第一章 元素

古希腊哲学家只确认了土、水、气和火四种元素，它们都还保留在占星术对黄道十二宫的划分当中。[1]那时的一些哲学家认为，不同的元素由不同形状的微小成分构成，这样就解释了这些元素的不同性质。他们设想，四元素的基本形状对应着柏拉图多面体（图1），即由大小相同的三角形、正方形等二维图形拼成的立体图形。他们认为土由微小的立方体颗粒构成。如此联想，是因为在所有柏拉图多面体中，立方体每个面的面积最大。[2]水能流动，可以解释为它具有正二十面体那种更流畅的形状；而人碰到火会感到疼痛，是因为火由正四面体这样尖锐的颗粒构成。气由正八面体构成，因为剩下的柏拉图多面体只有它了。一段时间之后，数学家发现了第五种柏拉图多面体，即正十二面体。这使得亚里士多德提出可能还存在第五种元素，即“精华”，也叫作以太。

如今，元素由柏拉图多面体构成的观念已然被视为谬误，但它是另一个硕果累累的观念的源头：物质的宏观性质由组成它们的微观成分的结构决定。这些“元素”一直很好地流传到了中世纪及之后，当中还添加了一些由炼金术士（现代化学家的先祖）发现的其他元素。炼金术士最为人知的目标就是实现元素转化。他们尤其希望将贱金属铅转变成贵金属金，后者因其色泽、稀有程度和稳定的化学性质，自文明诞生起就是最受珍视的物质之一。

不过，古希腊哲学家除了把“元素”看作实际存在的物质之外，还认为它们是一种原则，也就是能够引出元素物质外在性质的倾向与潜能。这种非常细致地区分元素抽象形式与外在形式的做法，在化学发展中扮演了很重要的角色，尽管当前即便专业化学家也不能很好地理解当中更微妙的含义。然而，抽象元素的概念为周期系统的各位先驱（比如主要发现者德米特里·门捷列夫）提供了基本的指导原则。

按大多数教材的说法，化学在抛弃了古希腊知识、炼金术和对元素本质近乎神秘的理解之后，才繁荣发展起来。人们普遍认为，现代科学胜在依靠直接实验，坚持可观测才可信的原则。元素概念中那些更玄妙，或者说更基本的意义渐渐不再被人接受，也是意料之中。例如，安托万·拉瓦锡的观点就是元素必须通过经验观察来定义，这降低了抽象元素或元素作为原则的作用。拉瓦锡认为，元素应当定义为一种尚待分割成更基本成分的物质实体。1789年，拉瓦锡发表了一份包含33种单质（或者按上面的经验标准称为元素）的列表（图2）。这份元素列表正确地抛弃了土、水、气、火四种古代元素：现在已经证明，它们都由更简单的物质构成。

以现代的标准来看，拉瓦锡列表中有许多物质都可以认定是元素。但剩下的如lumière（光）和calorique（热）等就不再是元素了。之后，分离和界定化学物质的技术突飞猛进，为化学家不断扩充这份列表提供了助力。光谱分析是一项测量不同物质的发射和吸收光谱的重要技术，它最终发展为一种非常精确的方法，能够通过元素的“指纹”来确认各种元素。现在，我们已经识别出大约90种自然存在的元素。此外，还人工合成了大概25种元素。

元素的发现

像铁、铜、金、银这些元素，在文明诞生之时就已经为人所知。这说明了这样的事实：这些元素能够以单质形态出现，或者很容易从它们所在的矿石中分离出来。

历史学家和考古学家把人类历史上的某些时期称为铁器时代和青铜时代（青铜是铜与锡的合金）。炼金术士又向元素列表中添加了一些元素，比如硫、汞、磷等。在相对现代的时期，电的发现使化学家可以分离出许多性质更加活泼的元素—这些元素不像铜和铁，没法用矿石和木炭（碳）一起加热得到。化学史上有好几段重要的时期，研究者在几年内就能发现六七种元素。比如，英国化学家汉弗莱·戴维用电（或者更准确地说，用电解技术）分离出了十种元素，包括钙、钡、镁、钠、氯等。

人们发现放射性与核裂变之后，又发现了更多元素。自然存在条件下，最后分离出来的七种元素分别是镤、铪、铼、锝、钫、砹和钷，分离时间在1917年到1945年之间。最后填上的空缺是第43号元素，也就是锝。它得名于希腊语的techne，意思是“人造的”。它由辐射化学反应过程“制造”出来，这在核物理出现之前不可能做到。不过，现在我们知道，锝在地球上确实能够自然存在，只是含量非常低而已。

元素的命名

元素周期表的吸引力，一部分来源于元素的独特性质，比如它们的颜色、触感等。还有很大一部分则在于它们的名字。化学家、集中营幸存者普里莫·莱维写过一本广受好评的书，就叫《元素周期表》，它的每一章都以一种元素命名。这本书主要讲述了莱维与亲人、熟人的故事，每段故事都因他对某种元素的喜爱而起。神经学家、作家奥利弗·萨克斯写过一本名为《钨舅舅》的书，讲述了他对元素、化学，尤其是对周期表的痴迷。最近还有萨姆·基恩和修·奥尔德西—威廉姆斯写的两本关于元素的畅销书。我想可以这么说，元素吸引公众想象力的时代现在真的到来了。

发现元素后的几百年来，研究者用了许多不同的方式来给元素命名。第61号元素钷的名字（promethium）来源于普罗米修斯（Prometheus）。这位天神从天界将火盗予人类，因此遭受宙斯惩罚。这个故事和第61号元素的关联是，研究者在分离它时付出了很大努力，就像希腊神话中的普罗米修斯那般英勇，不畏艰险。钷是地球上少数非自然存在的元素之一，它是另一种元素—铀—经过核裂变的衰变产物。

行星和其他天体也被用于命名元素。氦元素的名字（helium）来自helios，希腊语中的太阳。它最早是1868年从太阳的光谱中发现的，直到1895年才从地球上的物质中识别出来。类似的还有以小行星智神星（Pallas）命名的钯（palladium），而智神星的名字又来自希腊的智慧女神帕拉斯（Pallas）[3]。元素铈（cerium）以人类1801年发现的第一颗小行星谷神星（Ceres）命名。铀（uranium）以天王星（Uranus）命名，两者都发现于18世纪80年代。许多这类例子都有神话的主题。例如，乌拉诺斯（Uranus）就是希腊神话中的天空之神。

许多元素因其颜色而得名。黄绿色的气体氯（chlorine）得名于希腊语khloros，指的就是黄绿色。铯（caesium）得名于拉丁语cesium，意思是蓝灰色，因为它的光谱中有明显的蓝灰线。元素铑（rhodium）的盐是粉红色的，所以研究者为它选了rhodon这个词，即希腊语里的蔷薇。金属铊（thallium）得名于拉丁语thallus，意思是绿枝。这种元素是英国化学家威廉·克鲁克斯因其光谱中有明显的绿线而发现的。

很大一部分元素的名字来源于发现者所居住的或希望纪念的地方。比如镅、锫、锎、、铕、钫、锗、、钋、镓、铪（hafnium，出自哥本哈根的拉丁名Hafnia）、镥（lutetium，出自巴黎的拉丁名Lutetia）、镆、（nihonium，出自日本的罗马字Nihon）、铼（rhenium，出自莱茵河流域的英文名Rhine）、钌（ruthenium，出自Rus，拉丁文中指今天的俄罗斯西部、乌克兰、白俄罗斯、斯洛伐克的一部分和波兰等地区）和。[4]还有的元素名得自发现它们的矿场的地理位置。这一类包括四种以瑞典村庄伊特比（Ytterby，靠近斯德哥尔摩）命名的元素：铒（erbium）、铽（terbium）、镱（ytterbium）和钇（yttrium），它们都是在村庄附近的一处矿区发现的。还有第五种元素钬（holmium），以斯德哥尔摩的拉丁名Holmensis命名。

对于更近期合成的元素，它们的名字多来自发现者或发现者希望纪念的人。例如，、锔、锿、镄、鈇、铹、、钔、锘、、、、都是如此。[5]

表尾的超铀元素命名带有民族主义争端的特征，在一些情况下，研究者对是谁第一个合成了某元素及由此在选名上应该纪念谁，会爆发相当激烈的争论。为了试着解决这类争端，国际纯粹与应用化学联合会规定，在任何情况下，元素都应当公平且系统地用原子序数的拉丁数字命名。比如，第105号元素就是un-nil-pentium（Unp），而第106号元素就是un-nil-hexium（Unh）。不过最近，国际纯粹与应用化学联合会在审议了一些最新的超重元素后，又将命名权还给了在各自情况下确定了优先权的发现者或合成者。第105和第106号元素现在分别称作（dubnium）和（seaborgium）。

周期表中用来标记各个元素的符号也有丰富有趣的故事。在炼金术时代，元素符号通常和它们从之得名或与之相关的天体的符号一致（图3）。例如，汞元素就和水星（太阳系最靠内的行星）共用一个符号。铜和金星相关，二者也共用一个符号。

约翰·道尔顿在1805年发表他的原子理论时，就为元素保留了几个炼金术符号。然而，这些符号非常不方便，在文章和书籍里也很难复制。使用字母符号的现代方法是瑞典化学家琼斯·雅可比·贝采尼乌斯在1813年开始采用的。

现代周期表里有很少一部分元素用单个字母表示，比如氢、碳、氧、氮、硫、氟等，分别用H、C、O、N、S、F等表示。大部分元素用两个字母表示，其中首字母大写，另一个小写。例如，我们分别用Kr、Mg、Ne、Ba、Sc来表示氪、镁、氖、钡、钪。有些双字母符号直观上完全看不出来源，比如Cu、Na、Fe、Pb、Hg、Ag、Au等，它们来自铜、钠、铁、铅、汞、银、金的拉丁名。钨用W表示，出自该元素的德语名wolfram。