周期王國漫步

周期王國漫步8/15/20241周期王國任何試圖以科學家的眼光來熟悉世界的人都應該認識周期表的全貌，因為它是科學修養(yǎng)的一部分。－－－－彼得．阿特金斯8/15/20242周期王國

在我們的這次旅行中，我們把周期表視為有生命的國家－－周期王國，就像我們降落在地面上見到的一樣。

我們要飛越王國的大地，察看王國的地理，看一看起伏的丘陵、山脈、峽谷和平原。我們要登上陸地，步行于廣闊的草原之間及湖泊周圍。還要追溯這片王國的歷史,以及領地的名字和發(fā)現(xiàn)這些領地的勇士們。最后我們要到地下勘察，去發(fā)現(xiàn)隱伏的構造，即控制和支配著王國的規(guī)律。8/15/20243周期王國一、王國的平面圖整個王國主要由西部沙漠、東部的陸地和南部的島嶼組成。西部沙漠和南部島嶼包括全部金屬元素，其余地區(qū)為非金屬元素。8/15/20244周期王國

西部地區(qū)閃閃發(fā)光，那是由金屬組成的。這些地區(qū)連在一起，位于我們所說的西部沙漠。整個沙漠情況大體一致，但淡淡的陰影處顯示出不同的特點。這些看似荒蕪的地區(qū)竟占了王國的大部分（109種中的86種），然而，這個王國仍能為我們這個真實世界提供豐富的物質！物質的豐富表明，認為沙漠貧瘠是一種錯覺。但我們接近它時將會發(fā)現(xiàn)，它的礦藏非常豐富。8/15/20245周期王國東部地表景色變化多端。這是王國地勢比較平坦的地區(qū)，并且能看到深紅色的湖泊，那塊領地屬于溴，是這一奇異國度里僅有的兩個湖泊之一。另一個是在西部沙漠的東部邊緣，在金屬的亂石中出現(xiàn)的銀色的清澈湖泊，這里屬于汞。東部的陸地形式多樣，色彩豐富，接近東部海岸出變化更大。8/15/20246周期王國北部海岸上，形成了一片空無所有海岸面，似乎還沒有西部沙漠富足。然而，這里有生命的先驅--氧、生命的齒輪--氮。氧有激發(fā)生機的本質，沒有氧，生機和運動就要中止；蛋白質由氮合成，而蛋白質又是一切有機生物必不可少的，甚至遺傳信息一代代流傳也要依靠氮，因為它是脫氧核糖核酸的組成部分。8/15/20247周期王國東部海岸上，是另一種情況。那里也屬于氣體，但主要是惰性氣體。人們認為這類氣體稀少，一度稱之“稀有氣體”，但并不是這樣的。地球大氣中，氬的含量比二氧化碳還多；地球上的氦很少，但它在宇宙所有的氣體占25%，數(shù)量上僅次于氫。尤其是南海岸的氡，已經多至危險的程度，只是世界各地出現(xiàn)天然放射現(xiàn)象，足以令人擔憂。8/15/20248周期王國二、王國的物產鐵,曾有助于人類脫離石器時代,并推動了人們進行工業(yè)革命。鐵與鄰近地區(qū)的鈷、鎳、釩、錳結合，可變成鋼。毫不夸張地講，鐵是現(xiàn)代社會的基石。鐵以東幾步就是銅，由于它很容易提煉，所以在我們擺脫石器時代的長途跋涉中，它是第一個被用來制造工具的元素。8/15/20249周期王國概括而言，西部沙漠已由東向西經過勘查和開發(fā)，元素按照它們的位置由東向西在技術上和工藝上得到應用。在西部沙漠，我們終于發(fā)現(xiàn)了鈦。鈦所具有的特性，正是極力要擁有高級工業(yè)技術的人類所需要的。鈦不易磨損，經得住腐蝕，而且很輕，堪稱西部沙漠地區(qū)的代表。東周越王劍勾踐悉尼港口鋼鐵大橋鈦片8/15/202410周期王國鐵在血紅素中8/15/202411周期王國鉀與水反應鈉與水反應西海岸性格剛烈的堿金屬8/15/202412周期王國西部沙漠邊緣的金屬都有毒性，但鈉、鉀離子卻是人體不可缺少的。氯化鈉中的鈉是神經系統(tǒng)和大腦的重要活性成分，沒有它,我們復雜的有機體將成為無生命和基本上無功能的物體。此外，鉀在性能上與鄰區(qū)的鈉有細微的區(qū)別，并且也是神經細胞的重要活性成分。鈉和鉀這兩種相似元素之間微妙的相互作用維持著思維和行動，否則機體就沒有生命了。8/15/202413周期王國鈣與鄰區(qū)的鈉和鉀一樣，也是構成神經的活性成分。鈣還是一種具有構造特性和易于保持形態(tài)特征的元素。當我們進入王國西部沙漠時便可發(fā)現(xiàn)，鈣是堅韌物質的組成部分，例如，一般動物的骨骼是磷酸鈣，甲殼類動物的外殼是碳酸鈣。石灰?guī)r就是生物體的遺骸，由于其中含有鈣而凝結成堅硬耐久的巖石。8/15/202414周期王國鎂與鈣頗為相似，同樣也能使萬物堅固耐久。這一領地有一種特別重要的產物----葉綠素，這是一種有機分子，每個葉綠素分子的眼狀物上都含有一個鎂原子。沒有這些葉綠素，世界將成為潮濕炎熱的大巖體，而不再是氣候溫和、綠茵蔥蘢的生物樂園。葉綠素用那些含鎂的眼狀物對著太陽，在光合作用的最初階段，吸收太陽的能量。如果沒有鎂這種元素，葉綠素的“眼睛”就會失明，光合作用就不會發(fā)生，生物就根本不會存在。8/15/202415周期王國地球上經由光合作用吸收太陽能而產生可用能源的地方,鎂都執(zhí)行著調整電子的微妙任務。太陽能首先使電子釋放出來，而后對釋放出的電子進行調整，結果產生了我們所闡明的效應，使我們具有活動能力。8/15/202416周期王國沙漠東部殘存三角地帶的金屬要穩(wěn)定的多，甚至在化學上是惰性的。例如，錫，在其背面的綠代替它用做普通飲料和腐蝕性較強的可樂類包裝的鐵坯及錫皮之前，曾一度用作鐵皮罐頭的防銹涂層。錫南面的鄰居是鉛，早在古羅馬時期，鉛即被使用。雖然鉛能免受液體和水的腐蝕，但不是完全不起反映，少量的鉛入侵大腦會引起智力衰退，這曾導致了羅馬帝國的崩潰。8/15/202417周期王國沙漠邊緣的金屬性質安分守己；西部邊緣的金屬卻又桀驁不馴。兩者的區(qū)別表明地峽在這兩類地區(qū)之間架起一座橋梁。8/15/202418周期王國其實，地峽本身的過渡性也很明顯，其西面的鈧是一種烈性金屬，而靠近東部邊緣的銅卻是穩(wěn)定的金屬，因此地峽中元素被稱為過渡元素。8/15/202419周期王國生命的主要構成單元是王國里這樣一塊狹小區(qū)域的元素，即碳、氮、氧和磷，由微妙的不同的親族關系能結出復雜碩果。首先是“王國之王”----碳，它是一種極為普通的元素，不像西南端的銫或東北角的氟，碳算不上活潑，但碳卻易于和別的元素建立聯(lián)系。碳這種隨和的脾氣，使它在化學上和為人處事一樣，得到了好處。它以其平易的作風使自身成為國中之王。碳是我們的生命之源，他構成了極為復雜的蛋白質、DNA等中的骨架，載著我們生命與遺傳信息。8/15/202420周期王國磷也與生命息息相關。生命不是突然傾斜的一場暴雨，生命就是有節(jié)奏地釋放能量。以三磷酸腺苷（ATP)形式存在的磷，使能量產生的理想載體。事實上，它已經為一切活體細胞所共有。8/15/202421周期王國開與關：由鋅來完成

科學家對一種天然的分子機械進行重新設計，造出了世界上最小的帶開關的馬達。它就像一個小電風扇，可以打開或者關掉，尺寸只有14納米。兩年前，加州大學洛杉磯分校的研究小組利用ATP（三磷酸腺苷）合酶的馬達蛋白質驅動了一個超微螺旋推進器。這種蛋白質有一個輪子狀的旋轉頭，位于嵌在細胞膜中的一個旋轉軸上。研究人員將ATP合酶分子附著到金屬表面上，這樣旋轉頭會固定不動，而轉軸發(fā)生轉動。他們在旋轉軸上裝了一根鎳桿，當?shù)鞍踪|燃燒ATP時，鎳桿就會像螺旋推進器一樣轉動。8/15/202422周期王國8/15/202423周期王國

碳60是由60個碳原子構成的，比一般碳分子多了5倍。更有趣的是，這些碳原子相聯(lián)結的形式既不是構成石墨的層狀結構，也不是構成金剛石的錐狀結構，而是形似足球的空心籠狀結構。

雖然C60不是一種空間正多面體，但它還是一種很完美的、對稱性很強的空間多面體。C60中每個碳原子與3個碳原子相連，共12個五元環(huán)（正五邊形）與20個六元環(huán)（正六邊形）構成C60的封閉多面體骨架。8/15/202424周期王國

碳60因其獨特的原子結構而具有獨特的性格，它的強度是鋼的200倍，它的硬度甚至超過了“以硬度之王”著稱的金剛石。醫(yī)療可謂碳60大顯神通的第一戰(zhàn)場。由于碳60是一個形似足球的空心籠狀結構，因此球內恰好可供包裹治療癌癥的放射性元素，以便放射性元素在病人體內能準確對準癌細胞，而對其它健康細胞則無害。德拉瓦大學的科學家使用新碳材料C60從空氣中分離出了氧氣和氮氣，提供了低成本的生產氧氣和氮氣的方法。因為氧分子可以很快地通過用這種碳材料造的薄膜，比較大的氮分子通過的速度快三十倍，所以可以很容易將氧從空氣中分離出來。8/15/202425周期王國碳納米管它主要由呈六邊形排列的碳原子構成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20nm。

碳納米管不總是筆直的，而是局部區(qū)域出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，這是由于在六邊形編織過程中出現(xiàn)了五邊形和七邊形。除六邊形外，五邊形和七邊形在碳納米管中也扮演重要角色。當六邊形逐漸延伸出現(xiàn)五邊形時，由于張力的關系而導致納米管凸出。如果五邊形正好出現(xiàn)在碳納米管的頂端，即形成碳納米管的封口。當出現(xiàn)七邊形時，納米管則凹進。

8/15/202426周期王國碳納米管高強度碳纖維材料碳納米管作為催化劑載體,鋰離子電池負極材料電雙層電容極材料8/15/202427周期王國硅單質硅片硅片加工碳的鄰居硅也不甘示弱，它在信息行業(yè)大顯身手。在米粒大的硅片上，已能集成20萬個晶體管，不但具有了海量的存儲空間，更具有了強大的運算能力。8/15/202428周期王國有機硅碳和硅這兩個地區(qū)在近代聯(lián)合起來了，它們所形成的碳基硅有機體使硅的用途擴展到信息技術領域，于是硅就被北面的碳征服處于從屬地位。同時有機硅也應用在紡織、汽車、航天航空、建筑、化妝品、醫(yī)療等領域。然而，這只是碳基硅有機體的早期作用，硅的潛在能力還在不斷的被挖掘。最為不可思議的事，硅終究會推翻北方的碳這一宗主兒擔任其主要角色。硅的新陳代謝和復制過程不想碳那樣難以完成，因而硅必然具有更為持久的潛力。8/15/202429周期王國在北部海岸以南地區(qū)，特性變化并不明顯?？偟内厔菔?，越往南走，元素的非金屬特性就逐漸被金屬特性取代。砷的領地位于磷南面，磷可以賦予生命，而砷卻是傳統(tǒng)的毒藥源。砷作為一種毒藥，其毒性起因于它與磷非常相近但又有細微的差別。與磷的相近使它能參與磷所經歷的反應；與磷的細微差別使它能導致細胞新陳代謝的紊亂。因而，砷具有巧妙的殺傷性，利用砷可以生產某些抑制傳染病的藥物。8/15/202430周期王國北岸的氟是劇毒物質，19世紀后期，首批化學探索者才進駐這片領地。直到20世紀中期，戰(zhàn)爭的迫切需要才刺激著人們對氟的研究，因為原子彈的制備過程中利用了具有揮發(fā)性的六氟化鈾。另外，氟可以用來在做牙齒的硬化劑。8/15/202431周期王國溴是非常容易得到的一種元素。溴能夠附著在有機分子上，也能從有機分子上脫開，因此可以利用溴來改變有機分子，使之更加適合工業(yè)需要。溴在暗室中具有實用價值，利用溴化銀的某些特殊光化學性能可加強顯影效果。8/15/202432周期王國稀土元素從1794年發(fā)現(xiàn)元素釔，到1945年在鈾的裂變物質中獲得钷，前后經過151年的時間，人們才將元素周期表中17個性質相近的元素全部找到。他們的混合體，看起來有點象泥土，取名稀土元素。有人認為稀土元素的含量很少。其實，這些元素并不那么稀少。例如，鈰在地殼中的含量與錫近乎相等，而釔釹鑭都比鉛更豐富。其余的稀土元素，除钷外都不少于銀，比金豐富得多。8/15/202433周期王國稀土元素具有神奇的光、電、磁性質，廣泛應用于有色金屬合金中，永磁材料，石油裂化催化劑，激光器，儲氫等。稀土元素不光應用在工業(yè)方面，在醫(yī)學方面應用也很廣泛。稀土離子作為生物活性物質的結構探針，也是一個很重要的應用方面。

8/15/202434周期王國稀土元素由于其離子半徑、性質與鈣十分相似，但鈣離子屬于惰氣性結構，沒有特征的光、電、磁性質，而稀土離子因具有不成對f電子而可以測量許多光、磁信號，從而可以將稀土離子取代生物體內重要活性物質，如金屬蛋白、金屬酶中的Ca，再測定稀土離子的一系列光、磁等特殊性質，從而推斷Ca在這些生物活性物質中的微結構。8/15/202435周期王國南方島嶼的開發(fā)南方島嶼的錒系元素的開發(fā)還歸功于曼哈頓計劃的實施。曼哈頓計劃實際上是一項在這個島嶼上開墾荒地的計劃，一些所謂“超鈾元素”的發(fā)現(xiàn)和大量生產拓展了王國的領土，使南方這個狹長島嶼得以完整出現(xiàn)。一項類似的拓荒行動同樣在大陸上施行，因而每隔幾年南部海岸就會向旁側地區(qū)擴大一些。但這些擴大的地區(qū)多少沒有什么用處，因為他們很不穩(wěn)定，存在時間也很短。8/15/202436周期王國美國陸軍部于1942年6月開始實施的利用核裂變反應來研制原子彈的計劃，亦稱曼哈頓計劃。為了先于納粹德國制造出原子彈，該工程集中了當時西方國家(除納粹德國外)最優(yōu)秀的核科學家，動員了10萬多人參加這一工程，歷時3年，耗資20億美元，于1945年7月16日成功地進行了世界上第一次核爆炸，并按計劃制造出兩顆實用的原子彈。8/15/202437周期王國惰性氣體惰性氣體基本上不參與一切的化學反應，這并不意味著它們是王國中無用的領地。在某些情況下，正是由于缺少活性而使得它們有用，可以用它們提供局部的惰性環(huán)境。氦的沸點非常低，可以成為有用的制冷劑，現(xiàn)在它還是唯一的超導冷卻劑。另外，通過惰性氣體放電，能夠發(fā)出艷麗的色彩，這一現(xiàn)象可用來生產霓虹燈。8/15/202438周期王國王國的有些領地還處于沉寂狀態(tài)。一個地區(qū)的元素沒有被開發(fā)，一般說來有兩個原因。一個是元素存在的數(shù)量極少，人們對它只有概念上的了解，而不知它的儲量。如鈁，它屬于超微量元素，在任何情況下整個地球只有17個鈁的原子，不太可能去開發(fā)它們。二是有些元素具有放射性，整個南部海岸都有骷髏圖形標志，警告人們回避。在這里，化學家們的興趣減退，警惕心抑制了他們的求知欲。8/15/202439周期王國三、王國地形圖到現(xiàn)在為止，我們已經從空中大體上對萬國進行了觀察，并從遠處看到各個領地以及他們起伏的變動規(guī)律?，F(xiàn)在我們應該降落到地面上，在降落的地方我們可以詳細研究這個國家的結構。把構成元素的各種原子的形象描繪出來，根據每塊領地里原子的個性、形狀和結構把每個領地區(qū)分開來。8/15/202440周期王國根據原子質量繪制的王國示意圖從東北方向觀察，南方島嶼位于遠處，氫在右前方突出位置，僅露出海面斷層8/15/202441周期王國根據原子直徑繪制的王國示意圖起伏地段8/15/202442周期王國根據固體（包括固化氣體）元素密度繪制的王國示意圖銥鉑

返回8/15/202443周期王國四、元素的發(fā)現(xiàn)過程化學界一些探險家的名字，大約從17世紀以后才流傳下來。

最早的新技術----火控制火，木材燃燒得到木炭提煉更多的礦石天然存在的金、銀、硫8/15/202444周期王國雖然大氣也是單質組成，但這在王國歷史上很晚才認識到。1774年，有人利用遙遠的太陽這一核子火焰發(fā)現(xiàn)了氧。18世紀，英國化學家，也是一位牧師，JesephPriestley利用陽光聚焦分解氧化汞得到了令人提神的氣泡。在此之前也由人報道過氧的制備，但并沒有說明它是一種元素。氫在HenryCavendish承認為一種元素前就被制備出來了。鑒別出氫和氧以后，就像1781年Cavendish做的那樣，很容易證明氫和氧這兩種氣體結合而成的水不是一種元素。CavendishHenry

(1731-1810)8/15/202445周期王國1800年伏打電池研制成功，電解法，作為一項非常特殊的技術，在新元素發(fā)現(xiàn)領域掀起一次空前的高潮。那些一般的化學方法不能得到的元素單質，在電流的沖擊下逐漸的顯現(xiàn)出來。1807年，HumphryDavy幾天之內就相繼發(fā)現(xiàn)了鉀、鈉兩種金屬。1808年，HumphryDavy又先后提取出了鎂、鈣和鍶。1810年，溴也被發(fā)現(xiàn)了，使我們恢復了對氯和溴的認識。王國的領地有了空前的擴展。volta8/15/202446周期王國1834-1907門捷列夫時期已知的元素

1869年，DmitriMendeleev，他基本上按照現(xiàn)今的方式劃分了王國，如此就可以更多的推測出新的領地，后來科學的實驗結果證明了這種方法的效率。門捷列夫預測了“準硅”，并根據空白區(qū)所要求的條件和對硅的認識推測了準硅的特性。當鍺、準硼（即鈧）、準鋁（即鎵）相繼被發(fā)現(xiàn)時，門捷列夫向世人證明了他的正確。

MarieCurie是一位堅忍不拔的女探索者，她也正是一門捷列夫的周期表為指導，根據鐳北面鄰居鋇的特性，對鐳可能具有的特性進行推測，并從數(shù)噸瀝青鈾礦中分理處放射性的鐳。8/15/202447周期王國1894年，化學家威廉.拉姆塞發(fā)現(xiàn)從含氮化合物分解出的氮與從大氣中分解獲得的氮在密度上有差異，懷疑后者混有了不活潑的氣體，通過分析發(fā)現(xiàn)了氬（取自希臘語“懶惰”），東部海岸邊緣低地的第一塊領地路出了它的外貌。隨后相繼發(fā)現(xiàn)了氖、氪、氙和氡。WilliamRamsay,1852～19168/15/202448周期王國曼哈頓計劃的實施開拓了狹長的近海島嶼，即發(fā)現(xiàn)了錒系元素。在這其中，人們研究出一些特方法----尤其是色譜法，將幾乎相同的錒系元素一一分離開來，又大大出盡了鑭西元素的分離。曼哈頓計劃的另一項結果使人們可以使用包括回旋加速器、同步加速器和線性加速器等儀器研制出王國南部的高瞬變元素。靠近王國南方前哨陣地可能有一個未被發(fā)現(xiàn)的亞特蘭蒂斯島。雖然王國的南部海岸由瞬變元素的領地組成，但更往外去，在不穩(wěn)定的海洋中存在著一個穩(wěn)定的島嶼，這些元素或許比我們先進努力制備的那些元素存在的時間更長些。8/15/202449周期王國五、領地的命名元素的命名可謂是五花八門。有根據化合物命名的，鈉（sodium)、鉀(pottasium)分別取自于碳酸鈉(soda)和碳酸鉀(potash)。沙漠偏東的金屬起名情況也相同，如鈣（calsium)取自氧化鈣(calx)，鎂(magnesium)取自氧化鎂(magnesia)。8/15/202450周期王國有些元素是根據顏色命名的。氯（chlorine)希臘文chloros“黃綠色”銣（rubidium)（深紅色）釩（vanadium)能生成一系列彩虹色的化合物Venus女神8/15/202451周期王國溴（bromine)的命名取自嗅覺，拉丁文brome“惡臭”有些人在王國中得到了永久的和應有的紀念。如：艾伯特.愛因斯坦（AlbertEinstein)，封贈他領地锿（einsteinium)，恩里克.費米（EnricoFermi)，封贈他領地鐨（fermium),德米特里.門捷列夫(Dmitri

Mendeteev)，封贈他領地鍆（mendelevium)。8/15/202452周期王國希臘大地女神的兒子泰坦兄弟（Titans)力量強大，因而借用他們的名字為鈦（titanium)命名。羅馬神話中的傳信之神飛毛腿莫丘利（Mercury),用來為快速流動水銀（mercury)命名。鎳（nickel)取自于德文的Nicel一詞，意即為魔鬼（OldNick)撒旦。南方島嶼因為戰(zhàn)斗目的而發(fā)現(xiàn)，多以戰(zhàn)神的名字命名，如钚（plutium)用的是冥王普魯托（Pluto)的名字。8/15/202453周期王國六、繪制王國地圖的人們最初人們并未認識到，元素會構成一個理性的周期王國。雖然18世紀我們就對氫、氧、鐵、銅有所了解，至19世紀早期，已有好幾十種元素的領地被開發(fā)，但當時認為它們只是互不相關的群島，無規(guī)律的散布在浩瀚的大海上。8/15/202454周期王國時間進展代表人物及貢獻1789-1859元素周期律發(fā)現(xiàn)前的摸索階段

1829年德貝萊納制作了“元素組”

1860-1889周期律的發(fā)現(xiàn)和鞏固階段

法國化學家尚古多提出一個“螺旋圖”的分類方法；1865年，英國化學家紐蘭茲提出了“八音律”一說；1869年3月1日俄國化學家門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律和排出第一張周期表

1889-1909周期系理論的考驗和發(fā)展階段

1894年拉姆賽和瑞利發(fā)現(xiàn)惰性氣體氬，至1898年陸續(xù)發(fā)現(xiàn)氦、氪、氙和氖，并在表中形成零族

1910-1945周期律本質的揭示階段

1911年盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子的含核模型1913-1921年玻爾的原子模型

1945-1969錒系理論的提出和證實階段西博格提出了錒系理論

1970年-至今周期表的延伸和更加完善階段8/15/202455周期王國返回1829年德國化學家德貝萊納提出了“三元素組”觀點，把當時已知的44種元素中的15種，分成5組，指出每組的三允素性質相似，而且中間元素的原子量等于較輕和較重的兩個元素原子量之和的一半。例如鈣、錫、鋇，性質相似，鉻的原子量大約是鈣和鋇的原子量之和的一半。氯、溴、碘以及銀、鈉、鉀等元素也有類似的關系。然而只要認真一點，就會發(fā)現(xiàn)這樣分類有許多不能令人滿意的地方，所以并沒有引起化學家們的重視。8/15/202456周期王國1862年，法國化學家尚古多提出一個“螺旋圖”的分類方法。他將已知的62種元素按原子量的大小順序標記在繞著圓柱體上升的螺旋線上，這樣某些性質相近的元素恰好出現(xiàn)在同一母線上。因此他第一個指出了元素性質的周期性變化?？墒撬膱蟾嬲諛訜o人理睬。返回8/15/202457周期王國1865年，英國化學家紐蘭茲提出了“八音律”一說。他把當時已知的元素按原子量遞增順序排列在表中，發(fā)現(xiàn)元素的性質有周期住的重復，第八個元素與第一個元素性質相近，就好象音樂中八音度的第八個音符有相似的重復一樣。紐蘭茲的工作同樣被否定，當時的一些學者把八音律斥之為幼稚的滑稽戲，有人甚至說：“為什么不按元素的字母順序排列呢？那樣，也許會得到更加意想不到的美妙效果。”“八音律”是存在許多錯誤，但是應該看到，從三元素組”到“八音律”都從不同的角度，逐步深入地探討了各元素間的某些聯(lián)系，使人們一步步逼近了科學的真理。返回8/15/202458周期王國俄國化學家門捷列夫終于從雜亂無章的元素中理出了頭緒。1869年，他和德國化學家邁耶爾共同提出了元素表，雖然基本上與比古耶·德·尚庫圖和紐蘭茲已經做過的一樣，但是門捷列夫具有比他們更大的勇氣和信心來宣揚他的觀點，因此得到了世人的承認。首先，門捷列夫的周期表（之所以稱為周期表是因為表中相似化學性質的元素周期性的重復出現(xiàn)）比紐蘭茲的元素表復雜，而且也較接近目前認為正確的周期表。8/15/202459周期王國其次，按照元素性質的排法與根據原子量排成的次序有出入。然而門捷列夫認為性質重于原子量，于是大膽地改變原來的次序。最后證實他是對的。例如，原子量為127．61的碲，若以原子量為準，則應排在原子量是126．91的碘之后。但在該分欄的周期表中，把碲放在碘的前面可以把它置于性質和它極為相似的硒的下方；同時，這樣一來，也就把碘置于和它性質相似的溴的下面了。

8/15/202460周期王國最后，也是最重要的，門捷列夫毫不猶豫地在周期表上留下一些空格，并且信心十足地宣稱一定還可以發(fā)現(xiàn)屬于這些空格的元素。他還用表中待填補的元素的上下元素的性質作為參考，指出三個待補元素的大致性狀。8/15/202461周期王國門捷列夫非常幸運，在他有生之年，他所預測的三個元素都被發(fā)現(xiàn)了，因此他能親眼目睹自己所建立的系統(tǒng)的成功。1875年，法國化學家勒科克·德·布瓦博德朗發(fā)現(xiàn)了遺漏的三個元素中的第一個，并命名為鎵（是以“法國”的拉丁文來命名的）。

1879年，瑞典化學家尼爾森發(fā)現(xiàn)了第二個，并命名為鈧（是以“斯堪的納維亞”來命名的）。而在1886年，德國化學家溫克勒發(fā)現(xiàn)了第三個，并命名為鍺（當然是以“德國”這個名字來命名的）。這三個元素的性質幾乎和門捷列夫所預測的一樣。8/15/202462周期王國

化學作為一門科學，從1661年英國化學家波義耳提出物質組成的元素說開始建立，到現(xiàn)在只不過二百多年的歷史。第一次是1808年英國化學家道爾頓提出原子學說。第二次是1869年俄國化學家門捷列夫發(fā)現(xiàn)了著名的化學元素周期律。恩格斯評價說?！伴T捷列夫不自覺地應用黑格爾的量轉化為質的規(guī)律，完成了科學上的一個勛業(yè)”。有人預計，化學鍵理論的研究將會引起第三次大突破。從1927年量子力學應用于化學開始．化學健理論發(fā)展很快。它將揭示物質的性質和結構之間的本質聯(lián)系，為研制新材料，探索新能減研究生命現(xiàn)象，模擬生命體內的化學變化等各方面提供充實的理論依據。美國杰出的化學家兩次獲得諾貝爾獎的鮑林指出：“化學鍵理論是化學家手中的金鑰匙”。8/15/202463周期王國

門捷列夫小傳門捷列夫被任命彼得堡大學化學講師時，他僅22歲。在彼得堡大學，門捷列夫任教的頭兩門課程是理論化學和有機化學。當時流行的教科書幾乎都是大量關于元素和物質的零散資料的雜亂堆積。怎樣才能講好課？門捷列大下決心考察和整理這些資料。

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1859年，門捷列夫獲準去德國海德堡本生實驗室進行深造。兩年中他集中精力研究了物理化學。他運用物理學的方法來觀察化學過程，又根據物質的某些物理性質來研究它的化學結構，這就使他探索元素間內在聯(lián)系的基礎更寬闊和堅實。1860年，門捷列夫參加在德國卡爾斯魯厄舉行的第一屆國際化學家會議。會上各國化學家的發(fā)言給門捷列夫以啟迪，特別是康尼查羅的發(fā)言和小冊子。8/15/202465周期王國門捷列夫是這樣說：“我的周期律的決定性時刻在1860年，我參加卡爾斯魯厄代表大會。在會上我聆聽了意大利化學家康尼查羅的演講，正是他發(fā)現(xiàn)的原子量給我的工作以必要的參考材料，而正是當時，一種元素的性質隨原子量遞增而呈現(xiàn)周期性變化的基本思想沖擊了我。”從此他有了明確的科研目標，并為此付出了艱巨的勞動。8/15/202466周期王國從1862年起，他對283種物質逐個進行分析測定，這使他對許多物質和元素的性質有了更直觀的認識。他分析根據元素綜合性質而進行的元素分類時，他堅信元素原子量是元素的基本特征，同時發(fā)現(xiàn)性質相似的元素，它們的原子量并不相近。相反一些性質不同的元素，它們的原子量反而相差較小。他緊緊抓住原子量與元素性質之間的關系作為突破口，他在每張卡片上寫出一種元素的原子量和主要的性質。就象玩一副別具一格的元素紙牌一樣，他反復排列這些卡片，終于發(fā)現(xiàn)：元素的性質隨原子量的增加而呈周期往的變化。第一張元素周期表就這樣產生了。8/15/202467周期王國互不打擾一天一位熟人到門捷列夫家串門，他喋喋不休地講個不停?！拔沂鼓愀械絽挓┝藛幔俊笨腿俗詈髥柕?。“不，沒有......你說到哪兒去了?！遍T捷列夫回答說，“請講吧，繼續(xù)講吧，你并不妨礙我，我在想自己的事......”8/15/202468周期王國返回8/15/202469周期王國七、原子核內部規(guī)律我們用鵝卵石表示某種物質的一個原子。

19世紀初，道爾頓用實驗方法仔細分析互相化合的一些物質質量，首先證實了這些鵝卵石的存在。在科學理論上，道爾頓的原子論是繼拉瓦錫的氧化學說之后理論化學的又一次重大進步，他揭示出了一切化學現(xiàn)象的本質都是原子運動，明確了化學的研究對象，對化學真正成為一門學科具有重要意義，此后，化學及其相關學科得到了蓬勃發(fā)展。8/15/202470周期王國1879年，英國劍橋大學卡文迪許實驗室物理學家湯姆生利用陰極射線能被電場和磁場聯(lián)合偏轉的作用，測定了這種粒子的荷質比（即電荷與質量之比），實驗表明，不論電極用什么材料制成和在陰權射線管中亢以什么樣的氣體，生成帶負電的粒子其荷質比都是相同的，說明它是原子的共同組成部分，這種粒子被稱為電子。8/15/202471周期王國第一個原子模型也要歸功于湯姆生，也就是聞名的「葡萄干布丁模型」。他繪出原子為一球形，充滿了正電荷，同時也有相同數(shù)目的負電荷(電子)。8/15/202472周期王國1910年，同樣是在卡文迪許實驗室，歐內斯特.盧瑟福用放在帶小孔的鉛盒中的釙作放射源，放射出α粒子，轟擊金箔。8/15/202473周期王國預期的實驗現(xiàn)象8/15/202474周期王國但實驗的結果出人意料8/15/202475周期王國1912年，盧瑟福的兩個學生蓋革和馬斯登用實驗證實了帶正電的原子核的存在。盧瑟福估算出金原子核的正電荷，并得出幾十個單位的電量。于是他斷定，原子中并沒有成百上千的電子，最多只有幾十個電子。盧瑟福是20世紀初最偉大的實驗物理學家，他1908年獲諾貝爾化學獎．一生發(fā)表論文約215篇，著作6種，培養(yǎng)了10位諾貝爾獎獲得者。8/15/202476周期王國某種元素的一個原子只具有一個表示其特性的原子序數(shù)，而它的質量卻可以在一定范圍內變動，這一認識使我們進一步探索原子核的結構。1932年，英國物理學家詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，至此，原子核的結構基本明了了。

8/15/202477周期王國原子核中的中子數(shù)不會使元素性質發(fā)生變化，但卻能使元素的原子質量發(fā)生一定變化。原子核內的中子數(shù)一般與質子數(shù)相近（通常會多一些）。在王國的南部，中子數(shù)的變化幅度逐漸增大，同時，中子所占的比例也逐漸增大，這是富含質子的的原子核得以牢固結合所要求的。例如，鈾，原子核中含有92個質子，大約伴有150個中子，最常見的是146個。8/15/202478周期王國八、核外電子規(guī)律

1927年量子力學應用于原子軌道描述，薛定諤提出了如下類似的模型。8/15/202479周期王國8/15/202480周期王國那么核外電子是如何排布的呢？最低能量原理，電子會占據能量最低的軌道。泡利不相容原理，即一個軌道不能有兩個以上的電子存在。

屏蔽效應，在多電子體系中，內層電子對外層電子的排斥作用減弱了原子核對外層電子的吸引力。穿透效應，在原子核附近出現(xiàn)幾率較大的電子，可更多的避免其余電子的屏蔽，受到核的較強吸引和更靠近核。8/15/202481周期王國那么同周期軌道的能量高低由什么決定呢？

s軌道是內含密實核心的一個云團，這就意味著占據s軌道的電子，直接穿射到原子核心的概率不等于零。所以就s電子而言，原子核只是部分的受到屏蔽，穿透能力在一定程度上超過屏蔽效應。

p軌道電子因為節(jié)面的存在而被排斥在外，原子核對它的作用更小，所以被原子核控制得并不牢固。換句話說，由于屏蔽和穿透效應這兩種相反的作用，s軌道電子被原子核吸引的較緊，所以S軌道能量低于 p軌道。

d軌道有兩個節(jié)面，f軌道有三個節(jié)面，對電子的排斥力也隨應增大。8/15/202482周期王國我們用王國的內部規(guī)律來解釋王國中的地勢圖根據原子質量繪制的王國示意圖從東北方向觀察，南方島嶼位于遠處，氫在右前方突出位置，僅露出海面8/15/202483周期王國根據原子直徑繪制的王國示意圖起伏地段8/15/202484周期王國根據固體（包括固化氣體）元素密度繪制的王國示意圖銥鉑8/15/202485周期王國九、王國起源大約150億年以前，宇宙剛一形成，一些元素雨轉眼間就降落下來。當時標志著宇宙開端的大爆炸，屬于氫元素的北方近海島嶼從空蕩蕩的大海中露出，并在那里存在下來。8/15/202486周期王國恒星的誕生星際間的云氣因為萬有引力的關系而互相吸引，使得密度越來越大，而組成云氣的物質速度也越來越快，被此的碰撞也就愈趨頻繁。如此一來，整個系統(tǒng)的溫度也就越來越高。這時熱能的來源是物質之間的萬有引力。當這原型星的中心密度與溫度高到足以讓氫原子核(也就是質子)克服彼此的靜電斥力，而聚合在一起產生核融合的反應，一顆恒星就此誕生了。獵戶座星云8/15/202487周期王國恒星的誕生----氦在波濤洶涌的最階段，氫原子之間猛烈撞擊，原始風暴轟鳴咆哮。四個氫原子核融合成一個氦核的核融合反應是我們拿來定義「恒星」誕生的依據。這個核反應不只是恒星的主要能量來源，同時也是維持恒星結構穩(wěn)定的原因。8/15/202488周期王國紅巨星----碳、氧恒星中心部分的氫用盡了之后，在最中心就只剩下氦原子核了。這個時候，因為中心溫度還沒有高到可以讓氦原子核進一步融合，于是恒星最內部充滿了氦的核心部分就進一步由于萬有引力的作用而收縮。在此同時，核心的外圍仍然繼續(xù)進行著氫融合成氦的反應，形成一個「殼層燃燒」的現(xiàn)象。在這里我們借用「燃燒」一詞來指稱核融合反應。8/15/202489周期王國

我們的太陽在這個時候會變成一個紅巨星。某些計算指出，太陽可能會膨脹到像地球公轉軌道的范圍這么大，也就是直徑增大超過現(xiàn)在的100倍。到時候假如我們還在的話(或者假如地球還在的話)，太陽將會占去相當大的一部分天空。紅巨星8/15/202490周期王國當恒星內部核心繼續(xù)收縮，使得溫度升高到1億度左右的時候，氦原子核就開始進行進一步的融合反應。這一階段的核融合主要是把氦融合成碳和氧，而放出能量。當恒星核心點燃氦融合反應之后，核心就不再收縮了，反而還因為融合反應所提供的能量而向外擴張了些。這時原先殼層燃燒的氫融合反應則因為擴張降溫而略趨緩和。8/15/202491周期王國第二次紅巨星階段恒星核心的氦終究也有用完的一天。通常這一段核心氦融合的階段持續(xù)不到十分之一的主序列帶生命期。這時，就像當時離開主序列帶一樣，恒星的整個體積開始膨脹，而最中心的部分則是一個向內塌縮的碳氧核心，加上外圍兩圈「氦殼層燃燒」以及「氫殼層燃燒」。太陽在這個階段有可能會膨脹到充滿整個火星繞太陽的公轉軌道。這是太陽的第二次紅巨星階段。8/15/202492周期王國行星狀星云低質量的恒星在演化到第二次紅巨星階段時，會散失大量的物質到它四周的空間去，而漸漸裸露出內部的核心。這時的核心主要是高溫高密度的碳和氧所組成的。恒星四周的物質被高溫的恒星所釋放出的恒星風向外推，又接著被高溫的熱輻射持續(xù)照射，因此仍然閃閃發(fā)亮。

螺旋星云8/15/202493周期王國當人們第一次發(fā)現(xiàn)這樣的天體時，因為它們在小望遠鏡里看起來就像木星一樣，有個圓盤模樣的影像，于是就把它們叫做「行星狀星云」，而這個名字也就沿用至今。其實它們和「行星」是一點關系也沒有的。愛斯基摩星云8/15/202494周期王國白矮星

在這個行星狀星云的中央位置，我們可以看到有一顆星星。這就是恒星散失外層物質之后，所留下來的裸露核心。這殘留下來的星體可說是低質量恒星演化到最后的殘骸。是什么力量可以抵擋萬有引力讓它維持穩(wěn)定的結構呢?

低質量恒星向內收縮的萬有引力相對地比較小。因此當星球收縮到某個地方時，高密度所造成的電子簡并壓力就抵擋了萬有引力，維持這樣一個星球的穩(wěn)定結構。這樣的星球，因為溫度高但體積小，所以叫做白矮星。貓眼星云8/15/202495周期王國太陽，我們生命的守護神，最終將會變成這樣子的一顆白矮星。白矮星會漸漸冷卻，但是因為電子簡并壓力和溫度沒有關系，所以它并不會因為萬有引力而塌縮下去。它只會一直冷卻下去，變得越來越暗、越來越暗。8/15/202496周期王國鐵核的形成大質量的恒星演化后期，中心的碳氧核心向內收縮時，因為質量夠大，內縮的萬有引力夠強，以致于電子簡并的壓力不足以抵擋萬有引力，核心于是持續(xù)收縮，溫度升高，直到碳和氧可以進行更進一步的融合反應，形成更重的元素，例如氖和鎂。在核心部分，這樣的收縮融合，再收縮融合，的過程一直接續(xù)發(fā)生，直到合成鐵為止。8/15/202497周期王國在這些過程當中，恒星的整個體積也是反復地膨脹與收縮，也因此有很劇烈的質量散失。它們噴發(fā)散失了大量的物質，造成這樣特殊的景像。而事實上，它們接下來隨時可能會發(fā)生的，則是更壯烈的事件─超新星爆炸。手槍星8/15/202498周期王國在恒星內部鐵核形成之后，并沒有進一步的核融合反應可以提供能量來抵擋萬有引力的收縮。因此核心密度一再升高，整個核心就像是一個超大的原子核一樣。在接下來的某一瞬間，許多電子被質子捕捉，轉變成中子。在這一瞬間，核心物質的性質頓時改變，變得堅硬了些。原先在這核心外圍一起向內收縮的物質一下子反彈子出來，而把更外圍較低密度的物質整個向外炸了開來。這就是超新星的爆炸。8/15/202499周期王國大質量的超新星爆炸后的核心區(qū)元素分布8/15/2024100周期王國超新星爆炸除了往外炸開的殘骸之外，原先核心部分仍繼續(xù)向