德國(guó)南部出產(chǎn)一種礦物,從十八世紀(jì)上半葉起,就有許多礦物學(xué)家試圖對(duì)它進(jìn)行分類(lèi),但意見(jiàn)很不一致。有的認(rèn)為它是鋅礦,有的則把它歸入鐵礦。1781年發(fā)現(xiàn)了新元素鎢以后,還有人認(rèn)為這種礦物中含有鎢。 1789年,德國(guó)化學(xué)家克拉普羅特對(duì)這種礦物進(jìn)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(jìn)行中和時(shí),便析出一種黃色沉淀。沉淀物的性質(zhì)與所有已知元素相應(yīng)化合物的性質(zhì)很不一樣,所以克拉普羅特認(rèn)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(shí)得到了一種金屬態(tài)的黑色物質(zhì),這種黑色物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)與所有已知元素的化學(xué)性質(zhì)不同,因此克拉普羅特認(rèn)為自己發(fā)現(xiàn)了一種新的元素。 1789年9月4日,克拉普羅特報(bào)告了自己的發(fā)現(xiàn),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(jì)念八年前新行星——天王星(Uranus)的發(fā)現(xiàn)。 次年,克拉普羅特將“新元素”改稱(chēng)為鈾(Uranium),他說(shuō):“我根據(jù)類(lèi)推法將該新金屬的名稱(chēng)由烏拉尼特改為鈾”,于是鈾的歷史就這樣開(kāi)始了。 這種“新元素”的發(fā)現(xiàn)確實(shí)引起了許多化學(xué)家的興趣,不少人對(duì)它進(jìn)行了研究。但實(shí)際上,“新元素”不是元素而是化合物。在長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間內(nèi),竟沒(méi)有人認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。克拉普羅特本人一直到死,仍然深信自己發(fā)現(xiàn)并分離出了鈾元素。 曾有少數(shù)人對(duì)克拉普羅特的結(jié)論表示過(guò)懷疑,認(rèn)為“烏拉尼特”可能是一種化合物。例如瑞典著名化學(xué)家貝采利烏斯,就曾試圖用純鉀來(lái)還原“烏拉尼特”,但末成功;同一時(shí)期,阿弗維特遜也曾用氫來(lái)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(chǎn)品依然是“烏拉尼特”。 直到1841年,法國(guó)化學(xué)家佩里戈特才揭開(kāi)了“烏拉尼特”的秘密,證實(shí)“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(lái)的氯化鈾結(jié)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(xué)計(jì)算量的110%,而且在氣態(tài)產(chǎn)物中還含有二氧化碳。這說(shuō)明,“烏拉尼特”原來(lái)是一種金屬氧化物。 證實(shí)這一結(jié)論的實(shí)驗(yàn)有很多,例如使四氯化鈾水解,得到的產(chǎn)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?yàn)樾枰獙⒎磻?yīng)物加熱到白熱狀態(tài),所以這是一個(gè)有危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)。為了謹(jǐn)慎起見(jiàn),他把一只小白金坩鍋放在一只大白金坩鍋里,當(dāng)小坩鍋中的物質(zhì)開(kāi)始反應(yīng)的時(shí)候,便立刻把火源熄滅,以免金屬鉀從白金坩鍋中飛濺出來(lái),發(fā)生事故。等到激烈的反應(yīng)變得和緩了,再對(duì)白金坩鍋加強(qiáng)熱,以除去其中所剩余的鉀,并使已被還原出來(lái)的鈾聚結(jié)。待到冷卻后,用水將其中所含的氯化鉀溶解而除去。結(jié)果,在留下的黑色殘?jiān)姓业搅算y白色的金屬鈾顆粒。 至此,一種新的化學(xué)元素鈾——化學(xué)元素中的“天王星”,經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的孕育,才真正誕生了。 1789年克拉普羅特發(fā)現(xiàn)含鈾化合物“烏拉尼特”的時(shí)候,已知的化學(xué)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(shí)候,已知元素的數(shù)目已經(jīng)增加到55種。這么多的元素,重量有輕有重,性質(zhì)千差萬(wàn)別,真好似一團(tuán)亂麻。但是化學(xué)家深信物質(zhì)世界是秩序井然的,因此他們一直試圖透過(guò)表面的混亂現(xiàn)象,從元素的特性中找出某種內(nèi)在的規(guī)律性來(lái)。 1869年,已知化學(xué)元素的數(shù)目已經(jīng)增加到62種,俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫終于在前人工作的基礎(chǔ)上,把當(dāng)時(shí)象一團(tuán)亂麻似的雜亂無(wú)章的元素理出了一個(gè)頭緒。他發(fā)現(xiàn),隨著元素原子量的增加,元素的性質(zhì)呈現(xiàn)出明顯的周期性變化,這就是著名的元素周期律。兩年后門(mén)捷列夫加以充實(shí)改進(jìn)的周期表,已經(jīng)達(dá)到了成熟的程度,與現(xiàn)代的周期表已相差無(wú)幾了。 在編制周期表時(shí),門(mén)捷列夫認(rèn)為元素的性質(zhì)比它的原子量更為重要,因此當(dāng)某一元素的性質(zhì)與它的根據(jù)原子量排列的順序有沖突時(shí)時(shí),他便不顧當(dāng)時(shí)公認(rèn)的原子量,大膽地把它的位置調(diào)換一下。例如碲和碘的原子量,當(dāng)時(shí)測(cè)定的值分別是128和127,如果按原子量排列,碲應(yīng)該排在碘的后面。但是門(mén)捷列夫把碲提到碘的前面,以便使它位于性質(zhì)與它非常相似的硒的下面,并使碘位于性質(zhì)與碘非常相似的溴的下面。 門(mén)捷列夫堅(jiān)信自己已發(fā)現(xiàn)了一條最基本的自然規(guī)律。因此,為了使排列不違背既定的原則而又沒(méi)有別的解決辦法時(shí),門(mén)捷列夫就毫不猶豫地在周期表中留出一些空位。門(mén)捷列夫指出,這些空位的元素將來(lái)一定會(huì)被發(fā)現(xiàn),并預(yù)言了這些元素的性質(zhì)。在輕元素中,他斷定將來(lái)一定會(huì)發(fā)現(xiàn)原子量大約等于44、68和72的三種元素:類(lèi)硼、類(lèi)鋁和類(lèi)硅。 科學(xué)理論對(duì)實(shí)踐有著巨大的推動(dòng)作用。在隨后的十五年中,在門(mén)捷列夫還活著的時(shí)候,這三個(gè)未知的元素——鈧、嫁和鍺就相繼被發(fā)現(xiàn)了,它們的性質(zhì)幾乎與門(mén)捷列夫預(yù)言的完全一樣,元素周期律取得了決定性的勝利。 門(mén)捷列夫在制訂周期表時(shí),還根據(jù)元素的性質(zhì),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(cè)得的數(shù)值是120。按照這一當(dāng)時(shí)公認(rèn)的數(shù)值,鈾應(yīng)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(xù)排列的,中間并沒(méi)有空位,而且按照鈾的性質(zhì),它也不應(yīng)該排在這個(gè)位置上。 門(mén)捷列夫相當(dāng)準(zhǔn)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(shí)也使鈾成了最重的元素。 雖然后來(lái)隨著新元素的不斷發(fā)現(xiàn),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(gè)成員,但在當(dāng)時(shí),門(mén)捷列夫校正了鈾的原子量,確立了鈾的最重元素的地位,無(wú)疑是一個(gè)杰出的成就。 1886年,齊默爾曼測(cè)得鈾的原子量約為240,從而證實(shí)了門(mén)捷列夫從理論上對(duì)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(gè)序號(hào),稱(chēng)為原子序數(shù)。鈾排在第92號(hào)位置,因此是第92號(hào)元素。1913年,莫斯萊應(yīng)用X射線(xiàn)測(cè)定了原子核所帶的正電荷的數(shù)目,進(jìn)一步發(fā)展了元素周期律。這一工作指明了周期律的真正基礎(chǔ)不是原子量,而是原子的核電荷數(shù)或核外電子數(shù)。同時(shí)證實(shí)了,原子的核電荷數(shù)或核外電子數(shù)在數(shù)值上正好等于原子序數(shù),從而最終確定了鈾是92號(hào)元素,并且是當(dāng)時(shí)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(xí)慣于一般而敏感于特殊。早在1871年,門(mén)捷列夫就在一篇關(guān)于鈾的文章中寫(xiě)道:“在所有已知的化學(xué)元素中,鈾的原子量最大,……我深信,研究鈾,從它的天然來(lái)源開(kāi)始,一定會(huì)導(dǎo)致許多新的發(fā)現(xiàn)。我大膽地建議尋求新的研究課題的人,特別認(rèn)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(zhì)的更深層次時(shí),即從分子、原子深入到原子核的時(shí)候才能顯示出來(lái)。這是門(mén)捷列夫處在他那個(gè)時(shí)代時(shí)所無(wú)法預(yù)見(jiàn)的,但是門(mén)捷列夫還是首先注意到鈾作為最重元素的特殊性,這無(wú)疑是有一定先見(jiàn)之明的。 |