早期探索简明回顾-五堂极简科学史课

在当今化学教材中所附的元素周期表（表2.1）中，一共排列了109种元素。从第1号元素氢到第92号元素铀是天然元素，其中第

43号元素锝、第61号元素钷、第85号元素砹、第87号元素钫，由于其不稳定，在天然产物中很难找到，科学家通过人工方法或从天然放射系物质中才找到它们。

从第93号元素镎到第109号元素则都是人工合成的元素，它们基本是20世纪50年代以后科学家辛勤劳动的结晶。

在这张元素周期表中，所蕴藏的知识是极其丰富的，仅从每一小方格所展示的内容来看，它既有元素的名称、符号、原子序数，还有各种同位素的原子量和平均原子量及外围电子的构型。进一步把这些小方块按原子序数的顺序拼排起来，就构成一幅把100多个元素有机联系起来，既反映元素之间性质的变化规律，又揭示元素之间结构上的差异和各自特点的一个体系。这是一个神奇而又科学的元素体系。它把看起来庞大繁杂的元素知识归整为一条经过系统科学实验所验证的、结构严密的逻辑体系。尽管这一知识体系至今仍随着科学研究的深入而在不断地得到补充和发展，但是它在帮助人们认识和掌握这个千差万别的物质世界中已发挥了不可言状的重要作用。

能够发现并阐述出元素性质变化的周期性规律及绘制出这张元素周期表，实属不易。它几乎就是2000多年来，人们前赴后继地进行探索，不畏艰辛地付出劳动的血汗结晶。它也是人们通过不停地科学实验，不断地更新思想观念，敢于立异创新的丰硕成果。这是一部鲜活形象的科学攀登史。为此我们有必要对这一伟大的征途作一简明的回顾。

人类天天与多种物质打交道，很自然地产生探究物质的兴趣。世界万物究竟是由什么东西组成？一直是人们猜测和探求的一个热点。古代的元素观就是由此而生，并随着历史发展而演变。在中国古代的春秋战国时期，源于远古的神秘的数字崇拜和方神崇拜，同时汲取了古人对物质变化的观察经验，学者们提出了五行学说，即把金、木、火、水、土视为构成万物的五种基本物质元素。后来又被发展成五行相克相生的观念，来解释物质在一定条件下相互转化的关系。图2.1就是这种关系的图示，相邻部分为相生，对角线部分为相克。约在公元前5世纪前后，古希腊那些擅长思辨的学者也提出了四元素说。他们认为万物都是由水、火、气、土这些元素所组成的。被誉为古希腊最伟大的思想家、哲学家、科学家的亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322）进而把冷、热、干、湿作为自然界的原始性质，与四元素说组合起来，用几何学的观点来说明四元素之间的相互关系（如图2.2所示），发展了元素说。在印度古代，也有地、水、火、风、空构成万物的五元素说。由此可见，在古代，尽管地域不同，学者们在探讨万物归宗中都提出了类似的元素观。现在看来，古代所说的元素和它们之间的关系，论述是比较粗浅的，与近代的元素概念有本质的差距。但是有一点是应该肯定的，这就是在当时的条件下，他们能坚持从客观的物质世界出发来认识世界，表现出朴素的唯物观。他们能从具体的物质元素出发去寻找自然现象多样性的统一，是难能可贵的。

图2.1　五行相克相生关系

图2.2　四原性说示意图

古代的元素观，仅仅是回答物质构成的一种臆测，似乎对生产力发展、社会的变革没有产生直接作用，但是作为一种认识物质的观念，对后来化学概念、理论的形成则产生了深远的影响。

无论是中国古代的金丹术，还是古希腊、阿拉伯、欧洲的炼金术，都把古代的元素说作为他们从事炼金活动的理论指导。当他们把许多物质进行加热、溶解、蒸馏、升华、燃烧等方式加工处理后，尽管没有提炼出他们日夜祈求的能使人长生不老的药剂或找到点石成金（变贱金属为贵金属）的哲人石，但是通过化学试验，他们的确完成了一些化学转变，研制出包括无机酸碱在内的许多化学物质，积累了某些化学知识。在这些化学知识的增长中，就包含了元素知识的扩展。中国古代的金丹家曾认为“金可作，也可度”，在炼丹实践中，特别关注汞、硫、铅、砷等元素及其化合物的变化。古希腊的炼金者也把汞、硫作为炼金的两味主药。阿拉伯和欧洲的炼金家则进一步认为，金和银都含有纯粹的汞和硫，普通金属与金银的区别就在于含汞、硫的比例和纯度有差别。从这些元素观中，不难看到原性说的深深烙印。人们对物质的认识总是从表观的性质开始的，因此产生这种元素观是不奇怪的。

发源于意大利的文艺复兴是反对封建主义思想禁锢的一次伟大的思想解放运动。文艺复兴的实质是人的觉醒，是意识到人（首先是个体的人）的价值和人的尊严，它是人类近代文明的开端。近代自然科学产生于文艺复兴后期，是伴随资本主义的生长而产生。由于近代科学的生长直接动摇了封建神权统治的思想基础，所以它一开始就遭到了残酷的镇压。从主张实验是研究自然最根本方法的罗哲·培根（R.Bacon，约1214—约1292）到提出日心说的哥白尼（N.Copernicus，1473—1543）、宣传哥白尼学说的布鲁诺（G.Bruno，1548—1600）、近代物理学的奠基人之一伽利略（G.Galilei，1564—1642），无一不受到教会的迫害。与哥白尼同时代的瑞士医生帕拉塞尔斯（P.A.Parcelsus，约1493—1541），在医学理论和药物研究上都有重要创新，但由于他“离经叛道”，被迫到处流浪，终于在萨尔茨堡被人谋杀。正是这个帕拉塞尔斯是当时欧洲医药化学流派的代表人物，他们主张炼金术应该为制药做出贡献，而使炼金术的研究方向由炼金为主转向医药为主。他们发展了炼金家们的元素观，提出了三元素说，即认为万物是由三种元素：汞、硫、盐以不同比例构成的。这种元素观实际上表现的仍是物质的性质，汞是可熔性或金属性的要素或精神；硫代表易燃性的要素或灵魂；盐则是构成固态实体的要素。可见它仍然没有摆脱原性说的影响，但它与四元素相比，使人感到更具体和实际一些。

在近代科学建立的17世纪，被誉为把化学确立为科学的英国化学家波义耳（R.Boyle，1627—1691）认为，化学的目的在于认识物体的结构，而认识的方法在于分析，即把物体分解为元素。这种认识无疑要求把化学研究的重点从“为什么发生化学反应”转移到“化学反应如何发生”上来，纠正古代错误的元素观，揭示了化学元素这一概念的正确含义，即物质并不是由性质组成，而是由化学元素所组成。波义耳虽然提出了唯物的元素概念，然而由于科学实验条件的局限，他依然把许多化合物当作了元素，甚至依然把空气、火、水等当作了元素。揭示这些曾长期被错误地当作元素的现象或复杂物质的任务，很自然地成为此后化学家的重要课题。在18世纪整个科学发展处于停滞时期，而在化学上完成一次革命的法国化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743—1794）的贡献就在于此。

拉瓦锡通过大量的、经过精心设计的实验，重复和检验了前人和同行们的研究成果，在质量守恒思想的指导下，运用理论思维对这些成果给予合理的逻辑解释。特别是他发现和确认了氧，并以氧为中心，对燃烧等化学现象作出了科学的阐述，推翻了统治化学达百年之久的燃素说，建立了氧化理论，从而在化学观念和研究方法上都完成了一次变革。拉瓦锡对波义耳的元素定义作了重要的补充，他认为化学元素是化学分析所达到的终点的物质成分，并列出可能是世界上最早的元素表（表2.2）。在这张包括33种元素的表中，拉瓦锡把它们分为四类：（1）气体元素：光、热、氧、氮、氢；（2）能氧化成酸的非金属：硫、磷、碳、盐酸基、氟酸基、硼酸基；（3）能氧化，氧化后并与酸化合成盐的金属：锑、银、砷、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金、铂、铅、钨、锌；（4）能成盐的土质：石灰、镁土、重土、矾土、硅土。在这张表里，拉瓦锡已把古希腊的四元素：土、火、水、气从元素表中排除，同时把当时已客观上接触或取得的元素毫无遗漏地包括进来，并提出划分金属与非金属的准则。在当时，这一见解可算是很高明的。元素是一个抽象的概念，它虽然存在于一切物质之中，但是不能将它分离出来单独进行观察，人们所看到的是由同种元素所组成的单质。波义耳、拉瓦锡所定义的元素，实际上是单质，因此他们给元素的定义的主要贡献在于将单质同化合物、混合物区分开来，从而使化学研究沿着一条正确的思路向前发展。

表2.2　拉瓦锡的元素表（1789年）

拉瓦锡在列出上述化学元素表时，曾坦率地声明这只是一张凭经验列出的表，还有待以后发现的事实来修正。他特别指出，表中几种能成盐的土质，非常可能是金属氧化物。这一预言在10年后就被英国化学家戴维（H.Davy，1778—1829）所证实。(www.xing528.com)

意大利物理学家伏打（A.Volta，1745—1827）于1800年发明了电池，电流成为科学研究的重要对象，电流的化学效应和热效应随之被发现。同在1800年，英国化学家尼科尔森（W.Nicholson，1753—1815）和卡里斯尔（A.Carlisle，1768—1840）成功地应用了伏打电池所产生的电流分解了水。这一消息立即轰动了科学界，有人重复实验；有人寻求解释。随着研究的深入，人们发现在电解水的同时，在阳极附近的水中总有酸性物质产生；在阴极附近的水中总有碱性物质产生。这究竟是怎么回事呢？思想敏锐又精于实验的英国化学家戴维重复电解水的实验后，指出电解水的过程产生酸和碱很可能是由于水的不纯。改用蒸馏水来做实验，果然酸性和碱性的产物就少多了。熟悉和推崇拉瓦锡氧化学说的戴维立即推想到，盐类物质在电解作用下也会分解，分别在两电极产生相应的酸和碱。他还认为，氧和氢之间、酸和碱之间，以及金属与氧之间的化学亲和力的实质是一种电的吸引。这种思想后来被当时最卓越的化学家之一，瑞典的柏采里乌斯（J.J.Berzelius，1779—1848）发展成著名的“电化二元论”，这种理论被化学史家誉为化学学说中最伟大的一部分。戴维的科学生涯中最耀眼的成就是他于1807—1808年间，经过坚韧不拔的努力，用电解方法揭开了苛性碱之谜，发现并命名了钾、钠、钡、锶、钙、镁等元素。1808年法国化学家盖—吕萨克（J.L.Cay-Lussac，1778—1850）和泰纳（L.J.Thenard，1777—1857）从硼酸中取得了硼，1810年又得到氯。戴维认为氯是一种元素，证明了盐酸是一种不含氧的酸，从而修正了拉瓦锡关于酸都含有氧的假说。在上述研究成果的基础上，1812年戴维对元素做了如下分类：（1）助燃性元素：氧、氯；（2）可燃性非金属元素：氢、氮、硫、磷、碳、硼；（3）金属元素：拉瓦锡时的17种加上以后发现的，共达38种。戴维的元素分类与拉瓦锡的相比，显然有了一定的进步，把成盐的土质这一类给搞清楚了，把光和热给除掉了。但是存在的疑问也是显而易见的。原因何在？从波义耳到拉瓦锡、戴维，都在积极探索万物是由哪些元素组成的。尽管取得了很大成绩，但是元素这一抽象的概念，并没有从单质的范畴中摆脱开来，只有深入探讨元素又是以怎样的方式构成万物的，才能把问题引向深入。为此我们不能不从古代的原子论说起。

约在公元前5世纪提出的古希腊原子论认为：宇宙万物是由最微小、坚硬、不可入、不可分的物质粒子所构成，这种微小的粒子叫作原子（atomos，不能分割之意）；各种原子在性质上相同，但在形状大小上却不相同，经过各种不同的组合，聚集成为不同的物质；原子总是在不断运动，互相碰撞而形成物质世界。这一假说强调了世界的物质性，对自然界的本质提出了大胆而有创造性的臆测，具有朴素的唯物主义观点。

古代原子论由于受当时条件的限制，缺乏实验的根据，明显地表现为哲学推理，因此易被人们轻视，甚至遭到来自宗教势力和唯心论者的长期压制。直到文艺复兴时期自然科学处于复兴发展的高潮，原子论复活了。尽管在当时，原子论者与粒子说者之间围绕着不可分的原子和真空是否存在，展开了热烈的争论，但是原子论在力学研究中的成果使学者不能忽视它。在一系列有关真空和大气压的实验基础上，波义耳于1660年提出了一定量的气体在一定温度下，它的体积与压力成反比的气体定律。承认这一定律，实际上就是认为气体也是由原子—粒子集合而成的能够感觉的物质。波义耳还认为，化学现象是由各种不同形状的粒子之间的机械作用而产生。波义耳将力学原子论与化学原子论联系起来的思想，直接影响了后来的牛顿（I.Newton，1642—1727）和拉瓦锡等一批学者。牛顿从力学角度发展了物质构造的微粒说，提出了化学亲和力的见解。拉瓦锡则综合了大量化学实验的结果，正式陈述了质量守恒定律。这一定律的成立则表明原子的存在，因为只要认为物质是由原子组成的，化学变化中物质的种类和性质虽然有了变化。然而这却主要是由于原子的分散和聚集的结果，因此化学反应前后物质的总重量是不变的。从原子论来说，所有的物质都有重量，即使改变了形状，其重量仍然不变，拉瓦锡正是抓住了这一关键。

有了质量守恒定律和化学的定量研究，化学反应的定比定律和倍比定律很自然地被总结出来。摆在化学家面前的任务是用一种统一的观点去阐明这些定律的本质。当时的自然科学研究中盛行着一种蔑视理论思维的狭隘经验论思潮，部分科学家片面强调经验事实，忽视在分析基础上的综合。在这种背景下，重视理论思维，刚过而立之年的普通教师道尔顿（J.Dalton，1766—1844）勇敢地提出了原子学说，标志着化学发展进入一个新的时期。

1787年道尔顿从对大气的物理性质的考察开始他的研究生涯。他继承了古希腊的原子论和牛顿的机械原子论思想，认为大气中的氧气和氮气之所以能够相互扩散而均匀混合，原因就在于它们都是由微粒状的原子所构成，而且是不连续、有空隙的。道尔顿也有创新，他认为氧和氮的原子在大小、质量及性质上并不相同，不同意牛顿关于原子完全等同的观点。后来他又将这种原子论的新思想用来解释上述关于元素间互相化合的质量定律。他认为物质都是由原子组成的，不同元素的化合就是不同原子间的结合。为了精确区分不同元素的原子，他认为不同元素的原子有不同的相对质量，即原子量，并把氢的原子量定为1，再通过分析计算出其他元素的原子量。引入原子量的概念是道尔顿原子论的关键，这实际上为化学原子论提供了数量依据，从而形成了比较严密的理论体系。

从道尔顿的笔记本来看，他的原子论在1803年已大体完成，这一理论的基本内容则是在1808年他出版的著作《化学哲学新体系》中作了全面的表达。要点如下：（1）一切物质都是由不可见的、不可再分割的原子组成。原子不能自生自灭，它们在一切化学变化中保持其本性不变。（2）同种类元素的原子，在质量、形状和性质上都是相同的；不同种类元素的原子在质量、形状和性质上则各不相同。（3）每一种物质都是由它自己的原子组成。单质是由简单原子组成。不同元素的原子以简单数目的比例相结合，就形成化合物，化合物是由复杂原子组成的，而复杂原子又是由为数不多的简单原子所组成。复杂原子的质量等于组成它的简单原子的质量的总和。同一化合物的复杂原子，其质量、形状和性质也必然相同。

由于元素互相化合的质量关系是原子学说的感性基础，因而原子学说能合理地解释上述质量定律的内在联系，从微观的物质结构角度揭示宏观化学现象的本质。同时原子学说将古代被分割开并不时发生冲突的原子论与元素说联系起来，强调质量是化学元素的基本特征，这一思想无疑使元素的概念更为清晰。从此开展的元素原子量的测定则为元素周期律的发现打下了基础。

道尔顿的原子学说能简明而深刻地说明上述化学定律和化学现象，很快得到化学界的承认和重视。其中瑞典化学大师柏采里乌斯以超人的努力、精湛的技术，完成了大约2000多种单质或化合物的准确分析，测得了许多元素精确的原子量（如表2.3所示）。他的工作成绩不仅表示了对原子学说的理解和支持，同时也为原子学说提供了充分的实验根据。他的工作还克服了由于道尔顿武断假设而得出原子量的任意性。

表2.3　道尔顿、柏采里乌斯所定原子量和现代的原子量比较表

由于意大利物理学家阿伏伽德罗（A.Avogadro，1776—1856）于1811年提出的分子假说得不到承认，原子量的测定工作陷入了混乱。不同国家和地区使用的原子量不同，当时大致情况如下：

武拉斯顿的原子量H=1，C=6，O=8（以英国为主）

柏采里乌斯的原子量H=1，C=12，O=16（欧洲大陆）

两者的折中方案H=1，C=6，O=16（以法国为主）

原子量各行其是势必影响化学研究的进行和对元素准确的认识。最典型的例子就是由于原子量不确定，导致分子式难以确定，当时对醋酸就可列出19种不同的分子式。怎样解决这些矛盾，许多化学家提出召开一次国际会议，以期取得一个统一的意见。1860年9月3日在德国卡尔斯鲁厄召开了约有127位欧洲化学家参加的学术会议，在会上众说纷纭，分歧很大。直到会议临近结束，来自意大利的化学家康尼查罗（S.Cannizzaro，1826—1910）两年前写的论文《化学哲学教程提要》被他的朋友向代表们散发。这篇论文讲述了原子量、分子量混乱局面的历史由来，并明确地指出，只要接受阿伏伽德罗的分子假说，这一混乱局面即可澄清。他还总结了50年来在测定原子量工作的成绩和教训，指出应承认氢类气体元素的分子是由双原子组成，而不是所有元素的气态都是双原子分子。从这事实出发，实验测定计算出来的原子量就正确了。许多化学家看了康尼查罗的文章后，觉得种种疑惑顿时消失，混乱的局面很快结束了，化学发展出现了新的转折点。化学元素周期律的发现直接受益于这一伟大的转折。