化学反应与物质的性质和变化相关

如果你正在寻找一种有“砰！砰！”感觉的科学，那你看到这里就对了。化学家们负责观察物质之间的反应，研究并描述物质混合在一起或分裂时会发生什么。

物理学家也喜欢分享他们研究的爆炸，有时甚至是大爆炸。他们研究一些非常重大的问题，比如，宇宙是如何起源的？在另一个极端，物理学家通过观察粒子的最小分裂来分析原子是如何工作的。这些原子的分裂和结合引发出了历史上一些最大的爆炸——包括太阳的诞生，以及原子弹的出现。

永恒的生命

早期的时候，科学家观察周围的世界，并对事情的发生做出最贴切的预测。他们中大多数是寻找长生不老秘密的炼金术士。近几个世纪以来的许多实验、调查和发现都是这一古早科学的分支。

炼金术士认为，所有的物质都由四种元素组成——土、气、火和水。

制造魔法

炼金术士们试图找到一种长生不老药，从而变得富有、智慧和永生。他们还寻找“贤者之石”，一种可以把普通贱金属变成黄金等贵重金属的物质。他们在岩石和矿物上做实验，试图净化和改造它们。他们的笔记使用占星术、神话和宗教的符号，使它们看起来更像咒语书而不是教科书。

意外发现的元素——磷

1669年，德国人亨尼格·布兰德（公元1630～？年）认为他可以把尿液变成金子。于是他收集了几加仑的尿液，开始了漫长的煮沸和蒸馏过程。它不能产生金子，但是他注意到过滤留下的物质发出了绿光。于是乎，磷被发现了，现在广泛用于化肥、洗涤剂和火柴中。这是自古代以来被发现的第一个元素。

科学领域最有影响力的两位人物——罗伯特·波义耳和艾萨克·牛顿——对炼金术很感兴趣。

造福未来

炼金术在现代科学中发挥了重要作用。它带来了一种“科学的方法”，以可控可调的方式收集数据，并测试不同数据的结果。罗伯特·波义耳（公元1627～1691年）以他有逻辑的实验方法和对笔记、结果记录而闻名。他常被认为是现代化学的奠基人。另一位早期炼金术士，犹太人玛丽（约1世纪），完善了蒸馏过程，并引入了至今仍在使用的玻璃容器，以便在实验中观察到变化。

太空制造

当宇宙在约138亿年前的“大爆炸”之后刚刚开始形成时，仅有最轻量的元素——主要是氢和氦，还有微量的锂和铍。新形成的恒星和巨大的超新星（爆炸的恒星）中的核反应开始产生新的、更重的元素。

什么是元素？

元素是一种单质，不能被分解成任何其他的东西。元素中的每个粒子都是一样的。这些粒子被称为原子。几千年前，人们就已经了解许多金属元素（铜、铅、铁、金和银）。18世纪的化学家们发现了不少新的元素，包括氢、氮和氧。在20世纪末，实验室里产生了几种新元素。锘、、。

硅是许多陨石（撞击地球表面的太空岩石）中的主要元素。

身体元素

和所有事物一样，你是由元素组成的。你的身体主要由碳、氧和氢组成，加上牙齿和骨骼中非常少量的钙和磷，还有帮助制造蛋白质和修复细胞的氮。这些元素都是在宇宙产生之初恒星反应中产生的——所以你身体的基本元素已经有数十亿年的历史了。

生命的成分

元素可以组合形成新的物质，被称为化合物。例如，氧和氢可以通过化学反应结合成水。科学家们用一个公式来描述这些，用符号表示每个元素。水为H2O，因为它由两个氢原子和一个氧原子组成。你一直呼出的二氧化碳就是CO2（一个碳原子和两个氧原子）。其他化合物在日常生活中也很常见——例如，钠和氯形成食盐，或氯化钠（NaCl）。

基本元素

地球上有94种自然存在的元素，还有其他24种不是自然发现的元素。这24种是在实验室条件下产生的，在这些合成元素（人工制造）中，有的仅存在于衰变并变成其他元素前的一瞬间。

实验室里

所有人造元素都具有放射性。它们释放粒子，变成更轻的元素。第一个被创造出来的元素是锔，1944年，科学家们用其他粒子轰击钚来分解它。钚是一种银质金属，它本身是通过爆破铀（一种自然存在的放射性元素）而产生的，此后人们在地壳中发现了少量钚。回旋加速器（右图）和现代同步加速器是可以用来加速粒子和创造新元素的大型机器。

宇宙常见元素

直到第二次世界大战结束前，钚的发现一直处于保密状态，因为它可以用来制造核武器。

地球上的生命

地壳中最常见的元素是氧，其次是硅（常见于坚硬的岩石中，如花岗岩）。这很方便，因为硅有很多用途，从让你的手机可以如此小巧但却功能强大的电子芯片，到世界各地建筑中使用的数十亿吨的玻璃。硅没有引起早期科学家们的太大兴趣，直到1824年它才作为一种元素被正式发现。

周期类型

到19世纪60年代，人们已经发现了50多种元素。科学家们开始注意这些元素的类型，并开始根据它们的性质来分别排列。他们尝试不同的分组方法，试图让元素世界更有规律可循。1817年，德国人约翰·德贝赖纳第一个发起尝试。

主要属性

德贝赖纳（公元1780～1849年）根据元素的相对原子质量（一个原子相对于一个碳原子的重量）将它们分成三组。这突出显示了它们的属性，例如该元素是金属还是非金属，以及它的硬度或密度。其他属性还包括元素的反应性、熔点、燃烧或弯曲的程度，以及它是否导电或导热。化学是研究物质结构和属性以及它们所经历的变化的科学。

1808年，汉弗里·戴维爵士发现了一种新的元素，他称之为“铝（aluminum）”。后来，在世界的一些地方，这个名字成了给其他元素命名的-ium模式，比如钠（sodium）和镁（magnesium）。

化学纸牌游戏

英国科学家约翰·纽兰兹（公元1837～1898年）在1864年也用相对原子质量来对元素进行分组，但他把元素分成八音律（八个一组）。然后在1869年，俄国人德米特里·门捷列夫（公元1834～1907年）（右图）取得了突破。据说，他太爱纸牌游戏了，于是就将所有已知元素（当时为63种）像卡牌一样按照原子量的递增来排序。有列有行，很有纸牌游戏风格。

不要在意空白

门捷列夫的天才之处在于，他的排序留有空白，但他并不担心，他认为这些元素只是尚未被发现。他新命名的“元素周期表”能够计算出缺失元素的原子质量，并预测它们的属性。例如，他预测，在第13组的第4行应该有元素，他甚至预测了该元素所具有的许多细节。在1875年（6年后），镓被发现，填补了这个空缺。

混合起来

元素不能被分解成更简单的物质，但它们可以结合在一起形成其他物质，称为化合物。化合物仅在元素发生反应时才形成。它们不能只是在容器中混合在一起，而是必须交换或共享粒子并形成新的化学键。

特慢还是特神奇？

有些反应发生得很慢。例如，铁与水和氧产生反应形成铁锈。这种情况发生在这个场景——你把自行车放在雨中，但它不会一夜之间生锈。然而，有些反应非常快，比如将醋和小苏打混合使其起泡。这里发生了两种反应——醋中的氢与钠和碳酸氢盐反应生成碳酸，碳酸立即开始分解为水和二氧化碳气体，形成气泡。

锂、钠和钾等碱金属反应性很强，它们被储存在油中，以防止与空气发生反应。

人类的化学反应(www.xing528.com)

反应需要一定的能量才能发生。通常，它以热能的形式出现。好几个世纪前，铁匠们就知道这一点，他们在高温下把不同的金属混合在一起，制造出具有不同元素优势的武器。通过使用催化剂（一种改变反应发生方式而不会自身改变的物质），反应可能会发生得更快。你的身体使用催化剂（称为酶）来帮助你把食物分解成肌肉可用的能量。

这里没有反应

有些元素不容易反应，或根本没有反应。其中包括金属金和铂，以及元素周期表最右边的一列非反应性气体。这些气体（氦、氖、氩、氪、氙和氡）是苏格兰化学家威廉·拉姆齐爵士（公元1852～1916年）在1894年至1898年间发现的。它们在元素周期表中有自己的群组，叫作惰性气体。

惰性气体因其不反应而用途颇广。氦气取代飞艇中的氢气，因为它不会爆炸，但因为氦气仍然比空气密度小，所以它可以使飞艇漂浮。

交换和共享

元素发生反应是因为它们有一种叫作电子的粒子围绕着中央的核旋转。这些电子可以移动形成键。元素的反应性取决于其电子的数目和排列。元素周期表中低一点的元素比高一点的元素反应性更强。

原子内部

1897年，一位名叫约瑟夫·约翰·汤姆森（公元1856～1940年）的英国物理学家正在研究阴极射线管中粒子的射线。粒子的作用引发他提出一个论断——所有原子都是由带正电荷和负电荷的粒子组成的。他的说法并不完全正确；他以为粒子到处都是，就像松饼中的蓝莓。实际上，粒子的位置很有规律。

汤姆森发现了电子，尽管他最初称它们为“微粒”。他证明了原子并不是之前所认为的最小的单位。

一个积极成果

出生于新西兰的物理学家欧内斯特·卢瑟福（公元1871～1937年）对这些亚原子粒子很感兴趣。他进行了更多的实验，最终测算出了一个原子模型，其有一个中心带正电荷的原子核，周围漂浮着负电子。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（公元1885～1962年）对其进一步完善：电子处于固定轨道，就像围绕太阳运行的行星一样。

原子核由带正电荷的质子和无电荷的中子组成。

带负电荷的电子绕原子核运动。

汤姆森、卢瑟福和玻尔的工作非常重要，他们三人都获得了诺贝尔奖（分别于1906年、1908年和1922年）。

结合起来

正是这些电子在原子间形成化学键。有些元素有“多余的”电子，这些电子可以转移到其他元素，与之结合。另一些则有共用电子，将元素结合到分子中。没有多余电子的元素，例如惰性气体，反应性最低。

重的东西

你知道有些水比另一些水重吗？这就讲到了水（H2O）中的氢原子。这种水的外观和气味都和普通的水一样，但是它的化学式是D2O（D代表一种特殊的氢，叫作氘）。继续往下读，你会发现同位素的奇妙世界……

质子和中子

要了解同位素，你需要知道原子的原子核中有两种类型的粒子（中间位）。大约一半是质子，一半是中子。质子带正电荷，中子不带电荷。一种特定元素的原子都有特定数量的质子，因此氢原子有1个，氧原子有8个，金原子有79个。这也是它们是不同元素的部分原因。

原子核的变化可以使一种元素具有放射性。

一个特例

虽然单个元素的质子数保持不变，但中子数可以变化。这就是我们谈到的同位素——同一元素的不同版本。一般来说，氢只有一个质子，没有中子。然而，还是有比例非常小（约为2000万分之一）的氢原子中含有两个中子。这是氢的同位素氘。当它们与氧气结合时，就会产生“重水”。

氢有第三种同位素，有三个中子，叫作氚。氢是唯一一种有常用同位素名称的元素。

双重存在

在开始研究为什么某些元素具有放射性之前，科学家们并不了解同位素。弗雷德里克·索迪（公元1877～1956年）在1913年提出这个想法，指出某些元素可以以两种或多种形式存在。现代知识让同位素有了更大的发挥空间——科学家或用其来治疗癌症，或测试物质来确定它们有数百或数千年的历史，还研究为宇宙飞船提供动力，开发烟雾探测器来拯救生命。

说说垃圾

科学始终在不断发展，完善其发现，发明新产品和新工艺。并非所有的科学发现都是好消息。对放射性的了解导致了原子弹的发展，而最近一项成功的发明——塑料，至今仍在使用。塑料泛滥也导致了一些问题。

神奇的塑料？

塑料是一种人造材料，由长分子链连接而成。这些分子构成了一种坚硬的防水物质，可以在柔软的时候成型，然后制成固体。塑料是在19世纪末发明的，约在第二次世界大战期间大量使用。虽然它是一种非常实用的材料，但它使用大量的化石燃料作为原料。它的成分是天然气和石油，这些原料无法替代，一旦用完，就真的没有了。

大量的废塑料进入海洋并危及海洋生物，导致每年100万只海鸟和10万只海洋哺乳动物死亡。

一个长期问题

塑料不是自然产生的，需要很长时间才能将其分解。塑料一旦制成，会存留数百年。例如，在垃圾填埋场，分解一个塑料袋需要500到1000年，分解一个塑料瓶需要450年。全世界每分钟使用的塑料袋超过100万个。如何有效地再利用、循环利用它，以防地球被这些东西堵塞住，是当今科学家面临的一大挑战。

塑料的类别有一万多种。

太空垃圾

不仅仅地球上到处是垃圾。科学带领我们探索太空，但我们也把垃圾留在那里。太空中大约有7500吨的“太空垃圾”，包括火箭碎片、破碎的卫星以及宇航员丢弃的物品。英国科学家正在研制一种特殊的航天器，它将收集碎片，将其拖回地球，并在进入大气层的时候燃烧殆尽。

太空垃圾会对航天器和卫星造成严重损害。

终结流言

关于元素，有两种说法是很多人相信的，或者曾经相信过的，但这两种说法实际上都是有错误的。

东西不会因为燃素而燃烧！

直到18世纪80年代，人们还认为，只有东西含有一种没有气味、味道或质量且看不见的物质，它们才会燃烧。炼金术士称这种物质为“燃素”，并说它是在燃烧过程中释放出来的。物质中的燃素燃尽了之后，它就不会再燃烧了。直到19世纪，人们才认识到燃烧需要氧气，而围绕在燃烧物质周围的空气为之提供氧气。

氧气不可燃！

那么，如果氧气能让东西燃烧，氧气过量会着火吗？不！氧气本身并不会燃烧。如果氧气可燃，那只要有人划火柴，整个房间就会爆炸。相反，氧气会让其他东西在合适的环境下燃烧。产生火需要三样东西——燃料（例如木头、纸或油）、热量和氧化剂（氧气就是氧化剂）来帮助化学反应。如果你能切断氧气供应（通过闷熄火苗），火焰就会熄灭。