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[转载]浅谈元素发现的历史

已有 934 次阅读 2019-4-16 21:18 |个人分类:医学史话|系统分类:科普集锦| 化学元素发现史, 化学史分期, 元素周期表 |文章来源:转载

我们都知道,自然界元素一共有92种,世间的万物都有这些元素中的一种或者几种构成。这些元素成员之间,特点各不一样,甚至差异极大,比如从体积来看,氢原子体积很小,而铀原子相对于它来说则是庞然大物了。有限的元素之间经过不同的排列组合还组成了五彩缤纷的物质世界,既有月球上的岩石,也可以组成芭比娃娃,既可以成为一只猴子,也可以是一架空中客车。我们人类发现了它们,找到了它们,也分析了它们,而且我们还把其中的一些进行拆分,重新组合,获得了属于我们自己的元素。如今元素周期表中列出的118种元素,就包括了由人类自己合成或分裂的26种元素。

现在没有任何人会再去怀疑关于元素的观点,但是我们必须承认元素发现的过程相对于人类在这一领域探索的历程相比还是显得十分短暂的。在元素不断发现的过程中,人们曾经困惑、忧虑、也曾争论过。本文即从化学史的角度来探究元素的发现的故事

一、思考世界到“四分”之说

“世间万物是由为数不多的简单物质构成的。”这种思想产生于公元前六世纪希腊的艾奥尼亚地区,即现在的土耳其西南海岸。在古代,此地的一些流放罪犯是一些思想理论的创建者,这些理论就是后来的自然哲学希腊人的好奇心也是这一思想的直接推动因素,他们永不停息地思索着世界运作的奥秘。其中最重要和最基本的问题就是:物质的本质是什么?

摆脱了神学思想束缚的艾奥尼亚思想家和哲学家开始相信,自然界的事物和现象都应当由合乎逻辑的解释。在他们中间,一位名叫泰勒斯1】的人被学界公认为是第一个思索了物质本质构成的人。在他的时代,希腊人绝大多数是商人,希腊的殖民地几乎遍及地中海周遭的地区。地区间的贸易迅速发展,主要的贸易物品有粮食、橄榄油、干鱼、葡萄酒金属木材和奴隶。贸易的兴起给泰勒斯游历各地带来的方便,在自己从事贸易行走于希腊各地的见闻促成他思考。他说,宇宙的基本原理,或者说要素,就是水。宇宙间的一切已知事物都是由水合成的,或者由水更动之后的变体而合成的。水形成水蒸汽,水蒸汽又飞入大气,由大气层下降之后才变成了雨。雨水打击着地面,让大地变紧实、变硬,最后变成坚硬的岩石。所以,一切事物最初都是由水开始,逐步演变而来,而又最终化成水而去。

泰勒斯的这种以水为基础的宇宙观念,说明了整个世界从本质上来讲是由一种元素演变而成的。他的观点引起了不少争论,他的得意门生阿那克西曼德【2】就是最激烈的反对者。他认为整个物质世界构成太丰富奇幻,根本无法想象会建立在如此简单平凡的一个元素——水的基础上。世界的基本元素一定要更为抽象,也更具有普遍性。阿那克西曼德还提出了一种名为apeiron【3】的看不见形式原生物质,它有能力变换生成世间万物。而阿那克西曼德的得意门生阿那克西门斯(Anaximenes,585BC—525BC)也同样摒弃了aplasma的假说,照他看来,任何物质总得包含某一种物质构成成分,不能任何物质都不包含,他认为这“某一种物质”是空气,因为地球变面几乎到处都有空气。

随着争论的扩大化,其他的物质构成学说也开始出现。古希腊唯物哲学家赫拉克利特(Heraclitus,540BC—480BC)认为火是万物的本源,一切都在流变之中;变化居于宇宙最重要的地位。火——这个最为活跃的元素构成了宇宙最基本的建筑材料这个世界由火生成,火升水,水再生土,土经液化又生成水,水继续变化又生成火,如此循环往复。此外,还有色诺芬尼的土为本源的假说,认为土是万物的根基。

古希腊自然哲学的元素学说中,哲学家恩培多克勒(Empedocles,494BC-432BC)的贡献最大。他对宇宙物质基本构成的思考,可以说接近现代科学理论的观念。恩培多克勒把以前各位前辈有关一种基本元素构成世界万物的各种假说和设想组成了一个连贯一致的整体,派生出一个包含四种成分的模式。四种成分——水、气、火、土,各司其职、平等运作、相互关联。在他的《四元素学说》(Doctrine of the Four Elements)中,恩培多克勒指出:这四种基本元素,或单独或相互结合,组成了世界的各种物质。事物之所以表现出不同的形态,是因为它们的组合成分在外力的作用下,互相分离或又重新组合;这些外力分别有亲和力和冲击力。而四种元素在组成过程中的比例则决定了物质的形态。例如,恩培多克勒认为骨骼就是由火、水、土三者构成的,比例为4:2:2。恩培多克勒的思想与现代化学元素理论着极其相似的地方,比方他说,一切物质都有一定数量的某种或者某些物质组合而成的,而且其数量是不会消减的;这些物质按照一定的比例组合。其实,世界上其他的一些民族文化中,也有类似的宇宙物质观。我国古代的阴阳五行说就是其中一例。古代印度人也提出了五种要素说——火、水、土、气、以太(ether),作为构成物质的要素。

二、由“四分”之说到燃素说

欧洲中世纪早期是愚昧黑暗的时代,然而中东的科学技术依然在繁荣与发展。古代欧洲四元素观念开始在阿拉伯炼金术士中慢慢发展。其中一个著名的研究者要算哈比尔伊本·赫扬(AbuMusa Jabir ibn Hayyan),大约诞生于14、15世界的几部最有影响的炼金术冶金术著作都由他或者假托他的名义发表。其中有《完美的冶炼产品》(1678)、《熔炉之书》(1678)、《完美度的判定》(1678)、《真正的发明》(1678)。在这些书中,哈比尔伊本·赫扬对自己进行的全部重要的化学实验都作了详尽的描述,从他的描述中,我们发现,他不仅仅是一名普通的技术人员,而且他对一些简单的化学反应过程的领悟和理解已经达到了惊人的程度。这其中还包括了元素理论和解释和理解。哈比尔伊本·赫扬认为,所有金属元素,都由贡和硫组合而成,不过配比不一样。因而从理论上来说,任何金属都可以分解为贡和硫,然后按照另外的比例产生新的金属元素。

一个世纪以后,波斯医生阿尔·瑞兹又发展了这一理论。他将它所使用的化学药品依照物品的味道、可溶性或者质感细分为金属、硫酸硼砂、食盐、石头,等等。这种划分方法是对化合物和元素的现代理论的最早尝试。阿尔·瑞兹为元素二分论添加了第三种因素——食盐,并提出一个假说,一切固体物质都是有这三种元素(贡、硫、食盐)依照不同比例组合而成的,因为这三种物质分别代表了可燃性挥发性、和可溶性三种特质

瑞士炼金术士帕拉切尔苏斯(Paracelsus,1493-1541)在对以上两种观点融会贯通之后,将燃烧物质作为探究物质组成的方法。据他的秘书记载“他的厨房里经常是火花闪耀,他那些碱土、冒烟的硫酸升华物、雷克斯药剂、信石油、砷粉、研磨芬、神秘莫测的樟脑制剂,以及一些天晓得的什么鬼玩意儿制成的调和物,闹得烟气腾腾。有一次他险些把我呛死,那天他吩咐我去看看他蒸馏器里面制作的烈酒,把我的头硬按到这种液体表面,一股子冒烟的怪气味直窜鼻孔和喉咙,有毒蒸汽几乎让我昏厥过去。”帕拉切尔苏斯根据类似的实验得出结论说古希腊人的四种基本元素的确就是构成一切物质的基本要素了,但是可以划分为阿拉伯人所说的三种要素(贡、硫、食盐)。他认为,树枝燃烧时分解出的四种物质,分别为烟(气)、火焰(火)、从断裂处喷出的液体(水)以及燃烧后留下的灰烬(土)。上升的烟雾为贡,火焰代表硫磺、灰烬则是盐。

对于树枝燃烧的现象,1658年英国化学家罗伯特·波义耳(Rober Boyle)出:“至于青枝燃烧之说,燃烧时产生的火焰并不能令其分解为元素,而只能分解为一些混合物,所不同的是,这些混合物呈现为另一种形态。”波义耳主张化学研究必须使化学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。为了确定科学的化学,波义耳考虑到首先要解决化学中一个最基本的概念:元素。波义耳通过一系列实验,对传统的元素观产生了怀疑。他指出:这些传统的元素,实际未必就是真正的元素。固为许多物质,比如黄金就不含这些“元素”,也不能从黄金中分解出硫、汞、盐等任何一种元素。恰恰相反,这些元素中的盐却可被分解。波义耳认为,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。作为万物之源的元素,不是四种也不会是三种,而一定会有许多种。

三、拉瓦锡和道尔顿

继波义耳之后,1789年,法国化学家、现代化学奠基人安东尼·拉瓦锡发表了《化学元素论文》。拉瓦锡在论文中将人类已知的元素进行了归纳列表,将它们分别归为气体、金属、非金属以及土族元素四类。当时,发现的元素总数为33种。拉瓦锡表示认为,元素的划分原则是“我们无法对它们进行进一步的分解了”,因而一切无法再分解的物质都被他称为元素。但是他又说“这绝不意味着我们已经有把握说,我们如今认为是单质的物质,今后永远不会被进一步分解成两种或两种以上的基本粒子了,……,除非今后的实验和观察结果能够推翻这个论点”。果然,由拉瓦锡定名的33种元素当中,后来证实有8种可以在分解的化合物。这8种元素中有石灰硅土、泻盐【4】,另外还有根本不是元素的光和热。其余的23种元素包括金Au、银Ag、铜Cu、铁Fe、贡Hg、锡Sn、铅Pb、锑Sb、硫S、碳C、锌Zn、砷As、铋Bi、磷P、铂Pt、镍Ni、钼Mo、锰M、氢H、氮N、氧O、钨W、钴Co。

拉瓦锡的的理论在英国化学家约翰·道尔顿得到了拓展。道尔顿由气象学半路出家到化学领域,并很快得出重要的成果。他创造性地把算术量子化学融汇到古希腊的化学元素学说当中去,产生了自己的元素理论。道尔顿认为,元素其实是又无法再分开的微小颗粒组成;元素不同,其组成颗粒也不同,任何一种特定的元素只能由特定的颗粒组成。他称这些颗粒为原子(atom)。当这些原子按照一定比例组合时,就能产生出不同的化合物。由于化合物是由各种原子组成的,而原子又是不可分割的,所以化合物的各种元素比必定是简单的整数比。

与此同时,道尔顿开始计算各种元素原子的相对重量,他先从最轻量级的氢气开始。截至1810年,道尔顿已对二十余种元素建立了原子量表,其中包括氧、氮、磷、硫、铜、铁,等等。至此,人类看不见的原子终于被赋予了自己固有的实体规模、实质和特性。道尔顿还提出了第一套有化学含义的符号系统——每一种原子都用一个带有某种明确符号圆圈来表示,比如氢原子就是个中心的有圆点的圆圈,氧原子是空心圆圈。但这一套符号因为花样太多,变化多端而没有被后人采用。

四、元素周期表与门捷列夫

19世纪化学研究的另一大困惑就是如何为全部元素进行分类。整个19世纪,化学家们都在试图找出一种符合逻辑的序列,能够把所有元素归并到其中。

瑞典化学家柏济力阿斯(Jacob Berzelius)提出把全部的物质划分为“不可称量的物质”,包括电、磁、光和热,以及“可称量的物质”,包括各种元素和化合物。元素又可划分为氧气类、非金属类和金属类;化合物则划分为矿物质和“组织机体”(organized bodies)。元素的排列顺序是以它们的电解性能为基础来排列的。1817年化学家约翰·德贝赖纳5】首先观察到了不同元素的某些相似性,成为元素周期理论的先声。他提出按照化学性质的相似性每三个元素结成一组。譬如,锶的化学性质与钙和钡相似,而锶的原子量介于钙和钡之间,于是德贝赖纳就将这三个元素归为一类,类似于音乐的“三联音”。后来他又发现了更多的类似的“三联音”。尽管这个设想最终被认为是错误的,但它启发了人们更宽泛的思路。于是“五联音”的说法也被提出。

合并了“三联音”和“五联音”的发现后,人们组合成了一个有规律的元素表。1862年,亚历山大·钱考特斯(Chancourtois)【6】草拟了包含24种元素的世界第一张元素周期表。钱考特斯观察到,将元素按照原子量排列成行,某些相同的特性就会反复出现,于是,他将各种元素的符号按原子量递增的顺序镌刻在一个圆柱体柱面上,这些元素就呈现出一条螺旋上升的状态。后来,英国化学家约翰·亚历山大·瑞纳·纽兰兹利发表文章称如果将元素按照原子质量递增排列,会发现一种元素的特性会在此序列上向前、向后各八个位置出现。纽兰兹将这种每隔八个位置出现的周期现象比喻为音乐中的八音程复规律,命名为“八音程律”周期。

最终解决化学元素分类的人是我们熟知的俄国化学家季米特里·门捷列夫。在门捷列夫按照原子量升序排列已知的63种元素时,他发现这些元素的化合价也呈现出有节奏的的往复现象。化合价是原子形成该元素化学联接能力的一种指证。沿着这个表格观察,门捷列夫发现元素的化合价呈有规律的起伏状态——1,2,3,4,3,2,1;而且如此循环往复。

门捷列夫受单人纸牌玩法的启发将元素的名字都写在纸牌的背面,按照玩纸牌的顺序排好,横向符合原子质量顺序,纵向符合化合价顺序。不仅如此,按照此法排列的元素周期表还有预测没被发现的元素的功能,因为元素在表中排列的位置预言了未被发现的元素的化学性质、化合价和原子量。

门捷列夫于1869年发表了题为《元素新体系》的论文,但是西方主流学术界并不以为然,因为当时的化学家们早已厌倦了形形色色的分类体系。直到1875年8月27日,法国一位酿酒商的儿子发现了新元素镓,原子量为69,化合价为3,镓的化学性质、化合价、原子量正好和门捷列夫的元素周期表中预言的介于铝和铀的元素“类铝”相一致。人们终于认识到了门捷列夫理论的准确性。后来的科学发展证明,门捷列夫的元素周期表对当时以及后来的化学发展起到了决定性的作用。人们为了纪念门捷列夫,将1955年发现的第101号元素命名为钔(mendelevium)。

五、结语

六、人类如今已经生活在了信息时代,我们已经清楚的知道了成千上万种物质的原子排列,但还有无数的未解之谜等待着我们去发现。科学的道路不可能是一帆风顺的,科学和科学家的任务依然任重而道远。当我们享受着现代文明带来的方便与舒适时,请别忘了我们一切的文明的成果都是我们的祖先汗水与智慧的结晶

注释
1】泰勒斯:624BC-546BC,古希腊哲学界,数学家天文学家,主张朴素的唯物论的米粒都学派创始人。
2】阿那克西曼德:Anaximander,610BC-546BC,被尊称为天文学奠基人。
3】apeiron:希腊语中“无限小的”、“不确定的”的意思。
4】泻盐,即氧化镁Mgo。
5】约翰·德贝赖纳: Johann Dobereiner, 1780-1849,德国化学家。
6】亚历山大·钱考特斯:又译贝吉耶·德·尚古尔多阿,1820-1886,法国地质学家

参考文献及书目:
1.《科学历史·一个化学者的评论》〖美〗艾伦·G·狄博斯 著,河北科学技术出版社 2000年 石家庄
2.《水气火土——元素发现史话》〖英〗丽贝卡·鲁普 著,宋军岭 译,商务印书馆 2008年 北京
3.《化学哲学新体系》〖英〗约翰·道尔顿 著,李家玉 译,武汉出版社 1996年 武汉
4.《化学哲学概论》邱道骥 著,南京师范大学出版社 2007年 南京

附1:元素周期表的演变过程

元素周期律的发现是许多科学家共同努力的结果。

1789年,拉瓦锡出版的《化学大纲》中发表了人类历史上第一张《元素表》,在这张表中,他将当时已知的33种元素分四类。

1829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。

1850年,德国人培顿科弗宣布,性质相似的元素并不一定只有三个;性质相似的元素的原子量之差往往为8或8的倍数。

1862年,法国化学家尚古多创建了《螺旋图》,他创造性地将当时的62种元素,按各元素原子量的大小为序,标志着绕着圆柱一升的螺旋线上。他意外地发现,化学性质相似的元素,都出现在同一条母线上。

1863年,英国化学家欧德林发表了《原子量和元素符号表》,共列出49个元素,并留有9个空位。

上述各位科学家以及他们所做的研究,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。而俄国化学家门捷列夫、德国化学家迈尔和英国化学家纽兰兹在元素周期律的发现过程中起了决定性的作用。

1865年,纽兰兹正在独立地进行化学元素的分类研究,在研究中他发现了一个很有趣的现象。当元素按原子量递增的顺序排列起来时,每隔8个元素,元素的物理性质和化学性质就会重复出现。由此他将各种元素按着原子量递增的顺序排列起来,形成了若干族系的周期。纽兰兹称这一规律为“八音律”。这一正确的规律的发现非但没有被当时的科学界接受,反而使它的发现者纽兰兹受尽了非难和侮辱。直到后来,当人人已信服了门氏元素周期之后才警醒了,英国皇家学会以往对纽兰兹不公正的态度进行了纠正。门捷列夫在元素周期的发现中可谓是中流砥柱,不可避免地,他在研究工作中亦接受了包括自己的老师在内的各个方面的不理解和压力。

门捷列夫生于1834年,10岁之前居住于西伯利亚,在一个政治流放者的指导下,学习科学知识并对其产生了极大兴趣。1847年,失去父亲的门捷列夫随母亲来到披得堡。1850年,进入中央师范学院学习,毕业后曾担任中学教师,后任彼得堡大学副教授。

1867年,担任教授的门捷列夫为了系统地讲好无机化学课程中,正在着手著述一本普通化学教科书化学原理》。在著书过程中,他遇到一个难题,即用一种怎样的合乎逻辑方式来组织当时已知的63种元素。

门捷列夫仔细研究了63种元素的物理性质和化学性质,又经过几次并不满意的开头之后,他想到了一个很好的方法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。最初,他试图像德贝莱纳那样,将元素分分为三个一组,得到的结果并不理想。他又将非金属元素和金属元素分别摆在一起,使其分成两行,仍然未能成功。他用各种方法摆弄这些卡片,都未能实现最佳的分类。

1869年3月1日这一天,门捷列夫仍然在对着这些卡片苦苦思索。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”,门捷列夫无奈地将它放在边上。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原子量递增的顺序排列起来,并且相似元素依一定的间隔出现。

第二天,门捷列夫将所得出的结果制成一张表,这是人类历史上第一张化学元素周期表。在这个表中,周期是横行,族是纵行。在门捷列夫的周期表中,他大胆地为尚待发现的元素留出了位置,并且在其关于周期表的发现的论文中指出:按着原子量由小到大的顺序排列各种元素,在原子量跳跃过大的地方会有新元素被发现,因此周期律可以预言尚待发现的元素。

事实上,德国化学家迈尔早在1864年就已发明了“六元素表”,此表已具备了化学元素周期表早几个月,迈尔又对“六元素表”进行了递减,提出了著名的《原子体积周期性图解》。该图解比门氏的第一张化学元素表定量化程度要强,因而比较精确。但是,迈尔未能对该图解进行系统说明,而该图解侧重于化学元素物理性质的体现。

1871年12月,门捷列夫在第一张元素周期表基础上进行增益,发表了第二张表。在该表中,改竖排为横排,使用一族元素处于同一竖行中,更突出了元素性质的周期性。至此,化学元素周期律的发现工作已圆满完成。

客观上来说,迈尔和门捷列夫都曾独自发现了元素的周期律,但是由于门捷列夫对元素周期律的研究最为彻底,故而在化学界通常将周期律称为门捷列夫周期律。

附2:化学史分期

1.远古的工艺化学时期:这时人类的制陶、冶金、酿酒、染色等工艺,主要是在实践经验的直接启发下经过多少万年摸索而来的,化学知识还没有形成。这是化学的萌芽时期。

2. 炼丹术和医药化学时期:从公元前1500年到公元1650年,炼丹术士和炼金术士们,在皇宫、在教堂、在自己的家里、在深山老林的烟熏火燎中,为求得长生不老的仙丹,为求得荣华富贵的黄金,开始了最早的化学实验。记载、总结炼丹术的书籍,在中国、阿拉伯、埃及、希腊都有不少。这一时期积累了许多物质间的化学变化,为化学的进一步发展准备了丰富的素材。这是化学史上令我们惊叹的雄浑的一幕。后来,炼丹术、炼金术几经盛衰,使人们更多地看到了它荒唐的一面。化学方法转而在医药和冶金方面得到了正当发挥。在欧洲文艺复兴时期,出版了一些有关化学的书籍,第一次有了“化学”这个名词。英语的chemistry起源于alchemy,即炼金术。chemist至今还保留着两个相关的含义:化学家和药剂师。这些可以说是化学脱胎于炼金术和制药业的文化遗迹了。

3. 燃素化学时期:从1650年到1775年,随着冶金工业和实验室经验的积累,人们总结感性知识,认为可燃物能够燃烧是因为它含有燃素,燃烧的过程是可燃物中燃素放出的过程,可燃物放出燃素后成为灰烬。

4.定量化学时期,既近代化学时期:1775年前后,拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说,开创了定量化学时期。这一时期建立了不少化学基本定律,提出了原子学说,发现了元素周期律,发展了有机结构理论。所有这一切都为现代化学的发展奠定了坚实的基础。

5. 科学相互渗透时期,既现代化学时期:二十世纪初,量子论的发展使化学和物理学有了共同的语言,解决了化学上许多悬而未决的问题;另一方面,化学又向生物学和地质学等学科渗透,使蛋白质、酶的结构问题得到逐步的解决。



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