《走进奇妙的元素周期表》

《走进奇妙的元素周期表》

【日】吉田隆嘉

说到元素周期表，你脑海中或许会浮现出一幅巨大而又复杂的表格，充斥其中的字母看似离我们很遥远，但是本书作者会告诉你，元素周期表和我们的生活息息相关。

为什么吃得太咸会导致高血压？为什么选择金银来做首饰？霓虹灯是怎么发光的？这些问题都跟元素周期表有关。

这本书的作者是日本科普作家吉田隆嘉，他本科阶段是在东京大学学量子化学专业。虽然很喜欢这门专业，吉田还是希望从事与人的生命有关的工作。所以在毕业之后又重新考进了医学院，博士毕业之后顺利考取医师资格证。吉田一边从事医学事业，一边还是电视节目主持人，同时也是东京理科大学的客座教授，扎实的学科背景让他对元素周期表的重要性有着深切体会。

作者吉田隆嘉结合元素在生活和生产中的实际应用，在不用算式的情况下，为你呈现建立在化学元素上的世界观，帮助你更好的理解元素与人体之间的关系，展现化学的魅力。原本复杂深奥的化学，不再是枯燥繁琐的化学反应方程式，而是孕育出这个美妙世界的元素魔法。

或许正如作者所言，我们没能在高中化学课上感受到元素周期表的魅力，是因为老师没有告诉我们，元素周期表非常有用。而作者写这本书的目的就是想让读者感受到科学带来的乐趣。

下面我主要通过三个方面为你解读这本书，去感受元素世界的宏大。第一，元素周期表存在怎样的规律？第二，元素和人体有什么关联？第三，稀有元素有哪些作用？

首先进入第一部分，说说元素周期表存在怎样的规律。

在解读元素周期表之前，先简单科普一下元素的概念。自然界的物质都是由原子组成，原子又由原子核和核外的电子组成，原子核内有质子和中子，其中质子带正电荷，中子不带电，核外的电子带负电荷，核内质子数也叫原子序数。我们把具有相同核内质子数的一类原子,统称为一种化学元素。比如核内质子数为六的原子统称为碳元素，它的原子序数也是六。

1869年俄国科学家门捷列夫发现元素的性质存在着周期性变化，他根据变化规律将已知的元素归纳进一张表，元素周期表就此诞生。一开始这张表并不是填满的，门捷列夫在元素周期表中为尚未发现的元素空出了位置，并对这些元素的性质进行了预测，给它们起了暂用名。

随着法国化学家布瓦博德兰发现了镓元素，德国化学家史特洛发现了镉元素，新元素一个接一个的被人们发现，填补了元素周期表的空白，而且这些新元素的性质与门捷列夫的预言不谋而合，从而证实了元素周期表的科学性。元素周期表一跃成为化学家关注的焦点，它的诞生在化学界具有里程碑意义。

目前被发现的元素共有118种，他们在元素周期表中按照原子序数从小到大的顺序排列，共有18列。每一列称为一个族，每一横行称为一个周期。比如原子序数最小的氢元素，就位于元素周期表的一行第1列。

元素周期表看似杂乱无章，实际上井然有序。刚刚我们说过所有的元素都是由原子组成的，原子包含原子核和绕着原子核运动的电子，最外层的电子的数量决定了元素的基本性质，元素周期表上的同一列元素，最外层电子数量往往相同，所以同一类的元素通常具有相似的特性。比如元素钾和铯，他们都位于元素周期表的第1列，原子最外围都是一个电子，这个电子很容易失去，那就带上一个正电荷，形成正一价的阳离子，而且他们都容易和其他阴离子结合，溶解在水中。

人体内存在着大量的钾元素，由于铯和钾的相似性，铯进入人体之后，会通过钾的输送通道流向全身，人体将铯误以为是钾而吸收。2013年，日本福岛核电站因工作人员操作失误导致高浓度污水大量外泄，污水中包含放射性元素铯，这种放射性元素一旦进入人体将释放出电离辐射，使得基因突变的概率剧增，最终导致福岛地区出现胃癌肺癌大肠癌白血病等恶性肿瘤多发的现象。

再比如铜、银、金这三种金属元素，它们在元素周期表中处于同一列，外层的电子排列相似，在日常条件下不容易和空气中的水分氧气等成分发生化学反应，具有较好的稳定性，所以被人们选择用来做装饰品或者首饰。

化学元素广泛存在于我们的生活和身体中。那么元素和人体有什么关联呢？在第二部分你会了解到人体内元素的组成，以及元素驱动生命活动的机制。

先说说元素是怎么来的，其实除了一小部分例外，天然元素大多来源于宇宙。他们几乎都无法在地球上形成，因为元素的诞生有一项至关重要的条件——温度一定要超过1000万度。地球温度最高的地核也只有4000到6800度，显然地球不具备这样的高温环境。在浩瀚的宇宙中，超高温状态主要出现在三种情况中：第一宇宙大爆炸之后；第二太阳等恒星内部的核聚变；第三是恒星寿终正寝的时候，也就是超新星爆炸。天然元素正是在这三种情境下产生的。

46亿年前围绕太阳运行的岩石和尘埃聚集到一起形成地球。在此之后的悠长岁月里，地球上的元素几乎没有发生任何变化。发生改变的不是元素本身，而是元素的搭配组合，也就是说地球上的生命建立在无数元素的化学反应之上，因此组成人体的元素和宇宙的元素有着密切的联系。

人体元素的99.5%以上是氢、氧、碳、氮四种元素。氢和氧排在前头，是因为人体大部分都是水，水的分子式是一氧化二氢，氢和氧的比例自然就高了。排在第3名的是碳元素，因为碳水化合物脂肪和蛋白质中都含有大量的碳元素，同时蛋白质中还有大量的氮元素，所以氮元素的含量排在第4名。除了这四种元素，剩余的是磷钙硫钠钾氯镁等少量元素。

从元素周期表上来看，组成人体的元素基本都集中在周期表的上方，也就是原子序数较小的元素。人体内还包含铁锌锰铜锶和碘等微量元素。不过在第6周期之后的元素，基本不可能在人体内找到。为什么人体内有如此多的周期表上方的元素，却很少有周期表下方元素的踪迹呢？答案很简单：因为周期表上方的元素大量存在于宇宙中，而下方的元素要少的多。人类在38亿年的漫长进化时光里，不断尝试了各种化学反应，采用与环境相适应的化学反应，个体才能够存活下来，否则将会被自然淘汰，所以人体内的元素以宇宙中大量存在的元素为主。

那么在这么多的元素中什么元素驱动着生命的活动呢？人体的运动依赖于肌肉组织，思维则依赖于神经系统，乍一看两者似乎没有什么联系，事实上肌肉伸缩和神经传导的工作原理几乎相同，而且都离不开钠和钾这两种关键元素。那么，钠和钾是如何影响肌肉伸缩和神经传导的呢？他们都是以正一价阳离子的状态存在于人体中，钠离子主要在细胞外侧的淋巴液和血液中，钾离子主要在细胞内测，细胞膜上有供两种离子出入的专用通道。当你平静的时候，细胞内的电位为负，细胞外的电位为正；当肌肉细胞受到刺激时：比如你的手指被针戳了一下，钠离子就会像细胞内侧转移，使得细胞内外电位发生改变，刺激肌肉细胞内的收缩蛋白，让手指自动收缩。

神经系统也是同样的道理，神经细胞内外侧电位的变化会刺激到神经元产生脉冲来传导信息，告诉大脑刚刚被针扎了一下，有点疼。而后钾离子会跑到细胞外面，让细胞内外电位恢复平衡，这样一来肌肉细胞与神经细胞就能为下一步刺激做好充分的准备。

或许你还有疑问，通过这样一个调节细胞内的钠多了钾少了呀！怎么才能恢复到初始状态呢？这时候就要靠钠钾泵发挥作用了。钠钾泵也叫做钠钾运转体，它的作用就是把刚刚跑进跑出的钠离子和钾离子搬运回原位。总之，钠与钾的进进出出，保证了肌肉和神经的正常运作。

通过刚才的介绍，你应该能体会到钠与钾的重要性。无论缺少哪种元素，我们的健康都会出问题。缺钠会让人头昏乏力、食欲不振；缺钾则会导致肌肉和神经功能障碍，全身无力、心律不齐。但是元素多了也不行，比如食盐不能摄入过量已经成了当下的保健常识。盐的成分是氯化钠，也就是钠离子与氯离子结合而成的晶体。氯离子吃多了不要紧，它会随着尿液排出体外，不能过量摄入的是钠离子。摄入过量的钠会引起高血压，这其中是什么道理呢？人体的血液和淋巴液中，钠离子的浓度是有上限的，一旦摄入过量的钠，我们的身体就只能增加血液和淋巴液中的水分，来稀释钠离子的浓度，这会导致血液增多，从内向外压迫血管，血压上升。淋巴液也会相应增加导致身体的水肿，很多人误以为多吃盐也不要紧，只要多喝水，就能把多余的钠离子排出去。殊不知，我们每天能通过尿液排出的钠是有上限的，如果你摄入的钠超过了这个上限，人体就无法把多余的钠排净。久而久之，就会患上高血压。

与此同时我们也不能忽视钾元素的摄入。蔬菜水果中都含有钾，海带中的钾就更多了，日常饮食就可以满足人体正常生命活动所需的钾，不需要额外去补钾。如果血液和淋巴液中的钾离子浓度过高，细胞内的钾离子很难排到细胞膜外，就会影响到肌肉和神经的正常工作，过多的钾还会影响到心脏的搏动，严重的话会导致死亡。所以我们也要控制好钾的摄入量，尤其是肾功能低下的人，因为他们更不容易排出体内的钾。

以上说的都是我们熟悉的元素，其实生活中还有一些看似不那么常见你却离不开的元素。第3部分就说说稀有元素有哪些作用？下面我想从两个方面来讲稀有元素：一是体现横向均衡性的稀土元素，二是代表纵向相似性的稀有气体。

首先，我们来了解下近年来备受关注的稀土元素。风靡全球的特斯拉等新能源汽车，医学检测中常用的核磁共振成像技术，都要拜稀土元素所赐。稀土元素具体是指哪些元素呢？

要解答这个问题，先得分清稀土元素和稀有金属这两个概念。那些地表储量较少或许难以简单提取的金属统称为稀有金属，比如钛、钒、铬、锰、镍等等。

稀土元素指的是元素周期表第3族中第4周期至第6周期的稀有金属。听上去很复杂，你只要记住稀土元素是稀有金属的一部分就行了。名字叫稀土是因为这些元素少量分布在泥土中，有镨、钬、铀等等。大概你在日常生活中听都没听说，它们的作用可大呢！

用稀土元素制造的磁铁叫做稀土强磁，它最吸引人的地方就是能长久保持强大的磁力。很多前沿的科技产品都离不开强磁铁，比如电视机、荧光屏、燃料电池、汽车尾气净化装置等等。

举个例子来说，过去医生对病人进行图像诊断的时候主要选择CT，就是电子计算机断层扫描技术，现在普遍采用没有辐射的核磁共振成像技术。CT设备比较便宜，但它使用X射线伽马射线，多少会有辐射，而且普通CT只能拍出身体横截面的图像。

核磁共振成像技术通过将人体置于特殊的磁场中，能显示任意方向的断层图像，连很小的肿瘤也不会遗漏，因为核磁共振仪内部有一块超高性能的强磁铁，强磁铁所产生的磁场使得成像具有极高的信噪比。也就是说，它收到的信号很强,噪音很弱，从而具备较高的成像质量，检测疾病更快更准。

除此之外，电动汽车磁悬浮列车等交通工具也会用到强磁铁。混合动力汽车与电动汽车的引擎就是用磁铁驱动的，磁力越大车的动力越强速度也就越高，如果没有稀土元素，特斯拉将只存在于科幻电影里。

稀土元素还有其他元素不具备的特性，它的熔点极高，导热性也好。良好的导热性能保证装置在驱动的过程中热量不会聚集，高熔点保证了零件的稳定性，使得稀土元素在工业中的用途更加广泛。

近年来随着稀土元素的价值被发掘，大国纷纷加入了稀土争夺之战，稀土二字也时常出现在各大媒体的头条。稀土元素的电子排布都非常相似，化学性质也相似，导致了稀土的产地往往比较集中，世界上的稀土矿主要集中在中国。

稀土元素完美的体现了元素周期表横向的均衡性，第18列元素稀有气体则代表了元素周期表纵向的相似性。接下来就为你介绍体现纵向相似性的稀有气体。稀有气体分布在元素周期表最靠右的一列，那就是氦氖氩氪氙氡。

他们的最外层轨道完全被电子填满，表现出的性质也惊人的一致。稀有气体是单个原子组成的气体。为什么会这样呢？因为他们的电子轨道已经满了，元素不仅不会和其他原子发生化学反应，相互之间也不会反应，因此稀有气体又称为惰性气体，懒惰的惰。

接下来我们说说几种常见的稀有气体在生产生活中的应用。你最熟悉的应该是氦气，宇宙中第二轻的气体，只比氢气稍微重一点点，由于氦不容易与其他化合物发生化学反应，也就不可能引发爆炸，因此氦气被广泛用来填充飞艇和气球。

排在氦下面的是氖，说到氖，你可能不熟悉，但它其实就在你身边，餐馆招牌和五颜六色的霓虹灯里就灌着氖气。氖气通电后，巨大的能量会把在稳定轨道上运行的电子推到更外层的轨道上，但是这种状态很不稳定，所以电子会想方设法回到原先的轨道上。在这个过程中，多余的能量会以光的形式释放出来，这就是霓虹灯的工作原理。

氖之后是氩。氩在空气中的含量仅次于氮与氧，容易提取成本较低，所以它的应用范围也很广。把氩气灌进白炽灯，可以阻止灯丝被空气氧化，延长灯丝的使用寿命。氩还可以用来治疗花粉过敏症，把氩变成特殊的等离子体，喷在鼻黏膜上，就能阻断鼻粘膜和花粉的接触。这里也是利用惰性气体不容易发生化学反应的特质。

最后说说在元素周期表中位置比较靠后的氙，氙在大气中的含量就很少了，价格也特别贵，只能用在一些非常特殊的地方。2003年，日本发射小行星探测器隼鸟号，将小行星系川的样本带回了地球。推动隼鸟号回到地球的引擎所使用的推进剂里就有氙，要在真空状态的宇宙空间中移动，唯一的方法就是高速喷出重物，利用反作用力前进。只有气体才能高速喷出，氙就恰好满足了需求，以气体形式存在，而且还特别重，最适合用来做推进剂。

到这里我们完成了对元素周期表的解读。化学元素支撑着我们的物质大厦，对化学元素的探索让我们明白了世间万物运行的规律，发现宇宙与生命的神奇，当我们再次遇到陌生元素的时候，不妨找一找它在元素周期表中的位置，从中去了解它的特性发现自然的智慧。