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自然的音符:118种化学元素的故事

自然的音符:118种化学元素的故事

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作者:施普林格

出版社: 清华大学出版社

出版时间:2020年02月

ISBN:9787302541868

编辑推荐

来自Nature Chemistry的118种化学元素科普,谱写属于你的自然乐章

 

万物来自元素,本书全覆盖目前已知的118种化学元素

 

100余位世界科学家/118种化学元素/120篇文章

 

金涌院士/中国化学会/中国化工学会推荐阅读,中学化学老师都在阅读

 

适合中学生深度学习掌握高考化学必考知识点元素周期律以及相关化学考点

 

适合药物研发、工业制造等领域从业人员从化学元素的角度拓宽工业技术新思路

 

《自然的音符》四色彩印,装帧设计完美契合7个元素周期与7个简谱基本音

 

致敬元素周期表诞生和《自然》杂志创刊150周年

 

随书赠送包含118种化学元素的明信片

 

《自然的音符》入选得到APP2020年4·23世界读书日年度推荐书单,罗振宇老师亲录视频推荐

 

 

内容简介

《自然的音符:118种化学元素的故事》由Nature自然科研译自《自然-化学》(Nature Chemistry)In Your Element专栏。是所有图书中为数不多的,覆盖当前全部已发现的118种化学元素的科普图书,每一种元素都是邀请世界上对它研究最为深入的科学家之一撰写,专业权威,生动有趣。适合中学生及以上所有对化学元素感兴趣的读者阅读。本书由Nature Chemistry高级编辑作序。

书摘 · 插画

自然的音符:118种化学元素的故事

书摘 · 插画

自然科研(Nature Research)提供一系列服务于科研界的优质产品与服务,包括了期刊、数据库和研究者服务等,例如《自然》及冠名“自然”的科学期刊。自然科研是全球领先的科学、教育和专业出版机构——施普林格•自然(Springer Nature)的一部分。

《自然-化学》(Nature Chemistry)从2009年4月的创刊号开始,十年以来每期的最后一页都属于“In Your Element”这个专栏,该专栏每期介绍一种化学元素——这些元素就像积木块一样构成了我们周围的一切物质。目前已知的元素有118种,另外我们也介绍了两种相当特别的氢同位素:氘和氚。这就是说,该专栏开办了整整10年,延续120期,并刚好在2019年3月正式结束,恰逢国际元素周期表年——旨在纪念德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)早期版本的元素周期表问世150周年,元素周期表大概已成为化学最普遍的象征之一。

 

本书是该专栏120篇文章的合集。起初,这些文章并无固定模式,只是为了分享元素的故事,既增长见识,又寓教于乐。这些文章粹集了各种珍闻片段,包括元素的历史记述、词源学意义、化学特性和相关的个人轶事等。一路走来,我们也了解到很多关于元素周期表及其内容的知识,所获匪浅。

 

元素周期表看起来相对简单,所有的元素都按原子序数递增排列,排列有序的行和列反映了元素化学性质的相似性和递变趋势。今天人们或许很容易认为元素周期表理当如此。然而,这张我们都熟悉的表格却是由众多科学家煞费苦心、几经努力才完成的。尽管门捷列夫被普遍认为是元素周期表的缔造者,但发现元素物理或化学性质的周期性,并试图以具有科学意义的方式排列它们的还有其他人,门捷列夫甚至不是第一个这样做的人。但是他在1869年提出的元素周期表有其独特之处:在列入当时已知的63种元素之外,他还为一些他认为已存在但尚未被发现的元素留了空位。其中一些“缺失”的元素确实在几年之内被陆续发现,其特性与门捷列夫在排列它们的位置时所预测的非常相近,这极大地增加了他所提出的元素周期排列方式的可信度。然而,填补最后一个元素空位花了近70年的时间,而且是以一种完全不同的元素发现方式完成的:位于元素周期表d区中间的高放射性元素锝并不是在自然界中发现的,而是1937年经人工合成制得并最终获得确认。

 

有些元素被发现后最初曾难以归类,这推动了元素周期表的扩展。例如,氪、氖和氙等稀有气体在短短几周内相继被发现,但在门捷列夫的周期表上却好些年没有它们的位置,直到1902年,人们才扫清疑惑将它们列入表中。另一个重大调整发生在20世纪40年代中期,格伦·西博格(Glenn Seaborg)将锕系元素的位置移到镧系元素下面,这次重排引导科学家们发现了铀之后的元素。

 

我们所熟悉的元素周期表并非一成不变。我们专栏的文章曾讲述人们如何就第3副族元素的排列展开了持续不断的争论——镧和锕,或者镥和铹是否应位于钪和钇之下?铹可否被认为是p区元素?

 

稀土的发现可谓趣事连连(虽然名中带“稀”,但在地壳中其实并不那么稀有,其中最常见的稀土元素铈的储量几乎和铜一样丰富)。约翰·加多林(Johan Gadolin)曾猜测有一种新元素存在,却因为担心稀土元素会“越来越多”,而不愿意承认,该元素现被称为钆。1843年,卡尔·莫桑德(Carl Mosander)为了寻找两种新元素,对氧化铒和氧化铽进行了分析,但是因为失误而混淆了两种矿物的样本,“阴差阳错”地导致他从氧化铽中分离出了铒,从氧化铒中分离出了铽,后来两种矿物的名称才被更换过来。

 

专栏的文章也经常引经据典。例如,使用“既是诅咒,也是祝福”来形容镝元素,这是借用《茶花女》中有关爱情的描述;节选鲁德亚德·吉卜林(Rudyard Kipling)《冷铁》一诗的段落;引用儒勒·凡尔纳(Jules Verne)的著作——他在书中曾预见将水“分解成它的组成元素”作为燃料使用,还赞扬了曾经一度比黄金还珍贵的轻金属铝。

 

很多有关p区元素的描述会让人不寒而栗,因为这些元素显然具有毒性,其早期使用受到了限制,如火柴中的磷导致工人发生“磷毒性颌骨坏死”,汞会引起现被称为“疯帽病”的神经紊乱,还有就是铅化合物(如“铅糖”)被广泛地使用。相比之下,铋由于毒性较低,在重金属中显得有些格格不入。然而,在铋的左边,只隔了一个主族的同一周期的铊,却是号称“茶杯投毒者” (teacup poisoner)的英国连环杀手的首选武器,或许这一元素本不应该被发现。

 

一些会发光的放射性元素既诱人也很危险。镭最初被称作一种神奇的元素,被撒到各种东西里面,包括水、食物、化妆品等(大概是由于它阴差阳错地能使皮肤焕发光彩的缘故)。现在,放射性元素已可以安全地用于各种用途,从原子钟到地质年代测定等。出乎意料的是,有些还可以轻易买到,比如烟雾探测器中使用的镅元素和无电池冷光装置中的氚元素。

 

一些重元素的发现充满了争议。这些争议是如此激烈,甚至被称为“超镄元素战争”(transfer-mium wars),为此还成立了特别委员会——超镄元素工作组(Transfermium Working Group),去裁决争端和名称归属。那些在元素周期表右下角的元素,在完全正常的条件下,可以通过让原子核相互撞击以诱导其短暂现身,这需要使用看似直接出自科幻小说的装备,以及极大的耐心。除了镄之外,原子核无法以可称重的数量制备。但科学家们并没有就此放弃,而是研发了特殊的实验技术,例如“一次一个原子”化学(one-atom-at-a-time chemistry)。元素搜寻者们目前正在精心制作更重的原子核,他们在人工合成方面的任何成功都将显著改变元素周期表的形状,因为现在元素周期表的7行相似元素已没有任何空白可填了。

 

再看元素周期表的另一端,有些元素实际上已经存在了很久。例如,氢和氦在宇宙大爆炸后大约38万年便出现了。氧在生命的起源和演化中起着关键的作用,氮则在多数情况下攸关生死。镍、铁和硫被认为是早期生命形式所使用的物质,而今天大多数生物则依赖铁元素。另一种过渡金属铱,其氧化态范围恰巧是已知最广的(从–3价到 9价),它能为寻找恐龙灭绝的原因提供线索。

 

专栏的文章展现了元素周期表的深度和广度,我们非常感谢多年来为专栏写稿的所有作者。我们十分喜欢这个专栏,希望你也一样。

 

安妮·碧尚博士

《自然-化学》高级编辑

 

注:本序言主要基于2019年3月《自然-化学》杂志发表的题为《一个元素时代的终结》的社论。