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1. 一个扰人至深的难题 2018年7月，国际化学哲学学会在英国布里斯托举办了一次会议。在会议中，大家围绕着一个特别的讨论主题——“化学元素的概念”，展开了激烈的辩论。 元素是化学中最基础的概念，也是我们学习化学时最早接触的概念之一。你很可能认为这应该是一个早就有着清晰定义的概念，但事实上，直到现在，化学家们依旧无法对“元素究竟是什么”达成共识。 然而，这却是一个意料之中、情理之中的结果。因为元素的定义，是一个比我们想象中复杂的多的问题。即便是像拉瓦锡、门捷列夫以及核化学先驱索迪等最杰出的化学大师，也都曾被这个问题困扰，他们都无法为“元素”给出一个精确而全面的定义。 面对这种困境，一些化学家认为，这或许是目前最好的结果。但还有一些化学家认为，我们需要进行更严肃的哲学思考。因为这不仅关乎元素的定义；还涉及到使一些基本概念（如分子、化学键等等），甚至是元素周期表本身的特征都模糊不清。这些缺乏所有人共同认可的意义的概念，被大家广泛且频繁地使用。 2. 难题的问题在哪？ “元素”的含义是化学家在闲暇时候最喜欢讨论的话题。比如我们都会说——氢是一种元素，这没有什么问题。但这是什么意思呢？是分子氢是一种元素？还是孤立的氢原子是一种元素？或者我们不是说某种具体的物质；而是指氢的一种概念，具体的氢原子和氢分子只是这个概念的物质代表？ 可能有人会说：谁管它呢？我们知道元素在实践中意味着什么就行了。但是，当我们描述一种元素时，我们可以说“硫是一种能形成有刺激性气味的黄色固体的元素”，也可以说“硫是元素周期表第16族的第二个元素”，这两种说法都没错，但这是完全不同的两件事情。 大家对这个问题的态度基本上是：“我知道我谈论元素的方式并不完全正确，但所有人都是这么做的，学生们也最终都会明白。”这种现象令一些化学家感到不适。例如，理论化学家Eugen Schwarz就认为，这是作为一名化学家不应该有的习惯。 也有化学家担心，无法对元素进行准确定义，会在教学中引发理解、沟通和信任方面的问题。意大利都灵大学的Elena Ghibaudi就说：“当两位化学领域的专家讨论元素时，他们能够从语境中分辨出对方的意思，但在课堂上的情况却往往不是这样的。” 除了化学家的自我要求和在教育沟通方面可能引发的问题，这种模糊性还有可能导致公众对化学的理解出现问题：有的元素与一些有毒物质有关，比如氯之于氯气，硫之于二氧化硫，人们可能会因此误以为这些元素本身具有毒性，造成公众对它们的误解。 Schwarz说：“我不知道要如何才能让公众明白，对于一种元素来说，只有某些化合物是有毒的，甚至有的物质只有在达到某个特定浓度以上才是有毒的。有时这种被认为有毒的元素如果含量过低的话，是有可能导致健康问题的。” 大家向化学投以期许的目光，希望他们能解决这个难题。因为元素概念是化学的核心，它具有很多的用途。因此，期待化学给它一个明确的定义似乎是合乎情理的。但是，化学真的能给出一个明确的定义吗？ 3. 曲折中前行 在《猪猪的新装》一文中，我们简单地从古希腊的“四元素说”说起，一直穿越到了现代，我们省去了许多的跌宕起伏，真实的故事实则要复杂的多。 首先，虽然恩培多克勒提出“万物皆由土、空气、火和水所构成的”，受到了亚里士多德哲学的推崇，但绝不是唯一的想法。在启蒙运动后期、化学黄金时代到来之前的一段时间里，“元素”系统是相当模糊的。16世纪，瑞士医生帕拉塞尔苏斯提出了“三元素”——硫、盐和汞；还有其他一些方案（包括像“燃素”这样的虚构元素）同样得到过短暂的支持。 在1665年出版的《怀疑派化学家》一书中，波义耳试图阐明元素的概念。他提出，元素是一种不能被进一步分解的物质。但是波义耳的定义只告诉了我们，对于一个已有的元素，它有着怎样的特性；而不能告诉我们，元素是什么，是什么让一种元素有别于另一种元素。这个定义是非常暂时的，它受制于个人的分析能力——我们要如何确定这就是一种元素，而不是某种人们还不知道该如何将其分解的化合物？ 我们确实无法做到这一点，这就是为什么一些化合物会出现在18世纪的一些元素列表中，例如在拉瓦锡的1789年发表的颇具影响力的作品《化学基础论》中，就将氯化物和氟化物等列为元素。拉瓦锡追随波义耳，也断言元素代表分解可达的最后阶段。 1808年，道尔顿为拉瓦锡的定义引入了更基本的东西，他断言，元素的特定属性来自于构成它的原子的属性，这些原子被视作为微小、坚硬的球形粒子。到了19世纪中叶门捷列夫的时代，人们认识到不同的元素有不同的原子量，门捷列夫在他的元素周期表中根据元素的原子量进行排序。（由于不相信原子的存在，门捷列夫使用的是“元素重量”一词。） 到了20世纪20年代，放射化学家索迪，以及物理学家卢瑟福、莫塞莱等人的发现，终于使人们认识到元素原子的更根本属性是它们的原子序数（也就是它们原子核中的质子数），对于同一种元素来说，所有原子的原子序数都是相同的。如果两个原子的原子序数不同，那么它们就是不同的元素。但很快，科学家发现了同位素——它们具有相同的原子序数，却有着不同的原子质量。 一开始，同位素的发现引起了轩然大波，因为这对元素的定义是一个巨大的挑战。化学家和物理学家对化学元素的概念再次进行了激烈讨论。他们讨论的主题是，每个同位素是否应该在元素周期表中占据独立的位置。 1923年，一个国际委员会达成一致，同意用原子序数来确定化学元素，而不是原子量。 元素是由原子序数定义的，看起来关于什么是元素的问题已经解决了。可问题是，化学家们却并不是这么用这个词的。1932年，德国化学家帕内斯在一篇关于元素定义的开创性论文中，承认了两种不同的定义，他称之为“Einfacher Stoff”（通常被翻译为“简单物质”）和 “Grundstoff”（“基本物质”）。第一个对应于拉瓦锡的概念——关于真实的、物理的、不能用化学方法分解成更基本成分的物质；第二个是一个抽象概念，例如“氧” 是一种原子序数为8的原子。 4. 持续至今的谜之混搭 目前，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）在其编排的《化学术语汇编》（俗称“Gold Book”）中，对“元素”仍给出了双重定义：“元素”既可以指“一种原子”，也可以同义地指它的单质物质。 这种双重定义让人无所适从。在一个元素网站上查找“氧”，你可能得到的信息是：它的原子序数为8；它具有一种特定的电子构型以及在元素周期表中的位置；此外，它是一种反应活性很高的物质，化学式为O2，沸点为-183°C。负责运营化学资源网站meta-synthesis.com的化学家Mark Leach说，这是两种完全不同数据的草率结合：前者对应的是帕内斯的“基本物质”（即一种抽象概念），后者对应于他的“简单物质”（一种真实的物质）。这种双重定义必然不好吧？ 另外，在元素周期表中，这两重定义被笨拙地混合在一起。我们可以把它想象成一张“基本物质”的表格——这和门捷列夫的看法差不多。但是，周期性这一概念指的又是真实物质的实际化学性质：化合物的化合价，电离能、金属性等性质。Leach说：“如果基本物质只有原子序数这一种属性，那么我们就应该只有一个简单的列表。元素周期表的周期结构又从哪里来呢？“ 在有些元素周期表的版本中，人们甚至还会加上一些用以展示元素的“简单”物质形式的图片，比如在碳的格子内放上钻石或石墨。所以元素周期表是令人困惑的混搭，但这也许是不可避免的。《化学基础》杂志的科学哲学编辑Eric Scerri 说：“我们需要在基本属性和简单属性之间做出明智的妥协才能构建出元素周期表。” 这不是一件小事。例如在《元素趣事9则》中提到的，第三族中钇下面的元素应该是镧和锕，还是镥和铹，就是一个仍存在激烈争论的问题。争论的焦点在于，这张表应该反映电子构型等“基本”特征，还是化学行为等可观测特征。一旦相对论效应（由于内壳层电子的极高速度）开始破坏人工制造的超重元素的化学周期性，这些论点就变得更加含糊不清。 5. 超重物质带来的新麻烦 超重元素带来的复杂性还不止这些。关于元素究竟是“物质”还是“概念”的困惑起源于这样一个事实，那就是在过去，它既是“物质”也是“概念”。但是，当一种新元素只有少数几个原子，而且其稳定时间还不到一秒时（就好比最新的一些人造元素那样），那么我们是否还能对它作出一样的判断？ 如果元素是部分由其化学性质定义的，那么，那些存在时间短到无法参与任何有意义的化学作用，以及在任何情况下都只是能作为高电荷离子、从未获得过完整电子结构的元素，又该何去何从？换句话说，如果这些元素只存在一到两毫秒，它们是什么意义上的元素？我们可能永远也无法把它们装进瓶子里。 6. 化学 vs. 物理 思考化学元素的一种常见方法是将其看作是化学的“守恒量”。正如在物理学中，质量和能量可以相互转换但永远不会被消灭，化学的基本守恒定律就是元素是守恒的：化学反应结束时的碳元素永远不会比反应开始时要少。 但是在放射化学中，一种元素可以衰变成另一种元素。这也导致从一开始，人们就对放射化学是否从根本上属于化学的一部分争论不休。当时，在诺贝尔奖组委会要为居里夫妇和卢瑟福等人颁奖时，就出现了到底该由物理学奖委员会还是化学奖委员会授予的争论。而如今，居里和卢瑟福都已经被用来命名化学元素。 这种竞争从未结束，国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）和国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）之间的最新争论是——谁应该宣布新元素的确认。物理学家认为，这些新的粒子都是用粒子加速器对原子进行的粉碎实验而得到的，因此只有物理学家才具有专业的知识来判断这些结果。但是化学家不愿意让另一群人来决定，哪些元素可以进入他们视若珍宝的元素周期表。 无论谁来裁决，这些新元素都不是可以掌控的。这就突出了新的问题——时间尺度的重要性。目前，仍待论证的一种说法是：任何持续时间超过核散射的典型时间尺度（约10-10秒）的原子核合并，都可以称为形成了另一种元素。但是，以纳秒为单位的结合真的可以称之为元素吗？还是仅仅是一种共振？ 这就是为什么Schwarz说，当我们谈论元素时，我们也应该谈论时间尺度。他感到疑惑的是，“元素”是否至少应该是理论上能够形成分子的实体。他补充说：“化学是一门关于真实材料的科学，但对物理学家来说，原子核就是一种元素了。”与此同时，IUPAC最近宣布了超重元素的新标准——确认元素存在的时间尺度最小为10-14秒。 7. 化学需要哲学？ Scerri认为，元素的问题表明化学需要哲学。Ghibaudi说：“化学元素的问题与化学中的一些其他问题（比如物质和结构的概念）一样，都会上升为哲学问题。因此，如果不依靠哲学的观点，就无法理清这些问题。” 但如果这是一个经验论无法解决的哲学问题，或许我们只能在帕内斯的“基本物质”和“简单物质”之中选择一个作为元素的定义？一些研究人员认为是这样的。与此同时，Scerri认为，元素的性质不仅是双重的，而且是三重的：对于元素的物质，重要的不只是元素材料本身的性质，还有元素的化合物的性质。毕竟在氯化钠中，活性的灰色金属和有毒的绿色气体没有留下任何痕迹——这简直就是化学上的一个永恒的奇迹。 8. 改变真的必要吗？ 为“简单”和“基本”的定义引入一种独特的命名法，使双原子的氢分子不再被视为“氢元素”，这需要对根深蒂固的化学语言进行改革。
但是，也有化学家质疑我们是否有走这么做的必要。法国巴黎狄德罗大学的Sarah Hijmans就认为，我们或许可以把“元素”这个词看作是由这两种定义所决定的。她说，在拉瓦锡的时代，分析定义是唯一的选择，因为我们对于是什么在基本层面上区分元素几乎一无所知。渐渐地，天平向依据原子序数的“基本”定义倾斜。但显然，经验主义的“化学”观点仍具有价值，正如周期表所展示的那样。 或许问题在于这两个方面是否真的存在冲突。在某种意义上，原子序数对化学家而言根本没有什么特别的意义，因为原子核在化学行为中几乎没有直接作用。质子的数量只是一个指标，它衡量着对化学重要的东西：电子的数量，以及它们的构型和能量。 但对于一个特定的原子序数，这些属性是由量子力学的定律决定的，它们都是可以预测的。根据这些信息，我们原则上可以预测很多化学性质，比如元素会形成什么样的化合物。我们甚至可以预测某些元素的物理性质，比如同素异形体、熔点等等。那么，元素的“基本”定义是否包含了元素中所有的“简单”特征，随着我们计算能力的提升可以揭示出来？ 但是，也许我们必须接受的是，元素的概念总会带有一定的模糊性。这或许并没有那么糟糕。毕竟，化学家已经习惯了这一点，正如诺贝尔奖得主Roald Hoffmann指出的那样，化学家永远在使用一些没有唯一精确定义的概念，比如电负性和离子半径，而这并不会降低这些概念在该领域的价值。 模糊性对思想亦可产生特别的价值，或许关键不在于模糊本身，而是要确保这份模糊并非源自于单纯的马虎。 当我们在谈论“什么是元素”这一问题时，答案可能取决与于谁是我们谈论的对象。就比如问题“碳是什么”，对于不同的对象和不同的目的，碳可以是煤烟，可以是第6号元素，也可以是同位素的自然混合物，或者甲烷的组成成分…… 编译：乌鸦少年 [1] https://www./features/what-is-an-element/3009827.article [2] http://www./arts/events/2018/philosophy-of-chemistry-conference.html |
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