化学元素发现

第三章、元素发现史主讲人：海洋学院应用化学目前我们正式命名的有109种，其中存在自然界中的有88种，另外的21种，是用人工方法在实验中制得的。元素不是一朝一夕发现的。其中有很多种，古人已经知道，可还是过了好几个世纪，才认清楚它们是元素，不是复合物质。相反，有些复合物质却很久被人误以为是元素，因为早先化学家不知道它们是可以分解的。还有一些元素，人们很少遇到或人眼很难看到，结果就费了很大的力气才把它们找到。科学家在寻找元素这个课题上曾花费了几百年的时间。这里付出了很多的劳动，也出现了很多聪明而又有发明才干的人物。本章就用说故事的方式，给大家讲讲元素的一些最重要的发现过程和它们的发现者。古代元素发现史金、银、硫在自然界当中存在单质形式，是最早被人们发现的化学元素。金在自然界中绝大部分以单质状态存在．在许多河流的沙床上，它和砂子混和在一起；在一些岩石中，它和岩石掺杂成块．由于它的化学惰性，使它不论在哪里，都不受空气和水的作用，发出它固有的黄色光辉．吸引着人们的注意．因此，它在人类生活的最初时期就被人们发现了．它被认为是人类最早发现的化学元素之一．据说，现存的最大的天然金块重36公斤．现存于俄罗斯的最大金块金、银最早被人们用来制作装饰品，后来作为货币．这两种应用一直传到今天．纪元前2000年以前，埃及人已经用镀金、包金和镶金的器物，并且把金丝用在刺绣上．在我国西周时代的墓葬里出土有包在铜矛、车衡两端的条形、圆形、人字形、三角形金片，还有包金兽面、包金回泡等等．银在自然界中虽然也有单质状态，但是大部分是化合物状态。因而它的发现要比金晚．一般认为在限今5500一6000年以前。据说，曾经发现最大的银块重13.5吨。天然银多半是和金、汞、锑、铜或铂成合金。天然金几乎总是与少量银成合金。我国古代已知的琥珀金，就是一种天然的金、银合金，含银约20％。最初，由于人们取得的银的量很少。使得它的价值比金还贵。在大约公元前1780-1580年间埃及王朝的法典中规定，银的价值是金的两倍。甚至到十七世纪，在日本，银和金的价值还是相等的。银锭金的比重特别大，大到19.3g/cm3。早在远古时代人们就利用金、银的比重、颜色、焰色反应等来检测金银的真伪和纯度。科学史中流传的希腊公元前2世纪的科学家鉴别真伪金制皇冠的故事就是一个很好的例子。可能第一个被使用的非金属元素—硫在自然界中存在有单质状态。每次火山爆发都会把地下大量的硫带到地面。硫还和多种金属形成硫化物和各种硫酸盐，广泛存在自然界中。在西方，古代人们认为硫燃烧所形成的浓厚的烟和强烈的臭味能够驱除魔鬼。大约在4000年前，埃及人已经使用硫燃烧形成的二氧化硫漂白布匹。天然硫中西方炼金师都很重视硫。这也硫磺的易燃性和他能够与多种金属形成不同颜色的硫化物有关。认为硫是可燃性的化身，是组成一切物体的要素之一。我国炼丹家首先用硫、硝石和木炭的混合物制成了黑色火药。不论在西方或是我国，古代人们都把硫用于医药。在李时珍的《本草纲目》中讲到硫在医药中的作用时说：治腰肾久冷，除冷风顽痹亲热，生用治疥解。在《神农本草经》中还提到：石硫黄能化金、银、铜、铁，奇物。吴普(华陀的学生)《本草》今也说：硫黄能合金、银、铜、铁。这说明我国古代已经认识到硫黄能与金属化合的化学作用。自然界当中也存在着较少的单质铜，距今大约4000年前的新石器时代的晚期，夏朝已开始使用红铜，即天然铜。古代的七种金属：金、银、铜、铁、锡、铅和汞--金属“七宝”，其中金、银在自然界中有单质形式存在。其他的又是通过什么方式得到的呢？还好，人类在元年前５０万年就掌握了火。最早的新技术----火控制火，木材燃烧得到木炭提炼更多的矿石天然存在的金、银、硫碳是在自然界中分布相当广泛的元素之一。自然界中以游离状态存在的碳有金刚石、石墨和煤；各种形态的煤在自然界中分布很广，煤中合碳达99％。人们还可以轻易地取得碳的一些游离状态的产物，如木炭、骨炭、炭黑等等。这就决定了碳在人类有史以前很早很早就被发现和利用了。从人类新石器时代开始制造陶器起，炭黑就被用来做为黑色颜料制造黑陶．由石器时代进人青铜时代的时期中，木炭不仅被人类用作燃料，而且还被用作还原剂．随着冶金工业的发展，人们在寻找比木炭更廉价的燃料和还原剂。这样，人们找到了煤。根据古代文献的记载，我国人民在汉朝就已经知道煤可燃烧。元朝初期，来我国的意大利人马可·波罗在归国后所作的游记中，曾把“用石作燃料”列为专章介绍。当时这位欧洲人惊奇地看到我国人民用煤作燃料，甚为惊奇。英国到十三世纪初才在北部设矿采煤。焦炭来说说有趣的C-14^^量：很少半衰期：5730年检测：生物体年代铜被冶炼出来了，但是纯铜制成的物件太软，容易弯曲，并且很快就钝了。人们接着又发现把锡掺到铜里去，可以制成铜锡合金--青铜。青铜熔解所需的温度比纯铜低，这就使青铜器的熔炼和制作比纯铜容易得多。青铜比纯铜坚硬，使人们制成的劳动工具和武器有了很大改进。假如我们把锡的硬度定为5，那么铜的硬度就是3０，而青铜的硬度则是100—150。从表中可以发现，随着时代的前进，青铜中铅的含量增大。青铜中铅的增加对于液态合金流动性的提高起了重要作用，使铸件纹饰毕露。不过，古代人对于铅和锡的分别并不是十分明确的。称铅为黑铅，称锡为白铅。一般把中国青铜器文化的发展划分为三大阶段，即形成期、鼎盛时期和转变期。形成期是指龙山时代，距今4500～4000年；鼎盛期即中国青铜器时代，时代包括夏、商、西周、春秋及战国早期，延续时间约一千六百余年，也就是中国传统体系的青铜器文化时代；转变时期指战国末期－秦汉时期，青铜器已逐步被铁器取代，不仅数量上大减，而且也由原来礼乐兵器及使用在礼仪祭祀，战争活动等等重要场合变成日常用具，其相应的器别种类、构造特征、装饰艺术也发生了转折性的变化如果说公元前二千年是青铜时代的典型时期，那么战国后期对很多地方的居民来说，则是由青铜时代到铁器时代的过渡时期．河北沧州铁狮子铸于后周广顺三年(公元953年)人类最早使用的铁是从天空落下的陨石。陨石中铁的百分含量很高，一般都在80%以上，是铁、钴、镍的混合物。部分陨铁中铁的含量高达98%以上。陨铁中的镍和钴呈高低层相间分布，这种层状分布结构只能从高温每一万年冷却几度的条件下生成，而这个条件是人工无法完成的。中国多处出土了铁刃铜器。地球文化进入铁器时代以前的包铁青铜器新疆大陨铁最后被发现的就是汞。天然的硫化汞又称砾砂，或丹砂。由于它具有鲜红的色泽。因而很早就被人们用来作为红色的颜料。我国《诗经·兼茵》章有“额如我渥丹”句，就是说这个人的容貌美好，如涂了丹砂一样。在汉朝司马迁所著的《史记·秦始皇本纪》中记述有：“以水银为百川、江河、大海，机相灌输，上具天文，下具地理”。是叙述秦始皇在自营坟墓，用大量水银保护他的棺材，数量上也许有些夸大，事实上还是相当可观。启迪篇——中国古代化学代表人物与著作中国炼丹术自汉初兴起，在它得到巨大发展的400余年里，曾涌现许多卓越的炼丹家，炼丹大师狐刚子、葛洪就是汉代时期的杰出代表。狐刚子名狐丘，又叫胡罡子，东汉未年的炼丹家，著有《五金粉图决》、《出金矿图录》、《河车经》、《玄珠经》等。葛洪与《抱朴子》葛洪(公元284-564)号彬川，别号把子真。白号抱朴子，江苏丹阳切容县人。其祖父曾出任过三国时期吴国的大官。可以说是世代官宦，他个人也曾任晋朝的“关内侯”。葛洪的炼丹术可谓一脉相承，由左慈至他的祖父葛玄而至郑隐而最后传到他。其间只另师从过南海太守鲍玄。葛洪于46岁左右便辞官隐居于广东罗浮山炼丹终老。他一生的著作很多．范围也很广，关于炼丹术方面主要是《抱朴子·内篇》。这部著作的内容是非常丰富的，但他的原文中有些语言是过于隐晦的。从狐刚子的著作、葛洪的《抱朴子》中我们能看出我国古代炼丹术士已经做了许多化学实验，积累了大量化学事实，但为什么没有在中国形成化学学科?我们从葛洪和《抱朴子》可以看到一些原因：(1)炼丹家进行炼丹的目的不是为了进行化学研究，而是为了“点石成金”，或炼出长生不老的丹药。这使得他们的炼丹活动中带有了浓厚的迷信色彩，从而对实验现象不能正确解释，而往往牵强附会，荒诞不经，使人觉得玄之又玄。(2)炼丹家的服务对象大多是君王、贵族或他们的自我需要。与劳动人民的生活隔得很远，只是少数人的专利品，人民群众是无从接触到这些积累的化学知识的。(3)各门各派，壁垒森严。各派抱着自己的研究结果，秘而不宣，甚或用晦涩的隐语、符号来表示，给后人整理、研究增添不少的困难。各派说教不一，炼丹家多独处深山古刹，交流研讨少，大多固步自封，使后人积累面窄，继承的知识有限，这种一脉相传的结果往往导致失传。(4)研究面窄，从《抱朴子》中可以看出，其研究对象多为砷、汞、铅、硫、金、银等元素。实验方法单一守旧，因袭前人变化很小，多采用加热、升华等方法，蒸馏等简单操作基本上都没有，大大缩小了认识范围。(5)不注重理论研讨，将理论基础建立在阴阳五行上，炼丹家又往往随意演译、解释，没有科学的态度。这使得后来者没有线索，无从把据，感到扑朔迷离，所有这些导致了实验事实不能上升为理论。沈括和他的《梦溪笔谈》沈括(公元103l一1095年），吴兴(今浙江杭州)人，出身于官僚家庭，于公元1062年中进士。沈括一生仕途坎坷，但在迭荡的一生中，沈括却在我国古代石油开发、制盐和炼铜技术上，做出了杰出的贡献。英国科学史家李·约瑟(JosephNeedham)赞许沈括是“中国整个科学史中最卓越的人物”，赞许他的著作《梦溪笔谈》是“中国科学史中最卓越的论著”。沈括画像翻开《梦溪笔谈》，可以看到有关化学全面的记载，体现了沈括注重自然科学为生产实践服务的思想，其中尤以反映在石油开发、制盐和炼钢上最为明显。沈括用石油烟墨代替松罗，亲自动手实验获得成功，开辟了石油利用的新途径，为以石油族类为原料的碳黑工业奠定了早期的实验基础。沈括还预言：“此物后必大行于世”。宋应星与《天工开物》宋应星(公元1587—1661），字长皮，江西省奉新县雅溪乡人。他是我国明代著名的科学家，其所著《天工开物》一书、是我国和世界科学史上第一部有关农业和手工业技术的百科全书。《天工开物》全书详细叙述了各种农作物和工业原料的种类、产地、生产技术和工艺装备，以及一些生产组织经验，既有大量确切的数据，又绘制了一百二十三幅插图。全书分上、中、下三卷，又细分做十八卷。上卷记载了谷物豆麻的栽培和加工方法，蚕丝的纺织和染色技术，以及制盐、制糖工艺。中卷内容包括砖瓦、陶瓷的制作，车船的建造，金属的铸锻，煤炭、石灰、硫黄、白矾的开采和烧制，以及榨油、造纸方法等。下卷记述金属矿物的开采和冶炼，兵器的制造，颜料、酒曲的生产，以及珠玉的采集加工等。他的著作都具有珍贵的历史价值和科学价值。如在五金卷中，宋应星是世界上第一个科学地论述锌和铜锌合金（黄铜）的科学家。他明确指出，锌是一种新金属，并且首次记载了它的冶炼方法。这是我国古代金属冶炼史上的重要成就之一。使中国在很长一段时间里成为世界上唯一能大规模炼锌的国家。宋应星记载的用金属锌代替锌化合物（炉甘石）炼制黄铜的方法，是人类历史上用铜和锌两种金属直接熔融而得黄铜的最早记录。宋应星塑像科学巨著《天工开物》《天工开物》之铸鼎图《天工开物》之南方挖煤图明崇祯十年原刊本《天工开物•序》《天工开物》之筒车图《天工开物》之南方榨油图《天工开物》之生熟炼铁炉图《天工开物》是对中国古代农业和工业生产技术系统而全面的总结，在科学史中首开先例，其所述范围之广为以往任何著作所不及，足可与西方文艺复兴时期G．阿格里科拉撰写的《矿冶全书》这本技术经典相媲美。此书出版后，很快便在福建由书商杨素卿于清初刊行第二版，并被清代官刻大型著作《古今图书集成》(1725)及《授时通考》(1737)广泛摘引。虽然l8世纪后半叶《天工开物》因有反清思想而一度遭到厄运，但仍成为当时许多学者的参考书。此书于l7世纪末传人日本，1771年大阪出现了刻本，从此成为江户时代(1608一l868)日本各界广为重视的读物，刺激了“开物之学”的兴起。20世纪时，此书又被译成现代日语，至今畅销。l8世纪《天工开物》还