原子论的研究与元素符号

原子论的研究与元素符号

19世纪上半期化学的发展，有许多是依靠理论的概括而得到的。这段时间化学中理论思潮的主流是原子论，原子论使人们能够确定零散的实验材料与理论概念之间的联系，同时使到那时为止在科学中已积累起来的大量实际材料得以系统化。

这一时期，许多杰出的科学家都与化学原子论的发展有着密切的联系，像道尔顿、阿伏伽德罗、安培、吕萨克、杜马、热拉尔、格梅林、劳伦等人。他们中间的每个人都为原子分子学说的向前发展作出了自己的贡献，但最善于把原子论与零散的化学知识联系起来的还是贝采里乌斯。

要巩固和发展原子论，就必须把当时已知元素的原子量测定出来，贝采里乌斯把这项任务看成是当务之急。他说过：“我在相当长的一段时期里，用改进了的研究方法对许多重要元素的原子量进行了仔细的检测。”

在此之前，英国人道尔顿已经测定了许多元素的原子量。但是，由于道尔顿用以测定原子量的实验材料不够充足，而且有的操作方法也不够正确，所以大多数原子量测得并不精确，这就会在实际应用中产生不少的偏差。贝采里乌斯通过实验认识到了这一点，进而他认为：只有最精确地测定尽可能多的元素，当然首先是最常见的元素的原子量，原子论学说才有可能推广到其他学科之中。

贝采里乌斯清楚地认识到，化学原子论的发展并不缺少理论观念，缺乏的是可靠的、大量的实验数据。所以他就从基础出发，着手去分析各种盐、酸、碱以及氧化物。这些研究对于化学原子论的进一步发展起到了决定性的作用。后人评价道：“贝采里乌斯从1807年开始的并从1809年以更大力量继续进行的勤奋而且持久的研究，对于原子论的进一步发展并将其应用到化学各部门来说，贡献要比同时代的其他科学家所作的都要大。”

从1811年起，贝采里乌斯在进行了大量基础实验与工作后，开始遵循着道尔顿的基本观念为正式测定一切元素的原子量进行了更大规模的系列实验。

1814年，贝采里乌斯公布了他测定元素原子量的方法。他认为气体元素的密度一定与它们的原子量成比例，所以就采用了盖·吕萨克的化合体积定律来测定“元素体积重量”，这是此时他对原子量的称呼。在日记中他写道：“盖·吕萨克发现，气体或者是以等分化合，或者为一种气体的量将是另一种气体的量的倍数。如果在这些观察中把‘体积’和‘质量’两词换成‘原子’和‘分子’两词，并把化合的气体想象成化合的物体，那就会发现一个对道尔顿假说正确性的直接证明。盖·吕萨克其实没能从这个高度来认识这一重要的发现，并得出普遍的规律，而仅仅满足于对气体化合的一般定律的发现，这是应该加以提高的。”贝采里乌斯是最早应用盖·吕萨克的气体反应体积简化定律来测定元素原子量的科学家之一。

贝采里乌斯测定了各种元素的同体积的重量，并把它们与作为比较数据的氧的同体积重量进行了比较。在论证这个选择时他写道：“把各种元素的原子量与氢的原子量比较，那就无法提供任何优越性，而且看来还最可能引起诸多不便，因为氢是极轻的气体，在无机化合物中又很少见到。相反，氧却包含了一切所需要的优点，而且可以说是整个化学所围绕的中心。它是一切有机体和大多数无机体的必不可少的组成部分。”

贝采里乌斯善于运用正确的研究方法与他出色的实验技巧，使他能够得出精确的原子量。在《物理、化学和矿物学丛刊》上，他陆续发表了自己的研究成果。英国科学家渥拉斯顿在编制原子量表时，就采用了贝采里乌斯所测定的数据。

1814年，贝采里乌斯发表了他自己的41种元素的原子量表；1818年，他在《化学教科书》第三卷里充分地论述了关于化合量的学说；1819年，他以单行本形式发表了他的教科书中的这一部分，书名为《试论关于化合量和电的化学作用的学说》。这本不厚的书发行后，立刻引起了化学界的巨大反响。在这本书中，贝采里乌斯总结了自己多年来所从事的所有实验研究并论述了自己的理论原理。可以这样认为，贝采里乌斯的这项研究成果是他那个时期的化学家们最杰出的研究之一，为道尔顿的原子论打下了极为牢固的实验基础。

在这项研究中，贝采里乌斯把原子论与电化学理论紧密地结合了起来。他测定了45种元素的原子量，分析并测定了2000种化合物的百分比组成。他所测得的氧化物、盐、酸和碱的百分比组成与现代数据十分接近。但由于某些化学式的不正确，使得不少元素，特别是金属元素的原子量不够准确。此后，贝采里乌斯测定原子量的工作是从两方面着手进行的。一方面，随着定量分析的改进，从而使化合物的百分比组成更加精确，并在此基础上得出化合物的原子量；另一方面，由于化合物化学式的改变，贝采里乌斯也随之对原子量本身进行不断的修改。

1826年，贝采里乌斯大大地改进了自己的原子量系统。如果说在此之前他只是应用化学计算定律，以元素与化合物在化学和物理学中的类比原则作为为自己测定原子量的依据，那么，现在他开始考虑用杜隆的比热定律和密克尔力特的同晶现象定律了。新知识理论的应用，使得他对原子量数据的改进取得了巨大的进步，大多数金属元素的原子量很接近于近代数据。许多金属的相应氧化物也都获得了正确的化学式。到他逝世之前已知的56种元素中，只有硼、铍、硅、钒、锆、铀、铈、钇和钍的原子量不够准确，其他的都已经是相当精确了。这些精确数据的取得，主要归功于贝采里乌斯。

那么，贝采里乌斯是用什么办法测出原子量的呢？下面，我们就举硫的例子来说明。

要测定硫的原子量，就需要先确定硫酸的化学式。为此，贝采里乌斯分析了硫酸铅，表明了“硫酸”里含的氧比氧化铅里的氧多两倍。因而贝采里乌斯认为它的化学式里应包含有三个氧原子。但是，到底应该有几个硫原子与这三个氧原子化合呢？他研究了一系列硫的氧化物，比如二氧化硫（SO₂）、三氧化硫（SO₃），最终得到这个问题的答案。

比如在二氧化硫中有两个硫氧原子，那么，它的化学式就应该写成SO₂、S₂O₃。可是采用双原子并没有必要，因为用SO₂和SO₃的化学式，得出的是更简单得多的比。

硫和氧的反应，是适用于下面这个化学式的，即：

S＋O₂＝SO₂

硫的原子量就是按照这样先得出的“硫酸”的化学式然后测定的。贝采里乌斯在证明了各种化学计算定律的合理性并测出了某些化学元素的原子量以后，就给自己提出了这样的任务：弄清由一定整数的简单原子形成复杂原子的原因。他在自己的科学日记中写道：“即使在相当程度上证明了物质是由不可分割的原子组成的，那也根本不能由此得出结论，说一定会发生那些常出现的化学比现象，特别是在无机界见到的那些现象。对此还必须知道那些调节着原子结合的方法并决定着它们的界限的定律，因为如果一种元素的不定数原子可以跟另一种元素的不定数原子化合，那就会存在由这些元素组成的无穷数的化合物，则这些化合物量的组成中的差别就会由于其微不足道而无法被发现，甚至借助最精确的实验也不能发现。显然，化合量正是取决于这些定律。”正是在以上的这段话里，包含着一整套的纲领，它的实现导致了化学家们最终创立了当量学说。

贝采里乌斯对化学原子论发展的影响，还表现在他采用化学元素的原子字母符号，以便于写成化合物的化学式。这些符号沿用至今。他制定了一个简单易懂的化学符号系统，用以明确而直观地表现和解释化合物的原子组成。在贝采里乌斯看来，化学式必须完全准确地表现出一种化合物是由哪些元素组成的，并应该指出其中每种元素的原子比数。由于贝采里乌斯所制订出的化学符号，符合元素的相对量，因此能够用它们来写成化合物的化学式。他认为，通过化学式，他可以作出化合物组成的一个最简单扼要而又条理清楚的理论说明，它可以使人一眼就看清楚那种用许多文字也难以如此简明地加以解释的道理。

在1813年，贝采里乌斯第一次发表了他的化学符号。第二年，他在自己的一篇论文中，更详细地叙述了这个问题。在论文中他写到：“化学符号要解释所写的东西而不至于把印刷的书弄得拖泥带水，就应当用字母符号来表示，因此，我将采用每种单质的拉丁文名称的开头字母作为化学符号。这些化学符号永远表示1个体积的物质（1个原子）。假如需要表示出许多体积，则可以标出它们的数目。例如氧化亚铜是由1个体积的氧与1个体积的铜组成的，因此它的符号就是CuO；而氧化铜是由2个体积的氧与1个体积的铜组成，故它的符号就是CuO₂。”

当几种元素的名称开头第一个字母相同时，贝采里乌斯就在相同字母的后面加上第二个或底下字母中的一个，以示区别。例如，同以“C”开头的元素符号，C是碳、Ca是钙、Cr是铬、Cu是铜、Co是钴。

以下就是贝采里乌斯在《化学教科书》最后一版中提出的元素的原子符号：

O－氧　　　　　H－氢　　　　　N－氮

S－硫　　　　　P－磷　　　　　Cl－氯

Br－溴　　　　 I－碘　　　　　F－氟

C－碳　　　　　B－硼　　　　　Si－硅

Se－硒　　　　 Te－磅　　　　 As－砷

Cr－铬　　　　 V－钒　　　　　Mo－钼

W－钨　　　　　Fe－铁　　　　 Mn－锰

U－铀　　　　　Ce－铈　　　　 D－钕

Ln－镧　　　　 Al－铝　　　　 K－钾

Na－钠　　　　 Sb－锑　　　　 Ta－钽

Ti－钛　　　　 Os－锇　　　 　Au－金

Ir－铱　　　　 VR－铑　　　　 Pt－铂

Pd－钯　　　　 Hg－汞　　　 　Ag－银

Cu－铜　　　　 Bi－铋　　　 　Sn－锡

Pb－铅　　　　 Cd－镉　　　 　Zn－锌

Co－钴　　　　 Ni－镍　　　 　Zr－锆

Th－钍　　　　 Y－钇　　　　　Be－铍

Mg－镁　　　　 Ca－钙　　　 　Sr－锶

Ba－钡　　　　 Li－锂

从以上的这些符号我们可以发现，它们当中的大部分一直延用到了今天。仅凭这一点，贝采里乌斯就可以在化学史上占有光辉的一席，更何况他在其他的领域内也取得了同样辉煌的伟大成就。

由于化学中的新发现与化学原子论的不断发展，贝采里乌斯发现原来的许多化学术语已经不再适用，于是就相应地作了修改。

贝采里乌斯抛弃了那种可以用任何一种语言发展术语的旧原则。他认为，当时作为国际语言的拉丁语和希腊语最适合记录化学术语。他在1839年就这一点写道，化学术语应当从拉丁语或希腊语这样的语言中引出。这样将会有很大的优点，因为这样的名称不必翻译就可以在一切语言中应用。同时应当注意术语表达的简明性，所以最好不必拘泥于构词法规则。凡是想要付诸于实际应用的东西都必须尽可能地做到方便。

贝采里乌斯采用了拉丁语来构成自己的专门化学术语，把相应的前缀、后缀分别用于一定类别的化合物。他以拉瓦锡的反燃素论专门术语作为基础，并按照这位法国科学家逝世以来所完成的新发现作了一定的修改。他把当时已知的所有的化学元素分成两类：负电非金属物质和正电金属物质。尽管他的分类方法不够完善，但他提出的拉丁文专用化学术语由于简洁、实用，很快就被译成了多种语言而流通于各国，这也就成了现代化学专门术语的基础。

贝采里乌斯把原子论看成是化学的基本理论。他认为：“按照我们叫做微粒说的原子论概念，没有那种建立在能引起异种原子间的化合与同种原子间的机械结合的特殊力量上的原子共性，就不会有任何化合物。”作为原子论的坚定支持者，贝采里乌斯不止一次地谈到了这个理论的伟大科学意义。他认为，与物质化合时所遵循的重量和体积的定比有关的一切现象，都是物质原子结构的必然结果，所以化学家们才能够由此计算出包括在化合物中的元素之间的原子比数。

无论从哪个方面来说，贝采里乌斯在测定化学元素的原子量和论证原子论的基本理论方面的研究工作，都对以后化学事业的发展起到了巨大的推动作用。

这位瑞典化学家提出的原子量和化合物化学式系统是19世纪上半期中最完善的系统。他所测定的原子量大多数与现代数据很接近，而且大部分化合物的化学式也与现代的符合。在150多年前的贝采里乌斯之所以能够取得如此惊人的成就，不仅在于他自身深厚的化学功底和出色的实验才能，而且还在于他很善于接受别人研究的成果，在甄别后吸收其中的研究精华。这两方面因素结合，才使得贝采里乌斯能建立起比较完善的元素的原子量与化合物化学式的系统。而且更为重要的是，贝采里乌斯关于元素原子量的精确数据，对于俄国化学家门捷列夫化学元素周期律的发现，有着巨大的意义。