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第7章 元素发现一览(1)

1.氢的发现

早在16世纪,瑞士著名医生帕拉塞斯曾描述过铁屑与醋酸作用时会产生一种气体,这种气体就是氢气;17世纪时,海尔蒙特和波义耳等都曾偶然接触过它。1700年法国勒梅里曾在《报放大10亿倍的水分子报告》里论及过这种气体的可燃性。但是他们都不知道这种气体是什么东西,也没有将这种气体分离出来。

1766年,英国化学家卡文迪许首先系统地研究了这种气体,他用铁屑和锌等作用盐酸及稀硫酸后用排水集气法收集而获得这种气体,但他误认为该气体是由金属分解出来的。又由于这种气体在加热时就会燃烧,他就把它叫做“来自金属的可燃空气”,并错误地认为氢气就是燃素或燃素和水的化合物。

几年以后,1782年,法国化学家拉瓦锡重复了卡文迪许、普利斯特里等人的实验,明确提出正确的结论:水是氢和氧的化合物。正确地赋予一个能反映这种可燃气体燃烧后产生水的这种变化特征的名字,把它称作“氢”。该词源自希腊语中的hydro和后缀genes,因此hydrogene原意为“会产生水的东西”。并确认氢是一种元素。中文名曾为“轻气”。

值得提出,德国人不像英国人那样喜欢把他们的科学名词变为希腊文或拉丁文,他们直接用德语命名这种新的“空气”。但他们也很注意上述奇特的变化,因此他们称它为wasserstoff,意为“水物质”。

当氢的同位素发现以后,英国物理学家卢瑟福提议将1H叫做haploge,2H叫做diplogen。这两个名词分别源自希腊语haploos和diploos。但发现质量为2的氢的同位素的美国化学家尤里建议将2H叫做deuterium,该词源自希腊语deuteros,汉语译作“氘”。而H1则称为protium,它源自希腊语protos,汉语译作“氕”。对于3H,则取名为tritium,源自希腊语tritos,汉语译作“氚”。

2.氦的发现

1868年8月18日的日食期间,在地球不同地点有6个不同观察者,发现日珥光谱中有一条明亮黄线。法国天文学家简森在印度日食期间让太阳大气的光透过棱镜,他注意到在地球物质那些熟悉的光谱线中产生了一条他不能确认的黄色光谱线。后来,英国天文学家洛克耶尔将这条谱线的位置和各种不同元素产生的类似谱线位置作了比较,断定这条新线是太阳中的某种元素产生的。1869年,雷伊脱指出这条线不是氢的也不是钠的,而是另一个元素的新线。洛克耶尔和弗兰克兰把这种当时不为人所知而为太阳所有的元素定名为氦。因此氦的原意是“太阳元素”。

1888年美国化学家赫列布莱德用硫酸处理一种沥青铀矿获得一种不活泼的气体。由于他忽略了当这种气体加热时,它的光谱中的某些谱线并不是氮的谱线,他误认为这种气体就是氮,因而错过了发现新元素的机会。1895年,苏格兰化学家拉姆赛采用钇铀矿重复上述实验,并和洛克耶尔研究了所产生气体的谱线,证明了这种稀有气体正与太阳上的氦相同,从而证明了地球上也存在氦。

3.锂的发现

1817年,瑞典化学家阿尔费德森在分析从攸桃岛采集到的一种叶石过程中,发现该叶石中含有氧化硅、氧化铝及一种新碱金属。他把这种碱金属制成硫酸盐,进行试验,并进行详细分析计算研究后,发现该碱金属与酸类饱和的量比其他各种固定碱类要大得多,它的溶液不被过量的酒石酸沉淀,又不受氯化铂的影响。证明这种碱金属硫酸盐既不是钾盐、钠盐,也不是镁盐。于是他肯定这种碱金属是一种新元素,并命名为“锂”。该词源自希腊语“岩石”之意,因为之前发现的碱金属钠和钾是从植物里取得的。阿尔费德森曾试图制取金属锂,但未成功。

1818年布兰德斯、戴维等人分别用强电流电解锂矿石制得了少量的这种金属。直到1855年,本生和马提生采用电解熔融氯化锂的方法,才制得较多量的锂可供研究之用。

4.铍的发现

1798年法国矿物学家霍伊观察到祖母绿和一般矿物绿柱石的光学性质相同,从而发现了铍。根据霍伊的要求,法国化学家沃奎林对绿柱石和祖母绿进行化学分析,当他把苛性钾溶液加入绿柱石的酸溶液之后,得到一种不溶于过量碱的氢氧化物沉淀。他证明这两种物质具有同一组成,并含有一种新元素。

铍盐有甜味被称为甜土,这种新元素法语叫“glucose”,是“葡萄糖”的意思。后来因为发现镱的盐类也同铍盐一样具有甜味,故改称为“铍”,希腊语“绿柱石”之意。“铍”这一名称是德国化学家韦勒命名的。1828年韦勒用金属钾还原铍土得到纯的金属铍粉末。

5.硼的发现

古代埃及制造玻璃时已使用硼砂作熔剂,但是硼酸的化学成分19世纪初还是个谜。1807年英国化学家戴维报告了用电解法在两白金面之间电解湿硼酸以及在一个金属管中用钾还原硼酸制得了硼。1809年法国化学家盖·吕萨克和锡钠尔德用金属钾还原无水硼酸B2O3取得了单质硼。硼的命名源自阿拉伯文,原意指硼砂“Borax”及相似的化合物“Borate”。

6.碳的发现

无定形碳、石墨、金刚石是三个已知的同素异形体。古代人类就已知道钻木取火,广泛用木炭来冶炼金属,知道炭是比木柴更好的燃料,伐薪烧炭便是古代农民的一种副业。在旧石器时代用山火烧成的黑焦炭作为描绘物象的墨色涂料。从埃及出土的古迹装饰品中就见到过金刚石。

1772年法国拉瓦锡把太阳光集光于金刚石时见产生二氧化碳,才知道它的本质是碳。1797年英国的台耐特确认金刚石是纯碳所组成。碳的命名原意取自拉丁语“木炭”之意。拉丁语中“煤”称为Carbo,英语中元素碳Carbon的名称就是由此得来的。在英语中煤叫coal,它最初用于指任何燃烧着的余烬,如将木材加热但不使其产生火焰,留下一种黑色的残余物,继续加热它会缓慢燃烧,这就是木炭Charcoal。Char的意思是炭化,Charcoal的意思是经过炭化形成的煤。

石墨因其每6个碳原子构成一个六角环形的层状晶体结构,容易写在纸上,因此对于碳的这种同素异形体,又叫做“graphite”,它源自希腊语graphein,意为“写”。

由于金刚石具有正四面体的晶体结构,因此形成非常坚硬的同素异形体,人们一度曾用“adamant”一词来表示它,意为“不可征服的”的物质。

7.氮的发现

1772年英国化学家布拉克的学生卢瑟福把老鼠放进密封的器皿里,及至老鼠闷死后,发现器皿内空气的体积较前减少了1/10,若器内剩余气体再用碱液吸收,则又继续失去1/10的体积。用此法除去空气中的O2、CO2,并研究所余气体的性质,他发现它有不能维持动物生命和灭火的性质,且不溶于苛性钾溶液中,因此命名该气体为“蚀气”或“恶气”。它源自拉丁词“mephitic”,意为“有毒的气体”,但卢瑟福并不承认这种“蚀气”是空气的一种成分。

1772年,瑞典化学家舍勒也从事这一研究,他用硫酐吸收大气中的氧气,取得氮气。法国化学家拉瓦锡则把它称作“azote”。1790年,法国化学家查普塔把它称作“nitrogen”。意指它是某种可以构成硝石的东西,因这种气体构成了常见的化学物质“硝石”分子的一部分,法语中的“硝石”叫nitre。

现在,汉语中将“nitrogen”和“azote”都译作“氮”。中文名曾为“淡气”。

8.氧的发现

17世纪,荷兰化学家德莱贝尔曾加热硝石制得过氧气,但未进行研究。约1700年前后,德国化学家斯塔尔提出一种理论解释为什么有些物质在加热时会燃烧或生锈。他认为这样的物质含有“phlogiston”,它源自希腊词“phlogistos”,原意为“易燃的”。

1756年俄国化学家罗蒙诺索夫曾在密闭玻璃器内煅烧金属,作了金属煅烧后重量增加的试验并指出:重量的增加是由于金属在煅烧时吸收了空气的结果。

1772年,瑞典化学家舍勒首先制得纯净的氧气并对其性质进行了研究。他用硝酸盐KNO、Mg、氧化物HgO、碳酸盐AgCO、HgCO加热分解和用软锰矿与浓硫酸或浓砷酸混合蒸馏,从空气中分出了“火气”。但他的研究成果迟至1775年才发表。发现氧的荣誉被英国牧师兼化学家普利斯特里获得。1774年,普利斯特里利用聚光镜加热汞煅灰,且用水上集气法收集被分解出的气体,研究其性质。他发现这种空气能帮助蜡烛燃烧,使呼吸轻快,使人感到格外舒畅。但由于燃素学说的禁锢,他把这种新气体称作“dephlogisticatedair”,意为“脱去燃素的空气”。

1774年,法国化学家拉瓦锡用Sn和Pb作了著名的金属煅烧试验,指出燃烧就是金属与这种被其称作“上等纯空气”的气体化合的结果,从而推翻了人们信奉达百年之久的“燃素学说”,建立了燃烧的氧化学说,拉瓦锡也获得了“现代化学之父”的尊称。

但拉瓦锡错误地认为在所有的酸中都含有这种新物质,因此他把这种气体命名为“oxygine”,在英语中就是“oxygen”,它源自希腊词oxys和希腊语中的后缀-genes。所以“oxygen”原意就是“产生某种强烈味道的东西”。换句话说,氧这一名称意味着酸的形成者。在日语中把氧称为“酸素”就是这个意思。

德国人也承袭了拉瓦锡的错误,他们用德语将氧气命名为“Sauerstoff”,意为“酸的物质”。

中文曾命名为“养气”,取“养气之质”之意,即人的生命必不可少的东西。

9.氟的发现

氟的发现,被认为是19世纪最困难的任务之一。自1768年马格拉夫发现HF以后,到1886年法国化学家莫瓦桑制得单质F2经历了118年之久。这其中不少科学家为此不屈不挠地辛勤劳动,很多人由此而中剧毒,有的甚至贡献了他们宝贵的生命。

1529年德国化学家阿格里科尔确认萤石的存在,人们开始认识氟的存在。1670年德国纽伦堡的艺术家斯瓦恩哈德发明用萤石和硫酸作为玻璃工业的刻蚀剂。1764年马格拉夫研究了硫酸与萤石的反应。1780年瑞典化学家舍勒在研究硫酸与萤石作用时,他断言生成的酸是一种无机酸,称之为萤石酸,并预言在这种酸中,含有一种新的活泼元素。当时曾被称为“不可驯服的”“不可捉摸”的元素。从这以后,许多化学家致力于分离这个未知元素。但一次一次失败了。先后有德、英、瑞典、比利时、法国的化学家参加了研究工作。仅在法国就经历了四代人,总共106年。为了征服元素氟,先后有四位化学家由于氟中毒而献出了生命,其中有爱尔兰科学院成员托玛克·洛克斯兄弟俩、比利时化学家路易埃、法国化学家杰罗·玛尼克莱;有的化学家如戴维、莫瓦桑等由于在研制过程中受氟的危害得了重病而过早地去世。

1886年法国人莫瓦桑在总结前人经验基础上,在铂制U形管中,用铂铱合金作电极,在-23℃下,电解干燥的氟氢化钾,终于第一次制得单质氟。这一成果轰动了当时法国科学院,也是当时世界化学领域的一个重大事件。莫瓦桑也因此而被授予1906年度诺贝尔化学奖。但由于有害气体的毒害,长期劳累,莫瓦桑于获奖的次年便去世,年仅55岁。

关于氟的命名,早在1810年德国化学家戴维与安培就曾建议用希腊字“Fluo”表示这个未知元素,含“流动”之意。因含氟矿物称为萤石或氟石,远古时代,人们在金属冶炼过程中就知道用萤石作熔剂。萤石和矿石在一起加热时,会使杂质生成流动性的矿渣而与金属分离,因此将其称为fluores,拉丁语“流动”之意。元素氟“Fluorine”,自萤石中制得因此而得名。法语从HF的性质又赋予氟元素“破坏的”原意。

10.氖的发现

1898年英国化学家拉姆赛和特拉弗斯在用化学方法把O2和N2从空气中除去后,利用分级蒸馏粗氩的方法发现氖。确定这个新元素氖的存在是由于在残余气体的发射光谱上发现了新的光谱线。

氖的命名,源自希腊词Neos,意为“新的”即从空气中发现的新气体。

11.钠的发现

钠很早就用为玻璃的原料,1702年德国化学家施塔尔把“碱”分成天然的和人造的两种,即碱和钾灰。1807年英国化学家戴维用电解苏打的方法,在阴极得到金属钠。并为它命名。

1806年戴维在一篇论文中曾预言:“如果化学结合有如我曾大胆设想的那种特性,不管物体的天然电力多强,但总不能没有限度,可是我们人造的仪器的力量似乎能够无限地增大”,所以我们可以“希望新的分解方法使我们能够发现物体的真正元素。”这个预言第二年就实现了。

因为钠存在于天然碱苏打中,Na的取名“sodium”一词即源于此,英文原意“苏打”。元素符号“Na”源自医学拉丁文“Natrium”,意为“头痛药”。

12.镁的发现

1695年英国医生用英国东部的含有盐类的湖水作有效的泻剂,同时小亚细亚有人把白色粉末苦土作为泻剂。1755年英国的卜拉克指出苦土与石灰为截然不同的两种物质。

1808年,英国人戴维使钾蒸气通过热的白镁氧,并用汞提取被还原的镁。他还用汞作阴极电解了硫酸镁、苦土,从而首先发现了镁。但他得到的是一种汞齐形式的镁。

法国科学家布西于1828年用金属钾熔融无水氯化镁,第一次得到了真正纯的镁。

1831年,布西将该金属命名为“镁”。镁的命名取自希腊文,原意为“美格尼西亚”,因为在希腊的美格尼西亚当时盛产一种名叫苦土的镁矿,古罗马人把这种矿物称为“美格尼西·阿尔巴”,“alba”的意思是“白色的”。

13.铝的发现

公元前5世纪已有应用明矾作收敛剂、媒染剂的记载。1824年,丹麦的物理化学家厄斯泰德将氯气通入黏土与木炭的炽热混合物,然后将所得的无水氯化铝与钾汞齐一起加热,第一个制备出不纯的金属铝。

1827年,沃勒把钾和无水氯化铝共热第一个离析了较纯的铝,并描述了它的很多性质。1854年,德维尔用钠作还原剂并成功生产了较大量的比较纯的铝。同年第一次用电解法制备了铝。铝的命名源自拉丁文“明矾”。

14.硅的发现

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