这个国家人口只有1000万，却发现了大约二十种化学元素
瑞典不仅以诺贝尔奖闻名，也是一个矿物资源非常丰富的国家，其化学研究在18世纪蓬勃发展，并在19世纪上半叶达到一个高峰。至今，这个只有1000万人口的国家，其科学家分离的化学元素大约有20种，仅次于英国。
范明｜撰文
化学元素是自然界中基本的金属和非金属纯物质，所有物质都由元素构成。早在史前时代，人类就发现了碳、铜、金、铁、铅、汞、银、硫、锡、锌等物质，后来均被确认为元素。1661年，爱尔兰自然哲学家、近代化学奠基人波义耳（Robert Boyle）在他的名著《怀疑派化学家》中首次明确阐述了“元素”的概念，建立了现代实验科学的里程碑。1789年，近代化学之父、法国化学家拉瓦锡（Antoine Lavoisier）发展了波义耳的概念，在其代表作《化学基础论》一书中将 “元素”定义为 “不可通过（当时已知的）任何方法分解的化学物质”，使得化学从定性科学转为定量科学。
现代化学元素周期表中迄今共有118种元素，其中94种存在于自然界，其余则是人工合成的半衰期很短的放射性元素。在自然界存在的元素中，71种化学元素是在1732-1899年间的启蒙时代和工业革命时期发现的，瑞典科学家发现或分离出了其中大约20种，数量之多仅居英国之后。
这些元素在许多情况下是在矿物中发现的，其主要原因可归结于瑞典这个国家多变的地质条件，富含金属和矿物质的基岩，活跃的采矿业，以及几代极富动力、好奇心和创新精神的化学家和矿物学家们。本文将带领读者，作一次近代瑞典化学元素发现史的文化探索之旅。
乌普萨拉大学校园，沿河最右侧的二层楼房是18-19世纪的化学系（uaf.se）
从矿物学到化学
而早在17世纪中叶，瑞典就成立了国家矿业学院。1750年，北欧第一所大学——乌普萨拉大学，设立化学和矿物学教授职位，瓦勒留斯（Johan Wallerius）成为首任教授。瑞典第一批化学家和矿物学家致力于矿物的分析、描述和系统化，迎来无与伦比的鼎盛时期。
瑞典科学家勃兰特（Georg Brandt，1694-1768）是第一位发现古代未知金属的人，他于1705 年进入乌普萨拉大学学习，后成为国家矿业学院化学实验室主任。1735年勃兰特用木炭还原辉钴矿制得金属钴（Cobal, Co），从此揭开元素大发现的新纪元。1751年，勃兰特的学生、矿务专家克朗斯特德（Axel Fredrik Cronsted）从红砷镍矿中提取出金属镍（Nickel，Ni），他以对矿物和岩石的基础研究知名。
瑞典属波美拉尼亚药剂师及化学家舍勒（C. W. Scheele，1742–1786）是历史上最伟大的化学家之一，他分离出了多种有机和无机化学物质，表明金属可以具有不同的氧化态。尽管舍勒当时并不知道 “元素”的意思，而且是燃素理论的支持者，但他的研究为后来的科学家发现元素奠定了基础。1770年代舍勒搬到乌普萨拉，其大部分研究工作都在那里完成。1772年，他通过加热氧化汞和硝酸盐制得较纯净的氧气。1774年，用软锰矿与硫酸共热制得氯气。后来拉瓦锡认为前者是一种新元素氧（Oxygen, O），并创立了氧化学说的科学理论，摈弃了燃素说；英国化学家戴维（Humphry Davy）确认氯（Chlorine, Cl）是一种化学元素。舍勒还在对矿石的研究中发现了钼酸、氧化钡等，因此被认为是金属元素钼（Molybdenum, Mo）和钡（Barium, Ba）的发现者。
伯格曼（Torbern Bergman，1735–1784）在乌普萨拉大学学习生物学和数学，获得天文学博士学位，撰写了最早的现代地理书籍之一《地球的物理描述》。1767年，伯格曼接替瓦勒留斯，担任乌普萨拉化学和药理学教授，设计并建造了一个用于定性和定量化学分析的实验室，发展了基于化学性质的矿物分类体系，并且从白钨矿中提取了钨（Tungsten，W）的氧化物。1762–1770 年间，甘恩（Johan Gahn，1745-1818）师从伯格曼，在乌普萨拉大学学习。经甘恩介绍，舍勒结识了伯格曼，并一直与伯格曼合作直至去世。舍勒与伯格曼共同证明了二氧化锰是由一种未知金属的氧化物组成，而甘恩使用碳还原二氧化锰，第一个分离出单质锰（Manganese, Mn）。
贝采利乌斯（Jöns Jacob Berzelius，1779–1848）于1802 年获得乌普萨拉大学医科博士学位，毕业后在斯德哥尔摩的医学外科学院（卡罗琳斯卡医学院的前身）任教，1807年成为教授。他是继林奈（Carl von Linné）之后瑞典最著名的科学家，被誉为 “瑞典化学之父”。
贝采利乌斯先后发现铈（Cerium，Ce）——与希辛格（Wilhelm Hisinger）合作、硒（Selenium ，Se）、硅（Silicon，Si）、钍（Thorium，Th）等元素。贝采利乌斯是现代化学命名体系的创立者，首先提出用拉丁文名称的开头字母作为化学元素符号。他将道尔顿的原子理论引入化学，成功测定了当时几乎所有已知元素的原子量。贝采利乌斯最早提出有机化学的概念，设计了有机元素分析方法和电化学理论，他还提出了同分异构体、聚合物、同素异形体和催化等重要的化学术语。
斯德哥尔摩市中心的舍勒和贝采利乌斯立像（笔者摄）
对化学科学的深入了解很快成为瑞典经济的驱动力，使得19世纪中期的瑞典工业获得强劲发展。化学家、发明家和实业家诺贝尔（Alfred Nobel）是该国工业化的象征和最重要的代表人物之一，他于1895年立下遗嘱，决定将自己的巨额财产全部捐出，设立物理学、化学、生理学或医学、文学及和平奖。诺贝尔年轻时前往巴黎，在法国著名化学家佩卢兹（Jules Pelouze）的实验室学习，而佩卢兹与贝采利乌斯生前也有学术交往。贝采利乌斯的主要成就大都是在斯德哥尔摩做出的。他的化学研究为卡罗琳斯卡医学院的自然科学教育奠定了基础，后来诺贝尔在遗嘱中指定该学院作为生理学或医学奖的评选和颁发机构（见文章：他的遗嘱公开后，世界为之震惊）。
发现化学元素最多的地方
Resarö是位于斯德哥尔摩省北部的 “群岛之都” Vaxholm自治市的一个岛屿，意为 “旅行岛”，岛上的岩床由花岗岩和片麻岩构成。Resarö东部的一个小村庄伊特比（Ytterby），因其在同一地点发现最多元素的地方而闻名于世，是世界各国化学家和矿物学家的朝圣地以及国际合作的独特科学场所。
在伊特比，有一个出产伟晶岩的18世纪老矿，矿石的主要成份石英和长石是当年乌普兰（Uppland）地区的铁业和斯德哥尔摩的陶瓷工业原料，可能是瑞典第一个长石矿。瑞典的传统陶瓷品牌Rörstrand就是使用那里的矿石生产，直到1933年停止开采。老矿的垂直采矿竖井深约 170 米，二战期间曾被用作燃料储存处，后来用混凝土拱顶密封。
1787年，业余地质学家、陆军中尉阿列纽斯（Carl Axel Arrhenius）所在的炮兵团驻扎在Vaxholm，他在伊特比矿发现了一种未知的黑色重质岩石。这块矿石被送到当时属于瑞典的芬兰奥布帝国学院（赫尔辛基大学前身）教授、芬兰化学研究的奠基人加多林（Johan Gadolin）手中。
他通过元素分析方法，发现矿石中38% 的成分是一种新的未知 “土壤类型”，即后来被命名为氧化钇（Yttria）的氧化物。1794年，加多林发布了完整的分析结果，确定了该矿物的化学式。氧化钇是第一种已知的稀土金属化合物，这块矿石也成为世界上发现的首个稀土矿物，后人将其命名为加多林矿石或钆石（Gadolinite，即硅铍钇矿）。在拉瓦锡提出首个近代化学元素定义之后，人们认为氧化物都能够还原成元素，发现新氧化物就等同于发现新元素，因此加多林通常被认为是钇（Yttrium，Y）的发现者。
左：伊特比老矿（笔者摄），右：加多林矿石（图中黑色部分，维基百科）
19世纪开始后，科学家们在伊特比的矿石样品中又先后分离出另外八种稀土元素。1802年，乌普萨拉大学化学助理教授埃克伯格（Anders Gustaf Ekeberg）发现了钽（Tantalu, Ta）。他曾在乌普萨拉主持了贝采利乌斯的答辩，还与同事阿夫泽利乌斯（Pehr von Afzelius） 一起提出了氧、氢和氮的瑞典语名称，1843年，卡罗琳斯卡医学院化学和药学教授莫桑德（Carl Gustaf Mosander）在钆石样品中发现了钇、铽（Terbium, Tb）和铒（Erbiu, Er）的氧化物。1878年，瑞士人德拉方丹（Marc Delafontaine）和索雷（Jacques-Louis Soret）发现了钬（Holmium，Ho），马里格纳克（J.-C. Galissard de Marignac）发现了镱（Ytterbium, Yb）。
19世纪中后期，乌普萨拉大学化学系的科学家们对稀土元素进行了广泛研究。1879年，化学教授克利夫（Per Teodor Cleve）从氧化铒矿石中分离出钬和铥（Tuliu, Tm），同年他的同事尼尔森（Lars Fredrik Nilson）及其团队通过光谱分析发现了钪（Scandiu, Sc），并制备了两克高纯度氧化钪。1880年，马里格纳克又发现了钆（Gadoliniu, Gd）。在这些元素中，钇、铽、镱、铒均根据伊特比的全名或音节命名，钬、钪、铥分别以斯德哥尔摩、斯堪的纳维亚、北欧五国的拉丁语单词命名，钽得名于希腊神话中的宙斯之子坦塔洛斯，钆则以加多林的名字命名。
如今，伊特比的矿井遗址旁还有以这些元素命名的街道，如钇街（Yttriumvägen）、铽街（Terbiumvägen）、钽街（Tantalvägen）等。1990年，美国金属学会ASM将伊特比老矿列为年度“历史地标”，并在矿场已废弃的入口处竖立纪念牌匾，巴黎埃菲尔铁塔也曾获此殊荣。2018 年，因“与该地点相关的化学发现和发展的历史重要性以及化学科学与欧洲文化遗产之间的深厚联系”，伊特比矿荣获欧洲化学学会 （EuChemS）的首届“历史地标奖”。
左：美国金属学会的纪念牌匾，右：钇街的路牌（笔者摄）
时至1869年，人们已经发现了60多种化学元素。俄罗斯科学家门捷列夫（Dmitri Mendeleev）经过前后20年的潜心研究，编制出世界上第一张化学元素周期表。这一元素周期表不仅对已知元素进行了分类，而且能够预测那些缺失的元素及其物理和化学性质，成为人类探索自然之路上一座串联千年的里程碑。
例如，门捷列夫注意到钙元素和钛元素之间有一个窗口，因此预测到一种被他称为“类硼”的未知元素，直到十年后尼尔森发现了稀土元素钪，证实了这一预言。为纪念元素周期表问世150周年，联合国大会将2019年设为化学元素周期表国际年，欧洲化学学会授予伊特比矿的历史地标奖就在庆祝元素周期表创建 150 周年的仪式上颁发。
稀土元素是元素周期表中原子序数为21、39的第Ⅲ族元素以及57-71的镧系元素共17种化学元素的统称，是具有非常相似的化学性质的银白色软性重金属。稀土元素通常呈分散状态，总是在矿床中共生，难以分离和提取。在超导体的研发中稀土元素逐渐获得青睐，德国物理学家贝德诺尔茨（Johannes Georg Bednorz）和今年一月过世的瑞士物理学家缪勒（Karl Alexander Müller），因发现鑭钡铜氧体系可在低于35K的温度下显示出高温超导性能，获得1987年诺贝尔物理学奖。这项突破性的工作推动并导致了更高温度的一系列稀土钡铜氧化物超导体的发现。之后通过元素替换，美国的吴茂昆、朱经武，以及中国的赵忠贤等人宣布发现了含有稀土元素钇的90K 钇钡铜氧超导体。
于特岛上的含锂矿石
于特岛（Utö）意为“外岛"，是斯德哥尔摩南部群岛中最大的、也是距离波罗的海开放水域最近的岛屿之一，属于哈宁厄（Haninge）自治市。岛上的岩石大约在 19 亿年前开始形成，在此之前没有陆地，只有汹涌澎湃的深海。随着时间的推移形成厚厚的沉积物，最终硬化成岩石，很多岩石保留了原始状态。
随着采矿业的发展，于特岛上各种矿物被陆续发现，使得该岛成为瑞典地质科学景点中独一无二的瑰宝，长期以来一直引起地球科学家的兴趣。于特岛被认为是瑞典最古老的铁矿所在地，大约从12 世纪起就有人在那里采矿。1750-1850年间是于特岛的全盛时期，最大的露天矿井Nyköpingsgruvan也称为 “大矿井”，最深处达215 米。
1800年，巴西人安德拉达（José Bonifácio de Andrada）前往斯堪的纳维亚考察，他在于特岛大矿井的伟晶岩样品中发现了透锂长石（Petalite）和锂辉石（Spodumene）。1817年，瑞典化学家阿韦德松（Johan August Arfvedson）在贝采利乌斯的私人实验室中分析透锂长石矿物，发现存在一种新元素，这种元素形成的化合物类似于钠或钾的化合物。贝采利乌斯将其命名为 “锂离子”（lithion/ lithina），并将其中的金属元素命名为 “锂” （Gd ithium，Li）。Lithion来自希腊语，意为 “石头”，表示锂是在固体矿物中发现的，以别于在植物灰烬中发现的钾和钠。阿韦德松后来发现，锂还存在于锂辉石（Spodumene）和锂云母（Lepidolite）矿物中，锂辉石是当今最重要的锂矿石。
锂元素位于元素周期表的第二周期IA族，与钠和钾一起同属碱金属，其原子序数为3，原子量为6.941。锂是标准条件下最轻的金属和最轻的固体元素，在地壳中的丰度居第27位。自然界中的锂通常以离子形态存在于化合物中，不过阿韦德松并未能分离出锂元素。1821年，英国化学家布兰德（William Thomas Brande）通过电解氧化锂首次获得金属锂单质。
在于特岛的矿物博物馆中，陈列了多种岛上的矿石，其中包括透锂长石在内的十余种矿石含有锂元素，例如1913年在该岛首次发现一种稀有的富铁锂辉石Holmquistite，以瑞典岩石学家霍尔姆奎斯特（Per Johan Holmquist）的名字命名。
于特岛矿物博物馆中的透锂长石样本 （笔者摄）
贝采利乌斯培养了一代瑞典化学家。发现硅铍钇矿石的阿列纽斯在60多岁退休后选修了贝采利乌斯开设的化学课程，继续自己的化学研究。莫桑德是贝采利乌斯最得意的弟子及接班人，他从二氧化铈中分离出氧化镧，因此发现了一百多年后被用于超导材料的稀土元素镧（Lanthanum，La）。莫桑德还从二氧化铈中分离出了另一种氧化物，用Didymium命名，并误认为是一种新元素。直到 1885 年，奥地利化学家韦尔斯巴赫（Carl Auer von Welsbach）从Didymium中分离出稀土元素镨（Praseodymium, Pr）和钕（Neodymium, Nd）。塞弗斯特瑞姆（Nils Gabriel Sefström）是贝采利乌斯的另一位重要门徒，1840年他从铁矿石中发现了钒（Vanadium，V），用北欧神话中的女神弗雷亚（Vanadis或Freja）为其命名。
近30年来，轻巧、可充电且能量强大的锂离子电池已在全球范围内被应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等各种产品，还可以储存来自太阳能和风能的大量能量。美国化学家 “好得嗨” 古迪纳夫（J. B. Goodenough）、日本人吉野彰（Akira Yoshino）和英国人惠廷厄姆（M. S. Whittingham）三位科学家由于“在锂离子电池研发领域作出的贡献”，分享了2019年诺贝尔化学奖。笔者在斯德哥尔摩大学聆听了他们的诺奖主题报告，主持人还讲述了在于特岛发现透锂长石的故事。97岁的古迪纳夫老爷爷气场超强，他亲临报告会现场，虽然演讲是录像和同事代言。古迪纳夫本科学数学出身，是诺奖历史上最高龄得主，今年6月26日驾鹤西去时，距离他的101岁生日只有29天。
从左至右：吉野彰、古迪纳夫和惠廷厄姆（笔者摄）
每一种化学元素的发现，无不倾注了科学家们毕生的精力和心血，常常是许多人长期努力的结果，有些元素则是由不同国家的科学家同一时期独立发现的。一个典型的例子是原子序数为2的氦元素（Helium，He），1895年英国化学家洛克耶（William Ramsay）在用无机酸处理铀矿样本时注意到一条亮黄色的光谱，他认为是来自一种新的元素，并以希腊神话中泰坦族的太阳神赫利奥斯为其命名。同一年，乌普萨拉化学家克利夫和朗格莱（Abraham Langlet）将氦从钇铀矿中独立分离出来，并准确测定了其原子量。正是一代代科学家们的辛勤探索、无私奉献，才使得人们逐步认识了奥妙无穷的自然界，造福人类。
2023年9月18日于斯德哥尔摩
范明，复旦大学数学学士、硕士，乌普萨拉大学数学博士，现居瑞典。
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