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世界科技全景百卷书: 破译化学密码
早在周期表发展的初期，化学密码的破译就在预言和寻找新元素的工作中发挥了惊人的威力。 20世纪以来，科学家们甚至根据科学和生产上的需要，直接根据元素周期表，也就是那些化学密码进行了不少成功的工作。 这里举几个真实的例子讲一讲。 1925年以前，由于电气工业的迅速发展，很需要一种金属作特殊灯丝材料，这种新金属应该比钨更优良才好。科学家按照这种金属应该具有的性质，推测出了它在周期表上应该“坐”的位置，就是和钨处在邻居地位的第75号那个未知元素。人们又返过来用这个位置上的密码推测了可能发现它的途径和方法，终于在1925年找到了它。这就是金属元素铼。 铼是在1925年几乎同时被两组科学家发现的。前一组是3位德国科学家，他们注意到在铂矿和一种叫铌铁矿的矿石中存在着72～74号元素及76～79号元素。根据元素周期律，他们判断，未知的75号元素可能会在其中存在。经过长时间的工作，铼的确被他们在这些矿石中发现了。新元素的名称就是以德国著名的河流莱茵河的名字命名的。 另一组从事寻找75号元素的，是几位捷克斯洛伐克科学家。他们根据同族元素性质相似这个规律推断，含有锰的矿物，也会含有铼。而且由于性质上的相似，锰和铼必然很难分离，这就有可能使锰的化合物中常常带有微量的铼。于是，他们采用一种当时新发明的用来测定微量物质的方法——极谱分析法分析了许多种锰矿，终于找到了铼的踪迹，并分离出了铼。 周期表上的密码，不仅可以用来发现新的元素，也可以用来寻找新的化合物。在这方面，一个很好的例子，就是新的冷冻剂的发现。 早期致冷机中常用的冷冻剂是氨和二氧化硫等物质。它们因为有强烈的刺激性臭味和较为严重的毒性，并且对于冷冻机械有强烈的腐蚀性，早就不受人们的欢迎了。可是，新的怜冻剂又该从哪儿去寻找呢？ 为了寻找新的冷冻剂，人们也来请周期表帮忙了。 人们已经知道，同一周期里的元素，非金属性越强，它的气态化合物的稳定性也会越大。而在同一主族中，却是非金属性越强，化合物的毒性越小。 根据这种规律，科学家们展开了用氟化物作为冷冻剂的研究。因为氟在第2周期中是最强的非金属，所以它的气态化合物是稳定的，它在第7主族中是非金属性最强的，因此毒性应该是最小的，或者说，氟化物应该是最理想的冷冻剂。根据这个推测，人们很快就发现了一个理想的含氟冷冻剂——氟利昂，学名叫二氟二氯甲烷。试验表明，它既稳定而又无毒性，同时，冷冻效率又很高。这个发现给工业上解决了一个大难题。 同族元素具有相似性质这个规律，在许多科学部门里发挥了作用。例如，人们在寻找新的药物时，它帮了大忙。 人们早就知道砷化合物是一种毒剂，常用的毒药砒霜就是三氧化二砷。但是，砷的化合物也有不少缺点。人们需要寻找一些新的毒剂来代替它，以便能更有效地杀灭对人类有害的动物和昆虫。应该到哪里去寻找新的毒剂呢？ 从周期表上看，和砷处于同一主族的元素，上有磷，下有锑，它们的化合物也应该具有毒性而又和砷化物不完全相同。对含磷化合物和含锑化合物的研究，使人们得到了一批又一批全新的农药。 在矿物的勘探上，周期表也大有用处。 地质学家们发现，性质相似的金属，往往藏在同一种矿物中，例如铜矿中常常含有银和金，钡盐矿物中也常常是既有锶也有钙…… 铜、银、金、钙、锶、钡，不都是同族元素吗！这个事实启发了地质学家，他们想到，对于那些稀有的和难于找到的金属，首先应该看看它们在周期表中的位置，看看它们的同族元素以及在邻近的位置上是些什么元素。如果这些元素的矿物中，有些是富矿或是容易得到的矿物，那就应该仔细查查这些矿物，说不定那些难于找到的稀有金属就藏在这些矿物当中呢！应用这种方法，地质学家们曾不止一次地找到了他们要寻找的稀有金属。 还有，在发展无线电电子学方面，周期表也曾建立过卓著的功勋。人们就是在周期表上从铝到砹那一条斜线上，找到了一个又一个介于金属和非金属之间的两性元素，它们都是良好的半导体。 不仅如此，周期表还帮助人们发展了新的学科。例如，具有重要军事意义的有机硅化学，就是在同族元素性能相似这个规律启发下，以含碳有机物为“模板”发展起来的。 应用周期表在各门学科中解决难题的事例，应用周期表发展了新学科的事例，还有很多很多，在这里就不再一一列举了。 月亮元素 贝采利乌斯是瑞典著名化学家。他一生中发现了硒、钍等化学元素，并测定了43种元素的原子量，提出了现代原子符号，并且第一次排列了当时已经知道的元素的原子量表。 在距斯德哥尔摩西北约60公里的地方，有一个叫法龙镇的地方。 法龙镇是瑞典历史悠久的一个矿区。它从 13世纪起就是一座重要的铜矿，同时还有黄铁矿的开采。瑞典的一些重要的硫酸工厂，都从这里获取黄铁矿的原料。 1817年，化学家贝采利乌斯曾参加了一家硫酸工厂的经营。这家工厂所用的原料就是来自法龙镇的黄铁矿。工厂的老板毕尤格林先生发现，利用法龙镇的黄铁矿所得的硫磺，在制取硫酸过程中，总会在铅室的底部凝结有红色粉末状物质：如果改用别处的硫磺为原料，在铅室的底部就没有这种现象发生。后来，毕尤格林就找了几位化学家一起去研究探讨这一现象。他们认为，在铅室底部沉积的物质中，可能含有砷。毕尤格林害怕烧灼砷会造成毒害事故，因此就不再采用法龙镇出产的黄铁矿了。 贝采利乌斯以一个化学家所特有的敏感，预见到这里面一定有在科学上值得探讨的内容。于是，他放弃了正在写的一册化学教程的工作，立即转入到分析这“红色物质”的工作中来。他首先燃烧了250千克法龙镇出产的黄铁矿，便得到了一定数量的硫磺。所沉淀的红色粉末，却只有3克左右。他仔细地分析了这3克物质，发现其中最主要的成分仍然是硫磺。贝采利乌斯把燃烧后的灰烬收集起来，再将它用试管加热。哎呀！这是什么味道？一股腐败蔬菜的臭味，直冲鼻子。贝采利乌斯被呛得有点受不了，头也痛起来了。他马上打开了实验室的窗户，苦苦地思索着。在他所熟悉的物质中，哪种元素燃烧后的味道是这样的呢？难道这正是“地球”？ 贝采利乌斯在激动之余立即挥笔写信给在英国的好友——伦敦的马塞特博士。告诉对方，被德国化学家克拉普罗兹命名为“地球”（拉丁文愿意）的元素碲也在这里发现了。信刚刚寄出去，他却又疑惑起来了。红色粉末燃烧的气味虽与克拉普罗兹实验时发现的气味相同，但并没有分离出碲的单质来。怎么能肯定里面一定是碲呢？于是，他开始深深地责备自己的不慎重。下一步的工作应该是找到碲单质，“以便对这种物质有一个较准确的概念”。 于是，贝采利乌斯便把铅室底部所沉积的红色粉末全部取出来，不厌其烦地进行了反复实验。经过多次认真分析、比较，认为这发出臭味的果然不是碲，而是一种从未被人们所认识的新的元素。1818年2月6日，贝采利乌斯写了一封信给马塞特博士，在信中他纠正了前次信中的错误，并把自己的新发现告诉给这位英国化学家。 “能够放出一种特殊臭味的那种物质，据我审慎研究之后得出结论，它是一种不溶于水的棕色物质……是一种具有燃烧性的单质，以前无人发现过，因此我特命名为Selenium（硒）。此字系由 Selene（月亮）变化而来，以表示此种物质与碲的性质相似。硒的化学性质，介于硫与碲之间；如再仔细加以比较，则与硫相近之点比碲更多些。” 自硒这个元素问世之后，很快就在人类生产和生活上发挥出它的重要作用。在城市马路的十字路口，都安装有指挥车辆行驶的红绿灯。而所谓“红灯”，就是在无色成分的玻璃里加一定量的硒制成的。在一些高大建筑物如博物馆、剧场的顶端也常常安装含有硒的玻璃制着的五角星，夜间看去，它像宝石似的闪闪发光。另外，硒对光非常敏感，在充足阳光的照射下，它的导电效能要比黑暗时大1000多倍！科学家就利用硒对光敏感的特殊功能，制成了光敏电阻、光电管、光电池等，用在自动控制、电视等技术上。硒的半导体功能更不能忽视，用它做成的用于无线电检波和整流的硒整流器，具有耐高温、电稳定性好，轻巧，能经受超负荷等优点。硒还被应用于橡胶工业、染料工业方面。 贝采利乌斯为我们找到了一种多么重要的元素啊！ 在这位化学家的一生中，除了发现月亮元素硒之外，还在他那间厨房兼 “实验室”中，先后发现了硅、钍、铈、锆等4种元素。 一个化学家，在他一生中能做出这样多的贡献，这在化学史上也是很少见的。后人为了纪念他为人类所做出的成就，在他的墓地建立了大理石的墓碑，并且把他在瓦浮松达的旧居重新进行修整，按原样保存下来，以供后人瞻仰。 锂盐治病 锂虽然是一种人们不太熟悉的元素，然而它却普遍地存在于地壳之中，几乎在所有的火成岩中都能找到锂盐的痕迹，在许多矿泉水中也都含有锂盐。早在锂元素发现以前（1817年由阿尔费德森发现），含锂盐的矿泉水具有治病的作用就已经为人们所认识。近代，锂盐在医疗上的应用也有了较大的发展，一个比较突出的例子就是碳酸锂（LiCO）可以用来治疗某些精神 2 3性疾病——癫狂症和精神压抑症。患有这种精神失调症的病人往往过分兴奋和过分压抑 （交替发生），并且这种病在开始时往往没有任何发病的征兆。 一位澳大利亚的精神病学家卡特便是第一位试验利用锂的化合物来控制这种精神病的医生，卡特还汇编了一些医学科学上的难题，并指出锂的化合物在医学界的应用可能达到一个全盛的时期。当时，人们便已经知道用锂盐制成的药片可以用来减轻痛风病。1944年卡特又发现，从某些英国的水井中取出来的水有助于治疗精神病，经过化验发现，这些井水中恰恰含有锂的化合物。 在寻找癫狂症——精神压抑证病因的过程中，卡特发现，由于甲状腺的过分活化或者过分不活化，则会引起这种精神失调症；在对患者进行临床观察时，卡特曾推测，有一种存在于尿中的物质可能是造成癫狂症和精神压抑症的主要原因。于是他就将某些癫狂病人的尿的试样有控制地注射到猪 （医学上的试验动物）的腹腔中去，结果发现猪果然中毒了。他猜测这种毒性分子可能就是尿酸。然而当卡特进一步想用尿酸做试验时却碰到了具体的困难，因为尿酸在水中的溶解度低 （每15000克水中只能溶解1克尿酸），于是他又考虑用尿酸盐来代替，其中尿酸锂的溶解度比较大（在380克水中就能溶解1克尿酸锂，是尿酸溶解度的40倍）。当给试验过的猪注射尿酸锂溶液以后，卡特出乎意外的发现这种试验动物中毒性现象大大减低。这就说明锂离子可以抵御尿酸所产生的毒性。于是卡特进一步用碳酸锂代替尿酸锂，试验取得了更好的效果，这便有力的证明了锂盐具有治疗癫狂症和精神压抑症的作用。当用大量的0.5％碳酸锂水溶液对试验用猪进行注射后，这种试验动物大略经过2小时的潜伏期以后，变得非常的无生气且感觉迟钝。只有当再用其他的药物对它刺激1～2小时后，这些试验用猪才恢复了正常的活力。 1948年后，卡特便开始把他的成果应用于临床试验，即用碳酸锂来治疗到他那儿就医的、有限的、比较合适的病人。在取得成功的那些病例中，有一个也是最引人注目的例子。这位患者已经51岁，他处在慢性的癫狂性的兴奋状态足足已有5年。他不肯休息一下，有时还要胡闹和捣乱，经常妨碍别人休息，因而成为被长期监护的对象。但是这位患者经过卡特医生三周的锂化合物的治疗以后，便开始安定下来，并且很快成为恢复期的病人。在以后，他又经过一段时间的观察，并继续服用了两个月的锂药剂，就完全康复了，并且很快地回到了原来的工作岗位。 自从1949年以来，许多科普和技术性刊物对卡特的工作给予了高度的评价，认为锂盐疗法可能帮助10万的患者从癫狂——精神压抑症的痛苦中解脱出来。并且很多制药工厂也相继生产出了碳酸锂。 从卡特的研究取得成功后，一直到今天为止，锂盐已经广泛地被用来治疗精神失调症，虽然锂的作用机理还有待于进一步探讨研究，但是它的治病效果却是肯定可靠的，并且也是非常惊人的。卡特的工作成果是十分宝贵的，因为他仅仅是用了一种简单的无机化合物，便能控制住难治的精神失调症，这在历史上也是一个奇迹。 从一个小气泡说起 科学家都有许多优秀的品质，明晰的洞察力，敏锐的思考秉性，是他们成功的要素之一。因此，科学家从来不会放过任何蛛丝马迹，一定要寻根究底，弄它个水落石出。 现在我们来说一个关于小气泡的故事。 18世纪，有一个英国人，他叫卡文迪许，是一位特别擅长研究气体的化学家。他曾详细的研究过氢气，并采用排水银集气法收集和研究了二氧化碳。他还研究了氢气和氧气化合的体积比，并确认大约2体积氢气和1体积氧气化合，生成物只有水等等。他的这些实验成果和研究的结论，都为发现氢是一种元素，否定水是一种单质及推翻当时的伪学说“燃素说”，提供了科学根据。 既然卡文迪许成天跟气体打交道，他必然也要拿空气、氮气（比确认氢气晚6年，比确认氧气早6年的时间确认的）等气体做实验。一次，卡文迪许利用放电的方法研究氢气、氧气和空气。结果，他发现了用空气做实验时，当其中的氢气、氧气和氮气（未被确定前叫“浊气”）及二氧化碳无可怀疑的都被消耗完了时，总会剩下一个小气泡，它的体积小得不足原有空气体积的 1/120。 卡文迪许和他的助手，当时做这个实验是十分艰苦的，由于他们用的是手摇静电起电机（不是现今的发电机），摇一阵子才能有一次火花放电，就在这一条件下，一次实验要不断的用手摇，经过20多天，方有结果。为了证实的确最后会剩留下一个小气泡，仅有一轮实验是不足为凭的。科学家就是那样的认真，绝不放过那一丁点的蛛丝马迹。 我们现在知道，空气中所含的不足百分之一的气体，是稀有气体 （氩、氖、氦、氪、氙）。 可惜的是，那时卡文迪许还没有从燃素说的影响中解脱出来，认为那是不同于“浊气”（氮气）的另一种“浊气”。 卡文迪许本人还有一个怪脾气，就是非常不擅于在社交活动中跟人交谈，几乎整天呆在实验室里。就这样，他不仅能把实验做得很精确，而且实验的记录都写得详细，但却很少发表。他拿不准的事 （诸如那个小气泡）更不会轻易的公开了。卡文迪许的实验记录，是他死后50多年，由别人整理发表的，这个小气泡的问题 （它到底是什么？）也就被积压到100多年后的公元1894年，才又引起了人们的注意。 稀有气体在空气中的含量实在太少了，它的性质又是那样的特别，要让从来不知有其物的人发现它，真是一件难以开始事。后来又是由于一点蛛丝马迹，才让人又想起了卡文迪许的发现。这还是从研究气体（包括空气）旧事重提的。 19世纪，继任剑桥大学卡文迪许实验室主任的英国物理学家瑞利，决定重新测定各种气体的密度，前后用了10多年的时间。由于他工作十分认真，加之有比过去更为精密的实验仪器，很多数据，经他之手而得到修正。瑞利测定的气体样品，总是每种都从各种途径来制取，分别提纯，分别测定，直到结果完全一致，才确认是可取的数据。 瑞利测定氮气密度时，一种方法是从空气中提取氮气。他用化学方法除掉了空气中的氧气、二氧化碳等气体后，剩下的气体（氮气）密度是每升1.2572克。另一种方法是用氨气（NH）分解（实际做法是氧化去氢）制氮 3气，但这一氮气的密度是每升1.2508克。两个数据相差只有0.0064克。几次重做，结果都是如此。 瑞利在这只有千分之五的微小差别面前，从头检查实验过程，确认无误，又用化学方法测定两种来源不同的氮气，并没有发现其中含有杂质。尽管瑞利对此百思不得其解，但他仍不放过这一问题，他写信给一家科学杂志社，介绍了实验情况，征求读者的解答，又在英国皇家学会的一次会议上，宣读了他的实验报告。 这种事情，放在常人眼前，会被看作微不足道的，而瑞利却如此严谨认真，终于在科学上有了重大的发现。 1984年，就在瑞利宣读了实验报告后，苏格兰的化学家莱姆塞，以过人的想象力告知瑞利说，这种由空气而得到的氮气里，一定含有一种未知的密度较大的气体。与此同时，他们又从别人那里得到了一个重要线索，那就是100多年前卡文迪许发现了的小气泡。 很快他们找出了卡文迪许的实验记录，瑞利照着做了，没用多久，果然得到了卡文迪许所说的那个小气泡。莱姆塞则用赤热镁粉吸收氮气的方法，也从空气中得到一种密度是氢气的19.086倍的气体。他们坚信，这是一种新的特殊气体，在各种条件下，跟所有金属、非金属都不发生化学反应。由此可以肯定它是一种元素，是跟以往所发现的元素不同，不是金属也不是非金属的新元素。 1894年的8月13日，他们在英国的科学城牛津召开的自然科学家代表大会上，正式宣布发现了一种奇怪的新元素并由大会公认给这种气体元素起了个名字，叫做“迟钝者”，用中文汉语音译叫“氩”。 其实1894年所发现的氩气，并不是纯净的氩气，而是五种稀有气体元素氦、氖、氩、氪、氙的混和物，只是其中氩的含量最多，它占空气中全部稀有气体体积的99.74％。 后来，莱姆塞的助手在莱姆塞的指导和委托下，终于又从空气中发现了另外四种稀有气体元素。 碱金属名称的由来 几乎所有的金属都有氢氧化物，金属的氢氧化物，在化学上都叫做碱，它是无机化合物中一个重要的物种，叫做碱类。 古时候，曾一度把所有碱性的物质都叫做碱。我国远古时代，人们在生活和生产实践中，早就使用有碱性的物质来进行一些特殊的反应了，如给陶瓷制品上釉，配料时多用生石灰，跟瓷土调成浆后，实为氧化钙的生石灰会跟水反应生成氢氧化钙，干后烧成时，氢氧化钙在高温下分解为氧化钙的同时，就跟瓷土中的二氧化硅反应生成熔点较低的硅酸钙，它冷却后便形成光滑不透水的釉。这就是利用氧化钙这一种碱性氧化物的碱性，跟二氧化硅这一酸性氧化物的酸性，从而能够化合生成盐（硅酸钙）的关系来造釉的，只是他们在做时，头脑里还没有酸和碱的概念。 我国古人用碱虽早，而认识碱较晚。大概在东汉末代，约为公元200年，已有一本叫做《神农本草经》的书上，就写有一种名为“卤碱”的药物。但时隔300多年后，南北朝时的大药物学家陶弘景，还不知道它是什么，又过了1000多年，明朝的大药物学家李时珍才解释说，由盐碱土浸出的汁液，经熬浓析盐后，冷下来卤水中会出现凝结如石的东西，就是卤碱。根据现在推测，它可能是氯化镁，碳酸钠等。碱字在我国古代有多种写法，从字的偏旁可知，它是出于卤、土、石，而状如石的物质，近年来才统一用碱字表示，它的内容也由原来泛指碱性物质改为专指化学上的碱了。 在西欧早些时候，也是把所有的碱性物质泛指为碱，后来又把碱性物质分为温和碱、苛性碱，并掌握了由温和碱 （即碳酸钾、钠）制苛性碱（即氢氧化钾、钠）的方法。直到公元1754年，由英国化学家布拉克通过实验，探明了温和碱、苛性碱和二氧化碳的关系后，仍然没有弄清这两种碱的化学成分。甚至当时的化学大师还把苛性碱当成金属氧化物，他就是英国的化学家拉瓦锡。他的根据是这些物质都有跟酸能反应的化学性质，既然其中的某些物质和氧化汞 （当时另有一个名称）会分解成汞和氧气，那末其他物质虽然当时无法能够分解，也必然是含有一种金属和氧了。 拉瓦锡在他的看法没有得到改变之前就死了，另一位英国化学家戴维接受了拉瓦锡的观点，并想用实验的方法来加以证实。这时正好是意大利物理学家伏打发明电池（由铜片锌片和稀硫酸组成的简单电池）后不久，已有人用电流电解水获得成功，戴维就想用电流去分解苛性钾，开始他电解了它的水溶液，结果只在阴阳电极上产生氢气和氧气，他意识到这是水被电解了，便改用加热使苛性钾熔化后电解的方法，他终于得到了金属钾，不久又用同样的方法制出了金属钠。钾、钠都是在1807年发现的。 10年后，瑞典的化学家阿尔费德森研究一种矿石时，发现其中含有一种类似于钾、钠的元素，就想把它制成金属，但没有成功。戴维得知这一消息后，用了极强大的电流，才制出极少一点金属，后来它被起名叫“石头中的隐士”（大意），汉语的音译名称叫“锂”，直到1855年有人（德人本生和马提生）用熔融的氯化锂电解，才得到了较多的金属锂，方有条件来研究它的性质。 1859年，本生和另一位德国物理学家基尔霍夫发明了分光镜，人们开始用它来寻找未知元素，本生就用了这台仪器，于1860年发现了元素铯，数月之后又发现了元素铷。用分光镜看铯在火焰光中线条是蓝色，铷的光亮线条是深红色，就分别用“色如蓝天”和“红色超群”的意思来命名，中文完全是音译，“铯”、“铷”两字，就再也看不出它们蓝、红的特色来了。 锂、钠、钾、铷、铯五种性质相似的金属元素，前后用了50多年的时间，都被相继的发现了。它们的化学性质极为相似，它们的原子量一个比一个大，化学活动性一个比一个强，以及根据原子量大小和性质上的差别，跟别的元素进行对比，都给科学家为元素的分类，提供了极有价值的材料。 1829年，德国人德贝莱纳首先对元素原子量和化学性质之间的关系进行研究，从当时已知的54种元素中，找出了性质相似的元素组，每组包括有3种元素，而在这3种元素中位置在中间的元素的原子量，差不多是前后两元素原子量的平均值，而化学活泼性也正好位于两者之间。他就以氧原子量为100做标准，列出了锂、钠、钾三者的这一关系是：Li=95.310 Na=290.897K=489.916 （Li+K）/2=（95.310+489.916）/2=292.631≈Na） 后来，又有人找出多种元素的原子量和元素性质的关系。直到1869年，俄国化学家门捷列夫发表了他所编制的第一张元素周期律表里，就把锂、钠、钾、铷、铯排在一行中了。这种元素分类系统表，几经补充和修改，成了举世皆知的元素周期表，锂、钠、钾、铷、铯、位居其中的第一个纵行，最下面又加上一种放射性元素饬，这六种元素，除了化学性质一个比一个更活泼外，它们的氢氧化物都是易溶于水，苛性最强的碱，所以把它们统称为碱金属，而对元素周期表来说，这一纵行的名称叫做碱金属元素族。 有发现才有发展 科学家都是对其身边的事物和现象十分注意和敏感并有所发现的人，他们又是勤于思考善于分析的人。科学是客观存在的，经过人们的发现、思考和分析，才能成为人类文明的象征，给社会带来物质的和精神的财富。下面我们就来说说有关化合价的故事。 化学上在建立了原子、分子和原子量的初步概念之后，随即在测定物质组成的实验基础上，确立了大量化合物的化学式。即便是当时的实验手段粗陋，原子量的数据不准确，写出化学式有不少是错的。科学家们就注意到化合物中各元素原子间，相互结合的数目，存在某些有趣的关系。这一事件是从19世纪50年代后开始被人们观察到的。 1852年，英国化学家富朗克兰德（1825～1899）先研究了有机化合物接着又研究了很多无机化合物的组成化学式之后，在一篇文章中写道：“无机化合物的化学式被承认以后，甚至从表面可以看出，它们在结构上存在对称性，……”他在这里所说的“结构上的对称性”，不是我们现在所知的诸如分子中原子排列的结构对称，而是指不同元素的一个原子，有些只能跟另一元素一个原子相结合，有些则能与另一元素的两个原子相结合，还有能跟三个原子、四个原子相结合的等等。当时他举氮、磷、砷、锑有NH3、PH3、ASH3、SbH3等化合物 （另外还有一些化学式是错的）后指出：“在这样的比例下，它们的亲合力得到满足”。 所谓的亲合力，是西欧十三、十四世纪时的炼金术士们，从主观的唯心主义出发，提出来的拟人化了的说法。他们认为两种物质间，像人一样，只有相亲、相爱才能结合。富朗克兰德在借用这一词时他还说：“一切化学元素，当生成化合物时，与之相化合的原子 （如 H、 O、I、 Cl），在性质上尽管差别很大，但它吸引这些元素的 ‘化合力’（即亲合力），却总是要求结合一定数目的原子为满足”。他用“结合一定数目的原子”解释亲合力，已经有了较明确的化合价概念。 1857年，德国著名的有机化学家凯库勒根据当时的事实和理论上的成就，指出：“不同元素的原子相化合时，总是倾向于遵循亲合力单位数是等价的原则。”在这位化学家的说法中，“亲合力”发展成为“亲合力单位”而量化了，这样他看来，元素氮、磷、砷的亲合力是等价的，即它们的亲合力单位都等于3，它们所结合的氢原子都是3个，按亲合力等价原则，三个氢原子亲合力单位总和也是3，那么，氢原子亲合力单位应该等于1。这样的推理，跟我们现在有关化合价的计算方法是一致的。 但是，当时凯库勒对“亲合力”有一个片面的认识，他认为一种元素只有一个固定的亲合力单位，如磷元素，他认为只有3，因此有固定的化合物PH和 PC1。而实际上磷还有5价的氯化物 PCl，他则辩解说成化学式是 3 3 5PCl·Cl。 3 2 1864年，德国科学家迈尔建议用“原子价”一词来代替原子的“亲合力单位”，由此“原子价”成为定型的学说，并逐步发展成为化合价理论。 有趣的是在原子价概念形成和发展的同时，有些还要更早一些，有关的化学学说已经或正在提出了定比定律 （1799年正式提出到 1860年辩论结束）、分子学说（由阿佛加德罗提出于1811年，到1860年才被人承认）以及干扰和阻碍科学发展的亲合力说。就已经从各个方面预示着要产生有关原子间相结合的统一新概念，即原子价的概念了。由此可以看出，科学概念都不是孤立发生发展的，原子价概念的建立也是这样，而且由于原子价能反映各种元素的一种化学性质，使不同元素之间，有了可比的量化标准， （另外还有原子量），为化学元素周期律的形成，提供了重要的素材。 本世纪以来，物理学家和化学家们的共同努力，发现了原子内部的秘密，用原子的价电子理论很好的解释了古老的化合价概念，并发展形成了物质构成的价健理论。科学家以更新的理论为武器，对物质性质的认识，对合成新物质的尝试，对未来科学的预见，对伪科学的甄别判断，都能做到心 中有数，情理在握了。 科学的发展是了不起的，但是不断的发现，才能为科学的发展提供连续的落脚点。而这些落脚点，既可能是旧问题的终点，也可能是新问题的起点。科学的进步史，就是从发现中有发展，从发展中又有新发现的历史。 解开元素天书之谜 我们现在都知道，在化学元素周期表中，除了第七周期的后面以外，其他的位置上，都已经各就其位，被已知的化学元素排满了。它们的顺序是严格的，不能任意的调换位置，更不可能在它们之间，插入一种新的元素。要有新元素出现，它也只能理所当然的，接着第七期的元素往后排。而且是只依其本身的特征，不依其发现的早晚，该排在什么位置，就固定的排在什么位置上。 人类掌握了自然界的奥秘，没有比元素周期表所反映的事实，更精彩、更天衣无缝的了。 下面我们就来简要的介绍有关元素周期律的创立及元素周期表的产生和发展的故事。 远古时期的人，不知什么是元素，对单质和化合物也不会加以区分。但他们从哲学的观点，有类似元素的所谓“原质”的概念，认为水、土、气、火、金、木等，按不同的比例组合，就能构成宇宙万物。到了16世纪，炼金术士和医药学家们，又增加了硫磺、水银、盐、油等物。直到17世纪中叶，由于科学实验的兴起，积累了一些物质变化的具体事实，才初步认识到，有解决关于元素概念的必要。 1661年英国学者波义耳提出了元素的概念，他说“……那些原始的和简单的，或是完全未混合的物质。这些物质不是由其他物质所构成，也不是相互形成的，而是直接构成称为完全混合的物体的组成部分，而它们进入物体后，最终也会分解。”这个概念被他叙述得如此费劲，现在的科学概念，几乎找不到这样长的文字描写。这在当时还没有原子、分子、单质、化合物等的概念，波义耳也就只能如此了。 就在波义耳建立了元素概念后的100多年中，人们发现了一些新元素，特别是燃素说兴起和死亡，元素概念才逐渐广泛的被人们所接受，从而出现了由拉瓦锡编制的第一张元素分类表。 1789年拉瓦锡在他发表的著作中，对波义耳所下元素的定义表示赞同以外，还补充说元素是“化学分析所达到的终点”。这样说就比波义耳的长篇大论更加确切了。同时他列出了一张元素分类表，包括有气体、非金属、金属和土质四类共33种。但其中光、热、石灰等也被他当成元素。可见他只是从物质外观去分类，并没有而且他当时也不可能，把各种元素按本质上的区别来加以分类。 由表及里揭示元素的本质，是从测定了元素的原子量之后，逐渐有了头绪的。 19世纪初，英国学者道尔顿提出了原子论，并认为原子应有一定的重量。他知道原子很小，无法测出绝对质量，就采用对比方法，人为的定出一个原子为基准，其他原子的质量就能以最简比的方法得到一个相对数。 最早道尔顿把氧的原子量定为5.5，后又修改为7。接着，瑞典化学家贝采里乌斯，分析他人的实验成果，自己再进行精密测定，通过思考，在1826年发表的原子量表中，氢的原子量为1，氧的原子量为16.02，还有碳、硫等其他共40多种元素的原子量。那些数据跟现代原子量表上所列的基本上是接近的。 元素有原子量，尽管其数值不够精确时，就有人开始注意到，元素性质跟其原子量之间，必有某种联系，并尝试着据此对它们进行分类。从19世纪的第2个年代（1819）起，整整经过50年，元素的分类，终于以一张周期表的形式固定下来了。 这里说一张周期表，并非指仅此一页纸上，某人所编的表。这一张表是无数科学家的心血结晶。1869年前后起有了它，我们现在化学课本中还是它，它的基本结构是谁也改变不了的。过去，科学家们发现了它，现在科学家们在运用它所反映的万物之本的规律时，还在不断的发展它。 人们一说到元素周期表，就要提到俄国化学家门捷列夫。其实，早在门氏之前，德国人德柏莱纳在1819年，发现钙、锶、钡三种氧化物的式量（当时也没有分子及分子量的概念，用他自认为是原子量的数值），大者与小者的平均数，接近于居中者。后来他又发现了一些别的元素也有类似的情况，进一步扩大了“三元素组”的组数。 1850年德国人培屯科斐把已知的“三元素组”并列，发现性质相似的元素，并不只限于三种。此后的几年里，又有美国人库克，法国人杜马和德国人本生等，在研究了三元素组的基础上提出了在同组元素原子量之间，有一定的数学计算规律的初步看法。 1862年，法国矿物学家陈库尔杜斯，提出了关于元素的性质就是数的变化的论点。他把当时认为的元素62种，按原子量（并不精确而且有错）大小，标记在一个绕着圆柱体上升的螺旋线上。从中可以看到某些性质相似的元素；都基本上各处在一条条由上到下的垂直平行线上。他把论文、图表和模型交到了巴黎科学院，遗憾的是被积压了将近30年后才发表。 其后，还有德国人欧德林和迈尔分别发表了原子量（1964年）、原子符号（即元素符号）表和六元素表，英国人纽兰兹发表了元素的“八音律”表 （1865年）。 在1869年以前，人们对元素的知识进行总结和归纳，出现了形形色色的 “图”、“组”、“律”等，有几十种之多。他们的研究工作，一步步的向真理逼近，为发现元素周期律创造了条件。 同时，由1819年到1869年的这50年间，化学上相继发现新元素，改进了测定原子量的方法，有了元素化合价概念，等等。这些又都为更科学、更完整、更严密的编制元素周期表提供了丰富的素材。 门捷列夫本人的工作成果，无疑具有划时代的伟大意义。 由于原子内部构造的秘密，被现代的科学技术所揭露，元素周期律和周期表，有了更新的含义。化学科学和原子物理学，从周期表中得到营养，又为周期表的存在补充了生命力。 元素的身份证 化学上靠着五光十色，竟能发现新的元素，或探索已知元素的踪迹，似乎令人费解。 原来元素天生的都各有一张身份证，上面印有五光十色的线条，谁也不能伪造。凭着这一身份证，无论元素藏在哪里，或含量极其稀少，科学家们都能把它识别出来。 光，一般人常称为光线，一般的人和动物都能感受到它的存在，绿色植物也能对它做出相应的反应。在阳光普照下，人们习以为常，不以为奇，但光在物理学家们眼里，长期对之感到普通而可见，神秘而莫测，特别是在1666年，物理学家牛顿，发现一束白光在三棱镜片下，竟然成为一条彩色带，其中红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，就像雨后转晴的天空，出现的彩虹那样，从此物理学中，就兴起了光谱学这一个分支。 不同的光源发出不同颜色的光，本是很平常的事，自从有了光谱学，物理学家和化学家们，开始研究不同色光的光谱有什么不同，由此发现，不同元素有不同的光谱，并明确提出观测光谱，可以简便地检出某种元素，甚至可以将其他星球上的元素检验出来。 人类古代所使用和发现的元素，如碳、硫、金、银、铜、汞、铅、铁、锡、锑等，有的是自然界天然就有的，有的简单加热或用炭还原就能从矿石中得到，人类仅知道有这些元素（当然当时不会称它们为元素）的状况，一直维持到公元纪年开始，接着由于流行炼金和炼丹以及制药等实验活动，在1000多年的时间里，又相继发现了一些元素，如锌、砷、磷等。18世纪初，欧洲兴起了燃素说，促进了实验化学的发展，相继又发现了不少的元素，氢、氧、氮、氯、氟、锰等。但在这一世纪100年的时间里，发现的元素也只有18种。 到了18世纪后期，拉瓦锡把当时已知的33种元素做了分类，分为气体元素，非金属、金属等，但他在这一分类的体系中，把光也当成一种气体元素，热也被他当成一种气体元素。而对发现了十多年之久的氯，因有些争议，就被排除在气体元素之外，错误的称它为“盐酸基”。毕竟这是元素分类工作的起点，对当时理解元素，是由于理论和技术水平所限，或是弄不清它们的本质，或是不能使它们再分解罢了，而他的基本观点是正确的，这在当时，已是十分难能可贵的了。 18世纪末期，意大利物理学家伏特在 1792年～1796年间，发明了铜片、锌片在稀硫酸中组成的简单电他，这种简单的化学电源，被化学家们纷纷采用，做了许多电解的实验。弄清楚了许多物质的组成；并发现和制出了多种金属元素的单质。其中首推英国化学家戴维所取得的成果最大。 戴维生于1778年，17岁时到一家药房当学徒，这期间他自学化学，特别爱做化学实验，酒杯、烟斗等物，都被他用来当作化学仪器。23岁的戴维，就被推荐到英国化学皇家学院，担任化学助教和实验指导，他在英国皇家学院任职期间，突出成就之一，是他用电解的方法发现和分离出钾、钠、钙、镁、钡和锶等6种金属元素，在很短而不到两年时间里，由一个人发现五、六种元素，这在化学元素发展史上，是绝无仅有的事，戴维的成就在于他使用的方法得当，同时也是他对这元素的存在，都已有了先见之明。 真正能够使人对某元素的是否存在，能够有所发现的，还靠了各种元素的特殊光谱。 1860年德国科学家本生和基尔霍夫两人合作，研制发明了分光镜，它的构造是将被测光源，已知光源和目测镜，从可旋转位移的目测镜中观察，将被测光谱对照，就能准确无误的检查发出被测光源的物质中含有什么元素，从而也可以发现人们未知的新元素。1860年和1861年，他们两人就是从光谱分析中，相继发现了铯 （Cs）和铷（Rb）两种新元素。铯和铷是比钾还活泼的金属元素，可用电解的方法制出单质，但必需有大量含铯或铷的某种纯净的化合物，进行操作才是可行的，本生和基尔霍夫虽然没有制出铯和铷单质，但他们的发现是被公认的，并被载入了化学元素发现史册。 有趣的是稀有气体氦，最初是用分光镜观察日食时，发现月球上有它，27年后的1895年，同是用了分光镜，发现了地球上也有它。地球大气中氦的含量占大气总体积的百万分之五点二（5.2ppm）。要从大气中直接发现氦的存在，几乎是不可能的。而从空气中提取并制得纯氦，则更是近几十年，有了精密分馏空气设备以后的事情了。 元素的光谱，又叫发射光谱，实在太有用了，如果仅把它当着元素的身份证，那就太低估了它的科学价值。 人们研究了氢光谱，计算了光谱中各线条所在位置的相应波长，创立了行星系水平的原子结构学说，从理论上推导出氢原子核外电子离核所在的位置和运动规律。这是本世纪初，物理学的巨大成就之一。后来，原子结构理论，仍是根据光谱的这一事实，又有了新发展，而且跟化学结合得更紧密。其中的基础知识、主要结论及联系化学实际的一些情况，在中学化学里都有介绍。 原子核的加法 早在2400多年前，古希腊著名哲学家德谟克利特提出“原子”这一概念时，“原子”的希腊文原意是“不可再分割”的意思。 但放射性元素的发现，却说明原子并非“不可分割”。 前苏联科学文艺作家伊林，曾用非常通俗的比喻，说明了原子核裂变的原理：“就好像你把3枚5分的铜币锁在抽屉里。过了几天，你发现抽屉里的5分铜币不是3枚，而只有2枚了。那第三枚5分铜币自己说成了3分的和2分的铜币了”。这就是说，原子核的分裂，就好像5分铜币兑成3分、2分的铜币。 随着人们对放射现象的深入研究，也就逐渐认清了化学元素的真面目。 在1911年～1913年，科学家开始弄清楚原子是由原子核和电子组成的。电子围绕着原子核飞快地旋转。 那么原子核又是由什么组成的呢？放射现象说明了，铀、镭等放射性元素的原子核会不断分裂。那么也就是说，原子核是可分的，它是由更小的微粒组成的。 在1932年，人们终于揭开了原子核的秘密：即原子核是由质子和中子组成的。质子、中子都比电子要大得多，质子的质量是电子质量的1836倍，中子的质量是电子质量的1839倍，质子是带正电的微粒，而中子不带电，是中性的微粒。 自从揭开了原子核的秘密之后，人们便开始认识了元素的本质：氢是第1号元素，它的原子核中含有1个质子；氦是第2号元素，它的原子核中含有2个质子；碳是第6号元素，它的原子核中含有6个质子……铀是第92号元素，它的原子核中就含有92个质子。也就是说，元素的原子核中的质子数，就等于它在元素周期表上的原子序数。 这样一来，关于错综复杂的种种化学元素之间也变得非常简单：化学元素的不同，便在于它们的原子核中质子的个数不同！原子核中质子数相同的一类原子，便属于同一种化学元素。 由此看来，在原子核中举足轻重的质子，它的多少决定了原子的命运，原子的性质。然而，中子起什么作用呢？ 人们经过仔细研究，发现同一元素的原子核中，虽然质子数相同，但中子数有时却不一样。比如，普通的氢的原子核，只含有1个质子；有一种氢原子的原子核，除了含有1个质子外，还含有1个中子，叫做“氘”或“重氢”，还有一种氢原子的原子核，含有1个质子和2个中子，叫做“氚”或 “超重氢”。氢、氘、氚都属于氢元素，但它们由于原子核中的中子数不相同，因而脾气也不一样，被叫做“同位素”。 开始，人们对放射性元素，会变成铅和氦，感到不可思议。这时，就可以得到正确地解释：镭是88号元素，它的原子核中含有88个质子。它的原子核分裂后，变成4块碎片。在那块大的碎片中，含有82个质子，也就是82号元素——正好是铅；在那3块小的碎片中，含有多少个质子呢？用88减去82，剩6个质子，而3块碎片是一样大小的，也就是各含有2个质子——2号元素，正好是氦！ 这样一来，放射现象即原子核分裂，无非是一种特殊的“减法”罢了。 这就给了人们一个重要的启示：可不可以进行特殊的“加法”呢？比如说，那个43号元素，一直找不到，而42号元素——朝是人们熟知的。能不能运用“加法”，往钼的原子核中“加”上一个质子，岂不就可以人工地制造出43号元素吗？ 这种原子核的“加法”，又燃起了人们寻找失踪元素的热情，于是，人们又继续探根求源，千方百计去找寻失踪元素。 填补空白 要想往一个原子核里加一个质子或别的什么东西，并不是那么容易的事。 从1925年起，整整经过9个年头——直到1934年，法国科学家弗列特里克·约里奥·居里和他的妻子伊雷娜·约里奥·居里 （即镭的发现者居里夫人的女儿）才找到了进行原子“加法”的方法。 当时，他们在巴黎的镭学研究院里工作。他们发现，有一种放射性元素—84号元素钋的原子核，在分裂的时候，会以极高的速度发射出它的“碎片”——氦原子核。在氦原子核里，含有2个质子。 于是，他们就运用这氦作为“炮弹”，去向金属铝板“开火”。出现了奇迹，铝竟变成了磷！ 铝，银闪闪的，是一种金属，磷，却是非金属。铝怎么能变成磷呢？ 用“加法”一算，事情就很明白： 铝是13号元素，它的原子核中含有13个质子。当氦原子核以极高的速度向它冲击过来时，它便吸收了氦原子核。氦核中含有2个质子。 13+2=15 于是，形成了一个含有15个质子的新的原子核。那么15号元素是什么？ 15号元素便是磷！ 就这样，铝好像变魔术似的，变成了另外一种元素——磷！ 不久美国物理学家劳伦斯发明了一种很神奇的装置——回旋加速器。在这种加速器中，可以把某些原子核加速。这些原子核便像“炮弹”似的以极高的速度向另外的原子核进行轰击。这样一来，为人工制造新元素创造了更加有利的条件，劳伦斯因此而获得了诺贝尔物理学奖金。 1937年，劳伦斯在回旋加速器中，用含有1个质子的氘原子核去“轰击”42号元素——钼，结果制得了第 43号新元素。 鉴于以前人们接连宣称发现失踪元素，而后来又被一一推翻，因此劳伦斯这一次特别慎重。他把自己制得的新元素，送给了著名的意大利化学家西格雷，请他鉴定。西格雷又找了另一位意大利化学家佩里埃仔细地对其性质进行分析。最后，由这两位化学家向世界郑重宣布——人们寻找多年的 43号元素，终于被劳伦斯制成了。这两位化学家把这新元素命名为“锝”，希腊的原意是“人工制造的”。 锝，便成了第一个人造的元素！ 当时，他们制得的锝非常少，总共才一百亿分之一克。后来，人们进一步了解到：锝并没有真正的从地球上失踪。其实，大自然中，存在着极微量的锝。 1949年，美籍华人女物理学家吴健雄以及她的同事从铀的裂变产物中，便发现了锝。据测定，1克铀全部裂变以后，大约可提取26毫克锝。 另外，人们还对从别的星球上射来的光线进行光谱分析，发现在其他星球上也存在着碍。 这种元素的真面目，终于被人们弄清楚了：锝是一种银闪闪的金属，具有放射性。它十分耐热，熔点可高达摄氏2200度。有趣的是，锝在摄氏零下265度时，电阻便会全部消失，成为一种没有电阻的金属！ 自从锝被发现以后，元素周期表上便只剩下三个空白了。人们又继续寻找那失踪了的61号、85号、87号元素。 1939年，法国女化学家佩雷在仔细地研究89号元素——锕。锕是一种放射性的金属。佩雷想要提取纯锕，结果在剩下的残渣中发现了另一种具有放射性的物质。她仔细一检测，发现这是一种新元素：它是89号元素锕的原子在分裂时，失去了一个氦原子核，也就是失去了2个的质子，变成了一个含有87个质子的原子核——87号元素。 这87号元素，正是人们苦苦追踪的一个失踪元素！ 佩雷便用她祖国的名字——“法兰西”来给这一个新元素命名。译成中文，就是“钫”。 钫是一种寿命很短的放射性元素。如果有100个钫的原子放在那里，经过21分钟之后，只剩下50个了——那50个钫原子已经分裂，变成了别的元素。正因为如此，人们费了九牛二虎之力，才找到这位“短命”的“隐士”。 1940年，曾经给锝进行鉴定的意大利化学家西格雷迁居到美国，与美国科学家科森、麦肯共同合作，着手进行人工制造86号元素的工作。 起初，他们想用84号元素——钋作为“材料”，往它的原子核中加入1个质子，制成85号元素。可是，钋在大自然中很少，价格又比较昂贵。他们就改用83号元素——铋作为“原料”。铋比钋要便宜点。 他们在美国加利福尼亚大学用旋加速器将氦原子核加速，去轰击金属铋，从而制得了85号元素。 这又是原子的“加法”——铋核中含有83个质子，氦核中含有2个质子： 83+2=85 正当他们的研究工作获得了初步成绩时，由于发生第二次世界大战，不得以而中断了工作。在战后，他们又重新开始进行研究，终于在1947年发表了关于发现85号元素的论文。西格雷把这一新元素命名为“砹”，希腊文的原意是“不稳定的”意思。 砹是一种非金属物质，它的性质跟碘很相似。砹确实很不稳定。当西格雷制成了砹以后，只过了8个多小时，便有一半砹的原子核已经分裂，变成别的元素了。 后来，人们在铀裂变后的产物中，曾找到了极微量的砹，这说明在大自然中，还是存在天然砹的。 正因为砹在大自然中又稀少又不稳定，因此很不容易找到它。 只剩下最后一个失踪元素61号了。 起初，有人想用60号元素钕或者59号元素镨作“材料”来人工地制造61号元素。虽然他们在1940就宣称制成了61号元素，然而没有把它单独地分离出来，因而没有得到世界的公认。 直到1945年，美国橡树岭国立实验室的科学家马林斯基、格伦德宁和科里宁从原子能反应堆中铀的裂变产物中，分离出61号元素。他们认为，61号元素的发现和原子能的应用是分不开的，因此就用希腊神话中从天上盗取火种的英雄普罗米修斯的名字来命名它——当初，普罗米修斯盗来了天火，使人类开始进入取火、用火的时代；如今，61号元素的发现，则象征人类进入了原子时代。 直到1949年，国际化学协会才正式承认了马森斯基等的发现，并同意了他们的命名。“普罗米修斯”译成中文的元素名称便是“钷”。 钷是一种具有放射性的金属。钷的化合物经常会射出浅蓝色的荧火，被用来制造夜光表上的荧光粉。用钷还可以制成只有钮扣那么小的原子能电池，它能连续工作达5年之久，是人造卫星上必需的体积小、重量轻、寿命长的电源。 自从人类发现了钷之后，失踪元素就全部找到了，元素周期表上的空白也就全部填满了。 铀不是最后的元素 自从发现钷以后，人类认识化学元素的道路，是否到达终点了呢？ 有很多的科学家并不满足。他们想虽然从第1号元素氢到第92号元素铀，已经全部被发现了，可是难道铀会是最末一个元素？谁能担保，在铀以后，不会有93号、94号、95号、96号…… 这么看来，周期表上的空白，并没有真正的全被填满——因为92号元素铀以后，或者还有许许多多的元素等着发现呢！ 早在1934年，意大利的物理学家费米就认为周期表的终点不在92号元素铀，在铀之后应该存在“超铀元素”。 费米试着用质子去冲击铀原子核，宣布自己制得了93号元素。费米把这一新元素命名为“铀X”。 然而，过了几年，费米的试验却被人们否定了。人们仔细研究了费米的试验，认为他并没有制得93号元素。因为当费米用质子攻击铀原子核时，把铀核撞裂，裂成两块差不多大小的碎片，并不像费米所说的变成一个含有93个质子的原子核。 直到1940年，美国加利福尼亚大学的麦克米伦教授和物理化学家艾贝尔森在铀裂变后的产物中，才发现了93号新元素！他们俩把这新元素命名为 “镎”，镎的希腊文原意是“海王星”，这名字是跟铀紧密相连的，因为铀的希腊文原意是“天王星”。 锋是银灰色的金属，也具有放射性。它的寿命很长，可以长达220万年，并不像砹、钫那样“短命”。在铀裂变后的产物中，含有微量的镎。在空气中，镎很易被氧化，表面上蒙上一层灰暗的氧化膜。 镎的发现，充分说明了铀并不是周期表上的终点，说明化学元素大家庭的成员不只有92个。 镎的发现，还有力地说明了镎的本身也并不是周期表上的终点，在镎之后还有许多化学元素。 镎的发现，鼓舞着化学家在认识元素的道路上继续前进！ 继续追寻 就在发现93号元素镎的时候，麦克米伦便认为，可能还有一种新的超铀元素与镎混在一起。 不出所料，过了没多久，美国化学家西博格、沃尔和肯尼迪又在铀矿石中，发现了94号元素。他们把这一新元素命名为“钚”，希腊文的原意是“冥王星”。这是因为镎的希腊文原意是“海王星”，而冥王星是在海王星的外面，是太阳系中离太阳最远的一个行星。 最初，西博格等人只获得了极微量的钚，总重量还不到一根头发重量的千分之一。这样稀少的元素，在当时根本没有引起人们的注意，人们只是把它看作一种新元素而已，谁也没有去研究它到底有什么用处。 但在后来，当人们发现了原子弹之后，钚就一下子青云直上，成了原子舞台上非常难得的“明星”！ 原来，原子弹中的主角是铀。在大自然中，铀有两种不同的同位素，一种叫“铀235”，一种叫“铀238”。在铀235的原子核中，含有92个质子、143个中子，加起来便是235个，所以叫“铀235”；在铀238的原子核中，含有92个质子、146个中子，加起来是238个，所以叫“铀238”。铀238跟铀235不同，是因为它的原子核中多了3个中子。 铀235与铀238的性质不一样：铀235非常活跃，铀238却要差多了。当铀235受到中子攻击时，即会迅速发生链式的反应，在一刹那间释放出大量原子能，形成剧烈的爆炸。在原子弹里，就装着铀235。但是，铀238在受到中子攻击时，却不动声色地把中子“吞”了进去，并不会发生爆炸。 在天然的铀矿中，绝大多数都有铀238，而铀235仅占千分之七 （重量比）。人们总是千方百计地从铀矿中提取那少量的铀235，用它来制造原子弹，而大量的铀238却被废弃了。 铀238难道真的不能利用起来吗？ 人们经过仔细的研究后，结果发现，铀238可以作为制造钚的原料，而钚的性质跟铀235差不多，也是个活跃分子，也可以用来制造原子弹！ 本来，在天然铀矿中，只含有一百亿分之一的钚。如今，人们用铀 238来作原料，大量的制造钚。于是，钚的产量迅速增加，从只有一根头发的千分之一那么少猛增到数以吨计。不久，人们不仅制造了以钚为原料的原子弹，并且还用它制成了原子能反应堆，用来发电。 这样一来，钚一下子便成了原子能工业的重要原料。 钚是一种银灰色的金属，很重。在空气中也很易氧化，在表面形成一层黄色的氧化膜。 钚的发现及广泛应用，使用人们对元素的认识，进入了一个新的阶段：原来，世界上还有许多很重要的未被发现的新元素哩！ 钚的寿命也是长达 24360年。 人们继续努力，要寻找94号以后的“超钚元素”。 在1994年底，钚的发现者——美国化学家西博格和加利福尼亚大学教授乔索合作，用质子轰击钚原子核，最先是制得了96号元素，紧接着又制得了95号元素。 他们将95号元素和96号元素分别命名为“镅”和“锔”（过曾译成“锯”，因与锯子的“居”字相同，容易误会，改译为“锔”），用以纪念发现地点美洲（“镅”的原意即“美洲”。镅在元素周期表上的位置正好在63号元素铕之下，铕的希腊文原意为“欧洲”，所以就用“美洲”命名镅。）和居里夫妇 （“锔”的原意即“居里”）。 镅和锔都是呈银白色的金属。镅很柔软，可以将之拉成细丝，也可以压成薄片。镅有10种同位素，绝大部分都是“短命”的，很快裂变成其他元素，只有一种“镅243”的寿命很长，达8000年左右。 锔是一种很有意思的放射性金属，它辐射出来的能量非常大，可以使锔变得很热，温度高达摄氏1000度左右。如今，人们已把锔用于人造地球卫星和宇宙飞船中，以此作为不断发热的热源。 西博格和乔索继续努力，在1949年又制得了97号元素——锫；在1905年制得了98号元素——锎。锫的原意是“柏克立”。因为它是在柏克立城的回旋加速器帮助下制成的；锎的原意是“加利福尼亚”，因为它是在加利福尼亚州的回旋加速器帮助下制成的。 锫和锎都是金属元素，也都具有放射性。锫在目前还没有得到应用，锎可用作原子能反应堆中的原子燃料。另外，由于锎能射出中子，现在已经被用来治疗癌症。 接着，人们又开始寻找99号元素和100号元素。 当人们准备用回旋加速器制造出这两种新元素之前，却在另一个场合无意中发现了它们。 那是在1952年11月，美国在太平洋上空爆炸了第一颗氢弹。当时，美国科学家在观测这次爆炸产生原子“碎片”时，发现竟夹杂着两种新元素——99号和100号元素。 1955年美国加利福尼亚大学在实验室中制得了这两种新元素。为了纪念在制成这两种新元素前几个月逝世的著名物理学家爱因斯坦和意大利科学家费米，分别把99号元素命名为“锿”（原意即“爱因斯坦”），把100号元素命名为“镄”（原意即“费米”）。 1955年，就在制得锿以后，美国加利福尼亚大学的科学家们用氦核去轰击锿，使锿原子核中增加2个质子，变成了101号元素。他们把101号元素命名为“锿”，以纪念化学元素周期律的创始人、俄罗斯化学家们捷列夫。 然而，最后制得的锿竟如此之少——只有17个原子！但正是这17个原子，从而宣告了一种新元素的诞生。 紧接着，在1958年，加利福尼亚大学与瑞典的诺贝尔研究所合作，用碳离子去轰击锔，使锔这个本来只有96个质子的原子核一下子增加了6个质子，制得了极少量的102号元素。他们用“诺贝尔研究所”的名字来命名它，叫做“锘”。然而，他们的研究成果，在开始并没有得到人们的承认。直到几年以后，有人用另一种办法也制成了102号元素时，这才获得国际上的正式承认。 人们对新元素探索不息。1961年，美国加利福尼亚大学的科学家们着手制造103号元素。他们用原子核中含有5个质子的硼，去轰击原子核中含有98个质子的锎，进行原子“加法： 5+98=103 从而制得了103号元素。这个新元素被命名为“铹”，以纪念当时刚去世的美国物理学家、回旋加速器的发明者劳伦斯。 铹是一个极不稳定的元素。每经过3分钟，铹的原子中便有半数自动分解掉了。 在1964年、1967年，前苏联弗列罗夫所领导的研究小组，分别制得了104号和105号元素。其中104号元素被命名为“ ”，用来纪念于1960年去世的前苏联原子物理学家库尔恰托夫。 与此同时，美国乔索领导的小组用另一种方法制得了104号、105号元素，并分别命名为“ ”、“ ”，分别用来纪念著名物理学家卢瑟福和德国物理学家哈恩。 然而到现在，关于104号、105号元素的命名，仍争论不休，没有得到统一。 104号和105号元素也都是“短命”的元素，只能活几秒钟，很快就裂变成其他的元素。 1974年前苏联弗列罗夫等人用24号元素——铬的原子核去轰击82号元素——铅的原子核，进行原子加法： 24+82=106 于是，制得了106号元素。 与此同时，美国乔索及西博格等人却用另外的“算式”进行原子“加法”：拿8号元素——氧的原子核去轰击98号元素——锎的原子核。 8+98=106 于是，也制得了106号元素。 与104号、105号元素结果一样，这一次又引起了争论。双方都说是自己最早发现了新元素，争论不休。 1976年，前苏联弗列罗夫等人着手试制107号元素。他们用24号元素——铬的原子核，去轰击83号元素的原子核。 24+83=107 就这样，107号元素被制成了。 107号元素是一种寿命非常短暂的元素，它竟然只能活1毫秒！ 到目前为止，得到世界各国科学家公认的化学元素，总共有107种。 然而，世界上到底存在有多少种化学元素？人们会不会无休止地把化学元素逐个制造出来呢？ 这个问题引起了激烈的争论。 有人认为，从100号元素镄以后，人们虽然合成了许多新元素，但是这些新元素的寿命却越来越短。像107号元素，只能活1毫秒。照此推理下去，108号、109号、110号……这些元素的寿命可能更短，因此要人工合成新元素的希望将越来越渺茫。他们预言，即使今后人们还有可能再制成几种新元素，但却已为数不多了。 但是，很多科学家认真研究了元素周期表，并推算出在108号元素以后，可能又会出现几种“长命”的新元素！ 经过科学家推算，认为当元素的原子核中质子数为2、8、20、28、50、82，或者中子数为2、8、20、28、50、82、126时，原子核就比较稳定，寿命比较长。他们根据这一理论，曾预言114号元素，将是一种很稳定的元素，寿命可达1亿年之久！也就是说，人们如果发现了114号元素，这种元素将像金、银、铜、铁一样“长寿”，并且可以在工农业生产中得到广泛的应用。 科学家甚至根据元素周期表，预言了114号元素的一些特征： 它的性质类似于金属铅，目前可称它为“类铅”。 是一种金属，密度为每立方厘米16克。 其沸点为摄氏147度。 熔点摄氏67度。 可以用它来制造核武器，并且这种核武器体积非常小，用114号制成的一颗小型核弹，甚至可以放在手提包中随身携带。 |
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