化 学 的 起 源 与 发 展

 杨天林

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几百万年以前，人类过着极其原始和简单的生活，他们以狩猎和采集为生，吃的是生肉和野果，住的是洞穴或地窝子，那时候的人类甚至没有意识到自己与自然界其他动物的不同之处。

据科学家考证，至少在距今50万年前，可以找到人类持续用火的证据，在北京猿人生活过的地方，发现了经火烧过的动物骨骼化石。有了火，原始人从此就告别了茹毛饮血的生活。吃烤熟的食物有利于增进人类的健康和智力，火的使用本身就是人类生存能力提高的一个重要标志。北京周口店也因此闻名全世界。后来，人们又学会了摩擦生火和钻木取火，这样的技术使火成为可以随身携带的东西。人类学会了驾驭火，意味着化学的序幕正在拉开。

从远古时代开始，人类便通过使用火、制造陶器、冶炼金属和提取染料等一系列实践活动，远离了原始单调的生活方式，逐步进入到了文明社会。在这个过程中，化学活动始终伴随着人类前进的步伐。可以说，自始至终，化学都与人类的生产实践活动密切相关。钻木取火、用火烧煮食物、烧制陶器、冶炼青铜器和铁器、本草药物、金丹术，以及纸和火药的发明都渗透着化学技术的应用。正是这些应用，极大地促进了当时社会生产力的发展，成为人类文明进步的重要标志。

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在几乎一切手工业作坊的建立中，我们都可以体会到化学的起源和发展与人类最基本的生产活动的密切关系。大约7000-10000年前，我们的祖先已会制作陶器，3000多年前的商朝已有了高度精美的青铜器，造纸和火药同样是化学史上的伟大发明。在中国，纸发明以前，人们常用竹木简或帛做书写材料，书写的不便可想而知。据说汉武帝时期，东方朔（约公元前161年-约前93年）的一个奏本就用了3000片竹简，派了两个人才抬到宫里，而丝帛的价格又太昂贵，非一般人所能用得起，从中可见纸对人类文明的重要性了。

当封建社会发展到一定阶段，生产力有了较大提高的时候，统治阶级对物质享受的要求随之提高，在那个时代，皇帝和贵族是追逐时尚和奢侈的主体。他们的欲望不外表现在两个方面：首先是希望拥有更多的财富，那是他们享乐的物质基础；其次，当他们拥有了巨大的财富以后，就希望永远地享用下去。对长生不老的追求似乎也是个自然而然的事。

公元前221年，秦始皇消灭六国，这意味着他从此拥有了天下，财富对他来说不再是个问题。唯一困扰他老人家的就是如何能够长生不老。因此，寻求长生不老药就成为当时社会所面临的最紧迫的问题（其实是统治者所面临的最紧迫的问题），这样的大事毫无疑问要列入皇帝的议事日程中。这才有了徐福的故事和对神仙幻境的向往。那时候的秦朝皇宫里就有一大帮方士(炼丹家)日日夜夜为统治者炼制丹砂，即所谓的长生不老药。

欧洲大陆和阿拉伯世界的炼金术士也在丹炉旁孜孜不倦地工作着，他们的目的也很明确，那就是“点石成金”，即用人工方法制造黄金。他们认为，可以通过某种手段把铜、铅、锡、铁等贱金属转变为金。希腊的炼金术士就把铜、铅、锡、铁熔化成一种合金，然后把它放入多硫化钙溶液中浸泡。于是，在合金表面便形成了一层硫化锡，它的颜色酷似黄金。今天，我们也把金黄色的硫化锡叫做金粉，它可用作古建筑的金色涂料。而当时的炼金术士误以为“黄金”已经炼成了。

实际上，颜色的变化仅仅是一种表象，并不意味着黄金真的就可以这样炼成。“点石成金”从来都是一个古老而充满魅力的神话。虽然如此，他们长年辛勤的劳作并非都付诸东流。那些不畏艰辛、长年累月置身在被毒气和烟尘笼罩的简陋的丹炉旁工作的人就是早期的化学家，他们成天专心致志地探索着的，其实是化学科学的奥秘，那些不利于身心健康的工作场所就是最早的化学实验室了。

他们为化学学科的创立积累了丰富的素材，也提供了许多成功的经验和失败的教训，总结出了一些化学反应的规律。在那个过程中，他们发明了蒸馏器、熔化炉、加热锅、烧杯及过滤装置等。他们还根据当时社会的需要，制造出很多治病的药、有用的合金或别的东西。他们把实验方法和实验结果整理成文，就成为后来的著作。那时候，他们创造了许多技术名词。正是这些理论、实验方法、仪器以及著作，奠定了化学作为一门学科的基础。按今天的标准看，他们的行为是有些荒谬，但在历史的层面上，他们是早期开拓化学科学的先驱。

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在对化学发展历程的追溯中，我们发现，从古至今，伴随着人类社会的发展和文明的进步，化学也经历了几个重要的发展阶段：

1）萌芽时期。远古时代，人类社会有制陶、冶金、酿酒、染色等工艺，这些工艺主要是在实践经验的直接启发下经过漫长时间摸索出来的，化学知识还没有形成。但化学从那时就开始萌芽了，这是化学的萌芽时期。

2）金丹术和医药化学时期。在1000多年的时间里，炼丹术士和炼金术士们，在皇宫、在教堂、在自己的家里、或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、总结炼丹术和炼金术的书籍，在中国、阿拉伯、埃及、希腊以及后来的欧洲大陆都有很多。这一时期积累了许多化学知识，人们也知道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。在化学发展史上，这是非常重要的时期。

历史上，炼丹术和炼金术几经盛衰，也越来越多地暴露了它荒诞的一面。因此，到了后期，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。英语单词chemistry起源于alchemy，后者意为炼金术，可见化学与炼金术之间的渊源有多么深了。chemist至今还保留着两个相关的含义：化学家和药剂师。语言文字上的这种衍生关系可说是化学脱胎于炼金术和制药业的文化遗迹了。

3）从1650年到1775年的100多年间，随着冶金工业和实验室经验的积累，人们总结了大量的感性知识，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。这种观点能解释当时的很多事实，在当时的化学界，“燃素说”盛行一时，这是这一时期化学的特点。

4）1775年前后，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，推翻了“燃素说”，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。这就是我们常说的近代化学时期。

5）19世纪末，物理学上的三大发现（即x射线、放射性和电子的发现）打开了原子和原子核内部结构的大门，揭示了微观世界更深层次的奥秘。等到热力学理论引入化学以后，利用化学平衡和反应速率的概念，就可以判断化学反应的方向和限度，并将平衡态和非平衡态进行关联，物理化学的创立把理论化学提高到了一个新的水平。

基于量子力学建立的化学键理论着重于分子中原子间结合方式的研究，这一理论使人类进一步了解了分子结构与物质性能的关系，极大地促进了化学与生命科学和材料科学的发展。20世纪初，量子论的发展使化学和物理学之间找到了更多的共同语言，这一理论解决了许多悬而未决的化学结构问题。另一方面，化学又向生命科学渗透，解决了蛋白质、核酸、酶等生命物质的结构。此时，化学和其他学科的相互渗透和交叉更加突出，这一切工作开创了现代化学时期。

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说到化学作为一门学科的开始，我们一定要提及英国科学家罗伯特·波义耳（Robert Boyle，1627-1691），在化学发展史上，学者们都把1661年作为近代化学的开始年代，因为这一年有一本对化学发展产生重大影响的著作出版问世，这本书就是《怀疑派化学家》，书的作者就是波义耳。波义耳认为，不应该单纯把化学看作是一种制造金属、药物等物质的经验性技艺，而应把它看成是一门学科。因此，以波义耳为代表的那些人就是最先把化学确立为科学的人。我们在追溯化学发展史的时候，不应该忘记了他们。这样的人还有近代原子学说的创立者道尔顿、分子学说的创立者阿佛加德罗、质量守恒定律的发现者拉瓦锡等。从那以后，化学就由宏观领域进入到了微观世界，对化学的研究也进入到了原子和分子的层次。

对波义耳的了解不仅限于此，还包括很多方面。1627年1月25日，波义耳出生在爱尔兰伍特福德的利斯莫尔城堡，贵族家庭的背景使他受到了良好的教育。8岁时，他进入英国的贵族学校伊顿公学，波义耳也是一位神童，据说当时他就已经会希腊文和拉丁文了。11岁时，他随同家庭教师周游欧洲，逐渐接触到伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）和笛卡儿（René Descartes，1596-1650）的著作。父亲去世后给他留下了一份遗产，那时候波义耳还未成年。1654年，波义耳移居牛津，1668年，波义耳移居伦敦，在那里建立了一个私人实验室，从事化学研究，在这期间完成了许多化学实验和理论著作。1691年，波义耳在伦敦去世。

著名的波义耳定律就是在胡克（Robert Hooke，1635-1703）的协助下完成的，这一定律告诉我们，在一定温度下，理想气体的体积与其压力成反比。那时候，胡克是波义耳的助手，波义耳是英国皇家学会公认的发起人之一，也是后来学会的精英，为学会做了大量琐碎却很有价值的工作。1653年，胡克进入牛津大学学习，在这里，他结识了一批颇有才华的科学家，这些人后来大都成为英国皇家学会的骨干。几年后，胡克由于独特的实验才能被推荐到波义耳的实验室工作，那段时间是胡克大展拳脚的好机会，关于压缩空气的实验就是在这段时间完成的。

波义耳定律是人类历史上第一个定量描述气体运动的定律，为定量化研究气体和化学分析奠定了基础。胡克主要是物理学家，心灵手巧，特别擅长仪器制造，世界上第一台性能可靠的真空泵就是他设计制造的，波义耳对胡克的真空泵特别满意，对真空的研究使胡克明白，真空产生的吸力其实就是大气的压力，从这个角度看，波义耳定律主要还是胡克的贡献。

传统炼金术认为，火是万能的化学分离工具，所有的元素都预先混合在物质之中，火可以将它们分离开来。波义耳却说，自然界的物质由元素化合而成，不可能进行简单的分离。他认为，火可以分离许多混和物，但不能分离所有混和物，玻璃就不能用火来分解，虽然它由盐和土组成。有些经火分离出来的物质也不一定是元素，而是另一种化合物。波义耳说，火不能分解的物质可以通过别的方式加以分解。

波义耳还研究了燃烧问题，这同样要得益于胡克的帮助。正是在胡克的帮助下，他造出了抽气机，这使得他有可能在真空中做燃烧实验。在发表于1673年的“关于火焰与空气的关系的新实验”一文中，波义耳叙述了在真空中燃烧硫磺的过程。他注意到，在没有空气的情况下，带有硫磺的纸卷只冒烟不着火。而一放进空气，纸卷马上发出蓝色的火焰。这个实验使他意识到空气对于燃烧的必要性。

另一个实验使得波义耳接近于发现氧，试验在一个未完全抽空的容器里进行，他发现，放在容器里的灯不久就熄灭了，但灯里的油仍然充足。这表明，只有某一部分空气才是燃烧所必需的。波义耳还认识到，像物质燃烧一样，动物的生命也依靠空气中的某一部分来维持。但他没有想到，维持燃烧的那一部分空气恰恰就是维持动物生命的那一部分空气。

胡克在做压缩空气的实验时发现，可燃物或者动物在高压空气中持续燃烧或持续存活的时间比在普通空气中更长，这就意味着维持燃烧和维持动物生命所需要的是同一部分空气。胡克把这部分空气叫做“亚硝气”，这就是我们今天所熟悉的氧气。对氧的认识标志着化学发展的水平，直到拉瓦锡出现，化学才迎来了它的里程碑时期。

波义耳也曾痴迷过炼金术，他非常崇拜有“火术哲学家”称号的赫尔蒙特（Van Helmont，1579-1644），他曾为自己建造了一个私人实验室，据说波义耳做实验时常常浑身沾满了煤灰，实验室也常常是烟雾缭绕，不知道这对反应现象的观察和对实验结果的判断有没有影响？想一想那个时代化学家的实验室和炼金术士的小作坊也没有多少差别，你就不会觉得奇怪了。

在对物质及其组成的认识方面，波义耳不同意亚里士多德（Aristotle，公元前384-前322）的四元素说，也反对帕拉塞尔苏斯（Paracelsus，1493-1541）的三元素说。在他看来，万物由如此有限的几种元素组成的思想是靠不住的，这就好像读一本密码书，只认识里面的几个字母而进行破译是不可能的。

沉浸于实验中的波义耳很快就蜕变为一个纯粹的化学家，他首先提出了近代化学元素的概念，波义耳认为，任何物质都不是真正的元素或要素，因为它们都处于化合状态。他给元素下的定义是：“所谓元素是某些原初的和单纯的物质，这些物质不是由任何其他物质组成，也不是相互组成，而是作为一种组分，化合形成其他物质，其他物质最终也分解成这些原初的和单纯的物质。”在确立了元素概念后，波义耳接着说，化学家的任务不应该是思考自然界由多少种元素组成，而应通过实验考察自然界是如何被化合出来的。他自己就做了不少实验，证明丰富多彩的世界远远不是由四元素或三元素组成的。

波义耳还广泛研究了他所知道的无机化合物（主要是酸碱盐）的性质，他在实验中发现从硝酸银溶液中形成的白色沉淀物遇空气会变成黑色，这一发现为后来人们把硝酸银、氯化银、溴化银应用在照相技术中奠定了基础。石蕊试纸就是波义耳研制成功的，其背后还隐藏着一个充满浪漫气息的温馨故事，钢笔墨水是波义耳的发明，有了纸，书写就是最大问题，这一发明还是很重要的，另外，将化学分析方法用于临床医学从而证明了血液中含有氯化钠和铁的第一人也是他。

波义耳一生著述不少，其中最重要的就是《怀疑派化学家》，书中所写不仅仅是他自己的发现和发明，那其实是一部很宏观且系统性和完整性都很好的科学著作。《怀疑派化学家》的出版标志着近代化学的诞生，从那之后，炼金术从人们的视野里渐渐淡出。那个时代的其他化学工作者，虽然在物质分类和定量实验方面做了许多工作，但他们的工作依然是为了实用的目的，即注重于医药筛选和矿物应用。

从波义耳开始，化学作为一门理论科学开始了它的伟大历程。它已经不是制造贵重金属或有用药物的经验技艺，而成为自然哲学的一个分支，在纯粹思维领域发挥自己的作用，这是波义耳对化学的重要贡献。在近代化学发展史上，波义耳的元素概念虽然与今天的元素概念有不少差距，但在当时却是最好的。

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在人类文明的历史进程中，化学领域的每项成就，都是那一群人集体智慧的结晶，都是他们执著奉献的结果。几千年来，他们或许会淡出我们的视野，但他们所创造的业绩却没有被湮没，他们是创造历史的真正的无名英雄。这里提到的只是他们当中很少几位杰出代表，更多的英雄只存在于我们的想象中，甚至还在我们的想象之外。因此，我们在这里应以崇敬的心情向他们无私的奉献和默默创造表示心中最真诚的敬意。

因为他们在创造之路上勤奋好学、不畏艰险，因为他们百折不回、勇于实践，还因为他们在不断的否定中所表现出来的那种创新的精神。这正应了哲学家马克思的那句话：“只有那些在崎岖小路上不畏艰险、勇于攀登的人，才有可能到达科学的顶峰。”他们的事迹带给我们的，不仅是一种知识的进化和思维的启发，还有一种力量的支撑、精神的鞭策和创造的信念。

今天，作为一门基础学科，化学在科学技术、工农业生产和社会生活的各方面都发挥着非常重要的作用。随着人类文明的进步和科学技术水平的不断提高，随着国家教育发展战略目标的明确，我们的社会需要更多具有创新精神与实践能力的高素质人才，而加强青少年文化素质教育正是在这一背景下提出来的，也是其中重要的一环。多年来的实践证明，要使文化素质教育工作取得实效，最重要的是必须把文化素质教育贯穿在青少年成长的全过程，融会在学习的各环节。