提纯后的硼
例如，从第三号元素锂到第十号元素氖，这8个元素的单质，由典型的金属锂，经过金属性较弱的铍，过渡到非金属硼和碳，再经过非金属性越来越强的氮和氧，到典型的非金属氟，然后经过惰性气体氖便又出现了典型金属钠。从第十一号元素钠，到第十八号元素氩，又重复出现上面的这种有规则的变化，依次出现典型的金属、金属性较弱的元素、非金属、非金属性较强的元素、典型的非金属，最后出现另一个惰性气体氩。类似这种周而复始的变化，共达7次之多。这种类似性质的元素之间的间隔，便叫做周期。
因此，人们把这种元素以及由它们所组成的单质和化合物的性质，随着原子序数的增大而周期地改变的规律，叫做元素周期律。
根据元素周期律，人们把这些元素按周期和族类列表排出，以便于学习和应用。这种表就叫做元素周期表。
门捷列夫
在周期表里，我们把横排叫做周期。现在的周期表里，共有7个横排，就是有7个周期。纵行叫做族，就是家族的意思；族里面还有主族和副族之分。现在的周期表里共有8个主族，它们是第一到第七主族和零族。还有8个副族，它们是第一到第七副族以及第八族。表的左侧标出的阿拉伯数字，代表周期的次序；表的上方的罗马数字代表族的次序；罗马数字右边的字母A代表主族，B代表副族。
以前混乱的、互相间好像毫无联系的各种元素，在周期表里都整整齐齐地排好了队。它们排列得就像少先队员们排队时那样整齐，横看横成列，竖看竖是行。不过，少先队员排队是按个子高矮，而元素排队是按它们的核电荷数的多少（门捷列夫当时是按原子量的大小）来排列的。
由于元素周期表是根据元素周期律排列出来的，因而在每一个横排也就是同一个周期里的元素的性质，从左到右都呈现出有规则地变化；每一竖行也就是同一族里的元素，都具有相似的性质，并且这种性质依照从上到下的次序也呈现出逐步增强或者减弱的趋势。
通常人们都用元素的金属性和非金属性来表示这些规律。
什么是元素的金属性和非金属性呢？
一种物质如果像金、银那样闪闪发亮，人们就说它有金属光泽。金属光泽就是一种金属性。通常所说的金属性还有传热、导电等。不过这类性质都不牵涉到物质成分的改变。所以它们都属于物质的物理性质。物质的金属性的更重要的表现，还在于它们的化学性质，也就是物质在发生化学反应的时候所表现出来的性质。一个典型的金属能和氧、和非金属、和酸等物质起化学反应。一般衡量一个元素的金属性是强还是弱，是看它的最高氧化物和水起反应所生成的化合物的碱性是强还是弱。一个元素的最高氧化物的水化物如果呈现碱性，那么，这个元素就呈金属性，碱性越强，元素的金属性也越强。
比如说钠元素吧，它除了具有金属光泽，能传热导电，并能和氧、非金属、酸等物质起反应外，它的氧化物也就是氧化钠，能和水反应生成氢氧化钠。氢氧化钠是一个很强的碱（俗称火碱），因此，钠就被认为是一个金属性很强的元素。
同样的道理，一个元素的非金属性，也是用类似的方法去判断。不过，标准正好和前面说的相反，是看它的最高氧化物水化物的酸性如何了。一个元素氧化物的水化物酸性越强，就说明它的非金属性越强。
例如硫元素，它的最高氧化物（三氧化硫）的水化物是硫酸。硫酸是著名的三大强酸之一，因此，硫是一个具有较强的非金属性的元素。
在元素周期表里，元素的金属性和非金属性表现出明显的有规则的变化：在同一周期里，元素的金属性随着原子序数的增加而减弱，元素的非金属性随着原子序数的增加而加强。
钠元素的氧化物水化物——氢氧化钠，是一个著名的强碱。
镁元素的氧化物水化物——氢氧化镁，是一个中等强度的碱，比氢氧化钠要弱得多。
铝元素的氧化物水化物——氢氧化铝则是一个典型的两性化合物，它既能同酸发生反应表现出碱性，又能同强碱发生反应而表现出酸性。
提纯后的磷粉
硅元素的氧化物水化物——硅酸，是一个极弱的酸。
磷元素的最高氧化物水化物——磷酸，是一个中强酸，比硅酸的酸性要强得多。
硫元素的最高氧化物的水化物——硫酸，已经是一个著名的强酸了。
氯元素的最高氧化物的水化物——高氯酸，是无机酸中最强的酸。
同一个主族里的元素，具有相似的性质。比如，第一主族的元素，除氢元素外，都是金属性很强的元素，它们的氧化物水化物都是强碱，所以，人们又把它们叫做碱金属。第七主族的元素，都是非金属性很强的元素，它们的最高氧化物水化物都是强酸。
在同一主族里面，随着原子序数的递增，元素的金属性增强，非金属性减弱。比如，在第三主族里，最上边的元素硼的非金属性较强，它的氧化物水化物是一个弱酸，就是平常眼科医生给病人洗眼用的硼酸。硼下边的元素铝，已经说过是一个两性元素，既具有明显的金属性，也有一定的非金属性。而这一家族的最下边的成员铊，就具有较强的金属性，它的最高氧化物水化物已经是一个典型的碱，而不具有酸性了。
在元素周期表里，元素的化合价，也就是一种元素的原子，能和其他元素的原子相结合的数目，也表现出有规则的变化。
不只是金属性、非金属性和化合价，元素的几乎所有性质，在同一周期和同一族里，都是按顺序逐渐变化的。这种情况，我们常用递变这个词来表示。
不过，当年在门捷列夫初次排出周期表的时候，那张表还不像现在这么完整。因为，当时人们只知道63种元素，许多元素还没有被发现，所以在门捷列夫排周期表的时候，曾经碰到了许多困难。要不是他对科学的信仰，要不是他有坚强的毅力，要不是他具有非凡的预见，要从当时那些杂乱无章的元素知识中找到这样的规律，并排列出这张表来，实在是不可能的。这些故事，我们将在下面再讲。
预测新元素之谜
现在就来讲一讲，门捷列夫是怎样使用他的法宝，来预测当时还不知道的新元素的。例如，他是怎样知道他还没见过的镓的性质的。
门捷列夫在排列周期表的时候，给当时还没有发现的元素留了一些空格。例如，他给镓留的空格就是第三主族里的第三个格子。在这个空格的周围，有三个元素是已经发现了的。它们是铝（Al）、锌（Zn）、铟（In），第四个相邻的元素当时也还没有被发现，所以也空着一个格子。提炼后的锌块但是这个空格子右边，是人们熟悉的元素砷（As）。我们把周期表的这一部分以及那时测定的原子量列在下面：
在镓该占据的那个空格里，门捷列夫填上了一个名字叫类铝的元素，意思就是说，这个还没有被发现的元素应该和它“楼”上住的元素——铝的性质很相似。根据同样的理由，旁边的一个未知元素，门捷列夫把它叫做类硅。门捷列夫还预测了它们应该具有的各种性质。
这说起来似乎很神奇，其实，门捷列夫在掌握了元素性质的递变规律，并且有了根据这些规律而排列出来的元素周期表以后，就能够毫不困难地推断出未知元素的各种性质来。
三元素组和八音律
在门捷列夫发现元素周期律以前，化学这门学科已经诞生了200年以上。在这段时间里，这门学科虽然有了很大进展，但是，总的说来，它只是积累了很多零散的知识而已。这些知识之间的内在联系如何，怎样才能把它们系统起来，还是没有解决的问题。因此，这时的化学学科，就像个管理不好的库房一样，虽然各种材料很多，但是东一摊、西一摊，放得乱七八糟，毫无规矩。
当时学校里的化学老师，包括大学里专门教化学的教授在内，在这一大堆乱七八糟、漫无秩序的材料面前，对于如何组织教学，谁也拿不出好主意来，只能各行其是。有的人先从氢讲起，因为它最轻；有的先讲氧，因为它分布最广；有的先讲铁，因为它是最常见的金属；……化学家们实在不能继续容忍这种混乱的状态了！大家都在想，怎样才能找到一个规律，把这些各种各样的元素有系统地排列起来，把这些杂乱无章的化学现象和化学知识系统化起来。
1829年，德国化学家段柏莱纳在比较各种元素的原子量的时候，注意到有几个化学性质很相似的元素组，每组包括三个元素。在每一组的三个元素中，按原子量的顺序排列，中间那个元素的原子量大约是两边的元素原子量的平均值。
装在瓶中的溴
例如：锂、钠、钾三种元素的性质就很相似，它们都是金属，能和水激烈地反应放出氢气，并且生成很强的碱。排在中间的元素钠，它的原子量（23）正好是锂（7）和钾（39）原子量之和的1/2。
氯、溴、碘三个元素都是非金属，都能和金属起反应，它们的原子量也有上边说的那种情况。
这样三个元素一组，共找到5组。段柏莱纳把它叫做三元素组。
三元素组的分类方法，虽然比过去进了一步，但它只包括了15个元素，还有几十种元素没有归纳进去。另外，这一组一组的元素相互间有什么关系，段柏莱纳也说不出来。
在这以后，还有许多人尝试过用各种方法分类和归纳元素，试图从中找出规律性的东西。其中比较引人注意的一种方法，就是英国人纽兰兹提出的八音律。
在音乐中，当我们把音符l（do）、2（le）、3（mi）、4（fa）、5（so）、6（Ia）、7（ti）、l（do）、2（Le）、3（mi）……排列起来的时候，你从任意一个音数起，数到第八个音时，一定和第一个音的唱法一样，这两个音之间的距离就是八度。
纽兰兹把当时已知的元素按原子量一个比一个增加的顺序列成行的时候，他发现，从任何一个元素开始，数到第八时，就会出现一个和第一个元素性质相似的元素，好像音乐中的八度音一样。纽兰兹把这种现象叫做八音律。
纽兰兹根据八音律把当时已经知道的元素编了号，排成了下面的这张表：纽兰兹的《八音律表》
H1Cl15Br29I42Li2K16Rb30Cs44Be3Ca17Sr31Ba和V45B4Cr19Ce和La33Ta46O5Ti18Zr32W47N6Mn20Di和Mo34Nb48F8Co和Ni22Pd36Pt和Ir50Na9Cu23Ag37Os51Mg10Zn24Cd38Hg52Al11Y25U40TI53Si12In26Sn39Pb54P13As27Sb41Bi55S14Se28Te43Th56从这张表里元素排列的顺序来看，在第一行氢、锂、铍、硼、碳、氮、氧这7种元素之后的氟、钠、镁、铝、硅、磷、硫分别和前7种元素相似。第22行的氯、钾、钙也分别和氟、钠、镁性质相似。再往后就不能令人满意了，比如22号位置上的钴和镍，同前面的氟、氯的性质便没有什么相似的地方。1866年，纽兰兹在英国化学会的年会上报告了他的这种分类方法。遗憾的是，他不但没有受到应有的鼓励，反而因为回答不出听众提出的许多问题而受到了奚落。伤心的纽兰兹失去了勇气和信心，放弃了他的理论研究工作而改行去干别的事了。
这样，化学家们尝试把元素系统化的努力又一次失败了。
给元素“洗牌”
1867年，也就是纽兰兹在英国化学会上报告八音律的第二年，33岁的门捷列夫开始在俄国最著名的大学——彼得堡大学讲授无机化学。
无机化学当时是关于元素和元素的各种化合物的一门学科，是培养化学专家的一门必不可少的课程。
为了讲好这门课程，门捷列夫几乎参考了所有的无机化学课本，看了许多当时有名的化学家的著作。他希望自己讲的课能够做到材料充分，富有条理，让学生们容易接受，能学到系统的知识。他讲的课很受学生的欢迎，但是门捷列夫对此一点也不满足。学生们迫切需要教科书，而用俄文编写的仅有2本，又都不适用。1868年秋，他决心自己动手来编写一本新的教材。他一边继续研读资料，一边拿出讲课的速记稿，反复推敲。但是，资料看得越多，他就越是感觉到混乱，理不出个头绪来。
门捷列夫感到很苦恼，他思考了很久，也没找到一个能够解决问题的好办法。他知道，无机化学之所以这样混乱，原因不是别的，就是人们还没有找到化学元素之间的规律性的联系。而没有这些知识，要想讲好无机化学课，要想把无机化学知识系统化起来，编出一本好的教材，那简直是不可能的。
找到了方法
为了进一步发展化学这门科学，门捷列夫下决心探索元素间的规律。要做到这一点，首先就应该把人类已经积累起来的关于元素的知识收集起来。对于门捷列夫来说，这件事并不十分困难。因为在这以前的几年里，他已经收集了这方面的一切能够得到的材料。现在的问题是，怎样分析这些材料。
他想到了对比法——这个曾经帮助过他和许多科学家的方法。两种材料的对比，能使人认识到它们的相似和区别；对比更多的材料还能找到它们之间的关系和规律。
门捷列夫做了许多大小相同的厚纸卡片，细心地把每一种元素的各种性质写在一张卡片上。元素的名称、符号、原子量、颜色、比重、化合价等，都写了上去。每个元素一张卡片，就像一叠扑克牌一样。
