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关注丨金涌院士:元素周期表让化学化工从技艺走向科学
http://www.chemequ.cn2019-04-02 15:58:53北京石景山发布

为纪念发表150周年,联合国宣布今年是“国际化学元素周期表年“。中国工程院院士金涌撰文阐述自己眼中的门捷列夫和元素周期表。

撰文/金涌(中国工程院院士、清华大学化学工程系教授)

在很多书籍中,俄罗斯科学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫(1834年2月7日—1907年2月2日)都被认为是第一张元素周期表的制作者和元素周期律的发现者,而人类对化学元素性质周期律的认知,也是化学化工学科从技艺走向科学的重要里程碑。

门捷列夫让化学元素不再“流浪”

当年,门捷列夫把元素按照原子量大小排列起来时,发现性质相似的元素,它们的原子量并不相近;而有些元素的性质不同,原子量反而相近。他抓住元素原子量与元素性质之间的联系,终于找出了规律:元素性质随原子量的递增而出现周期性变化。1869年,门捷列夫将当时已知的63种元素列入表内,并根据这个规律编制了元素周期表,初步完成了化学元素系统化的任务。

相比于其他人,门捷列夫最大的成就在于预测新元素。他意识到某些特定元素是缺失的,还有待被发现,并在表格中留下了空位。1871年,门捷列夫计算出在锌和砷之间应该有个空格,存在未知的元素。就在他预言之后的第四年,1875年,法国科学家布阿勃朗用光谱分析法,从闪锌矿中发现了镓。同样,对于钪(Sc)、锗(Ge)和锝(Tc),门捷列夫也做了同样的留白与猜测。但直到1937年,也就是他去世30年后,人们才发现了元素锝。更令人惊讶的是,他准确地预测了缺失元素的性质。他预言了性质类似的硼、铝、硅这些未知元素的存在,并确定了它们在周期表中的位置。

门捷列夫不仅预言了新元素,他还根据周期表纠正了若干元素的原子量。当时一些公认的元素原子量的测定并不准确。比如金元素的原子量被公认为196.2,如果按上述规律排列,金元素应该排在锇、铱、铂元素的的前面。而门捷列夫依据周期律,坚定地认为金应该排在这三种元素后边。之后这四种元素经重新测定后发现,锇为190.9,铱为193.1,铂为195.2,而金是197.2,这次实验测定充分证明了周期表的正确性。另外如铍、钍、铟等元素,都因元素周期表的成立而纠正了原子量。

不断“进化”的元素周期表

在门捷列夫之前,没有科学家把所有元素做过整体的概括,只有年轻的门捷列夫门毫无畏惧地打开了这扇大门,他开创的事业也被后来的科学家不断完善。

1894年,发现的“氩”元素再次证实了元素周期律的准确性。1913年,英国物理学家莫塞莱在研究各种元素的X光射线波长与原子序数的关系后,证实原子序数在数量上等于原子核所带的阳电荷(质子),进而证明周期律的基础不是原子量,而是原子序数,在这一成就下元素周期律对原子结构有很大启示,进一步阐明了周期律的本质。

在人们认识自然、创造发明的过程中,周期律的贡献是巨大的,人们崇拜和纪念门捷列夫会是长久的、永恒的。元素周期律理论揭示了元素性质呈现周期性变化,为新元素的探索,新材料的寻找,提供了一个可遵循的规律。如锗(Ge)和硅(Si)在周期表里位置相近,它们都是半导体,这就可以启发人们在周期表里的一定区域内,寻求新的半导体材料等。 此外,元素周期表是周期律的具体表现,它不仅反映了元素的自然分类,同时也是学习和研究科学的重要工具。直到今天,周期律仍然指导着科学的研究工作。为了纪念门捷列夫对科学的贡献,国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)还将1955年发现的原子序数为101的人工放射元素命名为“钔”(Md)。

至今,也许大部分人不记得大多数诺贝尔奖获得者的名字,可每个初中生都不会忘记化学元素周期表和门捷列夫的名字。

化工是一个魔术师,应“不离不弃“

时至今日,我教化学、化工课程已60多年,仍有很多问题都没有完全搞清楚。并且即使再给我60年,我仍然不敢说可以弄明白。现在想起当初自己对化学的认识,真的是过于浅薄。对于很多初学者来说,人们从元素周期表开始对化学产生了一个系统的认识。

身为一名化工人,我最大的感受就是,如今人们对化学工程的误解太深。近些年,由于管理工作的缺位和安全意识的缺失,一些和化工相关的安全事故和突发事件频发,人们似乎患上了“化工恐惧症”“化工焦虑症”,对化工业避之唯恐不及。其实,近年来这些负面信息,把化学工业给妖魔化了。实际上,化工本身是安全的,化工危险也是可知的、可以预防的。

我常跟学生讲,在支撑现代社会文明发展的过程中,化学、化工起到了非常重要的作用。在现实生活中,化学与人类的生活息息相关。现代社会的经济发展和人类的衣、食、住、行,都离不开化学和化工产品。自然界中不同的物质,大概有107到1010。而化学和化工制造的合成物质大约有1020到10200。化工是一个魔术师,极大地丰富了这个世界。

我们的衣、食、住、行,都离不开化学和化工产品,化学和化学工程更是高新科技的源头和支撑。飞机,航空母舰、等先进制造业的发展需要各种高性能材料,都需要化学化学工程技术来发明和制造。此外,化学工业为解决能源短缺问题提供了广阔的前景。100年、500年、1000年以后,地球上常用的矿产资源、化石能源可能所剩无几,只有依靠化学和化工过程,对可再生资源和清洁能源进行转化利用,才能使社会经济循环永续发展。

因此,我们化工人应挺直腰板往前看,因为我们确实对这个社会和世界做出了贡献。

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