科普書(shū)單2《元素與人類(lèi)文明》

金子為什么金燦燦?

在人類(lèi)文明的舞臺(tái)上，化學(xué)元素扮演著無(wú)與倫比的重要角色。 


本書(shū)作者孫亞飛博士，以金、硅、碳等重要的元素作為線(xiàn)索，講述了人類(lèi)怎樣逐步形成對(duì)化學(xué)元素的科學(xué)認(rèn)知，并結(jié)合史料和典故向讀者描繪了這些元素，如何參與到文明進(jìn)程之中。 


“元素”的科學(xué)認(rèn)知 


人類(lèi)對(duì)“元素”的科學(xué)認(rèn)知是經(jīng)過(guò)了數(shù)千年的探索。在古代社會(huì)中，就出現(xiàn)過(guò)“四元素”、“五行說(shuō)”等樸素的元素理論。 


對(duì)元素的理性認(rèn)識(shí)始于19世紀(jì)。英國(guó)科學(xué)家道爾頓提出，原子是構(gòu)成萬(wàn)物的最小單元，而大小和性質(zhì)完全一樣的原子就可以被歸為一種“元素”，并且每一種元素都具有特定的“原子量”。隨后，相關(guān)研究有了快速進(jìn)展，學(xué)者們確定了大量元素，并初步探究了不同元素間的關(guān)系。 


1869年，俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫?qū)?dāng)時(shí)已知的63種元素，按原子量的大小順序排列。同時(shí)，他還將一些性質(zhì)相似的元素上下排成縱列。在元素表中，橫行叫做“周期”，縱列叫做“族”。一般而言，在同一周期內(nèi)，金屬元素位于表的左端，非金屬元素位于右端；同族的元素則大多具有相似化學(xué)性質(zhì)。 


這張表格不僅很好地理清了已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還能做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。在把當(dāng)時(shí)已知元素寫(xiě)入表格時(shí)，門(mén)捷列夫發(fā)現(xiàn)了四個(gè)空白位置。因此，他判斷未來(lái)將會(huì)有四種新元素被發(fā)現(xiàn)，并預(yù)測(cè)了它們的原子量等細(xì)節(jié)參數(shù)。隨后，“鎵、鈧、鍺、锝”的發(fā)現(xiàn)，證明了門(mén)捷列夫理論的正確性。 


2016年，化學(xué)家們正式確定了118種元素，從而將元素周期表上第七個(gè)周期徹底填滿(mǎn)。不過(guò)，周期表中越靠后面的元素，它們的原子量就越大。為了獲得新的元素，往往要依靠高溫、高能等人工條件。而且這些人造元素的穩(wěn)定性也很差。不過(guò)，元素周期表經(jīng)過(guò)不斷的完善，仍然在化學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用。 


金元素 


自古以來(lái)，各種文明都對(duì)黃金十分喜愛(ài)，這主要有三方面的原因。 


首先，黃金儲(chǔ)量非常稀少，人類(lèi)歷史上所開(kāi)采的黃金總量還不到20萬(wàn)噸。此外，金是一種很穩(wěn)定的元素，它不容易被空氣氧化，也很難被普通的酸堿腐蝕。第三，黃金有著獨(dú)特的金黃色。 


為什么金子是黃色的呢？這要從原子內(nèi)部說(shuō)起。 


原子內(nèi)部存在一個(gè)原子核，其周?chē)泻芏嚯娮釉诟髯圆煌能壍郎线\(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子變化軌道時(shí)，需要吸收或者釋放能量，這個(gè)過(guò)程就叫做“電子躍遷”。當(dāng)光照到金屬時(shí)，電子會(huì)吸收一部分光的能量，從而躍遷到更外側(cè)的軌道。如果吸收的光線(xiàn)正好是可見(jiàn)光的一部分，那么這塊金屬在人眼看來(lái)，就會(huì)呈現(xiàn)出與被吸收光呈互補(bǔ)關(guān)系的另一種顏色。 


在金的原子內(nèi)部，處于最外圈軌道的電子，速度超過(guò)了光速的一半。根據(jù)相對(duì)論，這些高速運(yùn)行的電子，其質(zhì)量比靜態(tài)時(shí)高出20%，這使得它們的軌道也發(fā)生了復(fù)雜的變化。最終呈現(xiàn)的結(jié)果是，當(dāng)金中發(fā)生電子躍遷時(shí)，會(huì)吸收藍(lán)色的光波。于是，金就會(huì)呈現(xiàn)出與藍(lán)色互補(bǔ)的顏色，也就是金黃色。 


對(duì)黃金的爭(zhēng)奪，影響了很多人類(lèi)歷史中的重要事件。16世紀(jì)，西班牙在殖民美洲時(shí)，依靠槍炮與病菌，戰(zhàn)勝了擁有數(shù)萬(wàn)軍隊(duì)的印加帝國(guó)，并掠奪了大量的黃金。但隨著大量黃金涌入西班牙本土，這給當(dāng)?shù)氐慕鹑谙到y(tǒng)和社會(huì)穩(wěn)定帶來(lái)了嚴(yán)重沖擊，最終導(dǎo)致了國(guó)力的衰敗。 


在當(dāng)今社會(huì)中，除了裝飾和保值，黃金在電子、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。比如，黃金穩(wěn)定性極佳，可以用作手機(jī)中銅導(dǎo)線(xiàn)的保護(hù)層。 


硅元素 


硅元素在地殼占比達(dá)到四分之一。各種硅基物質(zhì)中，硅酸鹽占到了絕大部分。 


所謂硅酸鹽，指的是硅與氧為主體，再加上鋁、鐵等元素結(jié)合而成的化合物。在硅酸鹽中，硅和氧會(huì)組成一種四面體結(jié)構(gòu)，這些四面體進(jìn)一步相互連接，形成穩(wěn)固的網(wǎng)絡(luò)，從而讓硅酸鹽具有高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)等優(yōu)良性質(zhì)。 


以硅酸鹽為基礎(chǔ)，通過(guò)加熱的方法，可以得到陶器。陶器的原料是黏土，黏土是微小的硅酸鹽顆粒和一些有機(jī)質(zhì)的混合物。這些有機(jī)質(zhì)就像膠水，可以把硅酸鹽小顆粒粘在一起。往黏土里加點(diǎn)水，它就會(huì)變成橡皮泥一樣，能夠揉捏成各種形狀。如果對(duì)黏土加熱，其中的水分會(huì)跑掉，并且?guī)ё哂袡C(jī)質(zhì)，讓剩下的硅酸鹽緊密地?zé)Y(jié)在一起，從而得到輕便、易操作的陶器。 


硅和氧所組成的另一類(lèi)重要材料是玻璃。在玻璃的制作中，是以二氧化硅為主要原料，再配以碳酸鈉等其他成分，并需要對(duì)這些原料進(jìn)行穩(wěn)定加熱。 


玻璃最大的特點(diǎn)是其透明性。人眼能看到的可見(jiàn)光波長(zhǎng)在390納米到750納米之間。對(duì)這些波長(zhǎng)的光，玻璃內(nèi)部的電子沒(méi)法進(jìn)行吸收，只能讓光線(xiàn)直接穿過(guò)去，所以它就是透明的了。玻璃對(duì)于可見(jiàn)光透明的特性，使其成為光學(xué)儀器和化學(xué)設(shè)備的基礎(chǔ)。 


在如今的信息社會(huì)，通過(guò)特定結(jié)晶條件得到的單晶硅，成為了一種關(guān)鍵材料。 


芯片運(yùn)行中需要把信息轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制信號(hào)，這是通過(guò)控制電路的低電壓和高電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，需要材料本身能靈活地改變導(dǎo)電性，以實(shí)現(xiàn)電壓切換。在單晶硅中，硅原子會(huì)形成共價(jià)鍵，電子會(huì)被困于其中。此時(shí)，單晶硅表現(xiàn)為絕緣體；如果出現(xiàn)高溫和電壓刺激等條件，硅中的的電子就會(huì)偏離自己的崗位，逐漸流動(dòng)起來(lái)，從而使材料表現(xiàn)出導(dǎo)電性。所以，單晶硅的這個(gè)特點(diǎn)使其成為了一種優(yōu)良的半導(dǎo)體，可以用于芯片的制造。 


依靠著認(rèn)識(shí)元素、使用元素，人類(lèi)成為了地球上最成功的物種。毫無(wú)疑問(wèn)，人類(lèi)未來(lái)的發(fā)展，也離不開(kāi)對(duì)元素的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)。 




書(shū)名：《元素與人類(lèi)文明》 

作者：孫亞飛 

主講人：圓的方塊 

主講人簡(jiǎn)介：理工科博士，科普作家