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元素的盛宴 ——化学奇谈与日常生活
发布者:叶书林发布时间:2019-08-08 10:38:58阅读(168) 评论(1) 举报
元素的盛宴——化学奇谈与日常生活
[ 美] 山姆·基恩 著 转载自戴飞老师的空间
元素周期表“西岸”是活跃的金属,“东岸”卤素和高贵气体参差矗立,而中间则是宽广的“大平原”——从第3 列到第12 列的过渡金属。实际上,过渡金属的性子十分暴烈,所以很难笼统地来形容它们——不过对待它们,你都得多加小心。过渡金属原子比较重,它们储存电子的方式比其他原子更灵活。和其他原子一样,过渡金属原子内部也有不同的能级(称为第一能级,第二能级,第三能级……以此类推),低能量的层级在内,高能量的在外;它们也会与其他原子争抢电子,使最外层电子数达到8 个。不过,要分清哪一层算是过渡金属原子的最外层,可就不那么容易了。
我们从水平方向观察元素周期表,每一种元素都比左边的邻居多一个电子。
11号元素钠通常有11 个电子,12 号元素镁则有12 个电子,以此类推。随着元素的体积增大,它们不光会把电子填到能级里,还会为这些电子提供形状各异的“铺位”,称为层。可是原子古板又保守,只会按照周期表的顺序依次填满层和能级。最左边的元素把第一个电子放在球形的s 层里。这一层很小,只能容纳2个电子——这就是为什么周期表左边有两列比别的要高。有了最开始的两个电子后,原子就得找个宽敞点儿的地方了。跳过中间的空白,右边的元素开始把新的电子一个个放进p 层,这一层的形状像是畸形的肺。p 层能容纳6 个电子,因此周期表右边的6 列高出了一截。注意一下周期表最上面的几行,2 个s 层电子加上6 个p 层电子,一共8 个电子,正好是大多数原子在最外层想要的电子数。除了自给自足的高贵气体外,所有元素的外层电子都可以被抛弃或是与其他原子反应。这些元素的行为遵循同一逻辑准则:增加一个新电子,原子的行为就会发生变化,因为它可以用来参与反应的电子数增加了。
下面我们进入很容易产生挫败感的部分。从第3 列到第12 列,从第4 行到第7 行,这些过渡金属开始往d 层填充电子了,d 层可以容纳10 个电子。(d 层看起来非常像是变了形的动物气球。)基于之前所有元素的行为准则,你一定想着过渡金属会把多出来的d 层电子放在比较靠外的地方,方便拿来和其他原子发生反应。可是你错了,实际上过渡金属会把多余的电子藏起来,藏到其他电子层的下面。它们这样违背惯例,把d 层电子埋到下面,看起来既别扭又不直观——柏拉图可不会喜欢。可是这也是自然规律的一部分,我们无能为力。要理解这个过程,必须动点脑筋。我们横着看一看周期表,对于周期表里的其他元素来说,电子每增加一个,它的行为就会发生变化,按照这一规则,过渡金属也应如此。但是由于这些金属会把d 层电子藏到“夹层”里,所以这些电子不太容易跑掉。如果其他原子与过渡金属发生反应,它们不会获得这些电子,这样造成的结果就是,同一行的多种金属暴露在外的电子数量相同,因此它们的化学性质也相似。从科学的角度来说,这就是为什么许多金属看起来如此相似,性质也几乎相同。它们看起来都是冷冰冰的灰色金属块,因为外层电子让它们别无选择,只得如此。(当然,有时候藏起来的电子会捣点儿乱,它们会跑到外层,参与反应,这会带来某些金属之间微小的性质差异,这也是为什么这些金属的化学性质这么让人着急上火。)
f层元素也是这么乱七八糟的。在元素周期表下方有单独的两行,f 层从其中的第一行就开始出现了,这一行被称为镧系元素。(镧系元素又被称作稀土元素,它们的原子序数从57 到71,按照周期表里的排序实际上应该处于第6 行,把它们单独列到底部,是为了让整张表格看起来简练一些。)镧系元素把新电子埋得比过渡金属还深,经常藏在两个能级下面。这意味着它们比过渡金属更为相似,彼此之间几乎无法区分。这一行从左到右的旅程,就像开车从内布拉斯加州去往南达科他州,你几乎意识不到自己已经跨越了州际线。
自然界中不存在纯净的镧系元素,因为它们总是伴生在一起。有个著名的例子,新汉普郡有一位化学家试图提纯69 号元素铥,开始的时候,他的原料是富含铥的矿石,呈巨大的碟状,他用化学药品反复处理矿石,并将它煮沸,这种方法每次都能将铥的纯度提高一点点。溶解过程很费时间,所以开始的时候,一天他只能提纯一两轮。不过,他仍坚持把这个无聊的工序亲手重复了15000 次,数百千克重的矿石最后被提炼得只剩下几百克,得到的纯度终于让他满意了。可是就算到了这一步,剩下的铥里仍有其他镧系元素,它们的电子埋藏得太深了,化学方法根本无法逮住这些电子,把它们抓出来。电子的行为决定着元素周期表。但是要真正理解这些元素,你不能忽略占据了它们99% 以上的质量的东西——原子核。电子行为准则的制定者是那位从未拿过诺贝尔奖的最伟大的科学家,而原子核的统治者可能是史上最艰难的诺贝尔奖获得者,她的职业生涯比刘易斯更加漂泊无定。
1906年,玛丽亚·格佩特在德国出生了。尽管她的父亲是家族中的第六代教授,可她仍很难说服学校让一个女人攻读博士学位,所以,她从一所学校辗转到另一所学校,尽可能地多听课。最后,玛丽亚终于在汉诺威大学那些从未谋面的教授面前完成了答辩,拿到了博士学位。毫无意外地,她毕业后没人给她写推荐信,也没人帮她联系,所以没有哪所大学肯为她提供职位,她只能“曲线救国”。玛丽亚的丈夫约瑟夫·梅耶是一位化学教授,他是美国人,在德国游学。1930 年,玛丽亚随丈夫一起回到美国巴尔的摩,她有了个新的姓氏:格佩特- 梅耶。在美国,她跟着丈夫一起工作,一起参加学术会议。不幸的是,大萧条期间,约瑟夫数次失业,两个人先是去了纽约的大学任教,后来又去了芝加哥。
大多数学校都容忍了格佩特- 梅耶四处出没,大谈科学,有的学校甚至慷慨地赐给她一份工作,虽然他们拒绝付给她薪水,分配给她的也都是些所谓有“女性气质”的课题,比如说研究颜色是怎么来的。大萧条结束后,数百个像她一样富有才华的科学家齐聚曼哈顿项目,那也许是有史以来各种科学思想最为激烈的一场碰撞。格佩特- 梅耶也收到了一份邀请,不过是来自一个没什么用的外围偏门项目,研究如何用闪光灯分离铀。毫无疑问,格佩特- 梅耶十分愤怒,但是对科学的渴求让她在如此糟糕的大环境下仍坚持研究工作。“二战”结束后,芝加哥大学终于给了她足够的重视,聘请她做了物理教授。虽然格佩特- 梅耶终于有了自己的办公室,可是学院还是不付给她薪水。
尽管如此,这个职位还是给了她一定支持,1948 年,格佩特- 梅耶开始研究原子核,这是原子的核心和精华。原子核中带正电的质子数量——原子序数——决定了原子的性质。换句话说,原子既不会得到质子,也不会失去质子,除非它变成另一种元素。通常情况下,原子也不会失去中子,但是同一种元素的原子可能会有不同的中子数——称作同位素。比如说,同位素铅-204 与铅-206 的原子序数都是82,但是它们的中子数不同,前者是122,后者是124。原子序数加上中子数就是原子量。科学家们花了多年时间来研究原子序数和原子量之间的关系,不过一旦弄清楚了这一点,元素周期表看起来就清晰多了。
当然,这些格佩特- 梅耶都知道,不过她的研究工作涉及另一个更难把握的未解之谜,一个看似简单的问题。宇宙中最简单的元素是氢,它同时也是宇宙中含量最高的元素;第二简单的元素氦含量第二。那么,如果宇宙井井有条,简洁优美,3 号元素锂就应该是含量第三的元素,以此类推。可惜我们的宇宙没这么简单,含量第三的实际上是8 号元素氧。可是,这是为什么呢?科学家也许会回答说,因为氧的原子核非常稳定,不会裂解,或者换个词儿,不会“衰变”。不过这只会让我们回到问题的起点——为什么某些元素(比如说氧)的原子核就特别稳定呢?
和同时代的其他人不同,格佩特- 梅耶看出了这种不可思议的稳定性和高贵气体有某种相似之处。她提出,原子核里的质子和中子也是分层排列的,就像电子一样,因此,填充原子核内的层会带来稳定性。对于门外汉来说,这个说法很有道理,类比十分恰当。不过诺贝尔奖可不会发给凭空冒出来的猜想,尤其是一位不领工资的女教授的猜想。而且,这个想法激怒了核物理学家,因为化学过程和核物理过程是相互独立的。质子和中子稳重可靠,常年闭门不出,而小小的电子水性杨花,经常为了迷人的邻居离家出走,这二者有什么理由会做出相似的事情?而且在大多数情况下,它们的行为方式的确大有差别。
不过格佩特- 梅耶仍坚持自己的直觉,她把一些看似无关的实验联系起来,证明了原子核的确分层,的确会形成她称为“幻核”的结构。出于复杂的数学原因,幻核不是像元素性质那样周期性有规律地出现,它出现的原子序数依次为2,8,20,28,50,82……格佩特- 梅耶的工作证明了在这些原子序数下,质子和中子如何整齐地排列成稳定对称的球形。请注意,氧有8 个质子和8 个中子,因此它具有双倍的魔力,非常稳定——所以它在宇宙中的含量才如此丰富。这个模型一下子就解释了钙(原子序数20)这样的元素为何丰富得和它的序号不成比例,接下来也顺理成章地解释了为什么我们的身体也主要由这些易于获得的元素构成。
格佩特- 梅耶的理论和柏拉图的构想遥相呼应,证明了漂亮的形状更为完美。她的球形幻核成了理想模型,在此之前,人们认为所有原子核都是球形的。实际上,介于两个幻数之间的元素相对较不稳定,因为它们的原子核是丑陋的矩形或椭圆形。科学家们甚至还发现,中子非常富余的67 号元素钬的原子核像是个变形的橄榄球。根据格佩特- 梅耶的理论(或者根据你看过的别人在橄榄球赛中跌跌撞撞的样子),你也许能猜到,橄榄球状的钬原子核不是很稳定。电子数不够的时候,原子可以从其他地方搞到电子来保持平衡,可是原子核不稳定时,它们可没法弄到质子和中子。因此,钬之类原子核奇形怪状的原子很难成型,就算成型了也会立刻崩裂。
原子核壳层模型是一个天才的发现,因此当格佩特- 梅耶发现祖国的男物理学家也曾提出过相似的理论时,她感到非常沮丧,考虑到她在科学界的低微地位,这样的情绪很容易理解,她面临着声名扫地的危险。不过,双方的研究工作相互独立,德国方面很有风度地承认了她的贡献并邀请她一起合作,格佩特- 梅耶的职业生涯迎来了辉煌的转折点。她赢得了应得的荣誉。1959 年,格佩特- 梅耶和丈夫一起搬到了圣地亚哥,这是他们最后一次搬迁。在圣地亚哥,她终于进入了新成立的加州大学分校,得到了一份有报酬的工作。不过,别人还是只当她是个业余的科学爱好者。1963 年,瑞典皇家科学院授予了她职业生涯的最高荣誉,当时圣地亚哥的报纸头条标题是:《圣地亚哥一位母亲荣获诺贝尔奖》。
不过这个问题也许只取决于你如何看待。要是这个奖给了吉尔伯特·刘易斯,那么就算报纸上登出这么有侮辱性的标题,大概也丝毫不会影响他兴奋的心情。
细细审读元素周期表的每一行,你会发现许多元素的秘密,不过这只是我们故事的一部分,甚至还不是最精彩的部分。同一列中的元素实际上比同一行的那些元素更为亲密。在大多数人类语言中,我们都习惯于从左到右(或者从右到左)地进行阅读,不过在阅读元素周期表时,我们应该像阅读某些日语读物一样,从上到下,一列一列地读,这样收获更大。从上至下地阅读元素周期表会让你发现元素之间许多隐藏的关系,包括你不曾想到过的竞争与对抗。周期表有自己独特的语法,它的行行列列会带来崭新的故事。
2. 亲密双胞胎与黑羊:元素家谱
莎士比亚有一个词儿:“不胜光荣”①6。它到底是什么意思?问不同的人,你会得到不同的解释,有人说,它表示“负有荣誉感的状态”,也有人说,这是个字谜,背后隐藏着一个秘密:莎士比亚的剧本实际上都是弗朗西斯·培根写的,而不是诗圣本人。不过,这个词儿虽然有27 个字母,却还远不是英语中最长的单词。
当然,要找出最长的单词,就像在激流中逆流而上,很容易失去控制,因为语言是流动的,而且流向经常改变。就算是英语这样通行的语言,在不同的语境中也会有不同的意思。上文中提到的词语是《空爱一场》中一个丑角的台词,它显然源自拉丁文。不过外语单词大概不该算数,哪怕它是用在英语句子里的。还有,堆叠前后缀的生僻词语(“反对政教分离主义”,antidisestablishmentarianism,28 个字母)和无意义的词语(“简直棒得不可思议”,supercalifragilisticexpialidocious,34 个字母)也不该算进来,不然的话,作家们简直能把读者玩弄于股掌之间,只要他们的手别抽筋。如果我们采用一个合理的定义——这个最长的词语出现在英语文献中的目的并不是刻意要创造纪录——那么,我们就会在1964 年出版的《化学摘要》中找到苦苦追寻的目标,这本辞典似的书旨在为化学家提供参考资料。最长的词描述的是一种重要的蛋白质,1892 年,人类第一次发现了病毒——烟草花叶病毒,这种
蛋白质正是烟草花叶病毒的一部分。来,深吸一口气吧:
acetylseryltyrosylserylisoleucylthreonylserylprolylserylglutaminylphenylalanylvalylphenylalanylleucylserylserylvalyltryptophylalanylaspartylprolylisoleucylglutamylleucylleucylasparaginylvalylcysteinylthreonylserylserylleucylglycylasparaginylglutaminylphenylalanylglutaminylthreonylglutaminylglutaminylalanylarginylthreonylthreonylglutaminylvalylglutaminylglutaminylphenylalanylserylglutaminylvalyltryptophyllysylprolylphenylalanylprolylglutaminylserylthreonylvalylarginylphenylalanylprolylglycylaspartylvalyltyrosyllysylvalyltyrosylarginyltyrosylasparaginylalanylvalylleucylaspartylprolylleucylisoleucylthreonylalanylleucylleucylglycylthreonylphenylalanylaspartylthreonylarginylasparaginylarginylisoleucylisoleucylglutamylvalylglutamylasparaginylglutaminylglutaminylserylprolylthreonylthreonylalanylglutamylthreonylleucylaspartylalanylthreonylarginylarginylvalylaspartylaspartylalanylthreonylvalylalanylisoleucylarginylserylalanylasparaginylisoleucylasparaginylleucylvalylasparaginylglutamylleucylvalylarginylglycylthreonylglycylleucyltyrosylasparaginylglutaminylasparaginylthreonylphenylalanylglutamylserylmethionylserylglycylleucylvalyltryptophylthreonylserylalanylprolylalanylserine
这条“巨蟒”一共有1185 个字母。
我猜,大概你们都只看了这个词儿的开头和末尾的几个字母,现在再回头看一眼,你会发现这个词语里字母的分布规律很有意思。英语中最常见的字母“e”出现了65 次,而不那么常见的“y”出现了183 次。单个字母“l”占据了整个单词的22%(出现255 次),而且y 和l 并不是随机出现的,而是经常一起出现——共有166 对,每7 个左右字母就会出现一次。这些都不是巧合。这个长单词描述的是一种蛋白质,而构成蛋白质的基础是元素周期表中的6 号元素(同时也是用途最广泛的元素)——碳。具体来说,碳是氨基酸的核心部分,氨基酸像串珠一样链接起来,形成蛋白质。(这种烟草花叶病毒蛋白质中含有159 种氨基酸。)既然有这么多氨基酸要数,所以生化学家用一种简单的语言规则对它们进行了编目。他们把氨基酸名字中的“ine”替换成了“yl”,这样一来,丝氨酸(serine)和异亮氨酸(isoleucine)就变成了“seryl”和“isoleuyl”。一系列以“yl”结尾的单词排列起来,就能精确地描述蛋白质的结构。外行人一看“火柴盒”这样的合成词,就能知道它代表什么意思。与此类似,20 世纪五六十年代的科学家以“acetyl...serine”这样的规则来为分子正式命名,这样他们一看名字,就能知道它的结构。这个系统虽然有点啰唆,但非常精确。从历史的角度来看,合并单词的趋势反映了德国及疯狂合并的德语在化学领域的强大影响力。
不过,氨基酸为什么会链接起来呢?这是因为碳在周期表中的位置使然,它需要用8 个电子填满自己的外层能级——这一经验法则叫作“八电子规则”。富有进攻性的原子和分子彼此穷追不舍,最终导致氨基酸文明地键合起来。每个氨基酸的一端有几个氧原子,另一端是一个氮原子,中间则是两个碳原子。(氨基酸中还含有氢,有时候也会有偏离主链的分岔,分岔上可能有20 个不同的分子,不过这些与我们现在讨论的无关。)碳、氮和氧都希望在外层得到8 个电子,不过其中只有一种元素比其他的强大。8 号元素氧共有8 个电子,其中2 个处于内层的低能级,剩下6 个则在外层,所以氧总是在寻求两个额外的电子。找两个电子不难,强势的氧原子最有发言权,它可以欺负其他原子。不过根据同样的规则,6 号元素碳就很可怜:在填满了最里层以后,它的外层只有4 个电子,要凑满8 个,它得再找4 个电子,这就比较困难了。所以,碳原子寻找盟友的标准很低,简直是来者不拒。
不挑剔是碳原子的美德。和氧不同,碳原子必须尽己所能地在多个方向上与其他原子键合。事实上,一个碳原子最多可以和4 个其他原子共享电子,这使得碳原子能够形成复杂的链状结构,甚至发展出三维的分子网。而且碳原子只能分享电子,不能窃取电子,所以它形成的结构稳定可靠。氮也必须和其他多个原子键合,但是没到碳原子那种程度。元素有这样的特性,蛋白质就占到了便宜,比如前面所述的“巨蟒”蛋白质。氨基酸中部的碳原子将电子分享给另一个氨基酸尾部的氮原子,像是一个很长很长的单词里面的字母一样环环相扣,几乎无穷无尽地串联起来,就形成了蛋白质。
事实上,今天的科学家能够解码比“acetyl...serine”还要长得多的分子。目前的最长纪录属于一种庞大的蛋白质分子,它的名字如果拼出来的话有189819 个字母。不过20 世纪60年代开始出现了一些快速的氨基酸排序工具,科学家们意识到很快就会出现化学名和这本书一样长的分子(校对这样的书绝对是场噩梦),所以他们放弃了累赘的德国系统,恢复了原来那种较短小、看起来没那么夸张的命名法,就连学名也采用这种规则。比如说,名字长达189819 个字母的分子现在叫肌联蛋白,亲切多了吧?总而言之,恐怕不会再有比烟草花叶病毒蛋白质的名字更长的词儿出现在印刷品上了,没有谁想这么干吧。
不过,这也并不意味着有志气的辞典编纂者们不用再梳理生化学文献了。医学领域经常出现长得不可思议的单词,而《牛津英语大词典》中出现的最长的非技术性单词恰巧与碳的表兄弟有关,人们经常设想其他星系中可能有以这种元素为基础的生命存在——14 号元素硅。