大学化学, 2019, 34(8): 1-7 doi: 10.3866/PKU.DXHX201905057

科普

元素国150周年盛典

张来英, 朱亚先,

The 150th Anniversary of Elemental Kindom

ZHANG Laiying, ZHU Yaxian,

通讯作者: 朱亚先, Email: yaxian@xmu.edu.cn

收稿日期: 2019-05-20   接受日期: 2019-05-22  

基金资助: 国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024
2017年厦门大学教学改革研究项目.  JG20170222

Received: 2019-05-20   Accepted: 2019-05-22  

Fund supported: 国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024
2017年厦门大学教学改革研究项目.  JG20170222

摘要

借用拟人化的手法,以舞台剧的形式表现元素周期表的诞生、元素周期律及不同元素的某些特性。

关键词: 元素周期表 ; 化学性质 ; 化学规律

Abstract

This paper uses personification to show the birth of periodic table of elements, the periodic laws of elements and the characteristics of different elements in the form of stage play.

Keywords: Periodic table of elements ; Chemical property ; Chemical law

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本文引用格式

张来英, 朱亚先. 元素国150周年盛典. 大学化学[J], 2019, 34(8): 1-7 doi:10.3866/PKU.DXHX201905057

ZHANG Laiying. The 150th Anniversary of Elemental Kindom. University Chemistry[J], 2019, 34(8): 1-7 doi:10.3866/PKU.DXHX201905057

舞台后方大屏幕动画视频(带配乐、旁白、字幕):

欢迎参加元素国150周年盛典!今年是联合国“化学元素周期表国际年”,今天将在这里举行最隆重的庆典活动!

元素国的前世:

1789年,拉瓦锡老师将已知的33位元素先生小姐们分为4类;

1829年,德贝莱纳老师觉察到已知的54位元素先生小姐们的内在端倪;

1850年,培顿科弗老师发现元素先生小姐们的原子量之差往往为8或8的倍数;

1862年,尚古多老师让当时的62位元素先生小姐绕在螺旋线上展示;

1863年,欧德林老师向世人透露了49位元素先生小姐的一点秘密(原子量和元素符号表);

1865年,纽兰兹老师发现了元素先生小姐们“八音律”的特异性。

1 第一幕元素国诞生记

旁白:1869年,元素先生小姐们陆陆续续地来到一块“新大陆”。一位大胡子召集人——门捷列夫长者更是早早抵达,等候元素小伙伴们的到来。

舞台上有一块巨石,这是预定的集结点。元素们先后到了63位,但他们跑来跑去,形式混乱,不知道自己该站在哪个位置。

门长者站在巨石前,仔细观察着,他把每位元素小伙伴的特点、性格写在卡片上,思考着如何科学合理地排位,并不停地在纸上涂画着什么。

终于,门长者拿着画好的图纸站起来道:“先生们、女士们,欢迎来到我们的新大陆!经过仔细观察、比对,我根据大家的性格特点——原子质量的大小和化学性质的相似性,给在座的每一位元素排了位置,请伙伴们按以下宣布顺序站到自己的位置上。”

元素伙伴们发出了一阵欢呼声。

门长者:“1号氢小姐请到第一行第1列,3号锂先生到第二行第1列,4号铍先生到第二行第2列,5号硼小姐到……”

元素先生小姐们很快找到了自己的位置,一个个兴高采烈地入位,现场的63位嘉宾陆续都有了自己的编号和位置。

氢小姐:“咦,我这行只有我自己。”(当时人类尚未发现氦等惰性气体)

锂先生、钠小姐、钾先生、铷先生、铯先生:“欧耶!我们和小氢美眉在一列。”

大家都在左顾右盼,和自己的邻居互相问候着。

这时,锌先生、砷小姐举起了手:“门长者,我们这旁边有空位。”

门长者:“是的,我还留了一些空位,期待新伙伴的加入。我感觉有些伙伴们正在赶来的路上,特别是类硼小姐、类铝先生、类硅先生应该很快就到,我还预言了他们的性格特点呢。”

1869年,元素国宣告正式成立!感谢元素国创始人俄国化学家德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)先生!

1875年,法国化学家布瓦博得朗(Lecoq de Boisbaudran, Paul émile)教授在闪锌矿矿石中发现了门长者预言的“类铝”元素——镓先生,元素国添丁啦。

1879年,瑞典乌普萨拉大学的尼尔森(L. F. Nilson)教授和克利夫(P. T. Cleve)教授在玩铒土时,“类硼”元素——钪第一次被人类发现。钪小姐找到了自己的组织——元素国。

1886年的一天,“类硅”元素——锗先生正在矿石堆里玩捉迷藏的游戏,德国的弗赖伯格(Clemens A. Winkler)教授在辉银锗矿(4Ag2S·GeS2)中发现了他,并将他带到了元素国。

更令人惊讶的是,他们的性格特点与门长者预言的非常吻合!这充分证明了门长者的远见卓识和元素周期律的正确性。人类利用门捷列夫的元素周期表,根据理论预测,可以更有方向和针对性地发现未知的元素。

经过150年的建设和发展,元素国目前拥有spddsf五大家族(即元素周期表的spddsf五个区) 118个家庭。他们都兢兢业业,奔波于各种形态,为人类做出了贡献。

2 第二幕元素国花样秀

旁白:元素国成立150周年来,不同形式的周期表不断涌现,元素们有了更多的表现形式,耍起了花样秀。

元素们穿着各自特色的服饰走上舞台——有经典银白色的,有红色、紫色、金黄色、黄绿色、……

铿锵有力的军乐响起,伴着动感的节拍,元素们迈着矫健的步伐,排成了9个横排、18列纵队,展示了大家熟识的“长式周期表”,整齐的队伍散发着青春的朝气。

位于周期表最下方两行的镧小姐和锕小姐撅起嘴来:“我们属于第六、七周期,为什么要把我们排在最下方呢?”

总指挥氧先生说:“如果你们也站进去,六、七排太长了哦,而且你们有自己的特点,单独成排比较好。”

镧小姐和锕小姐点点头,笑了。

这时,下起了蒙蒙细雨,应着优美的古筝乐曲,元素们开始变换队形,他们按照原子序数顺序在舞台中央围成立体的圆,第一周期氢、氦为圆心在最内圈,第七周期在最外圈,一圈比一圈个子高,他们围成了圆形周期表的形式。每一个元素都面向观众,脸上绽放出灿烂的笑容,宛如一朵朵盛开的向日葵。

台下观众也报以热烈的掌声。

雨停了,天上升起一轮明月,乐声清泠于耳畔,月下的元素们兴奋不已,都仰慕地看着月亮姐姐:“月亮姐姐,我们能和你握握手吗?”

“好啊,快上来吧!”月亮姐姐爽朗一笑。

元素们决定排成层式周期表,于是他们按电子层数排序,电子层多、个头大的在下面做基础,电子层少、个头小的往上爬,一层一层往高处叠,越垒越高,离月亮姐姐越来越近了。

最上层的氢妹妹和氦妹妹伸长了手:“月亮姐姐,你咋那么高呢?”

元素们不死心:“怎样才能和月亮姐姐拉拉手呢?”

说干就干,元素们轻舒云手,变换阵型,以小氢为中心,呈逆时针螺旋圆柱式环绕上升,扶摇而上,排成了螺旋式周期表。

无奈,月亮姐姐实在是太高了。一阵晚风吹过,元素们仿佛天女散花,从空中飘落。

元素们回到地面,整理好衣装,继续轻步曼舞地变化着,精彩队形一个接着一个,忽而是“建筑群式周期表”,忽而是“星系周期表”,忽而是“圆锥体式周期表”,忽而是“环式周期表”,忽而是“金字塔式周期表”,忽而是“透视式周期表”……170多种[1],各式各样,让台下的观众眼花缭乱,应接不暇。

元素国酷炫的花样秀彻底颠覆了我们印象中的元素周期表,令人充满遐想,激发着人类不断地探索科学世界未解之谜。

3 第三幕元素国知识竞赛

旁白:今天我们在这里举办一场“脑力争霸赛”。下面有请“脑力争霸赛”首席考官,中国著名化学家卢嘉锡先生!

卢先生精神矍铄,挥手向大家问候。元素伙伴们全体起立鼓掌向卢先生致敬。

卢先生首先宣布比赛规则:“本次脑力争霸赛共设有2道共答题和3道抢答题。共答题规则是:每题有2–3个点,答案写在答题板上,每答对1点加10分,答错不扣分;抢答题规则是:听我读完题目后抢答,回答正确加10分,回答不完整或错答扣10分。后方大屏幕将实时显示计分结果。”

各队伙伴摩拳擦掌,准备大显身手。

卢先生:“首先是第一道共答题‘元素周期表一共有几个周期?周期是如何划分的?’请答题。”

伙伴们窃窃私语,并将答案写在题板上,并同时亮出题板。

卢先生:“回答正确!元素周期表共有7个周期:第1周期,只含2种元素,称为特短周期;第2、3周期,各含8种元素,称为短周期;第4、5周期,各含18种元素,称为长周期;第6、7周期,各含32种元素,称为特长周期。”

卢先生顿了顿,继续说:“周期是根据元素的电子层结构的不同来分的。元素所处的周期数就是各自原子核外电子的最高能级所在能级组数,也与原子核外电子层数相一致。各队都表现很好,两个点都答对了,都加上20分!”

卢先生:“第二道共答题‘元素周期表一共有几个族?分别是哪几个族?族是按什么划分的?’请答题。”

各队都不假思索,快速在题板上写下了答案。

卢先生:“回答正确!元素周期表共有16个族,即7个主族(IA–VIIA),7个副族(IB–VIIB),1个第Ⅷ族,1个零族。族是按照元素的价电子构型划分的。给每队再加30分!”

卢先生:“下面是第一道抢答题:元素周期表第八族的排列方式有什么特点?为什么?请抢答。”

p家族代表——有着学神美誉的硅先生首先按响了抢答器。

硅先生:“第八族伙伴们的价电子数大于、等于8。在这些元素中,每一列都有相似性,但每一周期更有相似性。因此,为了便于研究,通常把第四周期的铁、钴、镍三种元素称为铁系元素;位于第五和第六周期的六种元素称为铂系元素,也被列为稀有元素,和金、银一起尊享贵宾待遇。”

现场掌声四起,卢先生也向硅先生投以赞赏的眼光。

卢先生:“第二道抢答题,共有8个问题‘(1)发现元素最多的国家是?(2)熔点最高的元素是?(3)熔点最低的元素是?(4)人体中含量最多的元素是?(5)世界上延展性最好的金属是?(6)海水中储存量最大的放射性元素是?(7)地壳中含量最少的元素是?(8)含同位素最多的元素是?’请抢答。”

百事通铍先生抢到了答题机会:“8个问题的答案我写在题板上,请看。”

(1)发现元素最多的国家是英国,共22种;

(2)熔点最高的元素是碳,为3550 ℃;

(3)熔点最低的元素是氦,101.325 kPa时不存在固态,2533.125 kPa时熔点为–272.2 ℃;

(4)人体中含量最多的元素是氧,占人体总重的65%;

(5)世界上延展性最好的金属是金,38克金拉成的细丝可从北京沿铁路到上海;

(6)海水中储存量最大的放射性元素是铀;

(7)地壳中含量最少的元素是砹,一共只有0.28克;

(8)含同位素最多的元素是锡,有10种稳定的同位素[2, 3]

“百事通,通百事!”元素们纷纷竖起大拇指。

卢先生:“第三道抢答题‘如何推断元素在周期表中的位置?’请抢答。”

赛场出奇地安静,元素们抓耳挠腮。一向爱思考的锶先生按响了抢答器。

“我的方法是:先根据原子序数写出核外电子排布;再根据电子层数判断元素所属的周期;然后根据价层电子排布推断元素是主族或副族;最后根据价层电子数判断元素属于哪个族。比如,我——38号元素Sr [Kr]5s2,最高的电子层是5,最后一个电子填入了s轨道,是主族元素,因此,我属于第五周期、IIA族。”

“很好!”卢先生笑着点点头,他很欣赏勤思考、爱探究的学生。

脑力争霸赛在大家意犹未尽中结束了,IIA组获得了第一名,卢先生亲自为他们颁奖,并鼓励元素国的每一位成员好好学习,为人类多做贡献。

4 第四幕元素国性质的周期性变化

旁白:舞台上按照长式周期表摆满了凳子,元素先生、小姐们一个个走上舞台,按照位置坐了下来……

元素们坐下后,发现每个座位旁都放了一个握力测试器,测试他们在分子中吸引电子的能力(电负性),元素们伸手一握,数据立刻显示在大屏幕上,氟先生毫无悬念地夺得了第一名。

细心的钾先生对身边的钠小姐说:“你发现了吗?同排的元素个子高矮和握力大小从左到右的变化趋势是相反的哦!我们同排个头从左到右是变小的趋势,而握力从左到右却是增大的呢!我们这一列都是同排个子最高的,但握力却是同排最小的。看来,个子越高,力气越小啊。”

钠小姐说:“呵呵,那是因为从左到右有效核电荷增加,电子受到核的吸引力增大了。于是,电子向核靠近,个头变小、在分子中吸引电子的本领却增大啊。”

总指挥氧先生宣布:“下面由第二周期元素为大家表演射箭比赛,他们将自己的一个电子射出去,比一比谁需要的能量高(第一电离能)。”

第二周期的元素们穿着各色运动服排队跑到了舞台中央,声音响亮:“一二一、一二一,3号锂,4号铍,5号硼,6号碳,7号氮,8号氧,9号氟,10号氖。我们是第二周期的八个兄弟姐妹。”

“预备,放箭!”元素们按照指令,瞄准目标、双臂舒展,射出他们最外层的一个电子。

镁先生观察着记录仪,上面显示着他们的第一电离能:“看,锂520 kJ·mol-1、铍900 kJ·mol-1、硼801 kJ·mol-1、碳1086 kJ·mol-1、氮1402 kJ·mol-1、氧1314 kJ·mol-1、氟1681 kJ·mol-1、氖2081 kJ·mol-1[4],似乎一个比一个高呢!可是,也不对啊,不是依次增高啊,5号硼咋比4号铍低了一点?8号氧怎么也比7号氮低一点呢?”

氧先生:“镁兄弟,好眼力!谁来解释这是什么原因呢?”

学霸硅先生再次显示了他的功力:“他们从左到右第一电离能增加的趋势,是因为有效核电荷增大、原子半径减小、核对外层电子吸引力增大的缘故。可是,交错的现象么……”

她歪着头想了想,继续说:“洪特老师说过‘等价轨道全充满、半充满或全空的状态比较稳定’,由于硼小姐失去1个电子后成为2s轨道全充满构型,氧先生失去1个电子后2p轨道达到半充满的结构[4]。这样,就出现了高低的交错,这是电子结构排列带来的,是各自元素的特点。”

“硅先生真不愧是学神啊!”台下的元素们拍手道。

“要不,咱们请第三周期的帅哥美女出来和第二周期比一下?”

总指挥氧先生道:“刚才比射箭,我们这次反过来,一起PK一下得到一个电子时谁放出的能量多(第一电子亲和能)。”

元素们开始施展功力,记录仪上显示着各自的第一电子亲和能。

第二周期:锂59.8 kJ·mol-1、……、碳122 kJ·mol-1、……、氧141 kJ·mol-1、氟322 kJ·mol-1,从左到右越来越大。

第三周期:钠52.9 kJ·mol-1、……、硅120 kJ·mol-1、……、硫200 kJ·mol-1、氯349 kJ·mol-1,从左到右越来越大[4]

“同族中从上到下原子半径增大,但有效核电荷增加的不多,所以第一电子亲和能应该呈减小的趋势啊。但是,怎么是氯大哥第一名呢?”小氢妹妹在一旁喃喃自语。

硅先生继续开启学霸模式:“小氢妹妹讲的规律是对的。但是,因为氟的原子半径过小,电子云密度过高,当原子结合一个电子形成负离子时,电子间的互相排斥使放出的能量减少。因此氯大哥就超过氟小弟跃居首位啦。氧和硫、氮和磷的交错也是同样的道理。”

元素们无不膜拜。

5 第五幕元素国特色嘉年华

旁白:元素国群英荟萃,每个元素都是身怀绝技的高手,下面是特色展示。首先,有请氢小姐!

氢小姐距离舞台中心最近,她轻轻飞身一跃,向大家鞠了一躬:

“大家好!我是元素国最轻的元素——氢,来自第一周期、第一主族。我只有一层外壳(电子层),和我一样皮薄的只有氦妹妹。我喜欢和自己的姐妹形成双原子分子——也就是大家熟悉的氢气了。它是无色、无味、无臭的气体,熔点-259.34 ℃,沸点-252.87 ℃ [5],密度8.99 × 10-5 g·cm-3[6],是现在最热门的新型能源材料,但是最害怕火星哦,下面由我给大家表演。”

只见氢气钻进气球,数百个气球随着微风向高空飞去,每个气球尾部都带了不同颜色的灯,在夜空下一闪一闪地眨着眼睛。

大家正看得起劲,氢气一个鲤鱼打挺钻进了发动机,氢燃料汽车轰鸣着,利箭般开了出去……

氢再次回到舞台,有点不好意思地说:“我虽然在s区,但是却和大家秉性不同。s区的帅哥们都爱穿银白色的外衣,都是很活泼的金属元素,都有很强的还原性,具有良好的导电性和延展性。要不,请钠哥哥给我们表演一个节目?”

钠先生穿着闪亮的银白色紧身衣,很绅士地向大家鞠了一躬,来到广场中央的水池前。做完热身运动,他先是来了个大劈叉,再来个360度扭身,大显柔软身姿。

氢小姐:“钠哥水上漂功夫也了得呢!”

只见钠先生轻轻一跃,浮在中央水池的水面上,变成一个小火球,并迅速游动起来,还发出轻微的嘶嘶声。不一会儿,钠先生消失了,玩起了隐身术。

现场响起雷鸣般的掌声。

氢小姐向大家解释道:“伙伴们能大饱眼福,是因为钠哥的密度比水姐的密度小;而且钠哥一向与水姐交好,在一起就会发生化学反应呢。”

“过渡金属来一个”,场下有人大声喊。

“我们就请锰兄作代表吧。”过渡金属的元素们对锰先生信心满满。

锰先生一抱拳:“大家好!我是过渡金属锰,位于第四周期、第VIIB族,性格活泼、为人干脆,是个硬脾气,银白色是我的幸运色。我今天给大家表演个魔术,展示一下过渡元素变价多、颜色多的特长。”

只见锰先生穿着一身银白色西装走向硫小姐,与硫小姐牵手来了个完美的旋转,变成了绿色硫化锰(MnS),又一起与水妹妹打了个招呼又变成了淡粉红色水合硫化锰(MnS·xH2O)。

元素们按捺不住了,纷纷要和锰先生互动。

锰先生不断施展魔力,一会儿是白色碳酸锰和氢氧化亚锰(MnCO3、Mn(OH)2),一会儿是棕色二氧化锰(MnO2),一会儿是黑色四氧化三锰和三氧化二锰(Mn3O4、Mn2O3),一会儿是紫红色硫酸锰(Ⅲ) (Mn2(SO4)3)。最有意思的是,锰先生、钾先生和氧先生在一起时居然还能变换色彩,明明是深绿色的锰酸钾(K2MnO4),其中一位钾先生闪个身就成了紫色的高锰酸钾(KMnO4)[5]

“这魔术是怎么变的呀?”惰性十足的氖小妹来了精神,好奇地问道。

过渡金属的贵族代表金先生开了尊口:“这是因为锰兄有+2、+3、+4、+5、+6和+7等价态。与不同的元素伙伴(们)在一起时,锰兄弟会根据伙伴的特点和心情生成不同价态的化合物,并呈现出不同的颜色。”

“可不可以请p大家族(p区元素)也来一个啊?”氢小姐弱弱地建议道。

磷小姐自告奋勇:“我们来啦。”白磷、红磷和黑磷三位孪生姐妹(同素异形体)款款而至。

大姐白磷挥挥衣袖,透出一股臭味,发出一道道光,把自己燃烧了起来,照亮了整个广场;二姐红磷开始还有点腼腆,好友二氧化锰(MnO2)的到来,让她也迅速燃烧了起来;三妹妹黑磷最为淡定,只是在变换着晶型,犹如模特T台秀,好像二位姐姐燃烧是专门为照亮小妹妹似的。

……

6 第六幕尾声

旁白:夜渐渐深了,元素们围坐在一起,天南海北地拉着家常。

铁先生:“听说p家族又添丁增口了。”

铟先生高兴地直点头:“对、对。我们p大家族托人类科学家的福,最近几年又发展壮大喽。要是门长者能看到就好了……”

就在这时,璀璨的星空中突然出现了一条彩色的时空隧道。隧道那头有个黑点越来越大,越来越近,越来越清晰,是一位长胡子白发苍苍的老者。

“是门长者!是门长者!门捷列夫先生穿越时空隧道飞回来啦!”元素们齐刷刷、好奇又激动地看着,欢呼雀跃。

门长者:“亲爱的元素们,听到你们的召唤,我回来啦。”

元素们蜂拥而上,请门长者在舞台中央入座。

门长者捋了捋白色的、长长的胡须:“我看到了,p家族最近人丁兴旺啊,有113号的鉨(Nh)、115号镆(Mc)、117号(Ts)、118号 (Og)四位伙伴加入。他们都是人类科学家人工合成的放射性元素。”

锶先生:“人工合成?”

门长者:“用加速的某种原子或离子轰击某种元素的核反应的方式获得。当然,说着简单,实际可没那么容易,人类科学家经历了无数次的失败才合成出来的呢。”

锶先生:“门老,目前咱们元素国七个周期就都填满了哦。”

门长者:“是啊!可喜可贺!Nh、Mc、Ts、Og这4种新元素伙伴的加入,完成了元素周期表中第七周期元素的排列,并为寻找元素‘稳定岛’提供了证据。现在的元素周期表只有七行,其中第七行中原子序数在93号及以上的元素都在自然界中不稳定,是人工合成的。然而核物理学家早就预言,可能存在一个超重‘稳定岛’,岛内元素原子的质子和中子数量超越元素周期表内的元素,但十分稳定[7]。让我们共同期待新伙伴的到来吧!”

元素们手拉着手,围着门长者唱着“我和你,心连心,共住元素村;我和你,心连心,永远一家人……”

伴随着动听的歌声,门长者飘然而起,沿着时空隧道消失在元素们的视线里,成为永恒的记忆……

参考文献

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