化学元素中的“天王星”

德国南部出产一种矿物，从十八世纪上半叶起，就有许多矿物学家试图对它进行分类，但意见很不一致。有的认为它是锌矿，有的则把它归入铁矿。1781年发现了新元素钨以后，还有人认为这种矿物中含有钨。

　　1789年，德国化学家克拉普罗特对这种矿物进行了全分析。他用硝酸处理这种矿物，得到一种黄色溶液，向这种溶液中加入“钾碱”进行中和时，便析出一种黄色沉淀。沉淀物的性质与所有已知元素相应化合物的性质很不一样，所以克拉普罗特认为它是一种新元素的“氧化物”。

　　于是，克拉普罗特将这种“氧化物”与碳放在一起，加热到很高温度，企图把这种“氧化物”还原成金属。他确实得到了一种金属态的黑色物质，这种黑色物质的化学性质与所有已知元素的化学性质不同，因此克拉普罗特认为自己发现了一种新的元素。

　　1789年9月4日，克拉普罗特报告了自己的发现，题目是“乌拉尼特(Uranit)——一种新的半金属”。他之所以将“新元素”命名为“乌拉尼特”，是为了纪念八年前新行星——天王星(Uranus)的发现。

　　次年，克拉普罗特将“新元素”改称为铀(Uranium)，他说：“我根据类推法将该新金属的名称由乌拉尼特改为铀”，于是铀的历史就这样开始了。

　　这种“新元素”的发现确实引起了许多化学家的兴趣，不少人对它进行了研究。但实际上，“新元素”不是元素而是化合物。在长达半个世纪的时间内，竟没有人认识到这一点。克拉普罗特本人一直到死，仍然深信自己发现并分离出了铀元素。

　　曾有少数人对克拉普罗特的结论表示过怀疑，认为“乌拉尼特”可能是一种化合物。例如瑞典著名化学家贝采利乌斯，就曾试图用纯钾来还原“乌拉尼特”，但末成功；同一时期，阿弗维特逊也曾用氢来还原“乌拉尼特”以及铀和钾的一种二元氯化物，但得到的最终产品依然是“乌拉尼特”。

　　直到1841年，法国化学家佩里戈特才揭开了“乌拉尼特”的秘密，证实“乌拉尼特”确是铀的化合物而不是元素铀。

　　佩里戈特将“乌拉尼特”同碳一起加热，并通入氯气，从而得到一种升华出来的氯化铀结晶体。奇怪的是，生成氯化铀所消耗的“乌拉尼特”和氯气的总量竟是化学计算量的110％，而且在气态产物中还含有二氧化碳。这说明，“乌拉尼特”原来是一种金属氧化物。

　　证实这一结论的实验有很多，例如使四氯化铀水解，得到的产物是“乌拉尼特”和氯化氢，这表示“乌拉尼特”是化合物而不是元素。

　　为了得到元素铀，佩里戈特采用的也是钾还原法。但他是还原四氯化铀，而不象贝采利乌斯那样还原“乌拉尼特”。

　　佩里戈特将四氯化铀同钾放一起，放在白金坩锅中加热。因为需要将反应物加热到白热状态，所以这是一个有危险的实验。为了谨慎起见，他把一只小白金坩锅放在一只大白金坩锅里，当小坩锅中的物质开始反应的时候，便立刻把火源熄灭，以免金属钾从白金坩锅中飞溅出来，发生事故。等到激烈的反应变得和缓了，再对白金坩锅加强热，以除去其中所剩余的钾，并使已被还原出来的铀聚结。待到冷却后，用水将其中所含的氯化钾溶解而除去。结果，在留下的黑色残渣中找到了银白色的金属铀颗粒。

　　至此，一种新的化学元素铀——化学元素中的“天王星”，经过半个多世纪的孕育，才真正诞生了。

　　1789年克拉普罗特发现含铀化合物“乌拉尼特”的时候，已知的化学元素还只有25种；但是到1841年佩里戈特制得真正的元素铀的时候，已知元素的数目已经增加到55种。这么多的元素，重量有轻有重，性质千差万别，真好似一团乱麻。但是化学家深信物质世界是秩序井然的，因此他们一直试图透过表面的混乱现象，从元素的特性中找出某种内在的规律性来。

　　1869年，已知化学元素的数目已经增加到62种，俄国化学家门捷列夫终于在前人工作的基础上，把当时象一团乱麻似的杂乱无章的元素理出了一个头绪。他发现，随着元素原子量的增加，元素的性质呈现出明显的周期性变化，这就是著名的元素周期律。两年后门捷列夫加以充实改进的周期表，已经达到了成熟的程度，与现代的周期表已相差无几了。

　　在编制周期表时，门捷列夫认为元素的性质比它的原子量更为重要，因此当某一元素的性质与它的根据原子量排列的顺序有冲突时时，他便不顾当时公认的原子量，大胆地把它的位置调换一下。例如碲和碘的原子量，当时测定的值分别是128和127，如果按原子量排列，碲应该排在碘的后面。但是门捷列夫把碲提到碘的前面，以便使它位于性质与它非常相似的硒的下面，并使碘位于性质与碘非常相似的溴的下面。

　　门捷列夫坚信自己已发现了一条最基本的自然规律。因此，为了使排列不违背既定的原则而又没有别的解决办法时，门捷列夫就毫不犹豫地在周期表中留出一些空位。门捷列夫指出，这些空位的元素将来一定会被发现，并预言了这些元素的性质。在轻元素中，他断定将来一定会发现原子量大约等于44、68和72的三种元素：类硼、类铝和类硅。

　　科学理论对实践有着巨大的推动作用。在随后的十五年中，在门捷列夫还活着的时候，这三个未知的元素——钪、嫁和锗就相继被发现了，它们的性质几乎与门捷列夫预言的完全一样，元素周期律取得了决定性的胜利。

　　门捷列夫在制订周期表时，还根据元素的性质，并考虑到周期表中的可能位置，校正了一些元素的原子量，其中就包括铀。

　　铀的原子量，佩里戈特等测得的数值是120。按照这一当时公认的数值，铀应该排在锡(原子量为118)和锑(原子量为122)之间。但是周期表中锡和梯是连续排列的，中间并没有空位，而且按照铀的性质，它也不应该排在这个位置上。

　　门捷列夫相当准确地将铀的原子量加大了一倍，即加大了为240，这样就使铀排在了比较正确的位置，同时也使铀成了最重的元素。

　　虽然后来随着新元素的不断发现，一直到锕系理论确立之后，铀才排到了更为合适的位置—锕系元素的第三个成员，但在当时，门捷列夫校正了铀的原子量，确立了铀的最重元素的地位，无疑是一个杰出的成就。

　　1886年，齐默尔曼测得铀的原子量约为240，从而证实了门捷列夫从理论上对铀原子量所作修改的正确性。

　　各种元素在周期表中按原子量依次排列，每种元素编有一个序号，称为原子序数。铀排在第92号位置，因此是第92号元素。1913年，莫斯莱应用X射线测定了原子核所带的正电荷的数目，进一步发展了元素周期律。这一工作指明了周期律的真正基础不是原子量，而是原子的核电荷数或核外电子数。同时证实了，原子的核电荷数或核外电子数在数值上正好等于原子序数，从而最终确定了铀是92号元素，并且是当时已知的最重的元素。

　　铀作为最重的元素，其地位是很特殊的。人们往往习惯于一般而敏感于特殊。早在1871年，门捷列夫就在一篇关于铀的文章中写道：“在所有已知的化学元素中，铀的原子量最大，……我深信，研究铀，从它的天然来源开始，一定会导致许多新的发现。我大胆地建议寻求新的研究课题的人，特别认真地去研究新的铀化合物。”

　　虽然，铀作为最重的天然元素的意义只有在人们深入到物质的更深层次时，即从分子、原子深入到原子核的时候才能显示出来。这是门捷列夫处在他那个时代时所无法预见的，但是门捷列夫还是首先注意到铀作为最重元素的特殊性，这无疑是有一定先见之明的。