17世纪的炼金术与现代化学的萌芽
17世纪的炼金术与现代化学的萌芽
化学从古老的炼金术发展到现代科学，经历了漫长而曲折的过程。从17世纪中叶开始，化学逐渐摆脱了炼金术的束缚，成为一门独立的科学。本文将带领读者回顾化学发展的关键历程，从气体化学的研究到原子理论的确立，从化学命名法的改革到化学符号的发展，展现化学科学的辉煌成就。
化学的变革
化学的早期发展深受金丹术和炼金术思想的影响。公元前1500年到公元1650年，炼丹术士和炼金术士们在追求长生不老药和黄金的过程中，进行了大量的实验，尽管这些实验往往以失败告终，但他们为化学的进一步发展积累了丰富的实践经验。这一时期的炼丹术不仅在中国盛行，欧洲的炼金术士也在探索物质转化的过程中，逐渐形成了早期的化学知识体系。
炼金术士们的实验虽然未能实现他们的目标，但他们在探索物质变化的过程中，记录了许多化学反应的条件和现象。例如，炼金术士们在实验中使用了铅、汞、硫等化学物质，这些物质的性质和反应为后来的化学研究提供了基础。尽管金丹术的理论体系在当时看似复杂而精致，但其实际应用常常导致中毒和其他健康问题，这使得金丹术逐渐被批判和淘汰。
随着时间的推移，化学逐渐摆脱了金丹术的束缚，特别是在17世纪中叶，英国化学家罗伯特·玻意耳在1661年出版的《怀疑的化学家》中，首次科学地提出了“元素”的概念。他将化学元素定义为无法再分解的简单物质，这一观点为化学的理论发展奠定了基础。玻意耳的工作标志着化学从炼金术的技能转变为一门独立的科学，强调了实验的重要性，并推动了化学研究的系统化和规范化。
在玻意耳的影响下，化学家们开始关注气体的性质和反应，逐渐建立起了现代化学的基础。尽管当时的四元素说（火、气、水、土）仍然盛行，但玻意耳的理论为后来的科学家提供了新的视角，使他们能够更深入地探索物质的本质和化学反应的机制。这一转变不仅促进了化学理论的发展，也为18世纪中叶化学工业的兴起准备了条件。
四元素说
气体化学的发展
随着对气体兴趣的增加，17世纪至18世纪期间，一系列科学家在气体化学领域做出了重要贡献，包括范海尔蒙特、罗伯特·玻意耳、约翰·梅奥、斯蒂芬·黑尔斯和约瑟夫·普里斯特利等。
范·海尔蒙特是比利时化学家，被誉为气体化学的奠基人之一。他通过著名的“柳树实验”发现了二氧化碳，并首次提出了“气体”这一术语。他的实验表明，柳树在生长过程中吸收了土壤中的水分，而其生长的质量主要来自于空气中的某种气体，这一发现为后来的气体研究奠定了基础。
罗伯特·玻意耳在1661年出版的《怀疑的化学家》中，首次明确提出了“元素”的概念，并通过实验研究了气体的性质。玻意耳定律指出，在温度不变的情况下，一定质量的气体的压强与体积成反比，公式为P1V1=P2V2。这一发现是气体行为的第一个定量描述，为气体的量化研究和化学分析奠定了基础。
约翰·梅奥是英国化学家，他在1674年的著作中证明了空气对燃料和生命的重要作用。他通过实验得出，空气中存在一种支持燃烧的气体（当时称为“硝石精”），以及一种不支持燃烧的气体。他的研究表明，空气至少包含两种成分，这一观点为后来的气体化学研究提供了重要线索。
斯蒂芬·黑尔斯1727年发表的《植物静力学》中，介绍了一种名为“集气槽”的装置，用于有效地收集气体。这一装置的原理简单，操作方便，成为后续许多科学家进行气体实验的重要工具。黑尔斯的研究不仅涉及植物生理学，还对气体的性质进行了深入探讨，他的工作为气体化学的发展做出了重要贡献。
约瑟夫·普里斯特利在1774年发现了氧气，并对多种气体进行了系统研究。他的实验表明，氧气是支持燃烧的关键成分，并且他还发现了一氧化氮、一氧化碳等气体。普里斯特利的研究成果在《不同气体的实验和观察》中详细记录，极大地丰富了气体化学的知识体系。
在这些科学家的共同努力下，气体化学逐渐发展成为一门独立的科学，相关的气体定律，如玻意耳定律、查理定律（在压强不变的情况下，气体的体积与温度成正比）和盖吕萨克定律（在体积不变的情况下，气体的压强与温度成正比），为理解气体的行为提供了理论基础。这些定律不仅在科学研究中具有重要意义，也为工业应用和技术发展奠定了基础。
化学理论的进步
物质守恒的概念逐渐被化学家接受，布莱克的定量化学研究为此概念提供了实验基础。普里斯特利和拉瓦锡的工作进一步推动了燃烧理论的发展，特别是拉瓦锡关于空气组成的实验，为近代化学理论的建立提供了关键证据。
约瑟夫·布莱克是18世纪的苏格兰化学家，他在化学上的主要贡献是首次使用天平来研究化学变化，创造了定量化学分析方法。布莱克通过精确的实验发现，在煅烧石灰石的过程中，石灰石并未因吸收燃素而增重，反而因为释放出气体“固定气体”（即二氧化碳）而失重。
这一发现不仅挑战了当时流行的燃素说，而且为物质守恒定律提供了实验证据。布莱克的定量研究方法为化学变化的定量分析奠定了基础，使得化学家能够更精确地测量和预测化学反应中物质的质量变化。
约瑟夫·普里斯特利的工作对燃烧理论的发展起到了推动作用。普里斯特利在实验中发现了氧气，并且他的实验显示，氧气是支持燃烧和呼吸的关键气体。普里斯特利的发现为后来的化学家提供了关于空气组成和气体性质的新见解，这些见解对于理解燃烧过程中物质的变化至关重要。
安托万-洛朗·德·拉瓦锡是法国化学家，他的工作进一步推动了燃烧理论的发展，并为近代化学理论的建立提供了关键证据。拉瓦锡通过精确的实验方法，推翻了燃素说，并提出了燃烧的氧化学说。他在实验中发现，空气由氧气和氮气组成，其中氧气约占空气总体积的1/5。
拉瓦锡推翻燃素说
拉瓦锡的实验过程是这样的：他将少量汞放在密闭容器中加热12天，发现部分液态汞变成了红色粉末（氧化汞），同时容器里的空气体积减少了约1/5。他进一步通过加热氧化汞，释放出氧气，证明了氧气的存在，并且证实了在化学反应中质量守恒。拉瓦锡的这些实验不仅揭示了空气的组成，而且为理解和接受物质守恒定律提供了有力的实验支持。
化学命名法的改革
旧的化学命名法由于缺乏统一和科学性，导致了混乱和不合理的情况。这种命名法不仅使得化学物质的识别变得困难，而且严重阻碍了化学知识的传播和理解。为了解决这一问题，拉瓦锡和其他科学家如吉东·德·莫尔沃、贝托莱和富克鲁瓦等，共同为建立新的化学命名法做出了重要努力。
拉瓦锡在《化学基础论》中提出了化学物质命名的新规则，强调每一种物质都应有唯一且能反映其化学性质的名称。这不仅避免了因不同来源或不同化学家的习惯导致的命名不同，还简化了化学教育，降低了化学初学者的学习难度。他提出的命名法基于简单术语给简单物体命名，对于由几种简单物质结合而成的物体，按照正常的观念秩序，用类或属的名称表达大量个体的共有之质，种的名称则仅仅表达某些个体的特有之质。
1787年，拉瓦锡与合作者共同出版了《化学命名法》，其中详细阐述了新的命名规则。这些规则包括：每一物质都有固定的名称，一律采用化学符号来表示；单质的名称要尽可能地表示出其特征；化合物的名称根据它所含的单质表示；酸类、碱类用它们所含单质表示；盐类用构成它们的酸、碱来表示”。例如，过去被称为金属灰的物质被命名为金属氧化物，矾油或矾酸被命名为硫酸。
新的命名法基于科学原则，使得化学物质的命名更加系统化和合理化。这种命名法的实施极大地促进了化学知识的传播和理解，为化学的发展奠定了坚实的基础。新的命名法不仅清晰易懂，而且很快得到普及，推进了化学的发展进程。随着新术语的传播，拉瓦锡的理论在世界上广泛流传，最终确立了氧化学说的地位，彻底打倒了燃素说。
原子理论的确立
约翰·道尔顿的原子理论为化学领域提供了一个全新的视角，并深刻影响了物质守恒定律的理论基础以及化学分析和合成的发展。
道尔顿原子理论的提出道尔顿在1803年提出了原子论，这是化学史上的一个重大突破。他的理论基于三个主要假设：
- 每种化学元素都由称为原子的微小、不可分割的粒子组成。在化学变化过程中，原子既不产生也不消失。
- 一种元素的所有原子在质量和其他性质上都相同，但不同元素的原子各不相同。
- 化合物中，不同的原子以简单整数比结合。
道尔顿的原子理论为物质守恒定律提供了坚实的理论基础。根据道尔顿的理论，化学反应前后原子的种类和数量保持不变，从而解释了为什么在化学反应中物质的总质量保持不变。这一点在化学反应、生物过程以及天体物理中都有广泛的应用，是化学反应得以进行的基础。
道尔顿的理论不仅解释了质量守恒定律，还推动了化学分析和合成的发展。他提出了用相对比较的办法求取各元素的原子量，并发表了第一张原子量表，为后来测定元素原子量工作开辟了光辉前景。这使得化学家能够更精确地预测和计算化合物的组成，极大地促进了化学分析和合成的精确性。
道尔顿
道尔顿的原子理论得到了实验证据的支持。例如，法国化学家普鲁斯特发现的定比定律，即参与化学反应的物质质量都成一定的整数比，为道尔顿的理论提供了实验基础。道尔顿自己通过实验也发现，当两种元素所组成的化合物具有两种以上时，在这些化合物中，如果一种元素的量是一定的，那么与它化合的另一种元素的量总是成倍数地变化的（倍比定律）。
化学符号和分子式的发展
约翰·道尔顿在化学领域的重大贡献之一便是他提出的化学原子论以及相应的原子符号和分子式系统。1803年，道尔顿提出了化学原子论，并在1808年设计了一套符号来表示他的理论。
道尔顿认为简单原子均为圆球形，因此用圆圈代表原子符号，并在图上标注不同的点或者线，以区分原子的种类。例如，他将水（HO）和氨（NH）的组成通过简单的图形表示出来。这些符号由于具有鲜明简单的图案，又与设想的球形原子形状相似，并可用图形表示化合物中原子的排列，因此很易为人们所接受。
然而，道尔顿的符号系统由于其复杂性，在印刷和书写上存在不便，未被广泛采纳。为了解决这一问题，瑞典化学家永斯·贝采里乌斯在1813年提出了一套更为简化的化学符号系统。
贝采里乌斯使用元素名称的首字母（有时是拉丁文，有时是阿拉伯文）来表示元素，如果首字母相同，则增加下一个字母以避免混淆，例如C代表碳（carbon），Co代表钴（cobalt）。贝采里乌斯的系统使得化学符号更加简单、系统化，并且逻辑性强。由于使用通用的拉丁字母作为符号，每个符号最多两个字母，容易认记；统一使用字母，使整套符号系统一致；符号是由其名称而来，具有一定的逻辑性；能表示确定的相对原子质量，具有方便性，因此很快成为现代化学语言的基础。
贝采里乌斯的这套符号系统不仅简化了化学信息的表达和传递，而且为化学方程式的书写提供了标准化的方法。例如，化学反应方程式CuSO4+2HCI→H2SO4+CuCI2便是使用贝采里乌斯提出的化学符号系统来表示的。这种表示法在1835年之后被大规模采用，并最终被用于表示化学反应的方程式中。贝采里乌斯的化学符号系统极大地促进了化学知识的传播和理解，是现代化学能够快速发展的关键因素之一。
电池组的发明
1800年，意大利物理学家亚历山大·伏打伯爵发明了伏打电堆，这是最早出现的化学电池。伏打电堆由多个单元堆积而成，每个单元包含锌板和铜板，中间夹着浸有盐水的布或纸板。每个单元可以产生0.76V的开路电压，拥有六个单元的伏打电堆其开路电压大约是4.56V。伏打电堆的发明使人们第一次有可能获得比较稳定的电流，从而为进一步探究提供了条件，使电学研究进入了量化研究的近代阶段。
亚历山大·伏打的电堆
伏打电堆的发明否定了伽伐尼的“动物电”说法，提出了电的接触学说。伏打通过实验创立了一个了不起的电位差理论，即不同金属接触，表面就会出现异性电荷，也就是说有电压。伏打电堆提供了产生恒定电流的电源——化学电源，它的强度的数量级比从静电起电机能得到的电流大得多。
迈克尔·法拉第的研究为电化学工业的发展奠定了基础。法拉第发现了电解第一和第二定律，这两个定律描述了电极上通过的电量与电极反应物重量之间的关系，又称为电解定律。法拉第第一定律表明，在电极界面上发生化学变化物质的质量与通入的电量成正比。
法拉第第二定律表明，通电于若干个电解池串联的线路中，当所取的基本粒子的荷电数相同时，在各个电极上发生反应的物质，其物质的量相同，析出物质的质量与其摩尔质量成正比。这些发现对于化学工业的发展产生了重要的影响，特别是在电沉积行业、电池行业以及电化学分析技术等领域。
伏打电堆和法拉第的电解定律不仅推动了电学和化学的理论发展，而且在实际应用中展现出巨大的潜力。伏打电堆的发明使电磁学发展走上了突飞猛进的道路，发电机的出现标志着电气文明的开始，并导致第二次产业革命，改变人类社会的结构。法拉第的电解定律则在电镀、电池制造和电化学分析等领域发挥着重要作用，推动了现代电化学工业技术的发展。