118化学元素的危害和作用

钠是碱金属中的代表元素，它极易失去最外层唯一的一个电子，化学性质非常活泼。

介 绍

●钠是人体不可或缺的元素之一。钠离子能调节人体内的水分储量，参与神经和肌肉活动。在日常生活中，我们通过往食物中添加食盐来获取钠元素。然而长期摄入过多的钠，人体需储存更多的水来维持钠离子的浓度平衡，这样会给心脏带来负担，增加患高血压的风险。

●地球水资源丰富，但其中96.5%的水都分布在海洋中，淡水的比例小于水总量的1%。海水尝起来很咸，这是因为海水中含有大量的氯化钠。海水的盐浓度远高于人体体液，所以直接饮用海水并不能解渴，反而会破坏人体渗透压平衡，导致脱水。

●我们日常生活中的大部分清洁用品都与钠相关。例如，肥皂的主要成分是高级脂肪酸钠，洗衣液与洗洁精则都含有烷基苯磺酸钠。这些含钠的“清洁分子”都具有类似的结构—一个疏水基和一个亲水基。清洁分子进入水中后，会形成一个个囊泡状的小球，疏水基在内，亲水基在外。一旦遇到油脂等污渍，这些小球就会裂开，并把油脂包裹起来，疏水基会“扎”进油脂中，把油脂分子“拽”下来。这样，大块的油脂就会被分成许多小块，很容易被流水带走。这就是肥皂和大部分洗涤剂的工作原理。

重要反应

钠可以与水剧烈反应并放热。由于钠的熔点低、密度小，反应时钠会熔成一个小球并漂浮在水面上：

过氧化钠（Na2O2）可与二氧化碳反应，生成氧气，作为二氧化碳吸收剂和潜艇供氧剂：

“联合制碱法”是以氯化钠、二氧化碳、氨和水为原料制取纯碱（Na2CO3）的一种制碱工艺。副产物氯化铵可作氮肥，二氧化碳可循环利用：

电解饱和食盐水不能提取钠单质，而是得到氢氧化钠溶液，同时生成氯气和氢气：

钠与中国

●纯碱（Na2CO3）是一种重要的化工原料。20世纪初，西方国家垄断制碱技术，造成纯碱价值堪比黄金，由碱制造的肥皂甚至成为奢侈品。1921年，侯德榜留学回国，担起永利制碱公司的技术重任。他经过长期艰苦努力，攻克了多种技术难题，创立了“联合制碱法”（也称“侯氏制碱法”），自主生产优质纯碱，打破了西方的技术垄断。更难能可贵的是，侯德榜毫无保留地把这项制碱工艺和实践经验写成专著公之于世，让全世界共享这一科技成果。

镁所在的第IIA族元素被称为“碱土金属”，它们的氢氧化物呈碱性，并且在水中的溶解度不高。

介 绍

●镁的原子序数小，其单质密度低，适合制造轻型合金。镁合金广泛用于空间技术、航空、汽车和仪表等工业中。例如，汽车使用镁合金制造的零部件，可减轻自重，降低油耗。追求轻薄化的移动电子产品也同样青睐于镁合金。镁合金的手机外壳更是利用了其优良的导热性和电磁屏蔽能力，既解决了散热问题，也能减少外界电场对手机通信的影响。

●叶绿素是一种以镁为中心的有机化合物，是植物进行光合作用的催化剂。植物在叶绿素作用下，吸收太阳的光能，将二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气。光合作用既维持了大气的碳-氧平衡，又实现了自然界的能量转换。

●法国化学家维克多·格林尼亚在1901年发明了一种试剂，它是由金属镁和卤代烃在无水乙醚中反应制得的，被称为“格氏试剂”（通式为R-Mg-X，其中R代表有机物基团，X代表卤素原子）。格氏试剂是一种极其活泼的有机合成试剂，能够参与包括偶联、加成、取代在内的多种类型的反应，在有机合成中具有较高的应用价值。格林尼亚也因发明这种试剂而获得了1912年的诺贝尔化学奖。

●谚语“一物降一物，卤水点豆腐”中的后半句话对应的是在豆浆中加入盐卤制作豆腐的过程。这个能“变魔术”的盐卤的主要成分是氯化镁（MgCl2），它能使豆浆中分散的蛋白质胶粒迅速地聚集到一起，形成胶体聚沉，变为豆腐。

重要反应

镁在氧气中燃烧生成氧化镁，并发出耀眼白光：

镁着火后不能用二氧化碳灭火器灭火，因为镁可以在二氧化碳中燃烧：

氧化镁是一种碱性氧化物，难溶于水，但可以与酸反应：

镁是一种活泼金属，可以通过电解熔融氯化镁制得：

镁与中国

●中国的镁矿储量丰富，镁矿冶炼和加工能力处于世界首位。2020年，中国的镁产量高达88.6万吨，占全世界镁产量的80%。中国接近一半产量的镁出口欧洲，德国多家汽车企业用镁都依赖中国的镁出口。

铝处于元素周期表中金属与非金属的分界线上。它既可以与酸反应，也可以与碱反应，是个不折不扣的“两面派”。

介 绍

●铝是地壳中含量最多的金属元素，但大部分都以化合物的形式存在。直到19世纪中期，工业炼铝仍是一个难题，铝的产量极少，这使铝的价格曾一度超过了黄金。拿破仑三世甚至在举行的宴会中，请宾客们使用金银制餐具，而自己使用铝制餐具来凸显地位。1886年，美国人查尔斯·霍尔和法国人保罗·埃鲁分别独立发明了“电解炼铝法”，这才降低了铝的生产成本，使铝成为我们生活中常用的金属。

●纯铝存在着强度不够的缺点，因此需要和其他元素“组团”形成铝合金来改善这一问题。例如，含有少量铜、镁、锰等元素的铝合金称为“硬铝”，具有很好的机械强度，用来制造铆钉、飞机螺旋桨和汽车零部件等。常见的防盗门窗和电子产品的外壳也都广泛使用铝合金。

●大量研究表明，铝对人体有着潜在的毒性。摄入过多的铝元素蓄积在人体内会抑制免疫系统功能，扰乱中枢神经活动。人体内过量铝元素也是阿尔茨海默病的发病因素之一。人体内铝元素的主要来源是超标使用含铝元素的食品添加剂和铝制炊具使用过程中溶出的铝。

●红宝石和蓝宝石的主要成分都是α-氧化铝（α-Al2O3）。事实上，纯的α-氧化铝是无色透明的晶体，只有当其中含有杂质离子时，它才会呈现各种不同的颜色。α-氧化铝中含有少量的钛和铁时会呈现蓝色，形成蓝宝石；而氧化铝中掺有铬时会呈现红色，形成红宝石。

重要反应

铝既可以溶于酸，也可以溶于强碱，是一种两性金属：

高温条件下，铝可以将活泼性不如铝的金属（如铁）从其氧化物中置换出来。这一反应会放出大量的热，称为“铝热反应”：

在冰晶石溶液中电解熔融氧化铝可制得铝单质，这就是“电解炼铝法”：

硅是“信息时代”的核心元素。

介 绍

●硅是地壳中的含量第二的元素，仅次于氧。地壳中的硅主要以长石、云母、黏土等硅酸盐，以及石英、水晶、玛瑙等二氧化硅的形式存在。

●半导体是导电性能介于导体与绝缘体之间的物质。高纯的单晶硅是重要的半导体材料。二极管、三极管、场效应管和集成电路（包括计算机芯片和CPU）的原材料都是硅。美国旧金山湾区因聚集了较多研究与生产半导体的高新科技公司而被称为“硅谷”。

●二氧化硅是硅的氧化物，是制造玻璃、光导纤维、光学器件的重要原料。二氧化硅结晶后就是水晶，二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙。生活中常见的硅胶干燥剂的主要成分也是二氧化硅，它是一种高活性的吸附材料。

●碳化硅（SiC）是碳硅结合的化合物，它的硬度高、导热性好，能在高温下耐氧化，具有很好的耐久性。碳化硅是航天器热结构部件的理想材料。在航空发动机中应用碳化硅，可进一步提高涡轮进气温度，进而提升发动机效率。同时，应用碳化硅实现了航空器的轻量化，提升了航空器的推重比。

重要反应

二氧化硅既能与酸反应（但只能与氢氟酸反应），也能与碱反应，且均能放出氢气：

工业上使用石英砂（二氧化硅）提取硅单质：(www.xing528.com)

硅酸是难溶性弱酸。实验室里使用水玻璃（硅酸钠水溶液）和稀盐酸反应制备硅酸胶体：

硅与中国

●以二氧化硅为主要原料的玻璃纤维可发生光的全反射，实现光的传导，这就是光纤通信的基本原理。光纤的概念由华人科学家高锟提出，他证明了光纤可用于长距离的信息传递，从此开启了光纤通信的新纪元，并因此贡献获得2009年的诺贝尔物理学奖。我们今天能足不出户享受光纤宽带和移动互联生活，都要归功于光纤通信的发明。

●硅的主要用途是芯片生产，但中国的芯片技术目前面临着严峻的“卡脖子”问题。多家国产半导体公司都投身于芯片事业，加大对芯片研发工作的重视程度，力争从原材料、设备与技术方面早日实现真正的自主化。

●中国的陶瓷闻名于世，唐三彩、钧瓷、青花瓷等都具有极高的艺术价值。陶瓷是采用硅酸盐为主要原料在高温下烧制而成的器具。陶瓷是中国古代劳动人民的重要创造，是中华文化的重要载体。

磷在自然界中主要以磷酸盐的形式存在，是动植物体内含量较高的元素。

介 绍

●17世纪，德国炼金术师亨尼格·布兰德试图从尿液中提取黄金，结果当他蒸干尿液后没有发现黄金，却意外得到了一种能发出微弱光芒的全新物质—磷。磷的名称也因此取自希腊语“光亮”（phos）和“携带”（phoros）。

●生命体都离不开磷。人和动物的大脑中都含有磷脂，磷也因此得到“思维元素”之名。骨骼和牙齿的主要化学成分是磷酸盐，青少年需补充足量的磷元素才能保证骨骼的正常生长。人体内糖和脂肪的吸收及代谢也都需要磷。另外，磷也是植物生长的必需元素，磷肥与氮肥、钾肥并称为三大肥料。

●磷与碳、硫一样，具有多种同素异形体，包括白磷、红磷、紫磷、黑磷等，这些磷的同素异形体根据颜色的不同进行命名区分。生活中常见的红磷无毒且熔点较高，用于制造火柴和烟花爆竹；而白磷却极易自燃且有剧毒，误服会严重腐蚀胃肠道，甚至死亡。

●沙林（化学名称为甲氟膦酸异丙酯）是一种有机磷化合物。它是一种剧毒的神经性毒剂 ，通过过度地刺激肌肉和重要器官从而影响神经系统，对人体产生致命效果。1995年发生的“东京地铁沙林毒气事件” 就是一起利用沙林毒剂造成的恐怖袭击事件。

重要反应

磷在空气中燃烧生成十氧化四磷（或五氧化二磷）。由于磷不与空气中除氧气外的其他组分反应，所以磷的燃烧可用于测定空气中氧气的含量：

酸酐是指与水反应可生成酸的化合物。十氧化四磷溶于热水可生成磷酸，是磷酸的酸酐：

硫的游离态在地表上分布十分广泛，它是远古时代就为人所知的古老元素。

介 绍

●纯硫是无味的，但包括硫化氢和甲硫醇在内的许多硫的化合物都具有难闻的气味。

●历史上，古埃及人曾使用硫燃烧生成的二氧化硫来漂白布匹。古希腊人和古罗马人也掌握了二氧化硫消毒、漂白的原理。荷马史诗《奥德赛》中就有着燃烧硫黄熏蒸消毒的描述。二氧化硫还具有一定的杀菌能力。现代葡萄酒配料中会添加适量的二氧化硫，以保证酵母正常发酵，防止葡萄酒变质。

●青霉素是一种天然的含硫抗生素，由英国科学家亚历山大·弗莱明发现。青霉素是人类历史上发现的第一种抗生素，它已拯救了无数人的生命，至今仍被广泛使用。

●天然橡胶的弹性较小，受热变软，遇冷变硬，容易磨损。在天然橡胶中加入硫进行硫化处理，可以使橡胶分子交联，增加弹性。轮胎、电缆、胶管的生产都用到了这种技术。

●1952年12月，伦敦城市上空出现了含有高浓度二氧化硫的污染烟雾，史称“伦敦烟雾事件”。这一导致4000余人死亡、大量市民患上呼吸系统疾病的灾难，其罪魁祸首便是燃烧化石燃料排放的二氧化硫烟尘。此后，英国政府颁布了《清洁空气法案》，全世界也开始重视空气污染的防治。

●二氧化硫是大气的主要污染物之一。煤和石油中通常含有硫元素，燃烧时会生成二氧化硫。大气中的二氧化硫是形成硫酸型酸雨的主要原因。酸雨会加速桥梁等建筑物的腐蚀，还显著增加了水体和土壤的酸性，影响生态环境。

重要反应

硫在氧气中燃烧的火焰呈蓝紫色，生成有刺激性气味的二氧化硫气体：

二氧化硫溶于水生成亚硫酸，亚硫酸进一步氧化形成硫酸型酸雨：

浓硫酸具有氧化性。铜不与稀硫酸反应，但可以与浓硫酸反应，加热条件下反应速率会加快：

浓硫酸沸点高且不易挥发，可以用来制取盐酸：

硫与中国

●历史上许多国家在工业化进程中都曾饱受酸雨的侵害，中国也不例外。2007年之前，中国的二氧化硫排放量位居世界第一。可喜的是，近年来中国推广烟气脱硫技术和清洁能源技术，对二氧化硫和酸雨的治理成效卓著。2020年，我国二氧化硫排放量已经从曾经最高值的2588万吨下降到小于700万吨，已远低于印度等国家。

氯是卤素中最早被分离出来的元素。人类很早就开始和氯的化合物打交道，从餐食中的食盐，到古代炼金术师使用的王水，都有氯的身影。

介 绍

●自来水在输送至用户前需要经过混凝、沉淀、过滤、消毒等处理过程。我国的自来水厂普遍使用含氯消毒剂对供水进行消毒，国家相关标准对余氯残留量有严格的限制，不会危及健康。自来水中含有一定量的氯，也可以减少输送过程中的细菌滋生。

●含氯消毒剂具有高效、便捷的优点，在新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情防控中“扮演”了“重要角色”。但使用时也需要注意，含氯消毒剂会对眼睛、皮肤造成刺激，不能直接对人喷洒；不能和洁厕灵或酸性洗涤剂混用，否则会生成有毒的氯气，引起不良反应。

●聚氯乙烯（PVC）是氯乙烯经聚合反应得到的高分子材料，是一种被最广泛生产的合成塑胶。聚氯乙烯材料的耐久性比较高，容易回收，在地面装饰、门帘、广告招牌中被广泛使用。

●氯气、光气（COCl2）、芥子气（C4H8Cl2S）等氯系气体都具有毒性。第一次世界大战中，德军首次使用氯气对英军造成了大规模的杀伤。随后，光气和芥子气等剧毒物质也在战争中被用作化学武器。日军也曾在侵华战争中对中国军民使用芥子气。国际社会签订的《禁止化学武器公约》于1997年生效，以禁止任何成员国使用化学武器，鼓励和平地利用化学知识。

重要反应

实验室里常用二氧化锰和浓盐酸在加热的条件下反应制取氯气：

氯气十分活泼，能和多种金属化合，生成金属氯化物：

氢气在氯气中安静地燃烧，发出苍白色火焰，生成氯化氢气体。氯化氢气体能与空气中的水结合形成小液滴，故盛有氯化氢气体的瓶口可以看到缕缕白雾：

漂白粉的作用原理是有效成分次氯酸钙与空气中的二氧化碳和水接触，生成具有漂白性的次氯酸：

氩气是大气中含量最多的稀有气体，也是最早被发现的稀有气体。

介 绍

●19世纪末，英国科学家瑞利发现：从氨制得的氮气密度与空气中除去氧气、水蒸气和二氧化碳得到的氮气密度有着大约千分之一的差别。瑞利认为该数据已超出了实验误差范围，便如实发表了这一结果。英国化学家威廉·拉姆塞注意到了瑞利的论文，他推测空气中可能含有一种未知的气体。在大量实验之后，瑞利和拉姆塞终于发现了氩气，两人也因此分别获得了1904年的诺贝尔物理学奖和化学奖。氩元素的发现源于这千分之一的微小差别，这体现出了严谨的科学探索精神。