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              金涌院士:元素周期表讓化學化工從技藝走向科學

              為紀念發表150周年,聯合國宣布今年是“國際化學元素周期表年“。中國工程院院士金涌撰文闡述自己眼中的門捷列夫和元素周期表。

              撰文/金涌(中國工程院院士、清華大學化學工程系教授)

              在很多書籍中,俄羅斯科學家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫(1834年2月7日—1907年2月2日)都被認為是第一張元素周期表的制作者和元素周期律的發現者,而人類對化學元素性質周期律的認知,也是化學化工學科從技藝走向科學的重要里程碑。

              門捷列夫讓化學元素不再“流浪”

              當年,門捷列夫把元素按照原子量大小排列起來時,發現性質相似的元素,它們的原子量并不相近;而有些元素的性質不同,原子量反而相近。他抓住元素原子量與元素性質之間的聯系,終于找出了規律:元素性質隨原子量的遞增而出現周期性變化。1869年,門捷列夫將當時已知的63種元素列入表內,并根據這個規律編制了元素周期表,初步完成了化學元素系統化的任務。

              相比于其他人,門捷列夫最大的成就在于預測新元素。他意識到某些特定元素是缺失的,還有待被發現,并在表格中留下了空位。1871年,門捷列夫計算出在鋅和砷之間應該有個空格,存在未知的元素。就在他預言之后的第四年,1875年,法國科學家布阿勃朗用光譜分析法,從閃鋅礦中發現了鎵。同樣,對于鈧(Sc)、鍺(Ge)和锝(Tc),門捷列夫也做了同樣的留白與猜測。但直到1937年,也就是他去世30年后,人們才發現了元素锝。更令人驚訝的是,他準確地預測了缺失元素的性質。他預言了性質類似的硼、鋁、硅這些未知元素的存在,并確定了它們在周期表中的位置。

              門捷列夫不僅預言了新元素,他還根據周期表糾正了若干元素的原子量。當時一些公認的元素原子量的測定并不準確。比如金元素的原子量被公認為196.2,如果按上述規律排列,金元素應該排在鋨、銥、鉑元素的的前面。而門捷列夫依據周期律,堅定地認為金應該排在這三種元素后邊。之后這四種元素經重新測定后發現,鋨為190.9,銥為193.1,鉑為195.2,而金是197.2,這次實驗測定充分證明了周期表的正確性。另外如鈹、釷、銦等元素,都因元素周期表的成立而糾正了原子量。

              不斷“進化”的元素周期表

              在門捷列夫之前,沒有科學家把所有元素做過整體的概括,只有年輕的門捷列夫門毫無畏懼地打開了這扇大門,他開創的事業也被后來的科學家不斷完善。

              1894年,發現的“氬”元素再次證實了元素周期律的準確性。1913年,英國物理學家莫塞萊在研究各種元素的X光射線波長與原子序數的關系后,證實原子序數在數量上等于原子核所帶的陽電荷(質子),進而證明周期律的基礎不是原子量,而是原子序數,在這一成就下元素周期律對原子結構有很大啟示,進一步闡明了周期律的本質。

              在人們認識自然、創造發明的過程中,周期律的貢獻是巨大的,人們崇拜和紀念門捷列夫會是長久的、永恒的。元素周期律理論揭示了元素性質呈現周期性變化,為新元素的探索,新材料的尋找,提供了一個可遵循的規律。如鍺(Ge)和硅(Si)在周期表里位置相近,它們都是半導體,這就可以啟發人們在周期表里的一定區域內,尋求新的半導體材料等。 此外,元素周期表是周期律的具體表現,它不僅反映了元素的自然分類,同時也是學習和研究科學的重要工具。直到今天,周期律仍然指導著科學的研究工作。為了紀念門捷列夫對科學的貢獻,國際純粹和應用化學聯合會(IUPAC)還將1955年發現的原子序數為101的人工放射元素命名為“鍆”(Md)。

              至今,也許大部分人不記得大多數諾貝爾獎獲得者的名字,可每個初中生都不會忘記化學元素周期表和門捷列夫的名字。

              化工是一個魔術師,應“不離不棄“

              時至今日,我教化學、化工課程已60多年,仍有很多問題都沒有完全搞清楚。并且即使再給我60年,我仍然不敢說可以弄明白,F在想起當初自己對化學的認識,真的是過于淺薄。對于很多初學者來說,人們從元素周期表開始對化學產生了一個系統的認識。

              身為一名化工人,我最大的感受就是,如今人們對化學工程的誤解太深。近些年,由于管理工作的缺位和安全意識的缺失,一些和化工相關的安全事故和突發事件頻發,人們似乎患上了“化工恐懼癥”“化工焦慮癥”,對化工業避之唯恐不及。其實,近年來這些負面信息,把化學工業給妖魔化了。實際上,化工本身是安全的,化工危險也是可知的、可以預防的。

              我常跟學生講,在支撐現代社會文明發展的過程中,化學、化工起到了非常重要的作用。在現實生活中,化學與人類的生活息息相關,F代社會的經濟發展和人類的衣、食、住、行,都離不開化學和化工產品。自然界中不同的物質,大概有107到1010。而化學和化工制造的合成物質大約有1020到10200;な且粋魔術師,極大地豐富了這個世界。

              我們的衣、食、住、行,都離不開化學和化工產品,化學和化學工程更是高新科技的源頭和支撐。飛機,航空母艦、等先進制造業的發展需要各種高性能材料,都需要化學化學工程技術來發明和制造。此外,化學工業為解決能源短缺問題提供了廣闊的前景。100年、500年、1000年以后,地球上常用的礦產資源、化石能源可能所剩無幾,只有依靠化學和化工過程,對可再生資源和清潔能源進行轉化利用,才能使社會經濟循環永續發展。

              因此,我們化工人應挺直腰板往前看,因為我們確實對這個社會和世界做出了貢獻。


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