門得列夫：化學元素週期表的發現者 洪文東 美和科技大學護理系hung3893@yahoo.com.tw n  早期的元素表 在早期，元素被發現的種類不多，化學家只能局部的對某些性質相近的元素進行歸類整理。1789年法國化學家拉瓦傑（A. L. Lavoisier, 1743 – 1794）在其《化學基本論述》書中列出包含33種元素分類表。1864年英國化學家紐蘭茲（John Alexander Reina Newlands, 1837 – 1898）將元素依照其當量大小排列。自某一元素後的第八種元素，與此元素的性質相似，就像音樂上的音度音程一樣。1865年英國化學家伍德林（W. Woodling）按原子量排列元素順序，初步排出今日元素週期表中的鹵族、氮族、氧族。1866年紐蘭茲發表論文「八音律與原子量數字關係的起因」，依原子量大小給元素編上序號依次排列，看出元素間有類似音樂中之八音階規律（Law of Octaves）。1868年德國化學家梅耶（J. L. Meyer, 1830 – 1895）繪製出《原子體積周期性圖解》，揭示出化學元素的原子量與原子體積間的關係。1869年，他又製作了一張化學元素週期表，表中不但明確按原子量遞增的順序來列元素，而且也留下一些空格表示未知元素。不過，梅耶的研究側重於元素的物理性質。 n  元素週期表與週期律 在前述幾位化學家工作的基礎上，俄國化學家門得列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834 – 1907）（見圖1）發現在63種已知元素中，42種元素有了較精確的原子量，但尚有7種元素的原子量未能正確判斷，因為它們的原子量都計算錯誤。門得列夫全面考慮了元素的各種性質，製作出63張卡片，把各種元素的名稱、原子量、氧化物以及物理和化學性質，分别寫在各元素的卡片上。在排列這些卡片時，不僅根據元素的原子量，而且很重視元素的性質及其與其他元素的關係。1869年2月17曰，門得列夫依原子量遞增的順序把63種元素排列成幾行，同時把各行中性質相似的元素左右對齊，當依原子量順序安排的位置與元素的位置及元素的特徵發生衝突時，他遵從元素的特徵而掉換位置，或者留下空位。這樣使得每一横排化學元素的性質相近，每一縱列化學元素性質的變化也呈現着規律性，整個元素系列呈現出周期性變化。1869年2月，門得列夫發表了《元素性質和原子量的關係》論文，同時公布了他的第一張化學元素週期表（見圖2）。周期表中留下了四個空位，空位上没有元素名稱，只有預計的原子量，表示尚待發現的元素。 圖1：門得列夫 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫） 圖2：門得列夫1871年的元素周期表 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/德米特里·伊萬諾維奇·門得列夫） 對比梅耶在1869年公布的元素週期表，門得列夫對元素的族別分得更细緻，並在表中初步形成了過渡元素族。門得列夫吸取了梅耶週期表的優點，對週期表繼續進行更深入的研究，在1871年12月，與他的論文《化學元素週期性依賴關係》同時發表了第二張元素週期表。在這張週期表中，將原來的直行改成横排，使同族元素處於同一直行中，突出了化學元素性質的週期性。在同一族裡，也同梅耶一樣劃分了主族和副族，使元素的週期性更加明顯。他大膽地修正了一些已被公認的原子量，如銦In、鑭La、釔Y、釷Th、鈾U等。他把尚未發現元素的空格由原来的四個增至六個，並且還預言了它們的性質。這幾種尚未發現元素，門得列夫稱之為：eka-Boron（類硼）、eka-aluminium（類鋁）、eka-silicon（類矽）；其對〝類硼〞、〝類鋁”及〝類矽”等的預言，日後發現準確得令人驚奇。 門得列夫在《化學元素週期性依赖關係》一文中，確立了元素週期律，即元素（以及由它形成的單質或化合物）的性質週期性地隨著它們的原子量而改變。其週期律的要點整理如下： 1.        若把元素依原子量的大小排列，明顯地呈現出性質上的週期性變化。 2.        化學性質相似的元素的原子量，有些作有規則的增大，如K、Rb、Cs；有些具有幾近相等的原子量，如Os、Ir、Pt。 3.        以原子量為序排列，所得元素的族（Groups）的順序，與其化合的價相當。 4.        原子量較小的幾種元素，它們的性質上差異較大，分散在各族裡，是各 族有代表意義的元素。 5.        原子量的大小，可以决定元素的性質。 6.        元素的原子量，可借其相鄰各元素的性質及原子量進行校正，Te的原子量不應是128，而應介於123-126之間。 7.        可以預測尚未被發現的元素，例如〝類鋁〞和〝類矽〞的原子量應65-75之間。 化學元素週期律的確立，使化學從對個别元素的零星事實的羅列中，揭示出了化學元素之間存在的自然規律關係，把所有化學元素納入一個完整的體系，使化學進入了系統化的階段，特别是對無機化學進行了一次大統合。它將過去研究過的無機物如氧化物、氢化物以及酸、鹼、鹽等，都納入一個系統的理論體系之中，並對各種化學元素及其化合物的性質提供了統一的說明。1869年他出版了《化學原理》一書，此書不但是按照元素週期系統编寫的一本化學教學参考書，而且也標誌著化學教本不再是各種元素和它們的化合物的資料的堆積，而是成了一個有系統化的化學知識體系。 […]

拉瓦節的化學革命 洪文東 美和科技大學護理系 hung3893@yahoo.com.tw n  前言 今天任何人都已認識物質是會在空氣中燃燒，有化學知識的人都理解燃燒就是物質與氧化合的現象。可是從瀰漫燃素論（Phlogiston Theory）的當時，一直到18世紀末法國天才化學家拉瓦節（Autoine Laurent Lavoisier, 1743-1794）的燃燒實驗，發現了氧，建構了新的燃燒理論，產生化學革命，的確要經歷一段相當漫長的時日。圖1為拉瓦節及拉瓦節伉儷。   圖1：近代化學之父—拉瓦節（左），拉瓦節伉儷，由大衛所繪（右） （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡） n  化學革命：氧的發現與新的燃燒理論 在1773年，瑞典的謝勒（Karl Wilhem Schelle, 1742-1786）與在英國的普利斯特利（Joseph Priestley, 1733-1804）個別在實驗室中獨自發現了氧。兩人都一致認為「氧是支持燃燒的，而且與呼吸也有密切關係的氣體」。由於受到當時「燃素論」的影響，也都以為燃燒是氧與燃素的結合，而產生的物質才變成光與熱，或與物質逃離出的燃素相結合是氧。當時由於太相信燃素論，氧的發現對化學的進步也無多大的影響。 由於氧的發現，1774年拉瓦節進行了有關「錫」燃燒的實驗，如果以今日的化學語詞來表達，那就是富於定量的實驗，與謝勒和普利斯特利重質的定性實驗大不同。他先將一小片錫放在容器中封閉後加熱，結果錫變成「灰」，而容器內的空氣則被錫吸收；可是含有錫與空氣的容器重量並沒有任何改變。一打開容器的蓋子，發現空氣以強烈的趨勢被吸進去了，再蓋好之後稱其重量，結果發現，重量就增加了！其增加的重量剛好等於錫變成「灰」所增加的重量。 拉瓦節再以「水銀」進行同樣的燃燒實驗，也是發現相同的結果。他測量出實驗之前有50立方吋的空氣，已改變成為42~43立方吋的空氣，也就是大約有1/6的空氣被「水銀」所吸收。剩下在容器內的空氣則會使「燭火」熄滅，也會使老鼠窒息而死。他稱呼這種空氣為「Azote」（指氮氣而言）。其次，他把水銀燃燒後的紅色物質收集在長頸燒瓶中，加熱後，結果發現有7~8立方吋的氣體產生。這種氣體則能使「燭火」燒得更劇烈；恰與普利斯特利所發現「會燃燒的空氣」是一樣的氣體。後來由於此種氣體可以和「氮」、「磷」、「硫」等的氣體化合形成硝酸、磷酸、硫酸，因此他將此種可燃燒的氣體命名為「酸素」。 1777年拉瓦節根據錫與水銀的燃燒實驗，提出新的燃燒理論，認為空氣是由氮與氧形成的，金屬在空氣中燃燒會與氧結合成灰，燃燒就是與氧化合的反應。此種燃燒理論使化學家放棄「燃素」這種虛構架空的物質，而對化學進行革命性之改觀，奠定近代化學發展的基礎。圖2為拉瓦節的實驗室，收藏於法國工藝博物館。圖3為拉瓦節正在進行實驗的情形。   圖2：拉瓦節的實驗室，收藏於法國工藝博物館 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡） 圖3：拉瓦節正在進行實驗 （圖片來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡） n  質量不滅定律 拉瓦節的燃燒理論最有力的依據就是反應前後質量的「定量性」，透過整個實驗，就各種各樣的反應，始終都使用天平非常徹底的觀察測量反應前後的質量關係，歸納實驗結果，建立了「質量不滅定律」。此一定律顯示：在化學反應前後，參與反應的物質，即使形態改變了，仍然在質量上不會發生變化。在拉瓦節的燃燒理論中，當金屬燃燒成為「灰」時，其質量所增加部份，非常正確的和所化合的「氧」的質量是相等的。此一定律確為化學反應最基本定律，化學家據此進行化學反應合成與分析，將所研發的產品供應各行各業的需要，普遍應用於日常生活中之日用品，提升生活品質。 n  化學命名法與元素分類表 1784年至1789年間拉瓦節和多位志同道合科學家共同發起化學命名改革工作，將化合物依其組成成分命名，取代以前依特性的命名方式。例如：「汞灰」叫做「氧化汞」，「金屬灰」叫做「金屬氧化物」。1787年出版「化學命名法」，現今所用的化學名詞，大多依此命名法而來。1789年出版「化學基本論述」，書中清楚陳述「質量守恆」的原理，並發展了英國科學家波義耳（Robert Boyle, 1627-1691）所提出的元素概念，指出元素是「用任何化學分析手段都不能再分解的物質」。他可說是第一位從許多物質當中，很具體的找出「元素」並進行明確分類的化學家。 根據拉瓦節「化學基本論述」觀點，「空氣」是「氧」與「氮」所形成，所以是混合物，而「氧」與「氮」都無法再分解成其他物質，所以是「元素」。又例如「氧化汞」加熱可分解成「氧」和「汞」，但不能再產生其他物質，所以「氧」與「汞」都是「元素」；而由「氧」和「汞」所反應形成的「氧化汞」就是「化合物」。根據此概念，在其論述中列出了包含33種元素分類表，如表1所示： 表1：拉瓦節的元素分類表 上表中元素名稱有小刮號（）者，並非是現在的元素，例如土狀元素之五種元素目前皆知是氧化物，只是由於在當時的化學技術無法分解出來的緣故。拉瓦節在表的後面有附註說明：「就我們目前所獲得的知識是無法再分解下來…。」換言之，他已預期此表再不久的將來會再修正的。他建立元素分類表旨在將化學「體系化」，他認為學問的體系化，必需考慮構成科學的事實，以及能使之聯想到事實之表象，並能有表達此表象之適當語言。 n  結語 拉瓦節說：「沒有理論，科學是不會進步的。欺騙我們的不是自然，也不是自然所提示的事實，而是我們自己的觀察。」拉瓦節的燃燒實驗，發現了氧，推翻「然素論」，建構了新的燃燒理論，產生化學革命。 他進一步根據實驗驗證建立了「質量不滅定律」，並先後出版了「化學命名法」、「化學基本論述」確立了「元素」概念，奠定了近代化學發展之基礎，今日我們特尊稱拉瓦節為「近代化學之父」。 n  參考資料 1.        洪文東、李文德、黃嘉崑、謝榮藏（2006）。 師院普通化學，臺北：五南圖書出版公司。 2.        科學名人堂20～拉瓦節，www.bud.org.tw/museum/s_star20.htm。 3.          安東萬–洛朗·德·拉瓦節，維基百科，https://zh.wikipedia.org/wiki/安托万–洛朗·德·拉瓦锡。