貝採裡烏斯的化學元素符號改革與電化學二元論

卻說貝採裡烏斯和希新格爾一起作礦物分析時，曾用伏打電池分解鹽類物質，他們發現，所有的鹽都被電流分解，氧、酸（當時的酸就是現在的酸酐）和被氧化的物質向正極聚集，而可燃物質氫、鹼（當時的鹼就是現在的金屬氧化物）和鹼土向負極聚集，這表明酸和鹼帶有相反的電荷，貝採裡烏斯已經萌生了電化理論的思想。

關於元素或者原子依靠什麼力量互相結合的問題，自古以來就有各種不同的說法。古希臘的恩培多克勒提出，元素之間以“愛力”和“憎力”而發生結合和分離，萬物因此而變化。大約13世紀時，鍊金術士提出了模糊的“化學親和力”的概念，認為元素靠“化學親和力”結合，並列出了粗略的親和力表。及至17世紀，機械力學興起，伽桑迪等人復興了古希臘的原子論，在說明原子結合時就假定原子具有鉤、齒、突等結構，它們就像普通的機械裝置一樣裝配結合。牛頓發現了萬有引力定律後，試圖用引力來說明原子之間的相互作用的問題，這在道爾頓一節中已有敘述，此處不再贅述。19世紀初期，義大利物理學家伏打發明瞭伏打電堆，電解法作為一種新的化學分析方法，應用日益廣泛，英國化學家戴維用伏打電堆接二連三地發現了鈉、鉀、鎂、鋇等新金屬元素，從電學角度來解釋化學現象日益受到重視。

另一方面，關於化合物的二元論，是拉瓦錫提出的物質體系的中心。他認為，鹽是酸和鹽基（鹼）的加合產物，酸（即現在所指的酸酐）又是氧和非金屬的加合產物，鹽基（鹼）多數又是氧和金屬的加合產物，這是拉瓦錫建立的以氧為中心的物質體系。深為拉瓦錫的氧化理論所折服的貝採裡烏斯自然接受了這種化合物組成的二元論，於是，他根據鹽類電解的研究成果，決心應用電學觀點來分析化合物組成和化學反應的機理，提出了電化學二元學說（又稱為電化二元論）。

他假定：一般情況下，一個鹽是一個酸（實際為酸酐）和一個鹼（實際是鹼性氧化物）的化合物：

鹽

酸（—） 鹼（+）

非金屬（+） + 氧（—） 金屬（+） + 氧（—）

顯然，電學中也存在類似的二元性，電解鹽的實驗表明酸和鹼好像帶相反的電荷，因此將酸和鹼的概念就可以同電的極性聯絡起來。鹼是電正性的氧化物，酸是電負性的氧化物。貝採裡烏斯將這種極性推廣到元素上，每一種元素的原子都有正電和負電不等的兩極，兩種相反的電荷按照不同的比例聚集於兩極上，有的原子顯正電性，有的原子顯負電性，元素的電化學特性取決於原子中的正電荷或負電荷佔據優勢。氧具有較大的負電量和較小的正電量，是負電性最強的元素，鉀的情況恰好相反，是正電性最強的元素。只有假定原子存在兩種不同的電性，才能解釋硫這樣的元素既能與較大正電性的鉀結合，又能與較大負電性的氧結合。貝採裡烏斯按正負電性強弱將當時已知的元素排列成下表：

負電性較大的元素（按逐漸遞減的順序排列）：

O、S、N、F、Cl、Br、I、Se、P、As、Mo、Cr、W、B、C、Sb、Te、Ta、Ti、Si、（H）。

正電性較大的元素（按逐漸遞增的順序排列）：

（H）、Au、Os、Ir、Pt、Rh、Pd、Hg、Ag、Cu、Bi、Sn、Zr、Pb、Cd、Co、Ni、Fe、Zn、Mn、Ce、Th、Al、Y、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Li、Na、K。

如果從元素的氧化還原的角度看，這幾乎就是元素氧化性逐漸減弱、還原性逐漸增強的順序。

原子依靠正、負電性之間的靜電力而結合，電解時正電性的元素在負極析出，負電性的元素在正極析出。例如：

（+）（—） （+）（—） （+）（—）

Zn O CO2 P2O5

原子結合成化合物後，正負電性不完全抵消，新化合物可能仍帶正電或負電。帶正電的化合物和帶負電的化合物仍可依靠靜電力而結合，形成第二級化合物。例如：

（+）（—） （+）（—） （+）（—）

K2O Al2O3 SO3（S相對O顯正電）

（剩正電） （剩正電） （剩負電）

又可結合成：

（+）（—） （+）（—）

K2O SO3 Al2O3 3SO3

K2SO4（硫酸鉀） Al2（SO4）3（硫酸鋁）

第二級鹽仍然可能剩餘一些電性，又能彼此化合成更復雜的化合物：

（+） （—）

K2SO4 Al2（SO4）3 （明礬）

貝採裡烏斯的電化學二元理論幾乎解釋了當時已知的全部無機化合物和無機化學反應，很快為大多數化學家所接受。加之這一理論簡單明晰，易於理解，又有堅實的電化學實驗結果支援，不久就成為了19世紀初期化學界的主流理論。值得一提的是，貝採裡烏斯的電化學二元理論和阿伏伽德羅的分子假說幾乎是同時提出，顯然，電化學二元論不允許同種原子結合成分子，因為同種原子電性相同，而同種電荷是互相排斥，這就難怪貝採裡烏斯對分子假說長期不表態，或者說反對分子假說了。

電化學二元論在19世紀20年代末達到了高峰，貝採裡烏斯根據此理論寫出的化學式是他測定原子量和進行物質分類的基礎。1814年，他把當時精確的化學定律和電化學理念應用到礦物學中，就使得不僅有可能按照比重、顏色、硬度、形狀等種種特徵來論述礦物，而且也可能按照化學物質的組成來論述它們。他把岩石礦物看成是正電性的金屬氧化物與負電性的“矽石”，按照不同的比例結合而成，這樣就很容易分清礦物的類和族。1836年，他因提出礦物分類體系而獲得英國皇家學會頒發的科普利獎章。電化學二元論後來被拋棄，以此建立的礦物分類系統就很難說符合現代的科學理論了。但在當時，在貝採裡烏斯的時代，他的這種分類法無疑是有巨大進步意義和作用的。這好比他少年時代追隨的林耐，林耐的生物學分類方法跟現代的也有很大差別，但在當時卻顯示出無比的條理性和清晰性。

19世紀40年代，電化學二元論在解釋有機化學方面遇到了很大困難，二元論物質體系的觀念受到極大衝擊，後逐漸為化學界所拋棄，這令晚年的貝採裡烏斯相當痛苦，他對二元論體系的堅持被認為是冥頑不靈的老古董。不過，令人稱奇的是，20世紀的研究表明，原子是由帶正電的原子核和帶負電的核外電子構成，使這一理論在新的形勢下復活了，成為了電價鍵理論的先驅。現在看來，有兩位化學家的評價相當有先見之明。一位是德國的凱庫勒，他說：“為偉大的貝採裡烏斯天才地發展了的、數十年一直被認為能導致對化學事實的滿意解釋以及導致這些事實的物理現象結合的電化學理論，原來是有缺點的。很顯然，在以後的時期中，科學的發展將會回到它上面去，那時它將以更新的形式同樣結出自己的果實。”另一位是俄國化學家別凱托夫，他說：“要拋棄電化學理論是沒有足夠的理由的，比較合理的是根據最新的物理學觀念來使這個理論本身變的更好。”

今天，凡學習化學的人都要先學會書寫化學元素符號和各種物質的化學式（分子式），作為化學交流的共同語言。我們現在使用的元素符號，就是貝採裡烏斯發明的。在中世紀時期，鍊金術士提出了一些表示元素的符號，不過就像天書一樣，估計考古學家也不知道是什麼意思。這些符號一直到拉瓦錫、道爾頓建立了新化學仍未改進，對化學學術交流造成了一定的障礙。1811年，貝採裡烏斯提出，不用那麼多的幾何圖形，而是取元素拉丁文名稱的起首大寫字母作為該元素的符號，從而使每種元素名稱中都具有“um”或“ium”字尾，實現了命名形式上的統一，後來新發現的元素也按照這種方法命名。不過這樣命名的元素的名稱仍然太長，1813年，他倡導採用每種化學元素的拉丁名稱開頭的的大寫字母作為該元素的化學符號，他在一篇論文中寫道：“化學符號要解釋所寫的東西而不致於把印刷的書弄得拖泥帶水，就應當用字母符號來表示。”例如用H表示氫，用O表示氧。

鍊金術士的符號

如果幾種元素的拉丁文名稱的起首字母相同，則用開頭兩個字母表示，並且第二個字母用小寫。例如，Na表示鈉，Cu表示銅，Fe表示鐵，Co表示鈷。以下就是貝採裡烏斯在《化學教科書》最後一版中提出的元素的原子符號：

O-氧 H-氫 N-氮 S-硫 P-磷 Cl-氯 Br-溴 I-碘 F-氟

C-碳 B-硼 Si-矽 Se-硒 Te-碲 As-砷 Cr-鉻 V-釩 Mo-鉬

W-鎢 Fe-鐵 Mn-錳U-鈾 Ce-鈰 D-釹 Ln-鑭 Al-鋁 K-鉀

Na-鈉 Sb-銻 Ta-鉭 Ti-鈦 Os-鋨 Au-金 Ir-銥 R-銠 Pt-鉑

Pd-鈀 Hg-汞 Ag-銀 Cu-銅 Bi-鉍 Sn-錫 Pb-鉛 Cd-鎘 Zn-鋅

Co-鈷 Ni-鎳 Zr-鋯 Th-釷 Y-釔 Be-鈹 Mg-鎂 Ca-鈣 Sr-鍶

Ba-鋇 Li-鋰

這些元素符號大部分一直延用到了今天。接著，他又論述了化學式的書寫規則。在貝採裡烏斯看來，化學式必須完全準確地表現出一種化合物是由哪些元素組成的，並應該指出其中每種元素的原子比數。他把化合物中各原子的數目以阿拉伯數字標示在元素符號右上角。比如硫酸的化學式是H2SO4，CO2表示二氧化碳。這種書寫方式經過一段時間後，由德國化學家李比希等人將阿拉伯數字改寫在元素符號的右下方，變成了H2SO4，CO2。等，一直沿用至今。今天看來這種發明似乎並不驚人，沒啥了不起的。不過，那麼多化學家包括制定了物質命名法的拉瓦錫都沒想出來，唯獨貝採裡烏斯想到了，並且一直沿用至今。正是貝採裡烏斯的首創，化學才有了簡明實用的通用語言。單憑這一看似平凡卻意義非凡的探索，貝採裡烏斯就可以在化學史上佔有光輝的一席。

（道爾頓的元素符號，上圖是表示明礬的分子式，複雜得讓人摸不著頭腦）