化學元素中的“天王星”

德國南部出產一種礦物，從十八世紀上半葉起，就有許多礦物學家試圖對它進行分類，但意見很不一致。有的認為它是鋅礦，有的則把它歸入鐵礦。1781年發現了新元素鎢以后，還有人認為這種礦物中含有鎢。

　　1789年，德國化學家克拉普羅特對這種礦物進行了全分析。他用硝酸處理這種礦物，得到一種黃色溶液，向這種溶液中加入“鉀堿”進行中和時，便析出一種黃色沉淀。沉淀物的性質與所有已知元素相應化合物的性質很不一樣，所以克拉普羅特認為它是一種新元素的“氧化物”。

　　于是，克拉普羅特將這種“氧化物”與碳放在一起，加熱到很高溫度，企圖把這種“氧化物”還原成金屬。他確實得到了一種金屬態的黑色物質，這種黑色物質的化學性質與所有已知元素的化學性質不同，因此克拉普羅特認為自己發現了一種新的元素。

　　1789年9月4日，克拉普羅特報告了自己的發現，題目是“烏拉尼特(Uranit)——一種新的半金屬”。他之所以將“新元素”命名為“烏拉尼特”，是為了紀念八年前新行星——天王星(Uranus)的發現。

　　次年，克拉普羅特將“新元素”改稱為鈾(Uranium)，他說：“我根據類推法將該新金屬的名稱由烏拉尼特改為鈾”，于是鈾的歷史就這樣開始了。

　　這種“新元素”的發現確實引起了許多化學家的興趣，不少人對它進行了研究。但實際上，“新元素”不是元素而是化合物。在長達半個世紀的時間內，竟沒有人認識到這一點。克拉普羅特本人一直到死，仍然深信自己發現并分離出了鈾元素。

　　曾有少數人對克拉普羅特的結論表示過懷疑，認為“烏拉尼特”可能是一種化合物。例如瑞典著名化學家貝采利烏斯，就曾試圖用純鉀來還原“烏拉尼特”，但末成功；同一時期，阿弗維特遜也曾用氫來還原“烏拉尼特”以及鈾和鉀的一種二元氯化物，但得到的最終產品依然是“烏拉尼特”。

　　直到1841年，法國化學家佩里戈特才揭開了“烏拉尼特”的秘密，證實“烏拉尼特”確是鈾的化合物而不是元素鈾。

　　佩里戈特將“烏拉尼特”同碳一起加熱，并通入氯氣，從而得到一種升華出來的氯化鈾結晶體。奇怪的是，生成氯化鈾所消耗的“烏拉尼特”和氯氣的總量竟是化學計算量的110％，而且在氣態產物中還含有二氧化碳。這說明，“烏拉尼特”原來是一種金屬氧化物。

　　證實這一結論的實驗有很多，例如使四氯化鈾水解，得到的產物是“烏拉尼特”和氯化氫，這表示“烏拉尼特”是化合物而不是元素。

　　為了得到元素鈾，佩里戈特采用的也是鉀還原法。但他是還原四氯化鈾，而不象貝采利烏斯那樣還原“烏拉尼特”。

　　佩里戈特將四氯化鈾同鉀放一起，放在白金坩鍋中加熱。因為需要將反應物加熱到白熱狀態，所以這是一個有危險的實驗。為了謹慎起見，他把一只小白金坩鍋放在一只大白金坩鍋里，當小坩鍋中的物質開始反應的時候，便立刻把火源熄滅，以免金屬鉀從白金坩鍋中飛濺出來，發生事故。等到激烈的反應變得和緩了，再對白金坩鍋加強熱，以除去其中所剩余的鉀，并使已被還原出來的鈾聚結。待到冷卻后，用水將其中所含的氯化鉀溶解而除去。結果，在留下的黑色殘渣中找到了銀白色的金屬鈾顆粒。

　　至此，一種新的化學元素鈾——化學元素中的“天王星”，經過半個多世紀的孕育，才真正誕生了。

　　1789年克拉普羅特發現含鈾化合物“烏拉尼特”的時候，已知的化學元素還只有25種；但是到1841年佩里戈特制得真正的元素鈾的時候，已知元素的數目已經增加到55種。這么多的元素，重量有輕有重，性質千差萬別，真好似一團亂麻。但是化學家深信物質世界是秩序井然的，因此他們一直試圖透過表面的混亂現象，從元素的特性中找出某種內在的規律性來。

　　1869年，已知化學元素的數目已經增加到62種，俄國化學家門捷列夫終于在前人工作的基礎上，把當時象一團亂麻似的雜亂無章的元素理出了一個頭緒。他發現，隨著元素原子量的增加，元素的性質呈現出明顯的周期性變化，這就是著名的元素周期律。兩年后門捷列夫加以充實改進的周期表，已經達到了成熟的程度，與現代的周期表已相差無幾了。

　　在編制周期表時，門捷列夫認為元素的性質比它的原子量更為重要，因此當某一元素的性質與它的根據原子量排列的順序有沖突時時，他便不顧當時公認的原子量，大膽地把它的位置調換一下。例如碲和碘的原子量，當時測定的值分別是128和127，如果按原子量排列，碲應該排在碘的后面。但是門捷列夫把碲提到碘的前面，以便使它位于性質與它非常相似的硒的下面，并使碘位于性質與碘非常相似的溴的下面。

　　門捷列夫堅信自己已發現了一條最基本的自然規律。因此，為了使排列不違背既定的原則而又沒有別的解決辦法時，門捷列夫就毫不猶豫地在周期表中留出一些空位。門捷列夫指出，這些空位的元素將來一定會被發現，并預言了這些元素的性質。在輕元素中，他斷定將來一定會發現原子量大約等于44、68和72的三種元素：類硼、類鋁和類硅。

　　科學理論對實踐有著巨大的推動作用。在隨后的十五年中，在門捷列夫還活著的時候，這三個未知的元素——鈧、嫁和鍺就相繼被發現了，它們的性質幾乎與門捷列夫預言的完全一樣，元素周期律取得了決定性的勝利。

　　門捷列夫在制訂周期表時，還根據元素的性質，并考慮到周期表中的可能位置，校正了一些元素的原子量，其中就包括鈾。

　　鈾的原子量，佩里戈特等測得的數值是120。按照這一當時公認的數值，鈾應該排在錫(原子量為118)和銻(原子量為122)之間。但是周期表中錫和梯是連續排列的，中間并沒有空位，而且按照鈾的性質，它也不應該排在這個位置上。

　　門捷列夫相當準確地將鈾的原子量加大了一倍，即加大了為240，這樣就使鈾排在了比較正確的位置，同時也使鈾成了最重的元素。

　　雖然后來隨著新元素的不斷發現，一直到錒系理論確立之后，鈾才排到了更為合適的位置—錒系元素的第三個成員，但在當時，門捷列夫校正了鈾的原子量，確立了鈾的最重元素的地位，無疑是一個杰出的成就。

　　1886年，齊默爾曼測得鈾的原子量約為240，從而證實了門捷列夫從理論上對鈾原子量所作修改的正確性。

　　各種元素在周期表中按原子量依次排列，每種元素編有一個序號，稱為原子序數。鈾排在第92號位置，因此是第92號元素。1913年，莫斯萊應用X射線測定了原子核所帶的正電荷的數目，進一步發展了元素周期律。這一工作指明了周期律的真正基礎不是原子量，而是原子的核電荷數或核外電子數。同時證實了，原子的核電荷數或核外電子數在數值上正好等于原子序數，從而最終確定了鈾是92號元素，并且是當時已知的最重的元素。

　　鈾作為最重的元素，其地位是很特殊的。人們往往習慣于一般而敏感于特殊。早在1871年，門捷列夫就在一篇關于鈾的文章中寫道：“在所有已知的化學元素中，鈾的原子量最大，……我深信，研究鈾，從它的天然來源開始，一定會導致許多新的發現。我大膽地建議尋求新的研究課題的人，特別認真地去研究新的鈾化合物。”

　　雖然，鈾作為最重的天然元素的意義只有在人們深入到物質的更深層次時，即從分子、原子深入到原子核的時候才能顯示出來。這是門捷列夫處在他那個時代時所無法預見的，但是門捷列夫還是首先注意到鈾作為最重元素的特殊性，這無疑是有一定先見之明的。