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7    ELEMENTAL MATTERSCHEMISTRY

书籍名:《万物简史英文版》    作者:比尔·布莱森
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Perhaps  nothing  better  typifies  the  strange  and  often  accidental  nature  of  chemical  sciencein  its  early  days  than  a  discovery  made  by  a  German  named  Hennig  Brand  in  1675.  Brandbecame  convinced  that  gold  could  somehow  be  distilled  from  human  urine.  (The  similarity  ofcolor  seems  to  have  been  a  factor  in  his  conclusion.)  He  assembled  fifty  buckets  of  humanurine,  which  he  kept  for  months  in  his  cellar.  By  various  recondite  processes,  he  converted  theurine  first  into  a  noxious  paste  and  then  into  a  translucent  waxy  substance.  None  of  it  yieldedgold,  of  course,  but  a  strange  and  interesting  thing  did  happen.  After  a  time,  the  substancebegan  to  glow.  Moreover,  when  exposed  to  air,  it  often  spontaneously  burst  into  flame.

The  commercial  potential  for  the  stuff—which  soon  became  known  as  phosphorus,  fromGreek  and  Latin  roots  meaning  “light  bearing”—was  not  lost  on  eager  businesspeople,  but  thedifficulties  of  manufacture  made  it  too  costly  to  exploit.  An  ounce  of  phosphorus  retailed  forsix  guineas—perhaps  five  hundred  dollars  in  today’s  money—or  more  than  gold.

At  first,  soldiers  were  called  on  to  provide  the  raw  material,  but  such  an  arrangement  washardly  conducive  to  industrial-scale  production.  In  the  1750s  a  Swedish  chemist  named  Karl(or  Carl)  Scheele  devised  a  way  to  manufacture  phosphorus  in  bulk  without  the  slop  or  smellof  urine.  It  was  largely  because  of  this  mastery  of  phosphorus  that  Sweden  became,  andremains,  a  leading  producer  of  matches.

Scheele  was  both  an  extraordinary  and  extraordinarily  luckless  fellow.  A  poor  pharmacistwith  little  in  the  way  of  advanced  apparatus,  he  discovered  eight  elements—chlorine,  fluorine,manganese,  barium,  molybdenum,  tungsten,  nitrogen,  and  oxygen—and  got  credit  for  none  ofthem.  In  every  case,  his  finds  were  either  overlooked  or  made  it  into  publication  aftersomeone  else  had  made  the  same  discovery  independently.  He  also  discovered  many  usefulcompounds,  among  them  ammonia,  glycerin,  and  tannic  acid,  and  was  the  first  to  see  thecommercial  potential  of  chlorine  as  a  bleach—all  breakthroughs  that  made  other  peopleextremely  wealthy.

Scheele’s  one  notable  shortcoming  was  a  curious  insistence  on  tasting  a  little  of  everythinghe  worked  with,  including  such  notoriously  disagreeable  substances  as  mercury,  prussic  acid(another  of  his  discoveries),  and  hydrocyanic  acid—a  compound  so  famously  poisonous  that150  years  later  Erwin  Schr?dinger  chose  it  as  his  toxin  of  choice  in  a  famous  thoughtexperiment  (see  page  146).  Scheele’s  rashness  eventually  caught  up  with  him.  In  1786,  agedjust  forty-three,  he  was  found  dead  at  his  workbench  surrounded  by  an  array  of  toxicchemicals,  any  one  of  which  could  have  accounted  for  the  stunned  and  terminal  look  on  hisface.

Were  the  world  just  and  Swedish-speaking,  Scheele  would  have  enjoyed  universal  acclaim.

Instead  credit  has  tended  to  lodge  with  more  celebrated  chemists,  mostly  from  the  English-speaking  world.  Scheele  discovered  oxygen  in  1772,  but  for  various  heartbreakingly complicated  reasons  could  not  get  his  paper  published  in  a  timely  manner.  Instead  credit  wentto  Joseph  Priestley,  who  discovered  the  same  element  independently,  but  latterly,  in  thesummer  of  1774.  Even  more  remarkable  was  Scheele’s  failure  to  receive  credit  for  thediscovery  of  chlorine.  Nearly  all  textbooks  still  attribute  chlorine’s  discovery  to  HumphryDavy,  who  did  indeed  find  it,  but  thirty-six  years  after  Scheele  had.

Although  chemistry  had  come  a  long  way  in  the  century  that  separated  Newton  and  Boylefrom  Scheele  and  Priestley  and  Henry  Cavendish,  it  still  had  a  long  way  to  go.  Right  up  to  theclosing  years  of  the  eighteenth  century  (and  in  Priestley’s  case  a  little  beyond)  scientistseverywhere  searched  for,  and  sometimes  believed  they  had  actually  found,  things  that  justweren’t  there:  vitiated  airs,  dephlogisticated  marine  acids,  phloxes,  calxes,  terraqueousexhalations,  and,  above  all,  phlogiston,  the  substance  that  was  thought  to  be  the  active  agentin  combustion.  Somewhere  in  all  this,  it  was  thought,  there  also  resided  a  mysterious  élanvital,  the  force  that  brought  inanimate  objects  to  life.  No  one  knew  where  this  ethereal  essencelay,  but  two  things  seemed  probable:  that  you  could  enliven  it  with  a  jolt  of  electricity  (anotion  Mary  Shelley  exploited  to  full  effect  in  her  novel  Frankenstein  )  and  that  it  existed  insome  substances  but  not  others,  which  is  why  we  ended  up  with  two  branches  of  chemistry:

organic  (for  those  substances  that  were  thought  to  have  it)  and  inorganic  (for  those  that  didnot).

Someone  of  insight  was  needed  to  thrust  chemistry  into  the  modern  age,  and  it  was  theFrench  who  provided  him.  His  name  was  Antoine-Laurent  Lavoisier.  Born  in  1743,  Lavoisierwas  a  member  of  the  minor  nobility  (his  father  had  purchased  a  title  for  the  family).  In  1768,he  bought  a  practicing  share  in  a  deeply  despised  institution  called  the  Ferme  Générale  (orGeneral  Farm),  which  collected  taxes  and  fees  on  behalf  of  the  government.  AlthoughLavoisier  himself  was  by  all  accounts  mild  and  fair-minded,  the  company  he  worked  for  wasneither.  For  one  thing,  it  did  not  tax  the  rich  but  only  the  poor,  and  then  often  arbitrarily.  ForLavoisier,  the  appeal  of  the  institution  was  that  it  provided  him  with  the  wealth  to  follow  hisprincipal  devotion,  science.  At  his  peak,  his  personal  earnings  reached  150,000  livres  a  year—perhaps  $20  million  in  today’s  money.

Three  years  after  embarking  on  this  lucrative  career  path,  he  married  the  fourteen-year-olddaughter  of  one  of  his  bosses.  The  marriage  was  a  meeting  of  hearts  and  minds  both.  MadameLavoisier  had  an  incisive  intellect  and  soon  was  working  productively  alongside  her  husband.

Despite  the  demands  of  his  job  and  busy  social  life,  they  managed  to  put  in  five  hours  ofscience  on  most  days—two  in  the  early  morning  and  three  in  the  evening—as  well  as  thewhole  of  Sunday,  which  they  called  their  jour  de  bonheur  (day  of  happiness).  SomehowLavoisier  also  found  the  time  to  be  commissioner  of  gunpowder,  supervise  the  building  of  awall  around  Paris  to  deter  smugglers,  help  found  the  metric  system,  and  coauthor  thehandbook  Méthode  de  Nomenclature  Chimique  ,  which  became  the  bible  for  agreeing  on  thenames  of  the  elements.

As  a  leading  member  of  the  Académie  Royale  des  Sciences,  he  was  also  required  to  take  aninformed  and  active  interest  in  whatever  was  topical—hypnotism,  prison  reform,  therespiration  of  insects,  the  water  supply  of  Paris.  It  was  in  such  a  capacity  in  1780  thatLavoisier  made  some  dismissive  remarks  about  a  new  theory  of  combustion  that  had  beensubmitted  to  the  academy  by  a  hopeful  young  scientist.  The  theory  was  indeed  wrong,  but  thescientist  never  forgave  him.  His  name  was  Jean-Paul  Marat.

The  one  thing  Lavoisier  never  did  was  discover  an  element.  At  a  time  when  it  seemed  as  ifalmost  anybody  with  a  beaker,  a  flame,  and  some  interesting  powders  could  discover something  new—and  when,  not  incidentally,  some  two-thirds  of  the  elements  were  yet  to  befound—Lavoisier  failed  to  uncover  a  single  one.  It  certainly  wasn’t  for  want  of  beakers.

Lavoisier  had  thirteen  thousand  of  them  in  what  was,  to  an  almost  preposterous  degree,  thefinest  private  laboratory  in  existence.

Instead  he  took  the  discoveries  of  others  and  made  sense  of  them.  He  threw  out  phlogistonand  mephitic  airs.  He  identified  oxygen  and  hydrogen  for  what  they  were  and  gave  them  boththeir  modern  names.  In  short,  he  helped  to  bring  rigor,  clarity,  and  method  to  chemistry.

And  his  fancy  equipment  did  in  fact  come  in  very  handy.  For  years,  he  and  MadameLavoisier  occupied  themselves  with  extremely  exacting  studies  requiring  the  finestmeasurements.  They  determined,  for  instance,  that  a  rusting  object  doesn’t  lose  weight,  aseveryone  had  long  assumed,  but  gains  weight—an  extraordinary  discovery.  Somehow  as  itrusted  the  object  was  attracting  elemental  particles  from  the  air.  It  was  the  first  realization  thatmatter  can  be  transformed  but  not  eliminated.  If  you  burned  this  book  now,  its  matter  wouldbe  changed  to  ash  and  smoke,  but  the  net  amount  of  stuff  in  the  universe  would  be  the  same.

This  became  known  as  the  conservation  of  mass,  and  it  was  a  revolutionary  concept.

Unfortunately,  it  coincided  with  another  type  of  revolution—the  French  one—and  for  this  oneLavoisier  was  entirely  on  the  wrong  side.

Not  only  was  he  a  member  of  the  hated  Ferme  Générale,  but  he  had  enthusiastically  builtthe  wall  that  enclosed  Paris—an  edifice  so  loathed  that  it  was  the  first  thing  attacked  by  therebellious  citizens.  Capitalizing  on  this,  in  1791  Marat,  now  a  leading  voice  in  the  NationalAssembly,  denounced  Lavoisier  and  suggested  that  it  was  well  past  time  for  his  hanging.

Soon  afterward  the  Ferme  Générale  was  shut  down.  Not  long  after  this  Marat  was  murderedin  his  bath  by  an  aggrieved  young  woman  named  Charlotte  Corday,  but  by  this  time  it  was  toolate  for  Lavoisier.

In  1793,  the  Reign  of  Terror,  already  intense,  ratcheted  up  to  a  higher  gear.  In  OctoberMarie  Antoinette  was  sent  to  the  guillotine.  The  following  month,  as  Lavoisier  and  his  wifewere  making  tardy  plans  to  slip  away  to  Scotland,  Lavoisier  was  arrested.  In  May  he  andthirty-one  fellow  farmers-general  were  brought  before  the  Revolutionary  Tribunal  (in  acourtroom  presided  over  by  a  bust  of  Marat).  Eight  were  granted  acquittals,  but  Lavoisier  andthe  others  were  taken  directly  to  the  Place  de  la  Revolution  (now  the  Place  de  la  Concorde),site  of  the  busiest  of  French  guillotines.  Lavoisier  watched  his  father-in-law  beheaded,  thenstepped  up  and  accepted  his  fate.  Less  than  three  months  later,  on  July  27,  Robespierrehimself  was  dispatched  in  the  same  way  and  in  the  same  place,  and  the  Reign  of  Terrorswiftly  ended.

A  hundred  years  after  his  death,  a  statue  of  Lavoisier  was  erected  in  Paris  and  muchadmired  until  someone  pointed  out  that  it  looked  nothing  like  him.  Under  questioning  thesculptor  admitted  that  he  had  used  the  head  of  the  mathematician  and  philosopher  the  Marquisde  Condorcet—apparently  he  had  a  spare—in  the  hope  that  no  one  would  notice  or,  havingnoticed,  would  care.  In  the  second  regard  he  was  correct.  The  statue  of  Lavoisier-cum-Condorcet  was  allowed  to  remain  in  place  for  another  half  century  until  the  Second  WorldWar  when,  one  morning,  it  was  taken  away  and  melted  down  for  scrap.

In  the  early  1800s  there  arose  in  England  a  fashion  for  inhaling  nitrous  oxide,  or  laughinggas,  after  it  was  discovered  that  its  use  “was  attended  by  a  highly  pleasurable  thrilling.”  For the  next  half  century  it  would  be  the  drug  of  choice  for  young  people.  One  learned  body,  theAskesian  Society,  was  for  a  time  devoted  to  little  else.  Theaters  put  on  “laughing  gasevenings”  where  volunteers  could  refresh  themselves  with  a  robust  inhalation  and  thenentertain  the  audience  with  their  comical  staggerings.

It  wasn’t  until  1846  that  anyone  got  around  to  finding  a  practical  use  for  nitrous  oxide,  asan  anesthetic.  Goodness  knows  how  many  tens  of  thousands  of  people  suffered  unnecessaryagonies  under  the  surgeon’s  knife  because  no  one  thought  of  the  gas’s  most  obvious  practicalapplication.

I  mention  this  to  make  the  point  that  chemistry,  having  come  so  far  in  the  eighteenthcentury,  rather  lost  its  bearings  in  the  first  decades  of  the  nineteenth,  in  much  the  way  thatgeology  would  in  the  early  years  of  the  twentieth.  Partly  it  was  to  do  with  the  limitations  ofequipment—there  were,  for  instance,  no  centrifuges  until  the  second  half  of  the  century,severely  restricting  many  kinds  of  experiments—and  partly  it  was  social.  Chemistry  was,generally  speaking,  a  science  for  businesspeople,  for  those  who  worked  with  coal  and  potashand  dyes,  and  not  gentlemen,  who  tended  to  be  drawn  to  geology,  natural  history,  and  physics.

(This  was  slightly  less  true  in  continental  Europe  than  in  Britain,  but  only  slightly.)  It  isperhaps  telling  that  one  of  the  most  important  observations  of  the  century,  Brownian  motion,which  established  the  active  nature  of  molecules,  was  made  not  by  a  chemist  but  by  a  Scottishbotanist,  Robert  Brown.  (What  Brown  noticed,  in  1827,  was  that  tiny  grains  of  pollensuspended  in  water  remained  indefinitely  in  motion  no  matter  how  long  he  gave  them  tosettle.  The  cause  of  this  perpetual  motion—namely  the  actions  of  invisible  molecules—waslong  a  mystery.)Things  might  have  been  worse  had  it  not  been  for  a  splendidly  improbable  character  namedCount  von  Rumford,  who,  despite  the  grandeur  of  his  title,  began  life  in  Woburn,Massachusetts,  in  1753  as  plain  Benjamin  Thompson.  Thompson  was  dashing  and  ambitious,“handsome  in  feature  and  figure,”  occasionally  courageous  and  exceedingly  bright,  butuntroubled  by  anything  so  inconveniencing  as  a  scruple.  At  nineteen  he  married  a  rich  widowfourteen  years  his  senior,  but  at  the  outbreak  of  revolution  in  the  colonies  he  unwisely  sidedwith  the  loyalists,  for  a  time  spying  on  their  behalf.  In  the  fateful  year  of  1776,  facing  arrest“for  lukewarmness  in  the  cause  of  liberty,”  he  abandoned  his  wife  and  child  and  fled  justahead  of  a  mob  of  anti-Royalists  armed  with  buckets  of  hot  tar,  bags  of  feathers,  and  anearnest  desire  to  adorn  him  with  both.

He  decamped  first  to  England  and  then  to  Germany,  where  he  served  as  a  military  advisorto  the  government  of  Bavaria,  so  impressing  the  authorities  that  in  1791  he  was  named  Countvon  Rumford  of  the  Holy  Roman  Empire.  While  in  Munich,  he  also  designed  and  laid  out  thefamous  park  known  as  the  English  Garden.

In  between  these  undertakings,  he  somehow  found  time  to  conduct  a  good  deal  of  solidscience.  He  became  the  world’s  foremost  authority  on  thermodynamics  and  the  first  toelucidate  the  principles  of  the  convection  of  fluids  and  the  circulation  of  ocean  currents.  Healso  invented  several  useful  objects,  including  a  drip  coffeemaker,  thermal  underwear,  and  atype  of  range  still  known  as  the  Rumford  fireplace.  In  1805,  during  a  sojourn  in  France,  hewooed  and  married  Madame  Lavoisier,  widow  of  Antoine-Laurent.  The  marriage  was  not  asuccess  and  they  soon  parted.  Rumford  stayed  on  in  France,  where  he  died,  universallyesteemed  by  all  but  his  former  wives,  in  1814.

But  our  purpose  in  mentioning  him  here  is  that  in  1799,  during  a  comparatively  briefinterlude  in  London,  he  founded  the  Royal  Institution,  yet  another  of  the  many  learnedsocieties  that  popped  into  being  all  over  Britain  in  the  late  eighteenth  and  early  nineteenthcenturies.  For  a  time  it  was  almost  the  only  institution  of  standing  to  actively  promote  theyoung  science  of  chemistry,  and  that  was  thanks  almost  entirely  to  a  brilliant  young  mannamed  Humphry  Davy,  who  was  appointed  the  institution’s  professor  of  chemistry  shortlyafter  its  inception  and  rapidly  gained  fame  as  an  outstanding  lecturer  and  productiveexperimentalist.

Soon  after  taking  up  his  position,  Davy  began  to  bang  out  new  elements  one  afteranother—potassium,  sodium,  magnesium,  calcium,  strontium,  and  aluminum  or  aluminium,depending  on  which  branch  of  English  you  favor.

1He  discovered  so  many  elements  not  somuch  because  he  was  serially  astute  as  because  he  developed  an  ingenious  technique  ofapplying  electricity  to  a  molten  substance—electrolysis,  as  it  is  known.  Altogether  hediscovered  a  dozen  elements,  a  fifth  of  the  known  total  of  his  day.  Davy  might  have  done  farmore,  but  unfortunately  as  a  young  man  he  developed  an  abiding  attachment  to  the  buoyantpleasures  of  nitrous  oxide.  He  grew  so  attached  to  the  gas  that  he  drew  on  it  (literally)  three  orfour  times  a  day.  Eventually,  in  1829,  it  is  thought  to  have  killed  him.

Fortunately  more  sober  types  were  at  work  elsewhere.  In  1808,  a  dour  Quaker  named  JohnDalton  became  the  first  person  to  intimate  the  nature  of  an  atom  (progress  that  will  bediscussed  more  completely  a  little  further  on),  and  in  1811  an  Italian  with  the  splendidlyoperatic  name  of  Lorenzo  Romano  Amadeo  Carlo  Avogadro,  Count  of  Quarequa  and  Cerreto,made  a  discovery  that  would  prove  highly  significant  in  the  long  term—namely,  that  twoequal  volumes  of  gases  of  any  type,  if  kept  at  the  same  pressure  and  temperature,  will  containidentical  numbers  of  molecules.

Two  things  were  notable  about  Avogadro’s  Principle,  as  it  became  known.  First,  itprovided  a  basis  for  more  accurately  measuring  the  size  and  weight  of  atoms.  UsingAvogadro’s  mathematics,  chemists  were  eventually  able  to  work  out,  for  instance,  that  atypical  atom  had  a  diameter  of  0.00000008  centimeters,  which  is  very  little  indeed.  Andsecond,  almost  no  one  knew  about  Avogadro’s  appealingly  simple  principle  for  almost  fiftyyears.

2Partly  this  was  because  Avogadro  himself  was  a  retiring  fellow—he  worked  alone,corresponded  very  little  with  fellow  scientists,  published  few  papers,  and  attended  nomeetings—but  also  it  was  because  there  were  no  meetings  to  attend  and  few  chemicaljournals  in  which  to  publish.  This  is  a  fairly  extraordinary  fact.  The  Industrial  Revolution  was1The  confusion  over  the  aluminum/aluminium  spelling  arose  b  cause  of  some  uncharacteristic  indecisiveness  onDavys  part.  When  he  first  isolated  the  element  in  1808,  he  called  it  alumium.  For  son  reason  he  thought  better  ofthat  and  changed  it  to  aluminum  four  years  later.  Americans  dutifully  adopted  the  new  term,  but  mai  Britishusers  disliked  aluminum,  pointing  out  that  it  disrupted  the  -ium  pattern  established  by  sodium,  calcium,  andstrontium,  so  they  added  a  vowel  and  syllable.

2The  principle  led  to  the  much  later  adoption  of  Avogadros  number,  a  basic  unit  of  measure  in  chemistry,  whichwas  named  for  Avogadro  long  after  his  death.  It  is  the  number  of  molecules  found  in  2.016  grams  of  hydrogengas  (or  an  equal  volume  of  any  other  gas).  Its  value  is  placed  at  6.0221367  x  1023,  which  is  an  enormously  largenumber.  Chemistry  students  have  long  amused  themselves  by  computing  just  how  large  a  number  it  is,  so  I  canreport  that  it  is  equivalent  to  the  number  of  popcorn  kernels  needed  to  cover  the  United  States  to  a  depth  of  ninemiles,  or  cupfuls  of  water  in  the  Pacific  Ocean,  or  soft  drink  cans  that  would,  evenly  stacked,  cover  the  Earth  to  adepth  of  200  miles.  An  equivalent  number  of  American  pennies  would  be  enough  to  make  every  person  on  Eartha  dollar  trillionaire.  It  is  a  big  number.

driven  in  large  part  by  developments  in  chemistry,  and  yet  as  an  organized  science  chemistrybarely  existed  for  decades.

The  Chemical  Society  of  London  was  not  founded  until  1841  and  didn’t  begin  to  produce  aregular  journal  until  1848,  by  which  time  most  learned  societies  in  Britain—Geological,Geographical,  Zoological,  Horticultural,  and  Linnaean  (for  naturalists  and  botanists)—were  atleast  twenty  years  old  and  often  much  more.  The  rival  Institute  of  Chemistry  didn’t  come  intobeing  until  1877,  a  year  after  the  founding  of  the  American  Chemical  Society.  Becausechemistry  was  so  slow  to  get  organized,  news  of  Avogadro’s  important  breakthrough  of  1811didn’t  begin  to  become  general  until  the  first  international  chemistry  congress,  in  Karlsruhe,in  1860.

Because  chemists  for  so  long  worked  in  isolation,  conventions  were  slow  to  emerge.  Untilwell  into  the  second  half  of  the  century,  the  formula  H2O2might  mean  water  to  one  chemistbut  hydrogen  peroxide  to  another.  C2H4could  signify  ethylene  or  marsh  gas.  There  was  hardlya  molecule  that  was  uniformly  represented  everywhere.

Chemists  also  used  a  bewildering  variety  of  symbols  and  abbreviations,  often  self-invented.

Sweden’s  J.  J.  Berzelius  brought  a  much-needed  measure  of  order  to  matters  by  decreeing  thatthe  elements  be  abbreviated  on  the  basis  of  their  Greek  or  Latin  names,  which  is  why  theabbreviation  for  iron  is  Fe  (from  the  Latin  ferrum  )  and  that  for  silver  is  Ag  (from  the  Latinargentum  ).  That  so  many  of  the  other  abbreviations  accord  with  their  English  names  (N  fornitrogen,  O  for  Oxygen,  H  for  hydrogen,  and  so  on)  reflects  English’s  Latinate  nature,  not  itsexalted  status.  To  indicate  the  number  of  atoms  in  a  molecule,  Berzelius  employed  asuperscript  notation,  as  in  H2O.  Later,  for  no  special  reason,  the  fashion  became  to  render  thenumber  as  subscript:  H2O.

Despite  the  occasional  tidyings-up,  chemistry  by  the  second  half  of  the  nineteenth  centurywas  in  something  of  a  mess,  which  is  why  everybody  was  so  pleased  by  the  rise  toprominence  in  1869  of  an  odd  and  crazed-looking  professor  at  the  University  of  St.  Petersburgnamed  Dmitri  Ivanovich  Mendeleyev.

Mendeleyev  (also  sometimes  spelled  Mendeleev  or  Mendeléef)  was  born  in  1834  atTobolsk,  in  the  far  west  of  Siberia,  into  a  well-educated,  reasonably  prosperous,  and  verylarge  family—so  large,  in  fact,  that  history  has  lost  track  of  exactly  how  many  Mendeleyevsthere  were:  some  sources  say  there  were  fourteen  children,  some  say  seventeen.  All  agree,  atany  rate,  that  Dmitri  was  the  youngest.  Luck  was  not  always  with  the  Mendeleyevs.  WhenDmitri  was  small  his  father,  the  headmaster  of  a  local  school,  went  blind  and  his  mother  hadto  go  out  to  work.  Clearly  an  extraordinary  woman,  she  eventually  became  the  manager  of  asuccessful  glass  factory.  All  went  well  until  1848,  when  the  factory  burned  down  and  thefamily  was  reduced  to  penury.  Determined  to  get  her  youngest  child  an  education,  theindomitable  Mrs.  Mendeleyev  hitchhiked  with  young  Dmitri  four  thousand  miles  to  St.

Petersburg—that’s  equivalent  to  traveling  from  London  to  Equatorial  Guinea—and  depositedhim  at  the  Institute  of  Pedagogy.  Worn  out  by  her  efforts,  she  died  soon  after.

Mendeleyev  dutifully  completed  his  studies  and  eventually  landed  a  position  at  the  localuniversity.  There  he  was  a  competent  but  not  terribly  outstanding  chemist,  known  more  forhis  wild  hair  and  beard,  which  he  had  trimmed  just  once  a  year,  than  for  his  gifts  in  thelaboratory.

However,  in  1869,  at  the  age  of  thirty-five,  he  began  to  toy  with  a  way  to  arrange  theelements.  At  the  time,  elements  were  normally  grouped  in  two  ways—either  by  atomic  weight(using  Avogadro’s  Principle)  or  by  common  properties  (whether  they  were  metals  or  gases,for  instance).  Mendeleyev’s  breakthrough  was  to  see  that  the  two  could  be  combined  in  asingle  table.

As  is  often  the  way  in  science,  the  principle  had  actually  been  anticipated  three  yearspreviously  by  an  amateur  chemist  in  England  named  John  Newlands.  He  suggested  that  whenelements  were  arranged  by  weight  they  appeared  to  repeat  certain  properties—in  a  sense  toharmonize—at  every  eighth  place  along  the  scale.  Slightly  unwisely,  for  this  was  an  ideawhose  time  had  not  quite  yet  come,  Newlands  called  it  the  Law  of  Octaves  and  likened  thearrangement  to  the  octaves  on  a  piano  keyboard.  Perhaps  there  was  something  in  Newlands’smanner  of  presentation,  but  the  idea  was  considered  fundamentally  preposterous  and  widelymocked.  At  gatherings,  droller  members  of  the  audience  would  sometimes  ask  him  if  he  couldget  his  elements  to  play  them  a  little  tune.  Discouraged,  Newlands  gave  up  pushing  the  ideaand  soon  dropped  from  view  altogether.

Mendeleyev  used  a  slightly  different  approach,  placing  his  elements  into  groups  of  seven,but  employed  fundamentally  the  same  principle.  Suddenly  the  idea  seemed  brilliant  andwondrously  perceptive.  Because  the  properties  repeated  themselves  periodically,  the  inventionbecame  known  as  the  periodic  table.

Mendeleyev  was  said  to  have  been  inspired  by  the  card  game  known  as  solitaire  in  NorthAmerica  and  patience  elsewhere,  wherein  cards  are  arranged  by  suit  horizontally  and  bynumber  vertically.  Using  a  broadly  similar  concept,  he  arranged  the  elements  in  horizontalrows  called  periods  and  vertical  columns  called  groups.  This  instantly  showed  one  set  ofrelationships  when  read  up  and  down  and  another  when  read  from  side  to  side.  Specifically,the  vertical  columns  put  together  chemicals  that  have  similar  properties.  Thus  copper  sits  ontop  of  silver  and  silver  sits  on  top  of  gold  because  of  their  chemical  affinities  as  metals,  whilehelium,  neon,  and  argon  are  in  a  column  made  up  of  gases.  (The  actual,  formal  determinant  inthe  ordering  is  something  called  their  electron  valences,  for  which  you  will  have  to  enroll  innight  classes  if  you  wish  an  understanding.)  The  horizontal  rows,  meanwhile,  arrange  thechemicals  in  ascending  order  by  the  number  of  protons  in  their  nuclei—what  is  known  as  theiratomic  number.

The  structure  of  atoms  and  the  significance  of  protons  will  come  in  a  following  chapter,  sofor  the  moment  all  that  is  necessary  is  to  appreciate  the  organizing  principle:  hydrogen  hasjust  one  proton,  and  so  it  has  an  atomic  number  of  one  and  comes  first  on  the  chart;  uraniumhas  ninety-two  protons,  and  so  it  comes  near  the  end  and  has  an  atomic  number  of  ninety-two.

In  this  sense,  as  Philip  Ball  has  pointed  out,  chemistry  really  is  just  a  matter  of  counting.

(Atomic  number,  incidentally,  is  not  to  be  confused  with  atomic  weight,  which  is  the  numberof  protons  plus  the  number  of  neutrons  in  a  given  element.)  There  was  still  a  great  deal  thatwasn’t  known  or  understood.  Hydrogen  is  the  most  common  element  in  the  universe,  and  yetno  one  would  guess  as  much  for  another  thirty  years.  Helium,  the  second  most  abundantelement,  had  only  been  found  the  year  before—its  existence  hadn’t  even  been  suspectedbefore  that—and  then  not  on  Earth  but  in  the  Sun,  where  it  was  found  with  a  spectroscopeduring  a  solar  eclipse,  which  is  why  it  honors  the  Greek  sun  god  Helios.  It  wouldn’t  beisolated  until  1895.  Even  so,  thanks  to  Mendeleyev’s  invention,  chemistry  was  now  on  a  firmfooting.

For  most  of  us,  the  periodic  table  is  a  thing  of  beauty  in  the  abstract,  but  for  chemists  itestablished  an  immediate  orderliness  and  clarity  that  can  hardly  be  overstated.  “Without  adoubt,  the  Periodic  Table  of  the  Chemical  Elements  is  the  most  elegant  organizational  chartever  devised,”  wrote  Robert  E.  Krebs  in  The  History  and  Use  of  Our  Earth’s  ChemicalElements,  and  you  can  find  similar  sentiments  in  virtually  every  history  of  chemistry  in  print.

Today  we  have  “120  or  so”  known  elements—ninety-two  naturally  occurring  ones  plus  acouple  of  dozen  that  have  been  created  in  labs.  The  actual  number  is  slightly  contentiousbecause  the  heavy,  synthesized  elements  exist  for  only  millionths  of  seconds  and  chemistssometimes  argue  over  whether  they  have  really  been  detected  or  not.  In  Mendeleyev’s  dayjust  sixty-three  elements  were  known,  but  part  of  his  cleverness  was  to  realize  that  theelements  as  then  known  didn’t  make  a  complete  picture,  that  many  pieces  were  missing.  Histable  predicted,  with  pleasing  accuracy,  where  new  elements  would  slot  in  when  they  werefound.

No  one  knows,  incidentally,  how  high  the  number  of  elements  might  go,  though  anythingbeyond  168  as  an  atomic  weight  is  considered  “purely  speculative,”  but  what  is  certain  is  thatanything  that  is  found  will  fit  neatly  into  Mendeleyev’s  great  scheme.

The  nineteenth  century  held  one  last  great  surprise  for  chemists.  It  began  in  1896  whenHenri  Becquerel  in  Paris  carelessly  left  a  packet  of  uranium  salts  on  a  wrapped  photographicplate  in  a  drawer.  When  he  took  the  plate  out  some  time  later,  he  was  surprised  to  discoverthat  the  salts  had  burned  an  impression  in  it,  just  as  if  the  plate  had  been  exposed  to  light.  Thesalts  were  emitting  rays  of  some  sort.

Considering  the  importance  of  what  he  had  found,  Becquerel  did  a  very  strange  thing:  heturned  the  matter  over  to  a  graduate  student  for  investigation.  Fortunately  the  student  was  arecent  émigré  from  Poland  named  Marie  Curie.  Working  with  her  new  husband,  Pierre,  Curiefound  that  certain  kinds  of  rocks  poured  out  constant  and  extraordinary  amounts  of  energy,yet  without  diminishing  in  size  or  changing  in  any  detectable  way.  What  she  and  her  husbandcouldn’t  know—what  no  one  could  know  until  Einstein  explained  things  the  followingdecade—was  that  the  rocks  were  converting  mass  into  energy  in  an  exceedingly  efficient  way.

Marie  Curie  dubbed  the  effect  “radioactivity.”  In  the  process  of  their  work,  the  Curies  alsofound  two  new  elements—polonium,  which  they  named  after  her  native  country,  and  radium.

In  1903  the  Curies  and  Becquerel  were  jointly  awarded  the  Nobel  Prize  in  physics.  (MarieCurie  would  win  a  second  prize,  in  chemistry,  in  1911,  the  only  person  to  win  in  bothchemistry  and  physics.)At  McGill  University  in  Montreal  the  young  New  Zealand–born  Ernest  Rutherford  becameinterested  in  the  new  radioactive  materials.  With  a  colleague  named  Frederick  Soddy  hediscovered  that  immense  reserves  of  energy  were  bound  up  in  these  small  amounts  of  matter,and  that  the  radioactive  decay  of  these  reserves  could  account  for  most  of  the  Earth’s  warmth.

They  also  discovered  that  radioactive  elements  decayed  into  other  elements—that  one  dayyou  had  an  atom  of  uranium,  say,  and  the  next  you  had  an  atom  of  lead.  This  was  trulyextraordinary.  It  was  alchemy,  pure  and  simple;  no  one  had  ever  imagined  that  such  a  thingcould  happen  naturally  and  spontaneously.

Ever  the  pragmatist,  Rutherford  was  the  first  to  see  that  there  could  be  a  valuable  practicalapplication  in  this.  He  noticed  that  in  any  sample  of  radioactive  material,  it  always  took  the same  amount  of  time  for  half  the  sample  to  decay—the  celebrated  half-life—and  that  thissteady,  reliable  rate  of  decay  could  be  used  as  a  kind  of  clock.  By  calculating  backwards  fromhow  much  radiation  a  material  had  now  and  how  swiftly  it  was  decaying,  you  could  work  outits  age.  He  tested  a  piece  of  pitchblende,  the  principal  ore  of  uranium,  and  found  it  to  be  700million  years  old—very  much  older  than  the  age  most  people  were  prepared  to  grant  theEarth.

In  the  spring  of  1904,  Rutherford  traveled  to  London  to  give  a  lecture  at  the  RoyalInstitution—the  august  organization  founded  by  Count  von  Rumford  only  105  years  before,though  that  powdery  and  periwigged  age  now  seemed  a  distant  eon  compared  with  the  roll-your-sleeves-up  robustness  of  the  late  Victorians.  Rutherford  was  there  to  talk  about  his  newdisintegration  theory  of  radioactivity,  as  part  of  which  he  brought  out  his  piece  of  pitchblende.

Tactfully—for  the  aging  Kelvin  was  present,  if  not  always  fully  awake—Rutherford  notedthat  Kelvin  himself  had  suggested  that  the  discovery  of  some  other  source  of  heat  wouldthrow  his  calculations  out.  Rutherford  had  found  that  other  source.  Thanks  to  radioactivity  theEarth  could  be—and  self-evidently  was—much  older  than  the  twenty-four  million  yearsKelvin’s  calculations  allowed.

Kelvin  beamed  at  Rutherford’s  respectful  presentation,  but  was  in  fact  unmoved.  He  neveraccepted  the  revised  figures  and  to  his  dying  day  believed  his  work  on  the  age  of  the  Earth  hismost  astute  and  important  contribution  to  science—far  greater  than  his  work  onthermodynamics.

As    with    most    scientific    revolutions,    Rutherford’s  new  findings  were  not  universallyaccepted.  John  Joly  of  Dublin  strenuously  insisted  well  into  the  1930s  that  the  Earth  was  nomore  than  eighty-nine  million  years  old,  and  was  stopped  only  then  by  his  own  death.  Othersbegan  to  worry  that  Rutherford  had  now  given  them  too  much  time.  But  even  withradiometric  dating,  as  decay  measurements  became  known,  it  would  be  decades  before  we  gotwithin  a  billion  years  or  so  of  Earth’s  actual  age.  Science  was  on  the  right  track,  but  still  wayout.

Kelvin  died  in  1907.  That  year  also  saw  the  death  of  Dmitri  Mendeleyev.  Like  Kelvin,  hisproductive  work  was  far  behind  him,  but  his  declining  years  were  notably  less  serene.  As  heaged,  Mendeleyev  became  increasingly  eccentric—he  refused  to  acknowledge  the  existenceof  radiation  or  the  electron  or  anything  else  much  that  was  new—and  difficult.  His  finaldecades  were  spent  mostly  storming  out  of  labs  and  lecture  halls  all  across  Europe.  In  1955,element  101  was  named  mendelevium  in  his  honor.  “Appropriately,”  notes  Paul  Strathern,  “itis  an  unstable  element.”

Radiation,  of  course,  went  on  and  on,  literally  and  in  ways  nobody  expected.  In  the  early1900s  Pierre  Curie  began  to  experience  clear  signs  of  radiation  sickness—notably  dull  achesin  his  bones  and  chronic  feelings  of  malaise—which  doubtless  would  have  progressedunpleasantly.  We  shall  never  know  for  certain  because  in  1906  he  was  fatally  run  over  by  acarriage  while  crossing  a  Paris  street.

Marie  Curie  spent  the  rest  of  her  life  working  with  distinction  in  the  field,  helping  to  foundthe  celebrated  Radium  Institute  of  the  University  of  Paris  in  1914.  Despite  her  two  NobelPrizes,  she  was  never  elected  to  the  Academy  of  Sciences,  in  large  part  because  after  the  deathof  Pierre  she  conducted  an  affair  with  a  married  physicist  that  was  sufficiently  indiscreet  toscandalize  even  the  French—or  at  least  the  old  men  who  ran  the  academy,  which  is  perhapsanother  matter.

For  a  long  time  it  was  assumed  that  anything  so  miraculously  energetic  as  radioactivitymust  be  beneficial.  For  years,  manufacturers  of  toothpaste  and  laxatives  put  radioactivethorium  in  their  products,  and  at  least  until  the  late  1920s  the  Glen  Springs  Hotel  in  the  FingerLakes  region  of  New  York  (and  doubtless  others  as  well)  featured  with  pride  the  therapeuticeffects  of  its  “Radioactive  mineral  springs.”  Radioactivity  wasn’t  banned  in  consumerproducts  until  1938.  By  this  time  it  was  much  too  late  for  Madame  Curie,  who  died  ofleukemia  in  1934.  Radiation,  in  fact,  is  so  pernicious  and  long  lasting  that  even  now  herpapers  from  the  1890s—even  her  cookbooks—are  too  dangerous  to  handle.  Her  lab  books  arekept  in  lead-lined  boxes,  and  those  who  wish  to  see  them  must  don  protective  clothing.

Thanks  to  the  devoted  and  unwittingly  high-risk  work  of  the  first  atomic  scientists,  by  theearly  years  of  the  twentieth  century  it  was  becoming  clear  that  Earth  was  unquestionablyvenerable,  though  another  half  century  of  science  would  have  to  be  done  before  anyone  couldconfidently  say  quite  how  venerable.  Science,  meanwhile,  was  about  to  get  a  new  age  of  itsown—the  atomic  one.
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