《画懂科学:118化学元素》-元素的科学定义与特性详解

人类关于“元素”这一概念的思想有着悠久的历史，这是人类对物质世界的一种简单归纳。早在古希腊时期，哲学家亚里士多德曾提出了“四元素说”。他认为，世间万物皆由土、气、水、火四种元素组成。这种说法为后世的炼金术师所推崇。炼金术师们错误地认为，只要改变这四种元素的比例，就能使普通金属变为黄金，继而他们孜孜不倦地试图从廉价的铁中获得昂贵的黄金。类似地，古巴比伦和古埃及曾有关于水、空气、土的“三元素说”，中国古代也有关于金、木、水、火、土的“五行说”。直到15、16世纪，欧洲医药学家们提出的关于硫、汞、盐的“三元素理论”仍风靡一时。

17世纪，英国化学家罗伯特·玻意耳通过一系列实验证明了：黄金并不能分解出硫、汞、盐中的任何一种“元素”；砂子和灰碱混合在一起，经加热熔化可变成透明的玻璃，但玻璃再也不会分解成土或水；果汁经过发酵会变成酒精，但它们都不会变成盐或硫。由此，玻意耳对传统的元素观念产生了怀疑，并率先提出了较为科学的“元素”定义：“元素应是具有确定的、实在的、可察觉到的实物。只有那些不能用化学方法再分解的简单物质才是元素。”

从玻意耳的定义中不难看出，“不能用化学方法再分解的”是一个关键定语，这也使得后继的化学家们不断地尝试着“分解”和“提炼”，从安托万-洛朗·拉瓦锡到汉弗里·戴维，再从约翰·道尔顿到德米特里·门捷列夫，这些才华横溢的化学家们带领人类不断探索物质的组成和元素的本质。随着现代科学技术的进步，目前“元素”的科学定义是由国际原子量委员会在1923年提出的，其中的“分解”尺度已经细化到了“原子”级别。

我们知道，世界上的万物都是由原子，比如氢原子、氧原子、铁原子等等排列组合而成的。如下图所示，我们对原子进行“分解”：每个原子都是由原子核和核外高速运动的电子组成的，原子核又是由质子和中子组成的（其中，每个质子带一个单位正电荷）。我们把质子所带的正电荷数目叫作核电荷数。那些具有相同核电荷数的一类原子就被称为元素。比如，氧气（O2）、水（H2O）和二氧化碳（CO2）中都含有氧原子,这些氧原子的核电荷数都是8，我们就可以说这三种物质中都含有氧元素。

所以，元素是同一类原子的总称，它们描述着物质的宏观组成。截止至2021年，人类总共发现了118种元素，其中既有地球上存在的自然元素，也有人工合成的人造元素，它们有条不紊地“坐落”在元素周期表中。当你翻过这一页，本书就将带你去认识这一个个化学元素，并通过它们了解世间万物的组成。

名词解释和示例说明

本书中会出现一些与化学相关的专有名词，可在这一部分中找到相应的名词解释和示例说明。

单质 单质是由同一种元素构成的纯净物。例如，氢气（H2）、氧气（O2）、氖气（Ne）、铁（Fe）和金（Au）等。

化合物 化合物是由多种元素构成的纯净物。例如，水（H2O）、二氧化碳（CO2）、氯化钠（NaCl）和硫酸（H2SO4）等。

族和周期 元素周期表中，每一横排称为一个周期，每一纵列称为一个族（其中第VIII族包含三个纵列）。例如，氢是第一周期第IA族元素，碳是第二周期第IVA族元素。

主族元素和过渡金属 元素周期表中，第1列、第2列以及第13～第17列的元素称为主族元素（罗马数字后用A表示），第3～第12列的元素称为过渡金属（罗马数字后用B表示）。

碱金属 元素周期表中，第1列（第IA族）中除了氢以外的元素称作碱金属。它们的价电子数均为1。

碱土金属 元素周期表中，第2列（第IIA族）的元素称作碱土金属。它们的价电子数均为2。(www.xing528.com)

卤素 元素周期表中，第17列（第VIIA族）的元素称作卤素，也称为卤族。

镧系元素和锕系元素 镧系元素是原子序数为57～71的15个元素的总称，锕系元素是原子序数为89～103的15个元素的总称。

原子核 原子核是原子的组成部分之一，它位于原子的中心。原子核由质子和中子组成，原子核整体带正电荷。

核外电子 核外电子也是原子的组成部分之一。在原子中，核外电子带负电荷，占据着原子核周围特定的电子轨道，并围绕原子核运动。

质子和中子 质子和中子都是构成原子核的粒子。其中，质子带正电荷，中子不带电荷。

原子序数 原子的原子核中所含的质子数等于原子序数。

相对原子质量 相对原子质量是一种以碳-12（12C）原子质量的1/12（约1.66×10-24g）作为标准的一种计算原子质量的方法。任何一个原子的真实质量和一个12C原子质量的1/12的比值，称为该原子的相对原子质量（相对原子质量没有单位）。例如，氢的相对原子质量为1.008，碳的相对原子质量为12.01。相对原子质量外的括号表示该元素无稳定的同位素。括号内的数值为该元素相对最稳定的同位素的质量数（质子数+中子数）。例如，锝的相对原子质量为（97）。

同素异形体 由同种单一化学元素组成，但因排列方式不同而具有不同性质的单质称为同素异形体。例如，石墨和金刚石是碳元素的同素异形体。因为碳原子的排列方式不同，导致石墨质地柔软，而金刚石质地坚硬。

同位素 质子数相同，但中子数不同的原子互为同位素。同位素在元素周期表中占据同一位置，体现它们相近的化学行为。比如，氢有三种同位素：氕（氢）、氘（重氢）和氚（超重氢）。通常，标明同位素的质量数（质子数+中子数）会在元素符号的左上角，例如，13C（碳-13）、14C（碳-14）。

衰变 原子核释放放射性射线（如α射线和β射线等）后变化为另一种原子核的过程称作衰变。

半衰期 不稳定的元素的原子核会发生衰变，变成其他原子核。半衰期指的是一种不稳定元素的原子核有半数发生衰变所需要的时间。不同元素的半衰期差别很大，短的远小于一秒，长的可达数百亿年。