一、钾与钠的发现
19世纪初，伏特发明了电池后，各国化学家纷纷利用电池进行分解各种物质的实验研究。其中有一位年轻的英国化学家汉夫里·戴维（Humphry Davy，1778～1829，英国化学家）正在进行苛性碱的电解实验。
戴维于1778年12月17日生于康沃尔郡彭赞斯，1795～1798年，给一位药剂师当学徒，其间读了A.-L.拉瓦锡的《化学原理》，从此对化学产生了浓厚的兴趣。1798～1801年，在布里斯托尔任气体研究所的实验室管理员。1801年开始在英国皇家学院讲授化学。1802年任化学教授和皇家学会会志助理编辑。1803年当选为英国皇家学会会员。
他所进行的苛性碱的电解实验，在当时也是绝无仅有的了，因为人们向来以为苛性碱是不可再分解的简单物质，几乎所有化学家都毫无疑问地把它当成了化学元素。可是，戴维却有另外一种冲破传统的想法。他推想，碱有几种化学性质，跟一些已知的成分复杂的物质很相似，所以，它很可能也是化合物。于是，他先选用苛性钾进行电解实验。然而几次实验都失败了，苛性钾原封不动，呈现出的都是水被分解成氢和氧的现象。不过，戴维没有因此而丧失信心。他不断改进实验。既然水总在里面捣乱，干脆就用无水苛性钾吧！他按着这一思想又干了起来。果然，奇异的现象出现了。
一天，戴维让助手埃德蒙得把苛性钾水溶液换成无水苛性钾，并给无水苛性钾加热，然后开始对熔融的无水苛性钾电解……“它会不会分解呢？”戴维把白金导线接触熔融了的苛性钾表面时，心里在想。“现在没有水了，匙子里只有苛性钾一种东西。如果它不是一种元素，那么它马上就会露出原形……可是如果电流不能通过熔融的碱呢？”正在他反复思索之时，电流通过去了。“喂！”戴维声音都变了，“埃德蒙得，到这儿来！苛性钾分解了！”助手用手遮着眼睛，往仪器前凑。而戴维自己却差点把鼻子碰到白金匙子上。原来，由于电流的作用，熔融的苛性钾不仅通过电流，发生显著的变化，而且在白金导线跟苛性钾接触的地方，还出现了一些小小的火舌，淡紫色的火焰，非常美丽，只要电路不断，火焰不会熄灭；电流一停，火焰也就立刻熄灭。埃德蒙得莫名其妙地看着教授，说：“这是怎么回事？”“埃德蒙得，这意味着，咱们已经把这种假元素给揭穿了。”戴维自信地说，“电流已经把苛性钾所含的某种未知物质，分离出来。导线旁边发着淡紫色火焰的就是它。”这是一种什么样的物质呢？怎样才能收集到这种神秘的物质呢？戴维再次陷入思索之中……1807年10月的一个早晨，薄雾蒙蒙。戴维吃完早饭，匆匆走向实验室。几天来，他一直在想，第一次没有把苛性钾分解成功是因为水；第二次，又没有成功，可能是因为那熔融的碱热到了发赤的地步，温度太高了。于是又想出了第三个办法，让苛性钾从空气里稍微吸收一点湿气试试。按着这一想法，他和助手埃德蒙得又开始了新的实验……电流果然通过去了。那固体的碱块，立即开始从上下两个方向熔化。戴维见此情景，脸色渐渐苍白了。他站在试验台旁边，紧张得几乎停止了呼吸。这时，碱块同金属接触的地方正在熔化，发出细微的咝咝声。突然，啪的一声爆响，像爆竹般从熔融的碱上面传出。戴维用胳膊肘使劲推了一推他的助手，迅速把头俯到试验台上。“埃德蒙得……埃德蒙得……”他喃喃地说，“你看啊，埃德蒙得！”熔融的苛性钾上面沸腾得越来越厉害，下面的白金片上有些极小的珠子从熔融了的苛性钾里滚出来。它们跟水银珠一样活动，一样带有银白的光泽，可是它们和水银可大不相同。它们中间有的刚一滚出来，就啪的一声裂开，爆发出一股美丽悦目的淡紫色火焰而消失得无影无踪；有的虽然侥幸得以保全，在空气中却很快就变暗，蒙上一层白膜。原来碱的组成中含有某种金属！而且在这以前，谁也不知道世界上有这么一种金属……戴维认清了这一点，突然离开座位，在实验室里如醉如狂似地跳起舞来……又经过几次验证后，他终于肯定了自己的新发现。他大胆地把苛性钾从元素名单上抹掉，换上了一个当时还没有人知道的新元素。这次真的是一种元素了，他给它取名叫“锅灰素”，译成中文就是“钾”。
分解了苛性钾以后，戴维立即着手分解另一种碱——苛性钠，并很快获得成功。他为这种从苛性钠中分离出来的新的金属元素，取名为“苏打素”，译成中文即是“钠”。
钾和钠的性质有很多相似之处，只不过，钠的金属活动性比钾略微差一点儿。钠是黄色的火焰，钾是淡紫色的火焰。所以当时人们都说：“戴维发现了双胞胎元素！”
戴维的科研成就很多。1800年研究电解，从理论上解释了电解过程，指出与电极具有相反电荷的带电质点能按相对亲和力的大小排列成一系列，这实际上是现代电化学的基础；1802年开创了农业化学；继1807年用电解法离析出金属钾和钠之后，他在1808年又分离出金属钙、锶、钡和镁，他对碱金属的详细研究，为拉瓦锡所指出的“所有碱都含有氧”，提供了证明；推翻了拉瓦锡关于所有酸中都含有氧的观点，提出所有酸含有氢而不是氧。此外，他对氯、碘及其化合物、金刚石、铂的催化作用等方面也都做了卓有成果的研究。
戴维的一生与荣誉相伴，他在1805年获科普利奖章，1807年因在皇家学会演讲“论电的化学作用”，获拿破仑的3000法郎奖金，这是奖给当年最重要的电学研究项目的奖金，1813年当选为法国科学院通讯院士，1816年获伦福德奖章，1827年获皇家奖章。1820年戴维出任英国皇家学会会员主席。1829年5月29日他卒于瑞士日内瓦。
二、元素周期率的发现
化学的迷宫
18世纪中叶到19世纪中叶，那是一个化学元素大发现的年代，由于电解法、光谱分析等新方法的运用，新元素被人们一个个找出来，平均每两年半就有一个新元素被发现。到1869年，人们已经发现了63种元素。
那时候，最令化学家们激动的事莫过于发现新元素了。可是，谁也说不清，世界上究竟有多少元素，又应当怎样去寻找新元素，人们只是在盲目地摸索着。
更令化学家们伤脑筋的是，随着新发现元素的增多，随着人们对这些元素性质了解的增多，人们反而被眼前这纷繁复杂的化学世界给搞糊涂了。
你看，63种元素的性质是那样的不同，有的是气体，有的是液体，有的是固体；有的重，有的轻；有的软，有的硬；有的有味，有的无味；有的放在空气中自己就会燃烧，有的存放几千年也不会起变化；有的遇水就爆炸，有的放在水中煮三天三夜也纹丝不动……这63种元素每一种又能和其他物质反应生成几十种、几百种甚至上千种化合物。
尽管人们对每一种元素都已有了相当详尽的了解，能测出每一种元素的原子量、比重、沸点、熔点，知道它们和氧如何反应，和氢如何反应，和酸，碱生成什么，甚至能测出反应时能生成多少热……大学教授们对这些元素和它们的化合物的性质能讲上几个星期、几个月。可是这些枝枝节节讲得越多，人们就越是不得要领，仿佛被引进了一个没有头绪的化学迷宫之中。难道世界上化学物质就是这样偶然地、杂乱无章地凑到一起的吗？各种元素之间有没有什么内在的联系？有没有一个统一的规律支配它们呢？
许多化学家们早就不满意这种混乱无序的状态了，他们开始思索和寻求这一连串问题的答案。
给元素分类
很早就有人根据元素外观，将元素分成了金属和非金属两大类。不过，这种分类方法实在太笼统了，对搞清元素之间的关系没有什么帮助。
1828年，德国科学家德贝莱纳发现，化学元素中，有好几组元素，每三种元素之间性质相似，而且中间元素的原子量大约是两端元素原子量的平均值。比如钾、钠、锂，氯、溴、碘，钙、锶、钡等。他一共发现5组这样的元素，起名为三元素组。
可是当时已经发现的元素有54种，其他元素之间又有什么关系呢？而且整个元素之间有无规律可循呢？三元素组都回答不了。不过，这是人类首次根据元素的性质和原子量对于元素进行分类的尝试。
后来，又有好多化学家加入到给元素分类的队伍中来了，到了19世纪中叶，提出的元素分类方法已不下50种。
美国人库克把元素分成6系，英国人欧德林把元素分成13类，德国人迈尔发表了6元素表……但这些分类都只得到了局部的结论。
第一个把元素作为整体考虑的是法国人尚古多。1862年，他绘制了螺旋图：把所有元素都按照原子量的大小标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，结果性质相似的元素落在了同一条母线上，也就是说，他实际上已发现了元素变化具有某种周期性。
1865年，英国青年科学家纽兰兹又提出了八音律。他发现按照原子量递增的顺序给元素排队，从任意一种元素算起，第八种元素的性质几乎重复着第一种元素的性质，就好像音乐中的八度音一样，他把这称作八音律。他按照八音律关系排成的元素表，前两个直行几乎相应于现代元素周期表中的第二、三周期。
这些早期的分类工作并没有得到人们的理解和重视，甚至还遭到非难和嘲笑。
尚古多先后把他的“螺旋图”和三篇论文寄到巴黎科学院，却石沉大海，根本没有人理睬他。一直到20多年后，门捷列夫的元素周期律已经发现，他的螺旋图才被重新找出来正式出版，就这样，非常可惜，他的发现未能够在历史上起到应有的作用。
纽兰兹在英国化学会上宣读他的八音律时，遭到了许多人的嘲笑。一位教授讥讽地说：“纽兰兹先生，您是否把元素按照它们的第一个字母排列，或许那样更符合八音律吧？”他的话引起人们一阵讪笑。在讽刺打击下，纽兰兹退却了，他放弃了对这一理论的探索工作，专心致志搞他的制糖工艺去了。
的确，这些早期的分类工作还极不完善，有许多漏洞和错误的地方。但是，他们正在一步步地向真理逼近，为元素周期律的发现奠定了基础。
寻找规律
就在同一时代，在彼得堡，也有一位年青的化学家为此绞尽脑汁，他就是德米特里·伊凡诺维奇·门捷列夫。
门捷列夫1834年出生在俄国西伯利亚的托波尔斯克，他的父亲是一位中学校长，他是家中的第14个孩子。在他刚几个月时，他父亲就双目失明，失去工作。他的母亲照料着一个大家庭，还管理着一个玻璃工厂。为了送门捷列夫上大学，母亲几乎变卖了全部财产，陪他一同到彼得堡。就在门捷列夫获准进入彼得堡师范学院时，他的母亲去世了。这位性格坚毅的母亲给了门捷列夫很大影响。
还在大学时代，门捷列夫就表现出不寻常的才智。大学毕业后，他先后在中学、大学任教，23岁时就担任了彼得堡大学的副教授。在完成对巴库油田的考察后，为了研究溶质和溶剂作用，他曾对283种物质逐个进行了分析测定，并且重新测定了一些元素的原子量，积累了丰富的元素知识。他还在德国、法国、比利时的一些化工厂考察过，大大开阔了眼界。
1867年，彼得堡大学聘请这位33岁的化学家担任教授，讲授无机化学课。
门捷列夫认真准备着讲稿，他发现，这门学科的俄语教材已经很陈旧了，外文教材也不适应要求，迫切需要一本能够反映无机化学最新进展的教科书。他开始编写《化学原理》的教科书。
每天清晨，一位速记员来到他的办公室，由门捷列夫口授，速记员整理。他很快写完了化学基本原理这一册。第二册接着该介绍元素和它们的化学性质了。
这些元素究竟该按照什么顺序排列呢？门捷列夫的写作停下来了。
是啊，当时还没有一个公认的元素分类法，大学教授们在讲授元素时都是按照自己认为最方便的顺序讲起。氧这种元素在自然界分布最广泛了，许多人都从氧讲起；也有人从氢讲起，因为氢是所有元素中最轻的；也有人从铁讲起，因为铁的用处最大；也有人从金讲起，因为这是元素中最贵重的……大多数教授对此司空见惯，并不在意。反正元素之间没有任何秩序，从哪儿讲起不一样啊？
可是，门捷列夫却不满足于这样做。他与一些化学家一样，早就发现某些元素之间存在着极大的相似性。像锂、钠、钾，它们都是金属，化学性质都很活泼，能和水激烈反应，放出氢气。又如氟、氯、溴、碘等卤素，钙、锶、钡等碱土金属之间也都很相似……门捷列夫认为，这些现象决不是偶然的，一定有着一个一般规律在支配着这些元素，既决定了这些元素相似的地方，又决定了它们的区别。他决心要寻出这种规律来，让元素之间的关系变得简单明了。
发现元素周期表
“安东，到实验室去找几张厚纸来。”门捷列夫对仆人说。
安东走出门，莫名其妙的耸耸肩膀，很快拿来一卷厚纸。
门捷列夫把这些厚纸都打上格子。剪成了一个个长方形卡片，他要做什么呢？他正在筹划进行一个重要的试验。
门捷列夫在每一张卡片上写上元素的名称、原子量、化合物的化学式和主要的性质，一种元素一张卡片，就好像元素的户籍册一样。63张卡片全填好了，现在可以利用这些卡片对元素进行分类排队了。
门捷列夫皱着眉头思考着，每一种元素都有几十种性质，究竟是哪一种性质决定元素的规律呢？是元素的颜色吗？不是。固体的碘是紫黑色的，可是一加热，却变成了紫色的蒸气，磷有红磷，还有白磷……元素的颜色是随着外界条件的改变而改变的。
是元素的化合价吗？也不是。元素在生成不同化合物时化合价也不一样。如铁和硫生成硫化亚铁时是正二价，但是和氯生成氯化铁时却变成了正三价。
元素的比重、沸点、硬度、导电性、磁性等也都是随着外界条件变化而变化的。
门捷列夫把目光盯在了原子量上。每一种元素都有它独有的原子量，不管物质是冷的还是热的，不管是红色变种还是白色变种，也不管它和另一种元素生成什么新的化合物，原子量总是不变的，它就好像是元素的身份证。元素的性质应当由这个基本的特征来决定。
门捷列夫想到这一点，但那还只是一个模模糊糊的线索，是不是这样，还要靠事实来验证。
门捷列夫开始摆弄起他的63张纸牌来。
他先按照德贝莱纳那样，把卡片分在三个一组，按原子量大小排列，但是毫无结果。他又打乱了重新排列，一遍又一遍……当他按照原子量的大小把性质相似的元素排成一横行，依次一排排排下去时，惊人的事情出现了，原来杂乱无章的元素，现在关系变得清楚了：