氧為什麼用O來表示:化學元素進化史

2020-11-26 澎湃新聞

       背誦化學元素周期表大概是一代又一代中學生的痛苦回憶。其一大難點是,不少元素的漢語名和元素符號毫無關係,記住一個對記住另一個幫助甚小。如氧和O,氫和H,金和Au,銀和Ag,所以記憶周期表就成了事倍功半的苦差事。

       不過,作為一種西方舶來品,元素周期表對老外的用戶友好度總該高一些了吧?

       其實不然,元素不光對於中國人,對於老外也是個老大難問題。一個英國人,照樣要面對怎樣建立起iron(鐵)和Fe、gold(金)和Au、potassium(鉀)和K這種看似毫不相關的名稱之間聯繫的問題。

       為何化學元素的名稱和符號會相差這麼大呢?

       這就得從發現元素的歷史說起了。        

什麼是化學元素?

       人類和各種化學物質打交道的歷史久遠。大概從智人誕生時起,人類就開始認識某些化學物質。

       但是在相當長的時期內,人類的化學知識相當欠缺,對化學物質的分類也極為馬虎,缺乏系統性。中國古代金銅多有混淆,同樣叫「硝」,可能是硝酸鉀,也可能是硫酸鈉,還可能是硫酸鎂;而英語中brass(黃銅)、bronze(青銅)、copper(紫銅)的名字看起來風馬牛不相及,完全不能反映這三種金屬/合金之間的密切關係。

       至於區別化學元素和化合物,更是在古人的能力範圍之外。亞里斯多德歸結的四大元素為水火地風,以現代觀點看,水是化合物、火是能量釋放方式、風(空氣)為多種氣態元素和化合物組成的混合物,地的構成可想而知就更加複雜了,竟然沒有一個是真正的化學元素。中國的金木水火土五行說也好不到哪去,只是比起古希臘四個「非元素」,五行好歹包括了「金」,算是瞎貓碰上了死耗子,跟元素沾了點邊。

       中國人早期化學知識的積累主要靠煉丹,西方則靠鍊金。到了中世紀,隨著鍊金術的發展,元素的隊伍開始發展壯大,波斯科學家賈比爾給四大元素的隊伍裡添加了硫磺(定義為「會燃燒的石頭」)和水銀兩樣。再後來瑞士鍊金術士帕拉塞爾斯又加入了鹽,構成了新的七元素體系——這次鍊金術士的運氣稍好,硫磺和水銀確實是元素,可惜鹽仍然是化合物。

基於七元素體系的插畫,四角為古典四元素,中部三角為新的三元素。       

       英國化學家羅伯特•波義爾於1661年重新定義了元素,他將元素分析為「無法繼續消減的物質單位」,從而大大擴充了元素的家族。科學家們終於放棄了把世間萬物歸於極少數幾種元素的嘗試,隨後,在新的正確思想引領下,越來越多的元素被化學家們發現。

       1789年,法國化學家安託萬-洛朗•德•拉瓦錫(Antoine-Laurent de Lavoisier)出版《化學基本論述》(《Traité Élémentaire de Chimie》),是為第一本現代化學教科書。拉瓦錫在書中一共列出了33種元素,其中包括氫和氧,比起前人已是極大的進步。

       到了19世紀初期,英國學者約翰•道爾頓(John Dalton)進一步完善了化學理論。他正式提出所有物質均由原子組成,每種元素都是一種獨特的原子。因此,他找出了36種元素,並且給它們都配上了符號。

道爾頓符號體系,承襲中世紀鍊金符號(來源:Peter van der Krogt)    

       只是道爾頓的符號脫胎於鍊金術時期,並不方便使用。不久之後,瑞典化學家永斯•雅各布•貝採利烏斯(Jöns Jacob Berzelius)改進了道爾頓的符號體系。他提出應該用字母來代表元素,因為採用字母不但方便書寫,也有助於印刷書籍保持美觀。

       貝採利烏斯選取符號的原則是以元素的拉丁語名字的首字母為符號。在不同元素首字母重合的情況下,則採取下列規則:

       (1)在金屬和類金屬(貝採利烏斯概念中所有非金屬元素均為類金屬,和現代定義不同)拉丁名首字母相同的情況下,類金屬用首字母;

       (2)金屬元素名稱首字母和其他金屬或類金屬元素重合的情況下,用頭兩個字母當符號;

       (3)如果兩種金屬元素頭兩個字母都一樣,則第二個字母改為詞中第一個不一樣的輔音字母;

       貝氏確立了現代元素符號的命名規則,他使用的符號大體傳承至今,被後來的化學家沿用。因為考慮到通用性,符號命名時選擇了拉丁語,所以對於一些很早就被發現利用,在各個語言中早有其名的元素,如金銀銅鐵錫之類,符號往往就和一般的名稱不一樣了。

貝氏符號和現代符號已經基本相同。       

化學元素符號如何命名?

       這樣帶來了一個新的問題:拉丁語是古羅馬人說的語言,在近代化學發展的時候已經死得透透的了。古羅馬人不是神仙,不可能為後來元素的需要造出一大堆詞來備用。於是化學家們就面臨一個不大不小的難題——給元素安上合適的拉丁名字。

       起拉丁名的招數有不少,其中最重要的當屬從外語中引進名字,改裝成拉丁語,這個方法歷史悠久,極具可操作性,但卻不是想像中那麼簡單——拉丁語名詞有自己的一整套規律,如果隨隨便便拉來個詞就用會違反拉丁語規則,是萬萬不可的。

       例如,「鉍」本來被德國人命名為Bismuth。但是Bismuth長得太不像拉丁語了,所以德國科學家格奧爾格烏斯•阿格裡科拉(Georgius Agricola,原名Georg Pawer,為了趕時髦起了個拉丁名字)把這個詞改裝了一下,變成Bisemutum,長得總算像個拉丁語中性名詞了。類似接受了整容手術的元素還有鈷(德語Kobold>拉丁Cobaltum)、鎳(瑞典語Kopparnickel>拉丁Niccolum)。

Kobold在德語中本是地精,鈷礦礦工的迷信產物。        

       不過這樣的方法有時候卻會引發問題,比如第11號元素鈉和第19號元素鉀,不但同屬鹼金屬一族,還都遭遇了命名糾紛,真可謂難兄難弟。

       鈉的英文名為Sodium,模樣像是個地道的拉丁詞,發明這個詞的是英國化學家漢弗裡•戴維(Humphry Davy)。他於1807年最先用電解法從氫氧化鈉中離析出鈉元素。由於氫氧化鈉在英語中被稱作Caustic soda(燒鹼),他就將這種新的金屬元素命名為Sodium。

       可惜的是戴維半路碰上了「強盜」,劫道的正是發明了現代元素符號體系的貝採利烏斯。貝氏主張將這種新元素依據法語的Natron(硝石,來自阿拉伯語)命名為Natrium。大概是因為符號體系由貝氏主導,結果最終貝氏的Na勝出,而Sodium則繼續在英語、法語等一些歐洲語言中使用。

       鉀的發現者同樣是戴維。眾所周知,草木灰可被用作鉀肥。以前的英國人也有一套取鉀肥的方法:浸泡木頭或樹葉焚燒後產生的灰,浸出液放在盆裡蒸發即可得到鉀肥,所以鉀肥在英語中叫potash(盆灰)。戴維通過電離鉀肥得到了純鉀,他很高興地命名其為Potassium。

       只是他實在是太倒黴了,雖然這次貝氏符號表裡採納了Potassium的名字,並用Po作為這種元素的符號。但是不知怎的,後來另一個拉丁名Kalium(來自alkali,即「鹼」,最終來源阿拉伯語)居然佔了上風,直到Po被廢止不用,被K所取代。看來戴維確實沒有命名元素的命啊!

鉀肥(Potash)長這樣      

       不過這次,他可以聊以自慰的是,現代阿拉伯語中「鉀」用(būtāsyūm)表示,正是來自Potassium,總算為戴維挽回了點顏面。

       19世紀後期開始,化學界形成了第一個發現新元素的化學家享有命名權的慣例,元素命名的混亂局面漸漸得到扭轉。只是對於戴維來說,這個慣例來得太晚了。

       由於自然界存在的元素已經全部被發現完畢,新發現的元素一般來說不會有語言具備本名,加之命名法日趨完善,所以新元素很少再出現名字、符號不一致的現象。但是,這並不意味著命名之爭就此徹底終結,事實上,二十世紀後期,發生了一場相當激烈的命名之爭,史稱「超鐨元素戰爭」。

       燃起戰火的是第104號至第106號元素。蘇聯的杜布納聯合原子核研究所和美國的勞倫斯伯克利國家實驗室均宣稱自己首先發現這些元素,並依此進行命名。更雪上加霜的是,美蘇兩國都深諳對方痛點——美國以為原子彈發展做出傑出貢獻、提出錒系理論的化學家格倫•西奧多•西博格(Glenn Theodore Seaborg)命名第106號元素,而蘇聯則以核物理學家、蘇聯原子彈之父伊格爾•瓦西裡耶維奇•庫爾恰託夫(И́горь Васи́льевич Курча́тов)命名第104號元素。

       這場戰爭從1970年代一直打到了1990年代,中間又把第107號至第109號元素以及一個德國實驗室扯了進來。在經過漫長的調解後,國際純粹與應用化學聯合會終於在1997年提出了一個被各方接受的方案。第104號至第109號元素分別被命名為Rutherfordium(「原子核物理之父」歐內斯特•盧瑟福)、Dubnium(杜布納研究所)、Seaborgium(西博格)、Bohrium(物理學家尼爾斯•玻爾)、Hassium(德國黑森州)和Meitnerium(物理學家莉澤•邁特納),終結了曠日持久的超鐨元素戰爭。       

漢譯化學元素名稱

       雖然化學元素的發現主要是西方科學家的貢獻,不過不得不說,假如真要比賽背誦元素周期表的話,中國人大概會像背九九乘法表那樣佔大便宜。這得感謝元素的中文名都是一個單獨的字——長短一樣、朗朗上口,而如此科學的中文元素命名體系是誰的功勞?

       近代化學進入中國要感謝無錫人徐壽。徐壽當年在上海江南製造總局創辦翻譯館,翻譯了大批西方化學著作。在翻譯《化學鑑原》(《Wells』 Principle and Applications of Chemistry》)過程中,徐壽苦於元素名沒有現成漢名可用,因此在傳教士傅蘭雅的幫助下為它們創造新名。

       徐壽的翻譯在一些氣體上選用了根據性質命名的方法,如輕氣、養氣、綠氣、淡氣等。不過總體來說,他的方法是依據元素拉丁文首個音節進行音譯,並在金屬元素名稱中統統加上金字旁。

《化學鑑原》中對元素的翻譯已經和現代相當接近。      

       後來中國化學家們又給非金屬元素加上「石」旁,氣體元素加上「氣」頭,提高了翻譯的系統性,終於形成了一套中國自己的元素命名法。這套元素命名法至今沿用,並且基本構成了現代漢字體系中新字的唯一來源。

       只是中國的化學先驅大概沒有料到,他們創的字很多其實古已有之。為何?

       明太祖朱元璋給朱家子孫搞了個起名規範,其中規定後代的第三個字得用「五行」為偏旁,從他下一代開始以「木火土金水」的順序循環。由於朱家人丁興旺,為了避免重名,許多奇怪的字被造了出來。在明朝就有叫「朱恩鉀」、「朱恩鈉」、「朱帥鋅」、「朱效鈦」、「朱效鋰」的朱氏後代。要是他們穿越到現代,看到元素周期表上掛著自己名字,不知會作何感想。

       

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