化学精彩问答--中国数字科技馆

Q

中国古代的化学发展是什么样的呢？对比西方呢？

A

　　现代意义的化学是指在分子、原子层面上研究物质的组成、结构、性质与变化规律以及创造新物质的科学。在古代，特别是在18世纪以前还没有明确的分子、原子等概念时，无论是在中国还是西方，化学的发展的都是非常缓慢的，大多是基于经验和规律在日常生活和生产的过程运用化学、总结具有实用性的化学知识，而不是将化学作为一个专门的学科来开展系统研究，北京大学赵匡华教授编著的《中国古代化学》一书系统梳理了中国古代在烧陶制瓷、冶炼金属、炼丹、制药、酿酒、造醋和染色漂洗等与化学有密切关系的工艺过程中所观察到的化学变化、利用过的化学反应，以及对这些变化的理解，反映了我国古代所取得的化学成就。对比西方，中国古代在实用化学知识的积累与整理方面成果显著，但18世纪以后的近现代科学发展中，西方取得了很多突破性的发展，比如各种元素的发现、元素周期律的提出等，逐渐建立了当代化学学科体系。如今，经过互联网与全球化的发展，知识的传播与获取已经变得前所未有的快捷，现在的中国与西方在化学学科已经站在了同一起跑线上，未来的化学发展需要大家共同努力、一起创造。（吴永真华东理工大学）

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Q

为什么人们认为114号元素是稀有气体元素？118号元素是气体吗？

A

　　稀有气体元素一般是指元素周期表中最右侧一列的元素，包括氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）等，它们共同的特征是在常温常压下以气体形式存在、化学性质稳定、不易发生化学反应，所以又常被称作“惰性元素”。这种化学“惰性”与它们的原子结构，特别是外层电子的数目与排布方式密切相关。稀有气体是单原子分子，其核外电子层都有相对饱和的结构，一般情况下不容易得到或失去电子而与其它原子形成化学键。114号元素鈇（Fl）是人工合成的重核元素，尽管根据其电子结构应归属于第四主族元素（第7周期），但Fl的化学性质却与稀有气体非常相似，因此有人称它为类稀有气体元素。118号元素<气奥>（Og）是本世纪初才被粒子加速器合成出来的超重核元素，半衰期仅12毫秒，合成产率也非常低（每次实验仅能得到几个原子），其物理化学性质还没有被实验研究，理论预测常温常压下是固体，但有待将来的实验验证。

　　需要指出的是，与前6周期的元素相比，第7周期大部分元素是人工合成的超重核元素，它们的原子结构大多不稳定、半衰期短，其物理、化学性质也会由于相对论效应（高度密集的核电荷扭曲周围电子轨道）而偏离预期。（参考文献：Science, 2019, 363, 466-470）（吴永真华东理工大学）

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Q

外层电子数对元素稳定性有何影响？

A

　　(1)对元素化学性质的影响：最外层电子数是决定元素的化学性质的重要依据。如果元素最外层的电子数是8个（第一层为2个），那么该元素具有非常稳定的化学性质（如：惰性气体）。最外层电子数少于4个时，原子易失去最外层电子，达到相对稳定的结构形成阳离子；最外层电子多于4个时，则原子易得到电子达到相对稳定的结构形成阴离子。值得指出的是，对于稀土元素，次外层电子也对元素的化学性质有重要影响。

　　(2)对元素原子核的影响：元素原子核的稳定性主要由核内质子数和中子数决定，与外层电子几乎无关。（中国科学院长春应用化学研究所卢宇源）

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Q

元素周期表有何作用？元素周期表对于我们寻找未知元素有何指导意义？

A

　　元素周期表揭示了元素性质随原子量递增而周期性变化的规律，阐明了元素之间的内在联系及元素的共性。因此，(1)可根据元素周期表推断未知元素的性质；例如：可根据F、Cl、Br的性质推知I和At的性质。(2)可利用元素周期律，比较不同元素之间性质的差异性，例如：其氧化物的酸碱性，氢化物的稳定性、原子或离子的氧化性、还原性、同类化合物的水溶性等等。(3)帮助理解自然现象，例如：氟具有很强的氧化性；铯具有很强的还原性等。特别地，元素周期表一直是新元素探索的一个指导性工具，即使在现代化学与物理学中，它仍然发挥着不可替代的作用，例如：超铀元素的发现。（中国科学院长春应用化学研究所卢宇源）

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Q

为何说烟花的五颜六色是因为化学元素金属化合物的焰色反应？据说未来有可能会开发出更加绚丽多彩的纳米烟花和稀土烟花，纳米技术具有小尺度效应，纳米技术与火药化学如何相结合产生关联？

A

　　化学上将某些金属或它们的化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特殊颜色的反应叫做焰色反应。究其根本，焰色反应是物理变化。金属元素原子在接受火焰提供的能量后，电子会从能量较低轨道跃迁到能量较高轨道，而能量较高轨道电子不稳定又会跃迁回低能量轨道，这时多余能量会以光的形式释放出来。不同元素原子结构不同，电子跃迁时能量变化也不同，因而会发出不同波长的光，在可见光区域，我们就会从火焰中观察到每种元素特征颜色。

　　“烟花”主要成分是黑火药，其主要成分为硝酸钾、硫磺和木炭粉等。除此之外还会加入一些发光剂和发色剂。发光剂主要是金属镁或金属铝的粉末，他们燃烧时会发出白炽强光。发色剂通常是一些金属化合物，如氯化钠、氯化钾，重晶石，天青石等。含有不同金属阳离子的化合物，燃烧时呈现不同的颜色。附几种金属发生焰色反应呈现的颜色：锂离子-紫红色，钡离子-黄绿色，钙离子-砖红色，铷离子-紫色，钠离子-黄色，钾离子-浅紫色，锶离子-洋红色。

　　与传统固体材料不同，纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等独特性质。目前已有纳米金属粉在火药中应用的研究，某些纳米金属粉对含能材料的分解具有催化作用。发展纳米材料在火药中的应用理论，对于提高火炸药的性能，开发新型含能材料有着十分重要意义。（邹晓新吉林大学）

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