中國的第一份元素周期表是怎麼來的?

2019-11-13     歆琳科普

19世紀俄國化學家門捷列夫於1869年在歐洲提出元素周期表,並預測發現了某些元素,也校正了一些現有元素的原子量。然而,看似神奇又有些不完美的元素周期表,隨著更多元素的發現與更精確的原子量數據,全世界的化學家陸續提出了各式各樣的周期表,希望能修訂門捷列夫的周期表。但最終,現今化學教科書中所使用的依然是門捷列夫所提出的周期表。

元素周期表的起源

在發表150年之後,當人們回顧這段化學史的傳奇故事時,仍然很關心究竟是誰發明元素周期表?在大學化學原文書,甚至是高中化學教科書中翻開的瞬間就能看到的周期表。好奇的學生不禁會問,曾幾何時門捷列夫的周期表就靜靜躺在教科書中?有這麼多種的周期表,為何是他的周期表最後勝出?而化學史學者則不禁想問,元素周期表是何時傳入中國的?中國人是否曾經提出元素周期表或類似的概念?

邁耶爾1864年發表的元素周期表

其實,在門捷列夫提出周期表之前,就已經出現了一些類似周期表的雛形,其中較被大眾所討論的是德國化學家邁耶爾(Lothar Meyer)的元素分類表,他在1864年就按性質、原子量大小與連接強弱排列元素的位置,共有16行,而且對鉈(thallium,Tl)的原子量存在質疑,因此有些化學史學家認為他應該與門捷列夫同列為發明周期表的人。

1869年門捷列夫發表的元素周期表

雖然誰是第一位提出元素周期表的人尚有不同的看法,但無庸置疑的是,門得列夫的元素周期表最讓人驚奇,因為按照他的周期表竟然可以預測未發現的元素,並能校正當時的原子量。在19世紀時,原子量是根據元素之間的相對重量產生的,並非實驗測得,所以有些原子量不是很準確。因此,他於1869年在德國化學期刊所發表的周期表中(上圖),便對第三行最後3個原子量,當時被認為原子量是56的鉺(erbiumEr)、60的銦(indium,In)、75.6的釔(yttrium,Y)、第四行118的釷(thorium,Th)與第七行197的金(gold,Au)提出質疑。除了對金原子量的質疑有錯誤外,後來實驗發現鉺、銦、釔與釷的原子量分別是167、114、88及232,與當時所測的原子量有很大的誤差。讓人更佩服的地方在於,門捷列夫當時還列出在原子量為45、68及70的位置尚有未發現的元素。後來,於1875年被發現的鎵(gallium、Ga),其原子重就是69;1879年所發現的鈧(scandium,Sc)原子量為45;1886年被發現的鍺(germanium,Ge)原子量則是72。這些往後的發現,都讓眾人不得不對他的周期表刮目相看。

門捷列夫的周期表在西方的發展

俄語第五版英文周期表

門捷列夫出生於西伯利亞,透過自身的勤學努力在1857年成為聖彼得大學的化學講師,1864年升等為聖彼得理工學院與聖彼得大學的教授,並在1868~1870年間出版的《化學原理》是第一本按照周期系統介紹化學元素的書籍。當時的俄國並非是化學的主流國家,那門捷列夫的周期表為何能在西歐廣泛被討論?1860~1861年期間,他因獲得獎學金而有機會到德國與法國名師下進修,在德國時也曾拜訪過梅耶(Viktor Meyer)。關鍵的是1869年,他於德國《化學期刊》(Zeitschrift fur Chemie)發表了他的周期表。1882年,門捷列夫獲得了英國皇家學會(Royal Society)所頒發的戴維獎(DavyMedal),這是英國化學界的最高榮譽,以英國化學家戴維(Humphry Davy)命名,有趣的是,梅耶在同年也以周期表的貢獻而獲得此獎。

1890年德文元素周期表

雖然周期表是項不錯的化學成就,但不是一種化學理論,只是將元素的化學與物理歸類整理成為一張有規律的表格。西方的教科書是何時放入周期表?又為何要放入門得列夫的周期表?原來,在他所寫的《化學原理》教科書中,便已收錄周期表,至1890年俄語第五版被翻譯成德文(上圖),隔年又再被翻譯成英文(下圖),於1895年俄語第六版則被翻譯成法文,換句話說,西歐的化學教科書是在1890年後才出現周期表。在這些國家的翻譯書中,周期表的位置雖然不像今天一打開教科書就能在最醒目的位置看到,但已置放在目錄後頁非常顯眼的地方了,強烈暗示讀這本書之前,請先看看這份元素周期表!

門得列夫的周期表在中國的發展

不只是元素周期表的西傳,另一個讓人關心的話題就是周期表何時傳入清末的中國。在第一次鴉片戰爭(First Opium War,1840~1842)之後,西方傳教士為了傳播上帝福音來到中國,繼而發現中國人對於西方科學的興趣遠遠大於基督教義,便以科學為輔協助傳教,所以,現今使用的氧(oxygen,O)、氫(hydrogen,H)與氮(nitrogen,N)等名詞最早就是出現在英國醫學傳教士合信(Benjamin Hobson)所著的科學書籍中。自強運動(又稱同治維新,1861~1895)時,朝廷為富國強兵,需要引進西方分析礦產與冶金的技術,因此翻譯了許多的化學書籍,然而,在當時所編譯的書籍中並沒有看到周期表的蹤影。

《化學詳要》中的周期表

但儘管如此,在甲午戰爭(1894~1895)後、民國成立之前,西方傳教士仍然是很重要的科學傳播途徑,特別是在培養醫學傳教士方面。也因為化學是醫學必備基礎知識之一,當時也翻譯了某些化學書籍。目前為止,在中國發現最早且最完整的介紹門得列夫周期表的文獻是《化學詳要》(A Manual Chemistry),是一本化學教科書,原文是由英國的盧夫(Arthur Luff)和佩奇(Frederic Page)所著,由出生於南非的傳教士紀立生(Thomas Gillison)口譯,趙齊異筆述。1905年,《化學詳要》一書由上海美華書局出版,書中周期表被稱之為「循環表(上圖)」,並有完整的周期表歷史發展與介紹。

首先,在此書開頭便提到1864年時,一位英國化學家紐蘭茲(John Newlands)依照元素的重量及性質進行排列,且發現每列皆有8個元素具有類似的性質,因而稱之「八為級之例(上圖)」。接下來,

便是介紹門捷列夫周期表在化學發展中的重要性,書中提及:「厥後五年,化學家門捷列夫推求此理,用表發明,縱列八行,將元質按元重之序,依次橫布,周而復始,無者虛其位,謂之定循環之理,似難求一妥協地步,區處得宜。」並以元素化學與物理性質排列狀況對周期表做了完整的解釋。

民國成立之後,除了西方教會與日本的影響外,更多的留學生前往歐美國家讀書,造就了更多大學中化學系的成立。也由於教學與研究的需要,使中國人吸收西方現代化學知識的主要渠道已不再偏限於基礎教科書,有些則是從學術新知的化學期刊而來。

俄羅斯聖彼得堡牆上的周期表

中式周期表

從化學知識傳播的角度而言,實在無法想像中國人能夠提出一份受到中國自然哲學影響的周期表,然而,在中國科學歷史中,卻意外的發現了一份1924年、由郭本瀾先生所提出的周期表。他在1919年畢業於北京大學,出版過《化學表解》,也翻譯過《最新化妝品製造法》,所發表的周期表是編輯在1922年於北京成立的中華化學工業會所發行的期刊中。在此大表格中,中間放在一個像八卦形的周期表,四周則是覆蓋文字說明想法與背景。

首先,文中先交代門捷列夫周期表的4個功能:「公曆一八六九年俄國化學家門得雷業(Mendelejeff)氏發明周期表,並創作周期表。周期表之功用:(一)能定元素之系統(二)能求元素之原子量(三)能為新元素之預言(四)能正原子量之錯誤。」

接下來,則稱讚門捷列夫周期表的神奇功能與在化學發展上的地位,最有趣的是,他將這份周期表與中國的八卦相比,這個靈感毫無疑是受到中國自然哲學的影響:「其神奇奧妙,適可與八卦相比擬。自有此大發明,化學一科始得有系統而研究之,斯周期表之價值當永垂不朽也。」經過一番大力讚美後,馬上轉折提出門捷列夫的周期表並非到達到完美的境界,依然有改善的空間:「查門氏周期表中之疑點尚多,有未盡善。迭經學者研究,次第改良,然家別派殊,迄莫能定。」最後,則談到自己對於周期表的研究和創見,因而再製作一個新的周期表,希望與全球學者能有切磋交流的機會,「本瀾於此,別有心得,另創新表,今特提出以與世界學者討論,是否有當,歡迎指教。」

郭本瀾之所以能提出周期表,就如同自身所陳述,不僅參考英國放射化學家索迪(Frederick Soddy)在1914年提出的螺旋形周期表,也參考美國物理化學家哈金斯(William Draper Harkins)在1916年所提出的周期表(上圖)。前者在1913年提出,某些元素在周期表中占有同一位置,質子數相同,但是中子數卻不同,即今天的同位素概念,索迪也因為這項發現在1921年獲得諾貝爾化學獎;後者則是在1920年預測中子的存在。順帶一提,元素中的中子是在1932年由英國化學家查德威克(James Chadwick)所發現,而質子則是在1919年由英國化學家盧瑟福(Ernest Rutherford)透過實驗證實其存在。

結語

回顧150年來元素周期表的發展,最精彩的那一張周期表,非門得列夫莫屬。不過,科學家雖然驚奇他的周期表,但又覺得不完美,所幸隨著更多元素,甚至是電子、質子和中子的發現,讓原子量的測量更準確,也進而有更多的周期表陸續被提出,像是德國化學家溫特(Gustav Wendt)於1891年所發表的周期表(上圖),一座像花園大門的拱樹長在門捷列夫所灑的「夢」土之中。不僅如此,因為科學家們提出各種不同樣式,諸如立錐、螺旋、同心圓或八卦等形狀,也讓周期表發展更富傳奇性。

文章來源: https://twgreatdaily.com/jpulZW4BMH2_cNUgRWwK.html