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握在手里就融化，放在水里就爆炸？不亲身感受一下，真的很难想象它有多活泼 | 吴尔平

中科院地质地球所 · 公众号 · 化学 · 2024-11-10 10:50

正文

就是它们相互之间组合，

构成了世间万物。

握住了它们，

我就仿佛握住了整个世界。

吴尔平 · 科普作家

格致校园第45期｜2024年北京

大家下午好，我是吴尔平，一名科普作家，今天来讲一种积木。这个积木可不简单，你用它可以组装成这个世界上任何你看得见、摸得到的东西。这个积木也没有那么神奇，它就是化学元素。

说到化学元素，我们脑子里想的难道不是课本上的一个个文字和符号吗？它和我说的积木有什么关系呢？别急，我们从一个简单的例子开始。

相信大家小时候都玩过积木玩具，我们在打开包装之后会得到很多这样的零件，我们要做的，就是通过动手动脑，把它们组装在一起。

对于一些比较简单的套装，我们可以通过自己的摸索和尝试完成拼搭。但是对于一些比较复杂的“积木”，我们就需要借助图纸，按照上面的指示说明来进行搭建。

但如果观察得足够仔细，你会发现这个过程似乎有一些规律。有的零件比较小，不起眼，往往承担着连接彼此构成框架的作用。而另外一些色彩鲜艳造型丰富的，往往分布在积木成品的表面，起着装饰性作用。

我们在拼插完之后，有时候还会把它拆开，按照自己的喜好去重新组装。在这个过程中，也要遵循着我刚刚提到的规律，这样我们得到的成品才足够匀称、美观而且牢固。

如果说积木是一门学问，它就是在研究每个零件可以发挥什么样的作用，它们互相之间如何组合。那么积木零件就是我们的原材料和研究的对象，图纸就是指引我们去发现规律的教材。

这时候，我们把研究对象从积木零件换成身边的事物。那么研究这些事物如何组成、它们可以发生怎样变化的学科其实就是化学了。而构成它们的一个个积木零件，就是化学元素。

同样的，不同的化学元素有着不同的性质，在构成物质的化学反应，也就是在“拼搭”的过程当中，它们也会扮演着不同的角色。

想亲眼看看各种元素

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我曾经也是一位学习化学的中学生。那个时候的我们很幸运。我们化学老师退休之前说，再带一届学生吧，我们刚好就是最后一届。

因此，化学老师在我们的身上投入了格外多的心血，他会用自己编写的教材来给我们授课，同时也非常鼓励我们去做一些课外的探索，去阅读高年级的教材。

我记得有一次，我在他的办公桌上发现了一本教材《人教版化学必修一》。这本来是给高一学生看的，但看到它的时候我还在上初二。

翻开它的封面，扉页是一张元素周期表。元素周期表其实就像一张零件索引图，它把化学元素按照周期性出现的规律排布在一起，得到了一张图表。

相比于常见的元素周期表，这本教材里的周期表长得不太一样。它的每个单元格里面填充的不再是文字或者符号，取而代之的是一个个化学元素的实物样本照片。

我也曾经好奇过，资料里提到的一个个化学元素它们是长什么样子的，那么显然，这张元素周期表吊起了我的胃口，但却又没有完全满足我的好奇心。于是我便萌生了一个念头——自己去收集一些化学元素单质，亲眼去看一看它长什么样子。

试想一下，我把这些化学元素摆到你的面前。看，就是它们相互之间的组合，构成了世间万物。握住了它们，我就仿佛握住了整个世界。这是多么神奇的一种体验！

于是说干就干，我就开始收集化学元素了。我最先考虑到的肯定是离我最近的、收集起来最方便的。

首先是来自实验室的锌粒，严格意义上来讲它是一种耗材，因为它可以和酸液反应产生氢气。那氢气有什么作用呢？我们有一个实验会用到它。把氢气和氧化铜一起放在高温下共热，氢气就能把氧化铜还原成铜，这不就有了铜了嘛。

这样通过高温还原得到的铜是粉末状的，那金属铜丝从哪来的呢？来自物理实验室报废掉的导线。把导线外的橡胶拆掉，里面就是纯净的金属铜。

这就是我最早收集到的两份化学元素样本。

课本上感受不到的神奇

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你可能会想问，元素这种东西有什么神奇的吸引力，能够让我持之以恒、孜孜不倦地收集了十几年，从2011年收集到现在？

当然答案其实也很简单。我在这些年收集它们的过程当中，也不断接触到更精美更好看的样本，同时它们也给我带来了很多意外之喜。

我也见到了一些在课本中被描绘得神乎其神的元素。举个例子，铯。铯是一种非常活泼的金属，当它暴露在空气中的时候，会像铁生锈一样快速地氧化变暗。但这个过程非常剧烈，会放出热量，有的时候会让自己燃烧起来。

▲视频来自：ChemicalForce

我们可以看到，金属铯在接触到空气时，会马上失去表面的光泽。在接触到水的时候，绝大多数金属会沉到水底，但是铯会发生爆炸。如此活泼的性质导致了金属铯只能保存在密闭的硬质玻璃管里面。现在，我就把它拿在了手里。

看到了吗？这是金属铯。而且我可以用它来演示一个神奇的性质。铯的熔点很低，只有28.44℃。这也就意味着我把它握在手里，手心的温度就能够让它熔化，变成一滩金灿灿的液体。大家看到了吗？它已经开始流下来了。

那么反过来，我把熔化的金属铯放在桌子上让它静置冷却的话，它又会重新变成金黄色的金属固体，这实在是一种非常神奇的体验。

接下来，我会用另外一组化学元素的样本，来演示另外一种在资料里见不到的体验。我想邀请两位观众小朋友上来和我一起完成。

这里有两个立方体，你们分别拿取其中的一个，再交换一下。从他们的体验中，大家可以看出来，这两个立方体的重量差距十分悬殊。但它们外表好像看上去没有什么太大的区别，到底是什么在作怪啊？

答案是密度。元素的密度指的是绝对纯净的元素样本的完美单晶在一标准物质体积下的标准质量。

好长的一段话，我加了好多限定词，这也说明它在实际情况中也很难去达到。但是在误差允许的情况下，我们可以用它来辨别一些不同的元素，比如这两个。

我们揭晓一下答案，它们分别是镁和钨。镁的密度是1.74克每立方厘米，而钨则是19.25克每立方厘米，二者相差了11倍。而当它们被分别制作成边长为2英寸的立方体的时候，它们的质量分别是230克和2500克。

如果我把这个数字写在纸上，或者说拍成照片、录成视频去给你们看，带来的体验都不如直接把它们握在手里掂量一下来得直观。

我还准备了一组差距更为悬殊的元素样本，分别是锂和锇。锂的密度是0.534克每立方厘米，只有水的一半多一点点，而锇则是22.59克每立方厘米。它们分别是密度最小和密度最大的两种金属。

这是1克的锂，它能够填充满整个玻璃管，是实心的。

而1克锇其实就是这么小的一个金属粒。它们的重量都是1克，这个差距是不是非常的明显？二者密度相差了42倍，能不明显嘛。

我们刚才提到，锂的密度只有水的一半多一点点，这也就意味着把这个装有金属锂的玻璃管放在水里，锂的低密度可以带着玻璃管一起漂上来。我想没有什么是比这个更让人感到惊诧的了。

无色透明，却能发出多彩的光

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我们刚才讲了金属，其实元素周期表里还有很多有意思的元素，它们是气体。举个例子，位于元素周期表最右边这一列的稀有气体，大多都是这种无色透明的气体。

我准备了一组这样的玻璃管，里面分别填充了氦氖氩氪氙这5种稀有气体，它们都是无色透明的气体。充到玻璃管之后，你能告诉我它们有什么区别吗？不能，当然我也不能。但是我有一个办法，用高压电。

我们知道，原子在受到高压电激发的时候，它会吸收能量。但这个状态不能保持很久，很快就会以发光的形式把这些能量再次释放出来。不同的原子有着不同的结构，因此它们发出的光线的颜色也是不一样的。话不多说，我们来试试看吧。

首先是氦，它被点亮之后发出的光线是桃红色的。

其次是氖，它发出光线是明亮的橘黄色。

再往下是氩，它是紫色的。

氪则是带有一点绿色。

最后一个是氙，它发出的光线是天蓝色。氦氖氩氪氙，它们发出颜色是不一样的。

这是我拿相机修正过的照片，它们发出的光线准确来讲分别是这样的颜色。

有一个东西大家或许见过，叫做霓红灯，它的英文名字是Neon。而当你熟悉化学之后，会发现氖元素的英文名字也是Neon。这是一种巧合吗？那很显然不是。通过刚才的观察我们能够发现，氖发出的光线最为明亮，同时也最具有识别度，所以人们用氖来填充霓红灯灯管，而霓红灯的名字也就取自于氖元素。

放大后的它们如此震撼

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今天我带来的元素，到这里差不多就分享完了。很遗憾我收集了这么多的化学元素样本，但却没有机会把它全部给大家展现出来。如此种种遗憾发生过很多次，因此我得想一个办法。

于是从2012年开始，我拿起了相机，尝试用镜头把这些样本记录下来，在网络上去分享它们，让更多人能够看见。

一开始我也没有什么拍照的经验，我就把样本放在书架上，旁边用台灯打光，快门一按就是一张照片。

后来，我拍摄的经验积累得越来越丰富，也尝试了不同的风格去展现元素不同的一面。比如用黑色的背景呈现金属的色泽。

或者在底下垫上一张网格纸，让大家知道这个样本的尺寸有多大。

到最后我发现，用白色的背景最干净、最好看，于是我就把我所有收集的样本用白色的背景拍摄了一遍。

拍摄了这么多元素样本，把它们里里外外再外外里里又拍了一遍之后，我觉得对它们已经足够了解了，还能有什么新鲜的呢？

在2016年的寒假，我在拜访中科大“美丽科学”的梁琰老师时，看到他们实验室刚来了一台很新的显微镜。梁老师说：尔平带了一些样本过来，拿来底下拍一拍看看吧。我就把当时随身携带的一些样本放在了底下。这让我第一次知道，原来我还错过了这么多肉眼观察所看不到的细节。在放大之后，它们原来是如此的震撼。

惊讶之余，我拍摄了很多这样的照片，我接下来会和大家分享几组元素放大之后所呈现的景象，大家也可以来猜猜看它们分别是什么元素。

第一个是金黄色的，大家是不是会先想到金？这就是我刚才演示的金属铯，最活泼的金属元素。它在凝固之后会形成这种鱼骨状的晶体，非常漂亮。当然，它也是保存在硬质玻璃管里的，其实就是我刚才拿来演示的这一管。

第二个，这个大家可能不知道了吧？它是钒。钒在高温下表面会氧化，但是氧化膜的厚度不一样的时候会偏折不同的光线，从而产生多彩的颜色。它在放大之后，就会呈现出这种像是凝固了的油画颜料块一样的景象。但其实，这也就是指甲盖这么大一个的样本。

再下一个这个大家肯定听说过，它叫做钙。我们常说喝牛奶、吃钙片来补钙，可能下意识地认为钙就是像粉笔灰一样的白色粉末。但实际上，它是一种银白色带有一点点淡黄色的金属。其实，就连很多专业的化学工作者都没有机会亲眼见到真正金属钙的样子。

再来，这个是送分题，大家都知道的。黄金，它是知名度最高的元素之一。但是这里展示的是一份通过化学气相沉积法得到的黄金的结晶，大家能够看到它细致的纹理。当然，这个样本实物大小其实也就指甲盖这么大。

最后一个，大家注意它表面淡蓝色的色泽。其实我在刚才也讲到过这个元素。对的，锇，密度最高的金属。这也是通过化学气相沉积法得到的结晶，在放大之后，我们能够清楚地看到它表面的纹理。

让更多人爱上化学

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和元素打了这么多年交道，我和它之间发生了太多有意思的故事，我把它们都记录了下来，用文字、用照片，以及用我刚才无意之间所发现的这种方法。

我积累了很多的素材，于是就想着如何把它们组合起来变成一本书。如果当年的我遇到这样的一本图书，我会不会更喜欢化学呢？我一直在思考这个问题。

带着这个问题，我用时7年创作了这本书，最后它的版面呈现是这样，也在2023年和大家见面了，叫做《美丽的化学元素》。

这十来年，我不光是在孜孜不倦地收集化学元素，我还在努力地把它们放到一些特别的地方去。比方说，刚才提到了我在学校的时候特别喜欢读课外材料，我特别希望自己拍摄的照片能够成为它们之中的一员。

▲左：长春力旺中学

右：郑州龙湖一中

这两所学校用我的照片制作成了展墙，学生们非常喜欢。

再举个例子，小时候我去过中国地质博物馆，被里面眼花缭乱精美绝伦的矿石所震撼。那么在收集化学元素样本的过程中，我就在想，我自己收集的这些样本有没有机会和它们一起陈列在同一个展柜里面呢？

▲左：内蒙古自然博物馆

右：中国地质博物馆

机会就来了。在去年（2023年），他们举办了一场叫做“神奇元素在哪里”的展览，我提供的数百件样本就和馆藏的矿石标本一起放在了展柜里面，给观众带来了非常好的观展体验。

▲左：央视纪录片《门捷列夫很忙》

右：bilibili纪录片《我家是个博物馆》

除此以外，我还做了非常多的努力，让它们出现在了央视纪录片、哔哩哔哩纪录片、中国化学会的台历以及新华网的专题报道等等地方。这也是我坚持这个爱好这么多年来想要做的，那就是让更多刚刚接触到化学的学生们对化学产生兴趣，认为它是一门有意思的学科。

这么看下来的话，我的努力好像得到了一些回报，我付出的一切都是值得的。而且更让我感到惊讶的是，这些东西的受众包括你们在内，大家的知识储备量真的太丰富了，太优秀了，远超于当时的我。

所以，又有什么理由让我不去创作更多更好的作品呢？凭什么不再努力去提升自己的知识储备，让自己知道更多的东西，从而解答更多小朋友们的疑问呢？

谢谢大家！

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