02 元素

化学家花了很大气力去发现新元素,它们是最基本的化学物质。元素周期表提供了排列、整理这些元素的方法,但它并不仅 仅只是一个“花名册”,它的布局暗示了各个元素的性质以及遇到其他元素之后它们的行为。

17 世纪的炼金术士亨尼希• 布兰德非常痴迷于炼金。他在婚后辞去了军官的工作,用妻子的钱作为经费,试图找到炼金术士们已经搜寻了数个世纪的“哲人石”。传说这种神秘的矿石或者物质能够将普通金属(比如铁和铅)“点化”成金。当他的第一任妻子去世后,他又续娶了一位,然后一如既往地继续他的搜寻工作。布兰德看来非常相信哲人石能够用人的体液来合成,因此收集了至少1500 加仑(约合5700 升)人尿来试图合成它。1669 年,布兰德通过蒸馏、分离人尿,最终做出了一项惊人的发现。当然,并不是得到了哲人石,而是一种新元素。布兰德在无意之中成为了第一位利用化学方法发现新元素的人。

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布兰德得到的是一种含磷的化合物。由于它可以在黑暗中发光,布兰德称之为“冷火”。不过直到18 世纪70 年代,磷才被确认为一种新元素。在那个时期,元素的发现接踵而至,氧、氮、氯以及锰元素都是在那十年间被发现的。

1869 年,在布兰德发现磷两个世纪之后,俄国化学家德米特里• 门捷列夫编制出了他的元素周期表,磷也在其中的硅元素与硫元素之间找到了自己的正确位置。

解密元素周期表

在元素周期表(参见第202 和203 页)中,元素以元素符号及元素名称表示。其中一些元素的元素符号来自其英文名称的缩写,比如硅Si 来自silicon;而另外一些,比如钨W,显然与它的英文名字tungsten 无关,它们通常来自元素的古名(比如其拉丁文名或者希腊文名)。元素符号左上角的数是元素的相对原子质量,约等于其原子核中核子(质子和中子)的数目;右上角的数则是它的质子数,即原子序数。

元素是什么? 在很长的一段历史时期,“元素”指的是火、气、水、土。后来,由于亚里士多德认为星星不可能由上述四种地球上的元素制成,因而又加上了神秘的第五元素:以太。在英语中,元素(element)这个词来源于拉丁语elementum,意为“第一原理”或“最基本的形式”。这对元素来说是一个不错的描述,但没有解释清楚元素与原子的区别。 图像说明文字

区别其实很简单:元素是任意量的物质,而原子是微观的基本结构单元。一块磷便是磷元素的原子的聚集体——顺便一提,它是一种有毒化学品以及神经毒气的成分。有趣的是,并不是所有的磷块都是一样的,因为它的原子可以通过不同的方式排列,从而改变它的内部结构以及外观。根据磷原子的组合方式,它可以呈现出白、黑、红或紫等不同颜色。这些不同颜的“磷”的性质也大不相同,比如它们的熔点就相差巨大,白磷在炎热的阳光下就会融化,而黑磷需要在炙热的炉子中加热到600ºC 才行。但两者都由同一种含有15 个质子和15 电子的原子构成。

元素周期表的结构 对于外行人来说,元素周期表(参见第202 和203 页)看上去就像是不太正统的俄罗斯方块,其中有一些方块还没有落到底部(依元素周期表的版本而定),像是需要好好地整理一下。事实上,它已经很好地整理过了,任何一位化学家都能轻易地从这貌似杂乱的表格中找到所需要的东西。门捷列夫按照元素的原子结构和性质巧妙地设计了元素周期表,将暗含的秩序隐藏在了外表的杂乱之下。

沿着周期表的行从左到右,元素按照它们的原子序数,也就是元素原子核中的质子数排列。而门捷列夫的这项发明的巧妙之处在于,当元素的性质开始重复时,元素周期表便开始新的一行。因此,周期表的列蕴含着更为巧妙的设计。以周期表最右侧的一列为例,这一列包含氦到氡六种元素,它们在室温下都是无色无味的气体,几乎不参与任何化学反应,因而被称为惰性气体(或者稀有气体)。比如,氖极不活泼,人们从未得到过它与其他元素生成的化合物。之所以如此,原因在于它的电子。任 何原子的电子都是一层层排布的,称为电子层。每个电子层所能容纳的电子数是一定的,一旦一个电子层被排满,剩余的电子就必须进入外层电子层中去。由于原子的电子数与其原子序数相同,因而每种元素都具有不同的电子构型。而惰性气体的电子构型最主要的特征是最外层处于全满的状态,这是一种非常稳定的结构,意味着这些电子非常难以参与反应。

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我们还能够从元素周期表中找到很多其他规律。比如,从一种元素的原子中打掉一个电子所需的能量,是按照元素周期表从左往右、从下往上的顺序逐渐增大的。

又比如,元素周期表的中部几乎全部由金属元素占据,而且越靠近左下角金属性越强。化学家可以利用他们所掌握的这些规律来预测某种元素在化学反应中的表现。

寻找更重的超重元素

没有人喜欢骗子,但各行各业包括科学界都不乏骗子。1999 年,来自加州劳伦斯伯克利实验室的科学家们发表了一篇论文,宣称他们发现了116 号和118 号元素。然而,事情并不是这么简单。在看过他们的论文之后,其他一些科学家试图重复他们的实验,但无论怎么努力,他们都没有得到过哪怕116 号元素的一个原子。最终证明是“发现者”中的一位伪造了数据。这使项目资助方,一家美国政府机构非常尴尬地撤回了相关的官方报道。论文最终撤稿,伪造数据的科学家被解雇,而发现 116 元素的荣誉则在一年后归于一个俄罗斯的科研小组。这件事说明发现一种新元素所能带来的荣誉足以让一名科学家以他的整个职业生涯做赌注。

超重元素 化学与拳击为数不多的相似点之一是,它们都有“超重量级选手”。化学中的“超重量级选手”称为超重元素,是指那些原子核非常重的元素,它们都“沉”在了元素周期表的底部;与此相对应,那些“最轻量级选手”则“漂浮”在周期表的顶部,比如氢和氦元素,它们的原子加起来只有三个质子。伴随着更重的元素不断被发现,元素周期表也一直在扩展。但具有放射性的92 号元素铀是最后一种存在于自然界中的元素。尽管铀在衰变后能够产生钚,但它的量微乎其微。钚可以在核反应堆中发现,而其他超重元素则是通过在加速器中轰击原子得到的。寻找重元素的步伐依旧在前进,显然这要比 蒸馏体液复杂多了。

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目录

  • 引言
  • 01 原子
  • 02 元素
  • 03 同位素
  • 04 化合物
  • 05 聚集在一起
  • 06 相变
  • 07 能量
  • 08 化学反应
  • 09 化学平衡
  • 10 热力学
  • 11 酸
  • 12 催化剂
  • 13 氧化还原
  • 14 发酵
  • 15 裂解
  • 16 化学合成
  • 17 哈伯制氨法
  • 18 手性
  • 19 绿色化学
  • 20 分离
  • 21 光谱
  • 22 晶体学
  • 23 电解
  • 24 微细加工
  • 25 自组装
  • 26 芯片实验室
  • 27 计算化学
  • 28 碳
  • 29 水
  • 30 生命起源
  • 31 天体化学
  • 32 蛋白质
  • 33 酶作用
  • 34 糖
  • 35 脱氧核糖核酸
  • 36 生物合成
  • 37 光合作用
  • 38 化学信使
  • 39 汽油
  • 40 塑料
  • 41 氯氟烃
  • 42 复合材料
  • 43 太阳能电池
  • 44 药物
  • 45 纳米技术
  • 46 石墨烯
  • 47 3D打印
  • 48 人造肌肉
  • 49 合成生物学
  • 50 未来燃料
  • 化学元素周期表
  • 致谢
  • 译后记