第4章 化学ABC(2)

用摩尔来表示物质的量，也是十分方便的。科学家测得1摩尔（一“打”）的碳原子（指碳-12）的质量正好是12克。从这里推算出1摩尔其他原子的质量也很简单。比如，1摩尔氢原子的质量是1克；1摩尔铁原子的质量是55.85克；1摩尔氧原子是16克等等。这里我们还可以看出，1摩尔任何原子的质量，其数值等于这种原子的原子量。计算分子的质量、离子的质量都一样方便。所以我们也可以说，摩尔像一座桥梁，把单个的、肉眼看不见的微粒，同数量很大的微粒集体，以及可以称量的物质之间联系起来了。用摩尔可以直接描述出化学反应中反应物和生成物之间的数量关系。我们说1摩尔碳和1摩尔氧气反应，生成1摩尔二氧化碳。

原子量

构成万物的小小原子，究竟小到什么程度？中国古代有位叫公孙龙的说过：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”意思是说，有根一尺长的木棍，每天把它截去一半，一万代也截不完。

如果确实有这样的工具，能一直截下去的话，那么，一尺木棍每天截去一半，到第三天只剩下八分之一尺；第十天只剩下一千零二十四分之一尺；到第三十天，剩下十亿分之一尺，这时木棍已经比纤维素分子还小了；到第三十二天，只剩下四十亿分之一民主党派，相当于原子大小了。科学家发现，不同的原子，大小也不同。原子的直径一般是一亿分之一厘米，或三十亿分之一尺。打个比方，一个最小的细菌里面大约可以容纳20亿个原子！

这样小的原子，有多重呢？虽则原子的种类不同，大小各异，重量也不同，但是科学家已经测出各种元素的原子重量，只不过数值太小，写起来太麻烦。例如，如果以克为单位，那么一个碳原子的重量是小数点后面22个0，才接上以克计的小数。这好像用大的磅秤来称一粒芝麻那样，很不恰当。因此，科学家规定：以一个碳原子（指碳-12）重量的十二分之一为标准，其他的原子重量同这标准相对照得出相对重量，称为这个原子的原子量。就是说，用一种原子的重量，来衡量另一种原子的重量，两种不同原子重量的比，才是原子量。所以，原子量是没有单位的。例如氢的原子量等于1，碳是12，氧是16，钠是23等等，这在化学计算方面很有用。

晶体结构

在金属世界里，每一种金属都有自己的“脾性”。有的金属容易变形，既可碾成片，也可拉成丝，像金、银、铜、锡、铝；有的金属相当硬，不容易变形，如铬、钨、钒、钽等。金属的“脾性”同它本身的晶体结构有着密切关系。

让我们用火柴盒里放弹子糖的方式，来说明金属的晶体结构。找一个火柴盒，取出火柴，放一层弹子糖。在放第二、第三、第四……各个层次的弹子糖时，可以有不同的堆放形式。我们把第一层叫做A层，第二层叫做B层。如果第三层弹子糖直接放在第一层弹子糖的上方，这是另一个A层；第四层弹了糖直接放在B层的弹子糖上方，这又是个B层。这样可以组成一种ABAB……晶体结构。换一种推放法：开始A层和B层与以前一样，只是第三层作为C层弹子糖不放在A层上方，第四层才在A层上方，第五层是B层，第六层是C层，这样就制成了一种ABCABCAB……晶体结构。从这两种晶体结构模型可发现，只要一点点推力，上层弹子糖就容易滑下。具有这种晶体结构的金属，容易改变形状。

如果我们在第一层的上方，笔直地推放第二层弹子糖，这样取出上下左右四颗弹子糖，构成的是立方形，四颗弹子糖中间差不多还可以放一颗弹子糖，这样堆砌起来的晶体结构，就成了硬性金属的结构模型。如果把两种不同的金属，混合起来变成“合金”，会比其中任何一种金属更硬。像我们日常使用的硬币，就是铝镁合金。

有些螺丝或者齿轮的牙齿，比原来的钢材要硬朗，而且耐磨，这是因为在使用以前，已经把它放在含氮的气体中，进行热处理，叫做渗氮。也就是在铁晶体的空隙里，固定了一个氮原子，每一层都一样。经过这样的排列，螺丝和齿轮牙的表面就很坚硬了，并且可以防止剧烈的腐蚀。

除了金属以外，有一些化合物，如食盐、石膏、碳酸氢钠、氢氧化钾、硬脂酸钠等成千上万种物质，都有一定的结构。氯化钠的晶体结构模型，我们可以用两种不同颜色的弹子糖，在火柴盒里排列成一个方阵。将红、白两种弹子糖交替排列，像一块国际象棋板。第二层弹子糖的颜色与第一层的“错位”，红色的放在白色的上面，第三层再交错放，就制成了一种氯化钠的模拟晶体结构。红色弹子糖代表钠离子，带正电荷，白色的弹子糖代表氯离子，带负电荷。

同位素

在“化学大厦”——元素周期表的第一号房间里，住着氢的三“兄弟”，它们都只含有一个质子，所不同的是，老大带有2个中子，叫氚，老二只有1个中子，叫氘，老三没有中子，“体重”最轻，通常叫氢，又叫氕。如果我们细心地检查“化学大厦”的每个房间，可以发现其他元素都有类似的情况，化学家把这些含相同质子数不同中子数的元素互称为同位素。

例如，第8号房间里，住着氧的三个同位素“兄弟”，它们除了各自都带有8个质子以外，老大带有10个中子，老二带有9个中子，老三带有8个中子。其他“房间”里，有的同位素很多，像锡有10个同位素。另外，有的同位素是安分守已的，叫做稳定同位素，如碳-12，碳-13；氯-35，氯-37。有的带放射性，又是天生就有的，如钾-40，铀-235，铀-238，称为天然放射性同位素。还有一类是人造的，叫做人工放射性同位素，如镅、锎、铹等。

一种元素的几个同位素兄弟，“体重”各不相同。如氢的三个同位兄弟，老大最重，有人叫它“超重氢”；老二次之，人称“重氢”；老三最轻，叫“氢”。这是由于它们三个各自带中子数目不一样的缘故。其他元素的同位素也一样，谁带有中子数目多，谁就重些。

同位素兄弟之间，各有所长。氢的同位素老三，能燃烧，能同许多非金属、金属直接化合，是合成氨、氯化氢和有机合成中的氢化反应的原料。虽然氢很难液化，但液态的氢是高能燃料。老二氘与老三氕比起来，化学活泼性差些，但是人工加速氘原子核，就能使它参与许多核反应，这种反应能放出巨大的能量，所以氘是一种未来的能源。其他各种元素的许多同位素，都有一套特别的本领。特别是某些放射性同位素，能不断地放出能量。科学家利用它们的这种特点，来为人类服务，或者防止对人类的危害。例如钋-238，是一种长寿命的动力源，用它作为心脏起搏器动力，可以用上十年。其他还有用来治病的同位素和用来诊断疾病的同位素等。

化学元素总共大约有2000多种同位素，假如让这些同位素都工作，将给人类带来无穷的好处。

有机分子结构

在一二百年前，化学家发现两种性质完全不同的化合物，却有同样数量的原子。这是什么缘故呢”按照化学的定比定律，每个化合物都有一定的组成，而一种组成只能有一种化合物，那么同样的原子组成的化合物，为什么又会性质完全不同呢？于是，引起化学家们的激烈争论。

现在，我们弄明白了：在有机界，往往出现同分异构体。俗称酒精的乙醇和甲醚，前者在室温下是液体，后者在室温下是气体，这两种性质迥异的化合物的一个分子却都有2个碳原子、6个氢原子和1个氧原子，只不过结合的方式不同。有的化学家认为有机分子是由各种原子结合起来的一个“建筑物”，原子就好像木架和砖石，它们按照一定的次序连结起来，“建筑物”就有一定的式样和形象。

弄清有机分子的化学结构有着重大意义。一个有机化合物，可能有几个或几百个以上的异构体。现在科学家研究物质首先要知道它的结构，只有了解化合物的分子结构，才能更好地研究或制造这种物质。根据一定的结构建立有机分子的手段叫作有机合成。正因为我们掌握了把一种物质转换成另一种物质的技巧，才使物质世界发生了一场革命。今天我们可以把石头、石油、水和空气变成布匹、纤维，在一两百年前是不可想象的。

在150年前，人类需要的染料，只能从生物中提取。后来从煤焦油中发现了，化学家从此用有机合成的方法制出了千百种旧染料无可比拟的新产品。现在染料专家已经能够按照需要，从分子结构出发，合成鲜艳的产品来代替天然染料。

有机高分子物质的合成，有着迷人的前景。我们已经能够制造胜过棉花的合成纤维，比钢铁还坚硬的塑料，优于天然橡胶的俣成橡胶。科学家正设法合成像蛋白质、淀粉一类的天然高分子物质，打开人造食物的大门，但这只有在弄清这些物质的分子结构之后才能完成。

门捷列夫的伟大贡献

1886年，德国化学家温克勒尔发现了一种新的化学元素——锗（Ge）。他获得了如下的实验数据：

1.原子量72.52.比重5.473.不溶于盐酸4.氧化物的化学式GeO25，氧化物的比重4.706.GeO2在氢气流中加热被还原为金属7·Ge（OH）2是弱碱8.GeCl4是液体，沸点为83℃，比重为1.887可是，说也奇怪，十五年前，即1871年，在谁也不知道有这样一种元素的时候，俄罗斯化学家门捷列夫却非常精确地预言了一些元素物理的性质和特点，其中就有锗这个元素。他预言这种元素的数据是：

1.原子量722.比重5.53.金属，不溶于盐酸4.氧化物的化学式MO25.氧化物的比重4.76.氧化物很容易被还原为金属7.氢氧化物的碱性很弱8.化学式为MCl4的氯化物是液体，其沸点为90℃，比重约为1.9你不妨把温克勒尔的实验数据，和门捷列夫的预言逐项对比着看。门捷列夫的预言，是何等精确呵！

门捷列夫的预言不是“瞎子算命”，他是用精密的科学方法推断出来的。

从门捷列夫的那个时代，到十九世纪中叶，人们发现的元素，已经有六十多种了，这六十多种元素，都是零零星星，断断续续，孤立地发现的。究竟元素有多少种？谁也说不上。

正是为了要解答这个问题，科学家开始摸索元素的规律。有人按照元素的物理性质，象熔点、沸点、颜色、状态、比重、硬度、电导性、热导性等来归类；有人按照元素的化学性质，象化合价、酸碱性等来归类。但是都未能从中找出规律来。

门捷列夫在学习和总结了前人的经验之后，决定采用一种新的办法：他以元素本身所固有的属性，即不受外界条件影响的原子量和化合价为依据，来探求元素的规律。

在门捷列夫之前，根据当时测得的原子量，下面几种元素排列起来是这样的：

元素氢锂硼碳铍氮氧氟原子量17111213.5141619化合价+1+1+3+4-4+2+5-3+6-2+7-1在门捷列夫看来，这里的铍就存在着问题，因为它的化合价应该在锂和硼之间才合适，而如果铍在锂和硼之间，那么它的原子量也应该在锂和硼之间，就是说，铍的原子量应该是9，即锂的原子量7，加硼的原子量11，除以2，而不应该为13.5。为此，科学家们再次用实验测定了铍的原子量，果然是9，而不是13.5。

除了铍外，门捷列夫还改正了铟、铀、锇、铱、铂、钇和钛等七种元素的原子量，而这些错误的原子量，却一直被公认为是正确的，在门捷列夫之前，竟没人敢怀疑。

当时虽然还只发现六十多种元素，但是门捷列夫经过对元素的综合分析，和在列表对比中对已知各种元素特性的掌握，认为某一元素和它的上、下、左、右各个元素之间，有着内在的联系，有的元素虽然当时还未发现，但迟早一定会发现的，所以表上应该为这些元素留下余地。

当门捷列夫综合了元素的各种特性，发现了化学元素周期律，并运用化学元素周期律，排成了化学元素周期表时，表上的位置，不管它已经是有了相应的元素，或是相应的元素还未发现，那个位置的本身，就表明了那一元素的全部性质。门捷列夫那样精确地预言的锗，它左面的镓，原子量是69.72；右面的砷，原子量是74.92；上面的硅，原子量是28.08；下面的锡，原子量是118.6。左、右、上、下四邻元素的平均原子量是72.86，而锗的原子量是72.5。这决不是偶然的，这就是规律所在，也是规律的依据。

化学元素周期律的发现，不仅结束了六十多种元素孤立、杂乱的状态，也从此把人类对元素的认识，从盲目引导到按照规律去寻找新元素的这条康庄大道上。

什么是放射性元素

1896年，在法国物理学家贝克勒尔的实验室里，出现了一件怪事：一卷包得好好的照相胶片，放在桌子上莫名其妙地感光了；一瓶荧光物质——硫化锌，放在桌子上，“无缘无故”射出浅绿色的光芒。

这是谁在捣蛋？

贝克勒尔像大海捞针似的开始寻找原因。最后，他的视线落到桌子上的一瓶黄色晶体上。谜底终于解开了！经过研究，贝克勒尔发表了他的论文：这种黄色的晶体——硫酸铀酸钾，具有一种奇妙的性质：它能发出看不见的射线，使照相胶片感光，使荧光物质发出荧光。