PDF《揭开物质世界的面纱》

揭开物质世界的面纱 我们肉眼看得见的物质(如楼房)或看不见的物质(如空气),都是由 什么组成的?这一问题曾困扰人们好多年.

由于人类的进步,到19 世纪初期,经过科学家们的研究,终于揭开了物 质世界的面纱:世界上的一切物质都是由元素组成的.从坚硬的石头到软绵 绵的棉花;

从流动的水到飘浮的云;

从人的肌肉骨骼到极小的细菌;

从高大 的树木到浮游生物……一切都不例外. 现在,人们还惊奇地发现,不但地球上的物质是由元素组成的,就是其 他星球上的物质也都是由元素组成的.更令人惊奇的是,如果我们把其他星 球上的元素名单与地球上的元素名单相对照,它们竟一模一样!到目前为止, 还没有发现其他星球上的元素与地球上的不一样.也就是说,世界上的物质 都是由元素组成的. 到目前为止,人们已经发现共有

107 种化学元素. 也许你会问,仅仅

107 种元素,怎么能组成世界上成千上万种东西呢? 要回答这问题很简单.化学元素就像英语中的字母 a、b、c、d……一样, 它们自由组合,不是会组成成千上万个单词吗?元素也是一样,当他们彼此 用不同种类、不同数量 结合 起来时,就组成数不清的复杂物质,化学家 称这些物质叫 化合物 .你也许不相信,世界上几乎找不到 100%的纯元 素,绝大部分物质都是化合物.有人统计,世界上的化合物已超过

300 万种! 神奇的预言

1871 年,俄国化学家门捷列夫在做化学公式演算时,对着前人发现的

60 多种元素突发奇想:这些元素之间有没有联系呢? 原来,在门捷列夫以前,科学家们今天发现一个化学元素,明天发现一 个化学元素,都是零零散散的,孤立地发现.世界究竟有多少种元素?它们 之间有没有联系?谁也说不清楚. 门捷列夫经过反复研究、计算,最后,他宣布: 有一种元素,它是金 属,原子量为 72,比重 5.5,不溶于盐酸,氧化物的化学式是 MO2,氧化物 的比重 4.7,氧化物很容易被还原为金属. 他把这种元素假定为 M. 当时,很多人对门捷列夫的说法持怀疑态度.不想

15 年后,即1886 年, 德国化学家温克勒尔发现了这种新的化学元素,他为这种元素起名叫 锗 . 其原子量为 72.5,比重是 5.47,不溶于盐酸,氧化物的化学式是 GeO2(Ge 是锗的化学元素名),氧化物的比重为 4.70. 看,门捷列夫的预言是何等精确! 其实,门捷列夫的预言是经过周密的研究得来的.他在总结了前人经验 的基础上,以元素本身固有的属性,即不受外界条件影响的原子量和化合价 为依据,找出了元素的规律.用这种方法,他创造了《化学元素周期表》, 从而,为化学研究领域开创了一个新天地. 化学元素发现小史 发现年代 元素名称 元素总数 铜( Cu )、银( Ag )、金( Au ) 锌( Zn )、汞( Hg )、碳( C ) 锡( Sn )、铅( Pb )、磷( P ) 砷( As )、锑( Sb )、铋( Bi )

1725 年以前 硫( S )、铁( Fe )

14 1726 ~

1750 钴( Co )、铂( Pt )

2 1751 ~

1775 氢( H )、氮( N )、氧( O ) 氯( Cl )、锰( Mn )、镍( Ni )

6 碲( Te )、铬( Cr )、钼( Mo )

1776 ~

1800 钨( W )、铀( U )

5 锂( Li )、钠( Na )、钾( K ) 钙( Ca )、锶( Sr )、钡( Ba ) 镉( Cd )、硼( B )、铈( Ce ) 硅( Si )、钛( Ti )、锆( Zr ) 钽( Ta )、硒( Se )、碘( I ) 铑( Rh )、钯( Pd )、锇( Os )

1801 ~

1825 铱( Ir )、镁( Mg )

20 发现年代 元素名称 元素总数 铍( Ba )、铝( Ml )、钇( Y ) 镧( La )、铽( Tb )、饵( Er ) 钍( Th )、钒( V )、铌( Nb )

1826 ~

1850 溴( Br )、钉( Ru )

11 1851 ~

1875 铷( Rb )、铯( Cs )、铟( In )铊( Tl )

4 钪( Sc )、镓( Ga )、镨( Pr ) 镝( Dy )、钬( Ho )、铥( Tm ) 镱( Yb )、锕( Ac )、锗( Ge ) 钋( Po )、氟( F )、氦( He ) 氖( Ne )、氩( Ar )、氪( Kr )

1876 ~

1900 氙( Xe )、氡( Rn )

20 1901 ~

1925 镭( Ra )、铕( Eu )、镥( Lu ) 铪( Hf )、镤( Pa )、铼( Re )

6 钫( Fr )、钜( Pm )、锝( Tc ) 镅( Am )、锔( Cm )、

1926 ~

1950 锫( Bk )锎( Cf )

10 1951 ~

1956 锿( Es )、镄( Fm )、钔( Md )

3 1958 ~

1961 锘( No )、铹( Lr )

1964 ~

1981 104 ( Rf )、

105 ( Ha )、

106 ( Unh )

107 ( Uns )

4 1984

108 1

1982 109

1 化学元素符号的确定 迄今为止,人们发现的化学元素有

100 多种.每种化学元素除了用名称 表示外,在化学上还常用元素符号来表示. 在1860 年以前,国际上尚无统一的化学元素符号.不仅各国,而且每个 人所用的符号,也几乎都不一样.到了

19 世纪,道尔顿用各式各样的圆圈来 代表各种化学元素. 当时已知的元素,只不过二三十种,用这种符号尚无不可.但后来发现 的元素逐渐增多,道尔顿的元素符号就越来越显得繁杂了. 目前我们使用的化学元素符号,是国际上统一的化学用语.这是在

1860 年召开的国际化学会议上制定的.它规定一切化学元素符号均采用元素的拉 丁文名称的第一个字母来表示,倘若第一个字母与其他元素相同,则附加第 二个或其后的一个字母(小写).如氧 O(Oxygenium)、钛Ti(Titanium)、 钽Ta(Tantalum)、银Ag(Argenrum)等.自从人工制造

104、105 号元素 后,有关国际会议建议

104 号以后的新元素按原子序数的拉丁文数字命名.

104、

105、

106、107 号元素,分别以 unq、unp、unh、uns 表示. 化学元素之最 人体中含量最多的元素是氧,约占人体总重量的 65%. 目前提得最纯的元素是半导体材料硅.其纯度已达到

12 个

9 即: 99.9999999999%.杂质含量不超过一千万亿分之一. 熔点最高的元素是碳,要使碳熔化,需要 3727℃的高温.熔点最低的是 氦,在―271.7℃时就可熔化. 最富延展性的是金,380 克金拉成细丝,可以由北京沿铁路线延伸到上 海.用金压成的薄片,5 万张叠加到一起,才有

1 毫米厚. 导电性最好的是银,相当于汞的

59 倍. 最昂贵的金属是锎,1 克锎价值

1000 万美元,为黄金价格的

50 多万倍. 化学元素名称趣谈 在给化学元素命名时,往往都是有一定含义的,或者是为了纪念发现地 点,或者是为了纪念某个科学家,或者是表示这一元素的某一特性. 例如,铕的原意是 欧洲 .因为它是在欧洲发现的.镅的原意是 美洲 ,因为它是在美洲发现的.再如,锗的原意是 德国 、钪的原意是 斯 堪的那维亚 、镥的原意是 巴黎 、镓的原意是 家里亚 , 家里亚 即法国的古称.至于 钋 的原意是 波兰 ,虽然它并不是在波兰发现的, 而是在法国发现的,但发现者居里夫人是波兰人,她为了纪念她的祖国而取 名 钋 .为了纪念某位科学家的化学元素名称也很多,如 钔 是为了纪 念化学元素周期律的发现者门捷列夫, 锔 是为了纪念居里夫妇, 锘 是为了纪念瑞典科学家诺贝尔等. 为了表现元素某一特性而命名的例子则更多、更常见,像铯(天蓝)、 铷(暗红)、铊(拉丁文的愿意为刚发芽的嫩枝,即绿色)、铟(蓝靛)、 氩(不活泼)、氡(射气)等等.此外,如氮(无生命)、碘(紫色)、镭 (射线)等,也是根据元素某一特性而命名的. 意外收获

17 世纪中叶,亚里斯多德以来的 四元素 说(火、气、水、土)及当 时医药化学家们认为物质本原应有硫、汞、盐等元素的假说,长期束缚了化 学的发展. 年轻的波义耳怀疑这些见解,知道空谈性质的争论是无济于事的,他积 极筹建自己的实验室.1645 年底实验室建成,波义耳开始了化学、农业化学 等方面的研究工作. 园丁把深紫色的紫罗兰放在工作室里,波义耳欣赏着紫罗兰的妍丽和芬 芳,他取出一束花,带进了实验室.实验告一段落,波义耳拿起那束紫罗兰 回到工作室,这时他才发现有几滴盐酸沫溅到了紫罗兰上,并微微冒出白雾. 他把花束浸在水里,过了一段时间,瞧一眼紫罗兰,意外地看到紫罗兰变成 红花了. 真是奇迹!波义耳立即跑进实验室,用花瓣试验了几种酸溶液,又试了 几种碱溶液. 不畏疲劳的研究家波义耳采集了各种花朵,提取它们的浸出液;

后来又 大量收集了药草、地衣、五倍子、树皮和树根制备了各种颜色的浸出液.经 过他的努力,终于发现了石蕊酸碱指示剂,那是用石蕊地衣提取出来的紫色 浸出液,用这种浸出液加入不同比例的酸碱液,会显示出不同的颜色.因此, 可以用它标定不同溶液的酸碱度.至今酸碱指示剂仍广泛应用在化学实验 中. 一种元素的命名 居里夫人(法国物理学家、化学家.原籍波兰,1867~1934)在对沥青 铀矿和铜矿进行检查的时候,发现这两种矿物中,含有一种比铀或钍的放射 性强度更大的物质,她意识到:这是一种还没有被人认识的新元素. 她对丈夫说: 假使这种新元素的存在将来能够证明的话,我想叫它钋, 来纪念我的祖国――波兰. 玛丽・居里虽侨居国外,并同法国科学家皮埃尔・居里结了婚,但她从 小热爱祖国波兰,时时刻刻没有忘记被沙俄帝国侵占的祖国.她想用新元素 的命名来为祖国争得骄傲和光荣!寄托她那火一样的爱国热情. 好好! 皮埃尔・居里说, 波兰是你的祖国,也可以说是我的祖国! 紧张的工作开始了,淘汰,没日没夜地淘汰,研究的范围越来越小.

1897 年7月,他们果然在含铋的部分矿物中,分析出一种新的放射性元素,其化 学性质与铋相似,放射性比纯铀强

400 倍. 啊,新元素,钋,钋! 居里 夫人扑在丈夫的怀里,激动地高喊着: 钋,钋! 两行热泪洒在丈夫的胸 膛上. 钋,波兰!波兰,钋! 皮埃尔也从心底发出欢呼! 同时发现的一种元素

1813 年秋,法国著名化学家约瑟夫・路易・盖―吕萨克(1778~1850) 遇到另外两个法国化学家,问他们有什么新的发现.两位化学家告诉他,他 们在海草灰里发现了一种新元素.这种元素生成的化合物和目前已知元素的 任何化合物都毫无共同之处,只是暂时还没有将这种新元素分离出来.盖― 吕萨克很兴奋,马上就想到他们的实验室去,亲眼看一看这种新元素的化合 物.两位科学家却回答说: 非常抱歉,已经没有了.一星期前,享弗利・戴 维到我们的实验室来过.他对这种物质也挺感兴趣,我们把制的这种元素全 都给他了. 戴维是英国著名的化学家.盖―吕萨克一听这消息,立刻跳了起来,激 动地大声说: 不可原谅的错误!空前严重的错误!居然倾其所有,拱手送 给了外国人.戴维会发现这种元素,并把研究成果公之于世.这样,发现新 元素的荣誉就会属于英国,而不是属于我们法兰西了. 两位科学家这才如梦初醒,喃喃地说: 我们完全没有想到这一点. 无论如何要赶在戴维的前面!这个元素是法国科学家发现的,现在由 于意想不到的疏忽,发现它的荣誉竟要落到英国的头上了. 盖―吕萨克建 议两位化学家: 必须马上动手,昼夜不停地工作.维护祖国的荣誉是我们 应尽的职责. 在盖―吕萨克的带领下,他们立即行动,从头做起不分昼夜地连续工作, 紧张地忙碌了几天,终于将这种元素提取出来:小小的鳞片,有着金属的闪 闪光泽,遇热很快蒸发, 使烧瓶充满紫色蒸气. 他们将这种元素命名为 碘 . 在希腊文里, 碘 就是 紫色 的意思. 果然不出盖―吕萨克所料,戴维的研究结果和他们的论文同时发表了. 梦中的发现 德国的化学家凯库勒(1829~1896)是个勤学的人.有一天,他在紧张 工作之后,感到十分困倦,坐在一辆马车里昏昏睡去. 他并没有睡熟.这些天来,他聚精会神地研究苯分子的结构,大脑极度 疲乏.进入睡眠状态后,他的大脑中许多神经经过短暂的休息,便不由自主 地兴奋起来,睡梦中,他觉得碳分子都活了,在他面前翩然而舞,结成一条 长链,长链像蛇一样扭动着,突然一口咬住自己的尾巴,盘成一个圆圈. 这时,凯库勒从梦中惊醒,他忽有所悟,不禁大喊一声: 我找到答案 了,苯分子是一个环状结构. 阿佛加德罗定律及几个导出关系式 阿佛加德罗定律认为:在同温同压下,相同体积的气体含有相同数目的 分子.1811 年由意大利化学家阿佛加德罗提出假说,后来被科学界所承认. 这一定律揭示了气体反应的体积关系,用以说明气体分子的组成,为气体密 度法测定气态物质的分子量提供了依据.对于原子分子说的建立,也起了一 定的积极作用. 中学化学中,阿佛加德罗定律占有很重要的地位.它使用广泛,特别是 在求算气态物质分子式、分子量时,如果使用得法,解决问题很方便.下面 简介几个根据克拉伯龙方程式导出的关系式,以便更好地理解和使用阿佛加 德罗定律. 克拉伯龙方程式通常用下式表示:PV=nRT……① P 表示压强、V 表示气体体积、n 表示物质的量、T 表示绝对温度、R 表 示气体常数.所有气体 R 值均相同.如果压强、温度和体积都采用国际单位 (SI) , R=8.31 帕・ 米3/摩尔・ 度. 如果压强为大气压, 体积为升, 则R=0.082 大气压・升/摩尔・度. 因为 n=m/M、ρ=m/v(n―物质的量,m―物质的质量,M―物质的摩尔质 量,数值上等于物质的分子量,ρ―气态物质的密度),所以克拉伯龙方程 式也可写成以下两种形式: Pv=m/MRT……②和Pm=ρRT……③ 以A、B 两种气体来进行讨论. (1)在相同 T、P、V 时: 根据①式:nA=nB(即阿佛加德罗定律) 根据②式: (即两气态物质的摩尔质量之比 分子量之比 M M m m A B A B = = = 质量之比). 根据③式: ρ ρ ( 表示相对密度,此说明:两气态物质的 M M A B A B = = D D 摩尔质量之比=分子量之比=密度之比=相对密度).若mA=mB 则MA=MB. (2)在相同 T・P 时: 根据①式: (即两气体的体积之比 物质的量之 V V n n A B A B = = 比). 根据②式:若 ,则 或或(即:两气体的体 mA = mB = V V M M n n M M A B B A A B B A 积之比=摩尔质量的反比;

两气体的物质的量之比=摩尔质量的反比) 根据③式:若则ρρ或ρρ(即:两气体的物质 m = m = = A B n n V V A B B A A B B A 的量之比=气体密度的反比;

两气体的体积之比=气体密度的反比). (3)在相同 T・V 时: 根据①式: (即:两气体的物质的量之比 压强之比). n n A B = P P = A B 根据②式:若 ,则 (即:两气体的压强之比 摩m=m=MM=ABBAPPAB尔质量的反比;

两气体的压强之比=气体分子量的反比). 上述导出的关系式,应多练,常用,才能达到活用之目的. 物质的量在................