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作者：(俄)尼查耶夫

出版社：光明日报出版社

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快乐化学一本搞定试读：

第1章 化学世界中的“圣经”

1. 梦中得来的“元素周期表”

大部分人背诵化学元素的顺序都是“H，He，Li，Be，B，C，N，O，F，Ne，…”。但凡提及化学，不管对它的态度是喜欢还是厌恶，人们均会马上想到元素周期表，足以说明二者之间的紧密联系。

但是，出乎大部分人意料的是，化学家们为了完善这个看似简单的“元素周期表”可谓是绞尽脑汁，费尽心力。“化学元素说”最初是被有近代化学之父美称的法国化学家拉瓦锡所提出的。在他看来，所有物质均是由元素所构成的，因此，他提出了闻名遐迩的“化学元素说”。不过，在元素还没有被发现，“化学元素说”亦未得到证实之前，拉瓦锡就死在了法国大革命之中，不得不说，这真是一桩憾事。

虽然拉瓦锡不幸去世了，不过他所创立的学说却广为流传。自此之后，化学家渐渐地将目光放在了化学元素上。但是直至19世纪，英国的一位名叫道尔顿的化学家才通过创立“近代原子说”首次揭开了元素发现的序幕。此后，通过对原子量的准确测定，人们逐渐发现了钾、纳等元素。截至1830年，化学家已经发现的化学元素多至55种。到了今天，人类发现的以及创造的化学元素共有103种，在150年前则被发现的大概要占其中的二分之一。随着人们发现的新元素越来越多，人们对微观世界的认识也渐渐发生了改变，不过，与此同时这也给化学家们带来了一个难题

由于新元素的性质相对而言较为复杂，因此化学家们没有办法对它们之间的内在联系进行深入地了解。除此之外，化学家们对元素种类的增加也知之甚少，束手无策。

在这种情况下，化学家们为了将这些谜团一一解开，开始特意对这些元素进行系统的分类，并且进行了多种尝试。俄国著名的化学家门捷列夫则使他们中的一个。

门捷列夫在学生时期则猜想着，元素和元素之间，大概有着某种秘密的联系。他学业有成之后，即任职于彼得堡大学，上午为学生讲课，下午则研究化学，期盼着能够找到化学元素之间联系的突破点。这天，门捷列夫十分疲惫，竟然靠着沙发睡着了，并做了一个十分荒诞怪异的梦。在梦中，门捷列夫清楚地看到一幅有规律的元素表。他自梦里醒过来，禁不住兴奋地大声喊叫：“没错，就由原子量小的元素开始进行排列……”

门捷列夫激动地自沙发上蹦了下来，混混沌沌地就拿起朋友寄来的信件，匆匆地写起来。他按照原子量从小到大的顺序把已经发现的62种化学元素一一罗列出来。让他觉得无比震惊的是，只要是相隔7个化学元素的两个元素的性质都是十分相似的。这正是闻名于世的“元素周期表”的雏形。门捷列夫在梦里发现元素周期表的日子为1869年的3月1日。

在对这个周期表进行仔细地研究后，门捷列夫看到表中存在着很多空位。于是他勇敢地预测，每个空位都代表着一个还未被人类发现的化学元素。到了1871年，门捷列夫详细地提出填补某些空位的分别会是哪些新元素，并且对其性质进行了预测。这就是钙与锌之后的两种元素。

这个大胆的预测虽然在后世被证明极具先见性，不过它开始时并未引发人们的注意。时隔4年，研究者在1875年发现了镓，继而又在1879年和1886年分别发现了钪和锗。这些新元素所具有的性质与门捷列夫所预测的几乎一致。自此之后，人们就对门捷列夫提出的元素周期表就不再质疑了。

门捷列夫发现元素周期表，对人类探测微观世界的谜团有着极大的帮助，不过这个周期表并不完善。原因是在将元素依照原子量自小而大的顺序排列时，某些元素的性质并不相符。

1913年，在门捷列夫与世长辞的第6年，这个问题终于被完全地解决了。摩斯雷是一位年轻的英国物理学家，他经过研究证实，根据原子序数来对化学元素系统分类更为科学合理。我们今天所使用的化学元素周期表正是依照原子序数来进行排列的。化学元素的质子数决定了原子序数的大小。譬如说，氢（H）的质子数仅仅为1，所以它的原子序数就是1，位置也处于周期表的第一位。同样的，锂（Li）的原子有3个质子，那么其原子序数则为3，位置处于周期表的第三位（可参见第5页的图表）。

在此之后，科学家们按照元素的化学性质与物理性质，又将化学元素分为碱金属、卤元素以及稀有气体（即惰性气体）等多种类型。

有趣的是，通常是拿国名、地名或者人名来命名近代发现的这些元素的。比如说，钫（Fr）与铕（Eu）两种元素则是根据法国与欧洲的两个英文单词来命名的，而锿（Es）与钔（Md）两种元素则分别出自爱因斯坦与门捷列夫的名字。

2. 巧借插图，轻松学习化学元素周期表

通过世世代代的化学家对“元素周期表”的持续改进，最终形成了现在被称作“圣经”的“元素周期表”。经过对此表的学习，今天的人们才可以了解让人难以琢磨的元素规则。

化学元素周期表是初踏化学世界的头一道关卡。我们能够凭借化学元素周期表对化学元素的各种性质进行初步了解，并进一步深化对化学的领悟。不过想领悟元素周期表却并非容易之事，有些人甚至连元素周期表的作用都不了解。所以，我们第一步须先领会看明白元素周期表的方法，不然的话，则很可能一直在化学殿堂的大门之外徘徊。

现在，取来一张化学元素周期表，让我们一起看看上面究竟写了些什么。

元素周期表有“长周期表”和“短周期表”的区别，那么，二者之间的分别到底是什么呢？

短周期表的横行是依据原子价的不同来进行区分的。竖列则是由1族、2族、3族……8族以及卤族，一共九族构成的。1族至8族为同一族的元素，不过由于化学性质有差别，又分成了A族与B族。

元素周期表一共分为1至7共七个周期。其中，前三个周期的化学元素的原子序数分别是2、8、8，此种周期会转至下一个周期，因此被称作“短周期”。而后四个周期之中的元素的原子序数则分别是18、18、32、32，所以被称作“长周期”。

除此之外，相同周期的元素，愈是靠左，其金属性则愈强，愈是靠右，则其非金属性愈强。所以，阳性，也就是会变为阳离子的性质自左往右逐步减弱，与此相反，阴性，即能够变作阴离子的性质却会逐步增强。

也就是说，相同周期的化学元素，原子序数逐渐增加，其性质则会逐步更改。7B元素的阴性最强，并且，愈是向下走，化学元素的阳性则愈强，愈向上走，化学元素的阴性则愈强。

3. 各有千秋的金属元素

倘若对元素周期表仔细观察，则会看出金属元素非常多。从我们都十分熟悉的金、银、铜、铝，乃至铌、钽等相对而言都较为陌生的金属元素，统共有81种。

全部的金属元素皆有一个相同点，即为原子结合的方式。普通情况下，金属元素的原子则如下图所示一般，最外面一层的电子聚合于一处，令电子自由运动。正是由于此种自由电子的结合，也就是金属结合，金属才格外能够导电或者传热。

金属质地坚硬，不容易破碎，不过却能够让它延展、弯曲或者变为薄片。比方说，黄金便能够延伸为百万分之一毫米厚的金箔。之所以能够如此，主要是由于金属的原子排列有序。就算外力令金属崩溃，其原子排列的关系也并不会发生改变。金属结合就是这种状态

倘若对相同性质的金属元素进行区分，则不难看出它们之间共有的特征。

比如说Li（锂）、Na（钠）、K（钾）、Rb（铷）、Cs（铯）、Fr（钫）等元素，则属于元素周期表上的同族金属，被统称作碱金属。此类金属一般重量较轻，质地较为柔软，熔点也非常低。这是由于此类金属的最外层仅有一个电子，所以外侧的空间相对较大。电子能够自由活动，极易变为一价的阳离子，而且此类金属的化合物也十分容易溶解在水中。他们的氢氧化物或者碳酸盐的水溶液呈现出碱性，所以被称作“碱金属”。

一般情况下，碱金属均可以大量地于海水里溶解。比方说，钠（Na）离子与氯（Cl）离子结合，则可以生成氯化钠（Nacl）。氯化钠为食盐的主要组成成分。海水尝起来是咸的，正是由于其中富含钠离子。

2族里除Be（铍）与Mg（镁）之外，其他的Ca（钙）、Sr（锶）、Ba（钡）、Ra（镭）等，皆称作碱土类金属，此类金属均极易变为二价的阳离子，它们的水溶液呈强碱性。

除此之外，碱土类金属还具有一个特征：即为焰色反应。把白金线浸泡于含有此类金属离子的溶液里，拿火烧烤，则可以呈现出鲜艳明丽的颜色。若是化学元素不同，那么呈现出的颜色也各有不同。如Ca（钙）呈现出橙色，而Ba（钡）则呈现出绿色。

除碱土类金属之外，碱金属与铜（Cu）也具有焰色反应的特征。焰火即为最好的例子。烟花之中，呈现黄色光的为Na（钠），而呈现紫色光的则为K（钾）。

金属的类型较多，除了上述几类金属之外，仍有部分被称作过渡元素的金属。元素周期表中，1B族、2B族、3B族……7B族、8族，均为过渡元素。

Fe（铁）元素即为血液里血红素的组成成分，Ti（钛）元素一般用作战斗机机体，Ag（银）元素最擅长导电与传热，Mn（锰）元素则是最受瞩目的海底资源，Cr（铬）元素的颜色会因为结合方式的不同而有所不同，而金（Au）与铂（Pt）则被称作是贵金属之冠……

4. 盐和惰性气体

盐为日常生活里不可或缺的一种元素。在希腊语里，卤（Halogen）即为“制盐”之意。卤是元素周期表里位于7族竖列里的元素的代表，有F（氟）、Cl（氯）、Br（溴）、I（碘）与At（砹）五种元素。

溴名副其实，十分臭，而且毒性非常强。不过在某些方面上，溴却能够发挥极其重要的作用。溴化银为溴与银的化合物，把它以微粒子的形态平铺，则能够当做底片。按动照相机的快门曝光，溴化银则自行分解，并于其他药剂发生反应，令物体成像。

碘有着极强的毒性，进行核试验的时候，碘能够大范围扩散，倘若人体内摄入了过量的碘，那么就可能破坏甲状腺的机能。人们常说的核子掩盖物的作用正是避免人体吸入过量的碘。

氯与氟也有着极强的毒性，因此人们应该对卤族元素敬而远之。

惰性气体处于元素周期表的最右边。惰性气体因何得名呢？这是由于此类气体较难同他类气体发生反应。一般情况下，惰性气体即指He（氦）、Ne（氖）、Xe（氙）Rn（氡）等元素。人们偶尔也把氮元素归入惰性气体之中。

氦与氖大量存在于宇宙之中。它们的分子非常轻，因此在大气里所占的比例也非常低。通过放电，氖在真空里会产生红色的光谱，并呈现出亮光。霓虹灯正是依据此原理制成的。

氯在空气里的含量相对而言比较丰富，它的体积大概占大气的0.93％。氯主要是用来制造灯泡与日光灯。

氪的意思为“隐藏之物”。它非常有力，能够将其他原子的电子夺走。

氙在宇宙空间里的含量极少，而地球上氙的比例也非常低。

氡是惰性气体里最为重要的元素，其由镭衰变而产生，具有放射性。在地震前夕，倘若地下的岩层遭到破坏，那么地下水里氡的含量则会增加。所以，氡能够用来预测地震。

5. 透过元素了解地球宇宙

在对这么多化学元素进行初步认识之后，或许同学们会产生疑惑：人体、地球以及宇宙分别是由何种元素组成的？所占比例最大的元素是哪种呢？

直到现在，人们仍无法知晓宇宙的大小，仅可以通过采用化学方法对陨石进行研究分析，或者拿辉线光谱对元素进行调查，来推断出宇宙的构成。虽然如此，人类也仅仅可以认识同地球临近的部分。研究证实，宇宙之中，氢与氦主要在地球上存在。通过对地球的元素组成的认真研究，美国学者克拉克将位于地表之下16公里的地壳里的各类元素所占比例计算出来了。并把这些元素依据百分比由多至少进行排列，即为克拉克数。其中比例最大的为氧，其克拉克数为1，而硅则是2。通过学习第10页的图表，能够发现克拉克数排在前五的元素总量大概占所有元素总量的90％。但是，克拉克数仅为对地球的部分研究，倘若调查整个地球，大概情况会有所变化。注：克拉克值为化学元素于地壳里的平均含量的百分比，也就是地壳里某一元素的丰富除此之外，元素一般以化合程度。物的形态存在，譬如氧，其通常以二氧化硅（SiO）的形式存在。2

把地球上大气、海水以及人体的元素构成于图表上列出，不难看出，人体与海水的元素组成非常相似，但是宇宙大气与地球大气的组成却有所不同。

6.

正如下图所示，苯是由碳与氢组成的。苯环之中，最具代表性的有苯（CH）、甲苯（CH）、二甲苯（CH）以及奈（CH）等，6678810108它们都被叫做芳香烃（此类苯环皆具有香味，且仅仅由碳与氢组成），一般以苯环的形态，也就是来表示，如今简化为。

人们常说的芳香族化合物，即为一个或者两个以上的苯环相互结合之后的物质。如果苯同其他物质相结合，那么位于苯环外侧的氢（H）则会同其他元素互换位置，互换位置的元素有差别，那么合成的芳香族化合物也会不同。比方说，令甲苯、浓硝酸与浓硫酸反应，则苯环可生成三硝基甲苯（TNT也就是炸药）。芳香族化合物，广泛应用于工业之中。我们都了解苯是CH，不过，人们66又是如何探知到它的构造图正是图所示的这种形态的呢？任何一种元素均有自己的结合键（也就是原子价），可以把它形象地比喻乙醇的结构式为元素的“手”，元素与元素之间正是凭借“手”来结合的。每种元素的“手”的数量均为固定的，氢为一只，氧为两只……图中展示的为乙醇（CHOH）里各种元素的结合。这能够称之为化学的“头脑25体操”。

为什么分子式的写法各种各样呢？通过观察上图中乙醇的结构式，你就会知道人们用CHOH而非CHO来表示乙醇的原因了。同2526理可知，即使人们偶尔会将甲苯表示为CH，不过大多数情况仍然78是将甲苯表示为CHCH。653

苯中包括6个碳（C）与6个氢（H）。单单是碳的“结合手”的数量就高达24只（6×4），氢的“结合手”也有6只（6×1）。所以，想要将数量众多的“手”的结合方式弄得清楚明白，的确不是一件容易的事情。

但是，德国化学家克库勒却于19世纪完成了这个艰巨的任务，研究清楚了苯的构造。克库勒花费了大量的时间对苯的构造图进行研究，然而一直以来都徒劳无获。在一天夜里，他进入到一个荒诞的梦中，在梦里看到6只猴子围作一圈持续地旋转，如同苯环图一般。碳的“结合手”有4只，所以，能够把猴子看成碳，将其四肢视为“结合手”，如此一来就能够领悟苯的构造了。碳与碳之间有三个地方，分离开来进行双重结合。据传，克库勒梦中所见的并非猴子克库勒在梦中获得了有关苯的启示而是蛇。也有人传言，这不过是后人编造的故事而已。无论如何，只要是伟大的发现，无一例外均会有若干插曲。克库勒曾经说过：“探究睡梦，能够获得真理。”所以，抓紧时间休息吧，没准还可以在梦里发现新知识呢！

7. 有机化学和无机化学的区别

什么是有机化学与无机化学的差异呢？倘若你解释说：“有机化学即为有机化合物的化学，无机化学则为……”，如此的说法只会更加令人迷惑不解。

实际上，这并非一个复杂的问题。地球诞生之日起，无机化合物便已经出现了，而有机化合物出现的时期大概与地球上生物的出现相差无几。这也就是说，在人造有机物出现之前，同生命存在关联的为有机化合物，比如说酒精、碳水化合物（即砂糖、淀粉等物质）以及蛋白质等。同生命并无瓜葛的则为无机化合物，譬如黏土里富含的硅、氧化镁、食盐、水晶等。这样的解释，你应该听懂了吧。

经过对下表的观察，我们可以看出有机化合物的数量远多于无机化合物。

除此之外，有机化合物又被称作是碳化合物，这是由于有机化合物里均含有碳，燃烧之时会生成二氧化碳（不过碳化合物里存在几种特例，为无机化合物，比如说一氧化碳、二氧化碳、碳盐酸、二硫化碳、氰酸等）。有机化合物同无机化合物的对比

在19世纪之前，人们误以为有机化合物无法被人工创制，唯有“神”才可以制造。所以，化学家们全将目光集中在无机化合物的研究上。

一直到了1928年，德国的维拉才成功地通过人工的方法将尿素CO（NH）制造了出来。而尿素则为尿液中含有的一种有机化合物。22

利用人工的方法合成有机化合物，此为科学史上的一大创举。

截至19世纪末期，靛蓝等多种染料均已实现了人工合成。到了20世纪，人们已经能够人工制造出药品、合成纤维、塑料、合成橡胶等多种有机化合物。直到现在，有机化学（即为将元素或者简单的化合物合成复杂的有机化合物的化学）也进入了新的发展时期。除却生命科学与基因科学之外，人们开始将目光投向与生命构成息息相关的蛋白质、氨基酸、DHA等，对有机化学的理解进一步深化。

时至今日，有机化学与无机化学越来越难以区分，其界限已经越来越模糊不清。

究其原因，则是因为在过去，化学家在合成有机化合物的时候，往往仅利用位于元素周期表前三行的元素。不过到了今天，那些过去被忽略的元素开始吸引了研究者的目光，如此一来便推动了无机化学的发展。

8. 炼金术化“化学”为“科学”

在长达1500多年的历史长河中，我们的前辈竭尽心力地钻研炼金术。他们把石头、铅与铁混在一处，另外加入其他特殊的物质，期盼可以成功炼制出黄金白银。当然，现在看来，此种事情是绝对无法发生的。

追溯至公元前300年，在希腊时代的末期，亚历山大港就掀起了炼金术的热浪。在那个年代，人们相信，黄金白银皆为埋于土中的石块以及铁等物质历经千百年的时间变化而成。所以，他们猜想，把某些特殊的物质加入石头或者铁中或许无须经过数千年的时间则能够变为金银了。

那个时候，人们都相信金属本身具有生命。所以，被当做可以治疗得病金属的炼金术，也就特别地受到关注。譬如说，铜则为并未成熟的金，而锡则为有麻风病的银。而“圣贤石”与“哲学家之石”则能够治愈此类疾病。

除此之外，人们还相信此类秘方对人体而言也大有裨益，是能够令人长生不老的灵丹妙药。

原本在亚历山大港流行一时的炼金术在罗马帝国覆灭之后，就转移至阿拉伯地区。到了12世纪中期，炼金术传到欧洲，迅速在民间流传开来。

在那个时候，许多知识分子也十分热衷于炼金术，比如神学家阿奎奈以及哲学家培根。传说，他们曾经亲自观察实验。

甚至连国王也被炼金术所吸引，国王们征集炼金术士，令他们不停地为自己进行实验炼制黄金。当时的炼金场景

在14世纪初，西班牙的贵族拉蒙·鲁路到英国拜访国王爱德华三世，期盼可以凭借炼制黄金而闻名于世。

拉蒙·鲁路是圣芳济修会的一位修道士。他当时身藏一剂“大小像豆粒一样”的珍稀药品，即所谓的“哲学家之石”。他随后被安置于伦敦塔中进行实验，炼制黄金。传闻，鲁路曾经拿铁、水银以及铅成功炼制了17200万盎司（1盎司=28.3495克）的黄金。之后，由于爱德华三世同法国之间的战乱，鲁路匆忙逃离了实验室，以至于很多金粉都残留在了地板上。

虽然炼金术并没有办法炼制出黄金，不过在人们炼制黄金的过程中，却意外地发现了很多化学药品以及化学物质所具有的特征。

在12世纪，人们已经能够制造酒精。

及至13世纪，硫酸与硝酸也可以被人工制造了。

此类发现对加热、溶解、过滤以及蒸馏等化学技术的发展起到了促进作用。今天我们进行实验需要的烧杯、烧瓶、玻璃棒以及试管等，均为炼金术的意外产物。

因此，炼金术又被称作是“近代化学的大智慧”。

9. 钻石价值永不改变

钻石是宝石中非常贵重的一种，古往今来，此种认识从来不曾改变。那么，为什么钻石会这么贵重，它究竟是由何组成？简单地说，钻石即为碳原子结晶化的物质。具体来看，在碳原子的外侧存在着4个价电子，4个价电子中特殊的价电子能够与其他碳原子组成电子对。如此一来，每1个碳原子均会与另外的4个碳原子结合为一。正是这样一直结合，碳原子则形成了正四面体，最终成为结晶，而此类结晶即为钻石。钻石的碳原子结构（参考图）

钻石的原子之间结合得十分牢固，所以，钻石又被视为最为坚硬的矿物质。钻石丝毫不具有导电性，不过却具有极强的传热性。由于原子和原子之间的连接就如同有弹簧存在一般，所以加热钻石，“弹簧”则会发生震动，并且此种震动十分容易带动相邻的“弹簧”。

第2章 原子

下图为五支装有无色液体的试管。肉眼望上去，它们之间并无任何区别，也许里面的液体全是水呢。但是，你可一定不能品尝，说不准它们都是有毒的。

让我们把第一支试管中的无色液体倒到铜板上，将一支火柴点燃，靠近铜板，并无丝毫反应。

接着试验第二支，啊，越接近铜板，火变得越旺盛了。

来看看第三支，咦，火柴熄灭了。

第四支试管中的液体刚一倒在铜板上，铜板的颜色马上改变了。

第五支，千万别将液体倒出来，它的放射性很强。看，盖氏计数器始终在不停地响着。

为什么从表面上看去并无任何区别的五种液体，一碰到铜板，差别就会如此大呢？●古代、中世纪的化学元素

实际上，一旦将这些液体中含有的元素弄得一清二楚，问题就迎刃而解了。上面提到的这五种液体全是十分简单的化合物，每种液体中都含有三四种化学元素。它们的成分要远比木头或者石头简单。

木头与石头皆为人类最早的工具。它们被人类使用的历史，可以追溯到远古时期，那时候，它们被人类做成特定的形状，成为日常生活里被使用的工具。

到了漫长的青铜器时期，人类使用的工具开始涉及木石之外的器皿与武器，甚至能够制造出如别针般的工具。

在青铜器时期结束之后，铁器时代接踵而至。这个时候的人类，已经知道自矿山里冶炼金属来制作铁斧、镞头等工具，做工相对来说十分不错。

依照记载，当时的人类已经懂得利用金、银、锡、铜、铅、碳、硫黄以及汞等物质，不过人们并不知晓它们都属于元素。

到了中世纪之后，开始流行炼金术。炼金术士们系统地整理了之前琐碎的原始化学知识。尽管他们的炼制方法非常简单，甚至有些时候完全凭借想象，不过他们仍然能够被称作当时的化学家。

在炼制金属的过程里，术士们进行了数不胜数的实验，并且由实验中得出水、火、土以及空气为组成物质的基本要素，比如说，木燃烧产生热量，进而化为灰尘。术士们则以此认定干（即木头）是由土（即灰尘）与火构成的。除此之外，他们还编制了元素表。炼金士的元素表•什么是元素周期表“元素周期表”并非一个简单的表格，其中所蕴含的丰富的信息，大概是你难以想象的。炼金术士们终其一生也没有办法深入了解这些信息。但是，时至今日，一旦你将元素周期表弄明白了，就能够在实践中成功地运用蕴含在表中的秘密。

炼金术士编制的元素表仅包含四种“元素”，而我们今天的元素周期表中却包括100多种元素，它们依据特定的顺序排列，各个元素之间的关系一目了然，简单易懂。我们也能够依据元素周期表来解释水、火、土以及空气的本质。水为氧与氢这两种化学元素的化合物；而火则是部分元素与氧气发生反应时放出的光与热；土由几十种元素混合而成，成分较为复杂；空气由二氧化碳以及8种以上的其他元素混合而成，与土同为混合物。

我们现在使用的元素周期表里的各种元素均以符号进行标记，并依据元素的原子序数来排列。

一般情况下，我们会拿化学元素英文名称的首字母或者前两个字母来充当它们的符号。比方说，氢的符号是H，氦的符号是He，而锂的符号则是Li。有些在很久以前被发现的元素，如今仍然以其当初名字的首字母或是前两个字母作为符号。譬如说，汞的符号为Hg，源自于希腊文Hydragyrum；而银的符号为Ag，源自于拉丁文Argentum。各元素名称及其化学符号的来源收录于本书的末尾。

元素周期表中每个元素的左上角均有一个数字，这就代表着该元素的原子序数。举例来看，碳的原子序数为6，这就意味着，碳原子核中存在着6个质子，而碳原子存在着6个电子，并且也反映了这样一个问题，即碳原子能够和哪些元素结合以及怎样结合。

而位于符号下方的数字则体现了该元素原子的平均质量，称作原子量。如今，每个元素的原子量的计算均以碳的平均质量12为单位。而1960年之前，原子量的计算单位则是氧原子的平均质量16。

具备了原子序数以及原子量，就能够对原子核的构造进行研究了。打个比方，碳的原子序数是6，那么就说明原子核中的质子数是6。而其原子量为12，又因为原子量的质量主要集中于质子与中子，因此，碳原子的中子数也为6。质子和中子共同构成了原子核，连同原子核外的电子一同构成了原子。

1. 什么是元素

所谓元素，即为由相同类型的原子所构成的物质。譬如说，铋的金属块中仅仅含有铋一种类型的原子。即使你将金属块一分为二，或将其砸碎，拿锉刀将它锉为粉末，甚至将它高温加热熔融为液态，乃至蒸发为气体，铋仍旧是铋，不可能变为另一种元素。

大多数的原子会与其他原子互相结合并形成分子。部分相同类型的元素的原子会彼此结合形成分子，譬如说，两个氧原子则可以结合生成一个氧分子。部分元素的原子会与其他元素中的一个或者几个原子互相结合从而生成一个分子。这时候，此类分子已经变为化合铋的块状结构物，并非是元素。

化合物具备一个特别的性质，即由异种元素互相结合而生成的化合物，原本元素所具备的特性则会消失。譬如说，氢本为易燃性气体，同氧互相结合则可生成水。氢气与水的性质究竟有多大的区别相信大家都很清楚。再譬如说，氯与钠，二者本身皆具备毒性，但二者互相结合之后则可生成大家日常所需的食盐。•糖分子的构造

与食盐一般，糖这种化合物也被我们所熟知。二者相异之处是，要破坏糖的成分十分容易。把糖放到蒸馏瓶中，只要略微加热，糖分子即会自行分解。糖分子分解完后，会在瓶底留下黑色物质，这说明糖内含有碳元素。糖内除碳外的其他元素能够再次结合并蒸发，并于瓶的内壁上凝结为无色液体，此无色液体即为水。将这些水倒入电气分解装置，接通电源之后，水分子则可以被分解为氧气与氢气挥发出去。

既然如此，大家是否能够得出，糖内含有碳、氢以及氧三种元素呢？实际上，每个糖分子是由12个碳原子、22个氢原子以及11个氧原子构成的，所以，糖的化学方程式为CHO。122211把糖加热的Seaborg（图）糖分子的模型（图）

实际上，在蒸馏瓶中加热的糖分子多达数百兆个，你是否可以想象出如此多的分子究竟发生了怎样的变化？来先让我们一起构建一个模型吧。

大家要知道，我们构建这个模型仅仅是想要模拟分子中原子的排列形式，并不能代表糖分子的真实形态。

我们拿黑珠、白珠以及灰珠分别代表碳原子、氢原子以及氧原子。而化学键则是珠和珠之间的连接，就像原子的手一样。

将糖加热，那么糖分子遇高温则可以分解。分离出来的12个碳原子在瓶底沉淀，而11个水分子则变为水蒸气挥发。用化学方程式来表示这一分解现象：。换句话说，一个糖分子可以分离出12个碳原子与11个水分子，然后将水分子继续分解，则生成22个氢原子与11个氧原子。•氧化汞的加热分解

现在，我们继续进行下一个实验。这次的实验对象是一种呈红色的粉末状物质，氧化汞。顾名思义，我们能够猜到它的组成成分为氧以及汞。

将氧化汞放入蒸馏瓶中开始加热，你会发现，起初，氧化汞的颜色逐渐发生变化，等到氧化汞沸腾之后，则会变为气体蒸发。挥发的气体自瓶口逸出，氧化汞的加热分解因为温度下降，气体又在烧杯里凝结为粉末状固体。

与此同时，氧气也会自蒸馏瓶中逸出，但是肉眼是无法观察到的，不过能够通过下面的方法证明：将燃着的竹签熄灭，然后迅速让它靠近瓶口，那么竹签则会重新燃烧，从而证明了氧气的存在。

这个实验告诉我们，是氧气和汞这种发亮的液态金属共同构成了这呈现红色的粉末。而氧气具备一个特性，即能够令即将熄灭的火焰重新燃烧。

氧化汞的构成远比糖的构成简单，它仅仅具有两个原子，其一为汞（Hg）原子，其二则为氧原子，因此氧化汞的化学方程式可以表现为HgO。

在右图里，我们拿白圈来表示氧原子，黑圈则表示汞原子。实验进行时，氧化汞分子因为温度持续上升而在瓶壁上飞来飞去，四处乱撞，最后终于分离出氧原子与汞原子。分离出的汞原子自瓶口逸出，因为瓶外的温度较低而受冷凝结，然后滴落到烧杯中，氧原子却合二为一结合为氧分子逸出。

这一过程拿化学方程式来表示的话即为：HgO→Hg+O。

由于氧原子可以合二为一结合为氧分子，因此以O来表示氧原2子，同理，氧化汞则应表示为两个分子2HgO=2Hg+O。也就是说，2两个氧化汞分子是由两个汞原子以及一个氧分子（即两个氧原子）构成的。因此，氧化汞同样也为化合物。•元素与化合物

接下来让我们研究一下，本章开篇提到的那5支试管中分别装有何物。（1）水（由氧与氢两种元素组成）。（2）丙酮（由氢、氧、氮三种元素组成）——可以燃烧。（3）四氯化碳（由氯与碳两种元素组成）——可以令火熄灭。（4）硝酸（由氢、氧、氮三种元素组成）——可以和铜发生化学反应。（5）钻60的溶液（由水以及具备放射性钴的硝酸氯构成）——能够令盖氏计数器响个不停。

综上所述，这5种液体所涉及的元素共6种。碳与氢的结合能够生成上万种性质迥异的化合物，譬如石油、甲烷以及塑料。若化合物中仅有碳与氢两种元素，则该类化合物被我们统称作碳氢化合物。碳氢化合物彼此的差异在于，分子里碳与氢的数量和连接状态有差别。

分子里碳与氢的数量被充分体现在化学方程式中。譬如说：

CH代表甲烷（即通常所说的沼气）4

CH代表乙炔22

CH代表乙烯24

CH代表十氡化萘1018•原子的质量

倘若我们把碳原子比喻为一个足球场，电子则可视为观众席中飞来飞去的苍蝇，那么原子核则和位于球场正中的足球一般大小。原子核的质量高达全部电子质量之和的几千倍。因此，宇宙里的物质99.9％的质量均集中于原子核上，而原子内部的大部分均为空的。

假如我们拿气体来对原子的质量进行讨论，或许能够更加通俗易懂。原因在于，相同体积的气体中所包含的分子数目是一致的。

将两个容量是1升的瓶子分别放置在天平的两侧，那么，现在的天平处于平衡状态，这是由于两端的瓶子内均有1升的空气。

倘若把氢气缓慢地从下面注入其中一个瓶中，直至清空瓶内全部的空气。这样，天平的平衡则会被打破，放置氢气瓶的这一端会上浮，而防止空气瓶的一端则会下沉。这就表明1升的空气要重于1升的氢气。

不过，究竟两个瓶子中分别含有多少个分子呢？我告诉你，这个22数字大得惊人，1升气体是由2.687×10个分子组成的。

通过对体积相同的异种金属进行对比，就能够对其原子质量的大小进行初步的判断。譬如说，用四根弹力相同的弹簧把体积相同的镁、铁、铅、铀吊起，根据四种金属各自下垂的高度则能够对其质量大小作出判断：垂得越低，质量越大；反之，则越小。

上述实验仅仅可以对原子质量大小进行初步的判断，无法精确地表示各金属质量的比率。对固体原子质量测量的难度要远大于对气体原子质量的测量，这是由于体积相同的固体并非由相同数目的原子构成。对体积相同的固体而言，原子之间越紧密，则其数目就越多，相反的话，其数目则越少。

元素周期表对各种元素的原子量均有标注。此处的原子量是指，人为地把碳12的原子量确定为12，并且将其作为确定各元素的原子质量的依据。例如，铀的原子量为238左右，换句话说，铀原子的质量大概为氢的238倍。而铅的原子量为207，镁的原子量为24，铁的原子量由左至右，同体积的镁、铁、则为56。铅、铀，把它们用同样的弹簧吊起。•元素与原子核

元素周期表还能够表现出原子的构造。

宇宙里的所有物质均是由100多种化学元素里的1种或者几种组成。倘若将物质视为建筑，元素则相当于砖块。而元素均由质子、中子以及电子3种基本粒子组成。化学元素不同，则其性质也会有差异，这是由于组成它们的质子、中子以及电子的数目有差异。氢原子的质子数为1，这1个质子本身具备一个单位的正电荷，并占有氢原子全部质量的99.9％。由于氢的质子仅带有一个单位的正电荷，因此，元素周期表中氢原子的原子序数为1，我们拿“⊕”来表示。

那么，倘若我们将一个粒子加入到氢的原子核中会发生什么呢？如果此粒子与质子拥有相同的质量，却不带电荷，那么，原子核的质量则会变为2，但是电荷仍旧为1，不会发生任何改变。

与质子有着相同的质量，本身却不带电荷的粒子即为中子。除氢原子的原子核内没有中子外，其他元素的原子核中均有中子的存在。

倘若再将一个质子与一个中子放入原子核内，那来来的粒子则会变为一个复合粒子，其质量是4，电荷是2。

仔细观察元素周期表，你可以发现，前文中我们所提及的复合粒子实际上即为氦的原子核，其原子序数是2，质量数是4。所谓“质量数”是一个用来表示元素原子量的整数，即为原子核里的质子与中子的质量之和。

倘若再将一个质子与一个中子加入氦的原子核里，那么该原子核的电荷数将变为3，质量数将变成6，即变为锂6元素的原子核。

锂有两种原子核，分别是锂6与锂7，顾名思义，后者较前者而言，中子的数量多1。

锂7的质量为7.02，质量数为7。自然界里绝大部分为锂7，所占比例为92％。锂6所占比例仅仅为8％。因此，锂的自然存量的平均原子量即为6.941。

倘若继续在原子核中增加质子与中子的数量，那么原子核的质量便会随之变化，从而不断创造新的元素。•原子的构造

但是若要组成原子仅仅有原子核是不够的，务必需要存在于原子核之外的电子，而且电子同质子的数量必须相等。

电子的质量要远远小于质子的质量，电子同质子的电荷量相同，带有一个单位的负电荷。因此，倘若电子的数量与质子相等，则正负电荷就可以实现平衡，从而呈现电中性。

在下图里，我们将电子表示为负号，主要是出于方便考虑，不过并非十分正确。如果质子的体积正如下图所示，则电子的旋转轨迹形成了一个圆心为质子、半径是1公里的圆。

如图，氢原子内含有一个质子与一个电子，电子绕着质子高速旋转。而氦原子的原子核内质子数为2，因此存在两个电子来实现电荷平衡。

原子具备一个特别的性质：每层轨道上允许存在的电子数量是一定的。与原子核最为接近的那层轨道上至多允许两个电子的存在，若有第三个电子，则只好安身于第二层，第二层至多能够容纳8个电子。譬如说，锂原子有3个电子，而第一层仅能容纳两个电子，所以最后一个电子只好独自位于第二层。氖的原子模型氢（上）及氦的原子模型

与地球环绕太阳公转的平面轨道不同，电子围绕着原子核在一个球面上旋转，运行的轨道构成了一个三度空间。电子运行的轨道并非如图所示般清晰，实际上是混沌不清且存在幅度波动的。

继锂元素之后，我们继续往下看。倘若令第二层轨道上的电子数目不断增加，那么，即可创造出位于第十的氖，氖原子的原子核中存在10个质子，原子核之外存在10个电子。

在氖原子的第一层轨道上存在着2个电子，第二层轨道上存在着8个电子。所以，与氦相同，氖原子的两层轨道上容纳的电子数量已经达到极限。此类轨道全部被电子占满，不存在任何多余电子的原子即为饱和原子。

排在氖之后的是钠，钠的质子数与电子数为11，因此在第三层轨道上仅仅存在着一个电子。

元素周期表中，钠与锂处于同一列，都排在锂的下方。这是由于钠与锂最外层的轨道上均仅有一个电子。

之所以创制元素周期表的原因，相比大家都有所体会了吧。倘若依照原子序数来排列元素，那么，部分性质较为特殊的元素则会重复出现，呈现出周期性，因此，元素的此种特性被称为“周期律”。钠的原子模型锂的原子模型

极为重要的是，只要原子核里的质子多一个，则原子核外围的电子相应地就需要多一个，如此一来才可以使原子本身才会呈现电中性。所以，原子核外的电子数是由原子核里的质子数来决定的。•元素的化学性质与同位素

原子化学性质的决定性因素有两个：其一为原子核外的电子数；其二为轨道上电子的排列。

元素的“化学性质”，指的是该元素能够同何种元素结合，以及怎样结合的性质。具体来说，主要是指该元素可以与何种元素结合、其结合的难易程度以及结合之后的稳定性。元素的化学性质与质子、中子并无直接关联，对元素的化学性质起到决定性作用的为电子数量的多少和电子的排列次序。

尽管元素的化学性质和中子的数量并无关联，不过假使原子核里的中子数产生变化，则可生成该元素的同位素。

同位素（Isotope），得名于希腊语中的“场所”与“同”。我们上文提及的锂6与锂7，即为天然锂的同位素。某元素的同位素的质子数与电子数均是一致的，因此其在元素周期表中的位置是同样的。

自然，即便是同位素，也不可能完全相同，而其差别所在，正是原子质量的不同以及放射性的不同。

仅仅使一种元素原子核里的中子数发生变化就能够得到该元素的同位素。由于中子本身并未携带电荷，因此原子核的电荷数不会发生变化，电子数也无需进行改变。如此一来，并不会改变原子本身的化学性质。发生变化的仅仅是原子的质量。譬如说，氢的3种同位素分别为普通氢、重氢以及超重氢。普通氢的原子核中仅仅存在一个质子；而重氢的原子核中则多一个中子，因此重氢的质量大概是2；而超重氢的原子核内则存在一个质子与两个中子，质量大概是3，超重氢具有放射性。氢同位素的原子模型（依次为普通氢、重氢、超重氢）

再来看铀元素，大多数的天然铀均为铀238，其原子核里存在着92个质子与146个中子。铀235这种同位素大家并不陌生，其原子核裂变时会产生大量的能量。铀235的原子核中也有92个质子，不过其中子数仅为143个，与铀238相比，中子少了3个。所以，铀235要较铀238轻3个单位。

现在我们已经知道了同位素的存在，那么上文中所确定的元素的概念——元素为由种类相同的原子组成的物质——并不准确，应该更正为：元素为由原子序数相同，也就是原子核里存在相同数量质子的原子组成的物质。

与纸上所写的二维空间不同，原子核的构造为三维空间。部分原子核形如篮球，不过重量较大的原子核，其形状更类似橄榄球，譬如铀元素的原子核。

2. 从原子到分子

我们如何来证明原子的存在呢？•观察原子的方法

我们始终相信原子是能够被“看到”的，实际上，截至今日，人类尚未研究出任何的方法能够直接观察到原子的庐山真面目。原子体积极小，甚至使用显微镜也没有办法看到。但是，我们却能够直接观察到电子，并能够确切地在威尔逊雾箱里面显现的原子核飞迹证明它的存在。

想必大家都知道，飞机在高空中航行时，会形成云带。同理，如氢、氦的原子核一般的带电粒子于水蒸气丰富的潮湿气体里飞过，则会形成类似于云带的条纹。这些条纹实际上即为带电粒子的运行轨迹，仅用肉眼就能够看到，还能够将其拍成照片。此种显现带电粒子运行轨迹的装置就是“威尔逊雾箱”。

除此之外，还能够借助分子来对电子进行观察。分子是原子因为化学力量结合而成的物质。部分分子体积教大，借助电子显微镜即能够将其拍成照片。

病菌（Virus）是人类至今发现的体积最大的单个分子。譬如说，最为普遍的脊髓灰质炎病菌——波里奥（Polio）即是由上千个原子组成的球状分子借助电子显微镜能够将其形态看得一清二楚。

宾夕法尼亚州大学的Miillur博士在1957年的时候借助自己发明的电场离子显微镜，把单粒的原子拍成照片。我们能够从照片上观察到原子在细钨（Tungsten）针表面构成结晶格子的情形。照片里的小点正是一粒一粒的原子，而亮点则是许多原子聚集一处。照片的半径比为100万左右。用电子显微镜看到的巨大分子—流行性小儿麻痹症的病菌借助离子显微镜观察到的钨针表面的原子排列

就读于麻省理工大学的Barger博士，借助X光记录下了黄铁矿结晶里单粒原子的位置。黄铁矿的基本成分为二硫化铁，换句话说，每个分子里均存在着一个铁原子与两个硫原子。

这张照片并未具体显现出原子的形态，这是由于铁原子的体积极小，直径仅为一亿分之一厘米左右。但是，通过这张照片，我们可以观察到结晶里各个原子的位置。•混合物与化合物

但是，铁和硫的原子究竟是如何结合并且形成二硫化铁分子的呢？

我们把铁粉与硫黄粉混合并搅拌，但是无论搅拌多长时间，肉眼仍旧能够把二者辨别开。倘若拿一块磁铁，相当容易地就吸出了混合的铁粉。因此，尽管铁粉与硫黄混合在一起，但二者并没有结合，仅仅可以将其称之为混合物。

把混合物置于烧锅中加热，铁原子与硫原子进行化学反应，结合为名为硫化亚铁的化合物。其化学性质与铁以及硫黄的性质相比，迥然不同。一个铁原子与一个硫黄原子即结合为硫化亚铁（Fes）分子。二硫化铁Fes与硫化亚铁十分相似。2

生成镁的化合物十分简单。仅需把镁颗粒高温加热。譬如说，氧化镁的化合物的生成，仅需把镁置于天平一侧加热，如此一来，镁就与空气自动供给的氧原子发生反应，从而结合生成氧化镁（Mg0）的化合物。

镁原子经过加热与氧原子发生反应，增加了氧原子的质量，从而打破了天平的平衡。同氧与镁的性质相比，氧化镁的性质也迥然不同。

铁与硫黄以及镁与氧的此类结合即称为“化学反应”，表示为：

Fe+S→FeS（铁与硫黄结合生成硫化亚铁）

2Mg+O→2MgO（镁与氧结合生成氧化镁）2•元素周期表的横排与竖列

经过对前文的学习，我们理解了化学家令两种元素发生反应结合生成化合物的过程，不过，大家是否清楚，为什么两种元素会发生化学反应呢？

原子能够借助多种方法结合生成分子，不过无论是什么方法，在进行化学反应之时，原子轨道上电子的排列均会发生改变。通俗地说，化学正是一门使电子排列发生改变的学问。

位于元素周期表的第一横排上的元素，仅仅有氢与氦两种，二者均仅有一个电子层。

位于第二横排的元素有8种，自锂至氖均为两层电子层。第一层最多排列两个电子，而第二层至多容纳8个电子。每个元素的各个电子层上的电子数均是固定的。

前文中提过，锂原子的第二层电子层上仅存在一个电子，而铍则存在两个，依次增加一个，直至氖的第二层电子层上有8个电子，则第二层就此终结。

相同竖列的元素均属于同族元素，其化学性质十分相似，而且原子最外层的电子数目是相同的。

同理，元素周期表上其他横排也具有相似的规律，每一横排的元素均比上一排的元素的原子多一层，且最外层均仅有一个电子。

最后将目光放在元素周期表的最左列，可以看出该列元素最外层的电子数是一致的，氢、锂、钠、钾、铷、铯、钫元素的最外层均仅存在一个电子。•离子结合

除氢之外，最左列的元素被称为“碱金属”。发生化学反应之时，碱金属原子最外层能够提供给对方的电子都仅有一个。

钠与氯结合生成食盐分子之时即会出现此种现象。观察平面图中的钠原子，其原子核中存在11个质子，原子核外围存在11个电子，从而中和电性。这11个电子排列于3层电子层上，第一层的电子数为2，第二层的电子数为8，最后一层的电子数为1。

氯原子有17个电子，同样排列于3层电子层上，第一层的电子有2个，第二层的电子有8个，第三层的电子有7个。恰巧钠原子的最外层的电子数为1，而氯原子最后一层尚能容纳一个电子。所以，二者结合可以变为完整的一对。

实际上，此化学反应是这样进行的：处于钠原子第三层的一个电子进入到氯原子的最外层，把氯原子的第三层填满。

钠原子因为失去了一个带负电荷的电子，从而带有一个单位的正电荷，而氯原子由于得到一个电子从而带有一个单位的负电荷。如此一来，钠原子与氯原子分别带上了正、负电荷，由于电荷的性质相反，二者互相吸引紧密结合，生成化合物。钠和氯的离子结合

由于原子失去或者得到了一个电子，打破了原子的电荷平衡，所以其本身就携带了正电荷或者负电荷，此类原子被我们称为离子。因此，上文中两个“原子”带有性质相反的电荷的说法缺乏准确性，准确而言，是两个“离子”带有性质相反的电荷。同理，钠与氯的结合应称之为“离子结合”。

钠与氯的结合过程能够通过实验来模拟。

氯为一种有毒气体，呈现淡黄色，气味刺鼻。钠为一种有毒金属，质地柔软、呈现亮银色。我们把氯放入一个玻璃瓶中，然后再放入一小片钠。时隔不久，氯与钠则会结合生成食盐。

食盐为晶体。钠与氯第一步结合生成分子，分子继续结合生成的晶体即为食盐。食盐的晶体是立方体。倘若我们可以具体地观察到这一过程则是再好不过的了。食盐晶体非常容易破碎。前文提及食盐晶体原本为立方体，不过在日常生活中的食盐晶体形状大都不完整。实际上，无论是哪种类型的分子，食盐的结晶构造若要仅凭肉眼便可观察，无一不是无数个分子聚集于一处的结果。我们能够观察到图片中食盐的结晶里包含着无数的原子。钠原子与氯原子的总数25大概为10个，如果以数字来表示则为10，000，000，000，000，000，000，000，000个。•共价结合

原子结合生成分子的方式众多，而食盐的生成仅为其一。除此之外，另有一种方式也十分重要。

接下来，我们继续观察一种常见的化合物——水。

首先观察两个氢原子与一个氧原子的结合。氢原子内的电子数为1，而氧原子中的质子数为8，电子数也为8，第一层电子层上有2个电子，而其余的6个电子则全部位于第二层，则第二层上存在两个空位。而两个氢原子所携带的电子恰巧能够填补两个空位。不过，氢原子氢和氧的共价结合（水的分子）替氧原子提供电子是有条件的。在氧原子的第二层上存在两个空位，而氢原子的电子层也有一个空位，此时，每个氢原子均同氧原子分享一个电子，而另一方面，一个氧原子获得了两个氢原子的两个电子，如此一来，就实现了和谐。

正是通过此种方式，原子结合生成分子，此类方法称为“共价结合”，又称“电子对结合”。大部分分子均是通过此种方法结合而成的，就比如说糖分子。

通过共价结合而生成的分子内部有十分微小的电流，而且持续地变换方向。因此分子之间依旧可以彼此吸引，进而结合生成我们日常生活中的水、糖与其他物质。

假如分子内部并无电流的存在，则分子之间将没有办法结合，甚至还可能因此变得乱七八糟。全部的物质均会变为如同空气一般的气体。

3. 最初的元素

化学元素最早是在何时被发现的，又是怎样被发现的呢？

实际上，早在远古时期，人类就逐渐学会使用元素了。在人类首次发现火之时，树木被火烧成的灰烬就在森林里四散飘落。画于洞穴岩壁上的年代最为悠久的艺术品，大概正是以这炭灰所画。在石器时代，人类逐渐懂得利用石头来制作各种器具，譬如斧头、小刀等工具。早期的印第安人更加心灵手巧，借助自然材料创造了很多精巧新奇的物品。他们利用土制造的器具，大多数是由硅、铝与氧的化合物组成的，比如钵。但是，早期时候的人们连元素为何物都不清楚，自然也不用说黏土以及石头中所含有的元素了。不过，时代逐渐在进步，人类逐渐各种石器学会了自土中寻求材料，并对由自然材料中提炼出的元素加以利用，甚至逐渐能够改变元素的排列次序。

我们将可以提炼出某种元素的肥沃土壤称作矿石。

方铅矿，又称硫化铅，即为一种含有铅元素的矿石，是最为普通的矿石中的一种。古人偶然之下掌握了从方铅矿中提炼铅的工艺，即拿火煅烧内含木炭的铅矿石，那么纯铅则会一滴一滴分离出来。

除此之外，古人还懂得利用另外一种矿石——朱砂，即为硫化汞。加热此类矿石可以发生化学反应，并可生成纯水银，即金属汞。

随后，人类处理材料的能力逐渐提高，铜也被人类分离出来。之后，人们又逐渐掌握了把铜与锡自矿石里提炼出来的方法。

把铜与锡混合，可以制造青铜器。青铜器的制造，表明人类又取得了极大的进步。因此，此时期又被称作是“青铜器时代”。

在此时期，人类逐渐学会利用青铜器来打造精巧的器具、武器和其他华美的装饰品。与此同时，冶金术也逐渐发展起来。

到了公元前1000年左右，人类掌握了冶炼金属铁的方法，由此开始了铁器时代。不过，人类对金属铁的发现和利用大概在更早的时候就开始了。

在铁器时代，人类用铁制造出铁锥、铁锤以及梳子等器具，自然，武器也开始用金属铁来锻造。在此期间出现了多重文明，前一种文明迅速被后一种的文明所代替。但是，每一种文明的兴盛与衰落都和各个国家冶金技术的高低紧密相关。•被古人利用的元素

人类将天然矿石加热，进而提炼出元素。此种提炼元素的方法原始而稚嫩。古人偶尔也会通过在地上生火的方式利用碳元素。如今我们要在实验室中证明古人利用元素所采取的手段是十分简单的。譬如说，加热置于黑铅板上的含有铅的矿石，即能够提取出纯度相对较高的金属铅。

在古人掌握了怎样自矿石里提炼金属并获得以元素状态存在的金属之后，他们迅速地掌握了利用金属元素制造形态各异的物品的方法。与此同时，他们还将金属制成金属片。

实际上，很多元素古人早已经学会如何利用了，但是并未认识到它们是元素罢了。

最开始的时候，他们自木炭里提取了碳。接着又发现了硫黄和其他以元素形态存在的金、银、铜等金属。继而又掌握了自各种矿石里提炼钢、水银、铅以及锡的方法。

对古人来说，最主要的成就大概即为借助矿石来冶炼金属铁。冶金术刚刚发展之时，倘若一个部族希望成为文明的中心，则务必学会冶炼金属铁的方法。

及至公元初年，人类发现的元素已经有9种，并且能够把它们从矿石中分离出来加以利用。通过对这9种元素在元素周期表中所处位置的仔细观察，你就可以看出部分元素的化学性质十分类似：锡与铅的化学性质十分接近；金、银、铜也是相同。这9种化学元素的符号如下图所示：

c代表碳　　　S代表硫黄　　Fe代表铁　　Cu代表铜　Ag代表银

Sn代表锡　　Au代表金　　Hg代表水银　Pb代表铅

4. 由炼金术到化学

及至中世纪，人类在元素的提取分离方面仍然未有任何进展。但是，可喜的是，炼金术于此时诞生了。•炼金术士们的工作

炼金术士在炼制过程中，所使用的简单器具，如蒸馏瓶、乳钵等物，即为现代化学仪器的初始形态。

炼金术士们进行过多次实验，自炼制永葆年华的仙丹直至进行多种荒诞怪异的尝试。这些实验均能够被视作是化学实验的起源。炼金术士们一直在试图寻找“哲学家的石头”，这是一种能够令一般的金属变为真金的物质。他们对此传言深信不疑，但是直到现在，也没有人知道“哲学家的石头”到底为何物。有人猜想它不仅仅是一种物质，而有人认为它是硫化汞。无论如何，始终无人可以证实这些猜测。

通过进行实验，炼金术士成功地自矿石里炼制除了金属，最为重要的，他们炼制出了众多的酸类物质。这些酸类物质即为后世建立工业化学的基石。尽管这些成果并非他们进行实验的初衷。

他们进行的其中一个实验即为将硫化铁等物质加热，以挥发出一种名为“矾类之油”的液体，并且将该液体收集起来。这些液体即为我们今天所说的硫酸。

除此之外，炼金术士们还掌握了制造氯酸与硝酸的方法。而碳酸钠与碳酸钾则为现代必不可收的工业原料。

炼金术士的确值得表扬，他们将通过实验获取的知识积累起来，并且尝试把它们系统化。他们相信水、火、土与空气4种元素为大自然的基础构成元素，并希望以这4种元素构建符合逻辑的理论。从某种程度上来看，能够把炼金术士的成就视为现代元素周期表的来源。•中世纪发现的元素

炼金术士有众多的发现，尤其是有3种重要的元素是在12世纪至14世纪内发现的。

这3种重要元素分别为砷（As）、锑（Sb）以及铋（Bi），它们属于同族元素，在元素周期表上位于相同数列。

随后的五六个世纪中，除白金外，并无任何的发现。16世纪的上半叶，白金在墨西哥被提取出来。白金（Platinum）在西班牙语里为“小块银”之意。

白金初被提取出来，并未受到重视。直至18世纪，人们才在铸造金币之时加入少量白金，从而使金币的质量增加。在那个时代，依照记录，此为白金的唯一用途。直至19世纪，俄国才开始铸造白金金币。

截至17世纪，被人们提炼利用的元素已经达到13种。但是，并无任何与它们的发现年代以及发现者有关的记载。锌正是这13种元素之一。

直至此时，研究才逐渐沾染了现代气息。人们在对自然、化学以及元素进行研究时，只要获得了新的发现，一定会记录下来，公开地发表。

实际上，古希腊人甚至创建了与今天的原子理论存在一定相似性的理论。遗憾的是，他们仅局限于理论与思考，却并不注重实践。•磷、钴、镍

磷，英文名为Phosphorum，源自于希腊文“闪闪发光之物”。

磷的发现者为一名德国商人Brarf，在有记载的元素发现者中，他是头一个。他除了商人的身份外，还是一个炼金术士，他为了获得“哲学家的石头”，进行了一个好笑的实验。他加热尿液，使其蒸干后，获取了一种在黑暗里闪闪发光的东西，这就是所谓的磷。不过，当时的人并不明白这是一种元素，Brarf仅以此来糊弄自己朋友，并用它赚了一些钱。

在1737年，钴被发现了。14年之后，也就是1751年，人们又发现了镍。那个时候的人们将钴与镍的矿石误认为了铜矿石，但是由于始终无法将铜提炼出来，人们便怀疑此类矿石被魔鬼附身，因此将它们称作Cobalf（恶魔）、“Coontel Nichel（恶魔之铜）”。直到现在这些名字仍被沿用。•气体的研究

很快，氢气被发现了。

获取氢是一件十分容易的事情。将金属置于酸溶液，特别是氯酸溶液之中，立刻便会出现许多气泡，这即为氢气。但是，在那个时候人们并未认识到气泡里的气体同其他气体的区别。

第一个对氢气进行研究的人为Cavendish。早在1766年，他就认识到了氢的化学性质。随后，他把氢叫做“水的制造者”，Hydrogenium（氢）。原因是这种气体燃烧之后便可以生成水。

及至1770年，研究空气的人开始变得越来越多，他们希望研究出空气中所含有的成分。罗得福特（Daniel Rutherford）经过研究认识到：不论是物质燃烧还是生物呼吸均会消耗一定量的空气。他在盛有水的盘子里放入一根点燃的蜡烛，又扣上一个玻璃罩，时隔不久，蜡烛便会自行熄灭。原因何在呢？这是由于蜡烛燃烧将玻璃罩中的部分空气消耗了，那么空气就减少了，氧气不足；同时盘子里的水面也会略微上升。倘若拿老鼠替代蜡烛，在将仅有的部分空气消耗掉之后，老鼠便会窒息而亡。

罗得福特经过研究发现，当蜡烛熄灭或者老鼠窒息而亡之后，玻璃罩内的空气也会随之改变：不管是什么物质在此种空气中均无法燃烧，不管是什么生物在此种空气里均没有办法生存。因此，此种空气已经不再是普通的空气在密封的容器内点燃蜡烛，里面的氧消耗掉之后蜡烛会熄灭了。

基于上述原因，罗得福特成了世人公认的氮的发现者。

在那个时候，像这样研究空气的人非常多，比如说cavendish、Priesfley以及Scheele等。不过仅仅有罗得福特将氮准确地记载下来。

除了氮，空气中的另一成分——“氧”也被许多人关注。其中，Priesfley把氧化汞的红色粉末置于玻璃瓶里，并借助放大镜使太阳光聚焦于瓶中，令瓶里的红色粉末受热燃烧。他认识到通过此种方法制造出的气体极易令物质着火、燃烧。Priesfley因此发现了氧。

实际上，在Priesfley之前，瑞典的化学家Scheele曾经进行过相同的实验，不过他发表的时间却晚了Priesfley一步。

在那个时候，除上述即为化学家之外，还有一位贡献卓著的法国的化学家，拉瓦锡（Lavoisior）。当时，他正致力于对燃烧现象的研究。他在研究中发现，将与镁性质相似的金属燃烧之后，其质量可以增加，这是因为在燃烧时，镁同氧结合，所以其增加的质量即为发生反应所需要的氧的质量。

截至1770年，被人们所探知的化学元素已达20种左右了。

5. 元素周期表

自1770年到1795年二十余年的时间里，人们发现的化学元素一共有11种，分别为氯元素（Cl）、铀元素（U）、锰元素（Mn）、钛元素（Ti）、钼元素（Mo）、钇元素（Y）、碲元素（Te）、铬元素（Cr）、钨元素（w）、铍元素（Be）、锆元素（Zr）。与此同时，意大利的一位名叫伏特的物理学家发明了电池。

在19世纪初，英国的化学家Davy进行了一个好笑的实验，即借助巨大的电池以电解苛性钾。尽管在那个时候人们均认识苛性钾这种物质，不过对其组成元素并不清楚。Davy加热苛性钾，使其融化，接着接通电池，最终在电池的一极分离出了一种新的金属元素。

然后，Davy又把实验扩大到其他物质上。他利用电解苛性钠的方法还获取了另外一种新的金属元素——钠。正是由于这两个实验，于是Davy成为了记载中的钠与钾的发现者。

在1800至1870年间，化学发展迅猛，因为全世界的科学家均致力于新元素的发现，所以在此期间，被人类发现的新化学元素的种类急剧增加，差不多是过去的2倍。

以下均为此时期所发现的新元素，其排列次序是根据各元素发现的顺序确定的。

钒元素、铌元素、钽元素、铈元素、钯元素、铑元素、铱元素、锇元素、钾元素、钠元素、硼元素、镁元素、钙元素、锶元素、钡元素、碘元素、锂元素、镉元素、硒元素、硅元素、溴元素、铝元素、钍元素、镧元素、铒元素、铽元素、钌元素、铯元素、铊元素、铷元素、铟元素、氦元素。

由于在那个时候并未有人猜测到上述元素之间存在一定的联系，所以并未出现今日的元素周期表。不然的话，上述元素的排列次数则应该如下图所示了。•分类元素的尝试

及至1817年，人们发现的化学元素已经有50余种。尽管数量颇多，不过人们仍然不清楚各种元素之间的差异和关系，也无人对元素进行系统地归类整理。不过，正是此时，科学家们开始逐渐有意识地去探究元素与化合物之间的差异。

由于被发现的化学元素数量的日益增多，科学家们认为把其归类总结十分有必要。由于当时的人们怀疑原子量大概是异种元素之间存在联系的关键，所以科学家们依照此猜想开始了对化学元素的归类整理。

在1892年，化学家提培莱那首次提出三组元素的概念。倘若把性质相似的元素自上而下地排成一列，则中间元素的原子量恰巧为其上下元素原子量的平均数。譬如说，把锂、钠、钾自上而下排成一列，则钠元素的原子量刚好为锂元素与钾元素原子量的平均数。不仅如此，钠元素的化学性质也介于锂、钾之间。所以，提培莱那被认定为人类历史上首个发现部分元素之间存在关联性的化学家。

此后的25年中，其他的化学家也逐渐地发现了四、五对具备此种关联性的三组元素。可以说，这一发现对后世元素周期表的编制奠定了最为重要的基础。

1862年，法国的科学家乡克尔都瓦依据原子量的顺序把元素排列成螺旋状。具备相似性质的元素排于一列，相近元素的原子量之差为16。他观察到，元素之间的关联性与整数之间的关联性颇具相似性。

在1864年，英国的一位科学家Newlands创制了一种把元素分成7类的排序方法，即倍音定律。他令氢元素、锂元素、铍元素、硼元素、碳元素、氮元素、氧元素这7种元素排于7列元素的第一层，其他元素依据原子量的顺序分别位于7种元素之下，结果发现具备相似性质的元素均集中于一处。倍音定律为后世门捷列夫元素周期表的编制提供了巨大的帮助。•元素周期表的创制

在1869年，闻名于世的俄国化学家门捷列夫与德国的化学家Meyer在对化学元素进行研究归纳的过程中，发现元素间具备着某种特定规律，并简单地说明了元素周期表的基本原理。依照这一原理，上述问题则很容易解释了。

起初，他们仅仅是依据原子量的顺序来对已知的元素进行排列整理。由于氢无法与其他的元素有效配合，因此他们只得暂时跳过氢元素，先从锂与铍开始排列。结果他们发现具备相似化学性质的元素均排于一列。不过在他们依据此规律向下排列的过程中，却碰到了难题，因为有几组元素没有办法依据上述的规律排列。

与此同时，门捷列夫观察到，倘若具备相同性质的元素排于同列，则元素周期表上必定会出现几个位置的空缺。尽管那个时候的元素周期表与现在的元素周期表有众多不同之处，不过此为门捷列夫为我们留下的极其珍贵的财富，他认为这些空缺代表着尚未被我们发现的元素。

如此一来，门捷列夫更为大胆地推测了那些未知元素的物理性质与化学性质。譬如说，他推测存在3种化学性质与硼、铝、硅元素相似的元素，由于当时尚未发现相关的元素，所以暂时将其称作拟

硼、拟铝与拟硅。之后，镓（拟硼）、钪（拟铝）、锗（拟硅）三种元素的发现，一一印证了门捷列夫的预言。以前从未有任何人可以如同门捷列夫一般，预测某些特定的未知元素的存在，更何况，门捷列夫的部分预言在他在世期间即得以印证。由于这些事件的存在，门捷列夫元素周期表排列法的价值与效能就获得了人们的认可。•元素周期表的改良

过去人们排列元素时一直依据元素的原子量，不过之后才发现依据原子序数进行排列才更具正确性。元素的原子序数即为原子核中的正电荷数。普通情况下，元素的电荷数与原子量成正比例。不过存在着特殊情况，如钴与镍的电荷数与原子量则不成正比例。

原子包括原子核以及核外电子，元素的正电荷是原子核中质子所带的电荷，相应地，核外电子带有相等的负电荷。原子核的体积极小，却占据了元素质量的绝大部分，因此原子核体积小，密度大。1911年，国的罗得福特发现了原子的构造。时隔2年，丹麦的物理学家Bohr便绘制出了具体的原子核构造图以及核外电子的运行轨道。

6. 借助光谱仪采集元素的“指纹”特征

棱镜或者光栅是光谱仪最为重要的零件，光栅是棱镜依据一定的规律排列而成，但是只有在显微镜下才可以看到。光一旦透过棱镜或光栅则会自动改变之前的行进方向，发生折射现象。折射的角度大小与光波的长短有关。太阳光是七种不同颜色的光混合而成。倘若利用太阳光进行实验，则其透过棱镜之后，会在屏幕上呈现出红橙黄绿青蓝紫七种颜色的光谱。白色光由光谱仪分散造成由红至紫一连串的光谱

在七色光之中，红光位于光谱的最上层，往后依次为橙黄绿青蓝紫，这说明，红光的折射率最小，而紫色的折射率最高。这也就解释了为何一般情况下，彩虹的最上层都为红色。我们知道，碳的光谱是红橙黄绿青蓝紫七种颜色，倘若以碳的弧光灯来充当光源，那用于光谱仪的弧光灯么，照出来的光又会是何种颜色呢？没错，答案就是白色。钠的吸收光谱分光装置，光由左端的弧光灯出来通过透镜、间隙、透镜、光栅（四角形的）被分散，照在右端银幕上形成光谱

炭弧光灯由两部分组成，分别为带有小孔的金属铁盒以及炭条。两根炭条距离很近，直径都是1厘米。一根炭条平着插到左边，另外一根炭条则竖立于下方朝上的位置。两根炭条的顶部都在金属盖盒中，二者相对，之间仅余很小的空间，差不多就要挨上。深红色的玻璃装在金属铁盒的窗口上。可以从这个窗口里看到两根炭条的顶部。而弧光正是朝着右面发出的。

弧光灯发出的弧光按顺序经过一个透镜、垂直的细长裂口，然后经过第二个透镜，便会遇到方形的光栅。光透过光栅则可以钠的光谱只有黄色线在右面的银幕上呈现出来，形成特定的光谱。

倘若弧光灯内两根炭条之间的电流十分强大，两根炭条中间则会发出耀眼的光芒，即所谓的弧光。这是由于接通电流之后的含有钠的玻璃会从白色光中除去黄色光炭条会释放出热量，热量与电流刺激碳原子。碳原子在二者的激发之下，则会发出碳特有的耀眼的光。

假使在接通电源之前在炭条的顶部涂抹上其他种类的元素，那么，该元素会与碳同时放出自身独特的光线。譬如说，在炭条的顶部涂抹上一种钠的溶液，那么，弧光灯的光谱即为钠与碳的光谱的重合。将碳的光谱色去除，则可以显示出钠的光谱色。碳的光谱上各种颜色都比较均匀，但钠的光谱上黄色特别明显。如照片所示，不难发现光谱里，黄光部分尤为显著。碳的光谱及钠和钙的光谱

在日常生活中，对某种元素的特定光谱加以利用，则可以发挥巨大的效用。如钠元素的光经白色或黄色的物质反射，黄色则可加强。根据这一原理人类制造了钠黄色灯——即高速公路两旁的路灯。

不过倘若为钠灯配一个红色的灯罩，那么发出的灯光则会是深茶色。

这是由于钠光里并无红色系统的光，所以，黄色的钠光穿透红色的灯罩即显现出深茶色。

倘若我们在炭条的顶部涂抹上镁元素，那么，光谱上便可显现出镁独特的光谱颜色。倘若直接令钠光穿透光栅，那么，屏幕上仅会显示出一条非常细的黄色光线，并无其他颜色。•吸收光谱

实际上，除上文提及的发光光谱外，另有一种吸光光谱。化学元素普遍具备吸收与它自身相同之物所发出的光的特性。譬如说，钠自身能够放出黄色光，那么，它就能够吸收与自身发出的黄色光波长相等的黄色光。倘若把含有钠的玻璃置于弧光灯前，钠元素即可吸收弧光里与之波长相等的黄色光。所以光在穿透玻璃之时，黄光便被吸收。所以穿透光栅之后，并无黄色光的存在，经过钠吸收的光谱里，之前黄色光线的位置变为了暗线。

吸收光谱是什么呢？倘若将一面含有钠的玻璃置于弧光灯与棱镜之间，则钠的光谱即可被吸收，屏幕上所显示光谱是自碳的光谱里除去钠的光谱的剩余光谱，这就是吸收光谱。借助吸收光谱不但能够识别已知元素，还能够用来探知未知的元素。氢原子吸收光后，它的电子会移到外层的轨道（上图），当它回到原来的轨道时会放出光

其一，光谱仪与距离并无关联，它能够根据太阳或某个恒星发出的光来辨别判断其中的组成元素；其二，光谱仪十分灵敏，哪怕化学元素的含量极其微小，也能够借助光谱仪准确分辨。譬如说，哪怕仅仅存在十亿分之一克的钠元素，也能够被光谱仪识别出来。

那么，原子到底是如何吸收并放出光的呢？

实际上，原子吸收以及放出光均同原子核之外的电子排列有关。当原子吸收光线之时，电子则会脱离原有轨道。当原子放出光线之时，电子便会再次返回原有轨道。原子正是因为电子轨道的变换来吸收光线与放出光线的。•门捷列夫预言的实现我们在前文中提到过门捷列夫的预言，他曾推测在元素周期表的3个空缺位置存在着3种未知元素：拟硼、拟铝、拟硅。倘若该预言得以证实，那么，门捷列夫的元素周期表便可获得大家的认可。在门捷列夫做出此推测的五六年之后，也就是1875年，化学家波瓦布都兰在对锌矿石进行研究时，通过光谱仪自锌矿石里探知了一种新的元素，他进行了多次研究实验并最终认定此种元素即为门捷列夫预言中的拟铝。于是他将该门捷列夫元素称作镓（Gallium），源自于他的祖国古罗马的名字Galliain。镓与锌的化学性质十分相似，元素周期表里，镓的位置处于锌的右侧。这说明，尽管元素具备了相似的性质，也不一定都位于同列，部分性质相似的元素则处于同一横行的相邻位置，譬如镓与锌。

随后，瑞典的化学家Nilsson又于在1879年发现了拟硼——钪；及至在1886年，德国的化学家winkler又发现了拟硅——锗。此时，门捷列夫预言中的3种元素均得以证实。这些事件充分印证了门捷列夫的预言以及元素周期表的正确性。门捷列夫的确十分幸运，他所预言的3种元素在他尚在人世之时即均被证实了。

时隔半个世纪，第101号元素于加州大学的放射线研究所中被发现了，人们把此元素命名为钔（Merdelevium），以此来纪念这位对化学事业的发展做出了杰出贡献的化学家。•氦的发现

在1868年，法国的一位名为詹桑的科学家在借助光谱仪辨别日食彩层发出的光时观察到，光谱中显示着3条黄线，其中2条迅速被确定为钠的独特光线，但是第三条却是任何人之前从未见到的，不过能够肯定的是，它的确是一种元素的独特光线。在太阳光谱中发现的氦的光谱线（箭头）

随后，通过研究，大家认定此种元素为太阳的某种特有元素，且将它称作氦（Helium）。直到1895年，人们才明白氦并非太阳的独特元素，就在地球上也有大量氦的存在。•探求稀有气体元素

继1868年氦元素发现后，时隔几十年，大家才惊讶地察觉到在门捷列夫的元素周期表里竟然并无氦元素的位置存在。

在19世纪80年代，英国剑桥大学的一位名为Rayleigh的物理教授在对氮气的浓度进行研究时观察到了某些奇怪的现象。他观察到，经氨气获取的氮气要比自空气里获取的氮气的密度小0.5％。由于区别十分微小，大多数人并未过多注意，不过科学的严谨性仍旧促使化学家Ramsay继续进行研究。

由于空气并非仅由氧气与氮气构成，Ramsay从一定量的空气里将氧气与氮气抽出之后，容器里仍旧存在着部分气体。他借助光谱仪对这些气体发出的光谱进行辨别，惊异地发现光谱仪中的线并非任何的已知元素发出的光线。不过，十分怪异的是，此时的元素周期表上并未存在这些元素的位置。

及至1894年的某一天，Ramsay恍然大悟，忽然想到元素周期表或许仍然缺少一列。正是这灵光一现，极大地促进了元素周期表的完善。在门捷列夫时代，由于并未发现稀有气体元素，所以，创制元素周期表之时就自然地遗漏了这一列，因此一代化学巨擘万万没有想到元素周期表竟然缺少一列。

下图即为此时新发现的稀有气体元素在现代的元素周期表上的位置。

由于发现的这类稀有气体元素几乎没有任何化学活性，与其他任何物质进行化学反应的情况极少，因此Ramsay就将此种新发现的元素称作氩（Argonium），源自于希腊语，取用“懒情的人”之意。

1895年，Ramsav在对一种矿石进行研究的时候发现了氦元素的存在。他在对一种名为克列布的矿石高温加热之时，观察到逸出了气体。通过分析该种气体的光谱，他发现其与数年之前探知的氦元素的光谱是相同的，所以，他将此种元素认定为氦元素。随后，他继续与助手特拉巴史对空气进行研究，时隔不久，就自空气里将氦气分离出来。仔细研究氦元素与氩元素之后，他们更加确信，地球上的确存在着同氦、氩相似的气体。

我们一般采用分馏的方法对液态空气或者原油进行分离提取。液态空气里的各种元素的沸点均有差异，所以，加热液态空气使其沸腾，进而将某种元素分离的方法即为分馏。譬如说，液态空气里的氮气的沸点低于氧气的沸点，倘若采用分馏的方法，则氮气分离的速度要比氧气快。

Ramsay与他的助手正是采用了分馏的方法分离液态空气。就像氩气的发现一样，他们二人再度借助光谱仪分析这些元素放出的光，观察是否分离出了新的元素。终于，他们再次探知到了氖（Neo）、氪（Krypfon）、氙（Xenon）3种稀有气体元素。氦、氖、氩、氪、氚此类稀有气体元素又叫做稀有气体或惰性气体。

最后一种稀有气体在1900年的时候被科学家特伦发现。他把此

种元素称作氡（Radon）。特伦确信氡为稀有气体元素的最后一种，又因为它具有放射性，所以氡同样也是稀有气体元素里最重的一种。氡元素是在铀发射射线之时所产生的一种气体。•稀有气体的应用

稀有气体的应用的范围非常广泛，在大多数情况下，人们主要利用稀有气体几乎没有任何化学活性的特质。氦的质量只比氢大，为目前所知的第二轻的元素，因此氦气一般被应用于飞船上。英德战争中，德国的zeppelin飞船在空袭英国之时，总是被英国发射的火弹击中，但是并未发生爆炸，仍旧安然无事，这令英国人百思不得其解。实际上，这是由于氦气不会燃烧，因此飞船能够继续行驶。

过去潜水员在水里呼吸的气体为氧气与氮气的混合气体，但是如今氮气却被氦气取替了。这是由于氮气能够与血液相溶，当潜水员又深水中突然浮到水面时，因为压力骤减，溶在血液里的氮气就会成为气泡蒸发，进而堵塞血管，形成潜水病。但是氦气不同，它不能溶于血液，自然不会导致此类潜水病。

氩气能够用于金属焊接，我们日常生活中听说的氩弧焊即利用了氩气的化学活性极低的特征。由于氩气几乎不与其他元素发生反应，因此焊接金属之时可以用来隔绝空气从而防止金属因为氧化而燃烧或者生锈。除此之外，盖氏计数管以及节能灯中也利用了氩气。

氩、氖，以及部分其他的稀有气体均为霓虹灯的基本成分。霓虹灯的制作一般来说就是将荧光物质涂于玻璃灯管的内部，从而显示出所需要的各种颜色。接着将适量的稀有气体混合物充入灯管中，接通电源令其放电，如此一来便可以发出五颜六色的光了。•稀有气体之所以不发生化学反应的原因稀有气体均具有极低的化学活性，并且均非常轻。一般情况下，它们几乎不与其他元素化合或发生化学反应。究竟为何会如此呢？实际上这是它们的电子结构决定的。以氖为例，氖在元素周期表上位于第十，核外电子数为10。氖的原子结构氖的原子模型以与其核外电子的排列分布如图所示。第一层轨道上的电子数为2，第二层轨道上的电子数为8，两曾电子轨道上均无空位的存在。所以，它既无令其他电子进来的空位，也无电子能够脱离原本的电子轨道。

钠原子的核外电子数为11，分布于3个电子轨道上。第一层轨道上的电子数为2，第二层轨道上的电子数为8，第三层轨道上的电子数为1。正是由于第三层轨道上仅有1个电子，因此钠的活性非常强。钠为一种十分危险的化学元素，需要格外小心。

氟比氖少一个电子，第二层轨道上的电子数为7，如此便存在一个能够供其他原子的电子进入的空缺。所以，氟为了保持稳定，迫切地需要一个额外的电子来填补它本身的空缺。所以，氟的性质与钠相似，均具有非常强的活性。•元素周期表的终结

在镓、钪、锗以及钇、钐、钬、铥、镨、钕、钆、镝这8种稀土类元素陆续被人类发现之后，钋与镭元素又在1898年被发现，次年锕元素被发现，1901年铕元素被发现，1907年镥元素被发现，1917年镤元素被发现。我们称镧与其他14种稀土类元素为镧系元素，在元素周期表上位于钡与铪之间。方便起见，我们单独把镧系元素在元素周期表的下方列为一行。

锕与锕系元素，钍、铀等位于镧系元素之下的另外一横行。每一种锕系元素均与锕的性质类似，不仅如此，每一种锕系元素均类似于位于自己上方的镧系元素。

在1923年铪元素的发现与1925年铼元素的发现之后，至铀为止的元素周期表大体上已经完成了，仅仅剩余4个空位。

元素周期表中的每一横行是一个周期。第一周期中包括2种元素；第二周期与第三周期均包括8种元素；第四周期与第五周期各包括18种元素；第六周期则包括14种镧系元素在内的32种元素；第七周期的元素此时尚未完全发现，依据理论，第七周期的元素数应当与第六周期相等，均为32种，除已知的14种锕系元素外，仍有18种元素未被探知。这正是对1925年元素周期表的进一步完善与扩展。

在元素周期表上位于同列的化学元素的化学性质均十分类似。譬如说，最左列均为碱金属，而最右列则均为稀有气体，右数第二列则均为卤族元素。

7. 元素的利用

及至1925年，人类发现的化学元素已达88种，均为天然元素。这些化学元素普遍存在于空气、水以及土壤当中，被人类广泛地提取利用来制造装饰材料、建筑材料、卫星、火箭等。

此时的元素大概能够分成3类：其一为自然界中以单质形式存在的化学元素；其二为需要由矿石里提取炼制的化学元素；其三为自然界中以化合物的形态存在的化学元素。第三种元素能够被我们直接利用，无需将其分离。•单质，即单独存在的元素

自然界中，部分元素是以单质形式存在的，此类元素不与其他元素发生化学反应，譬如氧气、氮气与稀有气体元素等。它们在自然界里均能够单独存在。除此之外，金属元素如金、银、铜等在自然界中也能够以单质形式存在。

不过自然界中的大多数元素仍旧是混合存在的。其中的部分元素我们能够采用简单的方法把其分离，另外一些元素的分离则较为困难。譬如说，仅一个磁铁就能够把铁与硫黄分开。在20世纪颇为盛行的淘金，即是由于金与其他物质的密度不同，自河底的沙层里将黄金分离出来。

空气这种混合物，与我们关系最为密切，同时也是最为重要的自由元素的混合物。空气里氮气的成分大概在4/5左右，剩余的1/5则是氧气，此外仍有少量的稀有气体。上文提及的分馏，即是利用了各种元素的沸点不同的特征，采取分离液态空气的方法把各元素分离出来。•由矿石里提取炼制的化学元素

除以单质形式存在的化学元素之外，另有一大部分元素均以矿石的形态埋藏于地下。总的来说，自然界中的矿石不是含有氧元素，如铁矿石和铝矿石等，就是含有硫元素，如方铅矿和辰砂等。方铅矿（PbS）还有一个铅原子与一个硫原子。而辉银矿（AgS）则含有两2个银原子与一个硫原子。

有些以矿石的形态存在的元素仅需要采用简单的方法就能够令其分离，还有一些却较难分离。

自氧化汞矿石里分离出汞元素所采用的方法是十分简单的。只要加热置于蒸馏器内的氧化汞则十分容易把汞从其中分离出来。加热氧化汞之后，分子内的汞原子与氧原子则会自行分开。不仅汞原子会自动凝结为水银，而且每两个氧原子也可自动聚集结合成为氧气进入空气里。

不过要自氧化铅里将铅元素分离出来则麻烦许多。氧原子与铅原子的结合比氧原子与汞原子的结合稳定得多，单纯采用加热的方法绝对无法把其分离。一般情况下，我们是借助炭来分离氧化铅的铅元素，由于炭比铅更易于与氧原子结合，我们正是利用了这一特性成功地把铅还原为单质铅。•铁和钢铁在重金属中价格最为便宜、储量最为丰富、功能最为重要，不过相对而言，铁元素的分离也更为困难。放眼整个人类的发展史，铁对于人类起到了至关重要的作用。我们懂得令生铁迅速冷却以使其更为坚硬，也能够令它缓慢冷却从而更具有弹性与韧性，而且能够在铁的硬度与弹性之间十分方便地转化。铁元素极易与氧气发生反应，因此要将其单独分离出来并不容易。铁质的器物极其容易氧化生锈，因此如今很多的铁制品上均涂有防腐剂。铁矿石里绝大多数为赤铁矿（FeO）与磁铁矿23熔矿炉纵剖面图（FeO）。赤铁矿是由2个铁原子与3个34氧原子构成的，磁铁矿则是由3个铁原子与4个氧原子构成的。依据其分子构成我们也能够发现铁元素的确非常容易被氧化。

由于铁原子与氧原子的结合十分容易，所以分离铁比分离铅要复杂得多。铁矿石中除了含有铁元素的化合物外，仍含有其他的杂质，因此通常均要以熔矿炉来炼制铁。尽管拿高炉炼铁的方法较为原始，不过这种方法在炼铁的方法里却是效率最高的。

高炉形如烟囱，上细下粗，高度大概有20米左右。炼铁之时，将铁矿石、焦炭以及石灰石装满高炉。热风持续不断地从烟囱下面吹进，令焦炭燃烧。如此一来通常会生成一氧化碳，然后一氧化碳再将铁矿石里的铁还原为单质铁。石灰石因为受热生成的生石灰与铁矿石里剩余的无用矿物以及焦炭燃烧之后的灰混合于一处即为矿渣，自高炉底部排出。

仍有4％左右的碳混杂在以液体形态存在的液体铁里，堆积于矿渣之上。采用此种方法通过高炉炼制的铁即为大家一般所称的铸铁。发生的化学反应是一氧化碳将铁矿石里的氧原子夺走，从而变为二氧化碳，铁因为失去氧原子从而还原为单质铁。

如果希望炼制出纯度较高的铁则需要经过各种加工工艺。譬如说，使用平炉即能够将铸铁里的碳含量由原来的4％降至0.5％上下。炼制过程是把铸铁在平炉里熔化，通过燃烧的方法去除铸铁里混杂的碳。通过此种方法制造出来的铁就是钢铁。照片里的铁正是通过容量是275吨的平炉炼制的钢铁。碳含量的大小从平炉流出来的钢铁决定了钢铁的性质。碳含量越高，则铁越硬，韧性也就越差，所以拿铁锤使劲敲打铸铁则会使其破碎；假如碳的含量越低，那么铁的柔韧性就提高了，不过硬度也会下降。

倘若希望改良铁的性质，可以将某种特定的元素加入钢铁之中。比方说，假如镍与铬，钢铁则可以变为不锈钢；而加入钼、钒、钨、钴、钛或是其他元素，相应地就能够改善钢的硬度、强度和磁性等性质。•铝的电解

若要将铝自铝矿石里分离出来比铁自矿石里分离出来更为复杂。单纯地采用加热以及碳的还原已经无法分离铝元素了，因此，必须考虑其他方法——电解。

我们把适量的电解质加入到熔化后的铝矿石中，接着将碳棒作为阳极，铁作为阴极，接通电流。如此一来，氧原子便可以与阳极的碳发生反应，那么金属铝则可以在阴极的铁表面分离出来。铜的电镀实验通过电解方法制造出来的金属铝就能够直接利用了，若要改良它的性质也可以加入适量的其他元素。

铜与铝的分离过程十分类似，均要通过电解的方法才可还原。不过氧化铝矿石的电解过程过于复杂，相对而言，铜的分离更简单一些。所以接下来以铜为例来讲述其基本原理。

在硫化铜的溶液里接通电流，把镀铜的其他金属当做阳极，把白金小片当做阴极。接着接通电流，就会发现大量的金属铜于白金小片的阴极上被分离出来。这是由于接通电流之后，阳极的铜会一直在溶液里溶解，并持续朝着阴极移动，这和铝矿石电解过程中铝朝着阴极铁棒移动的道理是相同的。

如今我们经常在某些物质上镀一层极薄的金属，所采用的方法正是如此，这种方法即为电镀。•元素与工业

元素与人类相似，并非在地球上均匀分布。元素通常在各种矿石里存在，而矿石一般则集中地分布于地球的某处。这就决定了世界工业的分布格局，从而对人类历史的发展产生了极为重要的影响。

生产铁与钢，则需要大量的焦炭，所以，通常是将铁矿石自产地运输至石炭分布的密集区域。譬如说，北美Michigan的铁矿石通常是被输送至南方的石炭密集区。如今Labrador的铁矿石即需要沿着Saint LawFence河顺流而上，直至送往高炉里炼制。

对铝等需要电解分离的矿石的精炼，颇为注重厂址的选择，通常会选择矿石资源丰富而且电力资源充足之地作为炼铝厂。

正是由于匹兹堡附近的石炭矿脉十分丰富，因此匹兹堡与Essen以及Newcastle一般成为了大工业中心。这说明，早在几百万年前或者几亿年前就已经在地球上定型的元素分布在某种程度上已经对人类历史的发展造成了严重影响。•自然界中以化合物的形态存在的化学元素

此类元素无需进行特别的加工，仅需对其形态稍作改变就能够加以利用。有机化学，即为碳化合物的化学，均含有碳元素即为其普遍特征，它即为利用此种状态的元素部门。其中最具典型意义、最为现代人知晓的例子即为自原油里分离出各种物质并加以利用。

与石油化学相关的问题，我们有请举世闻名的化学家Calvin来为我们解释一二。Calvin任职于劳伦斯射线研究所生物有机化学部，并担任部长一职，与此同时他也是柏克莱加州大学的化学教授。他在光合成化学方面成就卓著，贡献非凡，在1961年，他还赢得了诺贝尔化学奖。

8. 有机化合物

我主要为大家解决这个问题：倘若不对自然界里的化合物提取分离的话，怎样直接地利用其中的化学元素。我的主要研究对象为碳元素。碳元素在自然界里的主要存在形式为石油与石炭。

石油为碳氢化合物的混合物。自地下开采的原油，为一种颜色呈现黑色，带有略微的臭味的混合物。未经提炼加工的原油难以利用，须经蒸馏、裂解以及聚合等程序才可以利用。

若想了解加工的程序，首先应当对原油的分子进行初步的了解。•碳原子的结构与性质

由于原油为碳氢化合物的混合物，所以我们务必要对碳原子的结构有一定了解。碳原子的原子序数为6，原子核内的质子数为6，核外的电子数为6，分布于2个电子轨道上，第一层电子轨道上的电子数为2，第二层电子轨道上的电子数为4。若要原子较为稳定，则第二层电子轨道上的电子数应达到最大值8。但是，碳原子的第二层轨道上电子数仅为4，换句话说，此轨道上仍能够容纳4个电子。接下来我们要对有机化学里使用的碳原子模型做一个简单的介绍。模型是由1个球与伸出的4根线组成，4根线代表着4个可供其他原子与碳原子结合的电子数。碳原子与其他原子分别提供一个电子，以便双方共享。此种结合的方式成为“共价结合”，又叫“电子对结合”。我们以C来表示碳，C与4根支线表示碳的碳分子的模型结构。从化学反应的角度来看，由于碳的4个电子既能够失去，也能够夺取4个电子加入电子轨道，因此它的性质在金属与卤族元素之间。根据元素周期表，我们也能够看出，碳在元素周期表里的位置位于金属锂与卤族元素氟之间，这也就表明，它的性质在二者之间。•碳氢化合物的种类

因为碳的4个电子极易与其他原子结合，所以截至今天我们所探知的碳化合物已经多达50多万种，并且这些碳化合物均为生命物质的重要组成成分。

截至今天，人类所发现的碳氢化合物已有上千种，大多与动植物的生活联系十分密切。由于其与生命活动存在着诸多的紧密联系，所以我们把这些碳氢化合物归入有机化学的范畴。石油里存在着丰富的碳氢化合物。而天然气的主要构成成分甲烷（CH）即为石油中最为4常见、最为简单的碳氢化合物。1个碳原子与4个氢原子结合生成甲烷，故其中共有4个共价键。

倘若是2个碳原子与6个氢原子结合，则2个碳原子共用一对电子，形成一个共价键，然后每个碳原子继续同3个氢原子结合，从而生成乙烷（CH）。继续26增加碳原子与氢原子的数量，则可以生成丙烷（CH）。将此操作过程一直重复38下去，则可以生成分子链很长的碳氢化合物。

若碳原子共用两对电子，则形成2个简单的碳原子模型二度空间（上）和三度空间（下）共价键。譬如说，乙烯（CH）即是由224个碳原子分别提供2个电子共用，形成2个共价键，另外再和2个氢原子结合。实际上，双键的结合比单键的结合更加稳固。

若碳原子共用三对电子，则形成3个共价键，譬如乙炔（CH）。22•石油的提炼与裂解

作为碳氢化合物的混合物，原油即是由上述各分子组成的。一般来说，在原油中，碳原子的数量少则6个，多则数百个不等。我们一般使用分馏法来提炼石油，以便利用。

分馏法主要是利用各类分子具有不同的挥发程度，令各类分子分离。蒸馏器与塔非常相似，把原油放入蒸馏器的底部，加热则原油便开始挥发，在蒸馏器里上升。汽油最轻，因此凝结于最上层，且第一个离开蒸馏器，接着是其他各种中油、重油。

一般通常来说，我们能够直接利用轻的石油，像灯油与汽油可以直接作为燃料。而重的石油一般通常作为润滑油与脂膏等。倘若经过裂解，使长链的碳分子链断裂为短分子链的碳氢化合物，则能够直接加以利用。

那么裂解为何物呢？裂解即为把长分子的重油置于锅炉里施以高温高压，令长链的分子分开成为短链的分子，改变长链分子的原子排列。接着再放入蒸馏器进行蒸馏提纯，则能够直接加以利用。

通过裂解法裂解重油，一般通常会得到4个原子的异丁烷与异丁烯。异丁烯里存在一个双键。双键一旦有机会则会自行分开与其他的原子重新结合。满足了特定的条件，双键即可打开，异丁烯与异丁烷则会结合生成具有8个原子的辛烷分子。

我们日常所说的高辛烷值汽油的基本成分即为辛烷。•聚合与利用

我们在上文中提及的打开双键，并同其他原子重新结合的方法即为聚合。此种方法正是利用了双键结合的不稳定性，将双键打开并与其他原子重新结合。在特定的条件之下，我们能够把分子的双键打开并与其他存在双键的分子结合。如此一来就能够无限地把分子连接，分子则越变越大。此种物质即称作“聚合体”。

因此，聚合正是令多个相同类型的分子结合，进而组成与原分子物理性质相异的大分子链的分子。在我们的日常生活里，聚合现象非常普遍。譬如说，聚乙烯即经乙烯聚合而成的高分子的碳氢化合物；若以苯环代替聚乙烯中碳原子上的氢原子，则聚合生成的即为聚苯乙烯。

讲到此处，相信我们已经对有机化合物颇有了解了。人类现在已掌握了一系列的先进技术，能够自地下开采出多种化合物，并通过分馏、裂解、聚合等方式，从石油中提取出满足人类生产生活需要的各种物质。

第3章 原子核

在本章中，我们重点讲述各种化学元素之间的转化。它们的转化主要是依靠原子核反应而实现的。

上文所提及的矿石的分离、石油的提取均为化学反应。化学反应的实质即为改变原子的排列次序，同时能量也发生改变，如燃烧。

但是，原子核反应同化学反应完全是两种不同的现象。

所有元素的原子核均为质子与中子构成的。原子核反应即为原子核内粒子的排列方式发生变化，同时伴随着能量的改变。原子核反应能够令核内粒子的数量发生改变，如此一来，元素就可以成为它的同位素或是变为另外一种元素。

上文中曾提及，原子核占据了原子质量的99.9％，但是其体积却非常小，所以，原子核的密度极大。倘若整个原子的密度与原子核的密度相同，那么，一个高尔夫球大小的原子则会有数十吨重。因此我们也能够推测，质子与中子的中心部分的密度极有可能比原子核的密度还要大，所以，要令这么重的粒子紧密结合在一起必定需要极大的力量。这种力量即为核力。截至今日，我们仍旧无法确定此种力量是怎样产生的，不过我们能够估算出这种力的大概能量。譬如说，钚原子或者铀原子仅释放一小部分能量就可以导致原子弹爆炸或者导致原子炉发电。

那么相反地，倘若要将带电的粒子射到原子核内，必定也需要非常大的能量。如此一来，科学家在对原子核进行研究之时就陷入了困境，而对巨大能量的需要也直接地促进了回旋加速器与其他巨大粒子加速装置的发明。•劳伦斯射线研究所

加州大学的劳伦斯射线研究所即坐落在能够俯瞰整个旧金山湾的柏克莱山丘之上。研究所中具备各种现代的炼金器具。正是借助这些装置，科学家们才可以实现元素的转化，当然，这同样也是过去炼金术士们的追求。正在说明回旋加速器的劳伦斯

借助此类装置，科学家们不但成功地实现了化学元素之间的转换，而且连地球上并不存在的元素也制造出来了，甚至成功创制了全新的元素。

很多合成元素都是劳伦斯射线研究所造出的，同时经过了该研究所的确认。劳伦斯射线研究所也是产生人类和大自然之间此类新型关系的原动力研究所中的一个。劳伦斯射线研究所装备有质子加速器（Bevatron）、184英寸（1英寸=2.54厘米）回旋加速器（Cyclotron）等多种粒子加速装置，美国原子能委员会基础研究的重任也由它担负着。加州柏克莱的劳伦斯射线研究所

回旋加速器其实就是一种与合成元素的诞生有着密不可分关系的原子破坏设备。劳伦斯博士创建了柏克莱加州大学射线研究所，并担任该研究所所长达22年。他于1939年获得诺贝尔物理学奖，以表彰其发明了回旋加速器。下面我们就邀请已经退休的劳伦斯博士为我们讲解回旋加速器是怎么诞生的。

1. 怎样制造回旋加速器

阿尔法射线——实际上就是高速的氦原子核——是实验中最常用的一种粒子射线。1919年的时候，科学家罗德福特在记住阿尔法射线冲击氮元素之时，观察到氮元素可以直接转化成了氧元素。从此，科学家们就开始寻找可以让各种粒子射线高速运动的设备，以更好地研究原子核。

1920年的时候，第一座粒子加速设备建成，它利用了可提高电压及真空度的普通放电管，其实即为一个普通的真空管。两个电极分别安置在真空管的两端。两个电极之间有大约100万电子伏电位差。

这座粒子加速设备的原理是这样的：阿尔法粒子产生于正电极那一侧，然后粒子在电场力的作用下飞速地朝着负电极的方朝移动，在运动的过程中，粒子的速度会变得越来越大，可以量会越积累越高，最后的结果是阿尔法粒子跟负电极的原子直接相撞，从而发生原子核反应，使得负电极发射出射线。

不过，随着所需射线可以量的增加，它越来越不可以适应要求。因为这种加速器只可以把粒子的可以量加速到100万电子伏至200万电子伏，因此，如果希望得到数千万电子伏甚至数亿电子伏，仍需要考虑其他的办法。•回旋加速器的原理

我们知道荡秋千的时候，如果希望将秋千荡得很高存在两种办法：一种是一鼓作气，将秋千荡起，这必定需要提供足够大的力量；另一种则是每摇动一次就用一点力，使其逐渐升高，此类方法需要的力量就不用很大。上面提到的高电压加速设备运用的是第一种方法。那借助第二种方法来提高粒子能量是否可行呢？说明回旋加速器的机器模型两个口交相上上下下，使球不断下坡

回旋加速器的发明使这一愿望实现了。1929年的时候诞生了第一台回旋加速器，它是通过粒子在圆圈中飞动，只要回到出发点之时则从后面施加推力，使其逐渐加速。伦敦科学博物馆展览的ward博士制作的一个回旋加速器的模型可以说明加速器的用途。照片里即为回旋加速器模型的复制品。

我们称为“D”的两个半圆形电极在回旋加速器的中空管内。这两个电极的电位可以在正负极之间相互变换，从而使得电位变得时高时低。我们可以借助一个简单的例子来说明这个原理。倘若在模型中，电位的高低以两个半圆板的上下变换来表示的话（电极其实不会上下移动，只可以是微观的电位的变化），粒子则以铁球来表示，重力代替电场力来让铁球加速。加速之后的铁球代替粒子在回旋加速器内受到磁场的作用，在不接触内壁的前提下绕着模型的螺旋轨道加速转动。

加速器中心制造出的粒子的加速运动，自一个电极运动至另一个电极之后开始。如此一来铁球就沿着轨道方朝运动至另一个半圆板，这个时候，两个半圆板的上下位置就会变换，铁球在回来时又会进行下坡运动。这样的结果是，两个半圆板持续地变换位置，铁球持续地被加速。

粒子每运动一周，自身的运动可以量均会增加，运动半径也会逐渐增大，从而会逐渐朝外侧移动，最后就会冲撞最外面的靶心。靶心即为我们研究的发生原子核反应之地。由高周波电压产生的两个电极之间的电位差会配合电场里的粒子运动。粒子要经过两个电极好几百次的加速，才可以冲撞靶心发生原子反应。因此，最后得到的能量和一次最大加速电压的好几百倍差不多大。1930年的第一个回旋加速器•回旋加速器的发展这张照片即为制造于1930年的第一个回旋加速器。我们只是将其当做纪念，因为它没有磁铁，性可以及操作性一般。这个回旋加速器被放在一块磁铁中间，其两个电极是借助蜡黏于一处的。第二个模型与第一个模型差不多11英寸回旋加速器大，8英寸，性可以还可以，在实验中利用了好长时间。

技术的发展越来越迅猛，只有11英寸的机器被制造出来，它可以产生的电压高达100万电子伏。科学家们正是借助这个11英寸的回旋加速器实现了第一次的原子核衰变。后来27英寸与37英寸的回旋加速器又陆续出现。27英寸的加速器就可以产生的电压高达400万伏～500万伏。科学家们在27英寸加速器的帮助下，合成了大量新的放射性同位素。随后60英寸的回旋加速器被制造出来，它可以产生5000万伏的阿尔法粒子，直到今天我们仍旧在使用它。

之后184英寸的回旋加速器又被制造出来，在1957年的改造之后，它可以产生的粒子达7.2亿伏。这个回旋加速器现在还在发挥着作用，今后仍会持续发挥作用。

劳伦斯射线研究所内还拥有一个更大、更为先进的加速器——质子加速由上往下依次是：27英寸回旋器。它与上文提及的回旋加速器有着大加速器（站在旁边的是劳伦斯）、60英寸回旋加速器、180量共同点。Macmillan发明了质子加速英寸回旋加速器器。它名为“Bevatron”，其中的bev取自于10电子伏的英文的首字母。粒子的能量可以通过这个设备加速到62亿电子伏。

质子加速器是建在一座庞大的圆形建筑物内。它拥有一个直径达30米的磁铁，粒子就即在其中进行回转运动。它比制造于25年前的8英寸的加速器进步了相当多。

科技会怎样发展，回旋加速器会怎样发展，现在我们还无从得知。如今，在美国的BrookHeayen、L，ong Island，瑞士的Geneve等地，更大的回旋加速器正在建造中。我们完全有理由相信，1000亿电子伏的加速器在不久的将来即可成为现实。•元素的合成

科学家制造人工合成元素以及发现新元素的基本工具是回旋加速器。1925年的时候，科学家在探知到第88种天然元素之后，就已经开始人工合成元素的试探了。

截至今天，铀元素是天然元素中质量最大的元素，原子序数为92。1925年的时候，元素周期表里还存在着4个空白位置，这就说明依旧存在4种元素尚未被发现。它们的原子序数依次是43、61、85以及87。经过后世的验证，这四种元素分别是锝（Tc）、钷（Pm）、砹（At）、钫（Fr）这四种元素。有传言所其中的几种元素在1937年之前则已经被人类发现，不过人们很快就被纠正了这种说法。质子加速器

现在已经没有办法在地球上找到这4种元素，不过在50亿年前左右，地球诞生之初的时候它们就已经出现了。由于它们的原子核十分不稳定，在漫长的岁月内不停地放射衰变，直至最终消失，变成其他更加稳定的元素。如今我们还可以用人工合成的方法把这些元素制造出来。如果我们要解释元素的不稳定性、放射性以及元素的衰变等问题，解原子核的构造是其前提。

质子通常用圆圈内加加号表示，圆圈内的加号表示的是一个单位的正电荷。我们知道普通的氢原子只有一个质子。如果给氢原子一个不带电的中子，它则可变成重氢——氢的同位素。如果继续增加一个质子以及一个中子，那就成为了氦的原子核。如果接着增加一个中子以及一个质子，则可成为锂的原子核。这样继续增加质子和中子的数目，则可持续变成各种新的元素的原子核。

以银元素作为例子，它的一种同位素的原子核内存在质子47个以及中子60个，总共107个，因此其原子量是107。我们用下面这样一种记号来作为银的原子核代表符号：在其化学元素代号的左下方写上47，用来表示其原子序数，也就是质子数，在其化学元素代号的107右上方写上107，以表示其原子量，所以整个记号是Ag。47

如果银的原子核获得一个中子，那么，原子量则可增加1，成为108Ag，这是银元素的另一个同位素。这个具有放射性的同位素比银47元素稍微重一些。如果中子获得一个单位的正电荷，它则可变成质子，与此同时，还可以释放出一个电子。

如果质子数增加1，那么原子序数就变为48，从而，银原子则可变成镉原子。如果以中子（Neutron）的首字母n来代表中子，以电子（Electron）的首字母e来代表电子，那么，银原子变为镉原子的过程则可以用下面的公式表示：

这个实验非常简单，把银币放入装有镭和铍的原子破坏设备中，中子则可撞击银。如前所述，银原子在获得一个中子之后可以自动变成镉原子，与此同时，它会产生一定程度——可以令盖氏计数器发出声音——的放射能。在原子核受到某种撞击之时均可发生类似情况，只是原子的一部分会变换罢了。•空白的四元素

截至1925年的时候，元素周期表上仍旧存在着4个空位没有填补，这4种元素始终均未被人类所发现。后来这四种元素被证实为：锝元素（Tc）、钷元素（Pm）、砹元素（At）、钫元素（Fr）。其中锝元素、钷元素、砹元素均为运用同银元素变成镉元素相同的方法通过人工合成的元素。钫元素则是在锕元素阿尔法衰变，放出阿尔法射线的时候产生的，此类现象是很少出现的。

上文曾经提及阿尔法射线即为氦的原子核组成的射线，两个质子和两个中子构成了它。阿尔法衰变是放射可以的一种形态，指的是元素放出阿尔法射线并转变为其他元素的过程。

锕元素属于放射性元素的一种，其原子序数为89，原子量为227。锕元素阿尔法衰变为一种很少见的现象，巴黎居里研究所的培莉小姐发现了这种现象。这个过程是这样的：锕元素放出一个氦原子核，同时失去两个质子，因而变成原子序数为87的元素，在那个时候，由于此类元素并未被人类发现，因此培莉小姐即以自己国家的名字把其命名为钫（Fr）。

这个反应可以用以下公式表示：

从后面的反应方程中，我们可以更好地看出锕放出阿尔法粒子的情形。

用语言来描述这一过程是这样的：质子数是89、原子量是227的锕原子丧失两个质子和两个中子后，衰变成质子数是87、原子量是223的钫原子。钫的数量在地球非常少，而且它的寿命也非常短。钫元素的一种同位素是其中寿命最长的，但是其半衰期也只有短短的21分钟。我们所说的半衰期，指的是放射性同位素的原子的一半发生衰变成为其他元素所用的时间。

其他的3种元素均可以在回旋加速器或是原子炉里通过人工合成。•对合成元素的认识

制造元素不是很困难，困难的是元素制造出来之后如何确认的问题。锝元素、钷元素、砹元素、钫元素4种元素均为自十分微量的标本里分离、浓缩之后才被证实为新元素的。

我们以镭元素为例，如果它的量十分微小，微小到无法称量，也无法看见的程度，那么，要确认镭元素存在的方法存在以下两种：第一，利用放射可以Emirio Segire的检测确认其存在；第二，从与其具有相似性质的元素（比如位于镭上方的钡或锶等近亲元素）的溶液里分离出微量的镭元素，进一步确认其存在。原理是这样的：把它的一些近亲元素混合于溶液里，借助分析方法分离、抽取那些元素，这样的话，镭元素也会一并被抽取出来。科学家们即是借助此原理确认了对锝元素、钷元素、砹元素以及钫元素。

Segire在加州大学担任物理学教授的职位，他和他的同事培内伊发现了第一个被合成且确认的元素——锝元素。他因此在1959年的时候获得了诺贝尔物理学奖。

下面让我们听听Segire教授为我们讲述的锝元素是怎么发现的吧。

2. 锝的意思为人造

很久以前，我和Fermi在罗马共同研究放射可以，一起工作了大约有五六年的时间。1936年的时候，我离开罗马，搬到了Palermo，那里的实验条件非常简陋，无法和柏克莱那边的大研究室相比，但是我还是尽量去找一些可以做的研究课题。在此之前，我到柏克莱参观了那时用于研究重质子加速的37英寸回旋加速器，但是由于现在有更为先进的仪器了，它已经不再被使用了。在那时，我就带着一小片被重质子撞击过的钼回到了Palermo。

依据理论，用重质子撞击拥有42个质子的钼应该可以得到一种新元素——锝，其原子序数为43。重氢的原子核由一个质子和一个中子构成，当钼受到重质子撞击时，它会获得一个质子，变成锝元素，质子数为43。

其实，我们是这样认为的：铝得到一个质子之后，发生原子核反应，从而获得锝元素。但这只是一个假设，还并没有得到任何实验的证明。因此我们必须来证实这个假设。

我们采用的是最经常使用的追踪技术。即为先把遭受过重质子撞击的钼熔化，然后在溶液中加入某种元素作为追踪物质。因为锝在元素周期表中与铼和锰是排在同一列的，所以我们只要可以在溶液内找到一种和铼或锰相类似的物质，就应该可以证明锝的存在。在经过一系列的实验之后，我们最终在1937年发现并且证实了它是一种新元素。它与铼元素很类似，但是我们还是把她从铼元素中分离出来了。

我们把它命名为“锝”，是人造的意思。这也是最初的人造元素。这项工作可以顺利进展，我们必须非常感谢矿物学家培莉伊给我们提供的帮助。这项工作的强度，堪比矿山的矿工的工作强度，但这对于矿物学家来说已经是很平常的事情了。

1938年的时候，也被我和柏克莱的Seabarg博士又发现了锝的一种同位素，它的半衰期为20万年左右。同时，这种锝的同位素也被我和吴小姐在铀的核分裂生成物中发现了。•砹元素的发现

第二个发现的元素是砹。根据常理判断，用1936年小的回旋加速器是无法制造出砹的。由于在那时还无法制造出如此多的阿尔法粒子，所以必须需要更大的回旋加速器。

拥有83个质子的铋元素，如果可以获得2个质子，那它就可以变成拥有85个质子的砹元素了。它应该是借助高速的阿尔法粒子撞击铋元素得到的。实际上也正是如此，我们借助回旋加速器让阿尔法粒子加速，然后用经过加速的阿尔法粒子撞击铋原子核。如果顺利的话，那么，就会有两个质子进入铋的原子核，同时有两个中子被挤出原子核，这样则可得到砹原子。但是，这些还要通过化学方法加以确认。

砹的确认要比锝的确认轻松得多。砹和碘一样都非常容易升华。我们所说的升华，指的是物质从固态直接转化为气态的过程。借助砹的这个特点，我们把经过阿尔法粒子撞击过的铋加热，使其升华，就把砹分离出来了。当然，在1940年的时候，真正的实验却比这样描述的要复杂。

如果把碘放入容器中加热，碘则可逐渐升华，并在冷凝板上集中。这个方法也同样适用于砹。我们把经过阿尔法粒子撞击过的铋放入容器当中加热，砹则可升华出来。但是，与碘不同的是，砹是看不见的，只可以通过盖氏计数器检测它的放射可以，来证明它的确存在。

我们是依照卤族元素的各种性质给它们取名的。譬如说，氯元素为“绿色”的、溴元素是有“臭味”的、碘元素是“紫色”的。因为砹元素是无色无味的，而且不论通过什么方法，我们的肉眼都无法看得见，因此它的名字即为“不安定”的意思。证明它的存在的唯一方法是检测它的放射可以。

砹元素的化学性质与卤族元素非常类似，尤其是碘元素，在它被发现之前，它始终被称为“拟碘”。在生理学里砹元素与碘元素是一样的，均可聚集于人体或动物的甲状腺上。•钷元素的发现

元素周期表里空白之处的第四种元素为钷元素（Prometium），其原子序数为61。钷元素的名字源自于从神手中盗取天火，送福于人类的提旦族英雄普罗米修斯（Prometheus）的希腊神话。

科学家不是在回旋加速器中，而是在原子炉中发现的钷元素。Grendenin、Marinski、Collai，wed3位科学家在1945年在akRidge国立研究所在化学上确认了钷元素的存在。

钷元素属于“稀土类”，和镧系元素的化学性质非常相似。

在自然界中都是很难存在上文提及的4种元素，主要是因为它们具有放射性，非常容易发生衰变从而转变为其他元素。

单纯从实用的角度上来看，这4种化学元素基本没有什么实用价值。但是从对原子以及原子核构造的研究的作用上看，它们又是非常重要的。

3. 超铀元素

元素周期表中至铀前的所有空白被以上4种元素的发现及证实填补了。实际上，对于新物质的制造，这只是人类的第一步。在完成元素周期表以后，真正值得歌颂的是所获得的各种成果，世界也因此发生了巨大的变化。

铀元素的原子序数为92，在元素周期表上，位于铀元素之后的全部元素的原子序数均是大于92的，而且均是具有放射性的元素。地球上仅仅存在着其中的一两种元素，而且含量非常微小。其余的元素均只可以通过人工合成的方法才可以制造出来，在地球上根本不存在。

事实上，凡是比铋元素以及铅元素重的元素均是具有放射性的，并且它们始终处于衰变状态。因此我们完全有理由相信，具备放射性的氡元素、镭元素、锕元素、钍元素、镤元素以及铀元素均看在经过一段相当漫长的时间之后逐渐消失。到那个时候，铋元素以及铅元素会成为地球上最重的元素。但是，我们可以借助这些放射性的元素来对地球的年龄进行推测，根据测算，地球的年龄在50亿岁左右。

排在铀元素后面的元素，原子序数越大，则其稳定性越差。譬如说，94号钚元素的同位素239的半衰期为24000年，但是10l号的钔元素的半衰期只为短暂的30分钟。•超铀元素的探索

上文的元素周期表是在第二次世界大战之前完成的，在那时由于受到了国际局势的影响，科学家们正在尽力制造比铀元素重的元素。上文提及的4种元素的发现以及命名均比文章上所说的时间要晚，但是为了方便，同样把它们排列在表里了。

和如今没什么两样，位于钡元素以及铪元素之间的是镧及稀土类元素。而被认为分别与铪元素、钽元素、钨元素存在非常大的关系的钍元素、镤元素、铀元素则排在锕元素之后。所以排在铀元素之后的93号元素以及铼元素的化学Edwin M. McMillan性质应该非常相似。同样的道理，94号元素至100号元素在此元素周期表里的排列顺序也获得了认可。

1934年的时候，FeHni、Segre与同事们开始研究超铀元素。他们以中子为粒子流撞击铀元素，发现这一过程产生了大量的放射性物质。他们据此推断此类物质的化学性质应当比较接近194号以及196号化学元素的化学性质。

但是，经过后世的研究，尤其是Offo与Strasman在1938年的原子核分裂实验表明，Fermi与Segre实验所得的放射性物质其实只是碘元素、锡元素等元素的同位素。因此，Fermi和Segre当年的解释是不正确的。

1940年的时候，劳伦斯研究所所长McMillan与Eberson在借助中子撞击铀元素之时，从生成物里观察到并确认了第93号元素，这是第一次成功发现原子序数比铀元素大的元素的尝试。

McMillan也因为此次成功的尝试以及其他相关发现，在1951年的时候与Seaborg博士共同获得了诺贝尔化学奖。

接下来我们就有请McMilian博士来给我们讲述一下镎元素的发现过程吧。

4. 镎

关于超铀的故事，是从美国得知有关原子核分裂这个重大发现的消息的时候，就开始了。这个消息让全世界的科学家感到异常兴奋。每个人都在尝试着从一些简单的实验中发现有关的元素。•由核分裂生成物的测定发现

我想到的第一个实验即为测量原子在发生原子分裂时，所产生的碎片可以在物质中飞行多少距离。

我首先做的是把一层薄薄的氧化铀薄膜涂在纸上，然后把普通的香烟纸折成一本小书的形状，并把它放在氧化铀薄膜纸的下面。接着把它放到回旋加速器里去，以中子为粒子流去撞击它，使得铀原子发生核分裂，而每个碎片则可被冲击到香烟纸片的不同深度处。•镎元素的发现

然后要做的即为测量这个距离。我把纸张分开，借助盖氏计数管测量每张纸片放射能的大小。这个实验非常简单，每个人都可以想到，而我借助这个实验不仅得到了我所希望得到的结果，同时还得到了一个原大于实验本身所要得到的结果的意外发现。

这个意外的发现即为：第一张纸片上所带有的放射能的半衰期以及性质与下面几张纸片上所获得的不一致。

这说明了什么呢？核分裂的生成物全部都飞掉了，而那些特殊的放射可以又是从哪内来的呢？

我推测了一下，在实验的过程里可以发生的其他的状况。假设铀原子得到一个中子并没有发生核分裂（过去也存在过此类现象），而且纸上也没有发现过那种放射性铀元素。不过先前的假没因为并不知道放射能的存在所以被马上推翻了。我想，这很大程度上是一种新元素发出的放射能，并且这种元素即为铀衰变的产物。

最后我依据这个想法继续研究下去了，一定要探知是什么物质发射出来的未知放射能。我邀请了那时在卡内基研究所的朋友Eberson帮忙，在那个时候，他正好来柏克莱度假，结果这使得他的一个休闲的假期变成了一个辛苦的暑假。我们经过研究发现，此类化学元素的化学性质和那时任何一种已知元素都不同。它即为原子序数为93的元素镎。用银币大的玻璃瓶装的镎前面的照片显示的即为放在和银币大小差不多的玻璃瓶内的镎元素。

铀元素是第一个用行星的名字命名的元素，名字来自于天王星。镎元素即为第二个以行星名字命名的元素，名字来源于海王星。

镎元素的发现使得修改元素周期表的事情被提上了日程。在镎元素未被发现之时，化学家则推测93号元素是存在的。根据元素周期表的规则，它的各种性质应当与位于它上方的铼元素相类似。由于在那个时候的元素周期表里，镎元素位于铼元素的下方，和铼元素属于同一族，因此它们的性质也应当相似。但是，经过我与Eberson博士的仔细研究了解到，它的化学性质和铼十分不相似，反而与临近的铀元素差别非常小。单凭这一点就说明对元素周期表进行必要的修改是迫在眉睫的。•指向94号元素

Eberso博士在完成这项工作之后就从我的研究中退出了。在他回去之后，我仍然继续研究，试图发现并证实94号元素的存在。

在发现镎元素的那张纸上肯定还存在着其他的未知元素，为什么这么说呢？答案其实很容易理解，镎元素的原子核衰变产生一个电子，与此同时，一个中子转变为质子，如此一来就使得原子核增加了一个单位的正电荷，恰巧就变为了94号的化学元素。从理论上讲，它肯定存在，问题的关键是怎样去发现它并证实它的存在。

我们均相信94号元素不会放出电子，但是可以通过释放阿尔法粒子而衰变。由于在那个时候的科技有限，无法检测它的放射能，所以我们只可以转而从化学的角度去研究这个问题，最后的确发现了阿尔法粒子。只是恰巧美国在这个时候参加了第二次世界大战，又因为我本人也参与了雷达的开发工作，因此就转由Seaborg博士负责完成这项研究。•钚元素的发现

94号元素由科学家Eeaborg、Wall、Kennedy以及Segre继续共同研究。他们借助在那时最为先进的60英寸回旋加速装置，用重质子代替普通的中子撞击铀原子，从而使得铀元素的原子核得到了两个质子，变为了另外一种新的化学元素——94号元素的同位素，并且得到了确认。它的顺序排在镎元素的后面，被固定在塑胶圆筒上的钚称作“钚”元素（Pluto），名字源自于冥王星。照片里显示的即为用第一次造出的钚元素制作的标本，体积只有针尖大小，却也正好可以通过肉眼看见。它如今已经被固定在塑胶圆筒内以作为一个纪念。

整个实验过程可以这样解释：MeMillan租Eberson为铀原子增加一个中子，使其处于不稳定的状态。在衰变时，其中的一个中子则可以释放出一个电子，使得中子变为质子，从而得到了93号元素镎。然后，第二个中子继续释放出一个电子，使得又一个中子变为了质子，这样就得到了94号元素钚。

下面的这个反应过程更加明显：

用语言对这一过程进行描述是这样的：铀238吸收一个中子变为性质非常不稳定的铀239，铀239经过衰变释放出一个电子之后，变为了镎239，镎239再释放出一个电子则变为了钚元素。

使用重质子照射，首次制造出钚元素的反应如下面的公式所表示的：2

注：H表示重质子，即为重氢的原子核。1•钚元素的原子核分裂

钚元素的最重要的同位素是钚239，因为钚239只要受到慢速中子的撞击就可以产生原子核分裂，因此，它可以用于原子能以及原子弹。

其实早在1941年的时候，相关实验就已经被人做过了。他们通过回旋加速装置把慢速中子撞击钚元素，导致了原子核分裂。用镭和铍的混合物代替回旋加速装置，实验效果并没有发生变化，只是规模比较小。在这个实验中并没有使用盖氏计数管，反而用到电离箱，但是它们所起的作用却是一样的，主要是用来检测放射可以。核分裂的结果由示波仪检测，该仪器接着电离箱。正负电极和气体被密封在电离箱中。当核电粒子飞到电离箱之中后，气体原子则可被夺走一个电子，从而变成会被负电极吸引而在箱内产生电流离子。然后，把经过增强的电流导入示波仪中，亮线则可出现在示波仪上。

如果把钚239放入电离箱内，示波仪上则可出现非常小的瞬间的波动，钚239放出的阿尔法粒子造成了这种现象。如果在电离箱的下面再放置一个中子，那么，大而亮的瞬间波动则可出现在示波仪上。这就足以说明，当慢速中子撞击钚239之时，发生了核分裂并因此释放了大量的能量。

钚元素的性质得到确认以后，如何大量生产钚元素成了一个难题。为了解决这个问题，一方面，大量化学家、物理学家等被邀请到了在那时设于芝加哥大学的战时冶金研究所。在科学家Fermi的指导之下，他们借助天然铀元素以及黑铅所产生的原子核连锁反应实现了对钚元素的大批量生产。另一方面，如何从铀原料中把钚元素分离出来以及从连锁反应的高放射能核分裂生成物里分离出来也被化学家研究出来了。•超微量化学设备

在大量的化学问题里，一个非常有趣的现象出现了：在实验里，钚元素的用量非常微小，大约仅需一百万分之一克，几乎无法以肉眼察觉到。在实验的过程里，为了制成相当于一滴水的量的微量溶液，进行相关的操作需要一些袖珍的实验工具。如此一来，大量微型设备就被科学家们制造出来了，譬如说试管、蒸馏瓶、微型天平等。这个微型天平的横梁以及吊绳均是采用甚至比头发丝还要细的石英纤维制

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