到16世纪,瑞士医生帕拉塞尔士(Paracelsus,1493~1541)把炼金术士们的三本原应用到他的医学中。他提出物质是由3种元素——盐(肉体)、水银(灵魂)和硫磺(精神)按不同比例组成的,疾病产生的原因是有机体中缺少了上述3种元素之一。为了医病,就要在人体中注入所缺少的元素。
无论是古代的自然哲学家还是炼金术士们,或是古代的医药学家们,他们对元素的理解都是通过对客观事物的观察或者是臆测的方式解决的。只是到了17世纪中叶,由于科学实验的兴起,积累了一些物质变化的实验资料,才初步从化学分析的结果去解决关于元素的概念。
1661年英国科学家玻意耳对亚里士多德的四元素和炼金术士们的三本原表示怀疑,出版了一本《怀疑派的化学家》小册子。书中写道:“现在我把元素理解为那些原始的和简单的或者完全未混合的物质。这些物质不是由其他物质所构成,也不是相互形成的,而是直接构成物体的组成成分,而它们进入物体后最终也会分解。”这样,元素的概念就表现为组成物体的原始的和简单的物质。
拉瓦锡在肯定和说明究竟哪些物质是原始的和简单的时候,强调实验是十分重要的。他把那些无法再分解的物质称为简单物质,也就是元素。
此后在很长的一段时期里,元素被认为是用化学方法不能再分的简单物质。这就把元素和单质两个概念混淆或等同起来了。
而且,在后来的一段时期里,由于缺乏精确的实验材料,究竟哪些物质应当归属于化学元素,或者说究竟哪些物质是不能再分的简单物质,这个问题也未能获得解决。
拉瓦锡在1789年发表的《化学基础论说》一书中列出了他制作的化学元素表,一共列举了33种化学元素,分为4类:
Ⅰ.属于气态的简单物质,可以认为是元素:光、热、氧气、氮气、氢气。
Ⅱ.能氧化和成酸的简单非金属物质:硫、磷、碳、盐酸基、氢氟酸基、硼酸基。
Ⅲ.能氧化和成盐的简单金属物质:锑、砷、银、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、金、铂、铅、钨、锌。
Ⅳ.能成盐的简单土质:石灰、苦土、重土、矾土、硅土。
从这个化学元素表可以看出,拉瓦锡不仅把一些非单质列为元素,而且把光和热也当作元素了。
拉瓦锡所以把盐酸基、氢氟酸基以及硼酸基列为元素,是根据他自己创立的学说——一切酸中皆含有氧。盐酸,他认为是盐酸基和氧的化合物,也就是说,是一种简单物质和氧的化合物,因此盐酸基就被他认为是一种化学元素了。氢氟酸基和硼酸基也是如此。他之所以在“简单非金属物质”前加上“能氧化和成酸的”的道理也在于此。在他认为,既然能氧化,当然能成酸。
至于拉瓦锡元素表中的“土质”,在19世纪以前,它们被当时的化学研究者们认为是元素,是不能再分的简单物质。“土质”在当时表示具有这样一些共同性质的简单物质,如具有碱性,加热时不易熔化,也不发生化学变化,几乎不溶解于水,与酸相遇不产生气泡。这样,石灰(氧化钙)就是一种土质,重土——氧化钡,苦土——氧化镁,硅土——氧化硅,矾土——氧化铝。在今天它们是属于碱土族元素或土族元素的氧化物。这个“土”字也就由此而来。
19世纪初,道尔顿创立了化学中的原子学说,并着手测定原子量,化学元素的概念开始和物质组成的原子量联系起来,使每一种元素成为具有一定(质)量的同类原子。
1841年,贝齐里乌斯根据已经发现的一些元素,如硫、磷能以不同的形式存在的事实,硫有菱形硫、单斜硫,磷有白磷和红磷,创立了同(元)素异形体的概念,即相同的元素能形成不同的单质。这就表明元素和单质的概念是有区别的,不相同的。
19世纪后半叶,在门捷列夫建立化学元素周期系的时间里,明确指出元素的基本属性是原子量。他认为元素之间的差别集中表现在不同的原子量上。他提出应当区分单质和元素两个不同概念,指出在红色氧化汞(HgO)中并不存在金属汞和气体氧,只是元素汞和元素氧,它们以单质存在时才表现为金属和气体。
不过,随着社会生产力的发展和科学技术的进步,在19世纪末,电子、X射线和放射性相继被发现,导致科学家们对原子的结构进行了研究。1913年英国化学家索迪(F.Soddy,1877~1956)提出同位素的概念。同位素是具有相同核电荷数而原子量不同的同一元素的异体,它们位于化学元素周期表中同一方格位置上。
其后,英国物理学家阿斯顿在1921年证明大多数化学元素都有不同的同位素。元素的原子量是同位素质量按同位素在自然界中存在的质量分数求得的平均值。
在这同一时期里英国物理学家莫塞莱(H.G.J.Moseley,1887~1915)在1913年系统地研究了由各种元素制成的阴极所得的X射线的波长,指出元素的特征是这个元素的原子的核电荷数,也就是后来确定的原子序数。
这样,如果把同位素看作是几种不同的单独的元素,这显然是不合理的。因为决定元素的原子的特征不是原子量,而是它的核电荷数。
1923年,国际原子量委员会作出决定:化学元素是根据原子核电荷的多少对原子进行分类的一种方法,把核电荷数相同的一类原子称为一种元素。
当然,直到今天,人们对化学元素的认识过程也没有完结。当前化学中关于分子结构的研究,物理学中关于核粒子的研究等都在深入开展,可以预料它将带来对化学元素的新认识。
化学元素的命名和符号的来源
近代化学元素的概念确定后,紧接着古代人们使用和发现的那些物质归属于哪类化学元素被确定下来。它们在欧洲各国各有各的名称,例如铁,英文称iron,德文称eisen,法文称fer,俄文称железо等,各不统一。在科学实验兴起之后,最初实验研究中新发现的一些元素,例如氧,有人称它为脱燃素空气,有人称它为火空气,等等,各不相同。
拉瓦锡首先给氧和氢分别命名为oxygène(英文oxygen)和hydrogène(英文hydrogen),表明这两种元素的化学特征。“oxy”、“hydro”、“gène”都来自希腊文,分别表示“酸”、“水”、“产生”。“oxygène”就表示“产生酸的”。因为拉瓦锡认为氧是酸的原质,酸由氧产生,“hydrogène”就表示“产生水的”,因为他认为水由氢产生。
到1790年,法国化学教授夏普塔尔提出将拉瓦锡给氮所定的名称azote改为nitrogène(nitrogen),表示“硝石产生的”。使氧、氮、氢3种气体元素的命名都具有相同的词尾“-gène”(-gen)。
贝齐里乌斯在创立化学元素的命名中起了重要作用。他在1811年提出将当时欧洲各国的化学元素的不同命名拉丁语化。拉丁语是欧洲的古典语言,曾广泛通用于欧洲。贝齐里乌斯直接采用了拉丁语中的ferrum、argentum、aurum、plumbum等分别定为铁、银、金、铅,把拉丁语中的carbō(碳、炭)转变成carbonium,氧、氮、氢转变成oxygenium、nitrogenium、hydrogenium,从拉丁语中相关的词创立stannum(锡)、sulphur(硫)等,使每一种化学元素的命名中都具有“-um”或“-ium”词尾(少数例外),使化学元素的命名从形式上统一,被欧洲各国采用。直到今天,不断新发现的化学元素也按此方式命名,在英文、法文和德文等国文字中完全相同。
贝齐里乌斯还采用以每种化学元素拉丁语名称开头的字母作为此元素的化学元素符号,例如铁就是Fe,不是来自英文iron(铁),金和银的元素符号是Au和Ag,也都来自拉丁语,而不是来自gold(英文“金”)、silver(英文“银”),等等。他在1813年发表的《论化学符号和应用它们表示化合量的方法》一文中写道:“化学符号要解释所写的东西而不至于把印刷的书弄得拖泥带水,就应当用字母符号,因此我将采用以每种化学元素拉丁文名称的开头字母作为化学符号。”从此,这些化学元素符号代替了炼金术士们使用的令人迷惑的图像和道尔顿的元素原子图,使化学有了它自己的文字。
到20世纪初,元素和化合物大量被发现,各位发现者给它们不同的名称,化学家们发觉必须统一,使它们的命名进一步系统化。国际间的化学机构拟定了命名原则,由于受到1914~1918年和1940~1946年两次世界大战的影响,至1957年发表了《无机化学命名法》,作为无机化合物命名的原则。
在这个《无机化学命名法》中,关于元素的命名有几条规定。如:
元素的名称在各种文字中,应当尽可能减少差别。
选用元素的不同名称时,采用流行较广的,而不以发现顺序优先。
新的金属元素名称必须加词尾-ium,少数例外没有加-i-。
所有新元素都用两个字母做符号。
一种元素的同位素采用同一名称,并加质量数,如oxygen-18(氧-18)。氢的同位素protium(氕—音撇)、deuterium(氘—音刀)、tritium(氚—音川)可以作为例外保留。
关于元素族的名称,氟、氯、溴、碘和砹通称为halogens(卤素);氧、硫、硒、碲和钋通称为chalcogens(氧族);从锂到钫称为alkalimetals(碱金属);从钙到钡称为alkaline-earth metals(碱土金属);从氦到氡称为inert gases(惰性气体——现在称为稀有气体);从57号到71号元素合称lanthanum series(镧系元素);从89号到103号元素合称actinium series(锕系元素)等。
一种元素的质量数、原子序数、原子数目和离子的电荷可以在元素符号的上下左右四角来标明。如:
左上角指数——质量数;
左下角指数——原子序数;
右下角指数——原子数目;
右上角指数——离子电荷。
离子电荷最好用An+,而不用A+n。
例如,3216S2+2表示带两个正电荷的电离分子,含有两个硫原子,每个硫原子的原子序数为16,质量数为32。
把创造众多化学元素名称的来源揭示一下,不仅十分有趣而且包含着多方面的知识,更能帮助我们了解它们名称的来龙去脉。
化学元素的命名来自星宿、神话、人名、地名、矿物名以及表示元素或单质的性能等,现分述如下。(按原子序数、拉丁名称、元素符号、中文名称、读音、同音字例的顺序列述)来自星宿名的有:
2,helium,He,氦,hài,亥,来自希腊文太阳(helios)。
34,selenium,Se,硒,xī,西,希腊文月亮(selēnē)。
46,palladium,Pd,钯,bǎ,把,智神星(pallas)。
52,tellurium,Te,碲,dì,帝,拉丁文地球(tellus)58,cerium,Ce,铈,shì,市,小行星谷神星(ceres),它的轨道在火星和土星的中间。
92,uranium,U,铀,yóu,邮,天王星(uranus)。
93,neptunium,Np,镎,ná,拿,海王星(neptune)。在太阳系中海王星处在天王星之外,正如93号元素镎处在92号元素铀后面。
94,plutonium,Pu,钚,bù,不,冥王星(pluto)。在太阳系中冥王星处在海王星之外,正如94号元素钚处在93号元素镎的后面。
来自神话的有:
22,titanium,Ti,钛,tài,太,希腊神话中大地的第一代儿子们泰坦族(titans)。
23,vanadium,V,钒,fán,凡,北欧神话中美丽的女神凡娜迪亚(Vanadia)。
41,niobium,Nb,铌,ní,尼,泰坦族的女儿尼奥比(Niobe)。
61,promethium,Pm,钷,pǒ,颇,希腊神话中从天上偷火送给人间的神普罗米修斯(Prometheus),因触怒主神宙斯(Zeus),被锁在高加索山崖遭受神鹰折磨。
73,tantalum,Ta,钽,tǎn,坦,希腊神话中主神宙斯的儿子、英雄旦塔勒斯(Tantalus),因泄露天机被罚永世站在有果树的水中,水深及下巴,口渴想喝水时水即减退,腹饥想吃果子时树枝即升高。钽的发现人认为钽能抵抗多种酸的侵蚀,具有英雄的特征,因此用希腊神话中的英雄命名它。
90,thorium,Th,钍,tǔ,土,北欧神话中的雷神(Thor)。
用人名命名的化学元素多是纪念在科学中有发明创造的一些科学家。其中有:
62,samarium,Sm,钐,shān,衫,俄罗斯矿物学家、工程师杉马尔斯基(B.E.Самарский),首先发现含钐的矿石。
64,gadolinium,Gd,钆,ɡá,轧,芬兰化学家加多林(J.Gadolin,1760~1852),发现含有多种稀土元素的矿石。