历史回眸

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化学符号的发展

发布人:化学化工学院发布时间:2011/11/22浏览次数:194次

学生从上初中开始学习化学,就要接触元素符号,因此大多数人对它并不陌生。但除去化学史学家外,了解其发展演变过程的人并不多。现在所用的字母式元素符号也叫化学符号,是一种特殊的化学语言,诞生于18世纪初,已180多年。为了给各国化学家提供一个每种语言用起来都无需改变的化学符号和化学式系统,1813年,瑞典化学大师贝采里乌斯(J.Berzelius17791848年)在《哲学年鉴》上第一次发表了他的化学符号,它是用来表示一种元素和该元素的一个原子及其相对原子质量的一个或一组字母。这套符号通用以后,就成为世界通用的化学语言,在现代化学的发展中起着十分重要的作用。可以毫不夸张地说,没有这些符号,现代化学的发展简直难以想象。实际上元素符号是随着化学科学的发展,经历了2000多年漫长岁月的演化,才成了今天这种形式。它的发展反映了化学的逐步发展过程,反映了人类对物质世界的认识由感性到理性,由低级到高级的辩证发展过程。

一、应用化学的起源与化学符号的产生

化学符号的起源可追溯到古埃及。古埃及是化学最早的发源地之一,现代西方语言中化学一词就来源于古埃及的国名“chēmia”。早在公元前3400年(第一王朝)之前,埃及就会冶金了。从其遗物中发现,古埃及人很擅长加工金属。最早利用的是金,它以天然的金属形式存在,并以其灿烂的色泽引人注目。其次知道的是铜,不久又发明了青铜(铜锡合金)。在前王朝(前3400年)时期,埃及人也知道了铁、银和铅等金属。埃及人制造玻璃、釉陶和其他材料的工艺也日益完善,后来还发展了天然染料的提取技术。最初这些技术是靠父子或师徒之间口传心授的,没有留下什么文字记载。随着文字的产生和技术发展的需要,有必要将一些化学配方和工艺记录下来,以备查阅和传之后代。为了保密以免技术落入外人之手,一些关键性的物质、设备和工艺都不能用通用的文字表达,而需借助于一些特定的,只有自己人才能看懂的符号。其中表示物质的符号就是最早的化学符号。由此可见,化学符号的产生有两个前提:一是化学工艺的发展达到一定成熟的阶段,使得有东西值得记录;二是文字的产生,使得信息的记录成为可能,并受文字的启发,制定出一些特定的符号。但因年代久远,记录材料落后,古埃及时所用的化学符号是什么样子,现在很难知道了。

现存最早的化学书籍是在埃及亚力山大发现的古希腊文著作,其中就有许多希腊文字典中根本查不出的技术符号与术语。古希腊文明是在古埃及和巴比伦文明的基础上发展起来的。巴比伦人的化学工艺虽不及埃及发达,但其天文学非常发达,很早就对太阳、月亮和行星在恒星间的运动进行了观察,并且按太阳、月亮和五大行星给一周的七天命名,所以叫星期。后来在丰富的天文知识基础上,建立了一种异想天开的占星术体系,并把它作为这门基础科学的主要的和最有价值的对象。各种古代知识在希腊的汇合,产生了丰富多彩的自然哲学,也产生了最早的化学著作。在这些著作中,来自巴比伦的占星学研究与来自埃及的化学研究在所谓交感的基础上联系起来,即把已知的七种金属与日、月和五大行星联系起来,用行星的符号表示金属,即太阳=金,月亮=银,火星=铁,金星=铜等,如图1所示:

 

1  占星术符号与化学符号

2给出希腊手稿中金属及其他一些物质的符号,其中一些仅仅是该物质的希腊文缩写,例如醋(ξOS),汁液(xνμòs)等。

化学符号的产生使得记录化学配方与工艺有了简捷的方法,使得许多资料得以保存和传播,从而促进了化学的发展。公元前1世纪,来自巴比伦的神秘主义、埃及的工艺学和希腊哲学这三大截然不同潮流的最终汇合,导致亚力山大炼金术的诞生,从而开始了化学发展的第2个阶段——炼金术时期。

二、炼金术的发展与化学符号的演变

炼金术的另一个更早的发源地是中国,在公元前2世纪产生了炼丹术,以炼制长生不老丹为目的;西方炼金术的主要目的则是将贱金属转变为贵金属。

在炼金实践中他们搞出了一整套技术名词,使得不仅有了记录所用物品的简捷方法,还能对公众保密,终于形成了一套庞杂的名称符号体系。后来随着神秘主义倾向的增长,又加上大量哲学臆测,终于把流传至今的炼金术情况弄得愈加模糊混乱。不过经常有一些炼金家热衷于实验科学,发展下去终于使它变成了化学。在长达1500多年的发展过程中他们发现了许多新物质和新的化学反应,发明了一些新设备,为近代化学作了方法与素材上的准备。

炼金家所用的符号因时因地而有一定差异。

317世纪炼金家代表砷和锑的符号,带有浓厚的神秘色彩。图41609年一本化学教科书中引用的符号,与图2相比可知两者差不多,显然有些符号是从图2改进而来,例如砷。图51719世纪炼金家与化学家所使用的部分化学符号,从而可以看出其演变过程,基本上是由复杂趋于简单,由不规整趋于规整,但直到18世纪为止,仍保留着图形式符号的形式,说明在变化中又有连续性。这些神秘性的符号正适合于带有神秘性的炼金术的发展。由于当时所知道的物质不太多,且从事炼金术的只是一少部分人,这种符号的不方便和难以传播等缺点还不太突出,以致于仍被早期的化学家们所沿用。

原子、元素与元素符号

(一)、化学原子论的提出与道尔顿的化学符号

17世纪中叶,经由近代化学的奠基者波义耳(16271691年)提出科学的元素概念,使化学走上科学化发展的道路,开始了近代化学的发展时期。1718世纪的化学家们冲破了炼金术的羁绊,在化学的理论和实践上都取得了长足的进展,陆续发现了许多新元素,化学知识面更为扩大。

61718年编的一张化学亲合力表,可见化学物质虽增加许多,但所用的仍是炼丹术符号。18世纪末叶由拉瓦锡(17431794年)开创的化学革命,确立了以燃烧的氧学说为中心的近代化学体系,从而第一次使化学建立在真正的科学基础之上。但他所用的物质仍一直沿用着与实际成分毫不相干的炼金术符号,学生只有靠死记硬背才能掌握住他所接触的物质名称,而新发现的物质正不断增多,落后的术语与符号体系已日益成为化学发展的阻碍因素。为解决这一难题,戴莫维(De Morveau17371816年)与拉瓦锡等人于1787年发表了《化学命名法》,规定每种物质须有一固定名称,单质名称应反映它们的特征,化合物的名称应反映其组成,从而为单质和化合物的科学命名奠定了基础。1783年,贝格曼17351784年)首先提出用符号表示化学式,例如硫化铜用硫和铜的符号联用表示,如图7—5第四行所示。

摘自《皇家科学院回忆录》(Nemoires de Iacadcmic royale des sciences1718年,第212页。

1803年,道尔顿(17661844年)提出了化学原子论,还设计了一整套符号表示他的理论,用一些圆圈再加上各种线、点和字母表示不同元素的原子,用不同的原子组合起来表示化学式,如图7所示:从此化学符号的演变就一直与原子论的发展紧密相连。

化学发展到19世纪初,已彻底打破了炼金术的束缚,沿用了2000年之久的炼金术符号已完全不适于表达物质的组成,对化学的发展与传播起着越来越大的阻碍作用。道尔顿的圆圈形化学符号正是在这样的情形下应运而生,由于它们具有鲜明简单的图案,又与设想的球形原子形状相似,并可用图形表示化合物中原子的排列,因此很易为人们所接受,从此沿用了2000年的炼金术符号终于退出了化学舞台,如今只有在化学史教科书中才能见到了。

炼金术符号的被取代,是化学发展的历史必然。首先,这套符号缺乏系统性与逻辑性,符号与物质的特性毫无关系;其次缺乏简单性是其致命弱点。随着化学科学的建立,化学的发展、交流与传播速度大大加快,这套神秘复杂的符号再也不能适应现实的需要,必然要被新的、简单、系统的符号系统所取代。道尔顿的符号具有统一的形状,比起炼金术符号要简单系统得多,但仍没脱去图形符号的巢臼,表示起稍复杂的化学式仍不方便,如明矾,用了大小24个圆圈,用作实验记录要画老半天,所占篇幅也太大,不好记住,比起旧的炼金术符号好不了太多。

(二)、化学原子论的确立与贝采里乌斯的化学符号

化学原子论与古代原子论的本质区别在于把不同元素的原子与一定的相对原子质量联系起来。因此要在化学的各个领域巩固原子论,就要把已知所有元素的相对原子质量测出。贝采里乌斯就把这件工作作为自己科学生活的目的,在短短几年内测定了所有已知元素的相对原子质量与几乎所有已知化合物的组成,其工程之巨,精度之高可说是前无古人,从而为原子论的确立奠定了稳固的基础。他对原子论发展的另一重大贡献是字母式化学符号的提出,这是化学符号演变过程中一次彻底的革命性变化,从此解除了图形式符号对人们的困扰。他仿照托玛斯·汤姆逊(T.Thomson17731852年)在矿物的式中用AS等表示矾土、硅石等,建议用元素的拉丁文起首字母代替道尔顿不方便的圆圈,第一个字母相同时就加上下一个字母,并且用字母表示化学式。最初他建议在与氧或硫化合的元素符号上加一小点或一撇作为氧或硫的符号,如SO3写成O'3FeS写成Fe,实际上是图形符号的残余,因此没有流行多久。后来他又建议在元素符号上划一横线来表示双原子,如H2写成,H2O写成O等,这些划线的符号流行时间稍长些,后虽经多次修改,但终被弃置不用。

贝采里乌斯这套符号具有简单、系统、逻辑性强等优点。由于用通用的拉丁字母作符号,每个符号最多两个字母,非常容易认记;统一使用字母,使整套符号系统一致;符号是由其名称而来,具有一定的逻辑性;同时能表示确定的相对原子质量,具有方便性,因此很快译成多种语言,成为现代化学语言的基础。随着原子——分子论的确立,元素周期律和化学结构理论的诞生,人们不仅用化学符号表示化学式,还用来表示反应式、结构式;随着电离学说的建立,用来表示离子式;随着核化学的兴起,又用来表示原子核、同位素和核反应。翻开当今世界上任何一本化学书,无论是什么语种,书中所用的化学符号都是相同的。贝采里乌斯的化学符号极大地推动了并将继续推动现代化学的发展。

(三)、元素符号与化学方程式的采用

德莫维等改革化学命名法,为人们用化学概念进行思维大开了方便之门;而贝采里乌斯的字母式化学符号,使人们有可能用最简便科学的方式形象地表述各种化学反应。但贝采里乌斯本人最初并没有利用字母符号来写化学反应式,19世纪初年的教科书也根本没用化学符号。如莫累(Murray)的教科书和汤姆逊的《化学体系》(第五版,1817年),以及格梅林(L.Gmelin)的《理论化学手册》(第一版,18171819年)中都没有符号,亨利(Henry)的《化学原理》(1829年)在附录中给出化学符号,特尔涅(Turner)的《化学原理》(第四版,1833年)中解释了符号的意义并同化学方程式一起应用,但在序言中却为此而向读者表示歉意。李比希(Liebig)用化学方程式(1844年)也不是没有顾虑的。符号和化学方程式的自由运用是由格梅林在第四版《手册》(18481872年)中开始的。之所以出现这种现象是由于当时化学家们对原子、分子、当量等概念在认识上还存在很大分歧,存在不同的相对原子质量系统,特别是无机与有机化学中使用的相对原子质量不同,所以化学符号虽逐渐被使用,但不尽同一,如武兹和凯库勒就用带横的符号表示热拉尔的相对原子质量,一些英文书中则在符号下加横线等,使符号更加混乱。随着一元论学说的提出,似乎倾向于达成某种一致的协议。1860年在德国卡尔思鲁厄召开了第一次国际化学家会议,但仍没能对一些基本问题取得统一。会后意大利化学家康尼查罗发送的小册子中系统论证了原子--分子论和测定相对原子质量的方法,从而决定性地证明事实上,只有一门化学科学和一套相对原子质量。随即这一学说得到了化学界的普遍承认,直接导致了元素周期律和化学结构理论的诞生。从此化学符号的写法与化学方程式的使用逐渐走向统一,为各国化学家普遍采用,成为世界通用的化学语言,从而极大地推动了现代化学的发展。化学符号的演变、完善、普及过程,充分反映了人类对物质世界认识的发展过程,反映了化学的进步。

选自《教科书中的化学家》