第一章 元素地图
——化学教授拿着一副纸牌在玩
第二章 金属元素
【锡 】 金属竟然也怕冷
【钠】 “Na星人” 制造的诡异火球
我叫小娜(钠)
诸葛亮的军队在哑泉遇险
【铀】 即使消防员来救火,也要签名后才能上楼
【镭】两次荣获诺贝尔科学奖的科学家
【镉】 死于镉的美丽姑娘
第三章 非金属元素
【氯元素】 战场上的“啤酒桶”
[碳、硫]火烧赤壁
手指断案
【氢】 我要飞得更高
第四章 化学可乐
化学好可乐
让学习嗨起来
化学世界漫游(相声)
化学可乐
化学也幽默
染色馒头
我的化学分析报告
挖掘隐反应
跟踪元素追解化学题
突破化学解题中的思维惯性
学习其实也可以如此魅力四射
——化学教授拿着一副纸牌在玩
故事发生在1867年,在俄国彼德圣堡大学里有一个年轻的化学教授手里经常拿着一副纸牌,自己一个人来来回回地把玩。
人们很是纳闷,这个人不和大家一起玩牌,一个人把纸牌弄来弄去,有什么意思啊?
这个人就是化学家门捷列夫。
俄罗斯化学会一次学术讨论会上,学术讨论进行了三天了,学者们各抒己见纷纷发言,但门捷列夫始终没有发言。主持人问:“门捷列夫先生,您有什么见解?”门捷列夫从口袋里掏出一副纸牌甩在桌子上,在场的人都很诧异,这可是严肃的学术会,这里可不能玩牌。
门捷列夫沉着地把牌整理了一下,然后展示给学者们看,这不是一副普通的扑克,每张牌上写的是一种元素的名称、性质、原子量等,共63张,代表着当时已发现的63种元素。更怪的是,这副牌中有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。 门捷列夫真不愧为玩纸牌的老手,一会儿功夫就在桌子上列成一个牌阵:竖看就是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别各一列,横看那七种颜色的纸牌就像画出的光谱段,有规律地每隔七张就重复一次。接着,他有声有色地讲这些牌上的内容。这时门捷列夫的老师实在看不下去了,气愤地一拍桌子站起来,呵斥道:“快收起你这套魔术吧,身为教授、科学家,不在实验室里老老实实地做实验,却异想天开,摆摆纸牌就要发现什么规律,这些元素难道就由你这样随便摆布吗?……”门捷列夫的老师越说越气愤,愤怒地离开了会场,其他人见状也纷纷站起,这场讨论会散场了。
但门捷列夫并没有灰心,继续摆弄他的这副纸牌,当什么地方接连不上时,他就认为一定是还有新元素没被发现,他就暂时补一张空牌,这样他一口气预言了11种未知元素,那副牌已是74张。在随后的几年中,门捷列夫预言的11种元素陆续被发现,后来发现的氦、氖、氩、氪、氙和氡又给元素周期表增加了新的一族。
1875年元素镓、1880年元素钪、1886年元素锗的发现,三次验证了元素周期表的正确性。
1907年2月,73岁的门捷列夫去世了。
但他的元素周期表至今成为化学学习和研究的一张重要的指南图表。
在化学领域,并非只有门捷列夫在研究元素规律。1862年,法国有一个坎古杜瓦的科学家,第一次提出了元素随着原子量的变化,它们的化学性质也会呈周期性变化的问题。1864年,德国有一个化学家叫迈耶,按元素的原子量由小到大的顺序,制定了“六元素表”。1865年,英国的化学家纽兰兹又将已知的元素,按原子量的大小作了排列,他发现排到了第八个元素时,这个元素就和第一个元素的性质有某些相似之处,就是说元素的排列逢“八”就出现周期性。
纽兰兹为自己的发现也激动了一阵子。由于他爱好音乐,刚好音乐上有八个音阶,他便把自己的发现称为“八音律”,并画出了“八音律”表。不过,他的八音律表只是机械地按当时的原子量大小将元素排列起来,并没有揭示出元素之间的内在规律。所以,他的发现一直不被人重视。直到18年以后,即门捷列夫的元素周期表的重要性得到普遍承认以后,纽兰兹的成果才得到科学界的承认。
门捷列夫按元素的性质和原子量,初步制定了一个元素周期表,把当时已发现的62种化学元素排入周期表中,但总有三四个元素没法儿加进去,这是怎么回事呢?他继续思考着这个问题。连续的熬夜和过度用脑,让他十分因乏。一天晚上,他迷糊糊地进入梦乡,在梦中他依然在玩他的“纸牌”。突然,在他的眼前出现了一个更加完整的周期表。醒后,他根据梦中的记忆,重新画了一张元素周期表。当接连不上时,他判断这个位置的元素还没有被发现。他因此断定一共11种未发现的元素。这张表,实际上就是元素周期表的雏形。
不过,当他把元素周期表整理出来后,包括他的老师在内的欧洲许多科学家都不认可,但门捷列夫坚持认为自己是正确的。后来,他预留位置的11种元素,被陆续发现了,事实终于证明了他的研究是对的。
化学元素
谈了许多化学元素,但化学元素的含义是什么?它包括了自然界中的100多种基本物质——金属的和非金属的物质。这些物质只由一种原子组成,而原子中的每一核子具有同样数量的质子,用一般的化学方法又不能使它分解。我们身边常见的元素,有氢,氮和碳。到2012年为止,世界上总共发现了118种元素,其中94种是存在于地球上。
制定元素周期表的用处,第一个就是人们可以根据这张表,有计划、有目的的去寻找新元素。你想,既然元素是按原子量的大小有规律地排列,那么,两个原子量相差较大的元素之间,肯定会有一个还没有发现的元素。硼、铝、硅、锆等元素就是根据元素周期表找到的。后来,其他科学家又因此发现了镓、钪、锗等元素。如今,被发现的新元素远远超过上个世纪的数量。这些都应该归功于元素周期表。
元素周期表的第二个用处,就是可以矫正以前测得的原子量。根据元素周期律,许多以前测定的原于量并不准确。例如,以前测定铟的原子量是75,但根据元素周期表推算,它的原子量应该是113。经过后来的科学家实验,这个推算完全正确。再例如,1875年法国化学家布瓦博德朗发现了新元素——镓,测定它的原子量是59,但根据门捷列夫周期表,它的原子量应该是69.9。为什么出现了这个差别呢?原来,布瓦博德朗提炼出来的镓中,含有一定量的钠。后来,经过提纯,镓的原子量接近了元素周期表上的原子量数据。
元素周期表的第三个用处,就是通过周期表,证实了物质由量变引起质变的规律。例如,对立元素(金属和非金属)之间在对立的同时,也明显地存在着统一和过渡的关系。
化学小知识:
元素周期表中共有119种元素。将元素按照相对原子质量由小到大依次排列,并将化学性质相似的元素放在一个纵列。每一种元素都有一个序号,大小恰好等于该元素原子的核内质子数,这个序号称为原子序数。在周期表中,元素是以元素的原子序排列,最小的排行最前。表中一横行称为一个周期,一列称为一个族(8、9、10纵行为一个族)。原子的核外电子排布和性质有明显的规律性,科学家们是按原子序数递增排列,将电子层数相同的元素放在同一行,将最外层电子数相同的元素放在同一列。元素周期表有7个周期,16个族。每一个横行叫作一个周期,每一个纵行叫作一个族。这7个周期又可分成短周期(1、2、3)、长周期(4、5、6)和不完全周期(7)。共有16个族,又分为7个主族(ⅠA-ⅦA),7个副族(ⅠB-ⅦB),一个第Ⅷ族,一个零族。元素在周期表中的位置不仅反映了元素的原子结构,也显示了元素性质的递变规律和元素之间的内在联系。使其构成了一个完整的体系称为化学发展的重要里程碑之一。同一周期内,从左到右,元素核外电子层数相同,最外层电子数依次递增,原子半径递减(零族元素除外)。失电子能力逐渐减弱,获电子能力逐渐增强,金属性逐渐减弱,非金属性逐渐增强。元素的最高正氧化数从左到右递增(没有正价的除外),最低负氧化数从左到右递增(第一周期除外,第二周期的O、F元素除外)。同一族中,由上而下,最外层电子数相同,核外电子层数逐渐增多,原子序数递增,元素金属性递增,非金属性递减。元素周期表的意义重大,科学家正是用此来寻找新型元素及化合物。