淺談元素發(fā)現(xiàn)的歷史.doc

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成。這些元素成員之間，特點各不一樣，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)在沒有任何人會再去懷疑關于元素的觀點，但是我們必須承認元素發(fā)現(xiàn)的過程相對于人類在這一領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)構成的?！边@種思想產(chǎn)生于公元前六世紀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。希臘人的好奇心也是這一思想的直接推動因素，他們永不停息地思索著世界運作的奧秘。其中最重要和最基本的問題就是：物質(zhì)的本質(zhì)是什么？擺脫了神學思想束縛的艾奧尼亞思想家和哲學家開始相信，自然界的事物和現(xiàn)象都應當由合乎邏輯的解釋。在他們中間，一位名叫泰勒斯【1】的人被學界公認為是第一個思索了物質(zhì)本質(zhì)構成的人。在他的時代，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、變硬，最后變成堅硬的巖石。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的宇宙觀念，說明了整個世界從本質(zhì)上來講是由一種元素演變而成的。他的觀點引起了不少爭論，他的得意門生阿那克西曼德【2】就是最激烈的反對者。他認為整個物質(zhì)世界構成太豐富奇幻，根本無法想象會建立在如此簡單平凡的一個元素水的基礎上。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,585BC525BC）也同樣摒棄了aplasma的假說，照他看來，任何物質(zhì)總得包含某一種物質(zhì)構成成分，不能任何物質(zhì)都不包含，他認為這“某一種物質(zhì)”是空氣，因為地球變面幾乎到處都有空氣。隨著爭論的擴大化，其他的物質(zhì)構成學說也開始出現(xiàn)。古希臘唯物哲學家赫拉克利特（Heraclitus,540BC480BC）認為火是萬物的本源，一切都在流變之中；變化居于宇宙最重要的地位?；疬@個最為活躍的元素構成了宇宙最基本的建筑材料。這個世界由火生成，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。此外，還有色諾芬尼的土為本源的假說，認為土是萬物的根基。在古希臘自然哲學的元素學說中，哲學家恩培多克勒（Empedocles，494BC-432BC）的貢獻最大。他對宇宙物質(zhì)基本構成的思考，可以說接近現(xiàn)代科學理論的觀念。恩培多克勒把以前各位前輩有關一種基本元素構成世界萬物的各種假說和設想組成了一個連貫一致的整體，派生出一個包含四種成分的模式。四種成分水、氣、火、土，各司其職、平等運作、相互關聯(lián)。在他的四元素學說（Doctrine of the Four Elements）中，恩培多克勒指出：這四種基本元素，或單獨或相互結合，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)，是因為它們的組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，恩培多克勒認為骨骼就是由火、水、土三者構成的，比例為4：2：2。恩培多克勒的思想與現(xiàn)代化學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)量是不會消減的；這些物質(zhì)按照一定的比例組合。其實，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），作為構成物質(zhì)的要素。二、由“四分”之說到燃素說歐洲中世紀早期是愚昧黑暗的時代，然而中東的科學技術依然在繁榮與發(fā)展。古代歐洲四元素觀念開始在阿拉伯煉金術士中慢慢發(fā)展。其中一個著名的研究者要算哈比爾伊本赫揚（AbuMusa Jabir ibn Hayyan），大約誕生于14、15世界的幾部最有影響的煉金術和冶金術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，哈比爾伊本赫揚對自己進行的全部重要的化學實驗都作了詳盡的描述，從他的描述中，我們發(fā)現(xiàn)，他不僅僅是一名普通的技術人員，而且他對一些簡單的化學反應過程的領悟和理解已經(jīng)達到了驚人的程度。這其中還包括了元素理論和解釋和理解。哈比爾伊本赫揚認為，所有金屬元素，都由貢和硫組合而成，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。一個世紀以后，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藥品依照物品的味道、可溶性或者質(zhì)感細分為金屬、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食鹽，并提出一個假說，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，因為這三種物質(zhì)分別代表了可燃性、揮發(fā)性、和可溶性三種特質(zhì)。瑞士煉金術士帕拉切爾蘇斯（Paracelsus,1493-1541）在對以上兩種觀點融會貫通之后，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?！迸晾袪柼K斯根據(jù)類似的實驗得出結論說古希臘人的四種基本元素的確就是構成一切物質(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）。他認為，樹枝燃燒時分解出的四種物質(zhì)，分別為煙（氣）、火焰（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年英國化學家羅伯特波義耳（Rober Boyle）出：“至于青枝燃燒之說，燃燒時產(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)?！辈x耳主張化學研究必須使化學擺脫從屬于煉金術或醫(yī)藥學的地位，發(fā)展成為一門專為探索自然界本質(zhì)的獨立科學。為了確定科學的化學，波義耳考慮到首先要解決化學中一個最基本的概念：元素。波義耳通過一系列實驗，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，實際未必就是真正的元素。固為許多物質(zhì)，比如黃金就不含這些“元素”，也不能從黃金中分解出硫、汞、鹽等任何一種元素。恰恰相反，這些元素中的鹽卻可被分解。波義耳認為，只有那些不能用化學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，但是仍可設法恢復其原形，重新得到黃金。水銀也是如此。作為萬物之源的元素，不是四種也不會是三種，而一定會有許多種。三、拉瓦錫和道爾頓繼波義耳之后，1789年，法國化學家、現(xiàn)代化學的奠基人安東尼拉瓦錫發(fā)表了化學元素論文。拉瓦錫在論文中將人類已知的元素進行了歸納列表，將它們分別歸為氣體、金屬、非金屬以及土族元素四類。當時，發(fā)現(xiàn)的元素總數(shù)為33種。拉瓦錫表示認為，元素的劃分原則是“我們無法對它們進行進一步的分解了”，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為是單質(zhì)的物質(zhì)，今后永遠不會被進一步分解成兩種或兩種以上的基本粒子了，除非今后的實驗和觀察結果能夠推翻這個論點”。果然，由拉瓦錫定名的33種元素當中，后來證實有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、銻Sb、硫S、碳C、鋅Zn、砷As、鉍Bi、磷P、鉑Pt、鎳Ni、鉬Mo、錳M、氫H、氮N、氧O、鎢W、鈷Co。拉瓦錫的的理論在英國化學家約翰道爾頓得到了拓展。道爾頓由氣象學半路出家到化學領域，并很快得出重要的成果。他創(chuàng)造性地把算術、量子化學融匯到古希臘的化學元素學說當中去，產(chǎn)生了自己的元素理論。道爾頓認為，元素其實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）。當這些原子按照一定比例組合時，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，道爾頓開始計算各種元素原子的相對重量，他先從最輕量級的氫氣開始。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體規(guī)模、實質(zhì)和特性。道爾頓還提出了第一套有化學含義的符號系統(tǒng)每一種原子都用一個帶有某種明確符號的圓圈來表示，比如氫原子就是個中心的有圓點的圓圈，氧原子是空心圓圈。但這一套符號因為花樣太多，變化多端而沒有被后人采用。四、元素周期表與門捷列夫19世紀化學研究的另一大困惑就是如何為全部元素進行分類。整個19世紀，化學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。瑞典化學家柏濟力阿斯（Jacob Berzelius）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“組織機體”（organized bodies）。元素的排列順序是以它們的電解性能為基礎來排列的。1817年化學家約翰德貝賴納【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。他提出按照化學性質(zhì)的相似性每三個元素結成一組。譬如，鍶的化學性質(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“三聯(lián)音”。盡管這個設想最終被認為是錯誤的，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，人們組合成了一個有規(guī)律的元素表。1862年，亞歷山大錢考特斯（Chancourtois）【6】草擬了包含24種元素的世界上第一張元素周期表。錢考特斯觀察到，將元素按照原子量排列成行，某些相同的特性就會反復出現(xiàn)，于是，他將各種元素的符號按原子量遞增的順序鐫刻在一個圓柱體柱面上，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，會發(fā)現(xiàn)一種元素的特性會在此序列上向前、向后各八個位置出現(xiàn)。紐蘭茲將這種每隔八個位置出現(xiàn)的周期現(xiàn)象比喻為音樂中的八音程復規(guī)律，命名為“八音程律”周期。最終解決化學元素分類的人是我們熟知的俄國化學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，他發(fā)現(xiàn)這些元素的化合價也呈現(xiàn)出有節(jié)奏的的往復現(xiàn)象?；蟽r是原子形成該元素化學聯(lián)接能力的一種指證。沿著這個表格觀察，門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素的化合價呈有規(guī)律的起伏狀態(tài)1，2，3，4，3，2，1；而且如此循環(huán)往復。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，縱向符合化合價順序。不僅如此，按照此法排列的元素周期表還有預測沒被發(fā)現(xiàn)的元素的功能，因為元素在表中排列的位置預言了未被發(fā)現(xiàn)的元素的化學性質(zhì)、化合價和原子量。門捷列夫于1869年發(fā)表了題為元素新體系的論文，但是西方主流學術界并不以為然，因為當時的化學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，化合價為3，鎵的化學性質(zhì)、化合價、原子量正好和門捷列夫的元素周期表中預言的介于鋁和鈾的元素“類鋁”相一致。人們終于認識到了門捷列夫理論的準確性。后來的科學發(fā)展證明，門捷列夫的元素周期表對當時