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1、周期王国漫步3/8/20231周期王国任何试图以科学家的眼光来熟悉世界的人都应该认识周期表的全貌，因为它是科学修养的一部分。彼得阿特金斯3/8/20232周期王国在我们的这次旅行中，我们把周期表视为有生命的国家周期王国，就像我们降落在地面上见到的一样。我们要飞越王国的大地，察看王国的地理，看一看起伏的丘陵、山脉、峡谷和平原。我们要登上陆地，步行于广阔的草原之间及湖泊周围。还要追溯这片王国的历史,以及领地的名字和发现这些领地的勇士们。最后我们要到地下勘察，去发现隐伏的构造，即控制和支配着王国的规律。3/8/20233周期王国一一、王国的平面图、王国的平面图整个王国主要由西部沙漠、东部的陆地和南部
2、的岛屿组成。西部沙漠和南部岛屿包括全部金属元素，其余地区为非金属元素。3/8/20234周期王国西部地区闪闪发光，那是由金属组成的。这些地区连在一起，位于我们所说的西部沙漠。整个沙漠情况大体一致，但淡淡的阴影处显示出不同的特点。这些看似荒芜的地区竟占了王国的大部分（109种中的86种），然而，这个王国仍能为我们这个真实世界提供丰富的物质！物质的丰富表明，认为沙漠贫瘠是一种错觉。但我们接近它时将会发现，它的矿藏非常丰富。3/8/20235周期王国东部地表景色变化多端。这是王国地势比较平坦的地区，并且能看到深红色的湖泊，那块领地属于溴，是这一奇异国度里仅有的两个湖泊之一。另一个是在西部沙漠的东部边
3、缘，在金属的乱石中出现的银色的清澈湖泊，这里属于汞。东部的陆地形式多样，色彩丰富，接近东部海岸出变化更大。3/8/20236周期王国北部海岸上，形成了一片空无所有海岸面，似乎还没有西部沙漠富足。然而，这里有生命的先驱-氧、生命的齿轮-氮。氧有激发生机的本质，没有氧，生机和运动就要中止；蛋白质由氮合成，而蛋白质又是一切有机生物必不可少的，甚至遗传信息一代代流传也要依靠氮，因为它是脱氧核糖核酸的组成部分。3/8/20237周期王国东部海岸上，是另一种情况。那里也属于气体，但主要是惰性气体。人们认为这类气体稀少，一度称之“稀有气体”，但并不是这样的。地球大气中，氩的含量比二氧化碳还多；地球上的氦很少
4、，但它在宇宙所有的气体占25%，数量上仅次于氢。尤其是南海岸的氡，已经多至危险的程度，只是世界各地出现天然放射现象，足以令人担忧。3/8/20238周期王国二、王国的物产二、王国的物产铁,曾有助于人类脱离石器时代,并推动了人们进行工业革命。铁与邻近地区的钴、镍、钒、锰结合，可变成钢。毫不夸张地讲，铁是现代社会的基石。铁以东几步就是铜，由于它很容易提炼，所以在我们摆脱石器时代的长途跋涉中，它是第一个被用来制造工具的元素。3/8/20239周期王国概括而言，西部沙漠已由东向西经过勘查和开发，元素按照它们的位置由东向西在技术上和工艺上得到应用。在西部沙漠，我们终于发现了钛。钛所具有的特性，正是极力要
5、拥有高级工业技术的人类所需要的。钛不易磨损，经得住腐蚀，而且很轻，堪称西部沙漠地区的代表。东周越王剑勾践悉尼港口钢铁大桥钛片3/8/202310周期王国铁在血红素中3/8/202311周期王国钾与水反应钠与水反应西海岸性格刚烈的碱金属西海岸性格刚烈的碱金属3/8/202312周期王国 西部沙漠边缘的金属都有毒性，但钠、钾离子却是人体不可缺少的。氯化钠中的钠是神经系统和大脑的重要活性成分，没有它,我们复杂的有机体将成为无生命和基本上无功能的物体。此外，钾在性能上与邻区的钠有细微的区别，并且也是神经细胞的重要活性成分。钠和钾这两种相似元素之间微妙的相互作用维持着思维和行动，否则机体就没有生命了。3
6、/8/202313周期王国钙与邻区的钠和钾一样，也是构成神经的活性成分。钙还是一种具有构造特性和易于保持形态特征的元素。当我们进入王国西部沙漠时便可发现，钙是坚韧物质的组成部分，例如，一般动物的骨骼是磷酸钙，甲壳类动物的外壳是碳酸钙。石灰岩就是生物体的遗骸，由于其中含有钙而凝结成坚硬耐久的岩石。3/8/202314周期王国镁与钙颇为相似，同样也能使万物坚固耐久。这一领地有一种特别重要的产物-叶绿素，这是一种有机分子，每个叶绿素分子的眼状物上都含有一个镁原子。没有这些叶绿素，世界将成为潮湿炎热的大岩体，而不再是气候温和、绿茵葱茏的生物乐园。叶绿素用那些含镁的眼状物对着太阳，在光合作用的最初阶段，
7、吸收太阳的能量。如果没有镁这种元素，叶绿素的“眼睛”就会失明，光合作用就不会发生，生物就根本不会存在。3/8/202315周期王国地球上经由光合作用吸收太阳能而产生可用能源的地方,镁都执行着调整电子的微妙任务。太阳能首先使电子释放出来，而后对释放出的电子进行调整，结果产生了我们所阐明的效应，使我们具有活动能力。3/8/202316周期王国沙漠东部残存三角地带的金属要稳定的多，甚至在化学上是惰性的。例如，锡，在其背面的绿代替它用做普通饮料和腐蚀性较强的可乐类包装的铁坯及锡皮之前，曾一度用作铁皮罐头的防锈涂层。锡南面的邻居是铅，早在古罗马时期，铅即被使用。虽然铅能免受液体和水的腐蚀，但不是完全不起
8、反映，少量的铅入侵大脑会引起智力衰退，这曾导致了罗马帝国的崩溃。3/8/202317周期王国沙漠边缘的金属性质安分守己；西部边缘的金属却又桀骜不驯。两者的区别表明地峡在这两类地区之间架起一座桥梁。3/8/202318周期王国其实，地峡本身的过渡性也很明显，其西面的钪是一种烈性金属，而靠近东部边缘的铜却是稳定的金属，因此地峡中元素被称为过渡元素。3/8/202319周期王国 生命的主要构成单元是王国里这样一块狭小区域的元素，即碳、氮、氧和磷，由微妙的不同的亲族关系能结出复杂硕果。首先是“王国之王”-碳，它是一种极为普通的元素，不像西南端的铯或东北角的氟，碳算不上活泼，但碳却易于和别的元素建立联系
9、。碳这种随和的脾气，使它在化学上和为人处事一样，得到了好处。它以其平易的作风使自身成为国中之王。碳是我们的生命之源，他构成了极为复杂的蛋白质、DNA等中的骨架，载着我们生命与遗传信息。3/8/202320周期王国 磷也与生命息息相关。生命不是突然倾斜的一场暴雨，生命就是有节奏地释放能量。以三磷酸腺苷（ATP)形式存在的磷，使能量产生的理想载体。事实上，它已经为一切活体细胞所共有。3/8/202321周期王国开与关开与关：由锌来完成科学家对一种天然的分子机械进行重新设计，造出了世界上最小的带开关的马达。它就像一个小电风扇，可以打开或者关掉，尺寸只有14纳米。两年前，加州大学洛杉矶分校的研究小组利
10、用ATP（三磷酸腺苷）合酶的马达蛋白质驱动了一个超微螺旋推进器。这种蛋白质有一个轮子状的旋转头，位于嵌在细胞膜中的一个旋转轴上。研究人员将ATP合酶分子附着到金属表面上，这样旋转头会固定不动，而转轴发生转动。他们在旋转轴上装了一根镍杆，当蛋白质燃烧ATP时，镍杆就会像螺旋推进器一样转动。3/8/202322周期王国3/8/202323周期王国 碳60是由60个碳原子构成的，比一般碳分子多了5倍。更有趣的是，这些碳原子相联结的形式既不是构成石墨的层状结构，也不是构成金 刚石的锥状结构，而是形似足球的空心笼状结构。虽然C60不是一种空间正多面体，但它还是一种很完美的、对称性很强的空间多面体。C60
11、中每个碳原子与3个碳原子相连，共12个五元环（正五边形）与20个六元环（正六边形）构成C60的封闭多面体骨架。3/8/202324周期王国 碳60因其独特的原子 结构而具有独特的性格，它的强度是钢的200倍，它的硬度甚至超过了“以硬度之王”著称的金刚石。医疗可谓碳60大显神通的第一战场。由于碳60是一个形似足球的空 心笼状结构，因此球内恰好可供包裹治疗癌症的放射性元素，以便放射性元素在病人体内能准确对准癌细胞，而对其它健康细胞则无害。德拉瓦大学的科学家使用新碳材料 C60从空气中分离出了氧气和氮气，提供了低成本的生产氧气和氮气的方法。因为氧分子可以很快地通过用这种碳材料造的薄膜，比较大的氮分子
12、通过的速度快三十倍，所以可以很容易将氧从空气中分离出来。3/8/202325周期王国碳纳米管 它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为220nm。碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而导致纳米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时，纳米管则凹进。3/8/202326周期王国碳纳米管高强度碳纤维材料碳纳米管作为催化剂载体,锂离子电池
13、负极材料电双层电容极材料3/8/202327周期王国硅单质硅片硅片加工碳的邻居硅也不甘示弱，它在信息行业大显身手。在米粒大的硅片上，已能集成20万个晶体管，不但具有了海量的存储空间，更具有了强大的运算能力。3/8/202328周期王国有机硅 碳和硅这两个地区在近代联合起来了，它们所形成的碳基硅有机体使硅的用途扩展到信息技术领域，于是硅就被北面的碳征服处于从属地位。同时有机硅也应用在纺织、汽车、航天航空、建筑、化妆品、医疗等领域。然而，这只是碳基硅有机体的早期作用，硅的潜在能力还在不断的被挖掘。最为不可思议的事，硅终究会推翻北方的碳这一宗主儿担任其主要角色。硅的新陈代谢和复制过程不想碳那样难以完
14、成，因而硅必然具有更为持久的潜力。3/8/202329周期王国在北部海岸以南地区，特性变化并不明显。总的趋势是，越往南走，元素的非金属特性就逐渐被金属特性取代。砷的领地位于磷南面，磷可以赋予生命，而砷却是传统的毒药源。砷作为一种毒药，其毒性起因于它与磷非常相近但又有细微的差别。与磷的相近使它能参与磷所经历的反应；与磷的细微差别使它能导致细胞新陈代谢的紊乱。因而，砷具有巧妙的杀伤性，利用砷可以生产某些抑制传染病的药物。3/8/202330周期王国北岸的氟是剧毒物质，19世纪后期，首批化学探索者才进驻这片领地。直到20世纪中期，战争的迫切需要才刺激着人们对氟的研究，因为原子弹的制备过程中利用了具有
15、挥发性的六氟化铀。另外，氟可以用来在做牙齿的硬化剂。3/8/202331周期王国溴是非常容易得到的一种元素。溴能够附着在有机分子上，也能从有机分子上脱开，因此可以利用溴来改变有机分子，使之更加适合工业需要。溴在暗室中具有实用价值，利用溴化银的某些特殊光化学性能可加强显影效果。3/8/202332周期王国 稀土元素 从1794年发现元素钇，到1945年在铀的裂变物质中获得钷，前后经过151年的时间，人们才将元素周期表中17个性质相近的元素全部找到。他们的混合体，看起来有点象泥土，取名稀土元素。有人认为稀土元素的含量很少。其实，这些元素并不那么稀少。例如，铈在地壳中的含量与锡近乎相等，而钇钕镧都比
16、铅更丰富。其余的稀土元素，除钷外都不少于银，比金丰富得多。3/8/202333周期王国稀土元素具有神奇的光、电、磁性质，广泛应用于有色金属合金中，永磁材料，石油裂化催化剂，激光器，储氢等。稀土元素不光应用在工业方面，在医学方面应用也很广泛。稀土离子作为生物活性物质的结构探针，也是一个很重要的应用方面。3/8/202334周期王国稀土元素由于其离子半径、性质与钙十分相似，但钙离子属于惰气性结构，没有特征的光、电、磁性质，而稀土离子因具有不成对f电子而可以测量许多光、磁信号，从而可以将稀土离子取代生物体内重要活性物质，如金属蛋白、金属酶中的Ca，再测定稀土离子的一系列光、磁等特殊性质，从而推断Ca
17、在这些生物活性物质中的微结构。3/8/202335周期王国南方岛屿的开发南方岛屿的锕系元素的开发还归功于曼哈顿计划的实施。曼哈顿计划实际上是一项在这个岛屿上开垦荒地的计划，一些所谓“超铀元素”的发现和大量生产拓展了王国的领土，使南方这个狭长岛屿得以完整出现。一项类似的拓荒行动同样在大陆上施行，因而每隔几年南部海岸就会向旁侧地区扩大一些。但这些扩大的地区多少没有什么用处，因为他们很不稳定，存在时间也很短。3/8/202336周期王国美国陆军部于1942年6月开始实施的利用核裂变反应来研制原子弹的计划，亦称曼哈顿计划。为了先于纳粹德国制造出原子弹，该工程集中了当时西方国家(除纳粹德国外)最优秀的核
18、科学家，动员了10万多人参加这一工程，历时3年，耗资20亿美元，于1945年7月16日成功地进行了世界上第一次核爆炸，并按计划制造出两颗实用的原子弹。3/8/202337周期王国惰性气体惰性气体基本上不参与一切的化学反应，这并不意味着它们是王国中无用的领地。在某些情况下，正是由于缺少活性而使得它们有用，可以用它们提供局部的惰性环境。氦的沸点非常低，可以成为有用的制冷剂，现在它还是唯一的超导冷却剂。另外，通过惰性气体放电，能够发出艳丽的色彩，这一现象可用来生产霓虹灯。3/8/202338周期王国 王国的有些领地还处于沉寂状态。一个地区的元素没有被开发，一般说来有两个原因。一个是元素存在的数量极少
19、，人们对它只有概念上的了解，而不知它的储量。如钫，它属于超微量元素，在任何情况下整个地球只有17个钫的原子，不太可能去开发它们。二是有些元素具有放射性，整个南部海岸都有骷髅图形标志，警告人们回避。在这里，化学家们的兴趣减退，警惕心抑制了他们的求知欲。3/8/202339周期王国三、王国地形图三、王国地形图到现在为止，我们已经从空中大体上对万国进行了观察，并从远处看到各个领地以及他们起伏的变动规律。现在我们应该降落到地面上，在降落的地方我们可以详细研究这个国家的结构。把构成元素的各种原子的形象描绘出来，根据每块领地里原子的个性、形状和结构把每个领地区分开来。3/8/202340周期王国根据原子质
20、量绘制的王国示意图从东北方向观察，南方岛屿位于远处，氢在右前方突出位置，仅露出海面断层3/8/202341周期王国根据原子直径绘制的王国示意图起伏地段3/8/202342周期王国根据固体（包括固化气体）元素密度绘制的王国示意图铱铂返回3/8/202343周期王国四四、元素的发现过程、元素的发现过程化学界一些探险家的名字，大约从17世纪以后才流传下来。最早的新技术-火控制火，木材燃烧得到木炭提炼更多的矿石天然存在的金、银、硫3/8/202344周期王国虽然大气也是单质组成，但这在王国历史上很晚才认识到。1774年，有人利用遥远的太阳这一核子火焰发现了氧。18世纪，英国化学家，也是一位牧师，Jes
21、ephPriestley利用阳光聚焦分解氧化汞得到了令人提神的气泡。在此之前也由人报道过氧的制备，但并没有说明它是一种元素。氢在HenryCavendish承认为一种元素前就被制备出来了。鉴别出氢和氧以后，就像1781年Cavendish做的那样，很容易证明氢和氧这两种气体结合而成的水不是一种元素。CavendishHenry(1731-1810)3/8/202345周期王国 1800年伏打电池研制成功，电解法，作为一项非常特殊的技术，在新元素发现领域掀起一次空前的高潮。那些一般的化学方法不能得到的元素单质，在电流的冲击下逐渐的显现出来。1807年，Humphry Davy 几天之内就相继发现
22、了钾、钠两种金属。1808年，Humphry Davy 又先后提取出了镁、钙和锶。1810年，溴也被发现了，使我们恢复了对氯和溴的认识。王国的领地有了空前的扩展。volta3/8/202346周期王国1834-1907门捷列夫时期已知的元素1869年，DmitriMendeleev，他基本上按照现今的方式划分了王国，如此就可以更多的推测出新的领地，后来科学的实验结果证明了这种方法的效率。门捷列夫预测了“准硅”，并根据空白区所要求的条件和对硅的认识推测了准硅的特性。当锗、准硼（即钪）、准铝（即镓）相继被发现时，门捷列夫向世人证明了他的正确。MarieCurie是一位坚忍不拔的女探索者，她也正是一
23、门捷列夫的周期表为指导，根据镭北面邻居钡的特性，对镭可能具有的特性进行推测，并从数吨沥青铀矿中分理处放射性的镭。3/8/202347周期王国1894年，化学家威廉.拉姆塞发现从含氮化合物分解出的氮与从大气中分解获得的氮在密度上有差异，怀疑后者混有了不活泼的气体，通过分析发现了氩（取自希腊语“懒惰”），东部海岸边缘低地的第一块领地路出了它的外貌。随后相继发现了氖、氪、氙和氡。William Ramsay,18521916 3/8/202348周期王国曼哈顿计划的实施开拓了狭长的近海岛屿，即发现了锕系元素。在这其中，人们研究出一些特方法-尤其是色谱法，将几乎相同的锕系元素一一分离开来，又大大出尽了
24、镧西元素的分离。曼哈顿计划的另一项结果使人们可以使用包括回旋加速器、同步加速器和线性加速器等仪器研制出王国南部的高瞬变元素。靠近王国南方前哨阵地可能有一个未被发现的亚特兰蒂斯岛。虽然王国的南部海岸由瞬变元素的领地组成，但更往外去，在不稳定的海洋中存在着一个稳定的岛屿，这些元素或许比我们先进努力制备的那些元素存在的时间更长些。3/8/202349周期王国五、领地的命名五、领地的命名元素的命名可谓是五花八门。有根据化合物命名的，钠（sodium)、钾(pottasium)分别取自于碳酸钠(soda)和碳酸钾(potash)。沙漠偏东的金属起名情况也相同，如钙（calsium)取自氧化钙(calx)
25、，镁(magnesium)取自氧化镁(magnesia)。3/8/202350周期王国有些元素是根据颜色命名的。氯（chlorine)希腊文chloros“黄绿色”铷（rubidium)（深红色）钒（vanadium)能生成一系列彩虹色的化合物Venus女神3/8/202351周期王国溴（bromine)的命名取自嗅觉，拉丁文brome“恶臭”有些人在王国中得到了永久的和应有的纪念。如：艾伯特.爱因斯坦（AlbertEinstein)，封赠他领地锿（einsteinium)，恩里克.费米（EnricoFermi)，封赠他领地镄（fermium),德米特里.门捷列夫(DmitriMendetee
26、v)，封赠他领地钔（mendelevium)。3/8/202352周期王国希腊大地女神的儿子泰坦兄弟（Titans)力量强大，因而借用他们的名字为钛（titanium)命名。罗马神话中的传信之神飞毛腿莫丘利（Mercury),用来为快速流动水银（mercury)命名。镍（nickel)取自于德文的Nicel一词，意即为魔鬼（OldNick)撒旦。南方岛屿因为战斗目的而发现，多以战神的名字命名，如钚（plutium)用的是冥王普鲁托（Pluto)的名字。3/8/202353周期王国六、绘制王国地图的人们六、绘制王国地图的人们最初人们并未认识到，元素会构成一个理性的周期王国。虽然18世纪我们就对氢
27、、氧、铁、铜有所了解，至19世纪早期，已有好几十种元素的领地被开发，但当时认为它们只是互不相关的群岛，无规律的散布在浩瀚的大海上。3/8/202354周期王国时间进展代表人物及贡献1789-1859 元素周期律发现前的摸索阶段 1829年德贝莱纳制作了“元素组”1860-1889 周期律的发现和巩固阶段 法国化学家尚古多提出一个“螺旋图”的分类方法；1865年，英国化学家纽兰兹提出了“八音律”一说；1869年3月1日俄国化学家门捷列夫发现元素周期律和排出第一张周期表 1889-1909 周期系理论的考验和发展阶段 1894年拉姆赛和瑞利发现惰性气体氩，至1898年陆续发现氦、氪、氙和氖，并在表
28、中形成零族 1910-1945 周期律本质的揭示阶段 1911年卢瑟福发现原子的含核模型1913-1921年玻尔的原子模型 1945-1969锕系理论的提出和证实阶段西博格提出了锕系理论 1970年-至今周期表的延伸和更加完善阶段3/8/202355周期王国返回 1829年德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”观点，把当时已知的44种元素中的15种，分成5组，指出每组的三允素性质相似，而且中间元素的原子量等于较轻和较重的两个元素原子量之和的一半。例如钙、锡、钡，性质相似，铬的原子量大约是钙和钡的原子量之和的一半。氯、溴、碘以及银、钠、钾等元素也有类似的关系。然而只要认真一点，就会发现这样分类有许
29、多不能令人满意的地方，所以并没有引起化学家们的重视。3/8/202356周期王国 1862年，法国化学家尚古多提出一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按原子量的大小顺序标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上。因此他第一个指出了元素性质的周期性变化。可是他的报告照样无人理睬。返回3/8/202357周期王国 1865年，英国化学家纽兰兹提出了“八音律”一说。他把当时已知的元素按原子量递增顺序排列在表中，发现元素的性质有周期住的重复，第八个元素与第一个元素性质相近，就好象音乐中八音度的第八个音符有相似的重复一样。纽兰兹的工作同样被否定，当时的一些学者把
30、八音律斥之为幼稚的滑稽戏，有人甚至说：“为什么不按元素的字母顺序排列呢？那样，也许会得到更加意想不到的美妙效果。”“八音律”是存在许多错误，但是应该看到，从三元素组”到“八音律”都从不同的角度，逐步深入地探讨了各元素间的某些联系，使人们一步步逼近了科学的真理。返回3/8/202358周期王国俄国化学家门捷列夫终于从杂乱无章的元素中理出了头绪。1869年，他和德国化学家迈耶尔共同提出了元素表，虽然基本上与比古耶德尚库图和纽兰兹已经做过的一样，但是门捷列夫具有比他们更大的勇气和信心来宣扬他的观点，因此得到了世人的承认。首先，门捷列夫的周期表周期表（之所以称为周期表是因为表中相似化学性质的元素周期性
31、的重复出现）比纽兰兹的元素表复杂，而且也较接近目前认为正确的周期表。3/8/202359周期王国其次，按照元素性质的排法与根据原子量排成的次序有出入。然而门捷列夫认为性质重于原子量，于是大胆地改变原来的次序。最后证实他是对的。例如，原子量为12761的碲，若以原子量为准，则应排在原子量是12691的碘之后。但在该分栏的周期表中，把碲放在碘的前面可以把它置于性质和它极为相似的硒的下方；同时，这样一来，也就把碘置于和它性质相似的溴的下面了。3/8/202360周期王国最后，也是最重要的，门捷列夫毫不犹豫地在周期表上留下一些空格，并且信心十足地宣称一定还可以发现属于这些空格的元素。他还用表中待填补的
32、元素的上下元素的性质作为参考，指出三个待补元素的大致性状。3/8/202361周期王国门捷列夫非常幸运，在他有生之年，他所预测的三个元素都被发现了，因此他能亲眼目睹自己所建立的系统的成功。1875年，法国化学家勒科克德布瓦博德朗发现了遗漏的三个元素中的第一个，并命名为镓（是以“法国”的拉丁文来命名的）。1879年，瑞典化学家尼尔森发现了第二个，并命名为钪（是以“斯堪的纳维亚”来命名的）。而在1886年，德国化学家温克勒发现了第三个，并命名为锗（当然是以“德国”这个名字来命名的）。这三个元素的性质几乎和门捷列夫所预测的一样。3/8/202362周期王国 化学作为一门科学，从1661年英国化学家波
33、义耳提出物质组成的元素说开始建立，到现在只不过二百多年的历史。第一次是1808年英国化学家道尔顿提出原子学说。第二次是1869年俄国化学家门捷列夫发现了著名的化学元素周期律。恩格斯评价说。“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律，完成了科学上的一个勋业”。有人预计，化学键理论的研究将会引起第三次大突破。从1927年量子力学应用于化学开始化学健理论发展很快。它将揭示物质的性质和结构之间的本质联系，为研制新材料，探索新能减研究生命现象，模拟生命体内的化学变化等各方面提供充实的理论依据。美国杰出的化学家两次获得诺贝尔奖的鲍林指出：“化学键理论是化学家手中的金钥匙”。3/8/202363周期王国
34、 门捷列夫小传门捷列夫小传 门捷列夫被任命彼得堡大学化学讲师时，他仅22岁。在彼得堡大学，门捷列夫任教的头两门课程是理论化学和有机化学。当时流行的教科书几乎都是大量关于元素和物质的零散资料的杂乱堆积。怎样才能讲好课？门捷列大下决心考察和整理这些资料。3/8/202364周期王国 1859年，门捷列夫获准去德国海德堡本生实验室进行深造。两年中他集中精力研究了物理化学。他运用物理学的方法来观察化学过程，又根据物质的某些物理性质来研究它的化学结构，这就使他探索元素间内在联系的基础更宽阔和坚实。1860年，门捷列夫参加在德国卡尔斯鲁厄举行的第一届国际化学家会议。会上各国化学家的发言给门捷列夫以启迪，特
35、别是康尼查罗的发言和小册子。3/8/202365周期王国 门捷列夫是这样说：“我的周期律的决定性时刻在1860年，我参加卡尔斯鲁厄代表大会。在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲，正是他发现的原子量给我的工作以必要的参考材料，而正是当时，一种元素的性质随原子量递增而呈现周期性变化的基本思想冲击了我。”从此他有了明确的科研目标，并为此付出了艰巨的劳动。3/8/202366周期王国 从1862年起，他对283种物质逐个进行分析测定，这使他对许多物质和元素的性质有了更直观的认识。他分析根据元素综合性质而进行的元素分类时，他坚信元素原子量是元素的基本特征，同时发现性质相似的元素，它们的原子量并不相近
36、。相反一些性质不同的元素，它们的原子量反而相差较小。他紧紧抓住原子量与元素性质之间的关系作为突破口，他在每张卡片上写出一种元素的原子量和主要的性质。就象玩一副别具一格的元素纸牌一样，他反复排列这些卡片，终于发现：元素的性质随原子量的增加而呈周期往的变化。第一张元素周期表就这样产生了。3/8/202367周期王国互不打扰一天一位熟人到门捷列夫家串门，他喋喋不休地讲个不停。“我使你感到厌烦了吗？”客人最后问道。“不，没有.你说到哪儿去了。”门捷列夫回答说，“请讲吧，继续讲吧，你并不妨碍我，我在想自己的事.”3/8/202368周期王国返回3/8/202369周期王国七、原子核内部规律七、原子核内部
37、规律我们用鹅卵石表示某种物质的一个原子。19世纪初，道尔顿用实验方法仔细分析互相化合的一些物质质量，首先证实了这些鹅卵石的存在。在科学理论上，道尔顿的原子论是继拉瓦锡的氧化学说之后理论化学的又一次重大进步，他揭示出了一切化学现象的本质都是原子运动，明确了化学的研究对象，对化学真正成为一门学科具有重要意义，此后，化学及其相关学科得到了蓬勃发展。3/8/202370周期王国 1879年，英国剑桥大学卡文迪许实验室物理学家汤姆生利用阴极射线能被电场和磁场联合偏转的作用，测定了这种粒子的荷质比（即电荷与质量之比），实验表明，不论电极用什么材料制成和在阴权射线管中亢以什么样的气体，生成带负电的粒子其荷质
38、比都是相同的，说明它是原子的共同组成部分，这种粒子被称为电子。3/8/202371周期王国 第一个原子模型也要归功于汤姆生，也就是闻名的葡萄干布丁模型。他绘出原子为一球形，充满了正电荷，同时也有相同数目的负电荷(电子)。3/8/202372周期王国 1910年，同样是在卡文迪许实验室，欧内斯特.卢瑟福用放在带小孔的铅盒中的钋作放射源，放射出粒子，轰击金箔。3/8/202373周期王国预期的实验现象3/8/202374周期王国但实验的结果出人意料3/8/202375周期王国 1912年，卢瑟福的两个学生盖革和马斯登用实验证实了带正电的原子核的存在。卢瑟福估算出金原子核的正电荷，并得出几十个单位的
39、电量。于是他断定，原子中并没有成百上千的电子，最多只有几十个电子。卢瑟福是20世纪初最伟大的实验物理学家，他1908年获诺贝尔化学奖一生发表论文约215篇，著作6种，培养了10位诺贝尔奖获得者。3/8/202376周期王国某种元素的一个原子只具有一个表示其特性的原子序数，而它的质量却可以在一定范围内变动，这一认识使我们进一步探索原子核的结构。1932年，英国物理学家詹姆斯查德威克发现了中子，至此，原子核的结构基本明了了。3/8/202377周期王国原子核中的中子数不会使元素性质发生变化，但却能使元素的原子质量发生一定变化。原子核内的中子数一般与质子数相近（通常会多一些）。在王国的南部，中子数的
40、变化幅度逐渐增大，同时，中子所占的比例也逐渐增大，这是富含质子的的原子核得以牢固结合所要求的。例如，铀，原子核中含有92个质子，大约伴有150个中子，最常见的是146个。3/8/202378周期王国八、核外电子规律1927年量子力学应用于原子轨道描述，薛定谔提出了如下类似的模型。3/8/202379周期王国3/8/202380周期王国那么核外电子是如何排布的呢？最低能量原理，电子会占据能量最低的轨道。泡利不相容原理，即一个轨道不能有两个以上的电子存在。屏蔽效应，在多电子体系中，内层电子对外层电子的排斥作用减弱了原子核对外层电子的吸引力。穿透效应，在原子核附近出现几率较大的电子，可更多的避免其余
41、电子的屏蔽，受到核的较强吸引和更靠近核。3/8/202381周期王国那么同周期轨道的能量高低由什么决定呢？s轨道是内含密实核心的一个云团，这就意味着占据s轨道的电子，直接穿射到原子核心的概率不等于零。所以就s电子而言，原子核只是部分的受到屏蔽，穿透能力在一定程度上超过屏蔽效应。p轨道电子因为节面的存在而被排斥在外，原子核对它的作用更小，所以被原子核控制得并不牢固。换句话说，由于屏蔽和穿透效应这两种相反的作用，s轨道电子被原子核吸引的较紧，所以S轨道能量低于 p轨道。d轨道有两个节面，f轨道有三个节面，对电子的排斥力也随应增大。3/8/202382周期王国我们用王国的内部规律来解释王国中的地势图
42、根据原子质量绘制的王国示意图从东北方向观察，南方岛屿位于远处，氢在右前方突出位置，仅露出海面3/8/202383周期王国根据原子直径绘制的王国示意图起伏地段3/8/202384周期王国根据固体（包括固化气体）元素密度绘制的王国示意图铱铂3/8/202385周期王国九、王国起源大约150亿年以前，宇宙刚一形成，一些元素雨转眼间就降落下来。当时标志着宇宙开端的大爆炸，属于氢元素的北方近海岛屿从空荡荡的大海中露出，并在那里存在下来。3/8/202386周期王国恒星的诞生 星际间的云气因为万有引力的关系而互相吸引，使得密度越来越大，而组成云气的物质速度也越来越快，被此的碰撞也就愈趋频繁。如此一来，整个
43、系统的温度也就越来越高。这时热能的来源是物质之间的万有引力。当这原型星的中心密度与温度高到足以让氢原子核(也就是质子)克服彼此的静电斥力，而聚合在一起产生核融合的反应，一颗恒星就此诞生了。猎户座星云3/8/202387周期王国恒星的诞生 -氦在波涛汹涌的最阶段，氢原子之间猛烈撞击，原始风暴轰鸣咆哮。四个氢原子核融合成一个氦核的核融合反应是我们拿来定义恒星诞生的依据。这个核反应不只是恒星的主要能量来源，同时也是维持恒星结构稳定的原因。3/8/202388周期王国红巨星红巨星 -碳、氧碳、氧 恒星中心部分的氢用尽了之后，在最中心就只剩下氦原子核了。这个时候，因为中心温度还没有高到可以让氦原子核进一
44、步融合，于是恒星最内部充满了氦的核心部分就进一步由于万有引力的作用而收缩。在此同时，核心的外围仍然继续进行着氢融合成氦的反应，形成一个壳层燃烧壳层燃烧的现象。在这里我们借用燃烧一词来指称核融合反应。3/8/202389周期王国 我们的太阳在这个时候会变成一个红巨星。某些计算指出，太阳可能会膨胀到像地球公转轨道的范围这么大，也就是直径增大超过现在的100倍。到时候假如我们还在的话(或者假如地球还在的话)，太阳将会占去相当大的一部分天空。红巨星3/8/202390周期王国 当恒星内部核心继续收缩，使得温度升高到1亿度左右的时候，氦原子核就开始进行进一步的融合反应。这一阶段的核融合主要是把氦融合成碳
45、和氧氦融合成碳和氧，而放出能量。当恒星核心点燃氦融合反应之后，核心就不再收缩了，反而还因为融合反应所提供的能量而向外扩张了些。这时原先壳层燃烧的氢融合反应则因为扩张降温而略趋缓和。3/8/202391周期王国第二次红巨星阶段 恒星核心的氦终究也有用完的一天。通常这一段核心氦融合的阶段持续不到十分之一的主序列带生命期。这时，就像当时离开主序列带一样，恒星的整个体积开始膨胀，而最中心的部分则是一个向内塌缩的碳氧核心，加上外围两圈氦壳层燃烧以及氢壳层燃烧。太阳在这个阶段有可能会膨胀到充满整个火星绕太阳的公转轨道。这是太阳的第二次红巨星阶段。3/8/202392周期王国行星状星云 低质量的恒星在演化到
46、第二次红巨星阶段时，会散失大量的物质到它四周的空间去，而渐渐裸露出内部的核心。这时的核心主要是高温高密度的碳和氧所组成的。恒星四周的物质被高温的恒星所释放出的恒星风向外推，又接着被高温的热辐射持续照射，因此仍然闪闪发亮。螺旋星云3/8/202393周期王国 当人们第一次发现这样的天体时，因为它们在小望远镜里看起来就像木星一样，有个圆盘模样的影像，于是就把它们叫做行星状星云，而这个名字也就沿用至今。其实它们和行星是一点关系也没有的。爱斯基摩星云3/8/202394周期王国白矮星 在这个行星状星云的中央位置，我们可以看到有一颗星星。这就是恒星散失外层物质之后，所留下来的裸露核心。这残留下来的星体可
47、说是低质量恒星演化到最后的残骸。是什么力量可以抵挡万有引力让它维持稳定的结构呢?低质量恒星向内收缩的万有引力相对地比较小。因此当星球收缩到某个地方时，高密度所造成的电子简并压力就抵挡了万有引力，维持这样一个星球的稳定结构。这样的星球，因为温度高但体积小，所以叫做白矮星。猫眼星云3/8/202395周期王国 太阳，我们生命的守护神，最终将会变成这样子的一颗白矮星。白矮星会渐渐冷却，但是因为电子简并压力和温度没有关系，所以它并不会因为万有引力而塌缩下去。它只会一直冷却下去，变得越来越暗、越来越暗。3/8/202396周期王国 铁核的形成 大质量的恒星演化后期，中心的碳氧核心向内收缩时，因为质量够大
48、，内缩的万有引力够强，以致于电子简并的压力不足以抵挡万有引力，核心于是持续收缩，温度升高，直到碳和氧可以进行更进一步的融合反应，形成更重的元素，例如氖和镁。在核心部分，这样的收缩融合，再收缩融合，的过程一直接续发生，直到合成铁为止。3/8/202397周期王国 在这些过程当中，恒星的整个体积也是反复地膨胀与收缩，也因此有很剧烈的质量散失。它们喷发散失了大量的物质，造成这样特殊的景像。而事实上，它们接下来随时可能会发生的，则是更壮烈的事件超新星爆炸。手枪星3/8/202398周期王国 在恒星内部铁核形成之后，并没有进一步的核融合反应可以提供能量来抵挡万有引力的收缩。因此核心密度一再升高，整个核心
49、就像是一个超大的原子核一样。在接下来的某一瞬间，许多电子被质子捕捉，转变成中子。在这一瞬间，核心物质的性质顿时改变，变得坚硬了些。原先在这核心外围一起向内收缩的物质一下子反弹子出来，而把更外围较低密度的物质整个向外炸了开来。这就是超新星的爆炸。3/8/202399周期王国大质量的超新星爆炸后的核心区元素分布3/8/2023100周期王国 超新星爆炸除了往外炸开的残骸之外，原先核心部分仍继续向内塌缩。这时有两种可能的情况会发生。核心质量很大的，一般认为大约大于3到5个太阳质量，会一直塌缩下去，变成一种很奇怪的物体：黑洞黑洞。而质量较小的，因为万有引力相对地较小，当核心缩小，密度大到中子的简并压力
50、足以抵挡万有引力时，一个稳定的结构就可以形成。因为这样一个星球是由中子简并的压力在支撑着，所以叫做中子星中子星。3/8/2023101周期王国 伴随这整个过程的是极大的能量释放。首先是许多微中子带走了绝大部分的能量，而后向外炸开的物质，本身也具有很大的能量，使得这整个星球外围炸开的物质温度增高，且放出大量的光。之所以叫做超新星是因为它突然变得很亮，像一颗新出现的星星，并且常常有可能亮到几乎是一整个星系的亮度。在爆炸的那一瞬间，巨大的能量也使得许多比铁更重的元素得以形成，包括许多放射性元素。3/8/2023102周期王国十、元素的丰度十、元素的丰度为了观察王国的这一高低不平的地势，我们需要从氢、