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[转载]元素周期表——一个旨在理解万物本质的故事

已有 4432 次阅读 2019-4-4 17:25 |系统分类:观点评述| 征稿 |文章来源:转载

征稿启事

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2019年是元素周期表(Periodic Table of Elements)创立150周年,也是国际纯粹化学和应用化学联合会(IUPAC)成立100周年,联合国宣布将今年定为“化学元素周期表国际年”(www.iypt2019.org)。


《自然》、《科学》和《欧洲化学》等多本学术期刊都不约而同的推出了与之相关的专辑,介绍周期表和元素的故事。“赛先生”也计划推出一系列有关濒危元素(He, Ge, In, Ag...等)的文章。如果你了解这些濒危元素的故事,或者你正好在和这些元素打交道,欢迎投稿(saixiansheng@zhishifenzi.com),与我们分享〜 优秀作品将在“赛先生”微信号刊出,并有稿费报酬。

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“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……”


从中学到大学,元素周期表几乎陪伴我们走完整个化学课程,表上那些生疏的元素名称也随着学业的深入变得耳熟能详。可以说,看不懂元素周期表,就等于没有学过化学。


这张表将看似互不相关的元素统一起来,组成了一个完整的体系,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。它的发明,是化学发展史上的重要里程碑事件,对于促进科学进步具有重要意义。


人民教育出版社化学室颁布的元素周期表,被用于多本化学教材的附录。(图源:blog.sciencenet.cn)


元素周期表的创建

化学元素周期表向我们讲述了一个故事,一个旨在理解万物本质的故事。
奥德蕾·阿祖莱(现任联合国教科文组织总干事)


很多人与元素周期表的邂逅,可能源自初三第一本化学教材的附录。然而,即便是对化学了解不多的人,提起元素周期表,也会很容易联想到它的发明者—— 德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)。


1869年,俄国化学家门捷列夫按照相对原子质量由小到大排列,将当时已知的63种元素化学性质相似的放在同一纵行,编制出一张元素周期表。


门捷列夫并不是第一个试图总结元素规律的人,但他是第一个在周期表中为未知元素留下空白,并利用已经观察到的周期性对那些未知元素的性质进行预测的人。同时,他也清醒意识到当时的实验条件下对已有元素的表征可能存在误差,大胆调整了个别元素的排列顺序,从而更准确的体现了周期律。


门捷列夫与他当时创建的元素周期表,橙色标记处是他预测的三种未知元素。(图源:youtube.com)


随后的科学发展,证实了门捷列夫的论断。他在元素周期表中为未知元素留下的空位先后被填满——最初取名为类铝、类硼和类硅的元素,分别对应了1871年发现的镓、1880年发现的钪和1886年发现的锗。这些新元素的原子量、物理和化学性质都与门捷列夫的预言惊人相符,周期律的正确性由此得到了举世公认,门捷列夫作为元素周期系统主要发现者的地位也得到充分巩固。


恩格斯在《自然辩证法》一书中,曾将门捷列夫的贡献,与天文学家勒维烈利用天王星运行数据来准确预测海王星的存在和轨道的勋业相提并论。可惜的是,1906年门捷列夫以一票之差没能获得诺贝尔化学奖,但他不朽的科学业绩将永载科学史册。


之后,原子内部结构的奥秘被揭示,原子核里带正电的粒子决定了轨道上电子的数量,而这些电子的轨道结构在很大程度上又决定了元素的化学性质。于是,周期表编排依据由相对原子质量改为原子的质子数。人们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,外观也几经调整和扩展,最终形成如今普遍使用的元素周期表的形式。


一个都不能少

截至到2018年,元素周期表中已经有了118种元素。除去周期表第七行和表右下角的一些人造元素,正是这看似平淡无奇的近100种元素构成了包括我们人类自身在内的、姿态万千的整个物质世界。


如果从人类纯粹的生存需求出发,碳(C)、氢(H)、氮(N)和氧(O)是构成人机体的四种基础元素,但健康生活所必备的其他常量元素(如Na、Ca、P)和微量元素(如Zn、Fe、Se)有20种之多。这些元素的缺乏或过量都会对人的健康造成负面影响。


我们DNA里的氮元素,我们牙齿里的钙元素,我们血液里的铁元素,还有我们所吃食物里的碳元素,都是曾经宇宙大爆炸时的万千星辰散落后组成的,所以我们每一个人都是星尘。
卡尔·萨根(Carl Sagan,1934-1996,美国天文学家)


人类的需求并不会止步于满足基本生存。追溯一下人类发展的历程, 我们不难发现各种元素资源的开发和利用在促进人类文明发展过程所起的重要作用。


早在石器时代和陶器时代,人类已经开始广泛利用多种以非金属元素为主的天然矿物。而到了青铜器时代和铁器时代,铜、铁、铅,锡以及白银、黄金等很多金属矿藏被开采,人类通过掌握金属的冶炼技术提高了改造自然的能力。工业革命更是开启了人类认识元素世界的大门,已知元素的种类从门捷列夫时代的63种到如今的118种之多(其中还包含24种人造元素)。特别是二战后,以硅、锗等元素为基础的半导体材料异军突起,带领我们走向信息时代。


从某种意义上讲,一部人类文明史实际上也是一部元素资源的开发利用史。元素周期表的创建使人们在物质探索的过程中不再盲目随机,而是能够以此为向导,有目的寻找所需的元素及化合物,从而推动催化剂、半导体和药物等多个领域的研究进程。


直到如今,绝大多数元素在社会生产中找到了用武之地。下面这张元素周期表就形象地突出了每种元素的用途。例如,铬(Cr)元素下面画有一个水龙头的标识,因为铬在不锈钢厨具中应用广泛;而氟(F)元素下面是一个牙膏的图片,因为氟是防龋齿牙膏中重要成分。可以说,我们现在之所以能享受如此便捷和舒适的生活,与充分发挥每一种元素的特性密切相关。


突出每种元素用途的元素周期表(图源:allposters.com)


那些濒危的元素

不幸的是,地球上的元素储藏并非取之不尽用之不竭,由于人类的过度开采和使用,一些元素正面临着资源枯竭的风险。


2018年末,为了迎接即将到来的“国际元素周期表”年,总部设在布鲁塞尔的欧洲化学学会(European Chemical Society)发布了一张形似毕加索抽象画的“扭曲”元素周期表。


(图源:euchems.eu)


“How much is there? Is that Enough?” ——这副周期表开头的问句引人深思。图中每种元素所占面积的大小代表了其在地球上的丰度,制作者还用不同的颜色凸显那些在未来100年内在地球上有濒危风险的元素。


例如,周期表中位于第一位的氢(H)元素含量十分丰富,可以放心使用,但排在其后的氦(He)元素却在地球上面临着资源枯竭的严重风险。这主要由于氦通常以氦气形式存在,而氦气由于相对分子质量比空气小很多,非常容易逃离地球引力的束缚而流失。


值得一提的是,这张周期表还特别标注了那些在智能手机制造中需要使用的元素。31种带有智能手机标志的元素中,大部分都有被过量开采甚至濒临枯竭的危险,其中6种的预计使用寿命不超过100年。


以铟(In)元素为例,它广泛用于制造手机和平板电脑的触摸显示屏,但其在地壳中的分布少而分散,预计未来供求矛盾会逐渐显现。仅在中国,每年被淘汰替换的旧手机数量就多达近2亿部,然而据联合国环境规划署的预计,目前手机中铟元素的回收率还不到1%。


在日益严峻的现实面前,这张相貌独特的元素周期表也在督促人们思考如何采取措施保护那些濒危的元素,以实现可持续发展。未来,“赛先生”将开辟专栏——那些濒危的元素,向大家介绍一些濒危元素。我们希望通过这一栏目,让读者更多了解身边化学元素的重要价值,从而更好的从自身做起减少这些资源的浪费并促进循环再利用。



参考资料

[1] Tour of the Periodic Table:https://www.youtube.com/watch?v=1NwRNMfXC5c

[2] https://zh.wikipedia.org/zh/元素周期表

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_the_chemical_elements

[4] https://www.euchems.eu/the-periodic-table-and-us/

[5] 废旧手机堪称隐形金矿 回收渠道少、价格低、易泄隐私成难题:http://www.nbd.com.cn/articles/2017-01-23/1072303.html

[6] "USGS Mineral Commodity Summaries 2011" . USGS and USDI. Retrieved August 2, 2011


文章头图及封面图片来源:pixabay.com


注:原文近期发表于《赛先生》,题目有更改

https://mp.weixin.qq.com/s/HRbzGUguZLGXrp3bmL-QpA








https://wap.sciencenet.cn/blog-600576-1171460.html

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1 强涛

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