元素

週期表、原子序、鹼金屬、鹼土金屬、鹵素、惰性氣體、主族元素、過渡元素、放射元素、生物物質

氟元素的發現

氟元素的發現
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

亞格利可拉 (Georgius Agricola, 1494~1555) 十六世紀時就會用氟石作為焊接劑,因為氟石有清潔金屬表面的功能。亞格利可拉是拉丁文,他的原名是喬格包耳 (Georg Bauer),他是德國的學者,有礦物學之父的美名。1670年,許萬哈德 (Schwanhard) 發現玻璃在酸中接觸氟石會被腐蝕,後來許多有名的化學家如席勒 (Carl Wilhelm Scheele)、戴維 (Humphry Davy)、給呂薩克 (Gay-Lussac)、拉瓦節 (Antoine Lavoisier)、泰納德 (Louis Thénard) 都曾研究過危險的氫氟酸 (HF)。因為氫氟酸只要用硫酸溶解氟石就可製得,真是致命的吸引力。

氧元素的發現

氧元素的發現
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

英國化學家普里士利 (Joseph Priestley, 1733~1804) 也是個新教教士。1774 年八月,普里士利進行排水集氣法的實驗,收集三仙丹(氧化汞,HgO)加熱分解後產生的氣體。他發現物質在這種氣體中燃燒所產生的火焰,比在一般空氣中燃 燒時更為旺盛,小鼠在這種氣體中存活的時間也比在空氣中更長。因為普里士利相信燃素論 (phlogiston theory),他認為這種氣體比一般正常的空氣含有較少的「燃素」,所以物質在其中燃燒時才能釋出更多的燃素,使燃燒更劇烈。他將這種氣體取名為「去燃素的空氣」 (dephlogisted air)。普里士利其後因信仰問題在英國遭暴民追殺,而逃亡美國,今天美國化學學會頒發的最崇高榮譽就是普里士利獎。

氮元素的發現

氮元素的發現
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

宇宙中氮的存量在所有元素中名列第六,在地球大氣中依體積估算,氮氣約佔78%,依重量估算,約佔75%。 十八世紀,化學家已經知道空氣中有兩種成分,一種可以支持燃燒與維生,另一種卻不行。西元1772年,蘇格蘭愛丁堡一位醫學生拉賽福 (Daniel Rutherford,1749~1819) 率先發表了發現及分離純氮的報告,他稱其為毒氣 (noxious gas)。

話說蘇格蘭的布萊克 (Joseph Black, 1728~1799 )以研究二氧化碳而聞名。當時科學家還未完全了解空氣的組成,布萊克就知道並非氣體都能使蠟燭燃燒。他將蠟燭放在密閉空氣罐中點燃,蠟燭熄滅時,罐中還有氣體,但是無法繼續支持燃燒。這倒不希奇,他驚訝的是當他用鹼性藥品把燃燒產生的二氧化碳完全吸收了之後,剩下來的「空氣」還是無法支持燃燒。 拉塞福正好是布萊克的學生(註一),拉塞福做的實驗是分別將蠟燭或磷置入密閉空氣罐中燃燒,直到燃盡;也用小鼠放在密閉空氣罐中,直到小鼠窒息而死。剩下的空氣通過鹼性溶液,將產生的二氧化碳完全吸收。

碳元素的發現

碳元素的發現
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

人類發現炭灰 (soot) 的歷史已不可考,先人極早就會利用木炭 (wood charcoal) 生火,北京人距今約五十萬年,已有用火的跡象。焦炭 (charcoal) 的歷史應該和智人 (homo sapiens) 的文明一樣長。更貼切的說,我們是炭火之子,不懂用火的話,我們可能也度不過一萬多年前的全球大冰河時期。但是有記載的焦炭製造歷史應該是在羅馬時代,他們把木材堆成金字塔形,覆上黏土隔絕空氣後煅燒,就產生焦炭。 英文的碳字carbon,法文是charbon,都是源自拉丁文的carbonum,還有德文或其他文字也都是源於煤或焦炭的意思。但是煤炭的歷史大概也是從羅馬人開始,十三世紀的僧侶萊里耳 (Reinier of Liège) 曾記載用「黑土」鍛燒金屬,到十八世紀歐洲工業革命,瓦特發明蒸汽機後,煤 (coal) 才成為主要的燃料。煤製成的焦炭多用於金屬冶鍊,煉鋼廠以煤焦作燃料及還原劑,煤燃燒到800度以上的高溫,同時產生一氧化碳,可使鐵礦 (氧化鐵)還原成金屬鐵。1722年雷歐姆 (René A. F. de Réaumur, 1683-1757) 證明煉鋼是鐵中滲入了一些物質,後來才知道就是碳元素。

鈹元素的發現

鈹元素的發現
北一女中江慧玉老師/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

綠柱石 (Beryl) 的名字來自希臘文的 βερυλλος,是一種如海水般湛藍翠綠、晶瑩光耀的寶石,除了擁有一副漂亮誘人的外表,而且其中含有一種珍貴的金屬─鈹,鈹 (beryllium) 的名字正是源於綠柱石。綠柱石屬於鈹鋁環矽酸鹽 (beryllium aluminum cyclosilicate),化學式為Be3Al2(SiO3)6。純的beryl應該是無色的六邊形結晶,其顏色是來自於參雜的其他金屬,祖母綠或翡翠的顏色是含有三價的鉻離子。


高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

鋰元素是1817年被瑞典年輕的化學家Arfvedson J. A. 1792 ~1841發現的。當時Arfvedson在瑞典著名的化學家Berzelius J. J. (1779~1848 ) 的實驗室工作。他在分析採集的鋰鋁矽酸鹽 (petalite ore) 時發現礦石的組成成分與已知的鈉、鉀化合物略有不同,它的碳酸鹽、氫氧化物的溶解度比鈉、鉀的差,且鹼性較強。這使他考慮到很可能在這種礦石中,含有某種尚未被分析出來的未知新元素。於是他利用新金屬硫酸鹽與鉀和鈉的硫酸鹽在水中的溶解度不同,首先分離出這種未知新金屬的硫酸鹽。鋰是自然界裡第三個被發現的鹼金屬元素。Berzelius將這種鹼性物質命名為”lithos”,希臘文意義是”石頭”,以表示其是在礦物中發現,而不像鈉、鉀是在植物組織中被找到的。Lithium的元素符號為Li,中文為鋰。此元素的單質態,則是在1821年,利用電解法由化合物中還原而得。工業上,鋰金屬的生產是電解融熔態的氯化鋰和氯化鉀混合物而得。

惰性氣體的發現

惰性氣體的發現
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

鈍氣包括氦、氖、氬、氪、氙、氡,門得列夫 (D. I. Mendeleyev) 提出元素週期表時,仍不為世人所知,其發現者是英國化學家藍塞 (William Ramsay , 1852~1916) 與物理學家瑞利 (James William Rayleigh , 1842~1919) 及化學家特拉維斯 (Morris William Travers 1872~ 1961),藍塞獲頒1904年諾貝爾化學獎,同年瑞利獲諾貝爾物理獎。

西元1868年法國天文學家詹遜(Pierre Janssen) 在印度觀測日全蝕時,發現鈉原子的光譜線附近出現新的黃色譜線,波長為587.49奈米,同年英國天文學家洛克爾(Norman Lockyer)從太陽光譜中也觀察到這條譜線,當時沒有已知的元素能產生這樣的譜線。這元素被命名為「Helium」,源自希臘語λιος (helios),意為「太陽」。 此時,地球上還沒有發現氦,瑞利是英國劍橋大學的物理學教授,在他細心又耐心地測量各種氣體密度的實驗中,發現兩種方法製備出的氮氣,測量出的密度總是差0.0062 g/L,他重覆實驗多次,這千分之五的差值始終揮之不去。1894年4月9日,他直接在英國皇家學會,向許多化學家、物理學家報告這個實驗結果。這個報告立刻得到化學家藍塞的回應並提供幫忙,從4月20日開始,兩人共同合作解謎。經瑞利及藍塞的努力,及光譜專家克魯克斯光譜分析的協助,他們很快證明找到了新元素。西元1894年8月,在牛津召開的英國皇家學會上,瑞利與藍塞宣布了他們發現的惰性氣體,會議主席提議將之命名為「氬」,希臘文αργόν是「懶惰者」的意思,氬就成為懶惰家族第一個被發現的成員。

氫元素的發現

氫元素的發現
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

氫氣公認是由英國化學家卡文迪許(Henry Cavendish, 1731~1810)所發現。 歷史上第一次描述人造的氫氣則是在西元十六世紀,瑞士的江湖醫生,也是煉金術士帕拉塞許(Paracelsus)曾經敘說讓鐵屑和強酸接觸會產生可燃的氣體(想像是哈利波特的場景,就很炫了)。十七世紀中葉的歐洲,普遍認為空氣是氣態的元素,其他氣體則被認為是含雜質的不純空氣(近代元素的概念是由拉瓦節確立的,他認為無法再分出不同物質的純物質就是元素)。

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