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1. 位置决定命运
一说到元素周期表,大多数人都会想起高中时化学教室前面墙上挂着的表格,不对称的行行列列从老师的肩膀上冒出头来。那张表一般很大,1.8 米×1.2米左右,看起来气势凛然却又恰如其分,昭示出它在化学里的重要地位。9月初,全班同学就认识了这张表,直到次年5 月末,大家还在跟它打交道。而且,老师鼓励大家在考试的时候参考元素周期表,科学资料里这是独一份,讲义或教科书都不行。不过当然,也许你还记得一点儿元素周期表带来的挫败感:虽然你可以自由查阅这么大的一张“小抄”,可是真该死,它好像一点儿忙都帮不上你。
一方面,元素周期表看起来整洁精练,简直是科学界的德国工艺;另一方面,它又杂乱无章,到处都是长长的数字、莫名其妙的缩写,还有怎么看都像是电脑错误提示的东西([Xe]6s24f15d1),面对这样的东西,你很难不感到焦虑。而且,虽然元素周期表显然与其他学科有联系,例如生物和物理,可我们却不清楚具体是什么联系。也许,对于许多学生而言,最强烈的挫败感在于,那些真正理解了元素周期表、弄明白了它的原理的人,居然能够从这么冷冰冰的呆板表格中解读出那么多的信息。色觉健全的人从颜色杂乱的点状图中看出来“7”或者“9”的时候,色盲感受到的一定也是相同的恼怒——关键的信息总是很狡猾,从不轻易自动现形。人们怀着复杂的心情,记住了这张表格,有迷恋,有喜爱,有遗憾,还有憎恨。
在介绍元素周期表之前,每个老师都应该先抹掉所有杂乱的内容,让学生只看空白的表格。
看起来像什么?有点儿像是一座城堡,主墙起伏不平,两头都有防御用的塔楼高高凸起,左边有一部分好像是皇家泥水匠还没砌完。表中有长短不一的18 个纵列,水平则有7 行,下面还有另外的2 行“着陆跑道”。城堡是用“砖”砌成的,有件事儿在表中没法一眼就看出来,但必须首先说明:砖的位置不能互换。每一块砖代表一种元素,或者说一种物质(目前,元素周期表由112 种已知元素和少量未知元素组成),如果有任何一块砖不在它应该待的位置上,整座城堡就会崩塌。这绝非夸张:如果科学家们突然发现某种元素应该待在另一个位置上,或者某两种元素的位置可以互换,那么周期表这座大厦就会轰然倒塌。
这座城堡还有一个建筑学特点:不同的区域采用不同的材料构建。也就是说,砖块的质地并不相同,它们的性质也各有差异。75% 的砖块是金属,这意味着大多数元素是冰冷的灰色固体,至少在人类习惯的温度下是这样的。东边的几列包括多种气体,但只有两种元素在室温下呈液态——汞和溴。在金属和气体之间,大致相当于肯塔基州在美国地图上的方位,这里是一些难以定义的元素,无定形的天性赋予了它们有趣的特质,比如说,它们能产生的酸味比化学品仓库里的强上无数倍。总而言之,如果每一块砖都由它所代表的材料制成,这座元素城堡就会变成一头奇美拉那样的怪兽,随着年代变化,它身上会长出新的器官和翅膀。或者宽容一点儿说,它是一座丹尼尔·里博斯金1式建筑——用看似矛盾的材料构成简洁优雅的整体。
城堡的蓝图要小心描画,因为某种元素在这张图里的位置几乎决定了它的全部科学意义。对于元素来说,位置即命运。事实上,现在你对这张表格的轮廓已经有了大概的印象,再给你一个更有用的比喻:元素周期表就像一张地图。现在我们再来加入一些细节,从东向西对它进行标定,无论是著名元素还是冷僻元素,都会被收纳进来。
首先,我们来看最右边的第18 列,这一组元素被称为高贵气体。“高贵”这个词儿古色古香,听起来很有趣,更像是个伦理学或哲学词语而不像是化学术语。事实上,“高贵气体”的说法可以追溯到西方哲学的起源地——古希腊。当时,希腊人留基伯和德谟克利特提出了“原子”的概念,后来他们的同胞柏拉图创造了“元素”一词(希腊文为stoicheia),作为不同的物质粒子的泛称。公元前400 年左右,在导师苏格拉底去世后,柏拉图为了自己的安全离开了雅典,此后多年他一直四处流浪,撰写哲学著作。柏拉图当然不知道每种元素的确切化学名称,不过他要是知道的话,肯定会将周期表最东边的这些元素当作至爱,尤其是氦。
在《会饮篇》中,谈及爱与欲的时候,柏拉图提出,每个存在都渴求找到让自己完满的东西,即自己失去的另一半。反映到人的身上,这样的渴求意味着激情与性,同时也意味着伴随激情与性而来的一切问题。此外,柏拉图在对话录中还强调说,比起那些碌碌营营、跟什么东西都有交互反应的事物来,抽象不变的事物从本质上说更为高尚。这解释了他为什么独爱几何学,那些理想的圆和立方体都只存在于我们的头脑里。对于数学以外的事物,柏拉图提出了“理型论”,他认为所有事物都是某种理想事物的投影。比如说,所有的树都是一棵理想的树不完美的复制品,它们渴求理想树完美的“本树”。同样,也有鱼和“本鱼”,甚至杯子和“本杯”。柏拉图相信,这些理型不仅是个理论,而且真实存在,虽然只存在于人类知觉无法触及的天堂世界。所以,当科学家开始在我们的真实世界里用氦召唤出理型时,如果柏拉图能够亲眼看见,他一定会和其他所有人一样深受震撼。
1911 年, 一位荷兰- 德国裔科学家用液氦冷却汞时发现, 当温度低于-268.9℃时,该系统的电阻会完全消失,变成一种理想导体。有点儿像是把你的iPod 冷却到零下几百摄氏度,然后你会发现,不管用多大音量放多长时间音乐,它的电池电量永远是满的,只要液氦一直让电路保持低温就行。1937年,一个俄罗斯与加拿大合作的小组用纯氦变了个更漂亮的魔术。当温度降低到-271.1℃时,氦会变成一种超流体,其黏度和流动阻力都是绝对的0——完美“本液体”。超流体氦无视重力,可以向上流动,翻越墙壁。当时,这样的发现让人瞠目结舌。科学家们经常假设摩擦力为0 之类的情况,可这只是为了简化计算。就连柏拉图都想不到,真的会有人找到他提出的理型。
氦也是“本元素”的最佳范例——任何常态的化学手段都无法破坏它或是改变它。从公元前400 年的希腊到公元1 800 年的欧洲,科学家们花了2 200 年时间,终于确认了元素到底是什么,因为大多数元素都太善变了。比如说碳,碳有数千种性质各异的化合物,要从这些化合物中发现碳的本质太困难了。举个例子,今天我们可以说二氧化碳不是一种元素,因为二氧化碳分子可以分解为碳和氧。但碳和氧是元素,因为你无法在不破坏它们的前提下将它们分成更小的单位。让我们回到《会饮篇》的话题,回到柏拉图关于迫切寻找丢失的另一半的理论,我们发现,几乎所有元素都会寻求与其他原子结合,这样的结合会掩盖元素的本性。甚至大多数“纯”元素在自然界中也是以多原子分子的形式存在的,例如空气中的氧分子(O2)。不过,自从科学家们了解了氦之后,他们了解其他元素的步伐很可能因此大大加快,因为氦从不与其他物质反应,只以“纯”元素的形式存在。
氦表现出这样的性质是有原因的。所有原子都包含带负电荷的电子,电子分布在原子内部不同的层上,或者说能级上。能级是环环相套的同心圆,每一层都需要确定数量的电子来填充才能得到满足。最内层的电子数为2,其他层电子数通常为8。元素里通常含有等量带负电的电子和带正电的质子,这样元素就呈电中性。不过,电子可以在原子之间自由交换,当原子得到或失去电子时,就会形成带电的离子。
有一点不可不知,非常重要:原子会尽可能地用自身的电子填满最里面、能量最低的层级,然后抛弃、分享或是偷取电子,来确保最外层的电子数正确无误。有的元素会光明正大地分享或是交换电子,而有的元素手段龌龊。可以用一句话来形容化学的这一面:当原子最外层电子数不足时,它们会争斗、交易、乞求、结盟、毁约,不择手段地追求正确的电子数。