元素的故事

一、化学的圣经

1.在睡梦里想出的“元素周期表”

我们一般是这样背诵元素周期表的：“氢，氦，锂，铍，硼，碳，氮，氧，氟，氖……”无论对化学有多少了解，一提到化学，首先想到的便是元素周期表，而一提到元素周期表，我们同样也会马上想到化学。可见，这两者之间有着密不可分的关系。

然而，大多数人并不了解，在最开始，化学家们为了能够完成“元素周期表”整理编排，付出了许多艰辛的努力。

最早提出化学元素这一说法的人，是法国化学家拉瓦锡，他被称为“近代化学之父”。在他诸多论断中，“一切物质都是由元素组成”这一说法最为著名，他的化学元素说也由此而来。但是很不幸，在法国大革命中拉瓦锡被送上了断头台，直到死去也未能亲自目睹元素的发现。

但是，拉瓦锡为近代化学的发展奠定了重要的基础，自此，对化学元素的研究开始盛行。英国化学家道尔顿在十九世纪提出了“近代原子说”，在这之后，钾、钠等元素在原子量的精密测定下陆续被发现了。

截至1830年，已经有多达55种元素被人们发现。到目前为止，被发现的元素有103种，其中也包含一些人造元素，而在这103种元素中，大约一半的元素在距今150年前被发现的。

陆续被发现的新元素使化学家们越来越感到不安。因为新的元素性质纷乱复杂，化学家们在有些时候并不能完全了解他们和其他元素有无关联，并且，把握元素种类的增加也成了一件难事。

新元素的发现让化学家十分伤脑筋

在这样的情况下，化学家们采取了将这些元素系统分类的方法，并按照顺序进行了很多尝试，这群化学家中，最有代表性的便是著名的俄国化学家门捷列夫。

早在学生时代，门捷列夫便认为“元素和元素之间可能存在某种关联”，毕业后，他任职于彼得斯堡大学，在授课的间歇继续保持着对化学的探索和研究，经常是上午上课，下午一心钻研。

门捷列夫十分刻苦认真，经常性的连夜工作导致了严重的睡眠不足。研究累了，他就会在书房的沙发上打盹。一次，他做了一个神奇的梦，清晰地梦见展示出化学元素顺序和规则的表出现在了眼前，他醒了过来，十分激动并大叫着：“从原子量小的元素开始排列起来看看！”

门捷列夫一时兴奋，跳了起来，慌忙之中随便抓起了朋友给他的信件，在空白处把当时已经被发现的62种元素按照原子量的大小顺序排列出来，结果，他惊奇的发现每隔七个元素就会出现性质十分相似的元素，这就成了最初的“元素周期表”。这个故事发生在1869年3月1日，成为了解密元素之间相互关系的“世纪大发现”。当时对于各种元素的原子量和原子价的确定是有一些出入的，有了这张表就可以及时修正以往不正确的地方。

经过进一步的研究和整理，门捷列夫发现这张周期表上还有一些空位，他推测这些空位便是未来将要发现的新元素所占的位置。1871年，门捷列夫预言了空位中钙后边的元素和锌后边的两种元素的性质，起初，这个预言并没有得到重视，四年后，随着镓（1875年）的发现，以及后来钪（1879年）和锗（1886年）的陆续发现，才证实了门捷列夫的预言。

从此，人们对元素周期表的怀疑渐渐消退。

元素周期表的发现是人们解开元素谜团的开始，但是周期表并不是完美的，按照原子量从小到大的顺序排列的元素中，也存在不符合规律、性质不和的情况。

这个问题的解决，是在门捷列夫逝世六周年以后，也就是1913年，当时年轻的英国物理学家摩斯雷发现，元素的性质实际上应该根据原子序数来分类，而现如今我们看到的元素周期表，正是根据原子序数来分类排序的。

那么，什么是原子序数呢？所谓原子序数的大小，是根据元素所拥有的质子数决定的。比如说：只有一个质子氢原子，它的原子序数便是1，氢在元素周期表上的位置便是起始处的第一位。锂有三个质子，所以原子序数是3，位于元素周期表上的第三位。

再后来，根据元素的化学性质和物理性质，又可以把元素分成各个族，如碱金属、卤元素、稀有气体元素也就是惰性气体元素等等。

还有一些在近代被发现的元素，是用国家的名字、地名或者人名来命名的，钫（Fr）是命名于法国（France），铕（Eu）是由来于欧洲（Europe），锿（Es）由来于爱因斯坦，而钔（Md）由来于门捷列夫。

每个元素名称的由来的背后都有它的故事，了解这些故事和背景也很有趣。

2.结合插图学习元素周期表

被称为化学圣经的“元素周期表”是在了化学家们的种种尝试和错误中逐渐被整理、归纳出来的。正是因为他们的种种努力，我们才能了解到纷繁复杂的各种元素的规律。我们能够从元素周期表中了解到各种元素的性质特点，并能够逐渐对化学有更深入的了解，但是要想真正看懂元素周期表还要经过一定的学习，否则的话很难了解并学好化学。对于入门者来说，元素周期表就是你通往化学世界的第一道门。

金属元素和非金属元素在长周期表是分的很清楚的

首先，我们需要看看眼前的元素周期表上都写了些什么并且稍稍进行整理。

元素周期表有的是“长周期表”，有的是“短周期表”。那么两者之间有明显的差别。

段周期表由1—8族加上0族共九个族组成。根据原子价的不同作为区别形成横行，但是从1族到8族是属于同一直列也就是同一族的元素，因为化学性质的不同又分为两种族，成为A族和B族。

同时，元素周期表的横列是1-7的周期。1、2、3周期，原子序数为2、8、8，像这样的短周期便会移到下一周期，所以称之为“短周期”，与之相对的，在4、5、6、7周期，是以18、18、32、32变成长周期，称之为“长周期”。

除此之外，我们在比较同一周期的元素的时候，越到左边金属性越强，越到右边非金属性越强。所以，阳性（会变成阳离子的性质称为阳性）从左向右逐渐减弱，阴性（会变成阴离子的性质称为阴性）逐渐加强。在同一周期，元素的性质会随着原子序数的增加逐渐变化。根据上面所说的特点，我们可以看出7B的元素阴性最强，并且越往下阳性越强，越往上阴性越强。

那么短周期表和长周期表的具体差异是什么呢？原来，长周期表和短周期表均以长、短周期为基准而来，长周期表分为A、B两边，很容易看，并且也能够让人一眼辨出金属盒非金属。我们可以对照“周期表插图”来好好研究。

3.性质各异的金属元素

在元素周期表上我们不难发现，金属元素的数目远远多于非金属元素，现已发现的103种元素中金属元素有足足81种。其中既有为我们大家熟悉的金、银、铜、铁等金属元素，还有一些生活中不易见到的铌、钽等元素，金属元素确实种类繁多。

金属结合的状态

原子结合的方法是金属的共性，一般条件下，如图中的那样，金属元素的原子中最外层的电子相互重合，电子自由活动。金属之所以能够导电或传热就是因为像这样的自由电子的结合（也就是金属结合）。

一般来说，金属不易变形，即使有外力向金属施加力量，也基本不会造成改变。但是在有些时候，也可以设防让金属能够延展或弯曲。比如黄金最多可以延展成百万分之一毫米厚的金箔，1克黄金便可延伸两千米长。一般的金属改变形状后不会断裂，具有很强的延展性，原因就是金属的原子是规则排列的，排列的关系不会因为外力使金属层崩溃而改变。

一些金属元素是有共同性质的，将这些元素有序分类，就可以进一步了解它们的特征。

前面提到过，在元素周期表上属于同一族的锂、钠、钾、铷、钫等元素，成为碱金属。这些金属存在共性，如质地柔软，重量轻，熔点极其低。这些性质是由这些元素的结构决定的，它们的最外层只有一个电子，空隙较多，电子有很大活动空间便容易变成一价阳离子，而且形成的化合物容易在水中融化。“碱金属”名字的由来，便是因为形成的氢氧化物活碳酸盐的水溶液成碱性。

钠离子和氯离子结合可以产生氯化钠（NaCl）,也就是我们所说的“食盐”的主要成分。我们知道食盐是由海水提炼的，而海水之所以有咸味就是因为海水中有钠离子。

除了碱金属以外，2族的铍、镁、钙、锶、钡、镭等元素，被称为“碱土类金属”。这些金属容易变成二价阳离子，和碱金属一样，碱土类金属的水溶液也呈现强碱性。

除了这个性质，焰色反应也是这种金属具有的特征，把性质稳定的白金在这种金属离子的液体中泡一泡，再用火烧烤，火焰便会呈现出鲜艳的颜色。钙会呈现出黄色，锶会呈现出红色，钡会呈现出绿色。可见，元素不同，焰色反应所呈现出的颜色也不同。

除了以上介绍的金属元素以外，还有一种被称为“过渡元素”的元素，我们回头看看元素周期表，过渡元素由这些族组成：3B族到7B族、8族、1B和2B。可见，金属的种类的确很多。

下面介绍几种特征丰富的过渡元素。比如血液中血红素的主要成分铁；蓝色颜料中主要成分钴；首饰的原料金和铂；制作战斗机不可缺少的钛；颜色随结合方式变化的铬；导电传热能力出色的银；具有超导性的铌；备受关注的海底资源锰……等等。

最常见的制成窗框、易拉罐的铝，和制作合金常用到的锡等，也都是我们的金属元素。

金属的颜色也是各种各样、五颜六色的，在元素周期表中，越到左下方的元素金属性越强，相反，越到右上方的元素非金属性越强。

4.惰性气体和卤族元素

什么是惰性气体呢？惰性气体又称为稀有气体，排列在元素周期表的最右边，由名字可以看出，惰性气体是不容易发生化学反应的气体。在惰性气体的家族中，有以下元素：氦、氖、氩、氪、氙、氡，有的时候，也将氮归入惰性气体中。

下面，依次介绍几种惰性气体。

氦、氖两种气体的分子十分轻，所以，在自然条件下，没有办法在地球上稳定存在，只

有少量的气体存在大气中。它们大量存在宇宙中。我们日常所见的霓虹灯，就是由氖制成的。氖在真空经过放电可以产生红色光亮。

氩气在空气中的含量较为丰富，大概占空气体积的0.93%。氩气用于灯泡和日光灯管中。

氪是一种很有力量的元素，它具有可以从其他原子中夺走电子的能力。

氙在宇宙空间中是很少量的物质，地球上只有很少量的氙存在，而目前所发现的陨石中氙的含量也是很少的。

氡是由镭衰变产生的，具有放射性，同时氡也是惰性气体中最重的气体。在地震之前，如果地下的岩石因为地壳运动被破坏，那么地下水中氡元素将会增加，所以氡多倍用于地震的预报。

卤族元素位于元素周期表7族直列上，由氟、氯、溴、碘、砹五种元素组成。氯和碘均可以从海藻中获得，其中氯元素是食盐的主要成分氯化钠（NaCl）的组成部分。

溴元素从名字中就可以看出，溴的气味十分臭，毒性很强。溴和银的化合物溴化银，被广泛应用在照相时使用的胶卷中，按快门的时候，呈微粒子状平铺的溴化银会分解，从而和其他药剂发生反应，形成影像。由于溴化银具有感光性，因此也是重要的工业制造用品。

碘的毒性很强，如果大量的碘元素进入人体，就会破坏甲状腺的机能，对人体造成很大伤害。在进行核试验时，如果碘扩散开来被人吸入，后果不堪设想。核子掩盖物的作用便是为了保护人们避免吸入碘。

同样的，氯和氟的毒性也很强，可见，我们需要对卤族元素小心了。

5.从元素的角度来审视世界

认识了这么多种元素，我们不禁会有这样的疑问：浩瀚的宇宙、我们栖息的地球以及人体中的元素构成会是什么样的呢？

宇宙之大，大到它的大小对于目前的人类认知还是一个未知数，对于元素的构成，我们只能用科学的方法进行推测。有两种方法：或是用化学的方法来分析天外来物——陨石，或是用辉线光谱进行调查。

虽然我们掌握了科学的方法来了解我们周围的环境，但是人类并不能宏观了解到地球的全部，我们能把我的只是极接近地球的部分。根据目前的研究，我们可以知道，氢和氦在地球上所占有的比例比较大。

注：克拉克值是地壳中元素的丰度，即元素在地壳平均含量的百分比。

美国的学者克拉克深入调查了地球的元素组成，并计算了地表以下约16公里的地壳中元素的百分比。按照百分比多少将元素排列，形成的序号就是克拉克数。比如百分比最大的元素师氧，排在最前面，那么氧的克拉克数就是1，依次列推硅的克拉克数是2，由图可知，克拉克数为前五的元素占全体元素的90%以上。

需要注意的是，克拉克数是由对地球的部分的调查产生的，若针对整个地球，可能会存在偏差。

还有一个特点，便是元素多以化合物的形式存在，即一种元素和其他元素结合，而元素单独存在（称为单体）的情况很少见。比如说，大部分的氧都是以二氧化硅的形式存在的。

我们将地球大气、海水和人体的组成列在图表中，可以发现，人体和海水的元素组成很相似，宇宙和地球的大气的情况却存在很大的差异。