举例说明科学家的伟大发现与其时代
化学元素分类和元素周期律
化学发展到１８世纪，由于化学元素的不断发现，种类越来越多，反应的性质越来越复杂。化学家开始对它们进行了整理、分类的研究，以寻求系统的元素分类体系。
一、门捷列夫发现元素周期律前对元素分类的研究
⒈１７８９年，法国化学家拉瓦锡在他的专著《化学纲要》一书中，列出了世界上第一张元素表。 他把已知的３３种元素分成了气体元素、非金属、金属、能成盐之土质等四类。但他把一些物，如光、石灰、镁土都列入元素。
⒉１８２９年，德国化学家德贝莱纳（Dobereiner,J。W。1780-1849）根据元素的原子量和化学性质之间的关系进行研究，发现在已知的５４种元素中有５个...全部
化学元素分类和元素周期律
化学发展到１８世纪，由于化学元素的不断发现，种类越来越多，反应的性质越来越复杂。化学家开始对它们进行了整理、分类的研究，以寻求系统的元素分类体系。
一、门捷列夫发现元素周期律前对元素分类的研究
⒈１７８９年，法国化学家拉瓦锡在他的专著《化学纲要》一书中，列出了世界上第一张元素表。
他把已知的３３种元素分成了气体元素、非金属、金属、能成盐之土质等四类。但他把一些物，如光、石灰、镁土都列入元素。
⒉１８２９年，德国化学家德贝莱纳（Dobereiner,J。W。1780-1849）根据元素的原子量和化学性质之间的关系进行研究，发现在已知的５４种元素中有５个相似的元素组，每组有３种元素，称为“三元素组”，如钙、锶、钡、氯、溴、磺。
每组中间一种元素的原子量为其它二种的平均值。例如，锂、钠、钾，钠的原子量为
（６９＋３９．１）／２＝２３。
⒊１８６２年，法国的地质学家尚古多（Chancourtois,A。
E。B。1820-1886）绘出了“螺旋图”。他将已知的６２个元素按原子量的大小次序排列成一条围绕圆筒的螺线，性质相近的元素出现在一条坚线上 。他第一个指出元素性质的周期性变化。
⒋１８６３年，英国的化学家纽兰兹（Newlands,J。
A。R。1837-1898）排出一个“八音律”。他把已知的性质有周期性重复，每第八个元素与第一个元素性质相似，就好象音乐中八音度的第八个音符有相似的重复一样。
二、元素周期律的发现
１８６９年３月 ，俄国化学家门捷列夫（1834-1907）公开发表了论文《元素属性和原子量的关系》，列出了周期表，提出了元素周期律──元素的性质随着元素原子量的递增而呈周期性的变化。
他在论文中指出：“按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性。”“原子量的大小决定元素的特征。”“无素的某些同类元素将按他们原子量的大小而被发现。”
１８６９年１２月 ，德国的化学家迈耶尔（Meyer,J。
L。1830-1895）独立地发表了他的元素周期表，明确指出元素性质是它们原子量的函数。在他的表中，出现了过渡元素族。
为什么门捷列夫理论能战胜前期和同期理论，独占元素周期律的发现权呢？分析科学史上的这一重大案例，可知门捷列夫理论在以下几方面较其他理论优越：
⒈材料丰富
在前门捷列夫时期，发现的元素及有关的材料较少，分类工作都是局限于部分元素，而不是把所有元素作为一个整体考虑，因此也就不能很好地解释过去和现有的实验事实和化学现象。
在门捷列夫时期，发现的元素已占全部元素（现周期表上元素）的一半，且掌握了这些元素的有关知识，如物理性质、化学性质、化合价等，测定元素性质的方法得到了重大突破，特别是原子量的测定工作不断取得进展。
１８６０年，在世界化学家大会上，化学家们同意形成统一的原子量测定方法和系统的原子量表。门捷列夫出席了这次大会，并接受了阿佛加德罗的分子论。这促使他能提出正确的元素周期律。
⒉自洽性好
纽兰兹机械地按当时测定的原子量大小排列元素，没有估计到原子量数值存在错误，又没有考虑尚未发现的元素，因此很难将事物的内在规律清楚地揭示出来。
理论内部的混乱引来了其它人的嘲笑和讥讽。而迈耶尔犯了同样的错误。门捷列夫却对一些原子量进行了大胆地修改，从而消除理论内部的矛盾。如当时公认金的原子量为１６９．２，金就应排在锇１９８．６，铱１９６．７的前面，而门捷列夫认为应排在这些元素后面。
经重新测定这些元素的原子量分别为：锇１９０．９，铱１９３．１，铂１９５．２，金１９７．２。事实证明了门捷列夫的正确。另外，他还大胆地修改了铀、铟、镧、钇、铒、铈、钍的原子量。
⒊预见性好
门捷列夫在表中对尚未发现的元素留下了４个空格，在１８７１年的新表中又列出６个空格，且预言了这些元素的存在及它们的性质。
迈耶尔虽然也在表中留有空格，但他没有对未知元素的性质作出预言。
１８７５年 ，法国化学家布阿博德朗（Boisbandran,P。E。L。1838-1912）在分析比里牛斯山的闪锌矿时发现一种新元素，命名为镓（法国的古名叫加里亚）。
这只是又发现了一个新元素而已──第６５个元素，本身并无精彩出奇的地方。然而，令镓的发现者吃惊的是一封来信，笔迹不熟，来自“圣·彼得堡”。来信说，他所找到的镓的性质并不完全对，特别是该金属的比重不应当是布阿博德朗所求出的
４．７，而应当在５．９到６．０之间。
署名是“圣·彼德堡大学教授狄米德里·门捷列夫”。布阿博德朗是世界上独一无二的手中拿着刚发现镓的人，从没见过镓的俄罗斯教授怎么能这样说呢？
布阿博德朗感慨万千。但毕竟他是一个真正的科学家，他用严谨的科学态度来对待此事。
他重新测定了纯净镓的比重，是５．９６。愤慨变为钦佩。布阿博德朗在一篇论文中写到：“我认为没有必要再来说明门捷列夫先生的这一理论的伟大意义了。”这是科学史上破天荒第一次事先预言一个新元素的发现。
１８７９年，瑞典化学家尼尔森（Nilson。L。F。1840-1899）发现了经门捷列夫预言并详细描述了的第二个元素“类硼”。尼尔森把它叫做钪。他写到：俄罗斯化学家的思想已经得到了最明白的证明了。
１８８５年，德国的化学家文克列尔（Winkler。C。A。1838-1904 ）发现了元素锗。门捷列夫在１８７０年就曾经特别详细地预言过这个他叫“类硅”的元素性质。文克列尔的论文一问世，人们就把它与１５年前门捷列夫的预言相比，有令人感到惊奇的巧合。
发明者本人说到：未必再有例子能更明显地证明元素周期学说的正确性了。
１８９５年英国化学家拉姆塞（Ramsay。W。1852-1916）等人发现了气体元素氦、氩、氙等一系列惰性气体元素；１８９９年，居里夫人等人发现钋、镭等放射性元素，它们都按门捷列夫周期表中预定的位置就座。
另外，在Mn一列留下的空位，后由电力公司老板不惜重金去探索这一元素。１９２５年，德国化学家诺塔克（Noddack。W。1893-1960）夫妇发现了它──铼 ，一种制白热电灯的极好灯丝的元素。
这些都是科学思维的伟大胜利。
因此，对此理论的发现，有人作了这样的描述：在科学大道上，有一块宝石，它就是元素周期律。拉瓦锡、德贝莱纳、纽兰兹、迈耶尔等人从它身边走过，都把它拿起来看看，然后又把它扔掉。
是门捷列夫吸取前人经验，仔细研究它，使之散发出本身的光彩，最后他拿着这块宝石 ，登上了化学的高峰，统一了整个无机化学。
为了纪念门捷列夫，１０１号元素被命名为钔（Mendelevium）门捷列夫成功地把过去遭到嘲笑和怀疑的的元素周期律排列的研究变成为任何人都无可置疑的事实，使宇宙间的所有元素都能如此精彩地进行排列。
这是继原子理论后对庞杂的化学实验资料的又一次大规模的综合，是人们对元素概念认识的又一次深化和飞跃。它揭示了各种化学元素和化合物之间，各种不同原子间的内在联系。它表明分布于整个自然界的化学元素并不是偶然的、杂乱无章地出现，而是存在于一个严整的、有着内在联系的系统之中。
元素周期律统一了整个无机化学。它又作为基本定律贯穿于化学领域的各个分支，它的科学思想渗透于边缘学科和交叉学科之中，改变着人们的思维方法与认识手段。它揭示了自然界的普遍联系的思想，应用了从量变到质变的辩证法规律，这是科学史上的一个伟大勋业，具有伟大的科学意义和哲学意义。
但是，在门捷列夫当时科学发展的水平上，只能把原子量作为元素最基本的性质，按照它的大小来排列各元素的顺序，认为元素的性质随着元素原子量的递增而呈周期性的变化。高中化学课本中对元素周期律的表述是：“元素的性质随着元素原子序数的递增而呈周期性的变化。
”这就是元素周期律的现代定义。关于元素周期律的新发展及其理论基础，将在本章第九节中论述。
元素周期律的发现
对元素周期律的发现众说纷纭，莫衷一是。在我国也曾经是如此。如有人说是门捷列夫连续三天三夜没睡觉后在梦中发现的，一些教科书、通俗读物中说周期律是在玩纸牌时偶然发现的，周期律的发现显得那么随机、偶然。
还有的认为门捷列夫一开始就按原子量大小排列从而得出周期律，周期律的发现轻而易举，那样既定、必然。
然而，参与门捷列夫手稿遗产研究的苏联科学哲学家凯德洛夫博士在《伟大发现的一天》中谈到：“可能而且实际上是发生在一天之内：须知发现的开始（影印件Ⅰ，Ⅱ即表１．２）到发现的完成（影印件Ⅲ，Ⅴ即表３、４）都已注明了是同一天１８６９年２月１７日”。
２月１７日早，门捷列夫正在为他所编的《化学原理》一书在碱金属之后讲哪族元素的问题苦恼。这时他收到了“自由经济协会”秘书的来信，于是他在信的空白处写下了他正在思考的问题，对不相似的两族元素（Ａ族和类Ｚｎ族）的原子量进行了计算，这就是凯德洛夫所指的表１。
然后他另取一纸，从卤素开始，按原子量递减顺序，将氧、氮、碳族编成一张表，共计元素３１（为已知元素的１／２），这就是表２中的上表。各元素族的原子量已最大限度靠近了。随后，又把元素扩大到４２，制成表２中的下表。
这时已将竖列改为横排，接近了元素周期律的发现了。那么，如何把已知的６１个元素按前面原则类似地排列成一个总表──即元素周期表的问题就明显地摆在了门捷列夫面前。为了准确、方便、迅速，门捷列夫就采用了元素卡片，在其上面写下了化学元素符合、原子价、分布情况、化合物形态等，然后进行分类排列，这就是人们说的“化学牌阵”。
表就是记载“化学牌阵”的结果，这就是从上到下按原子量递减顺序排列的完整的元素表草稿，难怪也有人以此为证说元素周期表是玩“化学牌阵”的结果。表４就是表３的加工，按元素原子量递增顺序排列，加上《依据元素的原子量和化学性质相似的元素体系尝试试验》题目，于２月１７日交付排印 ，３月１日向世界各国宣告化学元素周期律的发现。
这就是化学史上建立勋业的一天，伟大发现的一天。
门捷列夫周期表的发现是在１８６９年２月１７日。从着手到结束总共一天，这日子是或然的。从门捷列夫当时的思维状况，他也是从思考《化学原理》的编排转向元素性质间联系的，这是突然的；甚至连用化学牌阵方法来进行元素周期表的工作也是这天偶然做的。
因此，许多人认为门捷列夫的发现纯属巧遇、运气所至。但是，事实上，无论从宏观──时代的造就，还是微观──个人的努力，都可以说明这些因素造成的必然结果就是元素周期律的发现。伟大发现的一天的偶然性、突发性、或然性，只是这些必然性的表面而已。
１９世纪中叶，整个自然科学已由收集材料到了整理、概括材料时期，科学史上的三大发现已使化学的相邻学科由经验科学成为理论科学。化学也有待于从纯经验性科学过渡到理论科学。这时，化学元素不断发现，元素性质相继被测定。
原子－分子说已有了确定的地位，原子量概念的确定与推广为元素体系的成立奠定了基石。前门捷列夫时期的发现就是元素周期律的发现的“前夜”。
从门捷列夫个人奋斗的历史看，他的成功也决非偶然。
１８３４年２月７日，门捷列夫出生在俄国西伯利亚的托波尔斯克市。他父亲是一名中学校长。门捷列夫自幼喜好数学、物理、历史等，热爱大自然，收集过不少岩石、花卉和昆虫标本。他从他姐夫──一名政治流亡者那里学到了最初的科学知识。
１８４７年，他父亲病逝，意志坚强的母亲决心一定要让门捷列夫象他父亲一样接受高等教育，并为此付出一半的辛劳。后经多方努力，门捷列夫和母亲从边远的西伯利亚来到莫斯科，终于在亡父的母校──彼得堡高等师范学校物理数学系学习。
不久，他母亲带着对他的祝福与世长辞。门捷列夫为了不辜负母亲的厚望而发奋学习。在大学期间，他就有多方面的兴趣，物理、数学、技术、经济学、哲学和艺术。并为此常常和同学们进行争论，这些兴趣和爱好发展了门捷列夫的想象力，使他善于吸取人家的长处。
这为他复盖前门捷列夫周期表的所有优势，能够在开始研究单独族的时候，在自己的想象中把握他所追求的总体──所有族。即把平常的摆牌阵与编制表格的任务之间作类比，就是他丰富想象力的结果。他受教于“俄罗斯化学之祖”伏斯克利斯基教授，物理学家楞次（Lenz。
H。F。E。1804-1865）院士以及一些著名的数学家、矿物学家、动物学家、天文学家之下，使得他有良好的理论基础，广博的知识面，严谨的科学作风以及敢于提出和解决新问题的勇敢于胆略。
他的获金质奖的毕业论文《论结晶现象与结晶形态及其组成的其它关系》就已把不同元素比较联系起来了。
大学毕业后，他留在彼得堡大学任教，被破格任命为讲师，那时他才２２岁。１８６５年，该校授予他科学博士学位，且聘为化学教授。
在工作后，门捷列夫没有参与热门的化学成分研究工作，而是去探索化学中的“哲学原理”，去寻找化合物中的内在联系。
他曾说过：“我在那时求学时代，已经感到有一种把元素的原子量与其特征联系起来的广泛概括。”他在研究了前人元素分类法之后，对自己的工作目的曾这样写道：“在相似元素的对比中，依我看，包含着一个能使我的体系有别于我的先行者的体系的基本特征。
除了少数例外的情况，我与我的先行者一样，也采纳了那些相似元素的族，但我的目的是要研究这些族的相互关系中的规律性。这样我得出上述的一般原则，这个原则适用于所有元素并能包括过去所发表的同属，并且还能产生过去不可能产生的后果。
”可见他的科学信念如此坚定，目的如此明确。门捷列夫对那些认为他的发现是偶然而得，视为运气所至的提法也很恼火，他曾回答一个记者的问题时说：“这个问题我大致考虑了２０年，而您却认为：坐着不动，５个戈比一行，５个戈比一行地写着，突然就成了！事情并不是这样！”
门捷列夫周期表的出现在１９世纪末叶，没有那么一个历史环境，时代背景，即使出现了门捷列夫这个人也不会出现门捷列夫周期律，或者就只会再有一个元素的分类而已，自然界普遍联系的规律发现就得再拖延下去。
再则，如果门捷列夫这样认识的主体没有几十年的研究工作，没有预感到元素原子量与其属性有一种联系，那么即使列出了一些元素的原子量，也会对周期律的出现视而不见，有机不遇的。这两方面造就了伟大发现的一天，这一天不是门捷列夫对机遇盼望或猜想的结果，因为在其后面是一条扎扎实实的漫长的、艰巨的研究之路，知识和观念是这条道路的铺路石，它们在量上的积累才产生了２月１７日这飞跃的一天。
那么由此是不浊完全否认了２月１７日所发生的那些或然、偶然的东西呢？根据２月１７日这天门捷列夫的活动情况和思想线路看远非如此。在表３完成以后，门捷列夫可能疲倦地休息了一会，在梦中探索如何更简便地表示已经发现的规律，于是才对草表４的不规则处作了更改。
这梦中的创造性思维，对表４的完成，对元素的原子量随性质递变的规律阐述，无疑也起了不可忽视的作用，完成表２以后，，突然联想到用化学牌阵的方法，寻求到了那些研究甚少而又难于安排的元素的位置，把他前面所得的规律推广到所有已知元素上，从而完成了周期表的雏形表３。
“牌阵”方法对他完成元素体系起了重大作用。这些偶然因素，在科学发现的既定方向上起了重大作用。如果仍然坚持“偶然性是科学的敌人”，那显然是错误的。“被断定为必然的东西，是纯粹的偶然性构成的”，这在门氏周期律的发现中得以证明。
门捷列夫周期律的发现是偶然性与必然性巧妙、有机结合在一起的结晶。
门捷列夫是一个作出重大贡献的化学家，但到了晚年他从革新转入保守。他经历了科学的原子－分子学说在１９世纪确立的过程，道尔顿的一些基本观念牢固地印在他的思想中。
而对电子和放射性已被发现的客观事实，他在１９０２年发表的不册子《从化学观点来了解世界的尝试》中，仍否认电子的存在和原子的复杂性，拒不接受元素可以衰变、原子可分等新观念。并强调“关于元素不能转化的观念特别重要”，“是整个世界观的基础”，是元素周期律得以成立的前提。
直到他去世前一年（１９０６年），还在他的著作《化学原理》最后一版中，表示了对元素可变这些新观点的怀疑。但事实上正是以电子的发现、原子的可分性和元素转化的可能性为根据发展起来的原子结构学说，才是现代周期律的真实基础。
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