今年是元素周期表诞生周年,已经有种元素在这张表上找到了属于自己的位置。
古代人眼中的元素
古巴比伦人和古埃及人曾经把水(后来又把空气和土),看成是世界的主要组成元素,形成了三元素说。古希腊人认为是土、气、水、火是组成世界的物质,这就是四元素说。中国人早期化学知识的积累主要靠炼丹,有五行学说。五行学说最早出现在战国末年的《尚书》中,原文是:"五行:一曰水,二曰火,三曰木,四曰金,五曰土。”世间万物都是由土、气、火、水以不同的方式混合而成的,这就是古人们所理解的“元素”。
13-14世纪,随着炼金术的发展,元素的队伍开始发展壮大,波斯科学家贾比尔给四大元素的队伍里添加了硫磺(定义为“会燃烧的石头”)和水银两样。再后来瑞士炼金术士帕拉塞尔斯又加入了盐,构成了新的七元素体系——这次炼金术士的运气稍好,硫磺和水银确实是元素,可惜盐仍然是化合物。尽管炼金术的理论早已被证明是错误的,但古代中国、阿拉伯帝国以及欧洲中世纪的炼金术士们还是通过实践总结出了很多重要物质以及它们之间反应的相关知识。
第一个认真地质疑四元素学说的学者是英国化学家罗伯特?波义尔(RobertBoyle,
公元~)。他在年发表《怀疑派的化学家》,这是一本对化学发展产生重大影响的著作。化学史家都把年作为近代化学的开始年代。伟大的物理学家牛顿比波义耳小16岁。近代科学伟人,意大利的伽利略、德国的开普勒、法国的笛卡尔都生活在这一时期。
波义尔认为化学必须摆脱从属于炼金术或医药学的地位,发展成为一门专为探索自然界本质的独立科学。这就是波义耳在《怀疑派化学家》中所阐述的第一个观点。波义尔考虑到首先要解决化学中一个最基本的概念:元素。他指出:古代传统的元素实际未必就是真正的元素。波义尔认为只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。例如黄金,虽然可以同其它金属一起制成合金,或溶解于王水之中而隐蔽起来,但是仍可设法恢复其原形,重新得到黄金。水银也是如此。至于自然界元素的数目,波义尔认为:作为万物之源的元素,将不会是古希腊的“四种”,也不会是后来的七元素体系,而一定会有许多种。
波义尔阐述了一个很快被广泛接受、对现代化学发展至关重要的观点:万物都是由无数的微小粒子组成的。他甚至还提出,元素是一些“最简单、最原始、最纯净的粒子”,是构成化合物的“原料”。
从远古至波义尔所处的年代(十七世纪),人类总共辨析出了13种元素。其中有在自然界中能够以近乎纯态存在的金、银、硫,再比如很容易能够从矿石中提炼出的铁、铜、汞等。直到18世纪末,科学家们才正式确立了化学元素的概念,知道了如何将它们与化合物区分开来。年为止,共有种元素被发现,其中94种存在于地球上。
18-19世纪发现的化学元素
追随着波义尔的步伐,一批新的化学家成长起来。伴随着理论的革新、辛苦的试验以及开放的思想,化学终于在18世纪成为一门新的科学并大踏步地发展起来。法国化学家安托万-洛朗?德?拉瓦锡(Antoine-LaurentdeLavoisier)在年出版了《化学基本论述》(《TraitéélémentairedeChimie》),是为第一本现代化学教科书。拉瓦锡提出,元素应当被定义为不能够被分解的物质。拉瓦锡在《化学基本论述》一书中列出了他制作的化学元素表,一共列举了33种化学元素,分为4类。中国葛洪于公元年从雄黄、松脂、硝石合炼制得的一种元素,由拉瓦锡确认为砷。
19世纪初,才华横溢的英国科学家汉弗里?戴维(HumphryDavy)进入英国皇家研究院,他把大量的时间投入科学研究。他于年最先用电解法从氢氧化钠中离析出钠元素。由于氢氧化钠在英语中被称作Causticsoda(烧碱),他就将这种新的金属元素命名为Sodium。钾的发现者也是戴维。众所周知,草木灰可被用作钾肥。以前的英国人也有一套取钾肥的方法:浸泡木头或树叶焚烧后产生的灰,浸出液放在盆里蒸发即可得到钾肥,所以钾肥在英语中叫potash(盆灰)。戴维通过电离钾肥得到了纯钾,他命名其为Potassium。为了提炼钾和钠,戴维甚至被化学药品炸瞎了一只眼睛。
到了19世纪初期,英国学者约翰?道尔顿(JohnDalton)进一步完善了化学理论。道尔顿创立了化学中的原子学说,他正式提出所有物质均由原子组成,每种元素都是一种独特的原子。因此,他找出了36种元素,并且给它们都配上了符号。
年,德国科学家罗伯特?本生与古斯塔夫?基尔霍夫又为分析化学提供了一个强有力的工具:光谱法。这时,化学家们已经开始意识到数目不断增长的元素似乎可以按照它们的性质与参与的化学反应分成若干族。比如,钠、钾、锂都是能够与水反应生成碱性溶液的金属;氯、溴、碘都能够与金属反应生成类似食盐的化合物。
年之后,自然界中存在的所有元素才陆续被发现并且提纯。
门捷列夫与元素周期表
门提列夫
俄国化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫(Дми?трийИва?новичМенделе?ев,年2月—年2月),生活在化学界探索元素规律的卓绝时期。当时,各国化学家都在探索已知的几十种元素的内在联系规律。年,德贝莱纳在对当时已知的54种元素进行了系统的分析研究之后,提出了元素的三元素组规则。他发现了几组元素,每组都有三个化学性质相似的成员。并且,在每组中,居中的元素的原子量,近似于两端元素原子量的平均值。?裴顿克菲、拉格斯顿、库克和杜马等人,发现某几个元素存在相似的性质,它们把元素族扩大到了4个一组,甚至6个一组的水平,但终究没有发现共同的规律。这些科学家们所做的研究,在一定程度上只能说是一个前期的准备,但是这些准备工作是不可缺少的。
年轻的学者门捷列夫也毫无畏惧地冲进了这个领域,开始了艰难的探索工作。门捷列夫仔细地研究了63种元素的物理性质和化学性质,他想到了一个很好的方法来对元素进行系统的分类。门捷列夫准备了许多类似扑克牌一样的卡片,将63种化学元素的名称及其原子量、氧化物、物理性质、化学性质等分别写在卡片上。门捷列夫用不同的方法去摆那些卡片,用以进行元素分类的试验。他将非金属元素和金属元素分别摆在一起,使其分成两行,仍然没能成功。他用各种方法摆弄这些卡片,都未能实现最佳的分类。
年,他去德国海德尔堡进行科学深造。两年中,他集中精力研究了物理化学,使他探索元素间内在联系的基础更扎实了。
年3月1日这一天,门捷列夫仍然在对这些卡片苦苦思索。他先把常见的元素族按照原子量递增的顺序拼在一起,之后是那些不常见的元素,最后只剩下稀土元素没有全部“入座”,门捷列夫无奈的将它放在边上。从头至尾看一遍排出的“牌阵”,门捷列夫惊喜地发现,所有的已知元素都已按照原子量递增的顺序排列起来了,并且相似元素以一定的间隔出现。
与现在的周期表不同的是,他的周期表中许多元素的原子量出现了较大的偏差。这之后门捷列夫又发表了几个版本的周期表,修正了部分错误。
门捷列夫的周期表最为成功的一点是为当时还未发现的元素留下了空位。根据它们在周期表中的位置,门捷列夫还预测了它们的分子量与化学性质。
没过多久,门捷列夫语言的四个元素中的三个元素陆续被发现,并且实验测得的性质与门捷列夫计算的结果惊人地符合。也正因如此,门捷列夫获得了极高的赞誉度,他的声望也因此树立起来。他的名著、伴随着元素周期律而诞生的《化学原理》,在十九世纪后期和二十世纪初,被国际化学界公认为标准著作,前后共出了八版,影响了一代又一代的化学家。
从理论上说,化学元素周期表还有很多元素需要补充,第七周期应有32种元素,而还未发现的第八周期应有50种元素。所以,元素周期还需要不断的补充与完善。
门捷列夫没能获得诺贝尔奖应该是诺贝尔颁奖史上最令人震惊和遗憾的事情。据诺贝尔档案记载,诺贝尔奖委员会本已打算将年的化学奖颁给这位大师,但委员会其中一人最终将门捷列夫踢出了榜单。这位伟大的化学家于年去世。
化学元素的中文名称
感谢元素的中文名都是一个单独的字——长短一样、朗朗上口,而如此科学的中文元素命名体系是谁的功劳?
近代化学进入中国要感谢无锡人徐寿。徐寿当年在上海江南制造总局创办翻译馆,翻译了大批西方化学著作。在翻译《化学鉴原》(《Wells’PrincipleandApplicationsofChemistry》)过程中,徐寿苦于元素名没有现成汉名可用,因此在传教士傅兰雅的帮助下为它们创造新名。
徐寿的翻译在一些气体上选用了根据性质命名的方法,如轻气、养气、绿气、淡气等。不过总体来说,他的方法是依据元素拉丁文首个音节进行音译,并在金属元素名称中统统加上金字旁。
后来中国化学家们又给非金属元素加上“石”旁,气体元素加上“气”头,提高了翻译的系统性,终于形成了一套中国自己的元素命名法。这套元素命名法至今沿用,并且基本构成了现代汉字体系中新字的唯一来源。
只是中国的化学先驱大概没有料到,他们创的字很多其实古已有之。为何?
明太祖朱元璋给朱家子孙搞了个起名规范,其中规定后代的第三个字得用“五行”为偏旁,从他下一代开始以“木火土金水”的顺序循环。由于朱家人丁兴旺,为了避免重名,许多奇怪的字被造了出来。在明朝就有叫“朱恩钾”、“朱恩钠”、“朱帅锌”、“朱效钛”、“朱效锂”的朱氏后代。要是他们穿越到现代,看到元素周期表上挂着自己名字,不知会作何感想。
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参考文章
大风号:图解化学元素:元素简史
彭拜新闻,郑子宁:化学元素进化史
周
三
相
见
《鲁原心论坛》
陈鲁原
医院心内科
广东省心血管疾病研究所
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