元素是什麼


    許多長輩們過去一直感到元素很復雜,致使這個問題的提出到定論經歷了兩千多年的漫長過程。

最早被發現的元素

遠在紀元前,許多哲學家認為宇宙間的一切東西部能夠分解成一些簡單的基本物質。希臘人認為這些簡單的物質是水、火、空氣和土。我國則有“陰陽五行”說。印度人還提出由“水、土、火、空氣、乙太、時間、空間、靈魂和感覺等九種東西組成萬物的理論,過去許多世紀,人們都公認這些是構成宇宙的元素。五到十六世紀,化學史上叫“金月.時期’’。這個時期中,人們對時元素的認識,可用當時最有名的阿拉伯煉金家賈伯的思想來概括,他認為所有金屬都是汞和硫的混和物。十六世紀,化學進入了醫藥化學時期,此時著名瑞土化學家巴拉塞爾士認為一切物質皆由汞、硫和鹽組成,並稱之為物質的“三要素”。至此,希臘的古元素,已逐漸被巴氏的更為具體的元素所取代。

元素是什麼?

關於元素的現代思想是由英國的波義耳在1661年首次發表的。波義耳說,元素是一種基本物質,它能與其他元素結合形成化合物,但它本身不能被分解為更簡單的物質。波義耳和他的同代人仍然認為金能由別的金屬用普通化學方法製取,並在元素表中列有像鹽、水和空氣等物質。因而,事實上還沒有形成真正的元素觀。
    十八世紀,化學家對燃燒現象很感興邀。為了解釋燃燒過程,德國化學家施塔爾等人提出了一種神秘的“燃素論”。 “燃素”這個虛無縹緲的東西也理所當然地作為一種元素而被當時的科學家們所承認。十八世紀末,法國化學家拉瓦錫為確定物質是元素還是化合物而建立了一個基本原則。他指出,要證明一種物質是元素,每當它被變成一種新物質時,它的重量必定增加。拉瓦錫在1786年發表了第一個元素表。他在表中列有33種元素,其中大多數我們至今還認為是元素。由於當時的科學水平,他的表中列有“鹽酸基、氟酸基、硼酸基”及石灰、鎂士、鋇土等氧化物,還列有熱素和光素。這就是那個時侯人們心目中的元素。十九世紀初,對什麼是真正的元素,什麼是化合物這樣的問題已經大致獲得統一的認識。到十九世紀四十年代,熱力學第一定律建立和承認後,熱素、光素也認元素佇列中被清除了出去。

新元素的發現

十九世紀是富於化學觀念的年代,天然元素被證實,新元素又接二連三地發現。僅17891804年間的短時間?,氯、鈮、鉭、鈀、銠、銻和銥都被分離出來了。接著,伏特發明電池以後,英國化學家戴維利用電解這個強而有力的方法,在很短的時間?,又分離出了鈉、鉀、鋇、鍶、鈣、鎂等鹼金屬和鹼土金屬及鹵素。後來,化學家們又借助於鈉、鉀的強還原性,從礦石中獲得了硼、硒、矽、鋯、釷、鈦等元素。這些成就僅在1830年一年內就取得了。除此而外,在這一年還發現了鋰、鎘、鋁和釩。18391843年,分離出了鑭、鋱和鉺。1844年發現了釕。以後的16年?沒有再發現新元素。

 

分光鏡的發明

化學元素發現史上的下一個里程碑是分光鏡的發明。從十六世紀起,人們就知道某些物質能產生有色火焰.1860年,本生和基爾霍夫用一塊棱鏡分解這些有色火焰的光,發現所有元素,如果加熱到白熱,就會產生特有的光譜;而且不同的元素光譜圖不同,光線的波長也不受其他元素存在的影響,光線的強度也足以檢測出衡量元素。這就是最早的光譜分析法。這種分光術使得地殼中含量微小,難於用一般的礦物分析法獲得的元素的發現成為可能。這就是十九世紀後半葉如此多的元素被發現的主要原因。18601863的幾年內,人們就發現了銫、銣、鉈、銦等元素。後來,分光鏡對若干其他元素,尤其對稀土元素和惰性氣體的發現起了重要作用。

週期表的產生

到十九世紀六十年代,,已知元素表上已增加到62種元素,同時關於各種元素的物理和化學性質也累積了相當豐富的資料。但這些材料繁雜,缺乏系統,發現元素的工作仍在盲目的進行,沒有一種方法能預測還有哪些元素未經發現以及它們的性質如何。1829年,德國的杜伯乃勒,在當時已知的54和元素中,發現有“三音律”存在,他把元素三種一組分類排了一張表。隨後,越來越多的化學家致力於元素分類工作的研究,差不多在同一個時期?,法國的尚古都,英國的紐蘭茲和奧德林,德國的邁爾,俄國的門捷列夫,先後提出了化學元素性質隨原子量遞增而呈現週期性變化的關係。如尚古都的“螺旋圖”,紐蘭茲的“八音律”,邁爾的“六元素表”。1869年,門捷列夫經過自己的精心研究後發表了一張元素分類表。1871年他又作了修訂。這兩張表就是我們現在週期表的前身。在這張表中,門捷列夫留了一些空位,斷言尚有未發現的元素存在。十五年內,他的預言全獲證實。
    如果說電解法的發明和光譜分析的創宦P鬲儩ヴa們發現化學元素開闢了新的道路的話,週期表則不但理出了已知元素之間的復雜性,而且為新化學元素的發現指出了明確的方向。1886年又發現了8種稀士元素,接著蘇格蘭的霍姆賽在大氣中發現了氦、氖、氬、氪、氙,進一步完善了週期表。

放射性元素

1896年,法國的貝克勒爾發現放射性後,居里夫婦分離出了含量稀少但具有強放射性的元素釙和鐳。幾年時間,錒和氡也被發現了。1917年發現了 放射注元素鏷。到1925年,天然元素全被發現,週期表以92號元素鈾而告結束。但週期表中還有四個空位43 618587號,化學家們繼續探尋這些元素。自1939年來,核科學家不但合成出了43號(?),61號(?), 85號( )和87(),而且合成出了16個超鈾元素,週期表從1109號除108號外全被填滿了,其中93107號人造元素大多數是由美國西博格等人最先在柏克萊製出的,這些元素沒有穩定的同位素,因而在自然界是找不到的。唯有鈾和釷衰變速度非常慢,半衰期達數十億年.鐳和釙半衰期很短,之所以能在自然界存在是由於它們做為鈾和鈦衰變產物而不斷產生。

元素符號

在古代,全世界是沒有統一的元素符號的。起初,元素用一些象形字或圖形來表示。如用 D Ñ AV分別表示水、火、空氣和土。後來的煉金家們還根據自己的用途發明了一些符號。據1701年宋麥霍夫統計,僅金就有33種符號。十九世紀初道爾頓發表原子論的時候,採用了不同內部標記的圓圈表示各種元素。大約1811年,瑞典的貝采?烏斯建議用元素拉丁名稱的簡單縮寫來作為元素的符號,由於這個表示法方便實用,不久被普遍採用,後經1860年德國卡爾斯盧在國際代表大會通過被永久地作為表示元素的符號。
    一切化學元素符號,都採用該元素拉丁文的第一個字母的大寫表示。如果各一個字母相同,可用該元素拉丁名稱的第二個字母的小寫隨後。如果第一和第二字母都相同,可用第三或以後的字母的小寫隨在第一個字母以後表示。漢語中對元素符號拉丁字母習慣以英文字母發音,絕大多數元素的符號與元素的英文名稱也是相符的,有十一個元素的符號,來自古拉丁語,與英文名稱不符。它們是SbCuHgKAuAgFe NaPbSnW

元素的名稱

化學元素的外文名稱往往都有一定的含義,有些元素是以太陽系中某些天體得名,有些是根據元素的特殊物理或化學性質來命名的,有些則得名於存在或發現時的情況;有相當一部分元素的名稱來源於科學家、國家和古代傳說中鬼神的名字。關於元素的命名,好些要經過多年的爭議,才能最後確定下來。103號以前的元素已有公認的名稱和符號,以後的元素是怎麼個情況呢?蘇聯19(?)4年首先報道了104號元素的發現,為紀念蘇聯的核科學家庫爾查夫,定名Kurchatovium Ku),我國有人譯做“ ”。美國科學家因不能重新製得這個元素而對蘇聯人的合成方法產生疑問,1969年他們獨立製出後,便以英籍新西蘭物理學家歐內斯待.盧瑟福把這個元素命名為Rutherfordium Rf),我國有人譯作“ ”。105號元素由美國和蘇聯在1970年分別製得,美國人叫Hahnium H a ),以紀念德國科學家哈恩;蘇聯人叫Nielsbohrium Ns),以紀念丹麥科學家尼爾斯.玻爾。106號元素由美國和蘇聯在1974年製得。兩年後蘇聯又製出了107號元素。109號元素1982年報道由西德達姆施達德實驗室合成,這些還沒給出名稱。108號元素至今還未發現(此文發表於1984年編者注)。鑒於這些元素名稱上的混亂情況,1978年國際無機化學分會通過了一個關於100號以上元素命名的新規則,規定終止用科學家的性氏命名新元素,提出:(1)發現新元素時名稱應該與其原子序數具有簡單而明晰的關係;(2)不論是金屬元素還是非金屬元素,名稱詞尾部加ium;(3)新元素符號採用三個字母,以區別已知元素所採用的一個或兩個字母;(4)新元素的符號直接由原子序數導出,使之盡可能與其名稱相符。具體是採用希臘文和拉丁文數詞聯合的方法,這些數詞是ni1=0un=1bi=2, tri=3quad=4pent=5hex=6Sept=7,oct=8enn=9,按原子序數的數位次序,把這些數詞連在一起詞尾加ium即成。元素符號由組成名稱的各數詞首位字母構成,頭一個字母大寫,後兩個字母小寫。如104號元素其名稱為unnilquadium,符號是Unq101,102103號元素,其名稱和符號沒有多大爭議,仍按以前的方式表示。
    在漢語?,化學元素的名稱都是用一個漢字來表達的。除了金、銀、銅、鐵、錫、鉻、硫、碳等是採用古代原有的文字外,絕大多數是本世紀來新創的字。這些新創的字,一般是按照國際間通用的拉丁名稱的第一音節的譯音,或拉丁文的含意,在原有漢字的基礎上改變或增加偏旁而成。為了便於識別,凡是金屬都寫作金字旁“金”(除汞外),凡是非金屬,在通常情況下為氣態的寫“氣”字頭,為液態時寫“ ”旁,為固態的寫“石”字旁。如Natrium,第一音節為Na,音“納”,由於它是金屬,改“糸”為“金”旁,成“鈉”。至於104號以後的元素的漢語名稱,尚未確定下來。

同位素

一百多年前,元素被看做僅包含一種原子的物質。按照道爾頓的原子論,相同元素的一切原子應是一樣的。然而1911年後,人們發現相同元素的原子未必完全一樣。英國索弟發現,當放射性元素分解的時候,要產生一系列其他元素;有些元素化學性質相似,似乎處在週期表中的同一位置,但放射性不同。索弟稱這些同一元素的不同品種叫做同位素。同時,有人進一步用質譜證明,同一元素的原子能被分成不同原子量的品種。
    目前,除了天然存在的幾百種同位素外,據統計已由核轟擊法合成了1200多種同位素。這時,我們可以說,元素是一種物質,它的所有原子具有相同時原子序數或同數目的質子。

同素異形體

我們知道,石墨和金剛石是兩種截然不同的物質,一個質軟、色黑,另一個卻極硬又無色,但兩者都是100%的碳。純磷以低熔點、高活性、有毒、白色和高熔點、低活性、無毒、紅色及象石墨那樣等三種形態存在。這些相同元素的不同物質形態叫同素異形體。因為當一種元素呈現同素異形現象時,幾種極不相同的物質可能是同一種元素組成的純物質,因此,這就有必要把元素和它的游離態從概念上加以區分。元素本質上是按照核電荷的多少對原子的一種分類方法。現在,我們可以很好地把元素定義為:元素是具有相同核電荷(或質子數)的一類原子。

未來的元素

今天,週期表中的位置從1107已被實驗證實的元素填滿了。由於現已清楚原子結構和週期表的關係,將來發現的任何新元素必定位於107號之後,最近又報道合成了109號元素,(108號尚未發現)完全可信,元素表上還會繼續憎加。
    人造元素數目有沒有一個限度呢?有人認為,有限度。開始合成的幾種超鈾元素中壽命最長的同位素其半衰期可達千萬年的數量級,而最近製造的九種超鈾元素的半衰期越來越短,105106號元素的半衰期約有1秒,107號元素只有毫秒級的半衰期,可推理後邊元素的半衰期將會更短。然而,美國的西博格等人認為:在核不穩定性的“海洋”?存在有“穩定島”,具有原子“幻數”的某些元素比鄰近元素應有更大的穩定性。例如,原子質量數為298114號同位素,質子和中子都是“幻數”,可能有數百年的半衰期。一些科學家甚至預言自然界可能存在有超重元素。1976年曾有人報道在天然礦物中可能有衡量這樣的元素,不過尚未證實。有人甚至到月球和海底去尋找它們,還有的科學家設計多種可能的方案企圖合成它們,但都沒有成功。“穩定島”推論是否正確還需通過科學家實驗來證明。
    數千年前,人們企圖把其他金屬轉變成黃金,現在已成事實,今天人們正在探尋的元素比黃金更加誘人,更為昂貴。

[關閉窗口]