液体化学

化学元素周期表的概述

  元素周期表是我们能够触摸到的任何东西的总目录。有一些东西不在元素周期表里,例如光、爱情、逻辑和时间,但是这些东西我们是无法触摸的。

  地球、你的脚等任何可以触摸的东西都由元素构成。你的脚的大部分是由氧构成的,同时还有许多碳和它结合在一起,从而为有机分子赋予了结构,这些有机分子确定了你是以碳为主要成分的生命的一个例子。

  化学元素有两张脸:它的纯态以及当和其他元素结合的时候形成的化合物。纯态的氧的确是气体,但是当它和硅反应以后,它们结合在一起形成了坚硬的硅酸盐矿,构成了地壳的大部分。当氧与氢和碳结合的时候,结果可以是从水到一氧化碳到糖的任何东西。

  无论这些物质看起来多么不像纯态的氧,但在这些化合物中氧原子仍然存在,而且这些氧随时可以被提取出来,回到纯的气态。

  但是只要原子核没有瓦解,每个氧原子本身就永远不可能破裂或者拆开变成更简单的东西。这个不可分割的性质就是使得元素之所以成为元素的原因。

  在这里,试图展示每一种元素的这两张脸。首先,你将会看到纯元素的一幅很大的照片(但是这需要在物理上办得到)。另外你将会看到这个世界上元素的各种样子的许多例子——各种化合物以及成为这种元素的特征的各种用途。

  在我们开始接触各种元素之前,很有必要先从整体上看一下元素周期表,看看这些元素是怎样被组织在一起的。

  经典形式的元素周期表已广为人知,就像耐克鞋的微标、泰姬陵或者爱因斯坦的头发那样一眼就可以认出来。元素周期表是我们文明的图标影像之一。

  元素周期表的基本结构不是由艺术、幻想或巧遇来决定的,而是由量子力学的基本的和普遍的法则决定的。呼吸甲烷的有脚生物可能会用正方形的徽标为它们的鞋子作广告,但它们的元素周期表会有像我们的元素周期表一样能够辨认的逻辑结构。

  每一种元素都是用它的原子序数(从1到118的整数)来定义的。(118是目前的数字,无疑随着时间的推移还会发现更多。)一种元素的原子序数是该元素的每一个原子的原子核中质子的数目。质子数又決定了有多少个电子围绕着这个原子核作运动。正是这些电子,特别是在最外“层”的电子,决定了元素的化学性质。

  元素周期表按照原子序数排列元素。顺序缺口的跨越方式好像是十分随意的,其实不然。这些缺口的存在使得每一纵列中的元素具有相同的外层电子数。

  这就解释了关于元素周期表的最重要的事实:同一纵列中的元素倾向于具有相似的化学性质。

  第1号元素是氢,它有一点儿反常。氢通常被放在最左边的一列,它也确实和同在这一列的其他元素共有一些化学性质(原则上,在化合物中,氢通常失去一个电子形成H+离子,就像第11号元素钠失去一个电子形成Na+离子)。但氢是气体,而在第一列的其他元素是软金属。因此,有些周期表把氢单列出来自成一类。

  第一纵列中的其他元素——氢不算在内——统称为碱金属,把它们扔到湖里都很有趣。碱金属与水反应时放出氢气,氢气是高易燃性的。如果你把一块足够大的钠扔进湖里,在几秒钟后就会发生大爆炸。这到底是一场令人兴奋而又美丽的经历,还是就此结束了你的性命,要看你是否防护得当。如果熔融的钠溅入眼睛,你就永远成了瞎子。

  化学就是这样:强大得能在世界上做出伟大的事情,但也危险得能够做出恐怖的事情,二者一样容易。如果不尊重化学,它就会咬人。

  第二列中的元素统称为碱土金属。像碱金属一样,它们是相对软的金属,与水反应时放出氢气。但不像碱金属那样爆炸性地反应,碱土金属是驯服的,它们慢慢地反应,使氢气不会自发燃烧。例如,这使得可以把钙(20)用在便携式氢气发生器中。

  周期表的广大中央区被称为过渡金属。那里有工业中的骨干金属——单单第一行就是名副其实的常用金属的Who is Who(这是美国出版的一部介绍名人的工具书)。除了汞(80),所有的过渡金属都是非常硬的优质结构金属。(事实上,也是这样的,如果温度足够低,汞就会冻结成非常像第50号元素锡一样的金属。)即使是锝(43)——本区中孤独的放射性元素——也像它的邻居们那样坚固。锝不是那种你要用来打造一把餐叉的金属,不是它不能胜任,而是它非常昂贵,并且会用它的放射性慢慢把你杀死。

  总体上说,过渡金属在空气中是相对稳定的,但有一些会缓慢氧化。最显著的例子当然就是铁(26)。到目前为止,铁的生锈仍然是我们最有毁灭性的、最不想要的化学反应。其他的,诸如金(79)和铂(78)因为极其耐腐蚀而受到称赞。

  在左下角的两个空格是为镧系元素和锕系元素保留的,对于镧系元素和锕系元素,我们将在后面文章着重说明。按照周期表的逻辑性,在第二和第三纵列之间会出现一个可放入14种元素的缺口,镧系元素和锕系元素就插在这个缺口中。但是这样做就会使周期表变得不切实际地宽,惯常的办法就是把这个缺口关闭起来,把这些稀土元素显示在底部的两行中。

  左下部的三角称为普通金属,虽然实际上被大多数人认为是普通金属,但这些金属事实上还是前面一族的过渡金属。(现在你可能已经注意到,大多数元素是这种或那种金属。)

  右上部分的三角称为非金属。(接下去的两族,卤素和惰性气体也是非金属。)非金属是电的绝缘体,而所有的金属在不同程度上都有导电性。

  在金属和非金属之间有一个称为准金属的骑墙派的对角线。从它们的名称也可以想得到,这些元素多少有些像金属,又多少有些不像金属。特别是它们能导电,但是导电性不好。准金属包括半导体,它们对现代人的生活非常重要。

  这条线是对角线的事实破坏了在同一个纵列中的元素具有共同特征的一般规律。好吧,那只是个一般规律。化学实在是太复杂了,任何规律都不能绝对地固定不变。在从金属到非金属的边界上,有几个因素在互相竞争,以决定一种元素应该属于哪个阵营。在你往下看周期表的时候,天平移向了右边。

  第17纵列(倒数第二列)称为卤素,纯态的卤素都是非常险恶的家伙。这一列的所有元素都是高度活泼,气味极为难闻的物质。纯氟(9)由于能攻击几乎所有东西而具有传奇性,氯(17)则在第一次世界大战中用作毒气。但是以化合物的形态,例如加氟牙膏和食盐(氯化钠),卤素被驯服成日用品。

  最后一列是贵族气体。“贵族”在这里的意思是“不参与普通贼民的营生”。贵族气体几乎彼此之间或者与其他元素之间都不形成化合物。由于它们的惰性,贵族气体常常用来屏蔽活泼的元素,因为在一层贵族气体的保护毯下面,活泼元素没有东西可以与之反应。如果你在化学供应商那里购买钠,你得到的就会是放在一个充满了氩(18)的密封容器中的钠。

  这两族元素统称为稀土元素,尽管它们之中有一些根本并不稀少。上面的一行,从镧(57)开始,称为镧系元素;这样,当有人告诉你从锕开始的底下一行就称为锕系金属时,你就不会感到奇怪。

  再看下去,当你看到镥(71)的时候,镧系元素就会因为彼此在化学上非常相似而臭名昭著。其中的几个是如此相似,以至于为了它们是否真是不同的元素而争论了好多年。

  所有的锕系元素都是放射性的,其中以轴(92)和钋(94)最为出名。把锕系元素添加到周期表的标准格局这件事要怪格伦西博格,这主要是因为他要对在这个区域发现了那么多新的元素负责,以至于需要列出新的一行。(虽然许多人也发现了新元素,但西博格是被迫创立了一个新的行,以便容纳他的全部发现的唯一一个人。)

  既然我们已经分别观察了元素周期表的局部和全貌,现在我们准备好开始在狂野的、美丽的、崎岖的、有趣的和骇人的元素世界中的旅程。

  全在这里了。从这里到廷巴克图,包括廷巴克图,每件事物、每个地方都是由一种或者几种化学元素构成的。我们把元素的组合和再组合的无穷变化称为化学。这些变化开始自而又终结于这个简短而又值得纪念的表格,它是物质世界的基石。

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