化学的音符—元素（一）

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目前，人类共发现了氢、氧、金、银、铜、铁等118种元素。在中学教科书上，大家肯定都见过元素周期表，它用“H”“O”等符号来表示不同的化学元素，并根据原子序数从小到大依次排序。元素是构成我们生活的世界中一切物质的“原材料”，水、空气、大地，甚至连我们人类都是由元素构成的。

我们生活的世界是由什么构成的？为了回答这个问题，人类创造了“元素”(element)这个词。顾名思义，元素是构成物质“本元”的要素（素材、原料）。也可以说，元素是无法再分解成其他成分的物质。

寻找构成物质世界的“原材料”

1669年，德国一位名叫亨尼格·布兰德（1630～1692）的炼金术士收集了大量人体尿液，并对其进行了蒸馏提纯。当时，炼金术在欧洲非常盛行，很多人试图通过加热或添加某种物质来“点石成金”——把铁（Fe）、铅（Pb）等普通金属变为黄金（Au）等贵重金属。以此为职业的人则被称为炼金术士，布兰德就是其中之一，浓缩和分析尿液是其炼金术研究中的一个重要环节。

经过多次蒸煮、浓缩和提炼后，这些尿液最后形成了一种黑色的沉淀物。布兰德将其进一步加热后惊奇地发现，黑色物质变成了闪闪发光的白色物质！这幅画逼真地描绘了当时的情形。

之后的研究表明，这种现象是尿液中所含的磷（P）发光所导致的。实际上，布兰德的发现是人类发现新元素的最早确切记录。

在布兰德发现磷的17世纪，人们根本没有元素这一概念。自古以来，人类无意间发现了金、硫（S）等天然存在的元素，并将其广泛应用在日常生活与生产中，但是并没有意识到它们是元素。当然，布兰德也没有意识到自己发现了磷元素。

直到18世纪后半叶，人类才确立了元素的概念。法国化学家安东尼·拉瓦锡（1743～1794）发现，空气是由多种气体组成的混合物，并首次准确地从空气中识别出了氧（O）元素。1789年，拉瓦锡出版了《化学基本论述》（又名《化学概要》）一书，在这部书里将元素的概念定义为无法再分解的单纯物质。

在拉瓦锡生活的18世纪，人类已知的元素只有金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、氧（O）、氮（N）等30多种。后来，科学家们开始对物质进行彻底分解，致力于寻找未知的新元素。到目前为止，人类总共发现了118种元素。

名画赏析

寻找哲人石的炼金术士

从尿液中发现了新元素

这是英国画家约瑟夫·赖特（1734～1797）的一幅画作，名为《寻找哲人石的炼金术士》，描绘了炼金术士布兰德（右侧人物）蒸煮尿液并发现了磷的情形。正常情况下，人体每天排泄到尿液中的磷大约为0.5～1克。纯磷（白磷）暴露于空气中的话，在50～60℃的温度下可以自燃，释放出热量并发光（磷光）。

隐藏在元素背后的规律

元素的外表和性质截然不同，如何对它们进行分类整理？

自18世纪以来，科学家们相继发现了多种新元素，并对其密度、熔点以及与各种物质发生反应的难易程度等进行了研究。1805年，英国化学家约翰·道尔顿（1766～1844）提出了具有划时代意义的用来比较元素的指标——元素的“质量”。

当时，人们已经知道水是由氢（H）与氧（O）构成的。拉瓦锡是这一事实的发现者，他通过试验发现氢与氧混合燃烧后可以生成水，而且生成水时所消耗的氢与氧的“质量”之比是恒定不变的。

根据拉瓦锡的实验结果,道尔顿意识到氢和氧含有“最小单位的粒子”，它们总是按照相同的比例结合为水。其实，道尔顿所提出的“最小单位的粒子”就是原子。后来，他进一步提出同一种原子的“质量”完全相同。例如，任何氢原子都具有相同的“质量”。现在，人们把原子的重量称为原子量。

那么，元素与原子到底有什么不同之处呢？简单地说，元素是原子的种类。

道尔顿当时曾预测，如果氢原子的“质量”（原子量）为1，氧原子的“质量”（原子量）则为7。不过，氧的实际原子量为16。当时，道尔顿认为水分子是由1个氢原子与1个氧原子构成的，是“HO”（实际上，水是由2个氢原子和1个氧原子构成的H₂O），再加上当时的实验结果并不十分准确，从而导致了上述错误。

尽管存在错误，道尔顿还是发表了几种元素的原子量。此后，科学家开始以“质量”为通用指标对各种元素进行分类和分析。

法国地质学家贝吉耶·德·坎古杜瓦（1820～1886）最早意识到元素具有某种规律。他把化学元素按照原子量从小到大进行排序，发现性质相似的气体或金属元素会周期性地反复出现。

1862年，在卡尔斯鲁厄国际化学会议召开2年后，坎古杜瓦发现原子量每增大16，就会出现性质相似的元素。例如，锂（Li，原子量7）、钠（Na，原子量23）和钾（K，原子量39）的性质非常相似，都是熔点低的软质金属，遇水会发生剧烈反应。

1864年，英国化学家约翰·纽兰兹（1837～1898）提出，按照原子量由小到大的顺序排列时，每当排列到第8种元素时就会出现性质跟第一种元素相似的元素。例如，锂（2号）→钠（9号）→钾（16号）。这一规律类似于音乐中的八度音阶，每到第8个音阶就会出现相同音，因此，纽兰兹把元素的这一规律称为“八音律”。不过，并不是所有的元素都能够与八音律相对应，因此，坎古杜瓦的这一发现并未在科学界得到广泛认可。

元素周期表登上历史舞台

1869年，称得上最终版的元素分类表终于登上了历史舞台，这就是俄国化学家德米特里·门捷列夫（1834～1907）发明的元素周期表。

门捷列夫首创的元素周期表以最轻的元素——氢为起点，将元素按照原子量从小到大的顺序纵向排列，并在合适的地方转到新的一列，将化学性质相似的元素放在同一横行。

例如，锂（Li）这一列到氟（F）结束，从钠（Na）开始新的一列。因此，锂与钠、氟与氯（Cl）等性质相似的元素就位于同一横行。

给“应该发现的元素”留下空位

19世纪60年代，科学家们提出了各式各样的元素分类表。其中，门捷列夫发明的周期表不仅能一目了然地显示性质相似的元素以怎样的周期出现，还卓有远见地为尚未发现的元素在表上留下了空位。也就是说，门捷列夫预言了今后可能会发现的元素。

例如，他曾在1871年预测钙（Ca）与钛（Ti）之间应该存在原子量为44的元素。1879年，科学家发现了原子量为44.96的钪（Sc）。在门捷列夫预言存在的元素中，其中3种在其有生之年得到了证实，而且他所预言的元素性质也一一应验。就这样，门捷列夫发明的元素周期表的正确性得到了彻底认可。

进一步扩充元素周期表

1894年，科学家发现了一种新的元素——氩（Ar），它的发现给元素周期表带来了巨大挑战。氩属于稀有气体，是从空气中分离出来的。在之后的几年内，科学家又相继发现了氖（Ne）等其他稀有气体元素。

稀有气体元素很难与其他物质发生反应，性质与迄今为止发现的元素截然不同，因此，很难添加到现有元素周期表的空格中。不过，科学家最终在氟（F）和氯（Cl）这一行下面新增了一行，从而将稀有气体加入到元素周期表中。

人工合成元素

除了以单质形式天然存在的金、铜、硫等元素之外，高温熔化矿石所生成的铁等元素很早就被人类所发现，并得到了广泛应用。

后来，随着科学技术的进一步发展，科学家们相继发现了一些难以分离的元素，并将其添加到周期表中，从而使得周期表得到进一步扩充。此外，科学家甚至开始“创造”自然界中不存在的元素。也就是说，通过融合已知的元素来人工合成重元素。比铀（92号元素）重的元素基本上都是以人工合成的方式发现的。

本文选自《科学世界》2016年第12期