新元素等４則

在自然哲學(xué)理論的指引下，煉丹術(shù)和煉金術(shù)推動(dòng)了化學(xué)的發(fā)展。但是隨著研究的深入，人們逐漸擺脫了古老的自然哲學(xué)理論的桎梏，化學(xué)從而走上正軌，新元素不斷被發(fā)現(xiàn)，原子、離子、電子……人們對(duì)物質(zhì)的理解更加深刻。

重力是普遍存在著的，但化學(xué)親和力卻是選擇性的：有些物質(zhì)在一起會(huì)發(fā)生反應(yīng)，而有些則不然。1800年拉瓦錫給化學(xué)增添了一個(gè)新詞匯和一種新的燃燒理論，不過，從簡單力學(xué)出發(fā)解釋化學(xué)親和力的是牛頓。后來，亞歷山德羅·伏特發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同的金屬被濕紙板隔開的時(shí)候，中間會(huì)有電流通過。漢弗萊·戴維認(rèn)為，這種現(xiàn)象不可能是簡單的接觸引起的，一定有一種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了電。

1801年，戴維在倫敦的皇家學(xué)院擔(dān)任講師一職，他吸引了大量的付費(fèi)聽眾，賺的錢足以成立一個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室。戴維最早的研究方向是制革法和農(nóng)業(yè)，但從1806年起他開始做“純”研究。戴維做了個(gè)大的伏特電池，然后把鐵絲和電池連接起來插到水里。他發(fā)現(xiàn)在鐵絲周圍冒出了氧氣泡和2倍量的氫氣泡。戴維覺得，冒出來的氧氣和氫氣的比例應(yīng)該準(zhǔn)確無誤，正如它們形成水的比例一樣，而且不會(huì)生成其他氣體。他用銀、金和瑪瑙儀器做實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了他的預(yù)測。他得出結(jié)論，電和化學(xué)反應(yīng)都是一種動(dòng)力的顯示。

戴維正處于豐收期。第二年他試著用電流來分解其他物質(zhì)，特別是苛性鉀和碳酸鈉。碳酸鉀熔化了，火星四射，戴維制造出了一種活性很強(qiáng)的發(fā)光的“湯汁”，看上去就像煉金術(shù)士追尋多年的萬能溶劑，他高興得在實(shí)驗(yàn)室里跳起舞來。戴維發(fā)現(xiàn)，用這種漂浮于水面的軟材料作實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)爆發(fā)出火焰，他確信這是一種金屬，并把它改名為“鉀”。戴維從蘇打里制造出的是一種類似鈉的物質(zhì)，他后來還離析出鈣和其他金屬。

戴維提出的化學(xué)親和力與電有關(guān)的學(xué)說影響了很多化學(xué)家，使他們系統(tǒng)地得出了新的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律。

原子論

物質(zhì)是由一種叫做“原子”的不可再分的小微粒組成的。最早提出這種說法的可能是生活在公元前5世紀(jì)的希臘人德謨克利特。不過，直到19世紀(jì)，這種理論才為人們廣泛接受。甚至在1900年的時(shí)候，仍有一些很出名的科學(xué)家不承認(rèn)這種看不見的實(shí)體。德國物理學(xué)家恩斯特·馬赫曾多次輕蔑地說：“這種東西有誰曾見過一個(gè)嗎?”

約翰·道爾頓不用親眼見到原子就能推斷原子的存在。他只是反問了幾個(gè)簡單的問題：為什么水總是含有同樣比例的氫和氧？為什么生成二氧化碳時(shí)，氧和碳的比例總是不變的？1808年，道爾頓出版了《化學(xué)哲學(xué)的新體系》，在書中對(duì)這些問題一一作答。原子是非常微小的有著固定質(zhì)量的圓形的物質(zhì)微粒；不同的化學(xué)元素有自己獨(dú)特的原子；原子按一定比例結(jié)合成分子。道爾頓的原子論引發(fā)了一場觀念上的革命，此后的化學(xué)家一直都采用道爾頓的理論。

電子

1897年，第一個(gè)電子在陰極射線管里被發(fā)現(xiàn)。作為19世紀(jì)物理學(xué)家們的寵兒和大多數(shù)電視屏幕的基礎(chǔ)部件，陰極射線管在現(xiàn)代社會(huì)里是再普通不過了。當(dāng)真空玻璃試管一端的熱金屬電極接觸高壓電時(shí)，電極發(fā)出無形的射線直達(dá)涂滿熒光材料的試管的另一端。19世紀(jì)，當(dāng)熒光材料發(fā)光時(shí)，陰極射線管常常會(huì)發(fā)出令人恐怖的圖案。

物理學(xué)家花費(fèi)幾十年的時(shí)間進(jìn)行陰極射線的實(shí)驗(yàn)，卻始終搞不清其真實(shí)面目。通常認(rèn)為它是來自乙醚中的波，尤塞弗·約翰·湯姆森則認(rèn)為陰極射線是從陰極發(fā)出的速度很快的電荷。

湯姆森認(rèn)為它們的路徑遇到磁場會(huì)改變，當(dāng)遇到金屬時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，觀察它們?nèi)绾瓮ㄟ^電磁場之后，他發(fā)現(xiàn)不論是由什么樣的金屬發(fā)出，這些顆粒不僅形狀相同，而且它們的電荷同物質(zhì)的比率也相同，湯姆森就此認(rèn)為他的帶電微粒是構(gòu)成物質(zhì)的基礎(chǔ)。

湯姆森還發(fā)現(xiàn)原子是由大量的中子組成。中子在正極上形成一個(gè)球型。雖然這方面的研究取得一定成功，但是在歐內(nèi)斯特·盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核之前卻沒能引起人們的注意。

歐內(nèi)斯特·盧瑟福的發(fā)現(xiàn)使我們認(rèn)識(shí)到，電子雖然并不是組成物質(zhì)的唯一的顆粒，但卻被認(rèn)為是世界上無處不在的物質(zhì)的組成部分。電子組成所有的化學(xué)結(jié)合物，將物質(zhì)組合到一起。

元素周期表

1858年，意大利化學(xué)家斯坦尼斯勞·坎尼扎羅發(fā)布了第一份可靠的原子質(zhì)量表。不久其他科學(xué)家用相同的資料按照遞增的順序排列原子質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相同屬性的原子周期性地出現(xiàn)。27歲的英國科學(xué)家約翰·紐蘭的斯1865年設(shè)計(jì)了最初的周期表，但沒有引起當(dāng)時(shí)人們的注意。

世界上草擬第一份廣為認(rèn)可的元素周期表的榮譽(yù)非俄羅斯化學(xué)家門捷列夫莫屬。這位圣彼得堡的化學(xué)教授真正弄清了它的含義。1869年，在編寫一本化學(xué)教科書時(shí)，他不停地思考如何講解當(dāng)時(shí)已知的65種元素。于是他只好把它們的名稱、原子質(zhì)量和一些屬性寫在65張卡片上。在一個(gè)寒冷的冬日，他關(guān)在房間里按照行列排順序，他看上去像是在做一種耐力游戲。

突然他發(fā)現(xiàn)自己排列出的元素卡片有某種規(guī)律，更重要的是，他意識(shí)到表格中的空白將來會(huì)被還未發(fā)現(xiàn)的元素填補(bǔ)。門捷列夫非常自信地預(yù)測了幾種未知的元素的屬性（幾年后，當(dāng)它們被發(fā)現(xiàn)后與門捷列夫的推斷基本一致）。門捷列夫迅速地將他的元素周期表和所做的預(yù)測發(fā)表。幾乎就在同時(shí)，尤力斯·勞薩·邁爾揭開了元素的模式。他按照元素質(zhì)量和體積的關(guān)系繪制了一張圖表。一位評(píng)論家延誤了他的論文的發(fā)表，讓門捷列夫捷足先登。