1. 位置決定命運(yùn)
一說到元素周期表，大多數(shù)人都會想起高中時化學(xué)教室前面墻上掛著的表格，不對稱的行行列列從老師的肩膀上冒出頭來。那張表一般很大，1.8 米×1.2米左右，看起來氣勢凜然卻又恰如其分，昭示出它在化學(xué)里的重要地位。9月初，全班同學(xué)就認(rèn)識了這張表，直到次年5 月末，大家還在跟它打交道。而且，老師鼓勵大家在考試的時候參考元素周期表，科學(xué)資料里這是獨(dú)一份，講義或教科書都不行。不過當(dāng)然，也許你還記得一點(diǎn)兒元素周期表帶來的挫敗感：雖然你可以自由查閱這么大的一張“小抄”，可是真該死，它好像一點(diǎn)兒忙都幫不上你。
一方面，元素周期表看起來整潔精練，簡直是科學(xué)界的德國工藝；另一方面，它又雜亂無章，到處都是長長的數(shù)字、莫名其妙的縮寫，還有怎么看都像是電腦錯誤提示的東西（[Xe]6s24f15d1），面對這樣的東西，你很難不感到焦慮。而且，雖然元素周期表顯然與其他學(xué)科有聯(lián)系，例如生物和物理，可我們卻不清楚具體是什么聯(lián)系。也許，對于許多學(xué)生而言，最強(qiáng)烈的挫敗感在于，那些真正理解了元素周期表、弄明白了它的原理的人，居然能夠從這么冷冰冰的呆板表格中解讀出那么多的信息。色覺健全的人從顏色雜亂的點(diǎn)狀圖中看出來“7”或者“9”的時候，色盲感受到的一定也是相同的惱怒——關(guān)鍵的信息總是很狡猾，從不輕易自動現(xiàn)形。人們懷著復(fù)雜的心情，記住了這張表格，有迷戀，有喜愛，有遺憾，還有憎恨。
在介紹元素周期表之前，每個老師都應(yīng)該先抹掉所有雜亂的內(nèi)容，讓學(xué)生只看空白的表格。
看起來像什么？有點(diǎn)兒像是一座城堡，主墻起伏不平，兩頭都有防御用的塔樓高高凸起，左邊有一部分好像是皇家泥水匠還沒砌完。表中有長短不一的18 個縱列，水平則有7 行，下面還有另外的2 行“著陸跑道”。城堡是用“磚”砌成的，有件事兒在表中沒法一眼就看出來，但必須首先說明：磚的位置不能互換。每一塊磚代表一種元素，或者說一種物質(zhì)（目前，元素周期表由112 種已知元素和少量未知元素組成），如果有任何一塊磚不在它應(yīng)該待的位置上，整座城堡就會崩塌。這絕非夸張：如果科學(xué)家們突然發(fā)現(xiàn)某種元素應(yīng)該待在另一個位置上，或者某兩種元素的位置可以互換，那么周期表這座大廈就會轟然倒塌。
這座城堡還有一個建筑學(xué)特點(diǎn)：不同的區(qū)域采用不同的材料構(gòu)建。也就是說，磚塊的質(zhì)地并不相同，它們的性質(zhì)也各有差異。75% 的磚塊是金屬，這意味著大多數(shù)元素是冰冷的灰色固體，至少在人類習(xí)慣的溫度下是這樣的。東邊的幾列包括多種氣體，但只有兩種元素在室溫下呈液態(tài)——汞和溴。在金屬和氣體之間，大致相當(dāng)于肯塔基州在美國地圖上的方位，這里是一些難以定義的元素，無定形的天性賦予了它們有趣的特質(zhì)，比如說，它們能產(chǎn)生的酸味比化學(xué)品倉庫里的強(qiáng)上無數(shù)倍�？偠�言之，如果每一塊磚都由它所代表的材料制成，這座元素城堡就會變成一頭奇美拉那樣的怪獸，隨著年代變化，它身上會長出新的器官和翅膀�；蛘邔捜菀稽c(diǎn)兒說，它是一座丹尼爾·里博斯金1式建筑——用看似矛盾的材料構(gòu)成簡潔優(yōu)雅的整體。
城堡的藍(lán)圖要小心描畫，因?yàn)槟撤N元素在這張圖里的位置幾乎決定了它的全部科學(xué)意義。對于元素來說，位置即命運(yùn)。事實(shí)上，現(xiàn)在你對這張表格的輪廓已經(jīng)有了大概的印象，再給你一個更有用的比喻：元素周期表就像一張地圖�，F(xiàn)在我們再來加入一些細(xì)節(jié)，從東向西對它進(jìn)行標(biāo)定，無論是著名元素還是冷僻元素，都會被收納進(jìn)來。
首先，我們來看最右邊的第18 列，這一組元素被稱為高貴氣體�！案哔F”這個詞兒古色古香，聽起來很有趣，更像是個倫理學(xué)或哲學(xué)詞語而不像是化學(xué)術(shù)語。事實(shí)上，“高貴氣體”的說法可以追溯到西方哲學(xué)的起源地——古希臘。當(dāng)時，希臘人留基伯和德謨克利特提出了“原子”的概念，后來他們的同胞柏拉圖創(chuàng)造了“元素”一詞（希臘文為stoicheia），作為不同的物質(zhì)粒子的泛稱。公元前400 年左右，在導(dǎo)師蘇格拉底去世后，柏拉圖為了自己的安全離開了雅典，此后多年他一直四處流浪，撰寫哲學(xué)著作。柏拉圖當(dāng)然不知道每種元素的確切化學(xué)名稱，不過他要是知道的話，肯定會將周期表最東邊的這些元素當(dāng)作至愛，尤其是氦。
在《會飲篇》中，談及愛與欲的時候，柏拉圖提出，每個存在都渴求找到讓自己完滿的東西，即自己失去的另一半。反映到人的身上，這樣的渴求意味著激情與性，同時也意味著伴隨激情與性而來的一切問題。此外，柏拉圖在對話錄中還強(qiáng)調(diào)說，比起那些碌碌營營、跟什么東西都有交互反應(yīng)的事物來，抽象不變的事物從本質(zhì)上說更為高尚。這解釋了他為什么獨(dú)愛幾何學(xué)，那些理想的圓和立方體都只存在于我們的頭腦里。對于數(shù)學(xué)以外的事物，柏拉圖提出了“理型論”，他認(rèn)為所有事物都是某種理想事物的投影。比如說，所有的樹都是一棵理想的樹不完美的復(fù)制品，它們渴求理想樹完美的“本樹”。同樣，也有魚和“本魚”，甚至杯子和“本杯”。柏拉圖相信，這些理型不僅是個理論，而且真實(shí)存在，雖然只存在于人類知覺無法觸及的天堂世界。所以，當(dāng)科學(xué)家開始在我們的真實(shí)世界里用氦召喚出理型時，如果柏拉圖能夠親眼看見，他一定會和其他所有人一樣深受震撼。
1911 年， 一位荷蘭- 德國裔科學(xué)家用液氦冷卻汞時發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)溫度低于-268.9℃時，該系統(tǒng)的電阻會完全消失，變成一種理想導(dǎo)體。有點(diǎn)兒像是把你的iPod 冷卻到零下幾百攝氏度，然后你會發(fā)現(xiàn)，不管用多大音量放多長時間音樂，它的電池電量永遠(yuǎn)是滿的，只要液氦一直讓電路保持低溫就行。1937年，一個俄羅斯與加拿大合作的小組用純氦變了個更漂亮的魔術(shù)。當(dāng)溫度降低到-271.1℃時，氦會變成一種超流體，其黏度和流動阻力都是絕對的0——完美“本液體”。超流體氦無視重力，可以向上流動，翻越墻壁。當(dāng)時，這樣的發(fā)現(xiàn)讓人瞠目結(jié)舌。科學(xué)家們經(jīng)常假設(shè)摩擦力為0 之類的情況，可這只是為了簡化計(jì)算。就連柏拉圖都想不到，真的會有人找到他提出的理型。
氦也是“本元素”的最佳范例——任何常態(tài)的化學(xué)手段都無法破壞它或是改變它。從公元前400 年的希臘到公元1 800 年的歐洲，科學(xué)家們花了2 200 年時間，終于確認(rèn)了元素到底是什么，因?yàn)榇蠖鄶?shù)元素都太善變了。比如說碳，碳有數(shù)千種性質(zhì)各異的化合物，要從這些化合物中發(fā)現(xiàn)碳的本質(zhì)太困難了。舉個例子，今天我們可以說二氧化碳不是一種元素，因?yàn)槎�氧化碳分子可以分解為碳和氧。但碳和氧是元素，因�(yàn)槟銦o法在不破壞它們的前提下將它們分成更小的單位。讓我們回到《會飲篇》的話題，回到柏拉圖關(guān)于迫切尋找丟失的另一半的理論，我們發(fā)現(xiàn)，幾乎所有元素都會尋求與其他原子結(jié)合，這樣的結(jié)合會掩蓋元素的本性。甚至大多數(shù)“純”元素在自然界中也是以多原子分子的形式存在的，例如空氣中的氧分子（O2）。不過，自從科學(xué)家們了解了氦之后，他們了解其他元素的步伐很可能因此大大加快，因?yàn)楹�從不與其他物質(zhì)反應(yīng)，只以“純”元素的形式存在。
氦表現(xiàn)出這樣的性質(zhì)是有原因的。所有原子都包含帶負(fù)電荷的電子，電子分布在原子內(nèi)部不同的層上，或者說能級上。能級是環(huán)環(huán)相套的同心圓，每一層都需要確定數(shù)量的電子來填充才能得到滿足。最內(nèi)層的電子數(shù)為2，其他層電子數(shù)通常為8。元素里通常含有等量帶負(fù)電的電子和帶正電的質(zhì)子，這樣元素就呈電中性。不過，電子可以在原子之間自由交換，當(dāng)原子得到或失去電子時，就會形成帶電的離子。
有一點(diǎn)不可不知，非常重要：原子會盡可能地用自身的電子填滿最里面、能量最低的層級，然后拋棄、分享或是偷取電子，來確保最外層的電子數(shù)正確無誤。有的元素會光明正大地分享或是交換電子，而有的元素手段齷齪�？梢杂靡痪湓拋硇稳莼瘜W(xué)的這一面：當(dāng)原子最外層電子數(shù)不足時，它們會爭斗、交易、乞求、結(jié)盟、毀約，不擇手段地追求正確的電子數(shù)。