门捷列夫的“旷缺”与中国公使的感叹

刘钝

清华大学 科学史系，北京 100084

2019年是联合国教科文组织宣布的化学元素周期表国际年，重头戏是纪念俄罗斯化学家门捷列夫(Дмитрий Иванович Менделеев，1834—1907)发现元素周期律150周年。2019年又适逢国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)成立100周年，7月5—12日该组织将在巴黎召开第50届大会，同时举办纪念元素周期律发现150周年的盛大活动[1]。

从18世纪中叶起，随着越来越多的新元素被发现，许多人就开始了寻找元素性质变化规律的尝试，其中最重要的成果有德国人德贝莱纳(Johann Wolfgang Döbereiner，1780—1849)1829年提出的“三元组”、法国人尚古特瓦(Béguyer de Chancortois，1820—1886)1862年提出的“螺旋图”和英国人纽兰兹(John Newlands，1837—1898)1865年提出的“八音律”[2]。但是，这些模型都不够理想，也无法涵盖全部已知的化学元素，遑论预言未知元素的存在及性质了。

门捷列夫经过长时间的观察、分析、比较与综合，领悟到化学元素依照原子量(严格的说法应为相对原子质量或原子序数)的大小呈现周期性变化的规律，从而制作出世界上第一张化学元素周期表。在19世纪中叶，许多元素还没有被发现，门捷列夫把当时已知的63种元素全部列入表内，又在表中留下一些空位，预言了与硼、铝、硅类似的元素的存在。他借助梵文前缀eka(意“类”)将这些未知元素命名为“类硼”、“类铝”和“类硅”——它们正是后来被发现的钪、镓、锗。根据自己的理论，门捷列夫还指出当时测定的某些原子量的数值有误。例如：当时认为金的原子量比锇、铱、铂要小，但门捷列夫坚持把金排在这些元素后面，并提出应该重新测量金的原子量，结果证明他是正确的。

几乎与门捷列夫同时，德国化学家迈耶(Julius Lothar Meyer，1830—1895)也进行着类似的探索，只是他的表不够全，也没有像门捷列夫那样明确宣称化学元素随着原子量增加呈现周期变化。他也承认自己的工作受到门捷列夫的影响。

关于门捷列夫发现周期律的过程，流传着许多以讹传讹的故事，最典型的就是托梦说和扑克说：前者说门捷列夫在连续三天三夜工作后昏昏入睡，梦中看见按应有位置排列的周期表；后者则说他是在玩纸牌时突然获得灵感的。这些都属于捕风捉影的传说。实际上，早在1860年，门捷列夫就在德国卡尔斯鲁厄举行的第一届国际化学家大会上获得意大利化学家康尼查罗(Stanislao Cannizzaro，1826—1910)阐述原子-分子论的小册子，从而产生化学元素的性质随原子量增加而呈现周期变化的思想。从1865年起，身为彼得堡工学院和彼得堡大学化学教授的门捷列夫着手编撰《化学原理》，正是在此过程中他开始关注各种元素的性质与关系，也曾利用卡片尝试不同的分类与组合，“扑克说”大概就由此而来。

不过根据苏联科学哲学家与科学史家凯德洛夫(Бонифатий Михайлович Кедρов，1903—1985)的研究，世界上第一张系统的化学元素周期表，是门捷列夫在1869年3月1日(俄历)一天之内完成的。他把自己的考证结果写成了厚厚的一本专著《伟大发现的一天》，书中再现了门捷列夫在这一天的工作日程和发现经过[3-4]。同年3月18日，门捷列夫的论文由《俄罗斯化学学会会刊》主编在俄国化学会年会上宣读。因此，包括联合国教科文组织和国际纯粹与应用化学联合会在内的权威机构都将化学元素周期表的发现时间定在1869年。

图1 亚罗申科《写字台前的门捷列夫》(1886)(https://ru.wikipedia.org/wiki)

门捷列夫成年后主要生活在圣彼得堡。图2是位于圣彼得堡他的寓所外的一尊雕像，附近的墙面上镌刻着化学元素周期表。图3是苏联邮政部门1969年发行的一枚面值6戈比的纪念邮票：票面上的门捷列夫形象来自亚罗申科的油画，左侧的三个数据分别是铝、镓、铟的原子量，后两种元素在门捷列夫最初制作周期表时还没有被发现，但是他都估算出了大体准确的原子量(铝、镓、铟的相对原子质量精确值分别为26.98、69.72和114.82)。

图2 圣彼得堡门捷列夫故居前的雕像(https://learnodonewtonic.com/dmitri-mendeleev-facts)

图3 苏联发行的门捷列夫纪念邮票(https://commons.wikimedia.org/wiki)

1875年，法国化学家布瓦博德兰(Paul de Boisbaudran，1838—1912)利用光谱分析法从闪锌矿石中发现了一种新元素镓，它的许多性质与门捷列夫1871年预言的“类铝”完全一样，如熔点低、灼热时分解水汽、能结晶生成矾类等，只是布氏测得的密度4.7比门捷列夫估计的数值5.9～6.0要低一些。对自己发现的周期律十分自信的门捷列夫立即写信给布瓦博德兰，建议他提纯后重新测一下密度。布瓦博德兰起初感到怀疑，因为当时只有他掌握镓的样品，远在彼得堡的门捷列夫怎么可能知道它的精确密度呢？不过重新测量的结果令他大为折服，镓的精确密度是5.94！之后的十来年里，在元素周期表的指导下，“类硼”(钪，1879年)、“类硅”(锗，1885年)以及许多新元素都被相继发现。

西方近代化学知识于清末传入中国，代表性译著是1871年左右出版的《化学初阶》(广州博济医院)和《化学鉴原》(上海江南制造局)。学者们认为两书出于同一底本，即美国人威尔斯(David Ames Wells，1828—1898)的《化学原理》。威尔斯的书初版于1858年，后来又曾多次重版。王扬宗认为傅兰雅(John Fryer，1839—1928)和徐寿(1818—1884)翻译《化学鉴原》时参考了较新的修订本[5]。两书都介绍了当时已知的64种元素(其中一种后来证明不是元素)，但是没有提到元素周期律。

有趣的是，有关元素周期律的最早中文记录，似乎出自中国第一位派驻海外的外交官、清廷驻英公使郭嵩焘(1818—1891)。图4是《伦敦电讯画报》1877年2月24日增刊上刊登的郭嵩焘像。郭嵩焘出使英国期间，曾多次向人请教近代化学方面的知识，而他身边恰好有两个堪当此任的人。第一位是其英国随员马格里(Halliday Macartney，1833—1906)，此公是乾隆年间英国派往中国的外交使团团长马嘎尔尼(George Macartney，1737—1806)的后人，早年曾在爱丁堡大学学习医学，1876年以三品衔候选道兼三等翻译官的身份随郭嵩焘出使英国。第二位是福州船政学堂舰船驾驶科首届毕业生会考第一名罗丰禄(1850—1901)，他的同期同学包括严复、刘步蟾、方伯谦、林永升、邓世昌等众多名人。1877年3月，清廷选派第一届赴欧留学生时，罗丰禄已经留校任教，但是他还是以候选主事兼翻译官的身份获选，只是没有像严复等同学那样被派往海军学院，而是直接进入伦敦国王学院深造，师从化学名家蒲陆山(Charles Loudon Bloxam)学习化学和其他自然科学。罗丰禄后来成了一名职业外交官，先后出任清廷派驻英、意、比、俄等国的公使。图5是英国伯明翰市1900年制作的罗丰禄纪念章。

图4 《伦敦电讯画报》刊登的郭嵩焘像

图5 英国制作的罗丰禄纪念章(http://image.baidu.com)

在郭嵩焘的日记中，留有多则同马格里、罗丰禄谈论化学的记录。例如：1877年6月2日记马格里“言化学，分别本质不变者六十三种”；12月2日记“稷臣(罗丰禄字)在京斯科里治(国王学院Kings’ College的音译)学习化学……言化学书精者”；12月18日记“罗丰禄留谈化学，极可听”；1878年11月14、15日连续两天听马格里讲化学等[6]。1878年2月25日的一则日记特别值得注意：

数十年前，英人有纽伦斯，推求六十四品中应尚有一种，而后其数始备。至一千八百七十一年，日耳曼人曼德勒茀始著书详言之，谓合各种金质，辩其轻重，校其刚柔坚脆，中间实微有旷缺，应更有一种相为承续。至是法人洼布得隆又试出一种金，在化学六十四品之外，名曰嘎里恩摩，其质在锡与黑铅之间。其试法亦用英人罗尔曼洛布尔斯光气之法：凑合五金之质，加之火而以镜引其光，凡有本质不能化者，必得黑光一道。杂六十四品试之，则得黑光若干道。又于其光之左右疏密，以辩知其为何品。[6]

上文中的“纽伦斯”就是1865年提出“八音律”的纽兰兹；“六十四品”即当时已知的64种元素；“日耳曼人曼德勒茀”应是“俄罗斯人门捷列夫”之误，按门捷列夫曾于1859年前往德国海德堡大学学习并出席了次年在卡尔斯鲁厄召开的国际化学家大会，他在1871年发表的第二篇论文中对两年前提出的周期表作了进一步完善；“微有旷缺”是指他在周期表中留下的空位；“洼布得隆”就是布瓦博德兰；“嘎里恩摩”就是元素镓(gallium)的音译；“黑铅”不是单质元素，这里应该是锌，也就是说新元素镓的质(原子量)在锌和锡之间；“罗尔曼洛布尔斯”即英国天文学家洛克耶(Joseph Norman Lockyer，1836—1920)，“光气之法”就是他所发明的光谱分析法。

郭嵩焘当天日记没有交代信息来源，然而前一天的日记提到使馆随员及船政学堂督学李凤苞(字丹崖，1834—1887)携罗丰禄自“满吉斯”(曼彻斯特)归来向他汇报，则“略记丹崖所游历，以备他日访求。”学者认为郭嵩焘记下的，正是罗丰禄讲述的“曼德勒茀”与“洼布得隆”关于镓之发现的故事[7]。

有趣的是，郭嵩焘在记述了上面的故事之后，又联想到大约半年前(1877年8月26日)从报纸上读到的海王星之发现的故事：1846年，在法国人勒维耶(Jean Joseph Le Verrier，1811—1877)和英国人亚当斯(John Couch Adams，1819—1892)各自独立推算的基础上，天文学家找到了天王星外一颗较大行星，即海王星。郭嵩焘在叙述发现经过时同样使用了“测其中空缺处”这样的话语，感叹“西洋天文士凭空悟出，则遂有人循而得之”，与门捷列夫先预言再由布瓦博德兰从矿物中提炼发现镓的经过有异曲同工之妙，由此“亦略见西人用心之锐与其求学之精也。”[6]

无独有偶，恩格斯在《自然辩证法》中，也将门捷列夫的工作与海王星的发现相提并论，认为：

门捷列夫通过——不自觉地——应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业，这个勋业恐怕可以和勒维烈计算尚未知道的行星海王星的轨道的勋业居于同等地位。[8]

按照于光远等人在1984年修订版中的注释，恩格斯这份题为“辩证法”的手稿大约写于1879年末，与郭嵩焘有关门捷列夫的日记几乎同时。问题是：恩格斯与郭嵩焘(或罗丰禄)的说法是否有一个共同的来源呢？