元素週期表150歲|門捷列夫做夢之前的35年硬核人生
2019年02月07日12:03

  澎湃新聞記者 虞涵棋

  1869年2月的一個夜晚,門捷列夫經曆了那個名垂青史的夢境:

  當時世上為人所知的63種化學元素紛紛落在相應的格子裡,組成了一張表。它們依照原子質量排列,隨著質量的增加呈現出有規律的變化。

  門捷列夫在醒來後立馬在紙上依樣畫葫蘆,只做了一處必要的修改。他發覺這種循環往複的變化與三角函數的跌宕起伏很相像,於是借用了函數週期的概念,將這張表格命名為——元素週期表。

  位於斯洛伐克首都的門捷列夫雕像

  這是科學史上最著名的夢境之一,瑰麗程度或許不如同時代的德國化學家凱庫勒夢見一條首尾相接的蛇,由此破解了苯的六角環形結構,但重要性卻更甚之。

  聯合國將2019年定為“國際化學元素週期表年”,並評價道:“元素週期表是科學史上最卓著的發現之一,刻畫出的不僅是化學的本質,也是物理學和生物學的本質。”

  這張附在幾乎每一本化學教材背後的彩色表格,相比起150年前門捷列夫從夢中拓下的版本,自然有了諸多改動和進步,然而,150年前的初心卻得以貫之:從史料來看,當年那名聖彼得堡大學的年輕化學教授,之所以想要歸納總結出元素的規律,主要是為了備課。

  1869版元素週期表

  只是,在門捷列夫的時代,起碼有4名西歐化學家和1名美國化學家嚐試過相同的事情,但都只能整理到二三十個元素就難以為繼。為什麼是門捷列夫成功了?

  在1869年2月那個寒冷的俄國冬夜之前,哪些伏筆已經在人生中埋下,最終藉著墨菲斯的力量顯現,給予唸唸不忘的問題一個爆髮式的迴響?

  (一)幼年失怙,門母三遷

  1834年,也是一個寒冷的2月,門捷列夫出生在西伯利亞的托博爾斯克一個東正教家庭。該地曾為俄羅斯民族在烏拉爾山脈以東建立的第二座城市,西伯利亞的首府,但在門捷列夫所在的時代,托博爾斯克已經日漸衰落,最終會因錯過西伯利亞大鐵道而徹底沉寂。

  門捷列夫的父親伊萬從事中學教育工作,母親瑪利亞來自當地著名的商賈世家。瑪利亞的祖父創辦了西伯利亞地區第一家玻璃廠和印刷廠,這可能算是門捷列夫的一點“化學基因”。

  這對夫妻共孕育了17個子女,門捷列夫最幼。他出生以後,家境日益窘迫,父親因白內障手術失敗,失明繼而失業,母親不得不重拾祖上的玻璃生意,經營並不順利。

  13歲那年,門捷列夫的父親去世,母親的玻璃廠付之一炬。

  瑪利亞的畫像

  不過,幼年失怙並沒有影響到他的學業。瑪利亞鼓勵他“耐心地尋找神聖和科學的真諦”。

  早慧的化學家6歲入學,數學和科學成績很好,文學方面平平。他在15歲中學畢業,早於規定年限,老師們不得不在他的結業證明上改成16歲。

  事實上,在門捷列夫接下去近20年的人生里,超越時代的天賦將屢屢為成規所縛。在以後的多個淺灘上,他再也沒能如此輕易過關。

  很快,他就在莫斯科遭遇了第一次重大的挫折。望子成龍的瑪利亞把門捷列夫千里迢迢送去求學,卻因“學區”規定而被莫斯科大學拒絕。次年,門捷列夫一家搬到了當時的首都聖彼得堡,再次因“學區”被聖彼得堡大學拒絕。

  “門母”三遷,送門捷列夫走出西伯利亞千里求學

  最終,在伊萬一位昔日同窗的幫助下,1850年夏天,門捷列夫進入了父親的母校聖彼得堡師範學院。他在入學考試中表現一般,但還是拿到了獎學金,前提是必須畢業後在中學執教。

  門捷列夫的這一段求學經曆被死亡的陰影籠罩。1850年,瑪利亞去世;1851年,富有的舅舅去世;1852年,姐姐麗莎去世;1853年,門捷列夫開始咳血,醫生給他判了肺結核的死刑。

  但門捷列夫康複了,甚至還回校趕上了考試。儘管為健康所累,他的成績一直在穩步提高,從入學時在28名學生中排名25位,到畢業時已然名列前茅。

  他學習的課題異常雜博,“中國的初等教育”、“聖彼得堡地區的囓齒動物”、“熱量對動物分佈的影響”、“古植物”、“本影無機分析”,並未看出明顯的偏好。

  但值得注意的是,門捷列夫發表的第一篇論文關於礦物分析,用德語寫作。這項研究的指導者沃斯克列森斯基是俄國科學史上響噹噹的人物。沃斯克列森斯基是有機化學泰鬥馮•李比希男爵的學生,後來被譽為“俄羅斯化學之父”。

  “俄羅斯化學之父”沃斯克列森斯基(1808年-1880年)

  這是化學在門捷列夫的生命中畫下的第一筆重彩。礦物分析,顯然與分子的稱重與原子的種類息息相關。

  (二)編外教員,德國求學

  出於健康方面的考慮,門捷列夫本科畢業後拒絕了在師範學院繼續深造的機會,計劃前往氣候更溫和的南方城市敖德薩,那裡有一座很棒的圖書館。然而,由於一些檔案錯誤,他被意外送到了小城市辛菲羅波爾,近距離目睹了克里米亞戰爭。那裡已近烽火前線,醫院人滿為患。唯一值得慶幸的是,門捷列夫在那裡遇到了一位著名的外科醫生,診斷出他並未患上肺結核。

  1956年5月,他幾經輾轉回到聖彼得堡,想要申請出國留學。在此前的幾個月裡,他教授數學和自然科學之餘準備好了關於同構體的碩士論文。然而,師範學院已經關停。1956年10月,他在聖彼得堡大學用一篇《論矽化合物的結構》完成了碩士答辯。

  此時,門捷列夫22歲。

  少年時的門捷列夫

  由於當時高校編製的稀缺,基本上是“一個蘿蔔一個坑”,門捷列夫在隨後的兩年內擔任大學的編外教員,開始了漫長的“轉正”奮鬥。

  他開授化學理論、化學史和有機化學方面的研討課,並指導本科生的實驗研究。因薪資微薄且不固定,門捷列夫時常為教育部的期刊撰稿,並接私教的活。在此期間他曾短暫地訂婚,但隨後遭遇悔婚。

  1859年的春天,編外教員門捷列夫終於出國留學,拿到了為期22個月的獎學金。他並沒有立即選定一個地方,而是花了數月遊曆西歐。行至巴黎,他相識了提出“最大功原理”的熱化學家貝賽洛特、製備烷烴的有機化學家武慈和提出燃燒定氮法的杜馬斯;行至慕尼黑,他與“祖師”李比希相談甚歡;行至海德堡,他遇到了本生電池、愛倫美燒瓶和基爾霍夫定律的冠名者。

  他留在了海德堡,原因很簡單:老鄉多。在那個年代,海德堡大約有10%的學生來自俄國,構成了龐大的僑民社區。

  (三)自製器材,發現沸點

  在內卡河畔的德國南部小鎮,門捷列夫終於有了穩定的朋友圈:創作俄羅斯詩歌歌劇《伊戈爾王子》的博羅丁、解剖青蛙提出大腦反射的謝切諾夫,還有俄國近代化學的奠基人之一齊寧。

  很顯然,被俄國當時嚴格的高校編製逼成留學生的偉大化學家不止門捷列夫一位。就在門捷列夫在國內打“零工”的同時,齊寧曾給一戶做軍火生意的瑞典移民當過家庭教師。那戶人家姓諾貝爾。

  俄國有機化學家齊寧(1812年-1880年)

  在海德堡,門捷列夫投靠在“本生電池”、“本生燈”的發明人門下。本生因實驗爆炸失去了右眼,但提出了被稱為“化學家眼睛”的光譜分析法。

  門捷列夫對本生的實驗室條件並不滿意。他在自己的公寓里自建實驗室,從結識的化學大師們手中購得精準的溫度計等設備。其中一種實驗器材是他自己設計的,如今被命名為門捷列夫比重瓶,可以精確地測量液體的密度。

  他由此發現了氣體和液體隨著溫度和壓力轉化的奧秘,提出只要降至“絕對沸點”(現在稱為“臨界溫度”),一切氣體皆可液化。這是門捷列夫獨立作出的第一項重要發現。

  1860年9月3日是一個事後看起來非常關鍵的節點。當時,海德堡附近的卡爾斯魯厄舉辦了首屆國際化學大會,包括凱庫勒、拜耳在內的140名著名歐洲化學家出席。來自意大利的坎尼紮羅號召用阿伏伽德羅發明的標準統一原子量、分子量的概念,解決紛爭已久的分歧。

  意大利的坎尼紮羅號召化學大一統

  26歲的門捷列夫旁聽了這場演講。他敏銳地嗅到了一個新的時代即將來臨,並在《俄羅斯日報》上發文報告了這場會議的成果。

  在大一統的前夜,化學帝國急需一部真正的憲法。

  (四)養家餬口,瘋狂兼職

  1861年,門捷列夫延長留學的請求未獲俄國外交部通過。當他回到聖彼得堡時,古老的帝國正在醞釀風雲變革,亞曆山大二世下詔廢除了農奴製。

  1861年俄國廢除了農奴製

  年輕的化學家雖然也關注著學生運動,但更為迫在眉睫的是柴米油鹽的窘迫。聖彼得堡大學因首都的政治局勢關停,他失去了那個編外的職位。

  門捷列夫那段時間終日饑腸轆轆,修補衣物都要賒賬。他接下了所有能接的活,同時教化學、物理、地理,在幾個高中之間來回跑。

  門捷列夫一度窮困潦倒

  稿費自然也是一門生財之道。門捷列夫很快開啟了著作等數身、本本皆傳世的高產人生。回國後花了不到4個月時間,門捷列夫完成了俄國歷史上第一本《有機化學》。該書不僅是前人資料的彙編,還加入了新的知識點。例如,他在書中首次提出了極限理論,認為甲烷CH4的碳氫比是所有碳氫化合物中最高的。

  這本500頁的手冊十分暢銷,首版迅速售罄。更妙的是,在齊寧和沃斯克列森斯基的支援下,它在次年拿下了德米多夫寫作獎。這兩位,在門捷列夫生命中多次扮演伯樂和貴人。

  門捷列夫與第一任妻子列且娃

  門捷列夫終於能喘一口氣,他用獎金還清了債務,還成家了。現在來看,他與首任妻子列且娃的婚姻更多是由姐姐“催婚”而促成,似乎並無太多感情。15年後,43歲的門捷列夫將遇到19歲的藝術生波波娃,一見鍾情,並在第二次婚禮受教會阻撓時一度想過自殺。

  (五)博士畢業,轉正教授

  寫完《有機化學》之後,門捷列夫接下了翻譯德文《技術百科全書》的校對工作,並心血來潮主筆了幾個章節。他在出版界獲得了驚人的聲譽,身無博士學位,竟被聖彼得堡應用技術學院聘為教授。值得一提的是,該校當時的校長是著名作曲家柴可夫斯基的父親。

  由於編寫了百科全書中的《酒精度量學》一章,門捷列夫還被財政部聘為酒精技術委員會的專家,徵求精確測量乙醇溶液濃度的新方法和新裝置,以改革酒稅。他用幾次立方蒸餾得到了極純的乙醇,詳盡研究了溶液體積和密度隨溫度和水乙醇比的變化,提煉出精準而複雜的公式作為工業標準。

  除了薪水,門捷列夫還有意外的收穫。他一直以來都對液體和溶液的基本物化性質很感興趣。在研究酒精的過程中,他可以從精準繪製的圖像中讀出清晰的化合物組分,即乙醇與水分子的摩爾比。

  這後來成了他的博士論文題目:《論酒精和水的化合物》。1865年1月31日,門捷列夫成了門捷列夫博士。

  門捷列夫博士

  這個十分接地氣的論題在嗜酒國度留下了一些以訛傳訛的傳奇,比如說伏特加的40個酒精度是由門捷列夫研究出的“黃金比例”。

  1865年初還發生了一件大事,門捷列夫“轉正”了。通過教授資格考試後,他成為了聖彼得堡大學的技術化學教授,並在同年秋天入住大學公寓。在那裡,他將畫出最初一版元素週期表。

  1867年,沃斯克列森斯基搬離聖彼得堡,把一個純化學教授的空缺留給了門捷列夫。

  繼承教職的同時,門捷列夫也要繼承前輩兼老朋友的教學任務:無機化學課。這對他來說是個相對陌生的領域,他決定自己動手編寫一本全新的教材。

  這本劃時代的著作,分上下兩卷,在門捷列夫生前改過8版,死後修至第13版,如今仍是化學專業大一新生的入門讀物。書名叫做《化學原理》。

  1897版《化學原理》扉頁

  不過,當時正在認真備課的化學家尚無從預知這本教材的生命力,而是深感頭疼:當時世界上已知的化學元素共有63種,《化學原理》的上卷只整理了氫H、氧O、氮N、碳C等8個常見元素,如何將剩下的55個元素全部塞進下卷?

  從堿金屬鋰Li、鈉Na、鉀K、銣Rb到鹵族元素氟F、氯Cl、溴Br、碘J(編註:碘的化學符號後來定為I)再到堿土金屬鎂Mg、鈣Ca、鍶Sr、鋇Ba,元素的化學性質依據什麼樣的規律發生變化?

  化學究竟在圍繞怎樣的憲法運作,才構成了人類所見所用所生產的物質世界?

  寫完《化學原理》上卷後的一個冬夜,門捷列夫經曆了那個名垂青史的夢境。

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