基础物质是一门什么样的科学？
早些年，化学最奇特也常常是最偶然的性质是德国轩尼诗品牌在1675年的一个发现。布兰德确信人类的尿液可以提炼黄金。相似的颜色似乎是他得出结论的一个因素。他收集了50桶人尿，在地窖里储存了几个月。他通过各种神秘的过程，先把尿液变成有毒的糊状物，再把糊状物变成半透明的蜡状物。当然，他没有得到金子，但是一件奇怪而有趣的事情发生了。过了一会儿，它开始发光了。而且暴露在空气中，往往会自燃。
它很快就被称为磷，这个名字来源于希腊语和拉丁语，意思是“发光”。有远见的实业家们已经看到了这种物质的潜在商业价值，但它很难生产，成本太高，无法开发。一盎司(约28.35克)磷的零售价高达6几尼——大概相当于今天的300英镑——换句话说，比黄金还贵。
起初，人们呼吁士兵提供原材料，但这种做法几乎无助于工业规模的生产。20世纪50年代，一位名叫卡尔·金勒(Carl Kinler)的瑞典化学家发明了一种方法，可以大量生产磷，而不会产生又脏又臭的尿液。很大程度上是因为掌握了这种生产磷的方法，瑞典才成为——并且仍然是——火柴的主要生产国。
金勒不仅是一个不寻常的人，也是一个极其不幸的人。他是一名低级药剂师。他几乎在没有先进仪器的情况下发现了八种元素——氯、氟、锰、钡、钼、钨、氮和氧，但他没有得到任何荣誉。每次，他的发现要么被忽视，要么在别人独立做出同样的发现后发表。他还发现了许多有用的化合物，包括氨、甘油和单宁酸；他还认为氯可以用作漂白剂——具有潜在商业价值的第一人——这些伟大的成就让其他人变得富有。
金勒有一个明显的缺点。他对实验用的所有东西都很好奇，坚持尝一点，包括一些难闻的有毒物质，比如水银、氢氰酸(这也是他的发现)和腈。甲腈是一种著名的有毒化合物。150年后，欧文·薛定谔在一次著名的思维实验中将其选为最佳毒素。金勒不计后果的工作方法最终让他付出了生命的代价。1786年，43岁的他被发现死在工作台上，周围都是有毒的化学物质，任何一种都可能导致他脸上最后的惊愕表情。
如果世界是公正的，每个人都会说瑞典语，金乐就会在全世界享有良好的声誉。事实上，人们常常称赞更著名的化学家，他们大多数是来自英语国家的化学家。金勒在1772年发现了氧，但由于种种苦涩复杂的原因，没能及时发表论文。功劳归于约瑟夫·普里斯特利，他独立地发现了同样的元素，但是后来，在1774年夏天。更值得注意的是，金勒并没有得到发现氯的功劳。几乎所有的教科书仍然把氯的发现归功于汉弗莱·戴维。他确实发现了，但比金勒晚了36年。
从牛顿、波义耳到金勒、普里斯特利和亨利·卡文迪什，中间隔了一个世纪。在这个世纪里，化学取得了巨大的进步，但还有很长的路要走。直到18世纪的最后几年(就priestley而言，要晚一点)，全世界的科学家还在寻找——有时以为自己真的发现了——根本不存在的东西:变质的气体、没有燃素的海洋酸、燃素、氧化钙和石灰、土地和水的气味，尤其是燃素。当时，燃素被认为是燃烧的原动力。他们相信在这一切之中，还有一种神秘的生命力，那就是赋予无生命物体以生命的力量。没有人知道这种难以捉摸的东西在哪里，但有两点是可信的:第一，你可以用电激活它(玛丽·雪莱在她的小说《弗兰肯斯坦》中充分利用了这种理解)；第二，它存在于一种物质中，而不存在于其他物质中。这就是为什么化学最终分为两部分:有机物(指被认为有那种东西的物质)和无机物(指被认为没有那种东西的物质)。
这个时候就需要有一个眼尖的人把化学推进到现代。法国有这么一个人。他叫安托万·洛朗·拉瓦锡。拉瓦锡出生于1743，是一个小贵族家庭的成员(他的父亲为这个家庭支付了一个头衔)。1768，他在一家被人深恶痛绝的机构买了一只初创股票。那个机构叫“税务公司”，代表政府负责征收税费。所有人都说，拉瓦锡本人温和公正，但他工作的公司两样都没有。一方面，只对穷人征税，不对富人征税；另一方面，它往往是任意的。对于拉瓦锡来说，这个机构很有吸引力，因为它为他提供了大量的资金来从事他的主要工作，也就是科学。高峰时，他每年的收入高达15万里弗赫——几乎相当于今天的12万英镑。
走上这条利润丰厚的职业道路三年后，他娶了老板的一个14岁的女儿。这是一场心脑匹配的婚姻。拉瓦锡夫人头脑聪明，才华出众，很快就在丈夫身边取得了许多成就。尽管有工作压力和繁忙的社会生活，他们在大多数日子里花五个小时——早上两个小时，晚上三个小时——和整个周日(他们称之为“快乐日”)从事科学工作。不知何故，拉瓦锡还设法抽出时间担任火药专员，监督了一段防止走私的巴黎城墙的建设，帮助建立了公制，并与人合著了一本名为《化学命名法》的手册。这本书成为统一元素名称的“圣经”。
作为皇家科学院的主要成员，无论目前有什么值得关注的，他还是需要知道，他积极参与催眠研究、监狱改革、昆虫呼吸、巴黎供水等等。1870年，一位年轻有为的科学家向科学院提交了一篇论文，阐述了一种新的燃烧理论；就是在那个岗位上，拉瓦锡说了几句轻蔑的话。这个理论确实是错误的，但是科学家始终没有原谅他。他的名字叫让·保罗·马拉。
只有一件事拉瓦锡没有做过，那就是发现一种元素。在一个任何人拿着烧杯、火焰和任何有趣的粉末都可以发现新事物的时代——尤其是在一个大约三分之二的元素还没有被发现的时代——拉瓦锡没有发现一种元素。原因当然不是因为缺少烧杯。他有世界上最好的私人实验室，这几乎是荒谬的。里面有13000个烧杯。
相反，他带来了其他人的发现，并解释了它们的意义。他抛弃了燃素和有害气体。他确定了氧和氢是什么，并给它们起了现在的名字。简而言之，他为化学的严谨、清晰和有序做出了贡献。
他的想象力实际上是不费吹灰之力获得的。多年来，他和拉瓦锡夫人一直忙于艰苦的研究，这需要最复杂的计算。例如，他们确定生锈的物体不会像人们长期以来认为的那样变轻，而是会变重——这是一个惊人的发现。物体在生锈的过程中会以某种方式吸引空气中的基本粒子。第一次认识到物质只会变形，不会消失。如果你现在烧掉这本书，它的物质会变成灰烬和烟雾，但宇宙中的物质总量不会改变。后来被称为物质永生，这是一个革命性的想法。不幸的是，它与另一场革命同时发生——法国大革命，拉瓦锡完全站错了队。
他不仅是税务公司的一员，还以巨大的精力建造了巴黎城墙——起义的市民对这座建筑恨之入骨，以至于这是他们首先攻击的对象。1791年，已经是国民议会重要人物的马拉利用这一点，谴责拉瓦锡，认为他早就应该被绞死。不久，税务公司关门了。不久后，玛拉在浴池中被一名受迫害的年轻女子杀害。她的名字叫夏洛特·科黛，但是对拉瓦锡来说已经太晚了。
1793，本已紧张的“恐怖统治”达到了新的高度。5438年6月+10月，玛丽·安托瓦内特被送上断头台。165438+10月，正当拉瓦锡和他的妻子拖拖拉拉地制定逃往苏格兰的计划时，他被捕了。第二年5月，他和税务公司的31同事一起被送进革命法庭(在一个摆着玛拉半身像的法庭里)。其中8人被判无罪，但拉瓦锡和其他几个人被直接带到革命广场(现在的协和广场)，在那里设立了法国最繁忙的断头台。拉瓦锡看着岳父的头掉在地上，然后走上前去接受同样的命运。不到三个月后，7月27日，罗伯斯庇尔被以同样的方式在同样的地点被送往西方。恐怖统治很快结束了。
在他死后100年，巴黎建起了一座拉瓦锡的雕像，被很多人敬仰，直到有人指出它一点也不像他。在盘问下，雕塑家承认他用了数学家兼哲学家孔多塞的头——他显然准备了一个——希望没有人会注意到，或者即使注意到了，他也不会在意。他的后一种想法是正确的。拉瓦锡和孔多塞的雕像被允许在原地再呆半个世纪，直到第二次世界大战爆发。一天早上，有人把它拿走，当废铁熔化了。
19世纪初，氧化亚氮或氧化亚氮在英国开始流行，因为人们发现使用这种气体会“给人以高度的快感和兴奋”。在随后的半个世纪里，它成为年轻人使用的高级毒品。有一段时间，一个名为asker Association的学术团体不再致力于其他事情，而是专门举办一场“大笑之夜”，志愿者可以喝一口提振精神，然后用摇摇晃晃的滑稽手势逗观众开心。
直到1846，有人才有时间为一氧化二氮找到一种实用的方法:把它当作麻醉剂使用。显而易见，过去谁也没有想到，天知道有多少数万人在外科医生的手术刀下遭受了不必要的痛苦。
我提这一点是想说明，在18世纪发展起来的化学，在19世纪的头几十年里失去了方向，就像地质学在20世纪的头几十年里一样。部分原因与仪器的局限性有关——比如，直到那个世纪末才出现了离心机，极大地限制了多种实验工作。部分原因是社会。总的来说，化学是商人的科学，是和煤、钾碱、染料打交道的人，而不是绅士。绅士们通常对地质学、博物学和物理学感兴趣。与英国相比，欧洲大陆的情况稍有不同，但只是一点点。)有一件事或许能说明问题。那个世纪最重要的观察，即决定分子运动性质的布朗运动，不是化学家做的，而是苏格兰植物学家罗伯特·布朗做的。(布朗在1827中注意到，悬浮在水中的花粉颗粒总是在运动，不管它持续了多长时间。这种不断运动的原因——看不见的分子的作用——长期以来一直是个谜。)
如果不是一个叫伦福德伯爵的杰出人物，情况可能会更糟。尽管有着高贵的头衔，他却是一个普通的本杰明·汤普森人，1753出生于美国马萨诸塞州的沃本。汤普森英俊、精力充沛、雄心勃勃，偶尔也非常勇敢、聪明、肆无忌惮。19岁，娶了一个比他大14岁的有钱寡妇。然而，当殖民地爆发革命时，他愚蠢地站在了保皇党一边，并一度为他们充当间谍。在灾难性的1776年，他有被逮捕的危险，罪名是“对自由事业不热心”。他在一群反保皇党人面前遭到抢劫，这些人要用一桶桶热焦油和一袋袋鸡毛把他打扮起来，他抛弃了妻子和孩子，仓皇逃走。
他先逃到英国，然后来到德国，担任巴伐利亚政府的军事顾问。他深深打动了当局，于1791年被授予“神圣罗马帝国伦福德伯爵”的称号。在慕尼黑逗留期间，他还设计并准备了著名的公园，名为英国花园。
在此期间，他抽出时间做了大量纯科学工作。他成为世界上最著名的热力学权威，也是解释液体对流和洋流循环原理的第一人。他还发明了几个有用的东西，包括滴式咖啡壶、保暖内衣和一个仍被称为伦福德炉的炉子。从65438年到0805年，他在法国逗留期间，追求并娶了安托万·洛朗·拉瓦锡的遗孀拉瓦锡夫人。婚姻并不成功，他们很快就分道扬镳了。伦福德一直留在法国，直到1814年去世。除了他的前妻们，他受到了法国人的普遍尊重。
我们在这里提到他是因为他于1799年在伦敦短暂停留期间创建了皇家科学研究所。18年底，19年初，英国各地涌现出许多学术团体，它成为了另一个成员。在一段时间内，它几乎是唯一一个旨在积极发展新化学科学的著名机构，这几乎完全归功于一位名叫汉弗莱·戴维的杰出青年。这个机构成立不久，大卫就被任命为研究所的化学教授，并很快声名鹊起，成为一名优秀的讲师和多产的实验者。
上任不久，大卫就开始宣布发现了一个又一个新元素:钾、钠、锰、钙、锶和铝。他发现了如此多的元素，与其说是因为他发现了元素的排列，不如说是因为他发明了一项巧妙的技术:让电流通过熔化的物质——这就是现在所说的电解。他总是发现12元素，占他那个时代已知总量的五分之一。大卫本可以取得更大的成就，但不幸的是，作为一个年轻人，他逐渐沉迷于氧化亚氮带来的轻松愉快的乐趣。没有那种气体他无法生存，他一天要吸入三四次。最后在1829，认为是这种气体害死了他。
幸运的是，其他地方也有其他认真的人在从事这项工作。1808年，一位年轻顽强的贵格会教徒，名叫约翰·道尔顿，成为第一个宣布原子本质的人(我们将在后面更充分地讨论这一进展)；1811年，一个有着歌剧般美丽名字的意大利人——洛伦佐·罗马诺·马迪奥·卡洛·阿伏伽德罗做出了一个将被证明具有长远意义的发现——那就是，任何两种体积相同的气体，在压强和温度相等的情况下，其原子数相同。
后来被称为阿伏伽德罗定律。这个简单有趣的定律有两个方面值得注意。首先，它为更精确地确定原子的大小和重量奠定了基础。化学家使用阿伏伽德罗数来最终测量，例如，一个典型原子的直径是0.000000008厘米。这个数字真的很小。第二，差不多50年了，几乎没人知道这件事。
一方面是因为阿伏伽德罗是个独来独往的人——他一个人做研究，从不参加会议；另一方面，因为没有会议要参加，很少有化学杂志能发表文章。这是一件非常奇怪的事情。工业革命的动力很大程度上来自化学的发展，但化学几十年来几乎没有作为一门系统科学独立存在。
直到1841才成立了伦敦化学会。直到1848，学会才定期出杂志。到那个时候，英国的大多数学术团体——地质学会、地理学会、动物学会、园艺学会和林奈学会(由博物学家和植物学家组成)——已经存在了至少20年，有的还要长得多。它的对手化学研究所直到1877才问世，也就是美国化学学会成立一年之后。由于化学工业组织缓慢，1811年关于阿伏伽德罗大发现的消息直到1860年第一届国际化学大会在卡尔斯鲁厄召开才传开。
由于化学家长期在孤立的环境中工作，形成统一术语的速度很慢。直到19年底，H2O2对一个化学家意味着水，对另一个化学家意味着过氧化氢。C2H2可以指乙烯或沼气。很少有分子符号在任何地方都是统一的。
化学家还使用各种令人困惑的符号和缩写，这些符号和缩写往往是他们自己发明的。瑞典的J.J .彼得雷乌斯(J.J. Petraeus)发明了一种急需的排列方法，规定元素要按其希腊或拉丁名称缩写。这就是为什么铁的缩写是Fe(来自拉丁语ferrum)，银的缩写是Ag(来自拉丁语argentum)。其他很多缩写和英文名一致(氮是N，氧是O，氢是H等。)，这体现了英语的拉丁分支性质，并不是因为地位高。为了表示分子中的原子数，彼得雷乌斯使用了上标法，比如H20。后来没什么特别的原因，流行把数字改成下标，比如H20。
虽然偶尔整理了一下，但是直到19年底，化学在一定程度上还是处于混乱状态。所以，当俄罗斯圣彼得堡大学一个古怪邋遢的教授升到显要位置的时候，大家都觉得很开心。教授的名字是德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫。
1834年，门捷列夫出生于俄罗斯西西伯利亚托博尔斯克一个受过良好教育的富裕家庭。这个家庭太大了，史书上不清楚门捷列夫一家有多少人:有的资料说有14个孩子，有的说有17个孩子。不过，反正大家都觉得德米特里是最年轻的一个。门捷列夫家族并不总是幸运的。德米特里很小的时候，他的父亲，当地一所小学的校长，双目失明，母亲不得不外出打工。她无疑是一位杰出的女性，最后成为一家非常成功的玻璃工厂的经理。一切都很顺利，直到1848一场大火把工厂烧成灰烬，家里陷入贫困。坚强的门捷列夫夫人决心教育好自己的小儿子，于是搭车6000多公里(相当于从伦敦到赤道几内亚的距离)来到圣彼得堡，把他送到了教育学院。她筋疲力尽，不久就去世了。
门捷列夫兢兢业业地完成了学业，最后在当地一所大学工作。他在那里是一个有能力但并不出色的化学家，他以蓬乱的头发和胡须而非在实验室的才华而闻名。他的头发和胡须每年只修剪一次。
但在1869年，35岁的他开始琢磨元素的排列。当时，元素通常以两种方式排列——要么按原子量(使用阿伏伽德罗定律)，要么按普通属性(例如，它们是金属还是气体)。门捷列夫的创新在于，他发现两者可以结合在一张表中。
事实上，门捷列夫的方法是由一位名叫约翰·纽兰的英国业余化学家在三年前提出的，这在科学界是常有的事。纽兰兹认为，如果元素按照原子量排列，它们似乎每八个位置轮流重复某些特征——从某种意义上说，它们是和谐的。有一点不太聪明——因为这样做还为时过早——纽兰兹将其命名为“八度音阶法则”,并将这种排列比作钢琴键盘上的八度音阶。纽兰兹的说法可能有一定道理，但这种做法被认为是完全荒谬的，遭到了所有人的嘲笑。在集会上，一些开玩笑的听众有时会问他是否可以用他的元素演奏一小段曲子。纽兰兹灰心丧气，不再学习，不久就消失了。
门捷列夫采取了一种略有不同的方法，将每七种元素归为一组，但使用了完全相同的前提。突然觉得这个方法好像很优秀，视角很清晰。因为那些特征周期性地重复，所以这个发明被称为“周期表”。
据说门捷列夫从北美的单卡游戏中获得了灵感，从其他地方获得了耐心。在那种纸牌游戏中，纸牌按照颜色排成行，按照点数排成列。利用一个非常相似的概念，他称横排期和竖排族。上下打量，立刻能看到一组关系；左顾右盼，看到的是另一组关系。具体来说，列将具有相似属性的元素放在一起。所以铜的位置在银之上，银的位置在金之上，因为它们都具有金属的化学亲和力；氦、氖、氩在同一排，因为它们都是气体。(决定排列顺序的，其实是它们的电子价。想了解电子价格，就得报夜校。同时，元素是根据其原子核中的质子数——称为原子序数——排列成行的。
目前我们先来看一下排列原理:氢只有一个质子，所以它的原子序数是1，排在第一位；铀有92个质子，所以差不多到最后了。它的原子序数是92。在这个意义上，正如菲利普·鲍尔指出的，化学实际上只是一个计数的问题。对了，不要把原子序数和原子量混在一起。原子量是一种元素的质子数和中子数的总和。)
有很多事情人们不知道或者不理解。宇宙中最常见的元素是氢；然而，在接下来的30年里，对它的认识也就到此为止了。氦是第二丰富的元素，一年前才被发现——之前没人想到它的存在——即使发现了，也不是在地球上，而是在太阳里。它是在一次日蚀中由分光镜发现的，因此以希腊太阳神赫利俄斯的名字命名。氦直到1895才分离出来。即使在那时，由于门捷列夫的发明，化学现在已经牢固地建立起来了。
对于我们大多数人来说，周期表是一个美好而抽象的东西，但对于化学家来说，它突然让化学变得有序而清晰，怎么说都不为过。“毫无疑问，化学元素周期表是人类发明的最漂亮、最系统的图表。”罗伯特·e·克雷布斯(Robert e krebs)在《我们地球上的化学元素:历史与应用》(Chemical Elements on Our Earth:History and Application)一书中写道——事实上，你可以在每一部化学史上看到类似的评论。
今天，有“大约120种已知元素”——92种是自然产生的，20多种是实验室制造的。实际数字有点争议。合成的重元素只能存在几百万分之一秒。化学家们有时会对它们是否真的被测量产生分歧。在门捷列夫的时代，人们只知道63种元素。在某种程度上，他是聪明的，因为他意识到当时并不是所有的元素都是已知的，许多元素还没有被发现。他的周期表准确地预言了一旦发现新元素，它们就能取代它们的位置。
顺便说一下，没有人知道元素的最大数量，尽管任何原子量超过168的东西都被认为是“纯粹的推测”；然而，可以肯定的是，所有发现的元素都可以整齐地纳入门捷列夫的伟大图表。
19世纪给了化学家们最后一个重要的惊喜。始于1896。在巴黎，亨利·贝克雷尔不小心把一包铀盐落在了包在抽屉里的感光板上。过了一段时间，当他取出感光板时，惊讶地发现铀盐在上面烧出了一个标记，好像感光板被曝光过。铀盐正在释放某种辐射。
考虑到这一发现的重要性，贝克雷尔做了一件奇怪的事情:他把它交给一名研究生进行调查。幸运的是，这个学生碰巧是一个名叫玛丽·居里的波兰新移民。居里与她的新丈夫皮埃尔合作，发现一些岩石连续释放大量能量，但体积不减，没有可测量的变化。她和她的丈夫不能知道的是——在下个世纪爱因斯坦解释之前，没有人能知道——岩石在将质量转化为能量方面极其有效。玛丽·居里称之为“辐射”。在合作过程中，居里夫妇还发现了两种新元素——钋和铀。钋是以她的祖国波兰命名的。1903年，居里夫妇和贝克雷尔获得了诺贝尔物理学奖。(1911年，玛丽·居里获得诺贝尔化学奖；她是唯一一个同时获得化学奖和物理奖的人。)
在蒙特利尔的麦吉尔大学，出生在新西兰的年轻人欧内斯特·卢瑟福对新的放射性材料产生了兴趣。他与一位名叫弗雷德里克·索迪的同事一起发现，在极少量的物质中蕴藏着巨大的能量，而地球的大部分热量来自这种储备的放射性衰变。他们还发现，放射性元素会衰变为其他元素——例如，如果你今天手里有一个铀原子，明天它就会变成铅原子。这真是非同寻常。这是纯粹的炼金术；没有人想到这样的事情会在过去自然自发的发生。
卢瑟福一直是个实用主义者，他是第一个看到其中有价值的实用价值的人。他注意到，无论哪种放射性物质，都有一半在同一时间内衰变为其他元素——著名的半衰期——这种稳定可靠的衰变率可以作为一种时钟。只要算出一种物质现在有多少辐射，衰变的速度有多快，就可以算出它的年龄。他测试了一种沥青铀矿——主要的铀矿石——发现它已经有7亿年的历史了——比大多数人认为的地球还要古老。
1904年春天，卢瑟福来到伦敦，给伦福德伯爵创立的只有150年历史的皇家科学研究所做了一次讲座，虽然对于那些在维多利亚时代后期卷起袖子准备大打一场的人来说，那个戴着白粉和假发的时代显得那么遥远。卢瑟福要讲他新发现的辐射现象的变换理论；作为讲座的一部分，他拿出了沥青铀矿。卢瑟福巧妙地指出——因为年迈的开尔文在场，虽然并不总是醒着——开尔文自己也曾说过，如果发现了某种其他热源，他的计算结果就会被推翻。卢瑟福发现了另一个热源。由于辐射现象，可以计算出地球很可能——不言而喻——比开尔文最终计算的2400万年要古老得多。
听到卢瑟福毕恭毕敬的陈述，开尔文面露喜色，但实际上无动于衷。他拒绝接受修正后的数字，直到临终前，他都认为他计算出的地球年龄是对科学最有见地、最重要的贡献——比他在热力学方面的成就重要得多。
像大多数科学革命一样，卢瑟福的新发现并没有受到普遍欢迎。都柏林的约翰·乔利(John joly)在20世纪30年代极力认为地球的年龄不超过8900万年，直到去世也没有改变。其他人开始担心卢瑟福现在说得太长了。但是，即使用放射性测年法，也就是后来所说的衰变计算法，也要过几十年才能得出地球的真实年龄约为654.38+0亿年的结论。科学已经走上正轨，但还有很长的路要走。
开尔文死于1907。德米特里·门捷列夫也在那一年去世。和开尔文一样，他的众多成就将永垂不朽，但他的晚年生活显然并不太平。随着人们年龄的增长，门捷列夫变得越来越