论化学元素的发现史

众所周知，自然界有92种元素，世间万物都有其中的一种或多种元素。这些元素的成员具有不同的特征，甚至有很大的差异。比如，从体积上来说，氢原子是非常小的，而铀原子相对于它来说就是个庞然大物。有限的元素以不同的方式排列组合，形成五彩缤纷的物质世界，包括月球上的岩石、芭比娃娃、猴子和空中客车。我们人类发现了它们，找到了它们，分析了它们，我们也把其中的一部分拆分重组，得到了我们自己的元素。元素周期表中所列的118中的元素，现在包括了人类合成或拆分的26种元素。

现在没有人会怀疑关于元素的观点，但我们必须承认，元素发现的过程与人类在这一领域的探索历程相比还是很短的。在不断发现元素的过程中，人们有过困惑、担忧和争论。本文从化学史的角度探讨元素发现的故事。

一、思考世界要“四分”

"世界上的一切都是由几种简单的材料组成的."这种思想起源于公元前六世纪希腊的爱奥尼亚地区，也就是现在土耳其的西南海岸。在古代，这里的一些流放罪犯是一些思想理论的创始人，这些思想理论就是后来的自然哲学。希腊人的好奇心也是这种想法的直接驱动因素，他们从未停止对世界运行奥秘的思考。一个最重要也是最基本的问题是:物质的本质是什么？

摆脱了神学思想束缚的爱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该用逻辑来解释。其中有一个叫泰勒斯1的人，是学术界公认的思考物质本质构成的第一人。在他那个时代，绝大多数希腊人都是商人，希腊殖民地几乎遍布地中海。地区间贸易发展迅速，主要贸易项目为谷物、橄榄油、鱼干、葡萄酒、金属、木材和奴隶。贸易的兴起给泰勒斯带来了周游世界的便利，而他自己在贸易和行走希腊的经历也促使他思考。他说宇宙的基本原理或元素是水。宇宙中已知的一切都是水合成的，或者是水发生变化后的变体。水形成蒸汽，飞入大气，在变成雨之前从大气中落下。雨水击打地面，使地面变得紧密坚硬，最后变成坚硬的岩石。所以一切都是从水开始，逐渐演变，最后变成水。

泰勒斯基于水的宇宙思想表明，整个世界本质上是由一种元素演化而来的。他的观点引起了很多争议，他最喜欢的学生阿那克西曼德2是最激烈的反对者。他认为整个物质世界太丰富、太奇妙，无法想象是建立在这样一种简单而普通的元素——水之上的。世界的基本要素必须更加抽象和普遍。阿那克西曼德还提出了一种无形的原生生物形式，名为apeiron3，它有能力改造和产生世界上的一切。阿那克西曼德最喜欢的学生阿那克西美尼(公元前585年——公元前525年——公元前525年)，也放弃了等离子体假说。在他看来，任何物质都必须包含某种物质，没有什么是可以包含的。他认为这种“某种物质”就是空气，因为地球上几乎到处都有空气。

随着争论的扩大，其他物质构成理论开始出现。赫拉克利特(公元前540年——公元前480年——公元前480年)，古希腊唯物主义哲学家，认为火是万物之源，万物都在变化。变化在宇宙中占据最重要的位置。火——最活跃的元素，构成了宇宙中最基本的建筑材料。世界由火构成，火升水，水再生土，土液化生成水，水继续变化生成火，如此循环。此外，还有色诺芬尼的土为本源假说，认为土是万物之本。

哲学家恩培多克勒(公元前494年-公元前432年)对古希腊自然哲学的元素论做出了最大的贡献。他对宇宙物质基本构成的思考，可以说是接近现代科学理论的概念。恩培多克勒将前人关于一个基本元素构成世界万物的各种假说和假设综合成一个连贯的整体，推导出一个包含四个成分的模型。水、气、火、土这四个组成部分各司其职，平等运作，相互关联。恩培多克勒在他的四元素学说中指出，这四种基本元素，或单独或相互结合，构成了世界上的各种物质。事物之所以呈现出不同的形态，是因为它们的组合成分在外力的作用下相互分离或重新组合；这些外力分别有亲和力和冲击力。四种元素在构成过程中的比例决定了物质的形态。比如恩培多克勒认为骨头是由火、水、土组成的，比例是4: 2: 2。恩培多克勒的思想与现代化学元素理论非常相似。比如他说，一切物质都是由一定量的一种或某种物质组成的，数量不会减少；这些物质按一定比例混合在一起。事实上，世界上其他一些民族的文化对宇宙的问题也有类似的看法。中国古代的阴阳五行学说就是其中之一。古印度人还提出了五行学说——火、水、土、气、醚，作为物质的元素。

二、从“四点”到燃素说

欧洲中世纪早期是一个蒙昧黑暗的时代，但中东的科学技术依然繁荣发展。古代欧洲的四大元素概念开始在阿拉伯炼金术士中慢慢发展。其中一位著名的研究者是Khabir Ibn Hayyan，他出生在14和15的世界，几部最有影响力的炼金术和冶金学著作都是由他或以他的名义出版的。其中完美熔炼品(1678)、炉之书(1678)、完美判断(1678)、真实发明(1678)。在这些书中，哈比尔·伊本·赫扬详细描述了他所有重要的化学实验。从他的描述中，我们发现他不仅仅是一个普通的技术人员，他对一些简单的化学反应过程的领悟和理解也达到了惊人的程度。这也包括元素理论和解释理解。哈比尔·伊本·何晏认为，所有的金属元素都是由贡和硫组成的，只是比例不同。所以理论上任何金属都可以分解成贡和硫，然后按照另一种比例产生新的金属元素。

一个世纪后，波斯医生阿尔·鲁伊斯再次发展了这一理论。他把它所使用的化学物质按照物品的味道、溶解性或者质地分为金属、硫酸、硼砂、盐、石头等等。这种划分方法是现代化合物和元素理论的最早尝试。Al Ritz在元素二分法中加入了第三个因素——盐，提出了所有固体物质都是由这三种元素(宫、硫、盐)以不同比例组成的假设，因为这三种物质分别代表了易燃性、挥发性和溶解性三个特性。

瑞士炼金术士帕拉塞尔苏斯(1493-1541)综合了上述两种观点，用燃烧物质作为探索物质组成的方法。根据他的秘书的记录，“他的厨房里总是火花四射，还有他的碱土，冒烟的硫酸升华物，雷克斯药剂，石油，砒霜粉，研磨粉，神秘的樟脑制剂，还有一些天知道是什么东西制成的混合物，使烟雾弥漫。有一次，他差点把我掐死。那一天，他让我看他蒸馏器里的烈酒，并把我的投掷物用力压在这种液体的表面。抽烟的怪味直冲鼻孔和喉咙，有毒的蒸汽差点让我晕过去。”帕拉切尔苏斯从类似的实验中得出结论:古希腊人的四种基本元素确实是所有物质的基本元素，但可以分为阿拉伯人所说的三种元素(贡、硫、盐)。在他看来，树枝燃烧时释放的四种物质是烟(气)、焰(火)、从断口喷出的液体(水)和燃烧后留下的灰烬(土)。升起的烟是贡品，火焰代表硫磺，灰烬是盐。

关于树枝燃烧现象，1658的英国化学家罗伯·波义耳(Rober Boyle)说:“至于绿树枝燃烧理论，燃烧时产生的火焰并不能将其分解成元素，只能分解成一些混合物。不同的是，这些混合物是另一种形式。”波义耳主张化学研究必须使化学摆脱在炼金术或医学中的从属地位，发展成为一门致力于探索自然的独立科学。为了确定科学化学，波义耳认为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怀疑传统的元素观。他指出，这些传统元素不一定是真实的元素。对于很多物质的固化，比如黄金，并不含有这些“元素”，不可能从黄金中分离出硫、汞、盐等任何元素。相反，这些元素中的盐是可以分解的。波义耳认为，只有那些不能用化学方法分解的简单物质才是元素。例如，黄金可以与其他金属形成合金或溶解在王水中进行隐藏，但它仍然可以恢复原状并被回收。水星也是。作为万物之源，不是四三个元素，而是一定有很多。

第三，拉瓦锡和道尔顿

继波义耳之后，1789年，法国化学家、现代化学创始人安托万·拉瓦锡发表了《化学元素论》。拉瓦锡在论文中总结了人类已知的元素，将其分为四类:气体元素、金属元素、非金属元素和土耳其元素。当时发现的元素总数是33种。拉瓦锡说元素的划分原则是“我们不能再分解”，所以所有不能分解的物质都被他称为元素。然而，他补充说，“这绝不意味着我们可以有把握地说，我们现在认为是简单的物质在未来永远不会进一步分解为两个或更多的基本粒子，……除非未来的实验和观察结果可以反驳这一论点”。果然，在拉瓦锡命名的33种元素中，后来证实有8种重视可以分解的化合物。这八种元素中有石灰、二氧化硅、泻盐，还有光和热根本不是元素。其余23种元素包括金、银、铜、铁、汞、锡、铅、锑、硫、碳、锌、砷、铋、磷、铂、镍、钼、锰、M、H、N、O、W和Co。

英国化学家约翰·道尔顿进一步发展了拉瓦锡的理论。道尔顿从气象学到化学出家，很快取得了重要成就。他创造性地将算术和量子化学融入古希腊的化学元素理论，产生了自己的元素理论。道尔顿认为，元素实际上是由再也无法分离的微小粒子组成的；不同的元素有不同的组成粒子，任何特定的元素都只能由特定的粒子组成。他称这些粒子为原子。当这些原子按一定比例结合时，就能产生不同的化合物。因为化合物是由各种原子组成的，而原子是不可分的，所以化合物中各种元素的比例必然是简单的整数比。

同时，道尔顿开始计算各种元素原子的相对重量，从最轻的氢开始。到1810年底，道尔顿已经为20多种元素建立了原子尺度，包括氧、氮、磷、硫、铜、铁等。至此，人类看不见的原子终于被赋予了自己固有的物理尺度、本质和特征。道尔顿还提出了第一个具有化学意义的符号系统——每个原子用一个有确定符号的圆来表示，例如，氢原子是一个中心有一个点的圆，氧原子是一个空心圆。但这套符号因为花样太多，变化太大，没有被后人采用。

第四，元素周期表和门捷列夫

19世纪化学研究的另一大难题是如何对所有元素进行分类。在整个19世纪，化学家们一直试图找到一个所有元素可以合并的逻辑顺序。

瑞典化学家雅各布·贝尔泽利乌斯(Jacob Berzelius)提出将所有物质分为“不可测量的物质”，包括电、磁、光、热，“可测量的物质”，包括各种元素和化合物。元素可分为氧、非金属和金属。化合物分为矿物和“有组织的身体”。元素的排列顺序基于它们的电解性质。1817化学家约翰·德贝赖纳5首先观察到不同元素的一些相似性，这成为元素周期理论的先驱。他提出每三种元素根据化学性质的相似性组成一组。比如锶的化学性质类似于钙和钡，锶的原子量介于钙和钡之间，所以德贝赖纳把这三种元素归为一类，类似于音乐的“三重态”。后来，他发现了更多类似的三胞胎。虽然这个想法最终被认为是错误的，但它激发了人们更广泛的思考。于是也就提出了“五声音阶”的想法。

“三重态”和“五重态”的发现被合并后，人们组合成一个有规律的元素列表。1862年，Chancourtois)6拟定了世界上第一个元素周期表，包含24种元素。Chancortes观察到按照原子量将元素排成行会导致一些相同的特征，于是他将各种元素的符号按照原子量增加的顺序刻在一个圆柱体上，这些元素呈现出螺旋上升的状态。后来，英国化学家约翰·亚历山大·雷纳·纽兰兹利发表文章说，如果把元素按照原子质量递增的顺序排列，就会发现一种元素的特征会出现在这个顺序的前八位和后八位。纽兰兹将这种每八个位置出现一次的周期性现象比作音乐中的八度复律，并将其命名为“八度律”周期。

最终解决化学元素分类的人是著名的俄罗斯化学家季米特里·门捷列夫。门捷列夫将63种已知元素按原子量升序排列时，发现这些元素的化合价也呈现出有节奏的往复现象。化合价是原子形成这种元素的化学键的能力的标志。沿着这个表看，门捷列夫发现元素的化合价有规律地波动——1，2，3，4，3，2，1；诸如此类。

门捷列夫受单人纸牌游戏的启发，在纸牌背面写上元素的名称，按照扑克牌的顺序排列，横向按原子质量，纵向按化合价。而且按照这种方法排列的元素周期表还具有预测未发现元素的功能，因为元素在表中排列的位置预测了未发现元素的化学性质、化合价和原子量。

门捷列夫在1869年发表了一篇题为《元素新体系》的论文，但西方主流学术界并不重视，因为当时的化学家已经厌倦了各种分类体系。直到1875年8月27日，一个法国酿酒商的儿子发现了一种新元素镓，原子量69，化合价3。镓的化学性质、化合价、原子量恰好与门捷列夫在元素周期表中预言的元素“类铝”一致。人们终于认识到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了决定性的作用。为了纪念门捷列夫，人们将101号元素命名为门捷列夫。

动词 （verb的缩写）结论

人类现在已经生活在信息时代，我们已经清楚地知道了成千上万种物质的原子排列，但是还有无数未解之谜等待我们去发现。科学之路不可能一帆风顺，科学和科学家的任务还有很长的路要走。当我们享受现代文明带来的便利和舒适时，请不要忘记，我们文明的一切成就，都是先辈们汗水和智慧的结晶。

给…作注解

1泰勒斯:公元前624年-公元前546年，古希腊哲学家、数学家、天文学家，米利都学派创始人，主张朴素唯物主义。

阿那克西曼德:阿那克西曼德，公元前610-公元前546年，被誉为天文学的创始人。

3apeiron:希腊语，意为“无穷小”和“不确定”。

4泻盐，即氧化镁和Mgo。

约翰·德贝赖纳:约翰·德贝赖纳，1780-1849，德国化学家。

6亚历山大·尚科尔特斯:又译贝吉耶·德·尚古尔多阿，1820-1886，法国地质学家。

参考文献和参考书目:

1.科学史，一个化学家的评论[美]艾伦·g·德博斯著，石家庄，河北科学技术出版社，2000年。

2.《水、蒸气、火和土——元素发现的历史故事》[英]丽贝卡·卢普著，宋·译，北京，商务印书馆，2008年

3.《化学哲学的新体系》[英]约翰·道尔顿著，李家钰译，武汉出版社1996武汉。

4.《化学哲学导论》，邱道济，南京师范大学出版社，南京，2007