29 為元素製表
我們混合各種調味料燒烤，是在利用化學反應；我們清除水垢，熱水壺滋滋冒泡也是化學反應；我們攜帶的塑膠水壺、穿著的豔麗服裝，都要拜幾百年來累積的化學知識所賜。
化學在十九世紀才邁進現代化的大門。讓我們簡單回顧一下：十九世紀初，化學家採納道爾頓最初的原子理論，還記得嗎？相關故事請翻閱第二十一章。接著他們一鼓作氣創造了全世界通用的化學語言，建立了元素符號體系，比如H2表示兩個氫原子。隨後「原子」是最小的物質單位這一點得到了廣泛認同。他們用「元素」一詞代表只有一種原子的物質（碳就是一例）；用「化合物」代表由兩種或兩種以上元素組成的物質。你可以把化合物分解成元素（比如氨可以分解成氮和氫），但是不能再個別元素進一步分解。
原子的確不是道爾頓形容的那種堅硬的小球，但是想要說清楚它們到底是什麼實在太難了。不過，化學家們慢慢地發現了當原子鄰近其他原子或化合物時起了什麼作用。有些元素惰性十足，不管你做什麼都不能讓它跟別的元素起反應；有些則一觸即發，你必須做好爆炸防護；有些還需要你幫忙「啟動」一下才能與其他元素互動。比如，把氧氣和氫氣裝在一個燒瓶裡什麼也不會發生。不過，如果你扔進去一個小火星，那麼快閃開吧！因為你正在製造一場快速的爆炸，可是這場反應的產物竟然是最普通不過的水。還有一個極端的案例：把鎂和碳一起密封在真空燒瓶裡，不停地加熱，它們仍會相安無事；現在，放一點點空氣進去，回敬你的將會是耀眼的光和可怕的熱浪。
化學家注意到了這些千差萬別的化學反應，開始對反應的原理和在實驗室裡破解的化學組合著迷。他們設計了兩種主要的實驗方法：「合成法」和「分析法」。「合成法」是把元素集中在一起，從單一元素或簡單化合物著手，研究它們何時起反應以及反應的產物。「分析法」則是相反的程序，從相對複雜的化合物開始，設法把它們分解，透過觀察終極產物瞭解化合物。化學家採用這些方法洞悉了很多簡單的化合物的組成，這為創造更複雜的化合物提供了捷徑，只要在熟悉的物質裡添加新料就夠了。
找出元素獨特的化學和物理屬性在所有的實驗中，有兩個結果一目了然。一個是我們公認的，每個元素都有正價或負價，而且正如俗語所說，「異性相吸」。例如，正價的鈉很容易和負價的氯結合生成氯化鈉（即我們撒在食物上的鹽）。正負抵消，所以鹽是中性的。所有穩定的化合物（如果沒有外界干擾，自身就不會改變）都是中性的，即使組成它們的元素不一定都是中性。鈉和氯的結合是合成法的實例。你也可以用剛才製成的鹽檢驗一下分析法。首先，把鹽放在水裡溶解，然後把鹽水放在一個有正負極的電場裡，你會看到正負分開的現象：鈉移向負極，氯漂向正極。化學家經過成百上千次的反覆實驗，終於對這些元素的原子帶有正負電荷這一點深信不疑。這些特徵是定義元素間相互反應的前提條件。
第二，有些成群結隊的原子在實驗過程中牢不可分，這樣的組合叫作「原子團」。它們作為一個整體統一行動，也有正、負價之分。當時化學家正在著手研究整個化合物相關的家族（它們都含有碳元素），比如乙醚、酒精或苯（它帶有迷人的環形結構），所以它們在有機化學中的地位格外重要。很多化學家渴望將有機物分類，瞭解它們的成分並掌握它們的反應，尤其是當它們的工業價值日趨明顯的時候。隨著對肥料、染料、醫藥、顏料的需求日益增長，尤其是一八五〇年代興起的石油開採，工業化學製品的產地逐漸從小實驗室搬到了大工廠。現代化學工業拉開了序幕，化學不再是興趣和富人的消遣，它成為一項事業。
元素同樣有自己獨特的化學和物理屬性。化學家日積月累找到一些固定模式。有些元素的原子似乎喜歡單個和其他原子結合，比如氫、鈉、氯。你看，一個氫原子和一個氯原子生成強酸——氫氯酸（HCl）。有些又好像有雙倍的魅力，能夠吸引其他的原子或原子團參與反應，比如氧、鋇和鎂，一個氧原子可以爭取兩個氫原子合成水。有些元素較容易參與反應，但也有一些頑固不化、無論如何也不「趨炎附勢」的特例。在化學反應中，元素（包括原子團）的表現欲各不相同。磷是活躍分子，必須時刻警惕；矽卻總是懶洋洋的，構不成什麼威脅。
元素的物理屬性也相差甚遠。常溫下，氫、氧、氮和氯都是氣體；汞和鈉是液體。大多數元素則天生是固體，比如鉛、銅、鎳和金等金屬。還有很多其他的元素，特別是人類研究最多的碳和硫，通常呈現固體狀態。大部分固體很容易在熔爐裡熔化，有時甚至汽化（變成氣體）。液態汞和鈉就極易揮發（很可能存在危險）。十九世紀時，化學家還不具備把溫度降低到使氧和氮等氣體變成液體的能力，更不用說固體了。不過，他們知道這只是技術問題。從理論上分析，每一個元素都有三種可供選擇的存在狀態：固態、液態和氣態。
一八五〇年代，人類進入了化學時代，那是一段充滿辯論的激情歲月，有關原子的相對重量、分子（原子群）的結合方式、化合物的「有機」和「無機」的區別等。一八六〇年的國際會議是建立現代化學的催化劑。如今我們對跨國會議習以為常，但在那時可是非比尋常。在沒有電話、沒有電子郵件、旅行又不便捷的年代，科學家之間除了信件交流，幾乎沒有機會見面。聽遠道而來的同行現場講述自己的研究，發表完後接著公開討論，是罕有的大事。一八五〇年代開創了國際會議的先河，世界各地的科學家可以坐著火車和蒸汽船跋山涉水地面對面交談了。他們同時向世界宣布了在科學界廣為流傳的信條：科學本身是客觀的，它沒有國界，它遠離分裂人類、挑起國際戰亂的宗教和政治。
一八六〇年，化學家們齊聚德國卡爾斯魯爾（Karlsruhe），出席為期三天的國際會議。很多年輕有為的化學家從歐洲各地蜂擁而至，包括三位在之後四十年叱吒風雲的人物。德國人奧古斯特．凱庫勒（August Kekulé，一八二九－一八九六）確定了會議目標，他希望各國化學家統一對研究對象的科學用語，定義分子和原子的性質。而這正是熱情如火的西西里化學家斯坦尼斯勞．坎尼札羅（Stanislao Cannizzaro，一八二六－一九一〇）一直倡導的，他如願以償地參加了會議。還有來自俄國西伯利亞、躊躇滿志的德米特里．伊萬諾維奇．門得列夫（Dmitry Ivanovich Mendeleev，一八三四－一九〇七）。代表們全程討論了凱庫勒的建議，雖然沒有得出一個人人接受的結論，但是化學的種子已經埋進了科學的沃土裡。
與會期間，很多代表閱讀了坎尼札羅一八五八年發表的一篇文章。他在文中回顧了十九世紀早期的化學史，並呼籲化學家們嚴肅對待他的同胞亞佛加厥（Avogadro）的研究，後者清楚地劃定了原子和分子的界線。坎尼札羅還認為，確定元素的相對原子量迫在眉睫，並且提出了測定方法。
打開自然運轉之門的神祕鑰匙門得列夫深受啟發。他有一位令人敬佩的母親，他是十四個孩子中最小的一個，母親把他從西伯利亞帶到聖彼得堡系統地學習化學。門得列夫仿效當時很多出色的化學家，依據親手實驗和授課內容編寫了一本教材。他和坎尼札羅不謀而合，也渴望對已知的諸多元素進行排序。化學家們已經證明了一些固定搭配，例如我們稱作「鹵素」家族的氯、溴、碘等都有類似的反應方式，它們也可以在反應中互換。某些金屬，例如銅和銀也在反應中有相似之處。門得列夫開始依照元素的相對原子量列表（他仍然把氫定為一），並在一八六九年公之於眾。
不僅如此，門得列夫還繪製了一張有橫行和豎列的表格。你可以上下左右交叉地看，總能找到化學性質相似的元素間的關係。他命名的「元素週期表」一開始非常粗略，僅引起為數不多的幾名化學家的關注。隨著他不斷地添加細節，有意思的事情發生了：他的表格顯示到處都有被遺漏的元素，它們的位置空著，因為其內容還沒有被發現，事實上是缺了整整一行。多年以後，不參與反應的「惰性氣體」填補了空缺。就像高傲的貴族不和地位卑微的人交往一樣，這些氣體超然於化學反應之外。直到一八九〇年代，化學家們才發現幾個主要的惰性元素，門得列夫對此先是拒絕接受，不過他很快意識到他的元素週期表早就預留了氦、氖和氬以及它們的原子量的位置。
在一八七〇到八〇年代，化學家們陸續找到了更多門得列夫列表中預見到的元素。他曾經斷言後來被命名為鈹和鎵的元素一定存在，當時被很多化學家當作狂妄之詞。隨著他逐漸把表格填滿，化學家開始讚歎它的作用，指引他們在自然界中尋找新元素。這張表解釋了每一個元素是什麼、它們是怎樣參與反應的。門得列夫想要瞭解元素的簡單初衷，在實踐中演變成了打開自然運轉之門的神祕鑰匙。今天，全世界的教室和化學實驗室裡都懸掛著這張元素週期表。
十九世紀以來，化學家長期沉浸在對化學成分的思考之中：哪些是化合物特有的原子和原子團？第一屆世界化學大會的智囊奧古斯特．凱庫勒一路領先。他鼓勵科學家聚焦於化學的「建築結構」。現代化學和分子生物學就是建立在對物質內原子和分子布局的掌握之上，必須要知道它們占據的位置和它們排列的形狀。沒有這些基礎，研製新藥就是無稽之談。凱庫勒智者先行。他夢見碳原子彎彎曲曲地繞出一條鏈子，就像蛇咬住自己的尾巴一樣。這個夢激發了他最偉大的靈感，他發現氫和碳的合成物——苯——有一個封閉的環形結構。原子團或元素可以附著在苯環的不同位置上，這是有機化學的一大躍進。
託夢之說不能缺少知難而進的努力。凱庫勒在實驗室裡不厭其煩地做著實驗。他建立了有機化學——關於碳化合物的化學——的概念，並指導全世界的化學界如何在自然的大家庭中識別它們。他被碳與其他化學物質結合時表現出的可塑性深深吸引。廣泛應用於加熱和照明的甲烷CH4，就是一個碳原子加四個氫原子的組合。如果是兩個氧原子加一個碳原子，這個組合就是二氧化碳CO2。碳和氧也可以單個結合出可怕的有毒氣體一氧化碳CO，這表明原子結合的偏好傾向並不是一成不變的。
化學家為這些組合創造了一個字：「價」（valence）。它可以根據每一個元素在門得列夫的元素週期表裡的位置推斷出來。雖然已經知其然，但是直到物理學家公布了原子和電子的內部結構之後，他們才真正知其所以然。「電子」把化學家的原子和物理學家的原子連接起來，我們下一章就講講它的故事。