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第19章 化学元素(1)

充斥着100多种元素的化学课本也许让我们时刻感到头疼,觉得枯燥,殊不知,很多元素背后都隐藏着令人着迷的故事。本章将打破传统课本里固定的纯知识性讲解,以活泼有趣的形式贯穿始终,让你从中轻轻松松地学到知识,从而对元素有更深刻的了解。

1.绿宝石中的宝贝

智慧思索

一般情况下,金属与金属相互碰撞时,不但有声响,还会冒出火花来。所以,在加油站、煤气站以及运输易燃易爆物品时,尽量不使用金属物品,以免发生碰撞,冒出火花,造成危险。可是,为什么有的金属撞击了却不冒火花,它是一种什么样的金属呢?

许多科学家研究一种绿宝石,看它究竟有何神奇魔力。直到1789年,法国化学家沃克兰发现了绿宝石中的新元素——铍,这才解开了千年的秘密。

铍与铜和镍的合金在与石头或其他金属撞击时,不会迸出火花。人们利用这种铍合金与众不同的性质,制成了专门用于矿井、炸药工厂、石油基地等易爆区使用的锤子、凿子、刀铲等工具,为减少爆炸事故和火灾作出了贡献。

铍是一种很轻的金属,可它却十分坚韧,其强度超过了钢,而且它的熔点达到了1285℃,比同属轻金属的镁和铝要高得多。在地壳中,铍的含量约为0.001%。

铍有“原子能工业之宝”的美称,是用金属铍的粉末与镭盐的混合物制成的中心源,每分钟能产生几十万个中子。用这些中子做炮弹去轰击原子核,可使原子核分裂,从而释放出巨大的能量——原子能,同时产生新的中子。此外,为了达到人工控制核裂变的目的,必须使产生中子的速度减慢,而铍对快中子有很强的减速作用,它可以充当原子反应堆的减速剂,使核裂变反应有条不紊、连续不断地进行下去。

此外,金属铍还有着良好的透音性,声音在铍材料中的传播速度高达12600米/秒。与之相比,声音在空气和水中的透音性就逊色得多了。金属铍的这一特性,引起了专家们的极大兴趣,他们准备用金属铍制造乐器。相信不久的将来,我们将能听到一种新奇、美妙的音乐,它正是由铍材料制造的乐器发出的。

铍有着很多的优点,但也有着缺点,那就是铍和铍的许多化合物都有毒。如果食物中铍盐的含量过高,就会在人体内形成磷酸铍,从而导致骨骼松软,使人患上所谓的铍软骨病。另外,铍的许多化合物还会引起皮肤发炎、肺水肿,甚至窒息。

2.菩萨生病

智慧思索

凡人吃五谷杂粮,生病在所难免,而观音在我们眼中是救死扶伤的,只会替人治病,自己却不会生病。有一位神通广大的“观音”居然生病了,这是什么缘故呢?

这里的观音是一户人家供奉的观音菩萨像。

相传,南宋年间,江苏省有一位老财主非常迷信,有一天碰到一位尼姑,这位尼姑自称是观音转世。她告诉老财主说他印堂发黑,有不祥之物跟随,唯一可以逢凶化吉的办法,就是把庵里的观音菩萨像请到家里,好生侍候。老财主被尼姑说得吓破了胆,赶紧命令家奴把观音像请回家,好生招待。

可过了一段时间后,虽然每天供品、香火不断,但观音像却变得暗淡无光,好像生病似的。老财主一看,以为照顾还不周,就赶紧一日三餐上供品、点香火。

其实,这位财主供奉的观音像不是铜塑的,更不是金塑的,而是用金属钠塑造出来的。在袅袅的香火中,金属钠渐渐被氧化了。原来的观音是银光闪闪,被氧化后,生成了一种新的氧化物,看上去就像“生病”一样,一脸倦容。

钠呈银白色,有美丽的光泽,密度0.97g/cm3,比水轻,熔点97.81±0.03℃,沸点882.9℃,轻软而有延展性,常温时有蜡状,低温时可变脆。化学性质很活泼,能与非金属直接化合,在空气中氧化迅速,所以钠一般被保存在煤油中。钠燃烧时有黄色的火焰产生,并有过氧化钠(Na2O2)生成,跟水能起剧烈反应,生成氢气和苛性钠。钠在氧气中燃烧的化学式为:

2Na+O2=Na2O2

钠和水反应的方程式为:

2Na+2H2O=2NaOH+H2↑

在自然界中,钠以化合态存在,分布广。地壳中的含量为2.64%左右,由电解熔融的氢氧化钠或氯化钠制得。

钠可用来制取过氧化钠、四乙基铅等化合物,钠和钾的合金(含50%~80%K)在室温下呈液态,可用作反应堆的导热剂。

钠是在自然界中分布最广的10种元素之一,但由于它不易从化合物中还原成单质状态,所以迟迟未被发现。

英国化学家戴维在发现钾后不久,从电解碳酸钠中获得了金属钠。由于单质钠的密度很小,所以当时没有人相信它是金属,因为它的密度比水还小。当时它不仅没有被承认是金属,更没有被承认是元素。直到1811年,才由盖吕萨克和泰纳尔证实了钠是一种元素。

3.死亡实验

智慧思索

人们或许知道,氢氟酸是氟化氢气体的水溶液,它具有很强的腐蚀性,玻璃、铜、铁等常见的物质都会被它“吃”掉,即使很不活泼的银容器,也不能安全地盛放它。氢氟酸能挥发出大量的氟化氢气体,而氟化氢有剧毒,吸入少量,就非常痛苦。

许多化学家试图从氢氟酸中分解出单质氟来,但都因在实验中吸入过量氟化氢气体而死,于是被迫放弃了实验。难道真的不能征服它吗?

氟因此一度被认为是一种“死亡元素”,是碰不得的。

1872年,莫瓦桑应弗雷米教授的邀请,来到了实验室和他共同研究化学。

那时,教授正在研究氟化物,莫瓦桑当上他的学生后,就接过了这一化学界的难题。从此,莫瓦桑对氟的提取以及过去曾经发生的曲折,有了深刻的认识。莫瓦桑对老师这种大无畏的精神非常敬佩。

“为了感谢恩师的知遇之恩,一定要捕捉死亡元素。”莫瓦桑对自己说。

于是,莫瓦桑开始查阅各种学术著作、科学文献,把与氟有关的著作通通读了一遍。经过大量的研究试验,莫瓦桑得出一个结论:实验失败的原因可能是进行实验时的温度太高。

莫瓦桑认为,反应应该在室温或冷却的条件下进行。因此,电解成了唯一可行的方法。

于是,他设计了一整套抑制氟剧烈反应的办法。他在铂制的曲颈瓶中,制得氟化氢的无水试剂,再在其中加入氟化钾增强它的导电性能。然后,他以铂铱的合金为电极,用氯仿作冷却剂,并设计了一个实验流程,让无水氟化氢、氯仿以及萤石塞子作主要部分,把实验放在零下23℃的状况下电解,终于在1886年制得了单质氟,擒获了“死亡元素”。

单质氟是一种淡黄色的气体,在常温下,它几乎能和所有的元素化合:大多数金属都会被它腐蚀,甚至连黄金在受热后,也会在氟气中燃烧!如果把氟通入水中,它会把水中的氢夺走,放出氧气,反应式为:4F+2H2O=4HF+O2↑

在1916年时,美国科罗拉多州一个地区的居民都得了一种怪病,无论男女老幼,牙齿上都有许多斑点,当时人们把这种病叫做“斑状釉齿病”,现在人们一般都把它称作“龋齿”。

原来,这里的水源中缺氟,而氟是人体必需的微量元素,它能使人体形成强硬的骨骼并预防龋齿。当地的居民由于长期饮用这种缺氟的水,因而对龋齿的抵抗力下降,全都患了病。

为何人体缺氟会患上龋齿呢?这是因为:我们每天吃的食物,都属于多糖类。吃完饭后如果不刷牙,就会有一些食物残留在牙缝中。在酶的作用下,它们会转化成酸,这些酸会跟牙齿表面的珐琅质发生反应,形成可溶性盐,使牙齿不断受到腐蚀,从而形成龋齿。

如果我们每天吸收适量的氟,那么氟就会以氟化钙的形式存在于骨骼和牙齿中。氟化钙很稳定,口腔里形成的酸液腐蚀不了它,因而可以预防龋齿。

为了预防龋齿,人们采取了许多措施,比如说在缺氟的水中补充一些氟,这样人们在喝水时就不知不觉地会吸收一些氟。另外,人们还研制出了各种含氟牙膏,它们中的氟化物会加固牙齿,使牙齿不受腐蚀。而且,有些氟化物还能阻止口腔中酸的形成,这就从根本上解决了问题,因而效果十分明显。

4.一个出色的实验

智慧思索

有一种小珠子,一放到水里,不但不下沉,还滋滋地在水面上乱窜,并发出银白色的亮光,这种小珠子就是——钾。对于它,也许我们都不陌生,但关于它的发现,我们是否熟悉呢?

1807年,戴维与助手埃德蒙制作了一个庞大的电池组。戴维想,既然电解水能生成氢和氧,那么电解别的物质也会生成新的元素,于是他开始拿苛性钾做试验,希望隐藏在苛性钾中的物质经不住它的作用跑出来。他们起先试图电解苛性钾饱和溶液,但失败了,因为结果与电解水没有什么区别。“难道苛性钾真的不能分解?是方法不对吗?”戴维疑惑地想着。后来他们改变了实验方法,将苛性钾先在空气中暴露数分钟,使它表面略微潮解,成为导电体,然后放置在一个绝缘的白金盘上,让电池的阴极与白金相连接,作为阳极的导线则插入潮湿的苛性钾中。奇迹出现了,电流接通后,苛性钾在电流的作用下先熔化,后分解,接着在阴极上出现了水银滴般的颗粒。它们像水银柱一样带着银白色的光泽,可一滚出来,就“啪”的一声炸开了,并呈现出美丽的淡紫色火舌。

戴维看到那望眼欲穿的小金属珠出现时,难以抑制欢喜之情,尽情地跳起舞来了,任凭实验室架子上的玻璃嚣皿被撞得粉碎。他好半天才平静下来,拿起桌上的鹅毛笔,写下了实验记录,并在空白处写下7个大字:“一个出色的实验!”

后来,戴维又对实验过程中产生的这种金属进行了分析,确认这是一种新的金属,并将其命名为“钾”。

钾是一种银白色、质软、有光泽的1A族碱金属元素。钾的熔点低,比钠更活泼,在空气中很快氧化。钾与水的反应比其他碱金属元素显得温和。钾可以和卤族、氧族、硫族元素反应,还可以使其他金属的盐类还原,对有机物有很强的还原作用。

钾在自然界中只以化合物形式存在。在云母、钾长石等硅酸盐中都富含钾。钾在地壳中的含量约为2.09%,居第八位。

英国化学家戴维出生于1778年12月17日,父亲是个木刻匠。

16岁那年,父亲因病去世,戴维只好到镇上一位名叫波拉斯的医生那儿当学徒,负责配药和包扎。

20岁那年,戴维因出色的实验能力被牛津大学的化学教授贝多斯看中,调到了新成立的气体实验室。戴维用电解法发现了钾之后,又对苏打进行电解,得到了柔软如蜡的新金属——钠。他还从碱性矿土里相继发现了四种新的金属:钙、镁、锶、钡。

5.火山捣鬼

智慧思索

家里收藏古董的人都知道,古董放在橱柜里,是不会变色的,可有一位商人的古董变黑了,是商人在弄虚作假,还是古董真的会变黑呢?

马提尼岛在拉丁美洲的加勒比海,在这个岛上有一个商人,他对古董情有独钟。有一天,他像往常一样,来到橱窗前察看自己精心收藏的一批古董,并无意间发现一件精致的银壶上有一层黑影,像抹了层淡淡的灰。他赶紧找来抹布,想把它擦干净,但无济于事。

临出门前,这位商人还特别叮咛管家,一定要想办法把那件银壶弄干净。

十几天以后,商人又回到了岛上,发现银壶上的黑影根本没有擦去,便满腔怒气地向管家发火,并斥责管家偷懒。管家满脸委屈地说:“我已经想了许多办法,仍然无法恢复如初。不仅如此,岛上其他银器也变黑了,像得了什么传染病似的。”

没过几天,更奇怪的事又发生了,商人刚带回来的一批银器也变得黑糊糊的。商人见了,惊得目瞪口呆,却不知道这是为什么。

直至有一天,马提尼岛火山爆发,空气中充满着难闻的硫黄味儿。商人才恍然大悟:这银器变黑一定与空气中的硫化物有关!

事实果真如此:火山爆发前,空气中已经有二氧化硫、硫化氢等气体在弥漫,只是人的嗅觉不那么灵敏,没有嗅出来而已。

硫与银,这两种元素就是这么怪,不知不觉地走到一起,搞了一场不大不小的闹剧。

在火山爆发前,地下灼热的岩浆虽然还没有冲出地面,可是已经在大量聚集,并逐步向上漂移。由于地下温度在不断攀升,一些火山爆发时才喷出的硫化物,像硫化氢、二氧化硫等气体,便随着地下热空气悄悄地渗透到地面。

空气中的硫化物能与银发生化学反应,生成黑色的硫化银。

我们平时带的银首饰也会变黑。银饰变黑是正常的自然现象,因空气和其他自然介质中的硫和氧化物等对银都有一定的腐蚀作用,在佩戴一段时间后,就会出现一些微小的斑点(硫化银膜),久之会扩散成片,甚至变成黑色,所以目前银饰都有一些因氧化而变色现象。下面将介绍一些关于保养和去除银饰表面氧化物、恢复银饰亮泽的方法:

1.避免银饰接触水汽和化学制品,避免戴着游泳,尤其是去海里。

2.每天将银饰用棉布擦干净,放到首饰盒或袋子里密封保存。

3.银饰已经氧化变黑了,可以用软毛刷子蘸牙膏刷洗,也可用手搓香皂或清洁剂等方式清洗,实在无法处理干净时才用洗银水擦洗,洗完后银饰均要用棉布擦干。

6.惰性气体

智慧思索

我们知道懒惰是人类的天性,但现在老师却告诉我们有些气体也很“懒惰”,你知道这是些什么气体吗?它们又是怎样懒惰的呢?

下午第一节课就是化学,上课铃声一响,小勇就瞪着眼睛开始看着门口,老师怎么还不来?小勇恨不得马上听到老师讲的内容,因为他觉得化学太神奇了。

铃声刚一落定,老师就进来了,笑着说:“今天我们讲‘懒惰’的气体。”看到同学们都很疑惑,老师就接着说道:“氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等气体,以‘懒惰’出名,所以人们把它们叫做惰性气体。”

1894年8月13日,英国化学家拉姆赛和物理学家瑞利在一次会议上报告,他们发现了一种性质奇特的新元素。这种元素以气体状态存在,对于任何最活泼的物质它都无动于衷,不与之反应,因此给它取名叫氩,意思就是“懒惰”。接着人们又发现了几种元素,也有类似的性质,它们也极其“懒惰”,基本上不同其他元素进行化学反应。

哦,原来是这么回事,小勇终于明白了。

“惰性气体”只占大气组成的0.94%,又被叫做“稀有气体”。除了氦原子是以2个电子为稳定结构以外,其他惰性气体的原子最外层都有8个电子的稳定结构。那时的化学理论认为,具有这种结构的元素是不能发生化学反应的。所以,化学家下结论说,惰性气体元素不可能形成化合物。

惰性气体能够制造出都市里最真实的梦幻——最绚烂绮丽的霓虹灯,其实就是因为填充了惰性气体。当灯管通电之后,就能激发惰性气体放出光芒。