化学谈奇 元素简介

耶和華尼西

化学谈奇 元素简介 吴遵胜 一、元素的涵义及变化 世上物体，数目之多令人目不暇接，色彩之多令人眼花缭乱，千变万化令人困惑不解。例如上百种的宝石，上千种的矿石，上万种的天然和人造颜料，等等。 在物理变化（物质只改变其形态而不改变其成分）中，例如原有深棕色、有金属光泽、固体的碘，经加热后，即升华变成紫色的蒸气。【固态物体不经过液体而直接变成气体的作用，叫做升华（sublimation）】。金块打成极薄的箔，金黄色变成蓝绿色；不透明变成半透明如云母。这变形不变质、面目全非的改变，已足使人目瞪口呆。 在化学变化（物质的分子、组成、性质等方面发生的变化）中，例如：自燃的氢在助燃的氧中燃烧，生成灭火的水，2 H2 + O2 → 2 H2O。易燃、烈性轻金属的钠，在有毒的氯气中燃烧，生成无毒的食盐，2 Na + Cl2 → 2 NaCl。碳在不充足的空气中燃烧，生成有毒、易燃的一氧化碳，2 C + O2 → 2 CO；如在充足、过剩的空气中燃烧，则生成无毒、灭火的二氧化碳。C + O2 → CO2。一氧化碳燃烧又变成二氧化碳，2 CO + O2 → 2 CO2。这变形又变质的变化，更使人匪夷所思，如坠云里雾中！ 尽管物质千变万化，似乎杂乱无章，毫无规律，然而人们逐渐明白，一切物体均有极小的、不能用一般化学方法使其分解成更为简单物质的组成部分，谓之元素。上述例中的碘、金、钠、氯、氢、氧、炭均为元素。 二、物质不灭定律或质量守恒定律（The Law of Conservation of Mass） 法国化学家拉瓦锡Lavosier（1743－1794）将一块锡Sn放在一个密封的玻璃容器中，用天平称重后，用一大型放大镜，使阳光聚光在锡块上，使其熔化，逐渐变成灰白色、酥松的氧化锡SnO2的粉末。他再次用天平称之，惊奇地发现Sn变成SnO2所增加地重量，恰恰等于容器中氧所失去的重量，即Sn + O2 → SnO2。以克分子（元素或化合物以克为单位所表示之量）计算，118.7克的Sn与32克的O2，生成（118.7 + 32）克的SnO2；反应式左右两边的总重量完全相等。 他又用磷块P照样作上述试验，发现容器壁上的白霜物即磷酸酐P2O5，比磷P重量所增加的重量，正是容器中氧所消耗的重量，即4P（123.88克）+ 5O2 （160克）＝ 2 P2O5（283.88克）。 上述试验证实了物质不灭定律，即：在物理或化学反应中，物质不能被创造或被毁灭。反应物与生成物的总重量相等。 三、阿佛加德罗常数（Avogadro’s Number） 1908年法国物理学家Perrin（1870－1942），用X光衍射法（Diffraction of X Ray）及其他方法，发现1克分子的单质或化合物，约含有6.02×1023个分子。此常数因纪念意大利物理－化学家Avogadro（1776－1856）而命名。因它的固定不变数值而被称为常数。 1克分子的单质（未与其他元素化合、独立存在于自然界的元素，例如镁Mg为24.3克），或1克分子的化合物（两种或多种物质化合所形成的新的物质，例如Na2SO4 = 2×22.99 + 32.07 + (4×16) = 142.05克），均含有6.02×1023个分子。 任何物质气态的体积，都与温度成正比，压力成反比而改变。为了有准确的比值，所以采用了标准情况（温度为0o C，压力为1个大气压，即：760mm汞（Hg）柱）；所得的体积是22.4升（liter），被指为气体克分子体积，且为一常数。 例如1克分子的水H2O（2×1.008 + 16）= 18.016克的固态（冰）或液态（水），或气态（水蒸气）在标准情况下的22.4升，均含有6.02×1023个分子。 例如计算元素最轻的氢分子的重量：1克分子H2为2×1.008 = 2.016克，2.016克 / 6.02×1023分子 = 3.34×10-24克/分子，或1.67×10-24克/原子。H2分子的体积 = 22.4×1000 cm3 / 6.02×1023分子 = 3.72×10-20 cm3/分子或1.86×10-20 cm3/原子。 由此可见，阿佛加德罗常数可用以计算单质或化合物的分子及原子的重量和大小。因此它具有十分实际的功用，使人们可对分子、原子有更进一步的认识。 四、门捷列夫与周期律 俄国杰出天才的门捷列夫（Mendeleev，1834－1907）在1869年按着原子量（以碳C的原子量定为12，其他元素与碳相比所得的值，即为该元素的原子量，例如氢和氧的原子量，分别是1.008和16.00）的多少，由少到多排列元素。他所排列的周期表，包括10个纵列的7个周期，8个横行的8个族（0－7族）。 他发现横行族的元素，从左到右，其金属性递减而非金属性递增。例如分别为第1、2、3、4、5、6、7族的锂、铍、硼、碳、氮、氧、氟，第1族的金属性最强；第2族金属性减弱；第3族则出现非金属性，因而金属性与非金属性参半。从第4到第7族，非金属性递增，而以第7族的非金属性最强。 他又发现，每经过一定的间隔，就有相似的元素出现。当他排列氟后，又出现另一周期的，分别是第1到第7族的钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯，而同一族相对应的元素，例如锂与钠……氟与氯的性质颇为相似。 因此他明智、伟大地发现了元素的周期律（The Periodic Law of Elements），即：元素的性质，都以原子量的增多而有周期性的改变。 1、门氏大胆地预告新元素 门氏排列周期表时，只有64个元素，（现有102个元素）。他根据周期表的每一个位置即可以反映出其一定的物理、化学性质，而大胆、胸有成竹地预告一些元素，使科学家大为震惊： A.法国化学家Bioshandran（1838－1912）在1875年，用光谱分析（Spectroscopical Analysis），在光谱上看到一个陌生的紫色光线而发现了新的元素镓，其密度5.9 gm/cm3，竟与门氏所预告者相同，遂占周期表＃31空格。 B.瑞典化学家Nilson（1840－1899）在1880年，在稀有的硅－铍－镱的矿中，发现了新的元素钪，遂占周期表＃21空格。 C.德国化学家Winkler（1838－1904）在1886年，在银的矿中，发现了新的元素锗，它的密度1.887 gm/cm3，与门氏在1870年所预告的1.9gm/cm3，几乎相同，遂占周期表＃32空格。 2、门氏根据元素原子量的多少的排列法，将原来的钾与氩、镍与钴、碘与碲所颠倒的排列，作了更正。 3、这个伟大的发现，为以后的化学研究，开辟了新的领域；解决了以前许多化学家曾经花费许多精力而没有解决元素分类的问题；启发和指导了原子结构的研究。 五、原子结构 原子的直径为1－5 Å（1Å是一千万分子之1mm）。在原子核内有电中性的中子（neuton）及有正电子（positon）的质子（proton）；在原子核周围有负电子（negaton）的电子（electron）。电子的重量为9.109×10-28克即9万亿亿亿分之一克；而质子的重量比电子重1,836倍。使人惊奇的是，它们的数目相等；虽它们的重量相差千倍之多，但正电子和负电子所含的电量却完全相等，使整个原子呈电中性。正、负电子的数目也是该元素的原子序数（atomic number），即它在元素周期表所占的位置；例如钾有19个质子，19个电子，原子序数为19，在元素周期表占第19个位置。 原子核内质子的正电子，与核外的负电子相互吸引，产生了电子的向心力。一个运转物体所产生的离心力，与物体的重量及速度成正比。由于电子的重量极轻，它围绕原子核旋转的速度极快，为光速的80％（光速为每秒300,000公里）。凡运转之物必因与其他物体产生摩擦而使其能量减少，速度减慢，离心力降低；但电子从未与原子核相撞，表示它旋转的速度始终未有减慢，亦即能量未曾消耗，这是力学所不能解释的。 电子的排列有7层之多，且有上、下；左、右；前、后的立体轨道之分，及各有自己的空间。在快速运转中，互不干搅相撞！酷似太阳系中行星围绕太阳旋转。可见宇宙中最大的星球与最小的原子的结构，乃出于一位深邃卓越的设计师和创造者。 六、原子结构与元素的化学活泼度（chemical activity）的关系 化学活泼度乃指元素或化合物与其他元素或化合物进行化学反应的速度。例如： 1、第1族元素： A.化学活泼度 第1族的锂、钠、钾、铷、铯是典型金属性、比水还轻的轻金属。它们储放在煤油中，以免与空气中的氧化合成氧化物。例如将锂放在水中，它浮在水面，恬静地生出氢来，发出咝咝之声，2 Li + 2 H2O → 2 LiOH + H2↑。当铷放在水中，其化学反应所产生的热量，足以使生成的H2燃烧。当铯放在空气中，它与氧进行化学反应所产生的热量之多，足以使它自燃，生成氧化物，4 CS + O2 → 2 CS2O。由此可见，它们的化学活泼度是锂 < 钠 < 钾 < 铷 < 铯。 B.原子结构 电子的排列最多的电子是第1层为2个；第2层为8个；第3－17层为18个。 锂、钠、钾、铷、铯分别有2、3、4、5、6个电子层，但各最外层的外形排列（electronic configuration），是只有1个电子。它们失去1个电子以形成2个或8个电子、稳定的外形排列的倾向，远比它们夺取7个电子以形成8个电子、稳定的外形排列者大得多，因此它们在化学反应中，总是失去1个电子。 由于它们电子层数依次增多，最外层的那个电子与原子核中质子的距离依次增大，它们的吸引力依次减少，失去电子的倾向依次增大。所以它们的化学活泼度是：锂 <钠 < 钾 < 铷 < 铯。 2、第7族元素的原子结构及化学活泼度 原子失去1个电子，必需消耗一定能量；获得1个电子则释放一定能量。 第7族元素，氟、氯、溴、碘是典型非金属性的元素。它们的原子序数分别是9、17、35、53；电子分别有2、3、4、5层；最外层均有7个电子。以能量的多寡而论，它们得到1个电子比失去7个电子容易得多。因此它们都容易得到1个电子以形成8个电子、稳定电子结构。 原子的电子结合成稳定电子结构时所释放出的能量，称为元素对电子的亲和力（affinity）。金属元素无亲和力；非金属性元素，以第7族典型的非金属性元素为例，其亲和力以氟最大，以碘最小。为此，它们的化学活泼性是：氟 > 氯 > 溴 > 碘。 3、第0族元素的原子结构与化学活泼度 第0族的氦、氖、氩、氪、氙气体，不与任何物质化合，被称为惰性气体（inert gas），（inert是无活动力之意）。英国物理学家Rayleigh（1842－1919）发现了氩。他在两年中，用冻、火、酸、碱等几十种方法使其与其他物质进行化学反应，但它始终“我行我素”，坚不“就范”。 这一族其他气体与氩一样，正如《老子》：“邻国相望，鸡犬之声相闻，民至老死，不相往来”，又如《庄子•在宵》：“出入六合，游乎九州，独来独往，是谓独有”。它们是元素中的“隐士”，为此氪被命名为Krypton（希腊文是隐密之意）；氩被命名为Argon（希腊文是不活泼之意）。 值得一提的是1868年法国天文学家Lockyer（1836－1920），用分光镜（Spectroscope）对准太阳，发现了一个陌生的黄色线，遂先于在地球发现了氦Helium（希腊文是太阳之意）。 七、结语 1、世上万物并非杂乱无章，而有严谨、深奥的规律，引人入胜，发人深思。元素周期表阐明了元素的规律性，甚至可藉以预告未发现的元素的物理、化学性质。电子有7层、6个方向的轨道；电子旋转飞快，却互不相撞。其旋转的动力从何而来？动力始终不减，从而速度不变而与力学相违，使人困惑不解。正因如此，组成物质的基本的原子，不致破坏，人类得以生存！ 神的智慧高于天（伯11：8）。 神说，“我是全能的 神”（创35：11）。 2、物质不灭定律是 神赋予物质的特性，是人无从掌握的。倘全球几十亿人口坐吃山空，则物质消耗殆尽，指日可待。但物质可转换、回收，例如世上的人和动物不停地吸进氧气以供身体之需，呼出二氧化碳的同时，植物进行光合作用，即绿色植物的叶绿素在日光照射下，把水和二氧化碳合成有机物质并放出氧。这样，氧可取之不尽，用之不竭；二氧化碳不致过剩成灾（空气中的二氧化碳含量固定在0.03％左右。1％的二氧化碳可使人致命）。这是“知识全备者奇妙的作为”（伯37：16）。 神说，“我要行事，谁能阻止呢？”（赛43：13） 3、任何最先进的工厂的产品，均有在允许范围数字内的次品、废品，因人、机器、原材料等均非万无一失。阿佛加德罗常数，指明任何1克分子的单质或化合物，均有6.02×1023（6千万亿亿）相等数目的分子。例如上述之例，Sn + O2 → SnO2 ，由物质不灭定律可以证明：反应物Sn及O2各有6.02×1023个分子；每个原子的电子排列，必需无误，并且完好、无疵，才能使原子全部参与化学反应；才能使生成物SnO2具有与上述相同数目的分子。若以工商企业家来看，原材料完全合乎使用标准；工艺流程流畅无阻；无损耗，无浪费；成品是100％正品，无次、废品；这是不可能的。诚然，天衣无缝，因 神说，“我是全能的 神”（创35：11）。 神在创造过程中，圣经多次提到，“ 神看着是好的”（创1：10，12，18，21，25）。 4、原子以失去或获得电子，形成2、8、18个电子的稳定结构而进行化学反应的现象，是 神赋予原子的特性，否则化学反应不能进行；具有许多化学反应的人体，亦不能存在！“ 神说有就有，命立就立”（诗33：9），是“ 神将生命、气息、万物赐给万人”（徒17：25）的基础。 5、原子虽小，原子核中尚有中微子（neutrino），超子（hyperon），介子，重电子（meson），重介子（K meson），轻介子（L meson），中介子（neutretto）等20多种，或可能有待发现新的粒子。它们蕴藏着深邃的知识，足以使科学家穷竭心力，毕生钻研。知识如大海之深，而“ 神的知识奇妙，是我不能测的；至高，是我不能及的”（诗139：6）。 总之， 神所创造浩瀚无际的天体与微乎其微的原子，均有严密的结构，井然有序。元素、原子、电子天赋的特性，不但形成完美的物质，且可取之不尽，用之不竭，使人可以存活。 神以知识为人类所费的苦心孤旨，超越爱心，无以复加。 正如河有其源头，万物并非自然而有，“因为房屋都必有人建造，建造万物的就是 神”（希3：4）。有人认为看不见 神，因此没有 神。 神是圣洁的（利11：44），我们不能见 神（出33：20），但“自从造天地以来， 神的永能和神性是明明可知的。虽是眼不能见，但藉着所造之物，就可以晓得，叫人无可推诿”（罗1：20）。