趣话化学史元素五元素发现中的

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上几期我们说到,波义耳的《怀疑派化学家》一书的出版标志着化学这一学科的诞生。就在欧洲的文艺复兴、资产阶级革命和第一次工业革命的浪潮中,一个又一个的发现不断地展现在世人面前,一个又一个的新理论不断地形成并应用于新的研究中。同时,元素的发现也进入了前所未有的大爆炸时期。从十八世纪初到十九世纪末,人类发现了几乎现在元素周期表中所有的元素。而元素大发现中,十八世纪世纪末到十九世纪五十年代以前,人类发现的元素是最多的。这主要依赖于伏特的伏打电堆的发明,进而人们将电应用于元素发现中,最终人们把火和电这两种自然力同时作用于自然界的矿石、草木燃烧后的灰烬以及各种溶液中,最终获得自然界中原本不存在的单质,并且通过分析,确定这些元素,并且经过贝采里乌斯的近30年的努力,将所有的元素都确定了它们的原子量,化学发展进入了新的历史时期。下面,笔者就来总结一下截止到俄国门捷列夫绘制元素周期表之前人们发现的元素。

一古代发现的元素

懵懂充满幻想的古代

1碳

碳是古代人们就发现的元素。在树枝燃烧时,没有烧尽的焦炭基本上可以看做时碳的单质。碳的存在形式多种多样,在有机体中,碳以各种化合态形式存在。人类发现碳还包括煤炭、石墨和金刚石,煤炭的发现历史比较早,但石墨和金刚石的发现是在十八十九世纪之后。

2铜

铜是人类熔炼天然矿石得到的第一个金属材料。而到了青铜器时代,由于铅和锡的加入,使得铜的熔点降低,青铜很快就被也练出来。到了汉代的汉武帝时期,淮南王刘安的门客在《淮南万毕术》中写下一句:“曽青得铁则化为铜”,标志着古人已经了解了铜,并应用于生产。

3铁

铁的使用是铁器时代的标志。铁的熔点比铜高,但在地壳中含量比铜丰富。铁的广泛使用标志着人类控制火温度上升的技术的提高,同时也开启了铁器时代的铁制品大发展,提高了人们的生产力。

4金、银、铂

金银天然不是货币,但货币天然是金银。黄金和白银的化学活泼性差,因此它们在地壳中基本以单质存在。这两种金属特别稀少而且可以分割,因此,从古至今,一直都是作为货币在经济领域流通。甚至在当今,黄金储备量是一个国家经济实力的直接体现,因此自西方资本主义出现之后,很长时间以来,各个国家的货币体系主要是金本位体系。直到二战之后,一直到年的美元危机导致了美国终止美元兑换黄金。但黄金和白银依旧是财富的象征。同样,铂被称之为白金,它一样是极为稀缺的贵金属。

二炼金时期时发现的元素

充满神秘色彩的炼金/丹时期

1硫、汞、铅、锡

早在铁器时代,在炼金/丹术兴起的时代,人们就不断地发现了这些金属。在天然情况下,硫是可以以单质存在的,也可以和汞、铅、铁等元素结合。或许硫很早就被发现,但真正把它记载并使用应该是在炼金/丹时期。其余三种金属元素都是在炼金/丹过程中人们发现的产物。

2磷

磷元素的发现是在十七世纪,就在化学诞生前夕,也就是在欧洲文艺复兴时期,由德国人布兰德在尿液中制得。由于当时炼金术盛行,所以布兰德的本初目的是从黄色的尿液中提炼黄金,但意外地发现了磷。布兰德没有说明磷的制备方法,倒是被波义耳发现并以论文形式发表出来。

3锌

十五世纪,中国的明帝国建立,并且开始使用锌进行铸币。在十七世纪《天工开物》中,宋应星将其称为“倭铅”。事实上,我国很早就使用了锌铸造锌铜合金,但一直到十八世纪,在欧洲才将其确定为新元素。

4砷

在中国晋代发现的砷是炼丹术士葛洪的专利。他将雄黄、松脂和硝石一起放在炼丹炉里炼,最终得到了单质砷。但将其确定为元素的,是拉瓦锡。

5锑

年,德国的索尔德在辉锑矿中发现了这种元素。事实上,早在古代,人们就已经开始利用锑做化妆品,但一直到十七世纪才被确定是一种元素。

三波义耳-拉瓦锡时期发现的元素

开创了近代化学的拉瓦锡

需要说明的是,波义耳的《怀疑派化学家》的出版标志着化学彻底和炼金术决裂,从此刻起所发现的一切都是以严谨科学态度所发现的。尤其是以拉瓦锡的定量分析为标志,这一历史时期从年算起到年伏特发明伏打电堆之前,都可以视为波义耳-拉瓦锡时期。

1氢

这是年著名的物理学家卡文迪许发现的。他是以金属锌和盐酸(也可以是稀硫酸)反应制得的一种气体,并用排水法收集得到。并且,他进一步证实,这是一种可燃性气体,燃烧生成水。

2铍

年,法国的福克林把绿宝石投进酸液中溶解,当他添加了过量的苛性钾溶液之后,获得沉淀。他以为是铝土(氧化铝),但是这种沉淀物却不能再次溶于稀碱液(氧化铝是可以溶于碱液中的),但却可以溶于碳酸铵!如果把它溶于硫酸再加硫酸钾的话,却不能生成明矾,它的盐不苦也不涩,而是发甜。于是,福克林就提交了研究报告和样品标本。但铍单质的提取却到了三十年以后,到了伏打电堆时代才最终获得。

3氮、氧

年,瑞典的舍勒和英国的卢瑟福同时发现了氮元素。他们发现,氮气不支持呼吸和燃烧,比空气轻。年,舍勒和普利斯特同时发现了氧气,但笃信“燃素说”的这两位根本不承认这是一种元素,普利斯特还给氧气取名为“脱燃素气体”。最终,被拉瓦锡的“二十天实验”证明这是一种元素,并且推翻了“燃素说”,建立了“氧化说”。

4氟

年,德国化学家马格拉夫发现了氢氟酸,但直到年,法国化学家穆瓦桑在无数的前人失败的经验教训上,在很冷的环境下制得了氟气这种单质气体。可以说,这是人类从发现到获得经历最曲折、最坎坷的元素。为了它,一百多年以来不少科学家命丧于氟。然而,科学研究总是需要人类付出代价的,就如李宗盛的歌中那样“……不经历风雨,怎能见得彩虹?没有人能随随便便成功……”

5氯、锰

年,舍勒在研究二氧化锰时发现了氯气和锰。舍勒认为氯气是“无燃素的盐酸”,后来又称为“氧化盐酸”,直到近四十年后,才被戴维证实是一种单质气体。舍勒是利用碳还原法得到的金属锰。

6钛

年,英国化学家发现了钛元素的氧化物,但直到年,才被制得金属钛。如今,钛作为一种极好的合金原料被广泛应用。

7铬

年,法国化学家沃克兰从铬铁矿中发现了这种元素,并将金属铬提取得到。

8钴

年,瑞典的布兰特从辉钴矿中分离还原得到金属钴,并研究了它的物理化学性质。

9镍

年,瑞典化学家克龙斯泰德从红棕色的红镍矿石中分离得到镍。起先,因为这种矿石上有着类似孔雀石的绿色,因此被认为是铜,但研究发现不是。后来,克龙斯泰德把这些绿色小心地剥离,最后利用碳还原,得到了金属镍。

10钇

芬兰科学家加多林在斯德哥尔摩旅行时得到一块黑色矿石,1结果分离得到白色的氧化物,但这种氧化物的性质和石灰等都不同,因此,他认为这是一种新物质,其中一定含有一种新元素。这是人类发现的第一个稀土元素。

11锆

年,德国的化学家克拉普罗特研究了紫玛瑙,经过酸溶解、高温焙烧、碱水洗等方法,最后得到了一种沉淀物,和已知的氧化物性质不同,于是克拉普罗特称其为“锆土”。年,贝采里乌斯首次制得不纯的金属锆,年,合刊的阿科尔和德波尔才制得了纯度极好的金属锆。

12钼

年,就在舍勒研究空气后的第四年,他利用硝酸处理石墨和辉钼矿时发现了两者的不同。会磨矿产生了白色固体,并生成了硫酸。舍勒称其为钼酸。年,舍勒的朋友制得了金属钼。

13碲

年,奥地利的米勒在探险时发现了一种美丽的矿石,碲金矿。结果,他提取得到了这种单质,发现与众不同,于是认为是一种新元素。然而,他的发现无人问津,直到十五年后年才被发现锆元素的克拉普罗特鉴定,称之为新元素。但是,实事求是的克拉普特并没有窃取发现之功,而是把荣誉归还给了米勒。

14铀

年,克拉普罗特开始研究沥青铀矿。但这种沥青铀矿是深蓝色的,带有沥青光泽,于是很多人认为它是一种铁矿石。结果,克拉普罗特就发现,在用磷酸溶解之后,再用碳酸钾中和过量的酸,除了得到铁、锌等的化合物沉淀,还有一种黄色的沉淀物。这种黄色沉淀物能够溶解在过量的碳酸钾中,这是之前没发现过的。于是,他试图用还原法得到这种物质,结果他得到了黑色的金属样粉状物质,于是他认为得到了金属铀。事实上,直到年,人们才确定这不是金属铀。这是人类发现的第一个天然放射性元素。

四伏打电堆时代的元素发现大爆炸

推动元素发现的伏打电堆

年,自伏特发明了伏打电堆之后,开启了电化学的发展时期。在这一时期里,发现了诸多元素,这都是之前无法得到的物质。

1贝采里乌斯的发现

贝采里乌斯研究矿石的时候发现了如硅、铈等元素,这一发现带动了稀土元素的研究热潮。但贝采里乌斯的最大贡献并不是在元素发现上,而是在他的原子量测定方面,他比道尔顿的方法精确很多。

2汉弗莱·戴维的发现

自伏特发明伏打电堆之后,正是这个戴维把伏打电堆应用到了几乎所有物质的研究中。他几乎得到了全部碱金属、碱土金属、金属铝等所有通过简单熔融电解可以得到的单质。也正是因为他的科学贡献,他在年被封为爵士。

伏打电堆推动了元素大发现,因此带动了化学的进步。就在年左右,人类发现的自然界中的元素已经达到63中,几乎涵盖了所有的天然元素,而与此同时,贝采里乌斯的原子量确定工作也早已完成。于是,人们按照各种元素原子量的大小进行排队,以便方便记忆。结果,这一排序,人们发现了惊天的秘密。究竟是什么秘密呢?敬请


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