自然的音符：118种化学元素的故事

《自然-化学》（Nature Chemistry）从2009年4月的创刊号开始，十年以来每期的后一页都属于“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（https://www.iypt2019.org/）——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终获得确认。

有些元素被发现后初曾难以归类，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。

《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*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。

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。

首先，要有氢 / 1

氘的主权 / 4

特别的氚 / 8

冷酷如氦 / 11

锂会成为新时代的黄金吗？ / 14

铍更明亮的未来 / 18

硼的键合 / 21

碳的四个世界 / 25

生死看氮 / 28

氧之源 / 32

氟光普照/ 35

霓虹灯后的氖/ 39

钠的简述/ 42

镁光一闪/ 45

铝的魅力/ 48

飞跃山谷的硅/ 51

有善有恶磷之用/ 54

硫的魅力/ 58

氯的编年史/ 61

从空气中提取的氩/ 64

强力的钾/ 67

流星般的钙/ 70

有违体育精神的钪/ 73

传奇的钛/ 76

钒的胜利/ 79

色彩斑斓的铬/ 82

保护者——锰/ 85

铁的新纪元/ 88

钴的小传/ 91

镍关存亡/ 94

靠谱如铜/ 97

锌的未知价值/ 101

爱抱团的镓/ 104

锗的萌发/ 107

砷的种种/ 110

硒的故事/ 114

善变的溴/ 117

重访氪的世界/ 120

钟表里的铷/ 123

锶的绯红闪光/ 126

来自伊特比的钇/ 129

锆元素简介/ 132

微妙的铌/ 135

造物于钼/ 138

锝的传说/ 141

了解钌元素/ 144

铑之角色/ 147

钯致反应/ 150

浮光跃银/ 153

镉的肖像/ 156

轻触金属铟/ 160

锡罐/ 163

锑的各种用途/ 167

扭动的碲/ 170

追碘/ 173

大显身手的氙/ 176

量子态的铯/ 180

亮且重的钡/ 183

藏匿的镧和它的捕手/ 186

镜头下的铈/ 189

独镨难现/ 192

新的名字——钕/ 195

钷测之谜/ 198

向钐致敬/ 201

聚光灯下的铕/ 204

神奇的磁性钆/ 207

发绿光的铽/ 210

各向异性的镝/ 213

平凡的钬/ 216

铒的发现之旅/ 219

异常迷人的铥/ 222

曲折反复的镱/ 225

综述镥/ 228

铪非镥/ 231

诱人的钽/ 234

钨的双名记/ 237

铼的辨识/ 240

重磅胜出的锇/ 243

铱之影响/ 246

在铂的闪光背后/ 249

金色未来/ 252

迷人的汞/ 255

有毒的铊/ 258

字里行间的铅/ 261

环保的铋/ 264

剧毒的钋/ 267

神秘的砹/ 270

回顾氡的识别/ 273

寻钫/ 276

镭的真相/ 279

活跃的锕/ 282

驰援核能的钍/ 285

“镤”朔迷离/ 288

铀的才华/ 292

隐身大镎/ 295

钚的新天地/ 298

揭开镅的发现/ 301

奇特的锔/ 304

平静的锫/ 307

锎之光/ 310

锿的解密/ 313

疯狂锻造的镄/ 316

第101 号元素“入钔”/ 319

身世扑朔迷离的元素锘/ 322

铹在元素周期表上的位置/ 325

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（完整目录见“产品特色”处图片）

《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*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。

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中国化学会化学教育学科委员会

中国化工学会科普继续教育工作委员会   推荐阅读

金涌   中国工程院化工、冶金与材料工程学部院士，清华大学教授

《自然的音符》是一本包含118种化学元素的科普书，对每一种元素的发现过程及其在化学工程中的应用都进行了生动的介绍，非常适合作为一本科学入门书，推荐大家阅读，感受化学之美，并弹奏出优美的乐章造福人类。

杨晓虹   博士，施普林格·自然集团大中华区科学总监、《自然》系列期刊执行主编

自然科学发展的长河里一些引人入胜的篇章无疑是由化学元素谱写的：它们的发现、特性，以及围绕它们的故事。其实不管是《自然-化学》，还是包括《自然》杂志在内的超过50种《自然》系列期刊（“自然科研”），普及科学教育、提高科学认知、弘扬科学探索精神一直都是自然科研义不容辞的责任和主旋律。相信《自然的音符》一定能为科普新纪元奏出激动人心的新乐章！

姜雪峰   全球青年化学家元素周期表硫元素代表、华东师范大学教授

《自然的音符》是人类奏鸣科学的神奇乐章。作者以不失专业精深的视角，生动活泼的语言给了组成世界的这118位“好汉”特别精彩的特写、非常深刻的标签。这本化学元素的科普图书不仅有助于化学及相关从业者全面而深刻地理解各种元素的奥秘，更是青少年入门化学、感知科学难得的好书。拿起这本书，从元素开始，爱上科学。