门捷列夫预见的准确性让众人瞠目结舌:他预测“类铝”原子量是68(布瓦博德朗得到的是69.9),比重是5.9(布瓦博德朗得到的是5.94)。此外他还正确地猜测出很多镓的其他物理和化学属性,比如熔点、氧化物、盐以及化合价。布瓦博德朗的观察与门捷列夫的预测之间存在着一定的差异,但不久之后,事实就证明门捷列夫才是对的。他对镓属性的把握比镓的发现者还要准确,但镓这种元素门捷列夫从未见过!
人们突然之间不再认为门捷列夫仅仅是一名梦想家,而认为他是发现自然定律的伟人。现在元素周期表已经从一张漂亮但从未经证实的图表转化为无价的指导。元素周期表可以让很多之前不曾联系起来的化学信息结合,还可以用来给未发现的元素的研究指点迷津,让科学家有系统地研究那些未知的元素。“在宣布此定律之前,”门捷列夫在近20年后说,“化学元素只是些碎片,并且本质上都是偶然的事实,无法期待新元素的出现。”
现在使用门捷列夫的元素周期表,不但可以预测新的元素,还可以推测它们的属性。门捷列夫曾两次成功地做出预测。几年后,随着元素钪和锗的发现,他的预测都得到了证实。像镓一样,他根据类比和线性关系作出了自己的预测,猜想这些未知元素的物理和化学属性,它们的原子量应该介于它们临近元素的原子量之间。
周期表成立的关键,在于整族元素是否能排在一起,而不是某一种新元素与周期表是否相合。这一点门捷列夫也没有料到。1894年发现氩,氩好像不适合放在元素周期表的任何位置。??开始门捷列夫否认氩是一种元素,并且认为氩是氮的一种(N3),就像臭氧(O3)一样。但是很快问题就变得明朗化了,元素周期表上还是有氩存身的地方,就在氯和钾之间。并且事实上,它所在的元素组都位于卤素和碱金属中间。这一点是布瓦博德朗发现的。布瓦博德朗继续预测其他元素的原子量。他宣称,还能发现其他的气体,并且他很快就发现了这些气体--氦、氖、氪和氙。很明显这些气体形成了一个完美的组合。这组气体是那么懒惰、那么谦虚、又那么不引人瞩目,所以一个
纪以来化学家们都没有发现它们。人们认为惰性气体是不能与其他元素反应的,它们的化合价好像都是零。
在我眼中,元素周期表是我见过的最美的东西。至于它到底美在哪里,我一时间很难说清楚。是因为简明?还是因为连贯性或者韵律?或者是它的必然性呢?也许因为它是对称的,每一种元素都各得其所,没有间断,没有例外,每一个都有自己的意义。
我在阅读化学家梅勒有关无机化学的那本巨著时,发现这位伟大而博学的化学家居然说元素周期表很肤浅并且是错觉,他的话严重地影响了我的心情。他还说,元素周期表并不比专门的分类更真实和有依据。这让我一时之间很痛苦,我急切地想知道,除了化学性质和化合价之外,元素周期表是否还得到了其他方面的支持。
对这件事的探索欲望使我走出了自己的实验室,并立即喜欢上另外一本权威的书:《CRC物理化学手册》。这是一本非常厚的书,几乎有3000页。这本书中包含每一种可以想象得到的关于物理和化学性质的表格,我用心地学习了其中的大多数知识。
我找到了密度、熔点、沸点、折射率、溶解度以及晶体形状和几百种化合物。我对这些图形的设计充满了好奇,以我想象出的每一种物理属性为依据,计算原子量。探究的东西越多,我就越兴奋。几乎观察到的每一样特性都显示出周期性:密度、熔点、沸点、导热性、导电性、晶体形状、硬度、融合的体积变化、热膨胀、电极电位等。不仅化合价,物理性质也都符合。经过此种验证后,我对元素周期表的威力和普遍性有了更深的认识。
元素周期表中也有例外和异常情况,有一些还特别严重。比如,锰的导电性那么差,可为什么它旁边的元素导电性那么好呢?为什么只有铁磁性很强?我相信这些例外反映出了一些特殊性,但是这绝不会推翻整个周期表。
我也想利用元素周期表自己预测一组未知元素的属性,就像当年门捷列夫预测镓和其他元素一样。当我第一次看到博物馆的元素周期表的时候,发现周期表上有四个空缺处。碱金属族最下边一个,第87号元素还是空白。卤素的最后一种,第85号也还没有。还有第43号元素,也就是锰下面那个,尚未发现。虽然空格上标着“锝”,但是没有原子量。最后,还有一种稀土元素,第61号也没有。
很容易预测未知碱金属的属性,因为碱金属都很相似;并且只要利用这一组的其他元素推测就可以了。我注意到,第87号元素是所有元素中最重的,最难溶解也最活跃。在室温中它会是一种液体,并且与铯一样,发出金黄色的光泽。事实上,它应该是橙红色的,就像熔铜。它带的正电比铯还要多,并且表现出较强的光电效应。与其他的碱金属一样,它的火焰呈现亮色--可能是蓝色,因为从锂到铯的火焰颜色都倾向于蓝。
预测未知卤族的属性也同样简单,因为卤族元素的属性也很相似,并且这组元素显示出简单的线性趋势。
但是对第43号元素和第61号元素的属性的预测会比较麻烦,因为这些都不是典型元素(用门捷列夫的术语),并且正是这些非典型元素让门捷列夫遇到了麻烦,让他更改了原来的元素周期表。过渡金属有同质性。它们都是金属,总共有30种,并且大多数的金属就像铁一样很硬、密度高并且不易溶解。过渡元素更是如此,例如戴维舅舅给我介绍的铂系金属和种种可做灯丝的金属。我对颜色的喜爱让我知道了另外一个事实,那些典型元素的化合物通常情况下是无色的,就像食盐,而过渡金属的化合物常常有着鲜艳的色泽:粉色的矿物质、锰盐以及钴盐、绿色的镍盐以及铜盐,还有钒盐的多种颜色,而且它们的化合价也不止一种。所有的这些属性向我展示了过渡金属是一种特殊的不寻常的东西,其本质与其他典型性元素很不一样。
然而,人们猜测第43号元素可能会有锰和铼的一些属性。锰和铼是与它同一组中的其他元素。例如,它的化合价可能大到7,并能形成有色的盐。但是通常情况下与其临近的过渡金属很相似,比如左边的铌和钼以及右边闪亮的铂系金属。所以可以预测它应该是一种发光的坚硬的金属,密度和熔点都与邻居很接近。这就是钨舅舅喜欢的金属类型。这种金属如果有一定存量,与18世纪70年代卡尔·威尔海姆·舍勒发现的金属应该属于一类。
最难预测的是第61号元素,这是一种稀土元素,这种元素最难以捉摸。
我想我第一次听说稀土元素是从妈妈口中得知的。妈妈抽烟抽得很厉害,她会用一个小朗生打火机点燃一根又一根的香烟。有一天她突然让我看了一下打火石,并将打火石从火机中拿出来,然后告诉我说:“这不是真正的打火石,而是一块金属,摩擦这块金属的时候它就能产生火花。”这种含铈的稀土合金是6种金属的混合物,主要成分是铈。这6种金属很相似,它们都属于稀土族。稀土族这一古怪的名字,听起来好像是神话故事。我认为稀土族不仅稀有、珍贵,而且还有其他元素不具有的特殊性质。
后来,戴维舅舅向我讲述了化学家们在分离稀土元素时遇到的极大困难。总共有10多种或者更多的稀土元素,因为它们非常相似,有时很难区分它们的化学和物理性质。它们的矿石(由于某种原因大多是来自瑞典)从来不会只含一种元素,而是包含所有的稀土元素,好像大自然根本不能将它们区分开。对它们的分析在化学史上都成为了英雄事迹。100多年或者更长时间以来,尽管挫折不断,还是有很多科学家对稀土元素进行了大量的研究,尽管挫折不断仍再接再厉,最后才把这些元素分离出来。事实上,最后几个稀土元素的分离已经超出了19世纪时化学的力量,只有后来使用了物理方法,比如光谱分析法和分步结晶法出现,才最终把这些稀土元素分离出来。而且,分步结晶法要进行不少于15000次,才能把溶解度差异极小的稀土元素盐类分离出来。最后出现的镱和镏耗费了化学家大把的时间。
尽管如此,还是有很多化学家对稀土族元素非常感兴趣,并且把毕生的时间都奉献于分离这些稀土元素上。他们认为他们的研究可能会对所有元素及其周期律产生意想不到的影响。
英国物理学家威廉姆·克鲁克斯写道:
稀土族让我们在分析时非常困惑,推测时也很为难,并且做梦时都被它们折磨。它们就像在我们面前延伸开来的一片汪洋大海:在嘲笑着我们,非常神秘,并且还在轻声低语,像要告诉我们什么。
稀土元素让化学家们感到困惑,备受折磨。门捷列夫努力将这些稀土元素放到元素周期表中的时候,肯定也绞尽脑汁。门捷列夫在1869年制定出第一份元素周期表的时候,已知的稀土族元素只有5种,但是接下来的几十年里,科学家发现了越来越多的稀土元素,并且每发现一种新的稀土元素都会出现一个新的问题:因为所有的稀土族元素原子量都很接近,很难在元素周期表上安排它们的位置,必然会在第六周期的两个元素中间挤成一团。其他化学家也都为此伤透脑筋,进而想到稀土元素可能不止这些,还有多少种呢?那应该怎么办?
在19世纪末,很多化学家打算把过渡金属和稀土元素分开摆放,因为他们想调整这些多出来的元素,以免元素周期表越来越庞大。这些多出来的元素好像扰乱了元素周期表中的八大基本元素。为了达到这个目的,我也试着自己制作不同形式的元素周期表,采用螺旋状或立体的。后来我发现,很多科学家都是这样做的:门捷列夫在世的时候,至少有100多个版本的元素周期表。
我制作的所有元素周期表以及我看到的所有元素周期表,关于最后一种元素铀,都是以一个大问号来结尾。我对此非常好奇。第七周期始自未知的碱金属元素,也就是第87号元素,但到了铀,第92号元素就戛然而止,这是为什么?我想知道,铀之后就再也没有元素了吗?
因为铀的化学性质和钨相近,门捷列夫把铀放在了钨的下边,也就是第六族中最重的一种。钨会形成具挥发性的六氟化物。铀也一样,在战争中UF6曾被用来分离出铀的同位素。铀好像是一种过渡金属,就像是“类钨”,但是不知何故,对此我感到有点不舒服,并且决定去作一些探索,去调查一下所有过渡金属元素的密度和熔点。我一开始作调查的时候,就发现了一种反常现象,因为在第4、5和6周期中,金属密度稳定地增长,然而第7周期中,却出人意料地下降。我们一般认为铀比钨密度大,实际上它更小。与此相似的是,钍也没有铪的密度大。它们的熔点与此也很相似:在第6周期,熔点达到顶点,然后就会突降。
对此我感到欣喜不已,认为我有了一个巨大发现。尽管铀与钨之间有如此多的相似性,但它是否根本不属于这一组?它是不是不属于过渡元素?第7周期中的元素钍和镤也是这样的吗?铀之后的未知元素呢?这些元素是不是第二系列的稀土元素,可和第6周期的第一系列并排?如果真是这样的话,那么“类钨”就不可能是铀,而是一种尚未发现的元素。只有第二组稀土族完整,这种元素才可以出现。在1945年,这种事还不可想象,只能是科幻小说中的东西。
战后,伯克莱的格林·西奥多·西博格以及他的同事印证了这一点,制造出一系列的超铀元素,也就是从第93号到第96号元素。当我发现我的猜测正确时,我感到非常兴奋。这些元素事实上只是第二组稀土元素的一部分(与第一组稀土族元素镧系相对应,西博格将此称为锕系)。⑾