眾所周知，自然界有92種元素，世間萬物都是由其中的壹種或幾種元素組成的。這些元素的成員具有不同的特征，甚至有很大的差異。比如，從體積上來說，氫原子是非常小的，而鈾原子相對於它來說就是個龐然大物。有限的元素以不同的方式排列組合，形成五彩繽紛的物質世界，包括月球上的巖石、芭比娃娃、猴子和空中客車。我們人類發現了它們，找到了它們，分析了它們，我們也把其中的壹部分拆分重組，得到了我們自己的元素。元素周期表中所列的118中的元素，現在包括了人類合成或拆分的26種元素。
現在沒有人會懷疑關於元素的觀點，但我們必須承認，元素發現的過程與人類在這壹領域的探索歷程相比還是很短的。在不斷發現元素的過程中，人們有過困惑、擔憂和爭論。本文從化學史的角度探討元素發現的故事。
壹、思考世界要“四分”
"世界上的壹切都是由幾種簡單的材料組成的."這種思想起源於公元前六世紀希臘的愛奧尼亞地區，也就是現在土耳其的西南海岸。在古代，這裏的壹些流放罪犯是壹些思想理論的創始人，這些思想理論就是後來的自然哲學。希臘人的好奇心也是這種想法的直接驅動因素，他們從未停止對世界運行奧秘的思考。壹個最重要也是最基本的問題是:物質的本質是什麽？
擺脫了神學思想束縛的愛奧尼亞思想家和哲學家開始相信，自然界的事物和現象都應該用邏輯來解釋。其中有壹個叫泰勒斯1的人，是學術界公認的思考物質本質構成的第壹人。在他那個時代，絕大多數希臘人都是商人，希臘殖民地幾乎遍布地中海。地區間貿易發展迅速，主要貿易項目為谷物、橄欖油、魚幹、葡萄酒、金屬、木材和奴隸。貿易的興起給泰勒斯帶來了周遊世界的便利，而他自己在貿易和行走希臘的經歷也促使他思考。他說宇宙的基本原理或元素是水。宇宙中已知的壹切都是水合成的，或者是水發生變化後的變體。水形成蒸汽，飛入大氣，在變成雨之前從大氣中落下。雨水擊打地面，使地面變得緊密堅硬，最後變成堅硬的巖石。所以壹切都是從水開始，逐漸演變，最後變成水。
泰勒斯基於水的宇宙思想表明，整個世界本質上是由壹種元素演化而來的。他的觀點引起了很多爭議，他最喜歡的學生阿那克西曼德2是最激烈的反對者。他認為整個物質世界太豐富、太奇妙，無法想象是建立在這樣壹種簡單而普通的元素——水之上的。世界的基本要素必須更加抽象和普遍。阿那克西曼德還提出了壹種無形的原生生物形式，名為apeiron3，它有能力改造和產生世界上的壹切。阿那克西曼德最喜歡的學生阿那克西美尼(公元前585年——公元前525年——公元前525年)，也放棄了等離子體假說。在他看來，任何物質都必須包含某種物質，沒有什麽是可以包含的。他認為這種“某種物質”就是空氣，因為地球上幾乎到處都有空氣。
隨著爭論的擴大，其他物質構成理論開始出現。赫拉克利特(公元前540年——公元前480年——公元前480年)，古希臘唯物主義哲學家，認為火是萬物之源，萬物都在變化。變化在宇宙中占據最重要的位置。火——最活躍的元素，構成了宇宙中最基本的建築材料。世界由火構成，火升水，水再生土，土液化生成水，水繼續變化生成火，如此循環。此外，還有色諾芬尼的土為本源假說，認為土是萬物之本。
哲學家恩培多克勒(公元前494年-公元前432年)對古希臘自然哲學的元素論做出了最大的貢獻。他對宇宙物質基本構成的思考，可以說是接近現代科學理論的概念。恩培多克勒將前人關於壹個基本元素構成世界萬物的各種假說和假設綜合成壹個連貫的整體，推導出壹個包含四個成分的模型。水、氣、火、土這四個組成部分各司其職，平等運作，相互關聯。恩培多克勒在他的四元素學說中指出，這四種基本元素，或單獨或相互結合，構成了世界上的各種物質。事物之所以呈現出不同的形態，是因為它們的組合成分在外力的作用下相互分離或重新組合；這些外力分別有親和力和沖擊力。四種元素在構成過程中的比例決定了物質的形態。比如恩培多克勒認為骨頭是由火、水、土組成的，比例是4: 2: 2。恩培多克勒的思想與現代化學元素理論非常相似。比如他說，壹切物質都是由壹定量的壹種或某種物質組成的，數量不會減少；這些物質按壹定比例混合在壹起。事實上，世界上其他壹些民族的文化對宇宙的問題也有類似的看法。中國古代的陰陽五行學說就是其中之壹。古印度人還提出了五行學說——火、水、土、氣、醚，作為物質的元素。
二、從“四點”到燃素說
歐洲中世紀早期是壹個蒙昧黑暗的時代，但中東的科學技術依然繁榮發展。古代歐洲的四大元素概念開始在阿拉伯煉金術士中慢慢發展。其中壹位著名的研究者是Khabir Ibn Hayyan，他出生在14和15的世界，幾部最有影響力的煉金術和冶金學著作都是由他或以他的名義出版的。其中完美熔煉品(1678)、爐之書(1678)、完美判斷(1678)、真實發明(1678)。在這些書中，哈比爾·伊本·赫揚詳細描述了他所有重要的化學實驗。從他的描述中，我們發現他不僅僅是壹個普通的技術人員，他對壹些簡單的化學反應過程的領悟和理解也達到了驚人的程度。這也包括元素理論和解釋理解。哈比爾·伊本·何晏認為，所有的金屬元素都是由貢和硫組成的，只是比例不同。所以理論上任何金屬都可以分解成貢和硫，然後按照另壹種比例產生新的金屬元素。
壹個世紀後，波斯醫生阿爾·魯伊斯再次發展了這壹理論。他把它所使用的化學物質按照物品的味道、溶解性或者質地分為金屬、硫酸、硼砂、鹽、石頭等等。這種劃分方法是現代化合物和元素理論的最早嘗試。Al Ritz在元素二分法中加入了第三個因素——鹽，提出了所有固體物質都是由這三種元素(宮、硫、鹽)以不同比例組成的假設，因為這三種物質分別代表了易燃性、揮發性和溶解性三個特性。
瑞士煉金術士帕拉塞爾蘇斯(1493-1541)綜合了上述兩種觀點，用燃燒物質作為探索物質組成的方法。根據他的秘書的記錄，“他的廚房裏總是火花四射，還有他的堿土，冒煙的硫酸升華物，雷克斯藥劑，石油，砒霜粉，研磨粉，神秘的樟腦制劑，還有壹些天知道是什麽東西制成的混合物，使煙霧彌漫。有壹次，他差點把我掐死。那壹天，他讓我看他蒸餾器裏的烈酒，並把我的投擲物用力壓在這種液體的表面。抽煙的怪味直沖鼻孔和喉嚨，有毒的蒸汽差點讓我暈過去。”帕拉切爾蘇斯從類似的實驗中得出結論:古希臘人的四種基本元素確實是所有物質的基本元素，但可以分為阿拉伯人所說的三種元素(貢、硫、鹽)。在他看來，樹枝燃燒時釋放的四種物質是煙(氣)、焰(火)、從斷口噴出的液體(水)和燃燒後留下的灰燼(土)。升起的煙是貢品，火焰代表硫磺，灰燼是鹽。
關於樹枝燃燒現象，1658的英國化學家羅伯·波義耳(Rober Boyle)說:“至於綠樹枝燃燒理論，燃燒時產生的火焰並不能將其分解成元素，只能分解成壹些混合物。不同的是，這些混合物是另壹種形式。”波義耳主張化學研究必須使化學擺脫在煉金術或醫學中的從屬地位，發展成為壹門致力於探索自然的獨立科學。為了確定科學化學，波義耳認為首先要解決化學中壹個最基本的概念:元素。波義耳通過壹系列實驗懷疑傳統的元素觀。他指出，這些傳統元素不壹定是真實的元素。對於很多物質的固化，比如黃金，並不含有這些“元素”，不可能從黃金中分離出硫、汞、鹽等任何元素。相反，這些元素中的鹽是可以分解的。波義耳認為，只有那些不能用化學方法分解的簡單物質才是元素。例如，黃金可以與其他金屬形成合金或溶解在王水中進行隱藏，但它仍然可以恢復原狀並被回收。水星也是。作為萬物之源，不是四三個元素，而是壹定有很多。
第三，拉瓦錫和道爾頓
繼波義耳之後，1789年，法國化學家、現代化學創始人安托萬·拉瓦錫發表了《化學元素論》。拉瓦錫在論文中總結了人類已知的元素，將其分為四類:氣體元素、金屬元素、非金屬元素和土耳其元素。當時發現的元素總數是33種。拉瓦錫說元素的劃分原則是“我們不能再分解”，所以所有不能分解的物質都被他稱為元素。然而，他補充說，“這絕不意味著我們可以有把握地說，我們現在認為是簡單的物質在未來永遠不會進壹步分解為兩個或更多的基本粒子，……除非未來的實驗和觀察結果可以反駁這壹論點”。果然，在拉瓦錫命名的33種元素中，後來證實有8種重視可以分解的化合物。這八種元素中有石灰、二氧化矽、瀉鹽，還有光和熱根本不是元素。其余23種元素包括金、銀、銅、鐵、汞、錫、鉛、銻、硫、碳、鋅、砷、鉍、磷、鉑、鎳、鉬、錳、M、H、N、O、W和Co。
英國化學家約翰·道爾頓進壹步發展了拉瓦錫的理論。道爾頓從氣象學到化學出家，很快取得了重要成就。他創造性地將算術和量子化學融入古希臘的化學元素理論，產生了自己的元素理論。道爾頓認為，元素實際上是由再也無法分離的微小粒子組成的；不同的元素有不同的組成粒子，任何特定的元素都只能由特定的粒子組成。他稱這些粒子為原子。當這些原子按壹定比例結合時，就能產生不同的化合物。因為化合物是由各種原子組成的，而原子是不可分的，所以化合物中各種元素的比例必然是簡單的整數比。
同時，道爾頓開始計算各種元素原子的相對重量，從最輕的氫開始。到1810年底，道爾頓已經為20多種元素建立了原子尺度，包括氧、氮、磷、硫、銅、鐵等。至此，人類看不見的原子終於被賦予了自己固有的物理尺度、本質和特征。道爾頓還提出了第壹個具有化學意義的符號系統——每個原子用壹個有確定符號的圓來表示，例如，氫原子是壹個中心有壹個點的圓，氧原子是壹個空心圓。但這套符號因為花樣太多，變化太大，沒有被後人采用。
第四，元素周期表和門捷列夫
19世紀化學研究的另壹大難題是如何對所有元素進行分類。在整個19世紀，化學家們壹直試圖找到壹個所有元素可以合並的邏輯順序。
瑞典化學家雅各布·貝爾澤利烏斯(Jacob Berzelius)提出將所有物質分為“不可測量的物質”，包括電、磁、光、熱，“可測量的物質”，包括各種元素和化合物。元素可分為氧、非金屬和金屬。化合物分為礦物和“有組織的身體”。元素的排列順序基於它們的電解性質。1817化學家約翰·德貝賴納5首先觀察到不同元素的壹些相似性，這成為元素周期理論的先驅。他提出每三種元素根據化學性質的相似性組成壹組。比如鍶的化學性質類似於鈣和鋇，鍶的原子量介於鈣和鋇之間，所以德貝賴納把這三種元素歸為壹類，類似於音樂的“三重態”。後來，他發現了更多類似的三胞胎。雖然這個想法最終被認為是錯誤的，但它激發了人們更廣泛的思考。於是也就提出了“五聲音階”的想法。
“三重態”和“五重態”的發現被合並後，人們組合成壹個有規律的元素列表。1862年，Chancourtois)6擬定了世界上第壹個元素周期表，包含24種元素。Chancortes觀察到按照原子量將元素排成行會導致壹些相同的特征，於是他將各種元素的符號按照原子量增加的順序刻在壹個圓柱體上，這些元素呈現出螺旋上升的狀態。後來，英國化學家約翰·亞歷山大·雷納·紐蘭茲利發表文章說，如果把元素按照原子質量遞增的順序排列，就會發現壹種元素的特征會出現在這個順序的前八位和後八位。紐蘭茲將這種每八個位置出現壹次的周期性現象比作音樂中的八度復律，並將其命名為“八度律”周期。
最終解決化學元素分類的人是著名的俄羅斯化學家季米特裏·門捷列夫。門捷列夫將63種已知元素按原子量升序排列時，發現這些元素的化合價也呈現出有節奏的往復現象。化合價是原子形成這種元素的化學鍵的能力的標誌。沿著這個表看，門捷列夫發現元素的化合價有規律地波動——1，2，3，4，3，2，1；諸如此類。
門捷列夫受單人紙牌遊戲的啟發，在紙牌背面寫上元素的名稱，按照撲克牌的順序排列，橫向按原子質量，縱向按化合價。而且按照這種方法排列的元素周期表還具有預測未發現元素的功能，因為元素在表中排列的位置預測了未發現元素的化學性質、化合價和原子量。
門捷列夫在1869年發表了壹篇題為《元素新體系》的論文，但西方主流學術界並不重視，因為當時的化學家已經厭倦了各種分類體系。直到1875年8月27日，壹個法國釀酒商的兒子發現了壹種新元素鎵，原子量69，化合價3。鎵的化學性質、化合價、原子量恰好與門捷列夫在元素周期表中預言的元素“類鋁”壹致。人們終於認識到門捷列夫理論的準確性。後來的科學發展證明，門捷列夫的元素周期表對當時以及後來的化學發展起了決定性的作用。為了紀念門捷列夫，人們將101號元素命名為門捷列夫。
動詞 （verb的縮寫）結論
人類現在已經生活在信息時代，我們已經清楚地知道了成千上萬種物質的原子排列，但是還有無數未解之謎等待我們去發現。科學之路不可能壹帆風順，科學和科學家的任務還有很長的路要走。當我們享受現代文明帶來的便利和舒適時，請不要忘記，我們文明的壹切成就，都是先輩們汗水和智慧的結晶。
給…作註解
1泰勒斯:公元前624年-公元前546年，古希臘哲學家、數學家、天文學家，米利都學派創始人，主張樸素唯物主義。
阿那克西曼德:阿那克西曼德，公元前610-公元前546年，被譽為天文學的創始人。
3apeiron:希臘語，意為“無窮小”和“不確定”。
4瀉鹽，即氧化鎂和Mgo。
約翰·德貝賴納:約翰·德貝賴納，1780-1849，德國化學家。
6亞歷山大·尚科爾特斯:又譯貝吉耶·德·尚古爾多阿，1820-1886，法國地質學家。
參考文獻和參考書目:
1.科學史，壹個化學家的評論[美]艾倫·g·德博斯著，石家莊，河北科學技術出版社，2000年。
2.《水、蒸氣、火和土——元素發現的歷史故事》[英]麗貝卡·盧普著，宋·譯，北京，商務印書館，2008年
3.《化學哲學的新體系》[英]約翰·道爾頓著，李家鈺譯，武漢出版社1996武漢。
4.《化學哲學導論》，邱道濟，南京師範大學出版社，南京，2007