图解化学元素:元素简史

2016-02-01作者:杰克.查洛纳[英]编辑:谢爽

如今我们确认的化学元素中有几种也是古人熟知的,比如在自然界中能够以近乎纯态存在的金、银、硫,再比如很容易能够从矿石中提炼出的铁、铜、汞等。但是直到18世纪末,科学家们才正式确立了化学元素的概念,知道了如何将它们与化合物区分开来。1920年之后,自然界中存在的所有元素才陆续被发现并且提纯。



为纷繁复杂的世间万物梳理出头绪一定是一件令古代哲学家头疼的事情。在许多早期文明中,哲学家们认为世间万物都是由土、气、火、水以不同的方式混合而成的,这就是古人们所理解的“元素”(如果真的如此,本书的篇幅就可以大大地缩短了)。而物质发生变化,也就是我们现在所称的化学反应,则是由于组成这种物质的四种元素的量发生了变化。



四种元素组成万物的理念成为了炼金术的理论基础,而炼金术士们朝思暮想的目标便是将“贱金属”(比如铅)转化为金。炼金术追求神秘,但也注重实用,如今的化学家使用的许多基本操作正是由炼金术士发明的。尽管炼金术的理论早已被证明是错误的,但古代中国、阿拉伯帝国以及欧洲中世纪的炼金术士们还是通过实践总结出了很多重要物质以及它们之间反应的相关知识。除了炼金术士,早期的药剂师、玻璃工,特别是冶金师也在为这座关于物质与化学反应的知识大厦增砖添瓦。而在近代欧洲早期,还出现了一种以汞、硫、盐为核心的升级版的炼金术,不过这种炼金术关注的是这三要素的哲学意义(它们构成了世间万物)而非它们的物理特性。(下图:德国博学者约钦姆·贝歇尔所著的《化学工艺》(Opuscula Chymica,1682)中的一张图表。这张图表可以看做是将已知物质分成几个类别的一次探索。与波义耳类似,贝歇尔也是一位具有科学思想的炼金术士)



17世纪,科学的方法在欧洲逐渐成为主流,炼金术所依附的理论中的错误在科学方法的检验下暴露无遗。更为重要的是,正是化学家最终证明空气是多种气体的混合物,而水则是一种化合物,它们都不是构成物质的基本元素。



爱尔兰科学家罗伯特•波义耳在1661年出版的大作《怀疑派化学家》(The Sceptical Chymist)中,鼓励科学家们对那些已被人们接受的、由炼金术士作出的解释提出质疑,并努力用科学的方法解决“这个世界到底由何构成”的难题。波义耳推动了化学分析法的普及,这是一个系统的方法,化学家可以通过它测定出混合物或者化合物的组分。追随着波义耳的步伐,一批新的化学家成长起来。伴随着理论的革新、辛苦的试验以及开放的思想,化学终于在18世纪成为一门新的科学并大踏步地发展起来。



在那部深具影响力的书中,波义耳阐述了一个很快被广泛接受、对现代化学发展至关重要的观点:万物都是由无数的微小粒子组成的。当然,很多哲学家,甚至古代哲学家都曾经提出过这个观点,但波义耳是第一位将这种微小粒子与元素、化合物以及化学反应联系起来的人。他甚至还提出,元素是一些“最简单、最原始、最纯净的粒子”,是构成化合物的“原料”。



法国化学家安托万•拉瓦锡的洞察力让元素的概念再次成为了焦点。在他1789年出版的大作《化学基础论》(Traité élémentaire de chimie)中,拉瓦锡提出,元素应当被定义为不能够被分解的物质。(下图:法国化学家安托万·拉瓦锡。他被誉为“现代化学之父”)



拉瓦锡对元素的深刻理解在很大程度上源于他精细的定量实验。他通过仔细称量化学过程中反应物与产物的质量,证明化学反应中没有质量的损失。其中最重要的一点是,他在一个密闭的容器中研究化学反应,这样反应过程中吸收或者放出的气体都在他的计算之中。当两种物质相互反应时,它们只是简单地结合在一起生成了第三种物质,而反应的产物能够分解成组成它的更简单的成分。拉瓦锡最重要的一项成就是正确地解释了燃烧过程其实是物质与氧结合的过程。他发现氢气在空气中燃烧其实是与氧反应生成了水,他甚至还设法将水分解成了组成它的两种元素。(下图:拉瓦锡的化学元素名录。这些元素的旧名称列在了表的右栏中,拉瓦锡为它们起的新名称则列在了左栏中。表中最前面的两个元素是光与热,其中还包含后来被确认为化合物的白垩(碳酸钙))



1808年,英格兰化学家约翰•道尔顿结合拉瓦锡对元素和化合物的理解以及波义耳所主张的物质的粒子性,在他的新书《化学哲学新体系》(A New System of Chemical Philosophy)中提出:一种元素的原子都是相同的,并且有别于其他元素的原子。不同元素的原子之间最重要的且可以测量的区别就是原子的重量。氢原子是最轻的,氧原子稍重一些,硫原子更重,而铁原子则比它们的原子都要重。这很好地解释了为何一种化合物中某种成分的质量之比是一定的,比如无论样品的量是多少,硫化铁中总是含有63%的铁。(下图:英格兰化学家约翰·道尔顿)



随着化学逐渐成为一门科学,有几种新元素在18世纪被人们发现了。而到了19世纪,由于拉瓦锡提出了元素的定义并对燃烧过程中氧气所扮演的角色作出了正确的解释,发现新元素的步伐加快了。许多“新”金属元素通过去除氧,将它们从“土”(氧化物)中分离了出来。1799年发明的电池组则为化学家提供了化学分析的新武器,19世纪的前30年里又有几种金属元素通过电解法被发现。1860年,德国科学家罗伯特•本生与古斯塔夫•基尔霍夫又为分析化学提供了一个强有力的工具:光谱法。利用他们自己发明的分光光谱仪,两人研究了特定元素在加热气化之后所发出的光谱。他们记录了所有已知元素的光谱,然后通过辨识不熟悉的谱线发现了几种新的元素。(下图:道尔顿的著作《化学哲学新体系》(1808)中的插图,展示元素与化合物如何由原子和分子构成)



这时,化学家们已经开始意识到数目不断增长的元素似乎可以按照它们的性质与参与的化学反应分成若干族。比如,钠、钾、锂都是能够与水反应生成碱性溶液的金属;氯、溴、碘都能够与金属反应生成类似食盐的化合物。英格兰化学家约翰•纽兰兹发现,如果按照原子量进行排序,相邻的两个同族元素似乎被另外八个元素分隔开了。纽兰兹发现的这个规律只对前20种左右的元素有效,因而遭到了同行的嘲讽。然而,俄国化学家德米特里•门捷列夫按照性质与反应将已知元素进行排序之后也发现了类似的周期性。他在1869年完成了第一张元素周期表,终于为越来越长的元素名单建立了秩序。(下图:德米特里·门捷列夫)



门捷列夫的周期表最为成功的一点是为当时还未发现的元素留下了空位。根据它们在周期表中的位置,门捷列夫还预测了它们的分子量与化学性质。在随后的几年中,其中几种元素相继被发现。(下图:门捷列夫的首张元素周期表(1869)。与现代的周期表不同,他的周期表是竖排的。表中的元素按照原子量排序并归入不同的族,其中的问号代表当时未知的元素,门捷列夫预言了它们的存在)



电子、放射性以及X射线在19世纪90年代相继被发现,为20世纪上半叶原子物理学的大发展提供了强大的推动力。轻盈而带负电荷的电子的发现表明原子具有内部结构,而电子的行为不但解释了原子如何变成离子、如何生成化学键,还解释了为何某些元素要比另外一些元素活泼。1911年,出生在新西兰的物理学家欧内斯特•卢瑟福利用放射性发现原子中心存在着一个微小、致密、带有正电荷的原子核,并据此提出了带负电的电子围绕原子核运转的原子模型。荷兰物理学家安东尼•范登布罗克通过分析原子拥有的电子数目,发现每种元素的原子核具有的正电荷数目都不相同,继而提出了原子序数的概念。1917年,卢瑟福发现原子核是由更小的粒子构成的,他把这种粒子命名为质子。



1913年,丹麦物理学家尼尔斯•玻尔利用刚刚诞生不久的量子力学理论,推导出电子只能在特定的轨道上围绕原子核运动,并且发现电子在不同轨道之间移动(跃迁或者激发)时的能量变化与本生和基尔霍夫研究的光谱相吻合。能量差异非常高的跃迁发出的是X射线而不是可见光或者紫外光。1913年,英格兰物理学家亨利•莫塞莱发现了一个元素原子核所带的正电荷数目与它的X射线光谱之间的关系,这使得他能够对元素周期表进行修订,用更为精确的原子序数代替原子量对元素进行排序,并据此预测了两个未知的元素。1932年发现的中子彻底揭开了原子的基本结构,而且也解释了同位素存在的原因——原子核内中子数目的不同导致了同种元素具有不同质量的原子。根据核物理学的理论与实验,物理学家们还推导出了各种元素是如何在恒星内部或超新星爆发时由质子与中子聚合而成的。核物理学家还利用实验制造出了自然界中并不存在超铀元素。


内容来源:书问

作者[英]杰克·查洛纳 著;卜建华 译
出版人民邮电出版社
定价69元
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