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元素世界博览会(氢氦锂) 精选

已有 4701 次阅读 2017-4-4 09:48 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:化学,元素,氢,氦,锂| 化学, 元素

[前注:前几年想写科普系列文章《元素世界博览会》,终因知识储备不足,写了前三个元素就放弃了。现在翻出来,贴在这里。]



1 拜访氢展馆

      氢馆是我们进入元素世界博览会后看到的第一个展馆。在展馆的外面,挂着很多的条幅,条幅上的文字十分非常醒目:赛斯世界纪录获得者—宇宙中最多的元素;赛斯世界纪录获得者—最轻元素。

     站在我旁边的是一位戴着眼镜的、大约十一二岁的小男孩,他大声读完条幅文字后撇着嘴说:就这点老荣誉呀,我早就知道呀。

     我俯下身,好奇地问:你知道什么?他回答说:宇宙中90%的可见物质是有氢构成的;氢元素是排在元素周期表的第一个元素,当然是最轻了。

     我有些诧异地问:你叫什么名字,懂得这么多?。他说:我叫郝智,六年级学生了,从小喜欢读读过科学小百科,当然知道这些啦。

     我对他说,你看,那边还有好几个横幅,写的是赛斯世界纪录获得者原子结构最简单的物质”、“气球拉重比赛第一名”“气体运动会田赛第一名”、“气体导热竞赛冠军”,等等。小男孩高兴地喊道:我要进去看,我要进去看。

     氢馆门口站着一个志愿者,在不停地微笑着提醒大家:请不要携带火柴、打火机等之类点火物件,因为这里的空气里混杂了稍稍过量的氢气,容易引起爆炸。

     展馆内,一个穿着白色大褂的人一边把一根小铁条放进装有液体的容器里,一边对围在他面前的几个人说话:大家好,我是波义耳,我给大家演示的,是我当年制取氢气的简单实验。你们看,我把铁条进去后,容器里的溶液会不断地冒出小气泡。容器里的液体是稀硫酸。铁条与稀硫酸发生反应,就生成了氢气。不过,当年我并不知道这叫氢气,也没有把它从众多气体中单独分离出来。第一个单独分离出氢气的是英国科学家卡文迪许,给氢气取名字的是法国化学家拉瓦锡,氢的原意是生成水的物质。

      刚才那个叫郝智的小男孩也来到了这里,好奇地问:叔叔,你可以放别的金属条进去吗?波义耳说:可以的,比如你可以金属改为锌条、铝条。你还可以把容器里的稀硫酸换成稀盐酸、稀硝酸。

     在展馆的另一边,是一个小小的舞台,舞台上有两个身着体恤衫的小孩子正准备表演节目。一个小孩说“我是汤姆孙,我发现了电子”,另一个小孩说“我是卢瑟福,我命名了原子核”。站在小孩旁边的是一个大人,他说“我是玻尔,发现了原子核电子运动规律”。观众们高呼着汤姆孙、卢瑟福和波尔的名字。玻尔喊道:汤姆孙,围着卢瑟福转圈。于是,汤姆孙就围着卢瑟福飞快地转起圈来。

     郝智站在台下,大声喊:玻尔,我能跟在汤姆孙后面一起跑吗?玻尔摇摇头,说:氢原子的原子核外只有一个电子,只能一个人跑。你上去跟着他一起跑,我们就成了二号展馆了。玻尔让汤姆孙停下来,让郝智上台,围着卢瑟福跑起来。待郝智跑得气喘吁吁,玻尔才让他停下来。郝智说:当个电子真不容易,好累呀。还是当原子核好。玻尔说:谢谢几位小朋友的表演。氢的原子核内只有一个电子和一个质子,没有中子,是最简单的元素。许多科学家对元素的原子结构研究是从氢原子开始的,由此从易到难,来逐步揭开元素世界的原子结构之谜。最简单的元素,一点也不简单。

      还没有等玻尔说完,又有一个大人跑上了舞台,他抢过玻尔的话筒,说:玻尔说氢的原子核内只有一个电子和一个质子,没有中子,这不完全对。我是尤里,我在1932年发现了氢元素存在的另一种形式,它的名字叫氘。它有那么点特殊,和平常的氢元素一样只有一个质子一个电子,但是多了一个中子,因此比平常的氢要重一些。所以人们也把氘叫重氢。  这时,舞台上又多了一个小孩,大声说:我是查德威克,我发现了中子。说完,查德威克就走到了卢瑟福身边,和他紧紧拥抱在了一起。玻尔说:汤姆孙,围着卢瑟福和查德威克转圈去吧,你们三个人就构成了为氘。

       在汤姆森转圈的时候,尤里接着说:氢元素家族里,还有一个比氘更为特殊的家伙,它的名字叫氚,因为里面有原子核里面有两个中子,比氘还重,人们又把它叫做超重氢。这是又有一个小孩来到了舞台中央,说完“我也是查德威克”就过去直接抱住了卢瑟福。玻尔说:汤姆孙停下来,让郝智围着卢瑟福和两个查德威克继续转圈吧。你们四个人就构成了为氚。围观的人越来越多,看着郝智上气不接下气的样子,大家一边鼓掌一边大笑起来。

     接下来,我又参观了“氢的舞蹈世界”的展区,高兴地看完了三个舞蹈表演:“水:两个氢原子与一个氧原子的舞蹈”、“氨:三个氢原子与一个氮原子的舞蹈”、“甲烷:四个氢原子和一个碳原子的舞蹈”。

     丰富的内容差点使我流连忘返。临出门的时候,一个志愿者快速地在我的“元素世界博览会护照簿”上盖上了第一个圆章,圆章上是密密麻麻的文字,我把它们拆解开来,就是:

H

Hydrogen['haɪdrədʒən]

原子序数: 1

原子质量: 1.00794

熔点: 13.81 K (-259.34°C)

沸点: 20.28 K (-252.87°C )

密度: 0.00008988 g/cm3

常温下形态: 气态元素

分类: 非金属

周期数: 1

族序数: 1  

族名称:

估计地壳丰度: 1.40×103mg/kg

估计海洋丰度: 1.08×105mg/L

稳定的同位素个数: 2

电离能: 13.598 eV

化合价: +1, -1

电子排布:1s1

2 遇到氦一世与氦二世

      从外面看上去,氦展馆十分普通和冷清,外面没有彩色斑斓的装饰,门前也没有聚集兴致高昂的游览者。门口的一个志愿者懒洋洋地站着,看见我走进去,连招呼都不打一声。

      进了展馆,屋顶上上有几个小型的飞艇和充气气球,飞艇和气球上都写有“氦一世制造”的字样。

“氦一世,谁是氦一世?”我正在纳闷的时候,一个人的说话声从屋顶下传了下来。从这个有气无力的声音里,我仔细辨认出了如下的信息:

“我是氦一世,平常人们管我叫氦气。我的名字来自希腊古语,意思就是上帝的儿子。上帝造了很多勤劳的儿子,也造了几个懒惰的儿子。我就是最小最懒的儿子。哎,我懒得往下说了。”

我看不见氦的身影,只好对着屋顶大声说:“喂,你好,氦一世,说下去,我想要听听你的故事。”

过来一会儿,屋顶上又传来了说话声:别看我懒,我的财产在宇宙中可是第二多,第一多的是氢元素,我不跟他比。科学家最早在太阳上发现了感谢法国天文学家皮埃尔·詹森,他在1868年研究日全食的时候,第一次发现在太阳的光谱图中有一条黄色的线。感谢英国天文学家诺曼·洛克,发现这条波长为587.49纳米的线,不可能是当时已知元素的光谱线。他猜测,这条黄色的线是由太阳上一种新元素产生的。其实我就是当时他们不认识的新元素,洛克把我命名为氦,我就在元素世界里有了正式的名字。一口气说了这么多,让我先歇会吧。

我回答氦一世:难怪你被洛克认为是“上帝的儿子”。

又是一阵沉默。我催促道:氦一世,你的故事好像还没有讲完,你还是快说吧,我还得串别的展馆去了。

氦一世慢吞吞地说:“我才懒得管你的匆忙呢。虽然我在宇宙中财富很多,但在你们地球上却少得可怜。在地球大气中,我的财富含量才千万分之五,这些财富不受地球引力的束缚,逐渐消散在宇宙之中。科学家发现我的财富,没那么容易。”

我说:科学家可不像你这么懒,再不容易还是发现了你。

又是氦一世慢条斯理的声音:1895年。苏格兰化学家威廉·拉姆齐将一种含铀矿石放入酸中,收集到了一些气体。他把一部分气体样品寄给了科学家洛克和威廉·克鲁克斯。他们成功地发现了混在气体中有我的财富。另外两位瑞典化学家尼尔斯·兰勒和西奥多·克里夫,几乎与拉姆齐同时,也发现了这种含铀矿石中也有我的财富。

听着氦一世如此无趣的话,让我没有继续逗留的兴致。我打算走了,说:我也懒得在听你的故事了。你这个懒家伙,就是无用的家伙。

这一下氦一世急了:“谁说我无用?充气球用我,轻巧飘逸很安全。霓虹灯用我,黄光发得很安全。电弧焊用我,保护焊接很安全。最重要的是,我会变身,变为氦二世。在低温世界里,我会大展手脚。”

“氦二世?大展手脚,你展给我看看?”听到这里,我也来了精神。

“有请氦一世回宫。首先嘉宾请昂内斯登场。”屋顶上传来了冷冷的声音。

一个头有点秃顶、满嘴胡须、精神矍铄的长者突然出现在我的面前,说:你好,我是荷兰人昂内斯。感谢你有耐心听完氦一世的乏味讲演。氦一世也就是氦气,在摄氏零下268度就会变成氦二世,也就是液氦。有了氦二世,就有了超低温世界。有了超低温世界,我就发现了金属材料汞的超导现象。超导,现在你们都知道了,就是电流流过金属的时候几乎没有阻力。关于这一点,我在汞展馆作嘉宾时,会做更详细的介绍。再见。

还没有等我反应过来,昂内斯就匆匆离开了。科学家真是大忙人呀。

“有请嘉宾卡皮查上场。”屋顶又传来冷冷的声音。

一个长得帅气的中年人又突然出现在我的面前:“你好,我是来自俄罗斯的卡皮查。感谢你对氦二世的兴趣。氦二世的最大本领就是自己能沿着小小的细管的壁往上爬。这是我在1937年第一个发现的,称为液氦的超流现象,其他的液体可没有这种本领。至于氦二世为什么有这种超常的表现,我得赶快回去请教其他科学家。再见。

愣神恍惚之中,卡皮查也不见了。

我猜想,这是氦一世放的一段早就录制好的录音和动画片,只是背景做得现场场景一模一样,所以欺骗了我的眼睛。氦一世连现场工作人员都不安排一个,真是懒得出奇。

看来,我也该从氦展馆离开了。出门口有一枚圆章摆在桌子上,没有人看管。我拿起来圆章,在我的“元素世界博览会护照簿”上盖上了第二个红印:

He

Helium  ['hilɪəm].

原子序数: 2

原子质量: 4.002602

熔点: 0.95 K (-272.2°C)

沸点: 4.22 K (-268.93°C)

密度: 0.0001785 g/cm3

常温下状态: 气态

元素类型: 非金属

周期数: 1    族序数: 18    族名称: 惰性气体

估计地壳丰度: 8×10-3 mg/kg

估计海洋丰度: 7×10-6 mg/L

稳定同位素数量: 2个(3He,4He

电离能量: 24.587 eV

化合价: 0

电子排布:

1s2

3 锂展馆外排长队

      锂展馆全部是由石头砌成的。石头上刻有“透锂长石”的字样。据志愿者介绍,锂元素是在1817年由瑞典化学家强尼·阿弗韦聪,从透锂长石中发现的,而且锂的希腊文就是石头的意思。所以元素锂国重要的展览馆都有透锂长石构建。

      进入锂展馆有三个门,其中两边的两个门前排起了长队,而中间的门几乎不用排队。我问志愿者是怎么回事,志愿者说:从左右两个门进去都能领到礼品:左边的门里发放的是微型锂电池,可以用在手机上。右边的门里发放的是微量碳酸锂,可以用来治疗严重的忧郁郁症。从中间的门进去的人,只能参观,不能领取礼品。

      我正在犹豫要不要排队的时候,一个人走过来,问我:你领过锂电池了吗,你听说过锂电池爆炸的事故吗?我刚领了一块锂电池,正犯愁呢。他又问志愿者:你说我该不该再去排一次队,领一份抗忧郁的药物?志愿者回答说:门里面有医生,你能不能得到碳酸锂药物,要医生诊断后才知道。你要是有时间的话,就排队吧。你要是没有时间的话,我建议你把刚才领的锂电池送给别人,免得你总是担忧锂电池会爆炸,真的患了忧郁症。其实,锂电池爆炸只不过是偶然事件。

     听到这里,我就直接从中门进去了,来到一个展台前。一个穿着白色大褂的小伙子,招呼我:欢迎来到金属锂的世界。我的前面两个玻璃瓶里,都装有金属锂。这里的一块直接浸泡在了煤油里,你看,它氦浮在煤油里呢,因为锂是世界上最轻的金属,甚至比煤油轻。另一个瓶子里金属锂是浮在水上面的,不过这块金属锂已经被包裹得结结实实的,不然金属锂接触到水就会产生反应,因为锂是很活泼的金属元素。请看下面的实验演示。

      小伙子说完,小小翼翼地从用镊子把锂块煤油瓶子里取出来,用小刀切下一小块放在一只装有水里的烧杯里,水杯里冒着泡,锂块一会儿就不见了。小伙子又拿出一个瓶子放在桌子上,瓶子里装满了白色粉末。我看了一下瓶子的标签,上面写的是氢化锂。他取出一小勺粉末,放进另一只装有水的烧杯里。烧杯里翻腾起来,冒出了大量气泡。

     演示结束,小伙子说:刚才我演示的实验,一个是金属锂与水的化学反应,一个是氢化锂与水的反应。前一个实验表明,你不能用金属锂来做汤勺茶匙;后一个实验表明,氢化锂是一个携带氢的好手。

      看完了小伙子的演示实验,我继续往前参观。一个展台前围住了一些人,我挤上去,看见一个小伙子正开始给大家演讲:大家好,我叫谢耳朵。欢迎大家来到金属锂的展馆。作为特邀嘉宾,我将为你们讲述锂元素和大爆炸理论的关联性。你们知道吗,锂是宇宙诞生之后,在几乎不到一秒时间里形成的三种元素之一,其他两种想必大家都早已知道,对了,是元素氢和元素氦。越是简单的,越是容易制造的。宇宙大爆炸这个高手也是一样,最先制造出最简单的三种元素。在宇宙大爆炸后的几分钟里,所有普通物质的基本元素便被制造出来。然后这些元素逐渐形成物质,物质逐渐地聚拢形成星系,形成我们今天生活于此的恒星。可是,你们知道吗?现在宇宙学家遇到了麻烦。

      谢耳朵停了下来,期待着有人做出反应。果然,一个参观者提出了问题:宇宙学家是智商最高的人,他们遇到了麻烦,就真的很麻烦。快说说,宇宙学家遇到的到底是什么麻烦?

      谢耳朵继续高声:如果锂真的是大爆炸生成的前三种元素之一,它应该像氢元素和氦元素一样,在宇宙中大量存在,也就是说锂元素的丰度值极高。可现在实际的结果相差很大,锂元素在宇宙中不见了。是大爆炸理论错了,还是锂元素发生了尚不为科学家所知的粒子反应消失了,我们在等待着宇宙学家揭示真相。真相只有一个,终将大白于天下。想不到吧,简单的锂元素,还隐藏着宇宙的惊天大秘密。  

      谢耳朵又讲了很多关于宇宙中锂元素测量的事,实在是太深奥了,我听得云里雾里,只好离开了。在快要出门的时候,我拿出我的“元素世界博览会护照簿”,让那个拿着圆章的志愿者帮我盖一个红印。不料那个志愿者说,我们管的规定是:你要回答一个关于锂的问题,回答对了才能盖章。我一边拿出我的手机,一边自信地说:随你问吧。因为我的手机里拍摄了大量展览的内容。

      志愿者问:“为什么金属锂要保存在石油类物质里或者表面要涂上一层凡士林来保存?”我很快找到了手机里的答案:因为金属锂容易与空气中的氧和氮反应,生成氧化锂和氮化锂,所以要把锂和空气隔离开。                                                          

      我终于得到了我的第三个红印:

Li

Lithium ['lɪθɪəm].

原子序数: 3

原子质量: 6.941

熔点: 453.65 K (180.50°C)

沸点: 1615 K (1342°C )

密度: 0.534 g/cm3

常温下状态: 固态

元素分类: 金属

周期数: 2    族序数: 1    族名称: 碱金属

估计地壳丰度: 2.0×101 mg/kg

估计海洋丰度: 1.8×10-1 mg/L

稳定的同位素数量: 2  

电离能: 5.392 eV

化合价: +1

电子排布1s2  2s1




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