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元素的发现历史

来源:作者:赵亭 点击:所属专题: 化学史 元素发现
一、前言 目前我们已知的元素共有105种,其中存在自然界中的有88种,另外的17种,是用人工方法在实验中製得的。这105种元素的发现,从远古直到现代,贯穿整个化学史。由于一个元素发现的迟早,与各元素之性质(尤其是活性)、存在量、当代科学智识与技术的背景等有关,因

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一、前言

目前我们已知的元素共有105种,其中存在自然界中的有88种,另外的17种,是用人工方法在实验中製得的。这105种元素的发现,从远古直到现代,贯穿整个化学史。由于一个元素发现的迟早,与各元素之性质(尤其是活性)、存在量、当代科学智识与技术的背景等有关,因此,如果我们把各元素按发现的年代与先后来探讨时,不但可对化学的发展与成长获得一个有趣的印象,更能由其中寻绎得一些有关化学的与物质的基本知识。


二、史前时期

人类化学的萌芽是十七世纪以后的事,比起天文、物理、地理与医学等科学的进展迟了一大截。一般物质能以元素状态存在于自然界的已经不多,存量多到可以被人类直接使用的则更少。因此,在化学尚未发展以前,人类所能认识和使用的元素,只有活性较小,能以游离状态存在自然界,或用简单方法即可提炼得到的种金属及固态非金属而已。这样的元素,也就是在有信史记载以前,人类即已发现的元素,一共只有九种:二种非金属碳、硫和七种金属金、银、铜、铁、锡、铅、汞。它们究竟于何时、何地,被何人所发现,中外皆不可考。惟我们可相信,金是最早被人类所熟知的金属元素,远在西元前一万年,古埃及已留下许多金饰物品。其次为铜,大约在纪元前四千年左右,当人类文化由石器时代进入陶器时代,制陶所须的高温窑,即可能使人类在无意中学得了由含铜矿石冶炼金属铜的技术,于是人类文明迅即步入铜器时代。相传黄帝时已懂得开採首山(山西省永济县)的铜,以铸造器物。

银也是较早被人类所认识的金属,其美丽与安定迅即赢得人们的珍视。第四种是铅,虽然晦暗而深重,但因易于铸造,得快的成为製作器物的重要材料。锡则约在纪元前2500年左右才被发现,当时的冶炼技术已足以製造铜锡元素的发现历史合金—比铜更坚硬而更易于加工的「青铜」。我国在青铜之製造方面,居于古代世界之领导地位;在殷商时代,青铜器之造艺术,已达登峰造极之境界,即在今加观之,都要叹为观止,闻名世界的毛公鼎即是其代表作。

第六项被人类所使用的金属是铁,铁是地壳中含量第四多的元素,也是第二多的金属。铁矿遍及世界各地,却经过这么长久的埋没,其用途才为人所发掘,实在是不可思议,主要原因是铁的活性太大,提炼须要高温及还原剂,不像炼铜那样简单,所以人类文明的进展,是先铜器时代再进入铁器时代的。历史上说,小亚细亚的西台人就由于发现了铁,有了比青铜製品更强有力的武器,才能一度君临肥腴月湾,称霸两河流域。西台帝亡后,冶铁的技术流传出来,至今,铁成为人类生活中最普遍、最重要的金属。

汞是唯一的液态金属元素,由于提炼简单(辰砂加热即可),性质怪异,是液体却那么沉重,而且晶亮如银,因此,约在纪元前200年,已在水银王国西班牙被发现。当时称为快银,意为活动之银,在我国则称为水银,更为传神。这奇异的金属,在后来的炼金术中,成为一种具有神秘意味的物质。

至于非金属的碳和硫,则发现必然甚早,大概人类一旦知道用火,即知道碳的存在,其纯粹的形式金刚石,也很早即被人们视为珍宝,只是不知其成分为碳罢了。硫元素大量分布于温迫、火山、地热地带,早期的地壳中含量甚丰,火药发明以前,虽未有什么重要用途,却甚早为人所知,中世纪时已是炼金术士和巫医等的宠儿。


三、中世纪的发现

首先对我们生活的环境产生好奇,而试图建立理论去加以解释和归纳的是希腊人。在两人类思想的黄金时代,许多卓越的哲学家,提出了许多形形色色的物质论、元素论—大部分凭着直觉和玄想,有些在今日看来,实在是匪夷所思、幼稚而可笑。着名的亚里斯多德,就是那时候的领导人物。他在人类思想史上,无疑是一伟常的天才,但在科学史上,由于他错误的学说具有的权威性,却使得科学的进步迟滞了十几世纪。自然科学从那以后,随着错误的引导,陷入了黑暗时期,他学走上了一条歧路—鍊金术。

所谓鍊金术:就是试图从各种物质中提炼出永恒的元素—哲人石、黄金、甚或可使人长生不老的仙丹,在这方面,中西两方真是不约而同。那些炼金术士或炼丹方家,穷毕生之精力,茫无头绪的设计各种方法,从事各种实验,却从没有人得到满意的结果。不过,在这漫长的摸索中,人们却得到了一些意外的收获,除了建立了蒸馏、结晶、熔炼等化学操作手续外,还认识了几种新元素,只是数量实在少得可怜。

从希腊时代到十八世纪的三十年代,近两千年中,人类只新认识了五种元素,砷、锑、锌、铋和磷。砷最早,在1250年被发现,此后其化合物即以毒性建立了不朽的名气。锑和铋约1450年左右即在使用,但直到1600年以后方被确认。锌和铜熔成之合金黄铜,也早为人所使用,但也到16世纪才由鍊金家帕拉塞尔萨斯确认它是一种新的金属。磷的发现具有重大的历史意义。1669年德国鍊金家布兰德在自已汉堡的实验室中,意外的得到一块在空气中自己会发光燃烧的白色沉淀。那古快的光芒照亮了他黑暗的实验室,使他惊吓得跪了下来。按照一般鍊金家的习惯,他把这物质之来源及製法秘而不宣,然而,却在偶然的机会裡,由这磷元素发现的启发,开始了一个崭新的化学时代。


四、从波以耳到拉瓦节

文艺复兴以后,人文主义勃兴,人类的智识逐渐开放,造成了科学萌芽的契机。地理大发现、地动说提出、物理定律一一问世,终于也到了化学发皇的时期。

布兰德发现磷的故事,辗转传到了英国划时代的巨人波以耳的耳中,波以耳以他不世的天才,从有限的传闻资料裡去整理与探讨,着了「怀疑的化学家」一书,对元素这一名词加以明确的定义,使得化学从迷失了千年的歧路上,步入了正确的坦途。

于是,从1730到1790的六十年间,许多重要的元素陆续被发现了。1735年发现了铝和铂,1751年发现镍。再来从1766年间开始的十年内,是气体元素擅场时代,钝气以外的五种气体元素,全在这十年内被发现了。1766年,英国的伟大科学家卡文狄斯发现了宇宙中最丰富的元素—氢;1771年,瑞典的谢累,发现活性最大的非金属,也是最毒的气体—氟;1772年,英国卜利士力发现氮;1774年再发现氧,(实际上谢累在1771年即已製得);同年,谢累发现了氯。

氧和氮从亘古以来即充斥于大气中,是与人类关係最密切的元素,没想到却迟至两百多年前才被人类所认知,实在是化学史上一件极有趣的事。空气的存在,早在希腊时代即已普遍被接受,但由于气体无色、无臭、无味、无形,不易掌握,不易观察的特性,对它的定性与定量的研究,一直迟迟没有发展,而一但研究的钥匙被人们所掌握,气体的秘密就一日千里的被揭开了。

除氧、氯以外,1774年还从磁铁矿中发现了锰,接着1778年,谢累发现了熔点第五高的金属—钼;1782年发现碲;1783年发现了熔点最高的金属—钨;法国大革命那年,1789年,克拉普洛斯发现了自然界中最重的元素铀,及不受中子碰撞影响的锆(Zr),二者都是今日核子反应中的主要角色。

这时候的欧洲继英国波以耳之后,法国出现了一位伟大的重要科学家,被尊称为现代化学之父的拉瓦节。他是物质不灭定律的发明人,为人类解答了燃烧的秘密,以波以耳所下的定义,确立了鑑别元素的方法,于是在1789年列出了最早的一份元素表,正确的描述了当时已知的28种元素中的23种。波以耳和拉瓦节二人并未发现什么新元素,但在人类对元素的认识上却有着不朽的重要贡献。


五、十九世纪初叶

对元素的鑑别有了经验之后,一些较稀少的元素也陆续被发现了。18世纪的末10年,再发现了地壳中存量居第九位的钛(Ti)(1791),可治神经痛的钇(Y) (1794),以及做不锈钢的铬(Cr)(1797),到此,1800年来临时,人类所知的元素已有31种。

1801年,在哥伦比亚发现了铌(Nb);1802年发现了熔点第四高,几乎完全不受侵蚀,可在外科手术中代替骨骼、神经、肌肉来修补人体的钽(Ta);1803年,伍拉斯顿发现铑(Rh)及钯(Pd)。今日化学符号的创用人,瑞典的柏济利阿斯发现了稀土族中最富饶的铈(Ce)。田纳特则剸现了国际标准仟克、标准米尺所用的袭及密度最大、熔点第三高的金属锇(Os)。这时期,化学由于几位伟大科学家的努力,已有了相当辉煌的成就。定比定律、倍比定律、当量比定律、原子说、气体反应定律、及亚佛加厥分子学说相继提出,给化学奠下了坚实的基础,为未来舖陈了一片美丽的远景。

接下来是一段辉煌的时期,活性大的硷金族、硷土金族元素,由于化学提鍊技术的进步相继被发现了,而这些金属的发现几乎都归功于一人—英国的大卫。1807年他以电解食盐的方法发现地壳中第六丰富的钠,与第七丰富的钾。1808年,发现第五丰富的钙,第八丰富的镁,以及锶、钡。另外,他还和给吕萨克等共同发现了硼。无放射性的IA、IIA族共有10个元素,他个人发现了6个。

接着1811年,发现碘,1817年,发现现在原子炉中用来吸收中子的镉(Cd),最轻的固体金属元素锂,及用做光电管的硒(Se)。硒是柏济利阿斯发现的,他在1823年又发现了地壳中存量次丰的元素硅。接着1826年发现唯一的液态非金属—溴,1827年发现连素人工製法的重要瑞典化学家味勒,发现了地壳中存量第三丰富,今日重要性仅次于铁的金属铝。次年1828年,味勒又在绿玉矿中发现了铍,同年,柏济利阿斯发现可代铀的重要稀土金属元素钍(Th)。1830年发现钒(V)。这是一个丰收的时期,发现了许多重要的元素,它们的存量虽不见得稀少,但因活性太大了,化学技术没有达到一个相当水准,是无法发现他们的。至1830年,人类所知元素已增加到55种。


六、周期表的贡献

一阵风起云涌的热潮过去以后,元素的发现进入了疲软的阶段。1830年以后,只有一些较次要的元素偶尔零星的被发现。摩山德在1839年发现镧系稀土金属的第一个元素,镧(La),1843年再发现同系的铽(Tb)和铒(Er),1844年克劳斯发现钌(Ru),1860年发明本生灯的德国科学家本生,以德国的克希荷夫在上一年所发明的分光仪发现了两个硷金属,铯和铷。1861年,发明阴极射线管及人造鑽石的英国科学家克鲁克斯,发现了做灭鼠药用的铊(Tl),1863年李希特发现电子錶电池所用的铟(In)。

当被发现之元素愈来愈多、愈杂,有些科学家即开始对这些元素加以有系统的分类和整理,其中成就最大的当然就是俄国科学家门得列夫。1869年,他把当时已知元素63个,依原子量排列,发现元素性质有一定的週期性,而创用了週期表。週期表的发明,使化学踏上了新的里程,它为各元素编排了次序,给了各元素固定的地位。它告诉人们还有那些可能发现的元素,也使科学家们不必殚精竭智,虚耗精力,去盲目的探索一些不可能存在的元素。门得列夫为週期表中留下的空位,预言了三种元素的存在,果然在数年内,这些元素一一被找到了,而且性质与门得列夫的预言完全吻合。它们是31号的镓(Ga,1875),21号的钪(Sc,1879),及32号的,第一个被用为半导体的锗(Ge,1886)。

这期间还有一些罕见的元素出现,全是镧系稀土金属,钐(Sm,1879)、钬(Ho,1879)、铥(Tm,1879)、钆Gd,1880)、镨(Pr,1885)、钕(Nd,1885)、镝(Dy,1886)。至此,人类已知的元素已达73种。馀下的镧系稀土金属,最活泼的铕(Eu)发现1896年,最后的两个,镱(Yb)和镏(Lu)发现于1907年。


七、放射性时代的来临

物理跟化学发展到19世纪的末几年,几乎已达到登峰造极的地步了,科学家们觉得,在理化领域内已经再不可能有什么新鲜事物出现。一些原理、定律、学说已被人们发明殆尽,科学家们所能做的工作,就是把实验做得更精密,使各种物理常数的元素的发现历史有效数字多上几位而已!而新元素的发现,大概也已经到了日暮途穷,山穷水尽的地步了!没想到,就在这时候,两项重大的突破,又使化学迈入了柳暗花明的新纪元,开放了灿烂的花朵。一是钝气的发现,一是放射性的发现。

1894年,当英国名科学家瑞雷(1904年诺类尔物理奖得主)和拉姆塞(1904年诺贝尔化学奖得主)对氮气做精密定量分析时,发现由空气中所得氮气,STP下密度为1.2572g/l,而由化学方法製得的氮,密度为1.2505g/l,二者间约有0.5﹪之误差。在分光分析后,终于证实了空气中的不活泼成分并非仅有氮一种元素,而还含另一更不活泼的新元素—氩。更进一步的精密定量,他俩次年1895年又发现了氦。1898年,拉姆塞和却佛斯再发现了氖、氪和氙。钝气虽然一向就存在空气中,但以他们孤高的性格和稀少的存量,竟然比其他气体慢了一百二十馀年,迟至近二十世纪才为人所发现,真是异数!钝气的发现改写了週期表,也使人类对于元素原子之电子组态,有了豁然贯通的了解,其意义实在非比寻常。

另一件大事,放射线的发现,对物理、化学界来说,无异是晴天霹雳,它打破了传统的观念,动摇了基础稳固而深厚的古典物理,带领人类走向一个崭新的知识领域。

1895年,德国仑琴在探讨阴极射线时,发现了X光,两个月后,法国的贝克勒(第三届诺贝尔物理奖得主)由一包能使包着的底片感光的铀盐,意外的揭开了自然界中放射线的奥秘。为了探究放射线的来源,世界唯一得过诺类尔物理奖及化学奖的波兰伟大女科学家居里夫人,从1896年间始分析沥青铀矿的成份。经过两年刻苦渗澹的工作,终于1898年先后发现了世界上最稀少的自然元素钋(Po)及第一个用于癌症治疗的放射性元素镭。这两种放射性元素的发现,预示了另一个时代的来临,元素的发现又进入了一个新的阶段。1899年,居里夫人的同事狄比恩在沥青铀矿中又发现了世界上第二稀少的元素锕(Ac),1900年,多恩发现了镭放射后产生的钝气最重的气体元素—氡。1917年,原子能之父哈恩(1944年诺类尔化学奖得主)跟梅特纳二人一起发现了第三罕见的元素镤(Pa)。以上这五种都是自然界存在的放射性元素,1923年,发现奇妙的铪(Hf)。1925年,发现熔点之高仅次于钨的铼(Re)。至此,自然界中存在的88种元素,总算完全被人类找到了。


八、人造元素的制取

1914年,美国年轻科学家莫斯莱,由元素特性X射线波长决定了原子序后,各元素的排行与地位进一步得到了确定,但是,自然界存在的88种元素中,原子量最大的铀,原子序却是92而非88,表示在92号以前尚有四种元素不存在自然界中。它们必须用原子核人工转变技术方可制得。

1919年,英国拉塞福(1908年诺贝尔化学奖得主)首先完成了以a粒子撞击氮原子核而产生氧,1932年,查兑克(1935年诺贝尔物理奖得主)首先用中子为射弹来轰击原子序42的钼原子核,而得到了原子序43的新元素,这是以人工方法所制造出来的第一个人造元素,就命名为Technetirm,中名为鎝(Tc)。第二次世界大战爆发那年1939年,曾做过居里夫人助手的佩蕾女士由锕製得最活泼的硷金属鉣。1940年,席格由铋制得第五个卤素厄。1947年,最后一个自然界不存在的稀土元素钜(Pm)也被制得了,周期表92号以前终于完满无缺。

1940年,在美国柏克莱的加州大学,一群科学家以庞大的经费,昂贵的高能仪器、精密的尖端技术,用高速粒子撞击原子核产生蜕变的方法,开始了一连串伟大的发明,一连製造了13个人造的超铀元素—就是原子序大于铀,由93号到105号的元素。这些科学家包括同得1951年诺贝尔化学奖的麦克米伦和西堡、亚柏森、汤普森、吉欧索等名科学家。1940年发现錼、钸,1944年发现鋂、锔,1948年发现铫、鉲,1952年发现鑀、镄,1955年钔,1957年若,1961年铹,1969年拉,1970年罕,但最后两个虽有报告,至今迄未得到正式证实,因此连命名也尚未确定。


九、未来的展望

以上就是目前週期表上105个元素发现的经过。按理论说,原子序更大的新元素应可由原子人工转变的方法继续製得,但以目前的科学技术,若没有发生革命性的突破,则数年内似乎尚无法产生新元素。一方面实验仪器、设备所费甚昂,动辄数亿美元,一方面原子核大的原子太不稳定,其存在的观察与证实颇有困难,故十年来,连最后二个新元素也无法加以肯定与确认。或许,105对人类已是一个极限,再不可能有进一步的发展了也不一定,不过,人类的历史尚未结束,人类科学也还日新月异的在进步着,将来会有何发展,实难加以论断哩!

* 后记:本文完成当时已经定桉的元素仅有103个,但时至今日十数年过去了,科学果有令人意想不到的进展。目前人类已知的元素,已增加到109个。从104号到109号,分别是波、都、拉、希、黑、麦。另外还有两个已有报告,只是仍待证实与认定。

(责任编辑:化学自习室)
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