化学中的音符──元素化学的故事
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化学中的音符──元素化学的故事
元素古今谈　　自然界多姿多彩，无限多样，但是组成世界万物的基础——化学元素却 是有限的。它们不是彼此孤立地存在着的，而是形成一个完整的化学元素周 期体系。历代的化学家们研究和发现化学元素，曾经走过一条坎坷不平的艰 辛道路。元素周期律迟至 19 世纪 60 年代才被发现，化学从此才第一次具备 较完整的理论体系。　　我国远在商周时代就开始研究元素。在战国时代形成了金、木、水、火、 土“阴阳五行”说。在古印度的孔雀王朝时代，也产生了地、水、风、火“四 大元素”说。　　在古代，无论中国和外国，对于物质构造的认识，基本上可以归纳为两 种理论：原子论和元素论。　　古代原子论要讨论的问题是物质的无限可分或分割有限而具有不可再分 割的最小单位。这一理论虽然提出了正确的命题，但当时的生产技术水平很 低，还远远不能建立在科学实验的基础上，只能是一种直观的臆测，因而遭 到人们的怀疑甚至反对。　　另一种是元素论，它是从具体事物中概括归纳出来的，有一定的经验事 实作为基础，为大众所承认，但古代关于元素的概念，主要是指物质的性质 而言的。比方说，古希腊四元素说的含义是：自然界本来存在着热、冷、干、 湿四种相互对立的“原性”，由四种“原性”组合，生成火、气、水、土四 种元素。所以说古代的元素并不是现代科学条件下所认识的元素。1也正是因为这样的元素观念，把人们的思想长期禁铜起来，以至化学家们经过了一千多年的实践和斗争，才从“原性”元素的观念中解放出来，建 立了科学的元素理论。在错误的元素观的指导下，便产生了炼丹术，又叫炼金术。炼金，就是企图把普通的元素转变成黄金；炼丹，则是企图制造使人长生不老的仙丹。 炼丹术始于我国西汉时期，后又传于阿拉伯、欧洲。然而，由于炼丹术本身 是违反化学元素的客观规律的。特别是炼丹所用的药物都是汞、铅、砷等有 毒的化合物，不仅不能使人长生不老，反而使一些封建统治者断送了性命。 但是，人们在长期的炼丹、炼金过程中，却积累了不少化学知识，掌握 了一些化学元素的特性，炼丹家、炼金家们制造了各种化学仪器，他们还用 各种符号表示化学元素，这些，都为进一步揭开化学元素的本质准备了条件。17 世纪 70 年代，英国化学家波意耳在观察和实验的基础上，公开向传统的化学观念挑战并提出了化学元素论的科学概念。他认为化学元素是用一 般化学方法，不能再分解为更简单的某些实物，是原始的和简单的物质，或 者是完全纯净的物质。　　18 世纪下半叶英国化学家普利斯特列等人发现氧。法国化学家拉瓦锡据 此建立了燃烧的氧素理论，证明燃素的不存在，否定了燃素学说。　　化学科学对于元素的认识，在十分漫长的岁月里，经历了一个否定之否 定的过程，最终在发现了幻想的元素的真实对立物——氧元素之后，才真正 确立了现代的元素论。　　此后，许多金属和非金属元素相继被发现。到 1871 年，已经发现了 63 个元素。1869 年俄国化学家门捷列夫发现了元素的性质随着原子量增加而呈现周期性变化的规律，即化学元素周期律。由元素所组成的一个完整的周期体 系，称为元素周期系。从此化学科学形成了完整的理论体系。　　20 世纪以来，化学进一步深入到原子内部结构的研究，提出了原子结构 和原子核结构理论，因而更深刻地阐述了元素周期律的本质。无素是由同种 原子组成的物质，元素性质主要决定原子价壳层电子的排布。核外电子的周 期性排布决定了元素性质的周期性变化。原子量是由质子和中子组成的原子 核质量所决定的，原子序数即为核电荷数，与核外的电子数相同。同一种元 素由于中子数的不同，尚存在不同的同位素。到本世纪 50 年代，已经基本上 弄清了元素周期律的本质。　　在原子和原子核结构理论的指导下，自 40 年代起，开始人工合成 92 号 元素铀以后的新元素。到目前为止，已经人工合成出第 109 号元素。这些人 工合成的新元素称为超铀元素。　　以核反应和核裂变为研究对象的核化学，实现了古代炼金术家的梦想， 可以成功地把贱金属汞转变为金元素，而且人工合成了许多新元素，被人们 称为“新炼金术”。　　人类的认识能力是无限的。科学的发展无止境。人们对于化学元素的认 识，正在不断地深入和发展。　　门捷列夫和元素周期表　　自然界是统一的整体。组成自然界的 105 种化学元素相互之间存在着密 切的联系。　　1869 年，当时人们已发现了 63 种化学元素，为找寻化学元素间的规律 提供了条件。俄国化学家门捷列夫在总结前人生产斗争和科学实验成果的基 础上，发现了元素之间的内在联系——化学元素周期律。这个发现大大加深 了人类对物质世界的认识，对科学发展起了指导和推动的作用。　　为了揭示化学元素之间的关系，门捷列夫阅读了很多化学著论，搜集了 大量的实验数据、实验方法和各种观点。他用厚纸板切成方形卡片，把当时 已经发现的 63 种元素以及它们的性质，一一写在卡片上进行排列。　　可是到底该怎么排列呢？有的元素闪闪发光，有的元素乌黑透亮，有的 在空气中点燃会发出耀眼的白光，有的遇水就会猛烈地爆炸??从表面现象 看，这些元素彼此之间几乎没有什么联系。　　门捷列夫冥思苦想，他从元素的颜色、沸点、导电性等等各方面分析， 都找不到它们之间有什么必然联系。最后，他终于找到了一种不受外界影响 的因素——元素各自的原子量。门捷列夫把各种化学元素按照它们各自的原子量从小到大进行排列，他发现每隔大约七个元素，就会出现性质十分相似的元素。也就是说化学元素 按照原子量的大小依次排列，元素的物理性质和化学性质出现周期性的变 化。门捷列夫把这个规律叫做“化学元素周期律”。这样，就把过去认为零 散的、表面上好像彼此完全无关的几十种元素联系起来，纳入一个系统。门捷列夫在发现化学元素周期律的同时，虽然已经发现，可以把性质和近的化学元素归在一起，但是还没有完全完成化学元素的分类工作。 后来，他又把当时已经发现的 63 种化学元素，按照原子量由小到大地分成几个周期，并且一个周期一个周期排列整齐。这样一来，性质相似的元素就落在同一行里，因而分出元素的类别。比如锂和钠性质相似，是一类；铍 和镁性质相似，又是一类。门捷列夫将各个元素制成一张表，这就是“化学 元素周期表”。他在周期表里留出许多空格。每个空格代表一种未发现的元 素，并且推算出这个未知元素的原子量，预言它的性质。门捷列夫并没有机 械地完全按照当时测定的原子量的大小排列。当他发现元素的原子量与它在 周期表里的位置不相符合的时候，他就根据元素的其他性质综合考虑，按周 期律大胆地改正了原子量。　　元素周期表的发现，对化学甚至对整个自然科学的发展都具有重大意 义。元素周期表是元素周期律的具体表现。这不仅反映了化学元素的自然规 律，同时，为人类认识自然界提供了一个重要工具。　　首先，利用元素周期律和元素周期表可以推测元素的性质。元素的原子 结构和性质决定元素在周期表中的位置；反过来，表里的每个位置也反映了 那个元素的原子结构和性质。因此，我们根据某个元素在周期表里的位置， 就可以确定它的原子结构并且推测出应该具有哪些性质。　　其次，利用元素周期律和周期表可以预言和发现新元素。就在门捷列夫 发现元素周期表的第二年，俄国化学协会出版的杂志上登载了他预言三种未 知元素的论文。这三种元素“类铝”、“类硼”和“类硅”分别是元素钪， 元素镓和元素锗。果然，在四年后就发现了嫁；再过四年，发现了锗；七年后又发现了锗。而且，根据实验测得的这些元素的性质，与门捷列夫的预言 惊人的相似。　　利用元素周期律和周期表还可以纠正某些测量不准确的原子量。探索新 材料的工作也离不开它。利用它还能够指导基本理论的研究。　　化学元素周期律推动着现代物质结构理论的建立和发展。现代化学的各 个分支，如有机化学、放射化学、催化化学等等的发展，都和元素周期律有 密切的关系。现代物理学上原子核里正电荷数的测定和核外电子的分布这两 大难题的解决都直接受到了元素周期律的启发。　　随着时间的推移和实践的发展，元素周期律的内容不断得到充实和丰 富。尤其是原子结构理论的建立，进一步揭示了元素周期律的实质。现在更 严格的元素周期律说法是：元素的性质随着元素原子序数的增加而呈现周期 性的变化。元素的性质随着元素的原子核所带的正电荷数量的增加，呈现出 周期性变化。另外，许多新元素和同位素的发现，许多物质的新特性的探索， 都远远地超过了门捷列夫所预见的范围。以后发现的元素不但填满了周期表里的空位，人工合成的许多新元素——超铀元素，还使周期表在不断延伸。在放射性变化中，一个元素蜕变为另 一个元素。科学家们从此出发，找到了利用原子能的钥匙：在周期表后列的 重元素会发生核分裂，而在周期系前的轻元素会发生核聚变。近代又发展了原子核结构理论，指出：原子核的壳层结构同样呈现周期性变化。最吸引人的是，人们预见了合成人造元素的美好前景。科学家们预 言，人造元素会逐一被发现和合成，除完成第七周期外，还可能进行第八、 九周期，在未来的新周期中，元素的原子里还会出现新的电子层次。第一号元素——氢　　16 世纪末，瑞士化学家巴拉采尔斯把铁放在硫酸中，铁片顿时和硫酸发 生激烈的化学反应，放出许多气泡——氢气。但直到 1783 年，氢才被确定为 化学元素。　　氢元素是所有元素中原子量最小的一个。它的原子量只有 1，排在元素 周期表的第一号位置上。　　自然界中氢的含量相当丰富。除大气中含有少量自由态的氢以外，绝大 部分的氢都是和其它元素结合在一起，以化合物的形式存在。在整个地壳中，每 100 个原子中，就有 17 个氢原子，占原子总数的 17％，仅次于氧而居第 二位。氢在大自然中分布很广，水便是氢的“仓库”——水中含有 11％的氢； 泥土中约有 1.5％的氢；石油、天然气、动植物体也含氢。在空气中，直气 倒不多，约占总体积的一千万分之五。　　在整个宇宙中，按原子百分数来说，氢却是最多的元素，比氧还多。据 研究，在太阳的大气中，按原子百分数计算，氢占 8l.75％。在宇宙空间中， 氢原子的数目比其它所有元素原子的总和约大一百倍。　　氢气是最轻的气体。在 0℃和一个大气压下，每升氢气有 0.09 克重—— 仅相当于同体积空气重量的 1/14.5。这样轻盈的气体很早就引起人们的注 意。1780 年，法国化学家布拉克便把氢气灌入猪的膀胱中，制得了世界上第 一个、也是最原始的氢气球。现在，人们是往橡胶薄膜中灌入氢气，大量制 造氢气球。在气象台，人们差不多每天都要放几个氢气球，探 测高空的风云。 现在，气球又添了一项新用途——支援农业；利用气球携带干冰、碘化银等 药剂升上天空，在云朵中喷撒，进行人工降雨。随着对氢的研究逐步深入，人们发现氢不是“独生子”，而是弟兄三个：老大叫氢也叫氕，符号为“H”；老二叫氘，符号为“D”；老三叫“氚”， 符号为“T”。它们的性格相同而体重不同，原子量分别为 1，2，3，在化学 上叫做同位素。通常所说的氢（氕），在氢的同位素中占 99. 98％，氘占0.02 ％，氚极少，其数量极仅为 1017。普通氢原子核是由一个质子组成的，而氘的原子核除厂含一个质子外，还含有一个中子。氘俗称重氢。氖和氧形 成的水叫重水。重水的确比水重：一立方米重水比一立方米水重 105.6 千克。 在原子工业中，重水是重要的中子减速剂，氘也是氢弹的主要原料。氘和氖 可以进行热核反应，放出巨大的核能。1967 年我国的氢弹爆炸试验成功，其 中就有氘和氚做原料。氘和重水还是宝贵的示踪材料，在食物分子中用氘代 替普通氢，可以用来研究人体的消化和新陈代谢过程。　　氢很活泼，喜欢和大多数元素攀亲，形成氢的化合物。化肥、石油加工、 有机合成、空间技术、原子能、冶金和半导体材料生产等工业技术领域，都 是氢大显身手的舞台。20 世纪初，氢气和氮气直接合成氨成功，氨是重要的化学肥料。 氢能和一些活泼金属如锂、钠、钙等直接化合。这些金属慷慨地把它们的价电子送给氢，形成离子型氢化物。它们是很强的还原剂；这些金属氢化 物碰到水就发生激烈的反应，放出大量的氢气。1000 克氢化锂和水作用，在 标准状况下，能放出 2800 升氢气。因此它是优良的氢气发生剂，适用于充填 国防上的信号气球，或在高空和野外作业中供氢。氢是很强的夺氧能手，它能从许多金属的氧化物、氯化物中夺取氧和氯，使金属游离出来。钨、锗、硅就是用这种方法制取的。 氢是打开有机化合物中碳碳双键的一把钥匙。色泽、气味不好的低劣油脂经过氢化就会“脱胎换骨”，变成制皂的合格原料——硬化油。植物性油 脂氢化以后，可以做成美味可口的营养佳品人造黄油。　　目前，氢正以新的姿态出现在人们面前，作为正在崛起的新型能源，引 起了科学界的普通重视。我们知道，氢气能在氧气中静静燃烧，同时放出大 量的热。燃烧 1 千克氢可以放出 28900 千卡热量，相当于燃烧 3 千克汽油。 用氢作为工业、民用和内燃机燃料，不但效能高，而且还能延长发动机的寿 命。液氢可以做火箭推进剂，喷气速度快，是出类拔萃的火箭燃料。液氢比 一般的液体燃料轻 40％，用于航空动力更为有利。当前用于空间技术的燃料 电池，也主要是用氢做原料。有的国家正在研究用氢、氧燃料电池做电视中 继站的电源。不久的将来，氢燃料必将在电解、电镀、动力和民用供电方面 发挥作用。　　近年来，研究氢的制备和储存也有新进展。工业上制氢的方法很多，可 以归纳为两大类：一类是用煤、天然气或石油与高压水蒸气作用得到氢；另 一类是电解法、铁蒸气法制备氢。这两种方法都要消耗大量的原动力，制得 的氢比较昂贵。因此人们把注意力转移到用太阳能分解水来制氢。近年来， 有人发现金属钌的配位化合物对分解水有特殊的催化功能，为打开氢库，向 浩翰的大海要氢提供了一把金钥匙。目前利用太阳能分解水得到的氢虽然还 不多，但却为获得大量廉价的氢展现出美好的前景。有关储氢方法的研究也 有新的突破。人们发现一些过渡金属的合金具有较好的储存氢气的性能。预 计不久，氢作为新型能源，将成为社会生活的一个重要支柱。　　活泼的碱金属　　周期系第一主族元素叫碱金属，其中包括锂、钠、钾、铆、铯和钫等 6 个元素。钫是放射性元素，对它的了解还很少。　　碱金属除锂外原子半径都比较大，外围的一个电子很容易失去，故它们 是最活泼的金属。在同一主族中，从上到下元素的金属性和活泼性逐渐增加。 碱金属都具有银白色金属光泽，非常软，可用刀切。它们的比重小，熔、沸点低而导电性强。 碱金属都是非常活泼的金属，是最强的还原剂，它们在进行反应时极易给出电子。它们极易和氧化合生成过氧化物或超氧化物。而锂的氧化较慢， 生成氧化锂。钠和钾这两种元素，大家都比较熟悉。提起钠，人们马上会想到食盐——氯化钠。在人类的生存和发展中，钠和钾都起着举足轻重的作用。 人类和钠、钾打交道已经有几千年的历史。很久以前就知道食盐可以吃，是人类最早进行贸易的商品之一。食盐曾经作为货币流通。“圣经”上记载 过人们为争夺食盐而发生的战争。　　不过，人们把钠和钾做为元素看待，还是 1807 年以后的事。在此之前， 人们一直把氢氧化钠和氢氧化钾看做不可能再分的元素。1807 年，英国青年 化学家戴维将电流通过熔融的氢氧化钾，想检验电流对氢氧化钾的效应，却 意外地分离出一种新的带金属光泽的物质，取名叫钾。戴维的发现震动了当 时的科学界。1907 年，人们还为此召开一百周年纪念会。金属钾、钠的问世曾引起轰动，因为在当时人们的印象中，金属的比重应该比水大，入水能沉，并且很软，只有在烈火中才能熔化。而钠和钾却像 蜡一样软，可以用小刀轻轻切开还可以浮在水面上，并且一秒种也不安静， 到处窜来窜去，发出丝丝的声音并扬起白烟，变得越来越小，最后完全消失。 即使在冰面上，钠也能自行燃烧，后来的研究表明，金属钠在一 80t 时就可 与水反应，可见钠、钾的还原能力远远超过了氢。在煤油里，它们会平静地 呆在里面，但如果把它们暴露在空气中，马上会失去银白色的光泽而披上一 层薄膜。钠和钾还能同卤族元素氟、氯、溴、碘以及硫、磷、氮等元素直接 反应，也可以与氯化氢、氨等化合物发生反应。烈性金属钠在现代工业上有着十分广泛的应用。汽车必需的汽油防震剂四乙基铅和四甲基铅的生产要用钠做基本原料。生产航天事业需要的耐高 温、耐腐蚀材料，往往也离不开金属钠。　　金属钠和钾还是很好的冷却剂，在核工业上广泛应用。钠、钾及其合金 做为核反应堆的传热介质，熔点低，传热本领大。钠、钾、铯制成的合金，在-78℃才凝固，是目前熔点最低的合金。液态钠传热的能力比水高四五倍。 成批生产的钠砖用于快热中子反应堆和超热中子反应堆，不仅使反应堆体积 小，而且造价低廉。液态金属钠可以做熔剂，制备与其它溶剂发生反应的活 性金属粉。金属钙可以在液态钠中重结晶制取纯净的钙。　　金属钠还是石油除硫的好材料。用钠处理后的石油，颜色好，贮存稳定， 还改善催化裂解的质量，使裂解率达到 99％。　　金属钠和金属汞形成汞齐，具有温和的还原性，常在有机合成上应用。 钠汞齐作弧光灯的电极，要比单独使用汞所需要的电压小，因此用来作钠光 灯。钠灯发出的光线在人眼的最大灵敏度范围之内，从而，云雾天时，汽车在橙黄色钠灯的路灯下行使也会平安无事。 金属钾由于价格昂贵而限制了它的应用。钠、钾的氧化物有着特别重要的理论意义，因为它们是研究氧本身相互成键的“模特儿”。钠、钾可以生 成普通氧化物、过氧化物和超氧化物，钾和臭氧反应生成臭氧化钾。而过氧 化物遇到二氧化碳会自动放出氧气，因此，做为急救用的氧气源，即便宜， 又容易贮存。潜水员、矿工、太空飞行员戴上过氧化钾面具可以保证氧的供 应。　　钾、钠的氢氧化物称苛性碱。苛性碱可以与某些金属或非金属，甚至玻 璃发生反应，所以盛装苛性碱试剂要用塑料瓶。氢氧化钠很喜欢水，一块干 燥的氢氧化钠放在空气中，它的表面很快就会“出汗”，最后变成糊状物。 氢氧化钠的这种性质，使它可以用来作干燥剂。特别应当注意的是千万不要 让碱液溅入眼中，否则就会把眼睛烫伤。如果不小心把碱液弄在皮肤上，要 迅速用水冲洗，并用稀小苏打或肥皂水洗涤。苛性碱的许多优点使它成为实 验室使用的重要试剂。在工业上大量用在制造肥皂、造纸、冶金、人造纤维、 石油等方面。　　还有一个重要的钠的化合物是“纯碱”——碳酸钠，俗称“苏打”。最 初，人们是从一些海生植物的灰中提取苏打，然而，产量非常有限。现在， 人们用食盐、硫酸与石灰石作原料制造纯碱。纯碱是白色晶体，常用于洗灌。 玻璃、肥皂、造纸。石油等工业都要消耗成千上万吨纯碱。至于“小苏打”，则是碳酸氢钠的俗称。医治胃病的小苏打片，“苏打饼干”，便是用它做的。小苏打是细小的白色晶体，微有咸味，常用作发酵 剂，因为它受热或受酸作用，很易放出二氧化碳气体，在面团中形成蜂窝状。 钠、钾元素对人的生长和正常发育非常重要。一个正常人每年要摄取 5～10 干克食盐。盐不仅使食物鲜美，而且还为我们体内提供必要的氯。由氯可以产生胃液的组成物盐酸。人体内的钠的总量大约为 90 克，钾 160 克。钠的 主要功能是维持细胞外液的渗透压，使神经细胞对外界刺激的反应维持正 常。钾主要维持细胞的新陈代谢，同时也维持神经细胞对外界刺激的正常反 应。人体缺少了钠和钾，就会感到疲惫、食欲不振、头痛、肌肉痉挛、恶心、 神志不清、心律紊乱、低血压等。值得提出的是，我们要多吃些含钾量多的 蔬菜、水果、肉类、谷类、豆类等，不要偏食，否则会引起缺钾症。众所周知，植物很需要钾。植物从土壤里摄得钾，来配合光合作用和呼吸作用。有人做过这样的试验，取一枝施过钾肥的植物叶子放在干燥的空气 中，一昼夜基本上没有水分蒸发，而没有施钾肥的叶子，水分丢失 94％。 植物缺钾，叶片会发黄，布满棕褐色斑点，伺时杆茎细小容易倒伏。向日葵 杯中钾的含量高，所以抗风能力强。烟农很熟悉烟草生长的“脾气”，在烟 草地里施些含钾多的草木灰肥料或钾肥。目前，80％的钾化合物用于钾肥。 钠、钾元素的化学性质虽然人们研究了一二百年，它们的化合物数以千 计，但是对它们的研究还远远不够。近年来，人们又开辟了崭新的领域。钠、 钾原子具有很低的电离能，在液氨溶液中可形成深蓝色的溶液。这种溶液很 奇特，具有优异的导电性能。饱和的钠氨溶液的电导接近纯金属的电导，溶 液变稀，电导突然降低；溶液再稀，电导反而又升高。利用先进的测试仪器 确认这种溶液中有负一价的钠离子存在。利用钠负离子可以作成半导体。相信不久在这个领域又会有新的科技成果出现。碱土金属六兄弟　　碱土金属是元素周期表中的第二主族元素，包括铍、镁、钙、锶、钡、 镭六种元素。它们的化学活泼性仅次于钠、钾等碱金属元素。由于它们的氧 化物具有碱性，熔点极高，所以叫做碱土金属。　　这一族元素就像亲兄弟一样，“相貌”和“脾气”相似，但还有各自的 独特“性格”。　　除铍是钢灰色外，其余都是银白色金属。由于它们原子最外层只有两个 电子，所以，都是非常活泼的金属。在自然界中它们从不以单质状态存在， 而耍得到它们的单质，一般用熔盐电解的方法。它们的化学活泼性依铍到钡 的顺序而增加。如，钙在常温下不与氧作用；而锶暴置在空气中会迅速被氧 化；钡在潮湿空气中就可以自燃。它们虽然都是轻金属，但是硬度却很大。铍能和钢铁相比。如在铜里加入 2.5％的铍形成的合金，其硬度可以增加六倍。镁铝合金比钝铝更坚硬， 所以大量用于飞机制造工业。成为重要的“国防金属”。　　它们在火焰中燃烧，会发出不同颜色美丽的光辉。如镁在空气中燃烧会 射出耀眼的白光；钙燃烧产生砖红色光芒；钾产生的洋红色非常鲜艳；钡燃 烧时也发出格外好看的绿色的光。我们节日所放的焰火中就是因为加入了碳 酸锶、硝酸钡等物质才发出了五光十色、绚丽多彩的光，更增添了节日的欢 乐气氛。除此以外，这六兄弟还能与硫、氮、磷、氧化合，形成相应的化合物。前面提到过，它们的氧化物熔点较高，常用于制耐火砖、坩锅、熔炉的衬里 以及绝缘材料。钙、锶、钡还有一个与碱金属类似的“脾气”——形成过氧 化物和超氧化物。其中只有过氧化钡容易制得并且有重要用途。在潜艇中用 它吸收二氧化碳并放出氧。我们还是着重讲一下镁和钙吧！　　镁是英国化学家戴维在 1808 年用电解法首先发现的。镁很轻但十分坚 硬，结构性能也不错。因为镁在空气中燃烧时能射出耀眼的亮光，所以人们便用镁粉来制成闪光粉，供夜间摄影用。另外，人们也用镁粉来制成照明弹、焰火等。 不过，镁的最重要的用途是用来制造合金，如前面提到的“国防金属”镁铝合金。　　镁最重要的化合物是氧化镁和硫酸镁。氧化镁熔点非常高，达 2800℃， 是很好的耐火材料。砌高炉用的“镁砖”，就含有许多氧化镁，它能耐得住2000℃以上的高温。氧化镁也被用来制造水泥和纤维板。 在生物学上，镁极为重要。因为它是叶绿素分子中的核心原子——在镁原子的周围，围着许许多多氢原子、氧原子等，组成叶绿素分子。在叶绿素 中，镁的含量达 2％。要是没有镁，就没有叶绿素，也没有绿色植物，没有 粮食和青菜了。据估计，在全世界的植物体中，镁的含量高达 100 亿吨。在 土壤中施镁肥，可以显著地提高产量，尤其是甜菜。在大自然中，镁是分布很广的元素之一。在地壳中，镁的含量约为 14‰。 金属钙是英国化学家戴维和瑞典化学家柏齐利马斯在 1809 年制得的。钙是银白色的金属，比锂、钠、钾都要硬、重，在 815℃熔化。 在工业上，金属钙的用途很有限，如作为还原剂，用来制备其它金属；用作脱水剂，制造无水酒精；在石油工业上，用作脱硫剂；在冶金工业上， 用它去氧或去硫。然而钙的化合物，却有着极为广泛的用途，特别是在建筑 工业上。　比如常用的大理石，就是石灰石中的一种。石灰石的化学成分是碳酸钙， 它常被用来修水库、铺路、筑桥。　　石灰石在石灰窑中，和焦碳混合在一起锻烧后，制成生石灰。生石灰的 化学成分是氧化钙。硫酸钙也是钙的重要化合物，俗名石膏。在工业上，人 们用石膏做成各种模型，来浇铸金、银、铝、镁。铜以及这些非铁金属的合 金。　　钙是人体和动物必不可缺的元素。人和动物骨骼的主要成分，便是磷酸 钙。血液中也含有一定量钙离子，没有它，皮肤划破了，血液将不易凝结。 据测定，人一昼夜需摄取 0.7 克钙。在食物中，以豆腐、牛奶、蟹、肉类含 钙较多。植物也很需要钙，尤其是烟草、荞麦、三叶草等。　　在大自然中，钙是存在最普遍的元素之一，占地壳原子总数的 1.5％。 在所有的化学元素中，钙在地壳中的含量仅次于氧、铝、硅、铁，居第五位。在碱土金属中，最与众不同的要数镭了。 镭有一个最奇特的“脾气”——能放出射线，它的放射性比铀还要强好几万倍。　　硫化锌、硫化镉在镭射线照射下，能发出浅绿色荧光。夜光表就是利用 这一原理制成的。另外，镭射线能破坏动物体，杀死细胞细菌，所以可用它 来医治癌症。在碱土金属家族中，还有一个年轻有为的成员——铍。作为空间系统的结构材料，还是最近 20 年逐渐被采用的。它在导弹、卫星和宇宙飞船的制造 中大显身手。因为铍的比热大，有良好的吸热能力，所以，铍是宇宙飞船理 想的热屏蔽材料。被比重小而性能优异，在导弹和宇宙飞船上有重要的应用。 另外，铍在飞机、太阳能电池、惯性导航系统及原子能反应堆中，都有着非 常重要的应用。用途广泛的——铝　　许多人常以为铁是地壳中最多的金属，其实，地壳中最多的金属是铝， 其次才是铁。铝占整个地壳总重量的 7. 45％，差不多比铁多一倍，地球上 到处都有铝的化合物，像最普通的泥上中，便含有许多氧化铝。我们和铝打 交道可不少。衣袋里的硬币、钥匙、钢笔帽；餐桌上的调羹、饭盒、炒锅； 房间里的门把手、暖瓶壳、铝制家具；天地间的飞机、汽车、轮船??衣食 住行，离开铝简直寸步难行。　　传统的镀银穿衣镜，正在被真空镀铝镜代替；铅和锡夹层的牙膏袋，已 被铝皮牙膏袋代替了；包糖果、卷烟的锡纸，早已名不副实，变成了铝箔； 那金光闪闪的“金纸”——铝做的，那银白雪亮的银粉油漆——搀的是铝粉； 甚至姑娘衣衫上那黄澄澄的“铜”钮扣，廉价的“金银”首饰，织在衣料里 的金银丝，都是铝做成的。　　可是，在一百多年前，铝曾被列入稀有金属的行列，称为“银色的金子”， 比黄金还要珍贵。　　法国皇帝拿破仑三世为了显示阔绰，将他的军旗族头上的银鹰换成了铝 鹰。逢盛大国宴，他拿出珍藏的铝质餐具，在宾客面前炫耀一番，好像国宝 一样。发现元素周期律的俄国化学家门捷列夫，曾经接受过英国皇家学会的崇高奖赏——一只普普通通的铝杯。 原来，铝的发现和工业化生产，历史很短，一向被称为“年轻的金属”。 一般化学史上，常认为德国的维勒是最先发现铝的化学家。 1827年，维勒将金属钾和无水氯化铝放在坩锅里一起加热，冷却后投入水中，得到银灰色的金属铝粉来。　　30 年后，法国化学家得维尔用金属钠还原氯化铝，使铝成为工业产品。 但是当时金属钠价格高昂，用金属钠生产出来的铝比黄金还要贵好几倍。铝 仍然不能成为普通的商品。当时，有人讨好得维尔，说得维尔制造的铝比维勒强多了，得维尔才是铝的发现者呢。可是，得维尔却不听恭维，十分讨厌拨弄是非。他铸造了一 枚铝质纪念章，上面印制了维勒的头像和名字，并特意标出&#”——维 勒发现铝的年代，赠给维勒表示敬意。两人成了亲密的朋友，在科学史上传 为佳话。21 岁的美国大学生豪尔决心攻关，使铝的生产成本大大降低。在他的老师——维勒的学生的鼓励下，于 1886 年用电解法制铝获得成功。豪尔拿到一 批银亮的钮扣大小的铅球，欣喜若狂，捧着跑进老师的房间里报喜。从此， 铝变成廉价的商品。　　美国铝公司的展柜里，至今还陈列着豪尔制得的第一批电解铝粒。在豪 尔的母校俄柏林大学校园里，矗立着青年大学生豪尔的铝铸像，全校师生引 以为荣。　　几乎同时，大洋彼岸 21 岁的法国青年大学生埃罗也成功地用电解法制得 了铝。当他闻讯豪尔的成就时，毫不嫉妒，还和豪尔交流试验情况，互相切 磋，成为莫逆之交。和得维尔向维勒表示敬意一样，埃罗远涉重洋到美国祝 贺豪尔荣获柏琴奖章，又为后人留下佳话。从奥斯特炼出第一块不太纯净的铝，到电解法制铝成功，铝成为普通商品，竟然经历了六十多年的时间。这以后，铝的价格一落千丈，成为日常使 用的产量仅仅低于铁的第二大金属。这也说明，铝的化学性质很活泼，不易 提炼，所以迟迟才显露出其庐山真面目。　　名贵的红宝石、蓝宝石，是含有少量铬、钴和铁的天然氧化铝晶体。手 表里的“钻”，就是人造红宝石，它坚硬耐磨，坚守在轴承的岗位上。刚玉 和金刚砂，是工业上优良的磨蚀材料，硬度仅次于金刚石。它们的化学成分 是纯净的氧化铝。而我们脚下的泥土，里面含有不少铝的氧化物。说粘土是 铝的母亲，并不夸张。　　纯净的铝很软，可以用刀切割。它又可任人摆布，拉成丝，展成箔，延 展性仅次于金、银、铂等。　　铝的表面银白闪亮，反射光线能力极强，可以贴在聚光灯、探照灯和太 阳能灶的反射面上。镀铝的反射式天文望远镜是洞察遥远星系的巨眼。用镀 铝的纤维织品做睡袋，野营者仿佛躺在柔软的暖瓶胆里，不怕严寒，睡得香 甜。消防队员穿上镀铝的石棉防火衣，赴汤蹈火无所惧。高级旅馆的窗玻璃 上，贴敷一层镀铝塑料薄膜，既可防止玻璃碎裂，又能反射辐射线，夏天拒 炎热于室外，寒冬又防止热量辐射外流，实现冬暖夏凉，节约能源。铝膜薄 得几乎透明，室内可以透视窗外，而户外却看不见房间内部。铝的导热性也很好。当它接触热源时，传热快，而脱离热源后，铝表面的反射热辐射的能力就发挥出来了。生活的经验可以证明这一点：两把铝壶， 都盛满水，悬空架在火焰上方，壶底涂黑的那壶水比壶底铮亮的要提早约 1/3 时间煮沸；如果让壶底都触及火焰，煮开水所需的时间就同样短了。所以 2323 人们常常用铝来做炊具。　　铝也善于导电。铝的单位面积导电能力是铜的 60％，而铝比铜轻盈得 多，所以，相同重量的铝导线和铜导线比较，铝导线要比铜导线导电能力强。 高压输电线以铝代铜后，电缆的重量大大减轻，节省了不少铁塔、电杆。电 机改用铝线绕制，节约大量宝贵的铜。铝粉在燃烧时发出巨大热量和耀眼的白光。火箭燃料、烈性炸药、铝焊接剂和节日的焰火都少不了它。将铝粉拌和在油漆里涂刷铁器，不仅银光闪 闪，还大大增强防腐蚀的能力。因为铝的化学性质活泼，在外来腐蚀侵袭时， 铝粉挺身而出，牺牲自己，保护他人。铝粉就是我们通常说的“银粉”。有趣的是，铝很容易被氧化，生锈后表面蒙上一层透明的薄薄的氧化铝膜。这层铝锈和铁锈不同，非常致密，保护内部不再锈蚀。因此，铝制品从 来不需要涂油漆保护。　　有人嫌铝制品不够铮亮，经常用炉灰、去污粉磨擦。但是，旧的铝锈刚 擦去，新的铝锈又立即生成。因而徒劳无功。　　在纯铝里搀进少量镁、锰、铜等，冶炼出的铝合金非常坚硬。铝合金做 的炊具经久耐用，抗腐蚀。它又是制造飞机、汽车的材料，可以大大减轻自 重，提高速度。据统计，美国因为推广铝制汽车而减轻自重节约的能量，相 当于当年美国生产铝所需的全部电力。硬铝合金用来制造舰艇，抗海水侵蚀， 不受磁性水雷袭击。铝合金在建筑上还是轻盈坚牢的栋梁材料。像海绵一样 的泡沫铝，轻盈、隔音、保温、强度高，是新型的建筑材料。　　活化铝能够迅速和水起化学变化，放出大量氢气。氢气是干净的汽车燃 料。在国外，已经开始用活化铝代替汽油作汽车燃料。　　在能源紧张的今天，铝作为贮存能源的“银行”倍受青睐。富裕的电力 无法贮存，可以用来炼铝。炼一千克铝耗电十七八度。铝锭又不锈蚀，能长 期存放。由铝锭加工成各种制品，耗能不多。回收铝所需的能量只有炼铝的5％，是回收钢铁的 1/8，而且回收起来极少损耗。所以，国外大量采用铝质 包装箱、周转箱。连汽水瓶、罐头盒都是铝膜制的软罐头。建筑行业的脚手 架也是铝质的。这一切都为了便于回收，节约能源。　　当然，和任何事物一样，铝也有它的缺点。铝的熔点低，铝锅空烧容易 穿孔，铁锅就没有这个危险。铝壳军舰经不住炮火袭击，大火往往使船身熔 化。英国在马岛战争中损失的巡洋舰和运输舰，就是完全用铝取代了船只的 钢铁外壳造成的。　　不过，铝的多才多艺，用途广泛，还是博得人们的普遍赞誉。人们赞美 铝是继钢铁之后，进入 20 世纪以来轰动世界的金属。我们的时代可以称得上 是铝金属的时代。　　现在，铝的年产量已超过铜，仅次于铁。随着工农业生产的飞跃发展， 铝和它的化合物将得到更广泛的应用。　　我国的丰产元素——硼　　硼在国外常被列为稀有元素，但我国却有丰富的硼砂矿，所以硼在我国 是丰产元素。　　说到硼元素，大家可能不会感到陌生，医院里常用的消毒水——硼酸， 工业上用的硼砂，都是大家经常接触到的硼的化合物。　　硼，是与生物世界息息相关的元素。甜菜、小麦、稻谷、苹果、柑桔等 等，都离不开硼，硼是保证它们茁生长的“维生素”。在我们的日常生活中 也常常遇到硼，比如，五颜六色的瓷器、彩色电视机等等都有硼的一份功劳。 更引人注目的是近年来硼进入了尖端科学技术领域，尤其在航天事业上，硼 发挥了杰出的作用，被誉为无机材料的后起之秀。　　尽管人们很久以前就和硼打交道，如古代炼丹家们使用过硼砂，但是， 单质的硼是在 1807 年由法国科学家盖·吕萨克和泰纳、英国科学家戴维发现 的。　　硼在化学元素周期表中排在第五号，它们的原子半径很小，原子最外层 有三个电子，被核正电荷紧紧吸引，很难丢失，所以硼总是趋向于得到电子。 它是一个非金属元素，在铝、硅之中，更像硅。单质硼的晶体是正二十面体， 每个面是等边三角形。在化学反应中，硼总是倾向于以这种多面体的习性形 成化合物，而硼的这种复杂成键特征，用一般的化学键理论是无法解释的。 正是由于硼元素的这种结构，使它能够形成多种形式的化合物，如硼烷、碳 硼烷、有机金属硼烷等等。无怪乎有人说：硼化学几乎可以和碳的化学（有 机化学）相媲美。曾经在这个领域做出过突出贡献的科学家李普斯昆获得了1976 年诺贝尔奖。然而，化学家在开辟这个新领域的征途中曾历尽艰辛。　　早在 1881 年，人们试图制取单个的硼氢化合物，但是，这些物质太活泼 了，很容易受水的进攻，在空气中可以自动燃烧。直到 1912 年，德国化学家 史托克首次发明了用金属汞制成的低温真空操作仪器，才获得了一个个硼氢 化合物。史托克为硼化学奋斗了整整 20 年。不幸的是，由于长期与汞打交道， 史托克和他的同事们得了汞慢性中毒症，头痛、肢体麻木。精神疲倦、记忆 减退、丧失视觉。他们以现身说法向人们大声疾呼：小心汞中毒。从此以后， 人们对汞的毒害作用予以了足够的重视。硼有八种同素异形体。晶体状态的硼硬度特别高，和金刚石接近，化学性质也特别稳定，只有在高温下才与氧、氯、硫发生反应。硼在自然界主要 以化合物形式存在，硼占地壳总重量的 0.001％。我国有着丰富的硼矿资源， 在西藏的湖泊中就有大量的硼砂固体。16 世纪 50 年代，西藏的硼砂曾经垄 断世界市场。　　游离态的硼用途不太大。在工业上，在铝、铜等金属里加上百万分之一 的硼，可以改善这些金属的机械性能，硼砂的用途要广得多。硼的化合物早 期主要应用在冶金、陶瓷、造纸。玻璃、食品等工业部门。随着现代科学技 术的发展，硼元素成了航天事业不可缺少的材料。硼烷是比较理想的高能燃 料。每千克硼烷的燃烧热值高达 15000 千卡。作为火箭的动力，可以把几十吨 重 的 人 造 天 体 送 到 九 霄 云 外 。 硼 纤 维 的 抗 张 强 2727 度为每平方厘米 75 千克之多。它耐高温、耐腐蚀、寿命长、质量轻，所 以它可以用来做火箭的喷嘴、卫星的天线支承杆、设备平台的支承杆，还可 以制造航天飞机的推力结构架。硼的有机化合物作为耐高温粘合剂，曾用于登月的阿波罗飞船。用这种粘合剂粘合的密封部件与传统的铆合、焊接、拴 合相比，不仅粘的牢固，而且大大减轻部件重量。　　大家知道，我们日常生活离不开电，同样的，在太空飞行的卫星、飞船 等也都离不开电。这些人造天体上用的太阳能电池一般都是用硅硼磷作 P—N 结，这种“发电站”比其它材料作成的电池寿命长。为了解决地球上的能源 危机，有人还设想在地球的同步轨道上建造太阳能电站，然后用微波传送给 地球。实现这个美好的愿望，也少不了元素硼。　　硼在原子能工业和冶金工业上的应用也是出类拔草的。硼的同位素是优 良的中子吸收剂，可以作为核反应堆的控制棒。三氟化硼还可以制成核反应 堆的中子计数器。人们通过中于计数器可以随时得到热核反应的信息。在冶 金工业中，硼还可以代替钼、铬、镍等贵重的金属。在钢里掺入十万分之几 的硼，造出的不锈钢，强度可以大大提高。这种不锈钢是制造喷气发动机和 内燃汽轮机高强度零件的好材料。在铜和铝中掺入万分之几的硼，可以大大 提高导电性。氮化棚的硬度比金刚石还高，熔点达 3000℃以上，是很好的抗 高温、抗腐蚀材料。　　硼元素是人体内的微量元素之一。虽然它的营养功能至今还没有结论性 的证据，但它是细胞不可少的成分。硼还是庄稼、果树的亲密朋友。农业化学家在研究油菜的生长时，发现有块农田油菜苗植株矮小，光开花不结果，最后枯萎。施用八两硼砂后，油 菜的生长却面目一新，枝粗苗壮，产量成倍地增长。甜菜缺硼就会丧失对细 菌的抵抗力，发生腐心病，幼苗死亡。棉花缺硼会发生落桃现象。大豆缺硼， 根瘤菌不能很好地固氮。苹果缺硼，果肉中会出现坚硬的斑块，果皮会出现 凹陷和坏死。科学研究证明，豆科植物、十字花植物、麻类、果树等都需要 微量的硼，而这种微量的营养元素是氮磷钾不能代替的。在植物体内硼参与 碳水化合物的转化和运输、调节水分以及氧化还原反应的过程，它又是开花 结果和生长点再生所必需的营养成分。所以，目前已普遍受到农业化学家的 重视。这里应当指出的是，硼的许多化合物是有毒的，必须引起人们的充分重视。在 1906 年俄国就禁止用硼的化合物保存食品。硼酸的致死量是 4 克，而 硼氢化合物剧毒，乙硼烷的毒性与光气不相上下。得了硼中毒症就会食欲不 振、呕吐、咳嗽、发炎，头痛等等。不过只要我们科学地使用它，驾驭它， 硼就不会给人类带来严重的危害。随着现代科学技术的发展，可以预见，初露头角的硼元素必将开出更加绚丽多彩的花朵，结出更加丰硕的果实。我国有丰富的硼矿，它在我国建设 中将会发挥越来越大的作用。　　有机世界的主角——碳在各种各样的化学元素当中，最奇妙的莫过于碳这个元素了。 你可能会问：碳又有什么奇妙？我们烧的煤炭、木柴，吃的碳水化合物，穿的棉纤维、合成材料，用的木制家具，甚至我们吐出来的碳酸气??哪一 样和碳没有关系呢？碳元素不是十分普通而又唾手可得的化学物质吗？但是，只要举几个简单的数字，你就会大吃一惊。 据美国《化学文摘》编辑部最近统计的数字，全世界已经发现的化合物种类突破 400 万大关，其中绝大多数是碳的化合物，不含碳的化合物不超过10 万种。　　这样，在现有 109 种化学元素中，碳以外的 108 种元素，它们之间所形 成的化合物的数目，仅是碳这一种元素形成的化合物总数的大约 1/40。从这 个角度讲，碳几乎是物质世界的主角了。尤其是有机世界。　　在生命世界里，碳占有特殊重要的地位，是生命世界的栋梁之材，没有 碳，就没有生命。　　但是，碳在地球上只占地壳总重量的 0.4％，只有氧的 1/49，硅的 1/26。 正因为碳是那样与众不同，人们对碳也另眼相看，在化学上，把除了碳 以外的那 108 种化学元素所形成的化合物叫“无机化合物”，研究无机化合 物的化学叫做“无机化学”；而碳的化合物叫做“有机化合物”，专门研究碳的化合物的化学叫“有机化学”。　　在大气里，二氧化碳气算是次要的成分，只占大气总重量的 0.03％。但 其中碳的重量仍多达两万亿吨。这是一笔巨大的财富。它为生命提供了基本 的材料。二氧化碳的温室效应还为生命提供了适宜的温度环境。因为二氧化碳有个怪脾气：在太阳光通过大气层的时候，它偏爱吸收波长 13～17 微米的红外线。这如同给地球罩上一层硕大无比的塑料薄膜，留住 温暖的红外线，不让它散失掉，使地球成为昼夜温差不太悬殊的温室。二氧化碳还是绿色植物进行光合作用的原料。绿色植物每年通过光合作用，将大气里二氧化碳含的 1500 亿吨碳，变成纤维素、淀粉和蛋白质，供给 动物和人类食用。现在活着的动植物机体里，含有大约 7000 亿吨碳，组成植物的根、茎、叶和动物的骨肉、血液。 古代动植物的遗体在地壳里变成了煤炭、石油和天然气，为我们留下了亿万吨的燃料。　　在地壳里，大约有将近 5000 万亿吨化合状态的碳。那漫山遍野的石灰 石、大理石，它们的主要成分是碳酸钙。海洋里的珊瑚礁、贝壳岛也是碳的 化合物碳酸钙沉积而成的。　　水里溶解的二氧化碳，总量也不少。各地的奇峰异洞和瑰丽壮观的石林、 石柱、石笋、石钟乳，这些千姿百态、气势磅礴的巨型雕塑，都是溶解了二 氧化碳气的雨水、地下水的杰作。　　还有，那芬芳扑鼻的花朵里的香精油，五彩缤纷的色素，酸甜苦辣的有 机酸、糖类、植物碱、治病健身的药物、维生素，哪一样不是碳的化合物呢？ 在碳的世界里，纯净的、没有与其他元素结合的碳，种类很少。碳原子 以不同的晶体结构排列，竟可以使自己在材料世界中扮演迥然不同的角色。 金刚石晶莹美丽、光彩夺目，是自然界最硬的矿石：石墨乌黑柔软，是世界上最软的矿石，做铅笔芯的好原料。但是，这性质。迥异的材料竟都是 由碳原子构成的。金刚石和石墨是碳的同素异形体。无定形碳实质上是微小的石墨晶体。1772 年，拉瓦锡等法国化学家合伙买了一颗金刚石，用聚光镜使日光在金刚 石上聚焦，金刚石燃烧起来化为青烟而消失。他们证明燃烧金刚石后产生的 气体就是二氧化碳。1797 年，英国化学家坦南特严格证明金刚石和石墨相 同，都是纯粹的碳。1799 年，法国化学家摩尔沃将金刚石隔绝空气加热，转 变成石墨。可是，石墨转变为金刚石，却迟至 1955 年才由美国科学家们首次 实现。这最终证明金刚石和石墨是可以互相转变的碳的同素异形体。　　众所周知，生命的基本单元氨基酸、核苷酸是以碳元素做骨架变化而来 的。首先，一节碳链一节碳链地接长，演变成为蛋白质和核酸，然后演化出 原始的单细胞，又演化出虫、鱼、鸟、兽、猴子、猩猩，直至人类。　　这三四十亿年的生命交响乐，它的主旋律就是碳的化学演变；这千姿百 态、蔚为壮观的生命世界，它的栋梁材料就是碳元素！　　碳元素这样巨大的作用取决于它的原子结构。碳在元素周期表上属第四 主族头一名，恰好位于非金属性最强的卤族元素和金属性最强的碱金属之 间。它的原子外层有四个电子。这四个电子难舍难分，与其他原子结合难以 形成离子键，而形成特有的共价键，尤其是碳碳共价键。碳和碳之间的联结， 不仅有单键，而且有双键、三键等多种键型。因此，碳原子之间既可以形成 长长的直链，也可以构筑环形链、支链，纵横交错、变幻无穷。再配合上氢、 氧、氮、硫、磷和金属原子??，碳的化合物就不仅种类繁多，而且分子量 很大，具有五花八门的物理、化学性质，以至在生物机体内，具有新陈代谢、 能量输送等生命的功能，造就这五彩缤纷、龙腾虎跃的生命世界。其他元素 的原子则没有碳的特种本领，最多只能形成五六个原子的链条。所以，它们 的化合物的种类跟碳相比，自然就少得多了。人们正是熟悉了碳的这种性质以及许多有机物的结构之后，巧夺天工，合成出众多的原先仰赖自然资源提供的碳的化合物，从最简单的甲醇、酒精、 醋酸、福尔马林，到复杂些的维生素 C、葡萄糖、靛蓝染料、紫罗兰香酮， 一直到合成生命的基石——各种氨基酸、核苷酸和显示生命活力的简单的蛋 白质、核糖核酸。不仅如此，自然界里从未有过的各式各样的碳的化合物， 人类也制造出来了。比如，最简单的有机溶剂、人造丝工厂不可缺少的原料 二硫化碳；碰到水会放出可燃气的石头——“电石”碳化钙；最普通的磨蚀 材料、硬度仅次于金刚石的碳化硅??它们都是地球上先前没有而后来被人 类制造出来的物质。　　再看看我们周围的物质，那琳琅满目的塑料、合成橡胶，医药箱里的红 药水、阿斯匹林，杀虫剂六六六、滴滴涕，家具表面漂亮闪光的油漆，厨房 里的糖精、合成食用色素，甚至那些炸药、化学毒气等等，这数以万计的碳 的化合物，都是人类创造出来的。　　150 多年前，德国青年化学家维勒用无机化合物氯化铵和氰酸银反应， 竟出乎意料地得到只有在生命体内才存在的有机化合物——尿素。　　这是人类第一次从简单的碳的无机化合物制造出有机物质，证明了无生 命的矿物里的碳元素和生命有机体里的碳元素之间，不存在不可逾越的鸿 沟，动摇了化学权威柏济利阿斯的错误的“生命力”学说。柏济利阿斯是维勒的老师。他主张生命物质只有生命力才能创造，人工全然制造不了。 从维勒合成尿素至今。已经 150 年了。专门研究碳的化合物化学——有机化学，已经成为化学里两大学科之一，蓬勃发展，一往无前。 当年维勒只是合成了一种哺乳动物的排泄物尿素。这尿素分子里只有一个碳原子。今天，比尿素复杂千百倍的碳的化合物都已经合成出来了。我国 科学家花六年零九个月的时间，于 1965 年首次合成了由 51 个氨基酸、777 个原子结合而成，分子量为 5700 的牛胰岛素。这是世界上第一个人工制造的 蛋白质。1981 年我国科学家又成功地人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸，它由 76 个核苷酸组成，分子量为 26000。 这些事实雄辩地证明：生命的两大基本物质核酸和蛋白质都来自简单的无机物的逐渐演变，和碳这生命世界的栋梁材料有极为紧密的联系。 我们相信，当人类能够合成各种蛋白质和核酸的时候，在化学实验室里合成生命、指挥生命交响乐的日子也就不再是谣谣无期的了。古老的铅　　大家熟悉的青灰色的金属铅，是一个古老的金属。它是人类最早认识的 几个金属元素之一。无论是古巴比伦人，古犹太人、古罗马人，还是在中国 古代，都有使用铅的悠久历史。在中国最早的炼丹著作《周易参同契）以及 古犹太人的《圣经》《旧约》里，都记载着铅的冶炼和使用方法。炼丹家们 在热衷于“长生不老”丹、“点金术”的时候、就把这表面青灰而切开之后 闪烁银灰色光泽的铅，作为重点研究对象之一。他们除了用铅制造铅汞齐之 外，还制备“仙丹”之一的黄丹，也就是四氧比三铅。炼丹家对于铅可以氧 化为黄丹，而黄丹又能还原为铅的现象感到很奇妙，就认为铅和汞一样是“仙 品”，因此铅就成了炼丹家炼丹炉里必备之物了。至于化妆用的胡粉，也就 是碱性碳酸铅，早在我国秦汉时期之前就使用了。古代罗马人还喜欢用铅作 水管，而古代的荷兰人则爱用它作屋顶。　　铅在地壳中的含量不高，只有 0.0016％，排在元素含量的第 35 位，比 某些“稀有元素”还要少。人们熟悉铅，是因为铅容易富集形成硫化铅等矿 物，而且容易冶炼，使用广泛。许多天然放射性元素如铀、镤、钍、镭、锕、 钫、砹、钋等最终都要蜕变为稳定的铅，铅在地壳中的含量不断地略有增加。 铅是在工业中应用广泛、价格便宜的金属，强度低而塑性高，展性相当 好，可以轧成极薄的铅箔。但是，铅的延性并不好，用拉伸法制铅丝，只能 拉伸到直径大于 1.6 毫米，再细的铅丝就只能用压挤法来生产了。铅还有一 个独特长处，就是具有极高的锻接性能，新切开的铅表面在室温下用不太高 的压力，就能迅速地锻接在一起。所以，用它来做绝缘电缆的包皮，操作起来既简单又方便，效果还好。　　铅的另一个宝贵的性质是在许多介质中都具有相当高的化学稳定性。在 干燥空气中，经过 90 年才在铅的新鲜表面形成勉强能察觉的氧化膜。铅的抗 硫酸的能力出类拔萃，这是由于硫酸和铅作用后，生成一层致密而牢固的保 护膜——硫酸铅，保护了里面的铅不再被腐蚀。所以铅被广泛地作为抗腐蚀 材料，如用来制造酸洗槽、硫酸室、酸泵、输酸管、蓄电池等方面。尤其是 蓄电池，据不完全统计，1971 年，铅的世界产量达 308.3 万吨，其中大部分 用来制造蓄电池。铅的熔点比较低，熔化后流动性好。用铅和锡组成的焊料，在电子、电器等行业大显身手。铅具有良好的导电性，被制成粗大的电缆，输送强大的 电流。　　说到铅的应用，人们会自然想到铅字。其实铅字用的是铅锑合金。这是 因为铅比较软，加入少量的金属锑，就能大幅度地提高铅的硬度，而锑具有 热缩冷胀的特点，所以铅锑合金铸出的铅字特别清晰。另外，铅和锡、锑、 铜制成的巴氏合金，是优秀的耐磨材料，用来制造高级轴承、轴瓦，加铅是 为了增加材料的韧性和塑性。　　铅还是一种放射线的防护材料。X—射线、γ—射线等都不能穿透它。在 医院里，大夫作 X 射线透视诊断时，胸前常用一块铅板保护着；在原子能反 应堆工作的人员，也常穿含有铅的大围裙。所以在使用 X—射线、γ—射线 时以及原子能工业都离不开铅。　　铅的化合物应用也很广泛。如生产颜料和塑料助剂等都要用到它。像大 家很熟悉的聚氯乙烯塑料，它有一个突出的毛病就是热稳定性不好，受热之后很容易分解。但是一旦加入少量的硬脂酸铅作为稳定剂，聚氯乙烯的热稳 定性就大大地改善了。　　铅在为人类服务的同时，也给人类带来了许多麻烦。很久以来，它污染 着人类的生活环境，危害人们的健康。　　古罗马人喜欢用铅做的输水管引水，用铅制的器皿贮存糖浆和果酒、烹 调食物，用铅制造货币等等。贵族妇女更喜欢用含铅的化妆品来打扮。可是， 他们不知道铅有毒，致使很多人铅中毒。一些学者把古罗马帝国的衰落也归 罪于铅。他们认为，当时古罗马能够使用铅质奢侈品的人，大多是罗马贵族。 在贵族之中铅中毒的现象非常广泛。铅中毒会引起死胎、自然流产和不孕症， 生下的婴儿大都在一年内死亡。于是古罗马帝国的上层阶级由于出生率低而 人口大减。　　铅是一种累积性毒物，它很容易被胃肠道吸收，其中一部分破坏血液使 红血球分解，一部分通过血液扩散到全身器官和组织，并进入骨骼。而沉积 在内脏器官及骨髓中的铅化合物由体内排出的速度极慢，逐渐形成慢性中 毒。慢性铅中毒最初只感到疲倦、食欲不振、体重减轻，由于往往被患者忽 视而拖延医治。当慢性中毒再发展时，会引起铅疝痛及便秘、呕吐、腹泻等 症状，并且出现末梢神经障碍，造成挠骨神经麻痹及手指震颤症。再严重时 会导致铅毒性脑病，而呈现头痛、耳鸣、视力障碍、精神不安、无意识状态 和贫血等。有机铅急性中毒的表现为不安、不眠、精神错乱，还有的患急性 脑病而死亡。正因为这样，用铅做茶壶、酒壶是不科学的。自从 1922 年美国发明了四乙基铅，作为汽车用汽油的防 3737 震剂以来，在汽油里添加四乙基铅的方法在全世界获普遍推广。从此，铅 便以有机铅的形式广泛污染环境，其危害的广泛程度比任何其他有毒金属元 素都大。在美国，由于汽车很多，汽车排出废气也多，相当于每人每年把二 磅多的铅以四乙基铅的形式排人空气，使铅成为大气污染的罪魁祸首。因此， 空气、水源、食物都有铅的污染。在城市中，污染空气的铅与汽油的消耗量 成正比。人每时每刻都要进行呼吸，吸入的空气中所含的铅会有一半残留在 人体之内。所以，目前铅造成的污染，对人体健康是一个潜在的巨大威胁。 因此，控制和消除铅污染是摆在我们面前的一个严峻课题。现在，科技工作者正着手减少以至消除铅对环境的污染。我们相信，人类一定能消除铅的种种危害，使它成为我们的忠实朋友。　无机世界的中流砥柱—硅如果说碳是有机世界的主角，那么硅则是无机世界的中流砥柱。 我们脚下的泥土是硅酸铝的水化物，石头和砂子的主要成分是二氧化硅，砖、瓦、水泥、玻璃、陶瓷，都是硅的化合物。 在地壳中，硅的含量排在第二位，占地壳总重量的 1/4 还多。地壳中含量最多的元素氧和硅结合成的二氧化硅，占地壳总重量的 87%。 硅的足迹真的是遍布全世界，到处都有它的影子。 人和硅的无机化合物打交道，已经有三四千年的历史了。粘土经过烧制成为原始的陶器，人类从此进入新石器时代。从黑陶、彩陶到唐三彩，制陶 技术出现高峰，后来又制成了玻璃。现在，硅的无机化合物又焕发了青春，正在为人类做出新贡献。 科技工作者将陶瓷和金属混合烧结，研制成功复合材料——金属陶瓷，它耐高温、富韧性，可以切割，是宇宙航行的重要材料。 人们用纯净的二氧化硅拉制出纤细的玻璃纤维，导致了光导纤维通信诞生。光纤通信容量高，还不受电、磁干扰，具有高度的保密性。科学家们预 测，光纤通信将会使 21 世纪人类的生活发生革命性巨变。硅和碱作用，能放出大量的氢气。制备 1 立方米的氢气 3939 只需 0.63 千克硅，如果改用金属的话，却需 2.9 千克的锌或 2.7 千克的 铁。在工业上，用焦炭在电炉中还原二氧化硅（石英）来制取纯硅。纯硅的用途并不太广。最重要的硅的化合物是二氧化硅，它是重要的工业原料。玻璃工业每年消耗几百万吨的砂子，因为玻璃是用砂子、苏打（碳 酸钠）和石灰石作原料熔炼成的。用纯二氧化硅——石英制成的石英玻璃， 能耐高温，即使剧烈灼烧后立即浸到水里也不会破裂。由于石英玻璃能很好 地透过紫外线，所以常用来制造光学仪器。纯净的玻璃是无色的。加入不同 的化学元素，可使玻璃产生不同的颜色：电焊工人所戴的蓝色护目镜片，是 加了氧化钴。普通眼镜片常常带点浅红色或浅蓝色，那是由于加了氧化铈或 氧化钕。加入三氧化二铁，玻璃呈黄色，若加入氧化亚铁，则变成绿色玻璃。 如果加极细的金粉、铜粉或硒粉，玻璃呈红色。若加入极细的银粉，则呈黄色。　　粘土的主要成分是水化硅酸铝。粘土大量被用来和石灰石一起煅烧，制 成水泥。粘土也被用来烧制砖、瓦等建筑材料。纯净的粘土——高岭土，是 制造瓷器、陶器最重要的原料。玻璃、水泥、陶瓷、建筑材料等工业，均以 硅为“主角”，被合称为“硅酸盐工业”。　　硅和碳的化合物——碳化硅，俗称金钢砂，是无色的晶体（含有杂质时 为钢灰色），它非常坚硬，硬度和金刚石相近。在工业上，常用金刚砂制造 砂轮和磨石。它还很耐高温，用来作耐火的炉壁。　　硅和氯的化合物——四氯化硅，是无色的液体，很易挥发，在 57℃就沸 腾。在军事上用来作烟雾剂、因为它一遇水，便水解生成硅酸和氯化氢，产 生极浓的白烟。特别是海战时，水蒸气多，烟雾更浓。四氯化硅的成本比白 磷低廉得多。　　硅虽然是无机世界的“主角”，但是近年来，它在有机世界中也成为引 人注目的角色——人们制成了一系列有机硅化合物。有机硅有个特性——憎 水。一些药品瓶的内壁，如青霉素瓶，便常涂着一层有机硅。这样，在使用后瓶壁上就不会留有药液。巍立在首都天安门广场上的人民英雄纪念碑，表 面也涂着一层有机硅，这样可以防尘防潮，保护那精美的浮雕。有机硅塑料 具有很好的绝缘性能，如果用它作为电动机的绝缘材料，可以使电动机的体 积和重量都减少一半，而使用寿命却可以延长八倍多，并且在高温、潮湿的 情况下都能使用。有机硅橡胶，在冰天雪地之中（甚至低到一 90℃），或在 烈日酷晒之下（甚至高达 350℃）都不龟裂、不老化、保持弹性，用它来制 造汽车轮胎非常合适。　　硅，这个无机世界的骨干元素，在有机世界里还是一个年轻有为、崭露 头角的角色呢！难怪许多科学家预测，如果地球之外有高级生物存在的话， 它们的机体不见得非跟人类一样要由碳的高分子化合物充当骨干；硅，作为 地球外生命的骨干材料，完全是可能的。　　马口铁的“外衣”——锡　　锡是大名鼎鼎的“五金”——金、银、铜、铁、锡之一。早在远古时代， 人们便发现并使用锡了。在我国的一些古墓中，便常发掘到一些锡壶、锡烛 台之类锡器。据考证，我国周朝时，锡器的使用已十分普遍了。在埃及的古 墓中，也发现有锡制的日常用品。　　在自然界中，锡很少成游离状态存在，因此就很少有纯净的金属锡。最 重要的锡矿是锡石，化学成分为二氧化锡。炼锡比炼铜、炼铁、炼铝都容易， 只要把锡石与木炭放在一起烧，木炭便会把锡从锡石中还原出来。很显然， 古代的人们如果在有锡矿的地方烧篝火烤野物时，地上的锡石便会被木炭还 原，银光闪闪的、熔化了的锡液便流了出来。正因为这样，锡很早就被人们 发现了。　　我国有丰富的锡矿，特别是云南个旧，是世界闻名的“锡都”。此外， 广西、广东、江西等省也产锡。　　锡是银白色的软金属，比重为 7.3，熔点低，只有 232t，你把它放进煤 球炉中，它便会熔成水银般的液体。锡很柔软，用小刀能切开它。锡的化学 性质很稳定，在常温下不易被氧气氧化，所以它经常保持银闪闪的光泽。锡 无毒，人们常把它镀在铜锅内壁，以防铜遇水生成有毒的铜绿。牙膏壳也常 用锡做（牙膏壳是两层锡中夹着一层铅做成的。近年来，我国已逐渐用铝代 替锡制造牙膏壳）。焊锡，也含有锡，一般含锡 61%，有的是铅锡各半。锡在常温下富有展性。特别是在 100℃时，它的展性非常好，可以展成极薄的锡箔。平常，人们便用锡箔包装香烟、糖果，以防受潮（近年来，我 国已逐渐用铝箔代替锡箔。铝箔与锡箔很易分辨——锡箔比铝箔光亮得多）。 不过，锡的延性却很差，一拉就断，不能拉成细丝。其实，锡也只有在常温下富有展性，如果温度下降到一 13.2℃以下，它竟会逐渐变成煤灰般松散的粉末。特别是在一 33℃或有红盐的酒精溶液存在 时，这种变化的速度大大加快。一把好端端的锡壶，会“自动”变成一堆粉 末。这种锡的“疾病”还会传染给其他“健康”的锡器，被称为“锡疫”。 造成锡疫的原因，是由于锡的晶体发生了变化：在常温下，锡是正方晶系的 晶体结构，叫做白锡。当你把一根锡条弯曲时，常可以听到一阵嚓嚓声，这 便是因为正方晶系的白锡晶体间在弯曲时相互摩擦，发出了声音。在一 13.2℃以下，白锡转变成一种无定形的灰锡。于是，成块的锡便变成了一团粉末。　　锡不仅怕冷，而且怕热。在 161℃以上，白锡又转变成具有斜方晶系的 晶体结构的斜方锡。斜方锡很脆，一敲就碎，展性很差，叫做“脆锡”。白 锡、灰锡、脆锡，是锡的三种同素异性体。　　由于锡怕冷，因此，在冬天要特别注意别使锡器受冻。有许多铁器通常 是用锡焊接的，也不能受冻。1912 年，国外的一支南极探险队去南极探险， 所用的汽油桶都是用锡焊的，在南极的冰天雪地之中，焊锡变成粉末般的灰 锡，汽油就都漏光了。　　锡的化学性质稳定，不易被锈蚀。人们常把锡镀在铁皮外边，用来防止 铁皮的锈蚀。这种穿了锡“衣服”的铁皮，就是大家熟知的“马口铁”。1 吨锡可以覆盖 7000 多平方米的铁皮，因此，马口铁很普遍、也很便宜。马口 铁最大的“主顾”是罐头工业。如果注意保护，马口铁可使用十多年而保持 不锈。但是，一旦不小心碰破了锡“衣服”，铁皮便很快被锈蚀，没多久，整张马口铁便布满红棕色的铁锈斑。所以，在使用马口铁制品时，应注意千 万不要使锡层破损，也不要使它受潮、受热。锡，也被大量用来制造锡铜合金——青铜。 锡与硫的化合物——硫化锡，它的颜色与金子相似，常用作金色颜料。 锡与氧的化合物——二氧化锡。锡于常温下，在空气中不受氧化，强热之，则变为二氧化锡。二氧化锡是不溶于水的白色粉末，可用于制造搪瓷、 白釉与乳白玻璃。1970 年以来，人们把它用于防止空气污染——汽车废气中 常含有有毒的一氧化碳气体，但在二氧化锡的催化下，在 300℃时，可大部 转化为二氧化碳。锡和氯可形成两种化合物： 二氯化锡（又称氯化亚锡），具有很强的还原能力，工业上常利用氯化亚锡使别种金属还原，是化学上常用的还原剂之一；在染料工业上，也可用 做媒染剂。　　四氯化锡：在二氯化锡溶液里通人足量的氯气，便可得到四氯化锡，四 氯化锡是沸点 114℃的无色液体。一遇水蒸气就水解，冒出强烈的白烟，形 成白色的浓雾，军事上用它装在炮弹里，制成烟雾弹。四氯化锡能与氯化铵化合，生成一种复盐（SnCl4·2NH4Cl），是重要的媒染剂。　　近年来，锡化合物应用又开辟了新的领域。世界上每年有几万吨的有机 锡化合物用来制造杀虫剂、除草剂和防污涂料。　　生命的基础——氮　　我们的生活离不开空气中的氧。占空气 4/5 的氮气在呼吸中出出进进， 似乎毫无用处。其实不然。空气里缺少氧，人固然会感到不适甚至窒息而死， 但是吸入纯氧，人会兴奋激动、手舞足蹈，仿佛喝醉酒一般。　　当然，氮对生命必需的氧不仅仅是稀释作用，氮是构成生命的两种基本 物质——蛋白质和核酸的重要元素。可以说，没有氮就没有生命。　　但是，生命细胞不能直接利用空气中的氮气来构造自身，因为氮气不像 氧气那么活泼，它性情孤僻，一般很难和其他物质化合。那么，氮又是怎样变成化合物，组成生命物质的呢？ 在自然界里，雷电把空气里一部分氮和氧结合在一起，生成氮的氧化物随雨水降落，再和沙石土壤化合成硝酸盐或其它含氮化合物，经植物吸收而 变成有机氮化合物——蛋白质等。自然界里，另一种可以把空气中的氮固定 为氮化合物的途径是根瘤菌的作用。比如，与豆科植物共生的根瘤菌，以及 棕色固氮菌、巴氏梭菌等。这些大自然赋予的养料是植物生长所需养料的一 部分。另一部分则来源于动物的粪便、尸体，以及腐败的植物。这些物质都 含有丰富的氮。植物吸收氮的化合物，组成蛋白质。动物则从植物获得蛋白 质的营养，经过改造变为蛋白质和核酸。农业发展了，农作物从土壤中提取的氮日益增多，造成土壤中氮化合物入不敷出。这就促使科学家们从事人工固氮，即人工制造氮化合物的研究。 经分析得知，植物生长所摄取的基本氮化物是氨。氨分子由一个氮原子 和三个氢原子组成。科学家们设想把氮和氢直接合成氨。但是氮的性格极不 活泼，如何能激发它的活性而和氢结合呢？经过长时间的探索，在对化学平 衡及催化剂的基础理论进行了较深入的研究后，才使合成氨得以问世，并于1913 年建立了第一个合成氨工厂。　　合成氨的原料氮取自于空气。这是个取之不尽、用之不竭的原料，只要 设法与氧气和其它极少量惰性气体分离开就行了。而氢起初来源于水的电 解，随后又由煤或焦炭分解水所产生的含有大量氢气的水煤气或半水煤气 等，经过一系列复杂的转化、净制过程而获得。第二次世界大战后，随着石 油工业的迅速发展，以气体、液体燃料为原料生产合成氨，不论从工程投资、 能量消耗来看，还是从生产成本来看，都有着明显的优越性，于是开始由固 体燃料（煤、焦炭）造气转移到以气体燃料（天然气、炼厂气等）和液体燃 料（石脑油、重油等）为主，形成合成氨厂大型化的飞跃。　　氮是性情极不活泼的气体，但一旦化合成为氨，就变得非常活泼。在铂 催化剂存在下，它在空气中燃烧，生成一氧化氮，随后继续氧化成二氧化氮， 经水吸收生成工业上的重要原料——硝酸。氨与硝酸、硫酸、二氧化碳化合 生成多种多样的化肥——硝酸铵、硫酸铵、碳酸氢铵和尿素，供应农业生产。 所以说，氨本身及氨水就是化肥。　　氨不仅对发展农业有着重要的意义，也是重要的工业原料。氨与由它制 出的硝酸广泛地用于制药、炼油、合成纤维、合成树脂、合成橡胶等工业部 门。　　氨、丙烯（石油化工产品）、空气和水蒸气按一定比例配合，在一定温 度下通过催化剂可获得丙烯腈，聚合得“人造羊毛”腈纶。此外，丙烯腈还 是生产塑料（ABS 树脂）、粘合剂、涂料、药物、抗氧剂、表面活性剂的中间体。丙烯腈经水解、加氢可得己二胺，后者可和己二酸在适当反应条件下 缩聚生产锦纶。氨是生产三大合成纤维（涤纶、锦纶、腈纶）其中两纶的重 要原料。　　在合成树脂及合成橡胶方面也常常以氨或硝酸为原料。如以耐油著称的 丁腈橡胶等。许多炸药，如硝化纤维、三硝基甲苯（TNT）、苦味酸等也都以硝酸为原 料制成。常见的磺胺类药物，以及心脏病患者的急救药硝酸甘油，也都是含 氮的化合物。含氮的偶氮染料占染料产品一半以上，颜色齐全，使用方便， 广泛用于棉、毛、化纤织物的染色。　　氮的惰性同样可以利用。检修可燃气体的设备及管道时，必须先用氮气 冲洗置换以防爆炸。电灯泡里充满氮气和少量氩气，可阻止钨丝受热挥发， 而延长使用寿命。粮食里充氮，可使粮食不霉烂、不发芽，长期贮存。　　氮也广泛应用于钢铁热处理中，如氮化处理（渗氮）、氰化处理（碳氮 共渗）及光亮退火等。钢在氮化后，表面形成一层坚硬的合金氮化物，硬度 高、耐磨性和抗疲劳性好，还有一定的抗腐蚀能力及热硬性（加热至 600℃ 仍保持较高的硬度）等。因此它广泛地用于各种高速传动齿轮、高精度机床 主轴、柴油机曲轴，以及在高温、腐蚀工作条件下工作的零件（如阀门等） 的热处理。氮的沸点是一 195.8℃。空气经深度冷冻液化及精馏、压缩等操作可获得液态氮。医生们利用液态氮蒸发时得到低温的特点，治疗肝癌，使形成癌 的甲胎细胞在低温下坏死，将患者治愈。氨在日常生活中，用来治疗中暑；蝎子、蜜蜂蜇了，擦一点氨水，可以止痛消肿；衣服上有的污迹，可用氨水除去。 氮和它的化合物在工业、农业、医药等领域中起着巨大的作用，而将更为广泛地发挥才干，造福人类。“鬼火”——磷　　磷，是德国汉堡的炼金家勃兰德在 1669 年发现的。按照希腊文的原意， 磷就是“鬼火”的意思。　　游离态的纯磷有两种——白磷（又叫黄磷）和红磷（又叫赤磷）。虽然 它们都是磷，可是，脾气却相差很远：白磷软绵绵的，用小刀都能切开。它 的化学性质非常活泼，放在空气中，即使没点火，也会自燃起来，冒出一股 浓烟——和氧气化合变成白色的五氧化二磷。这样，平常人们总是把白磷浸 在煤油或者水里，让它跟氧气隔绝；红磷比白磷要老实得多，它不会自燃， 要想点燃它，也得加热到 100℃以上。白磷剧毒，红磷对人却并无毒性。　　白磷和红磷，可以变来变去：如果隔绝空气，把白磷加热到 250℃，就 会全部变成红磷；相反的，如果把红磷加热到很高的温度，它就会变成蒸气， 遇冷凝为白磷。白磷和红磷，也是同素异性体。此外，磷的同素异性体还有 紫磷和黑磷。黑磷是把白磷蒸气在高压下冷凝得到的。它的样子很像石墨， 能导电。把黑磷加热到 125℃则变成钢蓝色的紫磷。紫磷具有层状的结构。　　人体里有很多磷，据测定，约有一千克左右。不过，这许多磷既不是白 磷，也不是红磷，而是以磷的化合物的形式存在于人体。骨头中含磷最多， 因为骨头的主要化学成分便是磷酸钙。在人的脑子里，也有许多磷的化合物——磷脂。在人的肌肉。神经中，也含有一些磷。动物骨头的主要成分，也是磷酸钙。在坟地或荒野，有时在夜里会看见绿幽幽或浅蓝色的“鬼火”。 原来人、动物的尸体腐烂时，身体内所含的磷分解，变成一种叫做磷化氢的 气体冒出；磷化氢有好多种，其中有一种叫“联膦”，它和白磷一样，在空 气中能自燃，发出淡绿或浅蓝色的光——这就是所谓的“鬼火”。磷在工业上，被用来制造火柴。火柴盒的两则，便涂着红磷。当你擦火柴时，火柴头和火柴盒摩擦生热，并从盒上沾了一些红磷。红磷受热着火， 先点燃了火柴头上的药剂——三硫化二锑和氯酸钾，然后又点着了火柴梗。 磷还被用来制造磷酸。磷酸可以代替酵母菌，以比它快几倍的速度烤制 面包；在优质的光学玻璃、纺织品的生产中，也要用到磷酸。把金属制品浸 在磷酸和磷酸锰的溶液里，可以在金属表面形成一层坚硬的保护膜——磷化层，使金属不致生锈。　　磷在军事上有个用处：把白磷装在炮弹里可制成“烟雾弹”，在发射后， 白磷燃烧生成大量白色的粉末——五氧化二磷，像浓雾一样，遮断了对方的 视线。　　磷的最大的用途还是在农业方面，因为磷是庄稼生长必不可缺的元素之 一，它是构成细胞核中核蛋白的重要物质。磷对于种子的成熟和根系的发育， 起着重要的作用。在庄稼开花期间追施磷肥，往往能收到显著的增产效果。 一旦缺乏磷，庄稼根系便不发达，叶呈紫色，结实迟，而且果实小。要长好 庄稼，每年需要磷肥的数量是很大的。从哪儿获得这么多的磷肥呢？　　在 20 世纪前，人们只能从鸟粪、鸡粪、骨灰中，获得一点儿磷。现在， 化学工业帮助我们从石头——磷灰石中，成吨成吨地制取磷肥。这样，磷灰 石被誉为“农业矿石”。最常见的磷肥，是过磷酸钙，它是灰色的粉末。每100 斤过磷酸钙中，含有 15 斤左右的磷。1 斤过磷酸钙所含的磷，相当于 30 斤到 100 斤厩肥、100－150 斤人粪尿或 140—200 斤紫云英绿肥中所含的磷。 过磷酸钙常被制成颗粒肥料，同厩肥、堆肥等有机肥料混合，用作基肥，有时也用作追肥。此外，磷酸铵也是常见的磷肥，它易溶于水，而且不仅含磷， 还含有氮。我国近年来还发展了一种新磷肥——钙镁磷肥，它是用磷灰石、 白云石、石英一起混合煅烧而成的，生产比较简易，便于推广。　　特别值得提到的是，农业科学工作者，从农业生产实践中，创造了“以 磷增氮”的丰产经验。乍一听，“以磷增氮”似乎不可能，因为氮是氮，磷 是磷。然而一些豆科作物，如大豆、蚕豆、豌豆、花生、紫云英、草木樨与 田菁等，增施了磷肥，确实能增加庄稼吸收氮的能力，提高产量。氮与磷之 间，存在着相互约束与相互促进的辩证关系：氮不足时。会影响庄稼吸收磷 的能力；磷不足时；会影响庄稼吸收氮的能力。反之，则相互促进。据试验， 如果对豆科作物施加了含有一斤五氧化二磷的磷肥，就能使它从空气中，多 固定一斤氮素。氮肥增多了，也就可以提高作物的产量，这便是“以磷增氮”。 除了对豆科作物施加磷肥，能有显著的增氮作用外，对于需磷较多的作物如 油菜、荞麦，对于在缺磷土壤上生长而需氮量较大的如稻、麦、棉、玉米、 果树、青菜等，增施磷肥，也能大大促进作物对氮的吸收，而显著的增产。 磷还是细胞核的重要组成部分。生物的基石——核酸，由多达几十万个 核苷酸联结而成，每一个核苷酸单元必不可少地有一个磷酸。磷酸和糖结合 而成的核苷酸，是遗传基因的物质基础，直接关系到变化万千的生物世界。 磷在神经细胞里含量丰富。脑磷脂供给大脑活动所需的巨大能量。因此， 有位科学家说，磷是细微的元素。这是很有道理的。其实，磷在生命起源、进化及生物生存、繁殖中，都起着重要作用。地球上最多的元素——氧　　氧是地球上最多的元素，几乎占地壳总重量的一半。浩瀚的大海、磷峋 的山岩、茂密无边的森林，乃至千姿百态的飞禽走兽、花鸟虫鱼??都有氧 充当主要材料。水由氧和氢组成，泥土是硅的氧化物，而氧又和碳、氢变化 成纤维、糖类、蛋白质等几百万种有机化合物。没有氧，我们的世界真是不可想象。 游离的氧气是空气的两大主要成分之一，总重量达一千万亿吨，占空气重量的近 1/4。人在没有氧气的情况下，连十分钟也活不下去。据统计，成 年人每分钟呼吸 16 次，每次大约吸入半升氧气，一天需要吸入一万多升氧。 这是多么惊人的数量。　　氧气是地球成为生命乐园的关键物质。有了氧气，生物才沿着从低等到 高等、从简单到复杂这一进化阶梯，演变、发展并转化，最终形成人类。　　原来，在 46 亿年前，地球刚诞生的时候，没有象样的“外衣”——大气 圈。后来，才出现了原始的大气——二氧化碳、甲烷、氮气和水蒸气，即还 原性大气。　　十多亿年以后，原始的生命在海洋里出现了。蓝绿藻进行光合作用的结 果，使大气里的二氧化碳越来越少。生命进行曲从此奏响了热闹非凡的乐章。 地球大陆上，森林繁茂，大量释放氧气，使二氧化碳减少了十万倍，成为微 不足道的万分之三含量，方有今天这样丰富的氧气。在这种氧化性大气里，氧气被动植物和人类吸收，在体内进行缓慢的氧化，提供能量，进行新陈代谢。氧气在 24 公里的高空，受到太阳光的辐射，形成臭氧层。臭氧和氧气是 同宗兄弟，都由氧原子组成，只不过在氧分子里有两个氧原子，臭氧分子却 是三个氧原子。尽管臭氧只占那儿空气的 400 万分之一，但是由于它的生成， 吸收了大量紫外线，使太阳光到达地面时，紫外辐射大大减弱，不再危及人 类和生物，保护了生命万物。臭氧和氧气，这种由相同元素形成的不同单质，叫做氧的“同素异形体”。它俩性格不同。氧气，无臭无味，而臭氧却是具有刺激性气味的气体。臭氧 在稀薄状态下并不臭，闻起来有清新爽快之感。雷雨之后的空气，松树林里， 都令人呼吸舒畅、沁人心脾，就是因为有少量臭氧存在的缘故。臭氧的化学性质比氧气活泼，氧化能力强。在臭氧气氛中，棉花、木屑等有机物质会自行燃烧起来。臭氧能氧化色素，使有的染料退色。它氧化病 菌，为空气、饮水消毒，快速而且不留气味。市场上出现的臭氧发生器，便 是人造闪电发生臭氧，使空气净化、新鲜的好设施。　　但是近年来，保护地球生命的高空臭氧层面临严重的威胁；同温层飞行 的喷气式飞机和火箭、导弹将大量废气排放到高空，臭氧被消耗，减少了 1％。发展下去，就会给臭氧保护伞捅开大窟窿，紫外线和宇宙辐射将长驱直 入，伤害地球生灵。这为环境保护提出了严峻的课题。　　生命离不了氧气，工业、国防也少不得氧。在医院的急救站里，在登山 运动员的肩背上，在深海作业的舰艇中，在潜水姑娘的身边，氧气钢瓶不可 缺少。工厂的切割、焊接车间，炼钢炉内，化工厂的原料气中，氧气也唱主 角。冶金工业是目前用氧量最大的一个部门。炼铁需要鼓风。如果鼓进纯氧或富氧空气，可以大大提高炉温，从而降低焦炭消耗，使生铁增产。鼓风时 进气的含氧量增加 1％，生铁产量可以提高 4％～6％；含氧量增加 4％， 生铁增产 20％。同样，炼钢采用纯氧吹炼，大大提高炉温。缩短冶炼时间。 一座 300 吨纯氧顶吹的大型转炉，吹炼时间不到 20 分钟，而同样容量的平炉 炼一炉钢却需要六七小时。纯氧吹炼的钢中含氮、氢等有害杂质少，产品质 量高。　　用于气焊和气割的乙炔氧焰，可达到 3000℃高温，“削铁如泥”。最近 设汁的一种喷氧切割枪，可获 6600℃高温，不仅可以用来切割金属，还可以 用来切割混凝土、花岗石、石棉等。在一分半钟时间里，它能把 6.4 厘米厚 的混凝土烧穿。　　因为氧气生性活泼，能和绝大多数元素化合，生成氧化物，同时放出光 和热。科学家法布尔曾经把这比喻为氧姑娘举行婚礼时的礼花和彩灯呢！　　液氧和液氢的剧烈燃烧，产生巨大的推动力，使火箭拔地而起。将多孔 的易燃物质，如煤炭、木屑、稻草、棉花等，浸泡在液氧中，制成“液氧炸 药”。用电火花引火，它就立即爆炸。液氧炸药成本便宜，使用方便。如果 因故未发生爆炸，在 15 分钟以后即可解除警戒。这是因为液氧已经迅速挥发 殆尽的缘故。通入氧气的水——混氧水，用来饲喂幼畜可以促进生长发育。原来，医学家们发现，幼畜内脏发育还不健全，氧不能到达血管末梢，胃经常处在缺 氧状态，难于分泌充足的胃液。所以，幼畜常患消化不良症。有人用出生 26～45 天的仔猪做实验，发现饮用混氧水后的小猪体重比饮用普通水的多 15％～40％。饮用混氧水的小猪脂肪少、肌肉多，抗病力强。 氧气还能给人治病。空气里加入纯氧，供病人呼吸，或者在高压氧舱里让病人吸进高浓度的氧气，治疗肺水肿、心脏病、煤气中毒，都有显著疗效。　　有意思的是，尽管人们生活离不开氧，长期以来，氧却被人熟视无睹， 以为空气是一种单质。氧气的发现经历过一段曲折的历史。18 世纪初，德国医生兼化学家施塔尔提出“燃素理论”，认为一切可经燃烧的物质由灰和“燃素”组成。物质 燃烧后剩下来的是灰，而燃素本身变成了光和热，散逸到空间去了。这样一 来，燃烧后物质的重量应当减轻。但是，随着欧洲工业革命的发展，采矿、冶金、机械制造等部门在生产实践中给化学提出了许多新问题，冲击着燃素理论。 铁匠炼铁时将烧红的铁块从炉里钳出来冷却，发现铁块表面有一层灰色的铁渣。将这块失去燃素后的铁块放在天平上一称，奇怪的现象出现了：燃 烧过的铁块重量不是减轻，竟增加了。钢、锡、汞等燃烧后，也都比原先重。 为什么燃素跑掉后，物质反而会增重呢？这个令人困惑不解之谜，使燃素论的创立者和信徒们张口结舌，难以自圆其说。　　1771 年，瑞典科学家舍勒做了一个著名实验。他在浮在水面上的蒸发皿 里放进一小块磷，然后点燃，立即将钟罩扣上。磷在钟罩里燃烧，冒出滚滚 白烟。磷烧光后，钟罩里的水面却上升了 1/5 高度。接着，舍勒把一支点燃 的蜡烛放进剩余的“用过了的”空气里去。不一会儿，蜡烛熄灭了。　　当时将帮助燃烧的那部分空气称为“活空气”，就是现今的氧气。那不 能支持蜡烛燃烧的空气，被称做“死空气”，也即氮气和其他气体。1774 年，英国科学家普利斯特列加热氧化汞，收集释放出来的气体。他发现在这种气体中，蜡烛燃烧得更猛烈，老鼠活得更痛快。 不久，法国著名化学家拉瓦锡重复这个实验后，郑重宣布：“我不知道什么‘燃素’，我从来没有见过它。在我的容器里，只有‘活空气’。燃烧 的结果，易燃物和活空气不见了，出现了新物质。这种新物质的重量恰好等 于活空气和易燃物的总重量。”后来，他又根据许多氧化物变成酸的事实， 给活空气取名为氧。氧的希腊文原意就是“成酸”的意思。　　氧气的发现使燃素论完全破产，给化学带来了翻天覆地的变化。化学从 此走上正确发展的方向。　　炼金术的主角——硫　　硫元素，也就是我们通常所说的硫磺，它和我们的生产、生活有密切的 关系。　　硫在很早以前就引起了人们的重视，可能在炼丹家们的炼丹炉里。炼丹 家惊异地发现，硫不但能和铜、铁发生化学反应，而且居然还能把神奇的水 银制服，所以很受器重，用它来作为制造长生不老的仙丹妙药的原料和点石 成金的药物。　　硫在化学元素周期表中居第三周期第六主族。和氧是同族兄弟，硫的原 子序数为 16，第三壳层有 6 个电子，它总是企图再搜罗两个电子达到饱和状 态，特别容易同能够献出两个电子的金属元素接近，进行化学反应。　　硫在地壳中含量只有 0. 052％，但分布很广，单体硫和含硫化合物在国 民经济各部门起着重要作用，在工业、农业、现代科技中，是一种举足轻重 的元素。　　在农业上，硫磺是重要的农药。不过，硫磺只能杀死它周围 1 毫米以内 的害虫，因此，在使用时，人们不得不把它研得非常细，然后，均匀地喷撒 到庄稼的叶子上。为了增强杀虫力，现在人们大都把硫磺和石灰混合，制成 石灰硫磺混合剂。石灰硫磺混合剂是透明的樱红色溶液，常用来防治小麦锈 病和杀死棉花蜘蛛、螨等。在橡胶的生产中，硫有着特殊的用途。生橡胶受热易粘，受冷易脆，但加入少量硫磺后，由于硫磺能把橡胶分子联结在一起，起“交联剂”的作用，因 此 大 大 提 高 了 橡 胶 的 弹 性 ， 受 热 5959 不粘，遇冷不脆。这个过程叫做“硫化处理”。 硫能燃烧，是制造黑色火药的三大原料（木炭粉、硝酸钾、硫磺）之一。我国是世界上最早发明黑色火药的国家。不过，硫最重要的用途是在于制造它的化合物——硫酸。硫酸，被人们 誉为“化学工业之母”，很多化工厂及其他工厂都要用到硫酸。例如，炼钢、 炼石油要用大量的硫酸进行酸洗；制造人造棉（粘胶纤维）要用硫酸作凝固 剂；制造硫酸铵、过磷酸钙等化肥，也消耗大量硫酸；此外像染料、造纸、 蓄电池等工业，以及药物、葡萄糖等的制造，都离不了硫酸。硫酸是无色、透明的油状液体，纯硫酸的比重是水的 1.8 倍多。浓硫酸具有极强的吸水性。你见过“白糖变黑炭”吗？你只要把浓硫酸倒进白糖里， 白糖立即变成墨黑的了。这是因为白糖是碳水化合物，浓硫酸吸走了其中的 水（氢、氧），剩下来的当然是墨黑的炭了。不过，把浓硫酸用水冲稀时， 千万要注意：应该是把浓硫酸慢慢倒入水中，而不能把水倒入浓硫酸中。这 是因为浓硫酸稀释时，会放出大量的热，以致会使水沸腾起来。水比浓硫酸 轻得多，把它倒进浓硫酸中，它就会像油花浮在水面上似的浮在浓硫酸上面。 这时，发生的高热能使水沸腾起来，很容易地把酸液四下飞溅，造成事故。 硫酸是三大强酸之一，具有很强的酸性和腐蚀性。硫酸滴在衣服上。很快的 便会把衣服烂成一个洞。硫酸，现在倒很少用硫磺作原料来制造，而是用硫的化合物——黄铁矿（硫化铁）作原料。硫酸的工业制造方法有铅室法（制成浓度约为 65 ％）， 塔式法（制成浓度为 75％～76 ％）和接触法（制成浓度为 93％、98％或 105％）。　　硫燃烧，形成紫蓝色的火焰，并放出一股呛人的气体——二氧化硫。黄 铁矿燃烧后，也生成二氧化硫。二氧化硫经进一步氧化，变成三氧化硫。三 氧化硫溶解于水，就成了硫酸。二氧化硫具有一定的漂白作用。有这样一个 化学魔术：把一束彩色花放在玻璃罩里，点燃硫磺，彩色花很快便变成白花 了。这就是由于硫燃烧，生成大量的二氧化硫，使彩色花退色。现在，工业 上常用二氧化硫作漂白剂，漂白不能用氯漂白的稻草、毛、丝。麦秆是金黄 色的，用麦杆编成了草帽却是白色的，这草帽便是用二氧化硫熏过，漂成白 色。　　硫的另一重要化合物是硫化氢。硫化氢是大名鼎鼎的臭气。粪便中有它， 臭鸡蛋那臭味也是它在作怪。硫化氢对人体有毒，吸入含有 l％的硫化氢的 空气会使人中毒。如果浓度更大些时，会使人昏迷，甚至因呼吸麻痹而死亡。 在工业上，硫化氢常被用来制造硫化物、硫化染料以及作为强还原剂。银器 遇上硫化氢，会变成黑色的硫化银。大气中常含有微量的硫化氢，这些硫化 氢大都来自火山喷发的气体以及一些动植物腐烂后产生的气体。　　硫是重要的一种非金属，它广泛地存在于大自然。除了存在着天然的纯 硫外，还有各种含硫矿物、如方铅矿（硫化铅）、黄铁矿（二硫化铁）、闪 锌矿（硫化锌）等。在蛋白质中，也常含有硫。臭鸡蛋之所以会}