化學符號的發展

元素符號的萌生

學生從上初中開始學習化學，就要接觸元素符號，因此大多數人對它並不陌生。但除去化學史學家外，了解其發展演變過程的人並不多。

現在所用的字母式元素符號也叫化學符號，是一種特殊的化學語言，誕生於18世紀初，已180多年。

為了給各國化學家提供一個每種語言用起來都無需改變的化學符號和化學式系統，1813年，瑞典化學大師貝採里烏斯（J.Berzelius，1779～1848年）在《哲學年鑑》上第一次發表了他的化學符號，它是用來表示一種元素和該元素的一個原子及其相對原子質量的一個或一組字母。這套符號通用以後，就成為世界通用的化學語言，在現代化學的發展中起著十分重要的作用。可以毫不誇張地說，沒有這些符號，現代化學的發展簡直難以想像。實際上元素符號是隨著化學科學的發展，經歷了2000多年漫長歲月的演化，才成了今天這種形式。它的發展反映了化學的逐步發展過程，反映了人類對物質世界的認識由感性到理性，由低級到高級的辯證發展過程。


一、應用化學的起源與化學符號的產生

化學符號的起源可追溯到古埃及。古埃及是化學最早的發源地之一，現代西方語言中“化學”一詞就來源於古埃及的國名“chēmia”。

早在公元前3400年（第一王朝）之前，埃及就會冶金了。從其遺物中發現，古埃及人很擅長加工金屬。最早利用的是金，它以天然的金屬形式存在，並以其燦爛的色澤引人注目。

其次知道的是銅，不久又發明了青銅（銅錫合金）。

在前王朝（前3400年）時期，埃及人也知道了鐵、銀和鉛等金屬。

埃及人製造玻璃、釉陶和其他材料的工藝也日益完善，後來還發展了天然染料的提取技術。最初這些技術是靠父子或師徒之間口傳心授的，沒有留下什麼文字記載。隨著文字的產生和技術發展的需要，有必要將一些化學配方和工藝記錄下來，以備查閱和傳之後代。

為了保密以免技術落入外人之手，一些關鍵性的物質、設備和工藝都不能用通用的文字表達，而需借助於一些特定的，只有自己人才能看懂的符號。其中表示物質的符號就是最早的化學符號。由此可見，化學符號的產生有兩個前提：一是化學工藝的發展達到一定成熟的階段，使得有東西值得記錄；二是文字的產生，使得信息的記錄成為可能，並受文字的啟發，制定出一些特定的符號。但因年代久遠，記錄材料落後，古埃及時所用的化學符號是什麼樣子，現在很難知道了。

現存最早的化學書籍是在埃及亞力山大發現的古希臘文著作，其中就有許多希臘文字典中根本查不出的技術符號與術語。古希臘文明是在古埃及和巴比倫文明的基礎上發展起來的。

巴比倫人的化學工藝雖不及埃及發達，但其天文學非常發達，很早就對太陽、月亮和行星在恆星間的運動進行了觀察，並且按太陽、月亮和五大行星給一周的七天命名，所以叫星期。後來在豐富的天文知識基礎上，建立了一種異想天開的占星術體系，並把它作為這門基礎科學的主要的和最有價值的對象。

各種古代知識在希臘的匯合，產生了豐富多彩的自然哲學，也產生了最早的化學著作。

在這些著作中，來自巴比倫的占星學研究與來自埃及的化學研究在所謂“交感”的基礎上聯繫起來，即把已知的七種金屬與日、月和五大行星聯繫起來，用行星的符號表示金屬，即太陽=金，月亮=銀，火星=鐵，金星=銅等，如圖1所示：


圖1占星術符號與化學符號



圖2給出希臘手稿中金屬及其他一些物質的符號，其中一些僅僅是該物質的希臘文縮寫，例如醋（ξOS），汁液（xνμòs）等。

化學符號的產生使得記錄化學配方與工藝有了簡捷的方法，使得許多資料得以保存和傳播，從而促進了化學的發展。

公元前1世紀，來自巴比倫的神秘主義、埃及的工藝學和希臘哲學這三大截然不同潮流的最終匯合，導致亞力山大煉金術的誕生，從而開始了化學發展的第2個階段— —煉金術時期。


二、煉金術的發展與化學符號的演變

煉金術的另一個更早的發源地是中國，在公元前2世紀產生了煉丹術，以煉製長生不老丹為目的；西方煉金術的主要目的則是將賤金屬轉變為貴金屬。

在煉金實踐中他們搞出了一整套技術名詞，使得不僅有了記錄所用物品的簡捷方法，還能對公眾保密，終於形成了一套龐雜的名稱符號體系。後來隨著神秘主義傾向的增長，又加上大量哲學臆測，終於把流傳至今的煉金術情況弄得愈加模糊混亂。不過經常有一些煉金家熱衷於實驗科學，發展下去終於使它變成了化學。

在長達1500多年的發展過程中他們發現了許多新物質和新的化學反應，發明了一些新設備，為近代化學作了方法與素材上的準備。

煉金家所用的符號因時因地而有一定差異。

圖3是17世紀煉金家代表砷和銻的符號，帶有濃厚的神秘色彩。圖4是1609年一本化學教科書中引用的符號，與圖2相比可知兩者差不多，顯然有些符號是從圖2改進而來，例如砷。圖5是17至19世紀煉金家與化學家所使用的部分化學符號，從而可以看出其演變過程，基本上是由複雜趨於簡單，由不規整趨於規整，但直到18世紀為止，仍保留著圖形式符號的形式，說明在變化中又有連續性。





這些神秘性的符號正適合於帶有神秘性的煉金術的發展。由於當時所知道的物質不太多，且從事煉金術的只是一少部分人，這種符號的不方便和難以傳播等缺點還不太突出，以至於仍被早期的化學家們所沿用。

原子、元素與元素符號

（一）化學原子論的提出與道爾頓的化學符號

自17世紀中葉，經由近代化學的奠基者波義耳（1627～1691年）提出科學的元素概念，使化學走上科學化發展的道路，開始了近代化學的發展時期。

17、18世紀的化學家們衝破了煉金術的羈絆，在化學的理論和實踐上都取得了長足的進展，陸續發現了許多新元素，化學知識面更為擴大。

圖6為1718年編的一張化學親合力表，可見化學物質雖增加許多，但所用的仍是煉丹術符號。

18世紀末葉由拉瓦錫（1743～1794年）開創的化學革命，確立了以燃燒的氧學說為中心的近代化學體系，從而第一次使化學建立在真正的科學基礎之上。但他所用的物質仍一直沿用著與實際成分毫不相干的煉金術符號，學生只有靠死記硬背才能掌握住他所接觸的物質名稱，而新發現的物質正不斷增多，落後的術語與符號體系已日益成為化學發展的阻礙因素。為解決這一難題，戴莫維（De Morveau，1737～1816年）與拉瓦錫等人於1787年發表了《化學命名法》，規定每種物質須有一固定名稱，單質名稱應反映它們的特徵，化合物的名稱應反映其組成，從而為單質和化合物的科學命名奠定了基礎。

1783年，貝格曼（1735～1784年）首先提出用符號表示化學式，例如硫化銅用硫和銅的符號聯起來表示，如圖7—5第四行所示。



摘自《皇家科學院回憶錄》 1718年，第212頁。

1803年，道爾頓（1766～1844年）提出了化學原子論，還設計了一整套符號表示他的理論，用一些圓圈再加上各種線、點和字母表示不同元素的原子，用不同的原子組合起來表示化學式，如圖7所示：從此化學符號的演變就一直與原子論的發展緊密相連。







化學發展到19世紀初，已徹底打破了煉金術的束縛，沿用了2000年之久的煉金術符號已完全不適於表達物質的組成，對化學的發展與傳播起著越來越大的阻礙作用。

道爾頓的圓圈形化學符號正是在這樣的情形下應運而生，由於它們具有鮮明簡單的圖案，又與設想的球形原子形狀相似，並可用圖形表示化合物中原子的排列，因此很易為人們所接受，從此沿用了2000年的煉金術符號終於退出了化學舞台，如今只有在化學史教科書中才能見到了。

煉金術符號的被取代，是化學發展的歷史必然。首先，這套符號缺乏系統性與邏輯性，符號與物質的特性毫無關係；其次缺乏簡單性是其致命弱點。隨著化學科學的建立，化學的發展、交流與傳播速度大大加快，這套神秘複雜的符號再也不能適應現實的需要，必然要被新的、簡單、系統的符號系統所取代。道爾頓的符號具有統一的形狀，比起煉金術符號要簡單系統得多，但仍沒脫去圖形符號的巢臼，表示稍複雜的化學式仍不方便，如明礬，用了大小24個圓圈，用作實驗記錄要畫老半天，所佔篇幅也太大，不好記住，比起舊的煉金術符號好不了太多。

（二）化學原子論的確立與貝採里烏斯的化學符號

化學原子論與古代原子論的本質區別在於把不同元素的原子與一定的相對原子質量聯繫起來。因此要在化學的各個領域鞏固原子論，就要把已知所有元素的相對原子質量測出。貝採里烏斯就把這件工作作為自己科學生活的目的，在短短幾年內測定了所有已知元素的相對原子質量與幾乎所有已知化合物的組成，其工程之巨，精度之高可說是前無古人，從而為原子論的確立奠定了穩固的基礎。他對原子論發展的另一重大貢獻是字母式化學符號的提出，這是化學符號演變過程中一次徹底的革命性變化，從此解除了圖形式符號對人們的困擾。他仿照托瑪斯·湯姆遜（T.Thomson，1773～1852年）在礦物的式中用A、S等表示礬土、矽石等，建議用元素的拉丁文起首字母代替道爾頓不方便的圓圈，第一個字母相同時就加上下一個字母，並且用字母表示化學式。

最初他建議在與氧或硫化合的元素符號上加一小點或一撇作為氧或硫的符號，如SO 3 寫成O' 3 ， FeS寫成Fe，實際上是圖形符號的殘餘，因此沒有流行多久。後來他又建議在元素符號上劃一橫線來表示雙原子，如H 2 寫成， H 2 O寫成O等，這些劃線的符號流行時間稍長些，後雖經多次修改，但終被棄置不用。

貝採里烏斯這套符號具有簡單、系統、邏輯性強等優點。由於用通用的拉丁字母作符號，每個符號最多兩個字母，非常容易認記；統一使用字母，使整套符號系統一致；符號是由其名稱而來，具有一定的邏輯性；同時能表示確定的相對原子質量，具有方便性，因此很快譯成多種語言，成為現代化學語言的基礎。隨著原子——分子論的確立，元素週期律和化學結構理論的誕生，人們不僅用化學符號表示化學式，還用來表示反應式、結構式；隨著電離學說的建立，用來表示離子式；隨著核化學的興起，又用來表示原子核、同位素和核反應。

翻開當今世界上任何一本化學書，無論是什麼語種，書中所用的化學符號都是相同的。貝採里烏斯的化學符號極大地推動了並將繼續推動現代化學的發展。


（三）元素符號與化學方程式的採用

德莫維等改革化學命名法，為人們用化學概念進行思維大開了方便之門；而貝採里烏斯的字母式化學符號，使人們有可能用最簡便科學的方式形像地表述各種化學反應。但貝採里烏斯本人最初並沒有利用字母符號來寫化學反應式， 19世紀初年的教科書也根本沒用化學符號。如莫累（Murray）的教科書和湯姆遜的《化學體系》（第五版，1817年），以及格梅林（L.Gmelin）的《理論化學手冊》（第一版，1817～1819年）中都沒有符號，亨利（Henry）的《化學原理》（1829年）在附錄中給出化學符號，特爾涅（Turner）的《化學原理》（第四版，1833年）中解釋了符號的意義並同化學方程式一起應用，但在序言中卻為此而向讀者表示歉意。李比希（Liebig）用化學方程式（1844年）也不是沒有顧慮的。符號和化學方程式的自由運用是由格梅林在第四版《手冊》（1848～1872年）中開始的。之所以出現這種現像是由於當時化學家們對原子、分子、當量等概念在認識上還存在很大分歧，存在不同的相對原子質量系統，特別是無機與有機化學中使用的相對原子質量不同，所以化學符號雖逐漸被使用，但不盡統一，如武茲和凱庫勒就用帶橫的符號表示熱拉爾的相對原子質量，一些英文書中則在符號下加橫線等，使符號更加混亂。隨著一元論學說的提出，似乎傾向於達成某種一致的協議。1860年在德國卡爾思魯厄召開了第一次國際化學家會議，但仍沒能對一些基本問題取得統一。會後意大利化學家康尼查羅發送的小冊子中系統論證了原子--分子論和測定相對原子質量的方法，從而決定性地證明“事實上，只有一門化學科學和一套相對原子質量。”隨即這一學說得到了化學界的普遍承認，直接導致了元素週期律和化學結構理論的誕生。從此化學符號的寫法與化學方程式的使用逐漸走向統一，為各國化學家普遍採用，成為世界通用的化學語言，從而極大地推動了現代化學的發展。化學符號的演變、完善、普及過程，充分反映了人類對物質世界認識的發展過程，反映了化學的進步。

http://www.smxedu.cn/