化學元素

元素思想的起源很早，古巴比倫人和古埃及人曾經把水（後來又把空氣和土），看成是世界的主要組成元素，形成了三元素説。古印度人有四大種學説，古代中國人有五行學説。

關於元素的學説，即把元素看成構成自然界中一切實在物體的最簡單的組成部分的學説，早在遠古就已經產生了。不過，在古代把元素看作是物質的一種具體形式的這種近代觀念是不存在的。無論在我國古代的哲學中還是在印度或西方的古代哲學中，都把元素看作是抽象的、原始精神的一種表現形式，或是物質所具有的基本性質。

古希臘自然哲學提出了著名四元素説。這不是希臘哲學家創造的，四元素説在古希臘的傳統民間信仰中即存在，但不具有（相對上來説）堅實的理論體系支持。古希臘的哲學家是“借用”了這些元素的概念來當作本質。

化學元素(49張)

米利都派哲學家泰勒斯主張的萬物的本質是水，而且也唯有水才是本質，土和氣這兩種元素則是水的凝聚或稀薄。阿那克西曼德則將本質改為一種原始物質（稱為“無限”或稱“無定者”），同時又加上第四元素火。四大元素由這種原始物質形成之後，就以土、水、氣、火的次序分為四層。火使水蒸發，產生陸地，水氣上升把火圍在雲霧的圓管裏。人們眼中看見象是天體的東西，就是這些管子的洞眼，使人們能從洞眼中望見裏面的火。形成了四元素的最早雛形。

另一個米利都派哲學家阿那克西米尼則把氣或者空氣看作是原始物質，並把其他元素説成是由空氣組成。空氣變得稀薄後就成了火。他的論證是，空氣從嘴裏呼出來是熱的，而在壓力下噴出來時則感到是冷的。同樣，通過凝聚的過程，氣先是變成水，然後變成土。這些元素之間的差異只是量變的結果，元素只是凝聚或稀薄到不同程度的空氣。

早期以米利督學派為首的哲學家，多以單一元素作為本質，直到恩培多克勒（Empedocles）才首次建立四元素並存的哲學體系，亦有人主張這是首次嘗試以科學的方法解釋傳統的四元素説，但是從恩培多克勒所留下來的殘缺文獻來看，這種説法並沒有足夠的證據支持。恩培多克勒在大約公元前450年於其著作《論自然》中，使用了“根”（希臘文：ῥιζὤματα）一詞。恩培多克勒是系統提出四元素學説的第一個人。他認為萬物由四種物質元素土、氣、水、火組成，這種元素是永恆存在的，由另外兩種抽象元素愛和恨使他們連結或分離。

德謨克利特則認為，萬物的本原是原子與虛空。原子是一種最後的不可分的物質微粒。宇宙的一切事物都是由在虛空中運動着的原子構成。所謂事物的產生就是原子的結合。原子處在永恆的運動之中，即運動為原子本身所固有。虛空是絕對的空無，是原子運動的場所。

而廣為人知的四元素説則是後來亞里士多德提出的，他的理論中不包含恩培多克勒學説中的愛和恨這兩種抽象元素，而是認為這四種元素具有可被人感覺的兩兩對立的性質。進而推論世界上的萬物的本原乃是四種原始性質：冷、熱、幹、濕，而元素則由這些原始性質依不同比例組合而成。亞里斯多德在《論天》等著作中構想出五元素説，在柏拉圖的四種元素中再加上以太（精質，永恆）。亞里士多德認為“沒有和物質分離的虛空”、“沒有物體裏的虛空”。亞里士多德對“元素”的正式定義見於《形而上學》。

無論是古代的自然哲學家還是鍊金術士們，或是古代的醫藥學家們，他們對元素的理解都是通過對客觀事物的觀察或者是臆測的方式解決的。只是到了17世紀中葉，由於科學實驗的興起，積累了一些物質變化的實驗資料，才初步從化學分析的結果去解決關於元素的概念。

1661年英國科學家波義耳對亞里士多德的四元素和鍊金術士們的三本原表示懷疑，出版了一本《懷疑派的化學家》小冊子。

波義耳在肯定和説明究竟哪些物質是原始的和簡單的時候，強調實驗是十分重要的。他把那些無法再分解的物質稱為簡單物質，也就是元素。

此後在很長的一段時期裏，元素被認為是用化學方法不能再分的簡單物質。這就把元素和單質兩個概念混淆或等同起來了。

而且，在後來的一段時期裏，由於缺乏精確的實驗材料，究竟哪些物質應當歸屬於化學元素，或者説究竟哪些物質是不能再分的簡單物質，這個問題也未能獲得解決。

拉瓦錫在1789年發表的《化學基礎論述》一書中列出了他製作的化學元素表，一共列舉了33種化學元素，分為4類：

1．屬於氣態的簡單物質，可以認為是元素：光、熱、氧氣、氮氣、氫氣。

2．能氧化和成酸的簡單非金屬物質：硫、磷、碳、鹽酸基、氫氟酸基、硼酸基。

3．能氧化和成鹽的簡單金屬物質：銻、砷、銀、鈷、銅、錫。鐵、錳、汞、鉬、金、鉑、鉛、鎢、鋅。

4．能成鹽的簡單土質：石灰、苦土、重土、礬土、硅土。

從這個化學元素表可以看出，拉瓦錫不僅把一些非單質列為元素，而且把光和熱也當作元素了。

拉瓦錫所以把鹽酸基、氫氟酸基以及硼酸基列為元素，是根據他自己創立的學説即一切酸中皆含有氧。鹽酸，他認為是鹽酸基和氧的化合物，也就是説，是一種簡單物質和氧的化合物，因此鹽酸基就被他認為是一種化學元素了。氫氟酸基和硼酸基也是如此。他之所以在“簡單非金屬物質”前加上“能氧化和成酸的”的道理也在於此。在他認為，既然能氧化，當然能成酸。

至於拉瓦錫元素表中的“土質”，在19世紀以前，它們被當時的化學研究者們認為是元素，是不能再分的簡單物質。“土質”在當時表示具有這樣一些共同性質的簡單物質，如具有鹼性，加熱時不易熔化，也不發生化學變化，幾乎不溶解於水，與酸相遇不產生氣泡。這樣，石灰（氧化鈣）就是一種土質，重土——氧化鋇，苦土-——氧化鎂，硅土——氧化硅，礬土——氧化鋁。它們是屬於鹼土元素或土族元素的氧化物。這個“土”字也就由此而來原子學説。

19世紀初，才華橫溢的英國科學家戴維進入英國皇家研究院，主持科學講座。在講座之餘，他把大量的時間投入科學研究，第一個發明了用電解提煉金屬單質元素的方法，採用這種方法，他稱為當時發現元素最多的科學家。為了提煉鉀和鈉，戴維甚至被化學藥品炸瞎了一隻眼睛。 ^[1] 

19世紀初，道爾頓創立了化學中的原子學説，並着手測定原子量，化學元素的概念開始和物質組成的原子量聯繫起來，使每一種元素成為具有一定（質）量的同類原子。

1841年，貝齊裏烏斯根據已經發現的一些元素，如硫、磷能以不同的形式存在的事實，硫有菱形硫、單斜硫，磷有白磷和紅磷，創立了同（元）素異形體的概念，即相同的元素能形成不同的單質。這就表明元素和單質的概念是有區別的，不相同的。

19世紀後半葉，在門捷列夫建立化學元素週期系的時間裏，明確指出元素的基本屬性是原子量。他認為元素之間的差別集中表不同的原子量上。他提出應當區分單質和元素兩個不同概念，指出在紅色氧化汞中並不存在金屬汞和氣體氧，只是元素汞和元素氧，它們以單質存在時才表現為金屬和氣體。

不過，隨着社會生產力的發展和科學技術的進步，在19世紀末，電子、X射線和放射性相繼被發現，導致科學家們對原子的結構進行了研究。1913年英國化學家索迪提出同位素的概念。同位素是具有相同核電荷數而原子量不同的同一元素的異體，它們位於化學元素週期表中同一方格位置上。

從理論上説，化學元素週期表還有很多元素需要補充，第七週期應有32種元素，而還未發現的第八週期應有50種元素。所以，元素週期還需要不斷的補充與完善。

元素週期表是1869年俄國科學家門捷列夫（Dmitri Mendeleev）的，後來又經過多名科學家多年的修訂才形成當代的週期表。週期表中共有118種元素。每一種元素都有一個編號，大小恰好等於該元素原子的核內質子數目，這個編號稱為原子序數。排布和性質有明顯的規律性，科學家們是按原子序數遞增排列，將電子層數相同的元素放在同一行，將最外層電子數相同的元素放在同一列。

元素週期表有7個週期，17個族。每一個橫行叫作一個週期，每一個縱行叫作一個族。這7個週期又可分成短週期（1、2、3）和長週期（4、5、6、7）。共有17個族，可以分為：鹼金屬、鹼土金屬、稀土金屬、鈦族元素、釩族元素、鉻族元素、錳族元素、鐵系元素、鉑系元素、貨幣金屬、鋅族元素、硼族元素、碳族元素、磷屬元素、硫屬元素、鹵族元素、稀有氣體元素。元素在週期表中的位置不僅反映了元素的原子結構，也顯示了元素性質的遞變規律和元素之間的內在聯繫。

同一週期內，從左到右，元素核外電子層數相同，最外層電子數依次遞增，原子半徑遞減（零族元素除外）。失電子能力逐漸減弱，獲電子能力逐漸增強，金屬性逐漸減弱，非金屬性逐漸增強。元素的最高正氧化數從左到右遞增（沒有正價的除外），最低負氧化數從左到右遞增（第一週期除外，第二週期的O、F元素除外）。

同一族中，由上而下，最外層電子數相同，核外電子層數逐漸增多，原子序數遞增，元素金屬性遞增，非金屬性遞減。

同一族中的金屬從上到下的熔點降低，硬度減小，同一週期的主族金屬從左到右熔點升高，硬度增大。

元素週期表的意義重大，科學家正是用此來尋找新型元素及化合物。

公元前403一公元前221年，我國戰國時代又出現一些萬物本源的論説，如《老子道德經》中寫道：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”又如《管子·水地》中説：“水者，何也。萬物之本原也。”

我國的五行學説是具有實物意義的，但有時又表現為基本性質。我國的五行學説最早出戰國末年的《尚書》中，原文是：“五行：一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土。水曰潤下，火曰炎上，木曰曲直，金曰從革，土曰稼穡。”譯成言是：“五行：一是水，二是火，三是木，四是金，五是土。水的性質潤物而向下，火的性質燃燒而向上。木的性質可曲可直，金的性質可以熔鑄改造，土的性質可以耕種收穫。”在稍後的《國語》中，五行較明顯地表示了萬物原始的概念。原文是：“夫和實生物，同則不繼。以他平他謂之和，故能豐長而物生之。若以同稗同，盡乃棄矣。故先王以土與金、木、水、火雜以成百物。”譯文是：“和諧才是創造事物的原則，同一是不能連續不斷永遠長有的。把許多不同的東西結合在一起而使它們得到平衡，這叫做和諧，所以能夠使物質豐盛而成長起來。如果以相同的東西加合在一起，便會被拋棄了。所以，過去的帝王用土和金、木、水、火相互結合造成萬物。”

13-14世紀，西方的鍊金術士們對亞里士多德提出的元素又作了補充，增加了3種元素：水銀、硫磺和鹽。這就是鍊金術士們所稱的三本原。但是，他們所説的水銀、硫磺、鹽只是表現着物質的性質：水銀是金屬性質的體現物，硫磺是可燃性和非金屬性質的體現物，鹽是溶解性的體現物。

到16世紀，瑞士醫生帕拉塞爾士把鍊金術士們的三本原應用到他的醫學中。他提出物質是由3種元素——鹽（肉體）、水銀（靈魂）和硫磺（精神）按不同比例組成的，疾病產生的原因是有機體中缺少了上述3種元素之一。為了醫病，就要在人體中注人所缺少的元素。

其後，英國物理學家阿斯頓在1921年初證明大多數化學元素都有不同的同位素。元素的原子量是同位素質量按同位素在自然界中存在的質量分數求得的平均值。

在這同一時期裏，英國物理學家莫塞萊在1913年系統地研究了由各種元素製成的陰極所得的X射線的波長，指出元素的特徵是這個元素的原子的核電荷數，也就是後來確定的原子序數。

這樣，如果把同位素看作是幾種不同的單獨的元素，這顯然是不合理的。因為決定元素的原子的特徵不是原子量，而是它的核電荷數。

1923年，國際原子量委員會作出決定：化學元素是根據原子核電荷的多少對原子進行分類的一種方法，把核電荷數相同的一類原子稱為一種元素。

當然，人們對化學元素的認識過程也沒有完結。當前化學中關於分子結構的研究，物理學中關於核粒子的研究等都在深入開展，可以預料它將帶來對化學元素的新認識。到2007年為止，總共有118種元素被發現，其中94種是存在於地球上。