方法的杜马斯;

他留在海德堡的原因很简单:有很多村民。当时,海德堡大约10%的学生来自俄罗斯,形成了一个庞大的侨民社区。

(3)自制设备,发现沸点

在涅卡河畔的德国南部小镇,门捷列夫终于有了一个稳定的朋友圈:俄罗斯诗歌《伊戈尔王子》的鲍罗丁、解剖青蛙大脑反射的谢切诺夫、俄罗斯现代化学的创始人之一齐宁。

很明显,当时被俄罗斯严格的大学机构强迫成为国际学生的伟大化学家不仅仅是门捷列夫。当门捷列夫在该国打零工时,津宁在一家军火企业中担任瑞典移民的家庭教师。这个姓氏是诺贝尔。

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俄罗斯有机化学家子宁(1812-1880)

在海德堡,门捷列夫反对"原生电池"和"活灯"的发明者。本森因实验爆炸而失去了右眼,但他提出了一种称为"化学家之眼"的光谱分析方法。

门捷列夫对实验室条件并不满意。他在自己的公寓里建立了自己的实验室,并从他遇到的化学大师那里购买了精确的温度计和其他设备。其中一个由他自己设计的实验装置现在被称为门捷列夫水合物瓶,它可以精确测量液体的密度。

他发现了气体和液体随温度和压力转变的奥秘,这表明只要将气体降低到"绝对沸点"(现在称为"临界温度"),所有气体都可以液化。这是门捷列夫独立做出的第一个重要发现。

1860年9月3日是一个事后的想法,似乎至关重要。当时,海德堡附近的卡尔斯鲁厄主办了第一届国际化学大会,包括凯库尔和拜耳在内的140位欧洲著名化学家出席了会议。来自意大利的Cannizaro呼吁通过使用Avogadro发明的原子和分子量的标准统一概念来解决长期存在的争议。

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意大利的Cannizaro呼吁化学统一

26岁的门捷列夫出席了演讲。他敏锐地感觉到一个新时代即将到来,并在俄罗斯日报的一篇文章中报道了这次会议的结果。

在大统一前夕,化学帝国迫切需要一部真正的宪法。

(4)养家糊口,疯狂兼职工作

1861年,门捷列夫提出的延长留学期限的请求没有得到俄国外交部的批准。当他回到圣彼得堡时,旧帝国正在酝酿变革,亚历山大二世废除了农奴制。

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农奴制于1861年在俄国被废除

年轻的化学家也关注学生运动,但更直接的是,Chaimi油盐的困境。圣彼得堡大学因首都的政治局势而关闭,他失去了非工作人员职位。

门捷列夫整天都饿着肚子,不得不付钱买衣服。他接管了他能胜任的所有工作,教化学、物理、地理,并在高中之间来回奔波。

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门捷列夫曾经一贫如洗

稿件费自然是赚钱的一种方式。门捷列夫很快开启了几部作品的高产生活,这些作品都传遍了世界。回国后不到四个月,门捷列夫就完成了俄罗斯历史上第一本有机化学著作。这本书不仅是以前信息的汇编,而且还增加了新的知识点。例如,他在书中首次提出了极限理论,认为甲烷CH4的碳氢化合物比是所有碳氢化合物中最低的。

这本500页的手册畅销,第一版很快售罄。更好的是,在Zining和Voskresensky的支持下,它在第二年获得了杰米多夫写作奖。这两位,在门捷列夫的一生中多次扮演波莱和贵族。

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门捷列夫与他的第一任妻子列谢娃

门捷列夫终于喘不过气来,他用奖金还清了债务,组建了一个家庭。现在,他与第一任妻子Lizhwa的婚姻,更多的是被姐姐的"婚姻"所驱使,似乎没有太多的感情。十五年后,43岁的门捷列夫将遇到19岁的艺术学生波波娃,她一见钟情,当她的第二次婚礼被教会阻挠时,她一度认为自杀。

(5)博士毕业并成为教授

在写完《有机化学》之后,门捷列夫接管了《德国技术百科全书》翻译的校对工作,并把他的著作用在了几章中。他在出版界获得了非凡的声誉,没有博士学位,并被聘为圣彼得堡应用技术学院的教授。值得一提的是,当时的学校校长是著名作曲家柴可夫斯基的父亲。

由于百科全书"酒精测量",门捷列夫还被财政部聘请为酒精技术委员会的专家,以寻求新的方法和设备来准确测量乙醇溶液的浓度,以改革酒精税。他用几次立方蒸馏得到极纯的乙醇,研究了溶液体积和密度随温度和水乙醇比例的变化,提炼出精确复杂的配方作为工业标准。

除了薪水,门捷列夫还有一笔意外之财。他一直对液体和溶液的基本材料特性感兴趣。在研究酒精时,他可以从精确映射的图像中读取清晰的化合物组分,即乙醇与水分子的摩尔比。

这后来成为他的博士论文的标题:关于酒精和水化合物。1865年1月31日,门捷列夫成为门捷列夫博士。

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门捷列夫博士

这个非常接地气的话题在这个热爱葡萄酒的国家留下了一些传说,例如门捷列夫研究过的伏特加40度酒精度的"黄金比例"。

1865年初,发生了一件大事,门捷列夫"转过身来"。通过教授考试后,他成为圣彼得堡大学技术化学教授,并于同年秋天搬进了一所大学公寓。在那里,他将绘制元素周期表的第一个版本。

1867年,沃斯克列森斯基搬出圣彼得堡,将纯化学教授的职位空缺留给了门捷列夫。

除了继承教学功能外,门捷列夫还继承了前任和老朋友的教学任务:无机化学课。这对他来说是一个相对陌生的领域,他决定自己写一本全新的教科书。

这本具有里程碑意义的书分为两卷,在门捷列夫去世前进行了八次修订,并在他去世后修订为第13版,仍然是一本面向新生化学入门的书。这本书的标题是"化学原理"。

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1897年版《化学原理》

然而,当时精心准备课程的化学家们并没有预测到这本教科书的活力,反而令人头疼:当时,世界上已知的化学元素共有63种,"化学原理"的上卷只有氢H、氧O、氮N、碳C等8种常见元素,如何将剩余的55种元素全部放入体积中?

从锂锂、钠钠、钾钾K、铌Rb到卤素元素氟F、氯cl、溴Br、碘J(注:碘的化学符号后来被分类为I)到碱性金属镁镁、钙Ca、铌SR、铌Ba,元素化学性质变化的依据是什么?

化学究竟构成了人类所看到和使用所产生的物质的世界,是什么样的宪法运作?

在写完《化学原理》一书后的一个冬夜,门捷列夫经历了一个著名历史的梦想。

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