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【原创】就这样一个人挺好——傲娇的惰性气体

  150年前的那个三月,35岁的青年教师德米特里刚刚在圣彼得堡大学拿到了正式的教授职位。他的教学任务是为大学生们讲授化学课。在备课的过程中,他不断总结前人经验,用聪颖、勤奋、和那么一点点运气,发现了化学元素的新规律,并由这个规律预测出新的化学元素。年轻德米特里的不知道,这一年的成果已让他在化学界封神。从此以后,德米特里.伊万诺维奇.门捷列夫的画像会出现在所有的化学课本上。2019年的今天,为了纪念元素周期表发表150周年,人们还将这个成为国际元素周期表年(the international year of periodic table)。

图片来源:https://www.iypt2019.org

  元素周期表上至今已经有118个元素。这些元素构成了世间万物,有着不同的形态、颜色、性质,是个千人千面的大集合。今天我们着重聊一聊最右边的这一列,第八主族元素,所有元素都有一个“气”字作偏旁。大家有时候叫它们“稀有气体”(rare gases),有时候叫它们“高贵气体”(noble gases),有时候又叫它们“惰性气体”(inert gases,直译成lazy gases更为有趣)。它们的家族姓氏从和而来,又与他们自身的性质有什么关系呢?

  在深入惰性气体之前,先谈谈原子的电子层。每个原子都有质子和电子,质子在原子核中带正电,电子在原子核周围运动带负电。根据离原子核距离的远近,出现电子个数的概率是不同的,抽象来说就是电子的排布是分层的。第一层离核最近,最多容纳2个电子,第二层最多容纳8个电子,第三层最多容纳18个电子……第n层最多容纳2n2个。人们又发现,当最外层电子数是8的时候,原子最为稳定,处于“完备”(closed)状态;如果不是8,原子会和周围的原子争夺电子,直到夺取成功,最外层有了8个电子,才心满意足。举个最常见的例子,氧原子本来有8个电子,第一层排2个,第二层只剩了6个。为了让第二层达到8个电子的稳定状态,氧原子会从周围别的元素那里抢2个电子过来。遇到碳抢完了成为二氧化碳,遇到氢抢完了成为水。如果单独让它待着,无论是氧气O2还是臭氧O3都很不安分,化学性质很活跃,总想跃跃欲试地找个人抱团取暖。这个特性正好验证了柏拉图的亲密关系理论,认为世间万物都是不完整的,命中注定都有自己的缺失的另一半(the missing half),会在冥冥中有一种力量去接近那一半,直到自己变完整。没想到哲学和化学的理论在元素稳定性和电子层理论里相遇了。

惰性气体的电子层

  然而第18族的惰性气体则是个最特殊的群体,这一组所有元素的最外层电子数都是8!也就是说,它们本能地享受着自己的完整性,傲娇地看待其他元素,对寻找另一半的驱动力无动于衷,这也许就是“高贵气体”(noble gases)名字的来源吧。因为它们的稳定性,在生活中的应用也很广泛。比如氦气就可以很好的代替氢气冲进气球和汽艇里。

  至于另一个称呼“惰性气体”,不难得知这也是来源于其化学稳定性。而“稀有气体”的来源是最初发现其化学成分在地球中较少。不管使用哪个名字,第18族元素给人的印象都是沉稳、平和。在英文语境下我还是最喜欢Noble gases的叫法,仿佛看到拟人化的元素,最外层8个电子如彩蝶飞舞,深山空谷中遗世独立,不理世上的纷争,就这样一个人挺好。

  作者:西瓜妈

本文来自:中国数字科技馆
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