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元素周期表诞生150周年 化学给我们带来什么

2019-03-31 12:16图文来源:经济日报

无论元素周期表是否被发现,化学元素的规律还在那里,未曾改变。只是在这个规律的指导之下,我们可以对化学进行更系统性研究,取得更多突破

“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……”还记得中学化学元素周期表上这一串字符吗?一张神秘莫测的化学元素周期表,是许多人人生旅程的重要一站,承载着我们的少年时光。

为了庆祝元素周期表诞生150周年,联合国2018年宣布将2019年定为国际化学元素周期表年。那么,就跟随笔者的脚步,探寻有趣而神秘的元素周期表。

发现

每个化学研究室的墙上都必备一张元素周期表,可以说这是化学研究历史上最重要的一份研究成果,没有之一。它的创建要归功于俄国化学家迪米特里·门捷列夫。

元素周期表,方方正正,排列井然有序,世间所有元素之间的规律是如此简单明了。但绘出这样一份简单的表格,背后是多少科学家数十年夜以继日的心血。门捷列夫在先前多位科学家对各类化学元素不断研究发现的基础上,1869年3月份,他将当时已知的63种元素写在卡片上,并根据化学和物理性质将它们进行排列。把化学研究当作“打扑克”一样的游戏,这让多年从事化学研究的老专家们有一种“醍醐灌顶”的感觉。

科学往往就是这么“简单”而有趣。物理世界的电、磁场、力,它们之间的联系仅仅是几个简单的公式;同样,化学世界上百种元素,全被门捷列夫这一张周期表“安排得明明白白”:每一纵列元素化学性质相似,每一横列从左至右元素的反应规律依次递变。

元素周期表揭示了物质世界的秘密,把一些看来似乎互不相关的元素统一起来,组成了一个完整的自然体系。它的发明,是近代化学史上的一个创举,对于促进化学的发展起了巨大推动作用。

门捷列夫的天才之处体现在他为元素周期表留出的空白之中。他意识到某些元素是缺失的,还有待被发现;有些元素的原子量不符合它的规律,结果证明是原来的测定有错误。先前的科学家只是将已知元素进行排列,只有门捷列夫为未知元素留出了空间。

更令人惊讶的是,他准确地预测了缺失元素的性质。就在门捷列夫发表他新编的化学元素周期表3年后,法国化学家布瓦博德明发现了新元素镓。在门捷列夫预言的“类铅”以后,他预言的11种元素一一被人找寻到。

他在元素周期表中,不仅预见到19世纪末化学元素的发现,甚至对20世纪发现的放射性元素,以及“二战”后出现的人工元素,也在周期表中预约定位。

150周年来临之际,元素周期表大家庭又增添了新成员,2016年增加了4种新元素:113号元素Nh(nihonium)、115号元素Mc(moscovium)、117号元素Ts(tennessine)和118号元素Og(oganesson)。这4种元素花了10年时间,而且通过全世界科学家的共同努力才最终获得确认。

价值

化学离我们有多近?“化学是一切生命的基础。”美国化学学会会员李力红说。从就读北大化学系本科到在美国博士毕业,她一直从事与化学有关的工作,如今已是美国化学学会一名资深会员。

李力红说:“你听到的、看到的、闻到的、尝到的、摸到的一切都与化学物质有关。听觉、视觉、味觉和触觉都涉及你体内一系列复杂的化学反应和相互作用。化学不仅限于烧杯和实验室,它就在我们身边。我们越了解化学,就越能感触我们的世界。”

科学家认为一切都是由化学元素构成的。尽管世界上存在无数种物质,但从微观领域看,无非是这100余种元素的不同排列方式;我们周围常常接触到的物质,也许只有几十种。

一杯普通的水,组成元素是氢和氧,还有其他一些组成矿物质的元素,比如钠、钙、镁、氯等;一栋建筑物,从非金属元素的硅、氧、氢,到金属元素的铁、铝、镍等,组成就复杂得多。从地上拔一根草,里面有丰富的钾、钠、镁等元素,因此有人对你说某某保健品中含有上述几类元素,其实与几棵杂草没区别……

化学是研究物质及其能发生的变化,在一定程度上了解化学,对理解我们周围的世界至关重要。了解物质的基本性质,预测和解释它们在反应形成新物质时的变化,是化学研究的基本内容。

无论元素周期表是否被发现,化学元素的规律还在那里,未曾改变。只是在这个规律的指导之下,我们可以对化学进行更系统性研究,取得更多突破。

应用

与其说我们身边有哪些化学应用产品,毋宁说我们身边哪种产品不是化学应用的产物。科学家们创造了大自然中不天然存在或难以获取的东西,同时把这些创造进行理论总结后不断扩大生产。把数学、物理学、化学应用于生产实践,让人类在19世纪末和20世纪的生产力进步远远超过过去数千年总和。

化学反应的本质是将自然存在的物质重新组合成另一种物质,化工则是把这种组合的过程扩大到现实应用中。你想问,我们生活中哪些是化工产品?那么可以说,你所接触的一切与塑料、有机材料有关的产品,其前身都是又黑又黏的石油,经过化工的改造后变成了燃料、变成我们日常接触到的东西。倒推回上世纪之前,这些东西都是没有的。

想到几年前一个著名化妆品广告词“我不要化学”,当然现在也有很多种化妆品都在标榜“纯天然成分”,这在懂化学的人眼里是愚蠢可笑的。所谓的“纯天然成分”(假设是真的),都是用化工试剂从植物提取出来的,化妆品的包装、增稠剂、溶剂等都是石油转化的产品。也就是说,要做真正离开“化工”的纯天然产品,就是把树叶和花瓣加上石油用碾子捣碎后敷在脸上。至于挤出的白白的膏状物,不经过化工合成还真做不出来。

现代药学更是化工合成的重要实践。翻开药典,从治疗糖尿病的二甲双胍,到高血压药物卡托普利,止痛退烧的对乙酰氨基酚,各类疾病的常见药物都是化工合成的产物;一些天然药物,也离不开依靠化工产品的车间化提纯过程。

当今,药物合成更是向着“高分子药物”转化。《我不是药神》中的“主角”白血病治疗药物伊马替尼,化学式C29H31N7O,分子量493.60,结构非常复杂。但这种药物却被称为“小分子药物”,与动辄几十万、几百万分子量的“蛋白质高分子药物”相比算是个“小豆丁”。随着“高分子药物”不断研究进步,人类的生物密码或许能被部分破译,癌症、先天性疾病或许有治愈的希望。

尽管大多数人背不下来元素周期表,学过的一点化学皮毛也会随着高中会考、高考的结束而被遗忘,但我们生活中每一天的点点滴滴都离不开化学,社会科技进步中化学研究也起到十分关键的作用。正值化学元素周期表问世150周年,纪念元素周期表的发现,也是纪念并感恩现代化学发展为我们社会作出的贡献。

作者:陈颐责任编辑:刘阳
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