化學史
| 科學史 |
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化學史的範圍從遠古時代一直延伸到今日。在西元前100000年左右，各個古文明的科技，像是從礦石提煉金屬、製作陶器、釀酒、製作顏料、從植物中提取香料和藥物、製備奶酪、染布、製革、將脂肪轉化為肥皂、製造玻璃、製作像青銅器與其他合金等等，後來都成化學各分支的基礎。
煉金術被視為化學的先導科學，但它無法合理地解釋物質，以及物質轉變的現象。經過歷史的推演，哲學不能解釋物質的本原和轉化規律。鍊金術同樣失敗了，但是它的實驗奠定了化學學科的基礎。鍊金術和化學的分界線被認為是波以耳於1661年的著作《懷疑的化學家》正式成立。拉瓦節創立了質量守恆定律，它說明了化學反應中的質量關係。化學史就是化學這門科學從古到今發展的歷史。[1]
古代化學史
[編輯]古代冶金
[編輯]人類最早使用的金屬似乎是金。考古學家曾經在位於西班牙，大約屬於公元前40,000年的舊石器時代晚期的洞穴遺跡中，發現少量的自然金。[2]
銀、銅、錫和隕鐵也可以在大自然中找到，因而在古文明中產生了最基本的冶金工程。[3]大約在公元前3,000年，古埃及人利用隕鐵製作的武器被贊譽為「來自天堂的匕首」。[4]
原始人類為了生存，以及在與自然災害鬥爭中，發現了火，並加以利用。人類從開始使用火之日起，就從野蠻時代進入了文明時代並開始了認識和改造、利用物質的過程，編織了化學史的序章。燃燒本質上就是一種化學反應，人類最初運用火來熟食、取暖、驅趕野獸；
在接下來的千年時間裏，人類陸續發現了一些化學反應，例如發現在孔雀石配製的溶液裏面加入鐵，會有紅色的銅生成，「曾青得鐵，則化為銅，外化而內不變」[5]。另外，人們創造的一些生產技術，也屬於化學反應的範疇，例如製陶、冶煉，以及釀造、染色等等。但是，古人對大部分的化學反應的理解僅僅限於最表面的現象，沒有深入原理進行探究，因此化學這一學科尚未真正形成。
青銅器時代
[編輯]青銅器時代，在考古學上是以使用青銅器為標誌的人類文化發展的一個階段。青銅是銅和錫的合金，因為其氧化物顏色青灰，故名青銅。由於青銅的熔點比較低，約為800℃，硬度高，為銅或錫的2倍多，所以容易融化和鑄造成型。
青銅時代初期，青銅器具比重較小，甚或以石器為主，進入中後期，比重逐步增加。自有了青銅器和隨之的增加，農業和手工業的生產力水平提高，物質生活條件也漸漸豐富。青銅鑄造術的發明，與石器時代相比，起了劃時代的作用。
青銅時代的特色是青銅的廣泛使用，即利用銅與錫、鉛、銻或砷的合金製作工具和武器。
鐵器時代
[編輯]鐵器時代是考古學上繼青銅器時代之後的一個人類社會發展時代。這是在實際上所說的鐵器時代是指的早期階段，在晚期各國都已經進入了有文字記載的文明時代，也就多以各國的朝代來稱呼其時代。當時人們已能冶鐵和製造鐵器作為生產工具。其與之前時代的主要區別在於農業發展，宗教信仰與文化模式。
不同地區進入鐵器時代的時間有所不同，即使同在歐洲，日耳曼地區和羅馬進入鐵器時代的時間亦有所不同。世界上最早進入鐵器時代的是赫梯王國，大約在公元前十四世紀年左右。中國在春秋（公元前五世紀）末年，大部分地區已使用鐵器。
雖然各地區進鐵器時代的時間不盡相同，亦難以以準確的年份標示，但鐵器時代與之前時代的區別仍是十分明顯的。鐵器時代是指已經能運用很複雜的金屬加工來生產鐵器。鐵的硬度，高熔點與鐵礦的高蘊含量，使得鐵相對青銅來說來得便宜及可在各方面運用，所以其需求很快便遠超青銅。
在美洲及大洋洲的鐵器時代並不是發展自青銅器時代，因為鐵的運用是由歐洲探險家傳入的。
古代經典與原子論
[編輯]古人也曾經試圖用哲學解釋為什麼不同的物質有不同的顏色、狀態、密度、氣味，為什麼不同的物質暴露在空氣中有不同的反應，等等。這些努力，使得古人對自然以及基礎的化學原理有了初步的認知。通常這些理論認為物質由一些基本的元素構成，例如水、空氣、土、火、光，以及更加抽象的如能量、意識、以太等等。例如，在古希臘、古印度以及瑪雅文化中都認為水、土、火、氣是基本的元素，在中國則有五行說，認為金、木、水、火、土為基本的元素。而關於物質結構的原子論，最早可以追溯到古希臘和古印度。[6] 古希臘的原子論可以追溯到公元前440年。公元前50年，由羅馬人盧克萊修所著[7] 的書籍《物性論》中對原子論有了較系統的表述。[8] 這本書的思想可以追溯到古希臘哲學家德謨克利特和留基伯，他們認為原子是不可分割的組成物質的最小粒子。這與同時代印度哲學家羯那陀的在他的《勝論經》中表述的觀點不謀而合。[6] 他們都討論了關於氣體是否存在的問題。雙方都因為缺少實驗數據而使得其理論不被承認。亞里士多德在公元前330年表示反對原子論。
老普林尼在他的《博物志》一書中記錄了一些早期的物質提純方法。他嘗試着解釋這些方法，並對許多礦物的狀態進行了精確的觀察。
中世紀的煉金術
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賢者之石與鍊金術的興起
[編輯]許多人對將賤金屬轉換為黃金很感興趣。能夠做到這個的東西被稱為賢者之石(Philosopher's stone)。這個導致了鍊金術的興起。世界上許多文化都有鍊金術的做法，而這些都經常摻雜着哲學、神秘主義和早期科學的色彩。
鍊金術士不僅希望能夠將賤金屬轉換為黃金，更希望通過鍊金術能夠發展醫學，改善人們的健康狀況。人們做出聖杯，希望能找到萬能藥，用以保證長生不老。當然，藥和賢者之石都沒有找到。需要指出的是，艾薩克·牛頓終身是一個鍊金術的信徒。
伊斯蘭的鍊金術
[編輯]伊斯蘭鍊金術體現了一種關於本質的哲學，它與古希臘赫耳墨斯的哲學和中國的鍊金術，以及關於礦物和金屬轉變成金的特殊原理都有密切的關係。伊斯蘭教歷史上，穆斯林學者對鍊金術的效能長期爭論不休。正統的宗教學者大多反對鍊金術，而多數自然學科的學者，儘管他們也不相信一般金屬能變成黃金，卻接受了鍊金術的基本觀點。著名的伊斯蘭醫學家伊本·西那在他的《治療書》中關於金屬構成的學說，便是以鍊金術的理論為基礎。
穆斯林最早的鍊金術者是倭麥亞王子哈立德·伊本·葉基德。8世紀初，鍊金術甚為流行，其代表人物是賈比爾·伊本·哈揚。他的著作《七十本書》和《平衡書》，被視為伊斯蘭鍊金術的基礎理論著作，是用阿拉伯文寫成的關於鍊金術最重要的文獻。穆斯林醫生兼鍊金術拉齊被譽為將鍊金術發展為古代化學的奠基人。
17至18世紀：早期化學
[編輯]羅拔·波義耳
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羅拔·波義耳（1627年－1691年）是愛爾蘭的自然哲學家，在化學和物理學研究上都有傑出貢獻。
1661年波義耳發表了《懷疑派的化學家》，在這部著作中波義耳批判了一直存在的四元素說，認為在科學研究中不應該將組成物質的物質都稱為元素，而應該採取類似海爾蒙特的觀點，認為不能互相轉變和不能還原成更簡單的東西為元素，他說：「我說的元素...是指某種原始的、簡單的、一點也沒有摻雜的物體。元素不能用任何其他物體造成，也不能彼此相互造成。元素是直接合成所謂完全混合物的成份，也是完全混合物最終分解成的要素。」而元素的微粒的不同聚合體導致了性質的不同。由於波義耳在實驗與理論兩方面都對化學發展有重要貢獻，他的工作為近代化學奠定了初步基礎，故被認為是近代化學的奠基人。
安東萬·拉瓦節
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安東萬·拉瓦節（1743年－1794年）是法國的化學家、生物學家及貴族[9]，後世尊稱拉瓦節為近代化學之父[10]。他給出了氧與氫的命名，[11]:48[12]:229並且預測了矽的存在。他幫助建立了公制。拉瓦節提出了「元素」的定義，按照這定義，於1789年發表第一個現代化學元素列表，列出33種元素，其中包括光與熱和一些當時被認為是元素的化合物。[12]:636-637拉瓦節的貢獻促使18世紀的化學更加物理及數學化[13]。他提出規範的化學命名法，撰寫了第一部真正現代化學教科書《化學基本論述》（Traité Élémentaire de Chimie）。他倡導並改進定量分析方法並用其驗證了質量守恆定律。他創立氧化說以解釋燃燒等實驗現象，指出動物的呼吸實質上是緩慢氧化。這些劃時代貢獻使得他成為歷史上最偉大的化學家之一。
伏打與伏打電堆
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亞歷山德羅·伏打（1745年－1827年）是意大利物理學家。1775年，他成為科莫皇家學院的物理學教授。第二年，他做科學實驗改良完善了起電盤（electrophorus），這裝置能夠製造靜電荷。
他於1776年至1777年間投身化學，研究大氣電力（atmospheric electricity）以及執行如在封閉的容器中以電力的火花點燃氣體等不同的實驗。1779年，他成為帕維亞大學的物理學教授，並在此擔當教授二十五年之久。他在1800年前已成功發展出可以製造穩定電流，稱為伏打電堆的早期化學電池。
1810年，拿破崙有見他對電力學的貢獻，冊封他為伯爵。科莫當地為他建了一間稱作伏打寺的博物館，展示他實驗儀器的原物。
19世紀
[編輯]約翰·道耳吞
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約翰·道耳吞（1766年－1844年）是英國化學家、物理學家。1794年道耳吞被選為曼徹斯特文學和哲學學會會員，這個學會主要討論神學和英國政治之外的各種問題。1800年道耳吞開始擔任學會秘書，隨後進行氣體的壓強研究。他加熱相同體積的不同氣體，發現溫度升高所引起的氣體壓強變化值與氣體種類無關。並且當溫度變化相同時，氣體壓強變化也是相同的。他實際上得到了和後來查理和給呂薩克同樣的結論，但是他沒有繼續深究這個問題。
1801年道耳吞將水蒸汽加入乾燥空氣中，發現混合氣體中某組分的壓強與其他組分壓強無關，且總壓強等於兩者壓強和，即道耳吞分壓定律。同年道耳吞最親密的朋友威廉·亨利發現了難溶於水的氣體在水中的溶解數量與壓強成正比，即亨利定律。隨後亨利也觀察到對於混合氣體也存在同樣關係，只不過壓強換成了氣體的分壓值。道耳吞從這一研究成果得出溶解是純物理過程的結論。
1803年12月與1804年1月道耳吞在英國皇家學會作關於原子論的演講，其中全面闡釋了他的原子論思想。儘管從現在的觀點來看，道耳吞的觀點是非常簡潔而有力的，但是由於實驗證據的缺乏，這一觀點直到20世紀初才被廣泛接受。
永斯·貝采利烏斯
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永斯·貝采利烏斯（1779年－1848年）是瑞典化學家、伯爵，現代化學命名體系的建立者。他首先提出了用化學元素拉丁文名稱的開頭字母作為化學元素符號，發現了硒、矽、釷、鈰等元素，他與約翰·道耳吞、安東萬·拉瓦節一起被認為是現代化學之父。
他在1806年第一個提出了有機化學這一概念，以區別於無機化學。1812年提出「二元論的電化基團學說」，1830年發現同分異構現象。
但是他曾經提出以生命力的存在解釋有機物的形成，後來被一系列的有機合成（如維勒的尿素合成）事實證明為錯誤。
門捷列夫的元素週期表
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化學元素週期表是根據原子序從小至大排序的化學元素列表。列表大體呈長方形，某些元素週期中留有空格，使特性相近的元素歸在同一族中，如鹵素及貴氣體。這使週期表中形成元素分區。由於週期表能夠準確地預測各種元素的特性及其之間的關係，因此它在化學及其他科學範疇中被廣泛使用，作為分析化學行為時十分有用的框架。
現代的週期表由德米特里·門捷列夫於1869年創造，用以展現當時已知元素特性的週期性。自此，隨着新元素的探索發現和理論模型的發展，週期表的外觀曾經過改變及擴張。通過這種列表方式，門捷列夫也預測了一些當時未知元素的特性，以填補週期表中的空格。其後發現的新元素的確有相似的特性，使他的預測得到証實。
20世紀
[編輯]化學的現代定義
[編輯]20世紀前，化學被定義為研究物質性質及其轉化規律的科學。它與物理存在明顯的區別，因為物理學不研究像化學反應一樣的劇烈物質變化。與物理學不同的是，化學研究中使用的數學原理並不多。有些人還不太願意研究化學時使用數學原理。
量子力學
[編輯]量子力學是描寫微觀物質的一個物理學分支，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學，如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科，都是以量子力學為基礎。
19世紀末，經典力學和經典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛定諤、沃爾夫岡·泡利、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛因斯坦等一大批物理學家共同創立的。通過量子力學的發展，人們對物質的結構以及其相互作用的見解被革命化地改變，同時，許多現象也得以真正地被解釋。藉助量子力學，以往經典理論無法直接預測的現象，可以被精確地計算出來，並能在之後的實驗中得到驗證。除通過廣義相對論描寫的引力外，迄今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力學的框架內描寫（量子場論）。
量子化學
[編輯]量子化學是應用量子力學的規律和方法來研究化學問題的一門學科。將量子理論應用於原子體系還是分子體系是區分量子物理與量子化學的標準之一。
1927年物理學家沃爾特·海特勒和弗里茨·倫敦將量子力學處理原子結構的方法應用於氫氣分子，成功地定量闡釋了兩個中性原子形成化學鍵的過程，他們的成功標誌着量子力學與化學的交叉學科——量子化學的誕生。
在海特勒和倫敦之後，化學家們也開始應用量子力學理論，並且在兩位物理學家對氫氣分子研究的基礎上建立了三套闡釋分子結構的理論。萊納斯·鮑林在最早的氫分子模型基礎上發展了價鍵理論，並且因為這一理論獲得了1954年度的諾貝爾化學獎；1928年，物理化學家羅伯特·S·馬利肯提出了最早的分子軌態理論，1931年，埃里希·休克爾（E. Hückel）發展了馬利肯的分子軌態理論，並將其應用於對苯分子等共軛體系的處理；漢斯·貝特於1931年提出了配位場理論並將其應用於過渡金屬元素在配位場中能階裂分狀況的理論研究，後來，配位場理論與分子軌態理論相結合發展出了現代配位場理論。價鍵理論、分子軌態理論以及配位場理論是量子化學描述分子結構的三大基礎理論。早期，由於計算手段非常有限，計算量相對較小，且較為直觀的價鍵理論在量子化學研究領域佔據着主導地位，1950年代之後，隨着計算機的出現和飛速發展，以及高斯函數的引進，海量計算已經是可以輕鬆完成的任務，分子軌態理論的優勢在這樣的背景下凸現出來，逐漸取代了價鍵理論的位置，目前在化學鍵理論中佔主導地位。
分子生物學和生物化學
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20世紀中期，物理學和化學都達到了前所未有的高度。萊納斯·鮑林的《化學鍵的本質》可以用量子力學的理論判斷更為複雜的分子的鍵角。雖然某些量子力學的理論可以定性的解釋某些生物大分子的性質，但是直到20世紀末，這些都只是一些實驗觀察和規律集。 這種探索式的研究，在1953年取得了巨大成功。詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克由羅莎琳·弗蘭克林的X光繞射試驗得出的數據而進行的模型建造推測出了DNA的雙螺旋結構。[14] 這一發現引起了生物化學領域的爆炸式研究。
同年，米勒-尤列實驗證實了蛋白質的基本組成單位，即氨基酸，可以由地球早期的簡單無機分子在地球早期環境的條件下產生。雖然，關於生命起源的問題還存在諸多疑點，但是，這是化學家第一次在實驗室中，在可控條件下模擬假想的反應過程。
1983年，卡里·穆利斯發明了可以快速擴增DNA的方法，即聚合酶鏈式反應（PCR）。此項發明使實驗室中操控 DNA 的化學過程發生了根本改變。PCR 可用於合成特定的DNA片段，也使得DNA測序成為可能。後者在人類基因組計劃（HGP）中有重要應用。
關於DNA的複製機制，有一由萊納斯·鮑林的學生所做的實驗（Meselson-Stahl實驗）。此實驗用同位素標記法標記DNA中的氮原子，由於氮原子不同核種的重量不同，用離心技術就可分離含有不同氮原子的DNA分子，從而達到了跟蹤DNA複製過程的目的。此實驗被稱為「生物學中最美的實驗」。
化學工業
[編輯]19世紀末，從石油生產出的化工產品，取代了從前的魚油、煤焦油等原料。石油化工產生了汽油、煤油、有機溶劑、石蠟等常見化工產品。合成纖維、塑膠、油漆、洗滌劑、西藥、各種膠粘劑、化肥等等，都依賴於現代化工產業。
20世紀中期，由於高純度的單晶矽及單晶鍺的製得，半導體材料應運而生。1951年，三極管的製得使得大規模集成電路以及計算機成為了可能。
參見
[編輯]偉大的化學家
[編輯]按年代排序：
- 約瑟夫·布萊克, 1728-1799
- 約瑟夫·普里斯特利, 1733-1804
- 卡爾·威廉·舍勒, 1742-1786
- 拉瓦節，1743-1794
- 亞歷山德羅·伏打, 1745-1827
- 雅克·查理（Jacques Charles）, 1746-1823
- 克勞德·貝托萊, 1748-1822
- 約瑟夫-路易·給呂薩克, 1778-1850
- 漢弗萊·戴維, 1778-1829
- 永斯·貝采利烏斯, 1779-1848
- 尤斯圖斯·馮·李比希, 1803-1873
- 路易·巴斯德, 1822-1895
- 斯坦尼斯勞·坎尼扎羅, 1826-1910
- 弗里德里希·奧古斯特·凱庫勒·馮·斯特拉多尼茨（凱庫勒）, 1829-1896
- 約西亞·吉布斯, 1839-1903
- 范特霍夫, 1852-1911
- 瑪麗·居禮, 1867-1934
- 維克多·格林尼亞, 1871-1935
- 吉爾伯特·牛頓·路易斯, 1875-1946
- 萊納斯·鮑林, 1901-1994
- 羅伯特·伯恩斯·伍德沃德，1917-1979
- 威廉·巴里·詹森
- 埃里克·斯凱里
- 恩斯特·洪伯格
- 馬修·繆爾
- 溫德爾·拉迪摩
註釋
[編輯]- ^ Selected Classic Papers from the History of Chemistry. [2009-09-17]. （原始內容存檔於2018-09-17）.
- ^ History of Gold. Gold Digest. [2007-02-04]. （原始內容存檔於2007-04-29）.
- ^ Photos, E., 'The Question of Meteorictic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results' World Archaeology Vol. 20, No. 3, Archaeometallurgy (February 1989), pp. 403–421. Online version （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） accessed on 2010-02-08.
- ^ W. Keller (1963) The Bible as History, p. 156 ISBN 0-340-00312-X
- ^ 劉安（西漢），《淮南萬畢術》
- ^ 6.0 6.1
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"Two systems of Hindu thought propound physical theories suggestively similar to those of Greece. Kanada, founder of the Vaisheshika philosophy, held that the world was composed of atoms as many in kind as the various elements. The Jains more nearly approximated to Democritus by teaching that all atoms were of the same kind, producing different effects by diverse modes of combinations. Kanada believed light and heat to be varieties of the same substance; Udayana taught that all heat comes from the sun; and Vachaspati, like Newton, interpreted light as composed of minute particles emitted by substances and striking the eye."
- ^ Simpson, David. Lucretius (c. 99 - c. 55 BCE). The Internet History of Philosophy. 29 June 2005 [2007-01-09]. （原始內容存檔於2009-04-30）.
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- ^ Watson, J. and Crick, F., "Molecular Structure of Nucleic Acids" （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Nature, April 25, 1953, p 737–8
參考資料
[編輯]- Selected classic papers from the history of chemistry （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- Biographies of chemists
- Eric R. Scerri, The Periodic Table: Its Story and Its Significance, Oxford University Press, 2006.
