淺談元素發(fā)現(xiàn)的歷史

1、淺談元素發(fā)現(xiàn)的歷史我們都知道，自然界的元素一共有92 種，世間的萬物都有這些元素中的一種或者幾種構(gòu)成。這些元素成員之間，特點(diǎn)各不一樣，甚至差異極大，比如從體積來看，氫原子體積很小， 而鈾原子相對于它來說則是龐然大物了。 有限的元素之間經(jīng)過不同的排列組合還組成了五彩繽紛的物質(zhì)世界，既有月球上的巖石，也可以組成芭比娃娃， 既可以成為一只猴子，也可以是一架空中客車。我們?nèi)祟惏l(fā)現(xiàn)了它們， 找到了它們，也分析了它們， 而且我們還把其中的一些進(jìn)行拆分，重新組合，獲得了屬于我們自己的元素。如今元素周期表中列出的 118中元素，就包括了由人類自己合成或分裂的 26 種元素?，F(xiàn)在沒有任何人會(huì)再去懷疑關(guān)于元素的觀

2、點(diǎn)， 但是我們必須承認(rèn)元素發(fā)現(xiàn)的過程相對于人類在這一領(lǐng)域探索的歷程相比還是顯得十分短暫的。 在元素不斷發(fā)現(xiàn)的過程中， 人們曾經(jīng)困惑、憂慮、也曾爭論過。本文即從化學(xué)史的角度來探究元素的發(fā)現(xiàn)的故事。一、 思考世界到“四分”之說“世間萬物是由為數(shù)不多的簡單物質(zhì)構(gòu)成的。 ” 這種思想產(chǎn)生于公元前六世紀(jì)希臘的艾奧尼亞地區(qū)， 即現(xiàn)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論的創(chuàng)建者， 這些理論就是后來的自然哲學(xué)。 希臘人的好奇心也是這一思想的直接推動(dòng)因素， 他們永不停息地思索著世界運(yùn)作的奧秘。其中最重要和最基本的問題就是：物質(zhì)的本質(zhì)是什么？擺脫了神學(xué)思想束縛的艾奧尼亞思想家和哲學(xué)家開始

3、相信， 自然界的事物和現(xiàn)象都應(yīng)當(dāng)由合乎邏輯的解釋。在他們中間，一位名叫泰勒斯【 1】的人被學(xué)界公認(rèn)為是第一個(gè)思索了物質(zhì)本質(zhì)構(gòu)成的人。 在他的時(shí)代， 希臘人絕大多數(shù)是商人， 希臘的殖民地幾乎遍及地中海周遭的地區(qū)。 地區(qū)間的貿(mào)易迅速發(fā)展， 主要的貿(mào)易物品有糧食、 橄欖油、 干魚、 葡萄酒、 金屬、木材和奴隸。 貿(mào)易的興起給泰勒斯游歷各地帶來的方便， 在自己從事貿(mào)易行走于希臘各地的見聞促成他思考。他說，宇宙的基本原理，或者說要素，就是水。宇宙間的一切已知事物都是由水合成的， 或者由水更動(dòng)之后的變體而合成的。水形成水蒸汽，水蒸汽又飛入大氣，由大氣層下降之后才變成了雨。 雨水打擊著地面， 讓大地變緊實(shí)、

4、 變硬， 最后變成堅(jiān)硬的巖石。所以，一切事物最初都是由水開始，逐步演變而來，而又最終化成水而去。泰勒斯的這種以水為基礎(chǔ)的宇宙觀念， 說明了整個(gè)世界從本質(zhì)上來講是由一種元素演變而成的。他的觀點(diǎn)引起了不少爭論， 他的得意門生阿那克西曼德【 2 】就是最激烈的反對者。他認(rèn)為整個(gè)物質(zhì)世界構(gòu)成太豐富奇幻， 根本無法想象會(huì)建立在如此簡單平凡的一個(gè)元素水的基礎(chǔ)上。 世界的基本元素一定要更為抽象， 也更具有普遍性。 阿那克西曼德還提出了一種名為 apeiron【 3】的看不見形式的原生物質(zhì)，它有能力變換生成世間萬物。而阿那克西曼德的得意門生阿那克西門斯( Anaximenes,585BC 525BC)也同樣摒

5、棄了 aplasma的假說， 照他看來， 任何物質(zhì)總得包含某一種物質(zhì)構(gòu)成成分，不能任何物質(zhì)都不包含，他認(rèn)為這 “某一種物質(zhì)”是空氣，因?yàn)榈厍蜃兠鎺缀醯教幎加锌諝狻ｋS著爭論的擴(kuò)大化，其他的物質(zhì)構(gòu)成學(xué)說也開始出現(xiàn)。古希臘唯物哲學(xué)家赫拉克利特( Heraclitus,540BC 480BC ) 認(rèn)為火是萬物的本源， 一切都在流變之中； 變化居于宇宙最重要的地位。火這個(gè)最為活躍的元素構(gòu)成了宇宙最基本的建筑材料。這個(gè)世界由火生成，火升水，水再生土，土經(jīng)液化又生成水，水繼續(xù)變化又生成火，如此循環(huán)往復(fù)。此外，還有色諾芬尼的土為本源的假說，認(rèn)為土是萬物的根基。在古希臘自然哲學(xué)的元素學(xué)說中，哲學(xué)家恩培多克勒(E

6、mpedocles ， 494BC-432BC ) 的貢獻(xiàn)最大。他對宇宙物質(zhì)基本構(gòu)成的思考，可以說接近現(xiàn)代科學(xué)理論的觀念。恩培多克勒把以前各位前輩有關(guān)一種基本元素構(gòu)成世界萬物的各種假說和設(shè)想組成了一個(gè)連貫一致的整體，派生出一個(gè)包含四種成分的模式。四種成分水、氣、火、土，各司其職、平等運(yùn)作、 相互關(guān)聯(lián)。在 他的四 元素學(xué)說 （ Doctrine of the FourElements ）中，恩培多克勒指出：這四種基本元素，或單獨(dú)或相互結(jié)合，組成了世界的各種物質(zhì)。 事物之所以表現(xiàn)出不同的形態(tài)， 是因?yàn)樗鼈兊慕M合成分在外力的作用下，互相分離或又重新組合；這些外力分別有親和力和沖擊力。而四種元素在組成

7、過程中的比例則決定了物質(zhì)的形態(tài)。例如，恩培多克勒認(rèn)為骨骼就是由火、水、土三者構(gòu)成的，比例為4 ： 2： 2 。恩培多克勒的思想與現(xiàn)代化學(xué)元素理論著極其相似的地方，比方他說， 一切物質(zhì)都有一定數(shù)量的某種或者某些物質(zhì)組合而成的， 而且其數(shù)量是不會(huì)消減的； 這些物質(zhì)按照一定的比例組合。 其實(shí)， 世界上其他的一些民族的文化中， 也有類似的宇宙物質(zhì)觀。 我國古代的陰陽五行說就是其中一例。 古代印度人也提出了五種要素說火、 水、 土、 氣、以太（ ether ） ，作為構(gòu)成物質(zhì)的要素。二、由“四分”之說到燃素說歐洲中世紀(jì)早期是愚昧黑暗的時(shí)代， 然而中東的科學(xué)技術(shù)依然在繁榮與發(fā)展。 古代歐洲四元素觀念開始在

8、阿拉伯煉金術(shù)士中慢慢發(fā)展。其中一個(gè)著名的研究者要算哈比爾伊本 赫揚(yáng)（ AbuMusa Jabir ibn Hayyan） ，大約誕生于14、 15世界的幾部最有影響的煉金術(shù)和冶金術(shù)著作都由他或者假托他的名義發(fā)表。 其中有 完美的冶煉產(chǎn)品 （ 1678）、熔爐之書 （1678）、完美度的判定（1678）、真正的發(fā)明（1678）。在這些書中，哈比爾伊本赫揚(yáng)對自己進(jìn)行的全部重要的化學(xué)實(shí)驗(yàn)都作了詳盡的描述， 從他的描述中， 我們發(fā)現(xiàn)， 他不僅僅是一名普通的技術(shù)人員，而且他對一些簡單的化學(xué)反應(yīng)過程的領(lǐng)悟和理解已經(jīng)達(dá)到了驚人的程度。這其中還包括了元素理論和解釋和理解。哈比爾伊本赫揚(yáng)認(rèn)為，所有金屬元素，都由

9、貢和硫組合而成，不過配比不一樣。 因而從理論上來說，任何金屬都可以分解為貢和硫，然后按照另外的比例產(chǎn)生新的金屬元素。一個(gè)世紀(jì)以后，波斯醫(yī)生阿爾瑞茲又發(fā)展了這一理論。他將它所使用的化學(xué)藥品依照物品的味道、可溶性或者質(zhì)感細(xì)分為金屬、硫酸、硼砂、食鹽、石頭，等等。這種劃分方法是對化合物和元素的現(xiàn)代理論的最早嘗試。阿爾瑞茲為元素二分論添加了第三種因素一一食鹽，并提出一個(gè)假說，一切固體物質(zhì)都是有這三種元素（貢、硫、食鹽）依照不同比例組合而成的，因?yàn)檫@三種物質(zhì)分別代表了可燃性、揮發(fā)性、和可溶性三種特質(zhì)。瑞士煉金術(shù)士帕拉切爾蘇斯 （ Paracelsus,1493-1541 ） 在對以上兩種觀點(diǎn)融會(huì)貫通之后

10、，將燃燒物質(zhì)作為探究物質(zhì)組成的方法。 據(jù)他的秘書記載 “他的廚房里經(jīng)常是火花閃耀， 他那些堿土、冒煙的硫酸升華物、雷克斯藥劑、信石油、砷粉、研磨芬、神秘莫測的樟腦制劑，以及一些天曉得的什么鬼玩意兒制成的調(diào)和物， 鬧得煙氣騰騰。 有一次他險(xiǎn)些把我嗆死， 那天他吩咐我去看看他蒸餾器里面制作的烈酒， 把我的投硬按到這種液體表面， 一股子冒煙的怪氣味直竄鼻孔和喉嚨，有毒蒸汽幾乎讓我昏厥過去。 ”帕拉切爾蘇斯根據(jù)類似的實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論說古希臘人的四種基本元素的確就是構(gòu)成一切物質(zhì)的基本要素了， 但是可以劃分為阿拉伯人所說的三種要素（貢、硫、食鹽） 。他認(rèn)為，樹枝燃燒時(shí)分解出的四種物質(zhì)，分別為煙（氣） 、火焰（

11、火） 、從斷裂處噴出的液體（水）以及燃燒后留下的灰燼（土） 。上升的煙霧為貢，火焰代表硫磺、灰燼則是鹽。對于樹枝燃燒的現(xiàn)象，1658年英國化學(xué)家羅伯特波義耳（ Rober Boyle ）出：“至于青枝燃燒之說， 燃燒時(shí)產(chǎn)生的火焰并不能令其分解為元素， 而只能分解為一些混合物， 所不同的是，這些混合物呈現(xiàn)為另一種形態(tài)。 ”波義耳主張化學(xué)研究必須使化學(xué)擺脫從屬于或醫(yī)藥學(xué)的地位， 發(fā)展成為一門專為探索自然界本質(zhì)的獨(dú)立科學(xué)。 為了確定科學(xué)的化學(xué)， 波義耳 考慮到首先要解決化學(xué)中一個(gè)最基本的概念： 。 波義耳通過一系列實(shí)驗(yàn)， 對傳統(tǒng)的元素觀產(chǎn)生了懷疑。他指出：這些傳統(tǒng)的元素，實(shí)際未必就是真正的元素。固為

12、許多物質(zhì)，比如黃金就不含這些“元素”，也不能從中分解出、鹽等任何一種元素。恰恰相反，這些元素中的鹽卻可被分解。 波義耳認(rèn)為， 只有那些不能用化學(xué)方法再分解的簡單物質(zhì)才是元素。 例如黃金， 雖然可以同其它金屬一起制成合金， 或溶解于王水之中而隱蔽起來， 但是仍可設(shè)法恢復(fù)其原形，重新得到黃金。水銀也是如此。作為萬物之源的元素，不是四種也不會(huì)是三種，而一定會(huì)有許多種。三、拉瓦錫和道爾頓繼波義耳之后，1789年，法國化學(xué)家、現(xiàn)代化學(xué)的奠基人安東尼拉瓦錫發(fā)表了化學(xué)元素論文 。拉瓦錫在論文中將人類已知的元素進(jìn)行了歸納列表，將它們分別歸為氣體、金屬、非金屬以及土族元素四類。當(dāng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)的元素總數(shù)為 33 種。

13、拉瓦錫表示認(rèn)為，元素的劃分原則是“我們無法對它們進(jìn)行進(jìn)一步的分解了” ，因而一切無法再分解的物質(zhì)都被他稱為元素。 但是他又說“這絕不意味著我們已經(jīng)有把握說，我們?nèi)缃裾J(rèn)為是單質(zhì)的物質(zhì)，今后永遠(yuǎn)不會(huì)被進(jìn)一步分解成兩種或兩種以上的基本粒子了，除非今后的實(shí)驗(yàn)和觀察結(jié)果能夠推翻這個(gè)論點(diǎn)” 。 果然， 由拉瓦錫定名的 33 種元素當(dāng)中， 后來證實(shí)有8 重視可以在分解的化合物。這8 中元素中有石灰、硅土、瀉鹽【4】 ，另外還有根本不是元素的光和熱。其余的23種元素包括金Au、銀Ag、銅Cu、鐵Fe、貢Hg、錫Sn、鉛Pb、睇Sb、硫S、碳 C、鋅Zn、神As、鈔Bi、磷P、鉗Pt、饃Ni、鋁Mo、鎰M、氫H

14、、氮N、氧。、鴇 W、 鈷 Co。拉瓦錫的的理論在英國化學(xué)家約翰道爾頓得到了拓展。道爾頓由氣象學(xué)半路出家到化學(xué)領(lǐng)域， 并很快得出重要的成果。 他創(chuàng)造性地把算術(shù)、 量子化學(xué)融匯到古希臘的化學(xué)元素學(xué)說當(dāng)中去，產(chǎn)生了自己的元素理論。 道爾頓認(rèn)為， 元素其實(shí)是又無法再分開的微小顆粒組成；元素不同， 其組成顆粒也不同， 任何一種特定的元素只能由特定的顆粒組成。 他稱這些顆粒為原子(atom ) 。當(dāng)這些原子按照一定比例組合時(shí)，就能產(chǎn)生出不同的化合物。由于化合物是由各種原子組成的， 而原子又是不可分割的， 所以化合物的各種元素比必定是簡單的整數(shù)比。與此同時(shí)，道爾頓開始計(jì)算各種元素原子的相對重量，他先從最輕

15、量級(jí)的氫氣開始。截至 1810 年，道爾頓已對二十余種元素建立了原子量表，其中包括氧、氮、磷、硫、銅、鐵，等等。至此，人類看不見的原子終于被賦予了自己固有的實(shí)體規(guī)模、實(shí)質(zhì)和特性。道爾頓還提出了第一套有化學(xué)含義的符號(hào)系統(tǒng)每一種原子都用一個(gè)帶有某種明確符號(hào)的圓圈來表示， 比如氫原子就是個(gè)中心的有圓點(diǎn)的圓圈， 氧原子是空心圓圈。 但這一套符號(hào)因?yàn)榛犹?，變化多端而沒有被后人采用。四、元素周期表與門捷列夫19世紀(jì)化學(xué)研究的另一大困惑就是如何為全部元素進(jìn)行分類。 整個(gè) 19 世紀(jì)， 化學(xué)家們都在試圖找出一種符合邏輯的序列，能夠把所有元素歸并到其中。瑞典化學(xué)家柏濟(jì)力阿斯( Jacob Berzelius

16、 )提出把全部的物質(zhì)劃分為“不可稱量的物質(zhì)” ” ，包括電、磁、光和熱，以及“可稱量的物質(zhì)” ，包括各種元素和化合物。元素又可劃分為氧氣類、 非金屬類和金屬類； 化合物則劃分為礦物質(zhì)和 “組織機(jī)體” ( organized bodies ) 。 元素的排列順序是以它們的電解性能為基礎(chǔ)來排列的。1817年化學(xué)家約翰德貝賴納【5】首先觀察到了不同元素的某些相似性， 成為元素周期理論的先聲。 他提出按照化學(xué)性質(zhì)的相 似性每三個(gè)元素結(jié)成一組。 譬如， 鍶的化學(xué)性質(zhì)與鈣和鋇相似， 而鍶的原子量介于鈣和鋇之 間，于是德貝賴納就將這三個(gè)元素歸為一類， 類似于音樂的“三聯(lián)音”。后來他又發(fā)現(xiàn)了更多的類似的 “三

17、聯(lián)音” 。 盡管這個(gè)設(shè)想最終被認(rèn)為是錯(cuò)誤的， 但它啟發(fā)了人們更寬泛的思路。于是“五聯(lián)音”的說法也被提出。合并了“三聯(lián)音”和“五聯(lián)音”的發(fā)現(xiàn)后，人們組合成了一個(gè)有規(guī)律的元素表。 1862年，亞歷山大錢考特斯(Chancourtois )16】草擬了包含24種元素的世界上第一張?jiān)刂芷诒怼ｅX考特斯觀察到，將元素按照原子量排列成行， 某些相同的特性就會(huì)反復(fù)出現(xiàn)，于是， 他將各種元素的符號(hào)按原子量遞增的順序鐫刻在一個(gè)圓柱體柱面上， 這些元素就呈現(xiàn)出一條螺旋上升的狀態(tài)。后來，英國化學(xué)家約翰亞歷山大瑞納紐蘭茲利發(fā)表文章稱如果將元素按照原子質(zhì)量遞增排列， 會(huì)發(fā)現(xiàn)一種元素的特性會(huì)在此序列上向前、 向后各八個(gè)位

18、置出現(xiàn)。 紐蘭茲將這種每隔八個(gè)位置出現(xiàn)的周期現(xiàn)象比喻為音樂中的八音程復(fù)規(guī)律， 命名為 “八音程律”周期。最終解決化學(xué)元素分類的人是我們熟知的俄國化學(xué)家季米特里 門捷列夫。在門捷列夫按照原子量升序排列已知的 63 種元素時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這些元素的化合價(jià)也呈現(xiàn)出有節(jié)奏的的往復(fù)現(xiàn)象。 化合價(jià)是原子形成該元素化學(xué)聯(lián)接能力的一種指證。 沿著這個(gè)表格觀察， 門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素的化合價(jià)呈有規(guī)律的起伏狀態(tài) 1 ， 2， 3， 4 ， 3， 2， 1 ；而且如此循環(huán)往復(fù)。門捷列夫受單人紙牌玩法的啟發(fā)將元素的名字都寫在紙牌的背面， 按照玩紙牌的順序排好，橫向符合原子質(zhì)量順序，縱向符合化合價(jià)順序。不僅如此，按照此法排列的元素周期表還有預(yù)測沒被發(fā)現(xiàn)的元素的功能， 因?yàn)樵卦诒碇信帕械奈恢妙A(yù)言了未被發(fā)現(xiàn)的元素的化學(xué)性質(zhì)、化合價(jià)和原子量。門捷列夫于1869 年發(fā)表了題為元素新體系的論文，但是西方主流學(xué)術(shù)界并不以為然， 因?yàn)楫?dāng)時(shí)的化學(xué)家們早已厭倦了形形色色的分類體系。 直到 1875 年 8 月 27 日， 法國一位釀酒商的兒子發(fā)現(xiàn)了新元素鎵，原子量為69，化合價(jià)為3 ，鎵的化學(xué)性質(zhì)、化合價(jià)、原子量正好和門捷列夫的元素周期表中預(yù)言的介于鋁和鈾的元素 “類鋁” 相一致。 人們終于認(rèn)識(shí)到了門捷列夫理論的準(zhǔn)確性。 后來的科學(xué)發(fā)展證明， 門捷列夫的元素周期表對當(dāng)