3.自然地理
就像在真实的国土上观看景色和地形一样,对王国的特征如
果只是走马观花式地去浏览,那意义就不会很大。要深入了解王
国各个领地以及潜在的变化规律,必须进行测量。有些测量比较
简单,有些测量则需要较先进的技术。但就一般情况而论,我们
可以给每一块领地编上号码,用数字表示地形在某一方面的变化。
与制作真实的地形图一样,先测量海拔,然后用颜色或者用模型
显示地势的升降。还可以用颜色和等高线表示其他一些特征,如
人口密度或土壤酸度变化。
在这一节里我们将要对王国地形做第二次想象,用海拔来描
述各种性质的变化。既然这是一个想象中的王国,一片化学家所
幻想的国土,描述它时就不需要有所限制,地势可以按照我们想
要的特征上升或下降来描绘。我们已经看到根据化学活动性强弱
用想象模拟地势升降的例子,东部的急陡坡是由卤族所在的平原
地带下降到惰性气体沿海地区所形成的。在此以前,我们还谈到
过另一处想象中的海拔,那里我们所描绘的北部海岸在物理性质
和化学性质上与处于它南面的高地大不相同。叙述中未做实际的
定量,只简单地采用了象征手法。然而,我们现在要描绘出以明
确的物理测量所获得的具体数值。现在想象的地势高度和深度要
比以前真实得多,虽然不是实际的高度和深度。
全面探测王国的自然地理还要求我们采取另一个重要步骤。
到现在为止,我们已经从空中大体上对王国进行了观察,并从远
处看到各个领地以及它们起伏的变动规律。我们已经对元素做了
现象上的分析,分析了它们的外貌、形态、色泽和物理状态。现
在我们应该降落到地面上,在降落的地方我们可以详细研究这个
国家的结构,并通过想象把实际上需要使用精密仪器仔细观察和
测量的情况描述出来。也就是说,可以把构成元素的各种原子的
形象描绘出来,根据每块领地里原子的个性、形状和结构把各个
领地区分开来。
原子将是下文中进一步详细讨论的主题,因为原子及原子内
部的情况是彻底说明王国的依据。目前我们只需要设想它们具有
卵石般的结构,而且每一个指定领地里的每一块卵石都与这个领
地里的其他卵石完全一样,但与别的领地里的卵石不同。在王国
里,微观结构是原子功能的基础和原子特性的区分界线。尤其原
子是以它们的质量、直径和需要仔细观察才能明白的一些特征来
区分的。
首先,我们考虑原子的一个简单特性,即它们的质量。原子
的质量都很小,大约在 1×10-31千克到 1× 10-29千克之间,
通过对它们的相对值进行研究要简便得多。为了方便起见,我们
假定氢原子的质量为1,然后拿其他元素的原子质量与这一值相
比。例如1个碳原子的质量为1个氢原子质量的12倍,那么它的相
对质量就是12;再如,铀原子的质量为氢原子质量的238倍,那
么它的相对质量就是238。现代的化学家们已经改进这一相对比
例的确定方法,然而,人们常称为相对原子质量的数值非常接近
于我们用这种较原始的方法所获得的数值。
现在请您根据海拔高度来想象王国的地势,这一海拔高度即
代表了各个元素原子的相对质量(见图3)。想象时,应将王国
西北端到东南端危险的放射性地区的一段地势看成一向上的斜坡。
南部海域的近岸岛屿也由西往东向上倾斜,南部的狭长地带始终
高于北部的狭长地带。任何一位在陆地上朝正东方向旅行的游客
都会发现,地势是在上升;任何一位游客在王国的任何一块领地
朝正南方向旅行时也会发现,地势同样明显上升。氢元素所在的
北方边远地区和氦元素所在的东北海角海拔最低。此外,锂元素
所在的西北部岬角略高一些。几乎在所有的地方海拔都均匀地上
升,旅游者在南部海岸线上所处的位置比地势很低、海水环绕的
北海岸高出200倍以上。在王国的这一奇特景象中,人们发现远
在东南方开垦出的新土地高耸入云,在具有放射性的南部海岸线
上形成高不可攀的悬崖峭壁,甚至比南部岛屿上的山峰还要高。
有几处地方,那里海拔高度的变化会使粗心大意的行人绊倒。
在东部矩形地块上的碲与碘之间,在地峡上的铜与镍之间,地面
不是连续上升而是出现一些下沉,因而会使心不在焉的人跌倒。
地表上这种微小的断层显然需要像地质工作者那样作出相应的说
明,但对于周期王国在上述地面出现的下沉现象,我们却只能留
待继续观察以求得到解释。更扼要地说,地面上的微小“断层”
是一种征象,提醒我们注意原子质量不能作为元素的基本特性。
因为,原子真正的基本特性是与其物理、化学方面的所有性质相
关的,根据基本特性才能对周期王国作出彻底的解释,而这种基
本特性是绝对不容许产生任何“断层”的。显然,王国地势总的
来讲是平稳上升的,因而原子质量与元素真正的基本特性相关;
但王国地势又确实存在有小的“断层”,所以,原子质量又不能
作为元素真正的基本特性。尽管如此,对王国的拓荒者来说,了
解东南地区的原子比北面和东面的原子更重,的确很有用。他们
可以知道,南行和东去需要向上爬坡,而反过来向西北的海角前
进却总是往下坡走。
图3 根据原子质量绘制的王国示意图 从东北方向观察,南
方岛屿位于远处,氢在右前方突出位置,仅仅露出海面
原子直径同样反映了原子特性。原子直径的变化远远小于原
子质量的变化,例如,重元素铀原子的直径只是最轻元素氢原子
直径的2倍或3倍。一个典型原子的直径约为0.3纳米。l纳米等
于十亿分之一米,即等于百万分之一毫米。这几乎小得连点影子
也没有了。所以,以高度表示原子直径的地势比代表原子质量的
地势要平坦多了(见图4)。这样的地势,使我们直观地感到直
径个是原子的基本特性。尽管如此,绘制在图上的原子直径变化,
仍将使我们了解更多的情况,正如下文所述。
概括地说,代表原子直径的地势由北向南上升,自西向东下
降,但有很多例外。初看起来,这与直观很矛盾,原子由西北向
东南越来越重,体积也越变越小。这一明显的异乎寻常的趋势在
由西往东穿过地峡时有一个十分重要的例子。当我们往东行进时,
地面逐渐下沉,在进入东部矩形地块前达到最低值,而后上升进
入东部矩形地块,再后又重新向下倾斜。地面有如此明显的下降
趋势,想必王国内部有什么地质因素在起作用,这又是一个有待
解释的问题。
图4 根据原子直径绘制的王国示意图 观察位置同图3。原子
直径根据元素形成的键长度而定,图中惰性气体为未定值
王国地势还有一种特色。虽然从地势上看,原子质量几乎毫
无例外地从北向南逐渐增大,而反映原子直径的地势在南部地区
却近于平坦。事实上,在南海岸内侧甚至有些倒退,靠近铂和铱
的地区比紧靠它们北面的地区要低一些。这一趋势与它们原子质
量的趋势相反。显然,反映原子直径的地势表现出一些复杂的潜
在因素的作用,对此,我们目前还难以推测。但这些作用对地势
特征具有意义深远的影响,因此可以预料它们对元素特性是有影
响的。尽管如此,这种复杂的变化掩盖不住这样一个事实,即地
势高度的变化并非无规则。王国的地势表现出平缓趋势,河谷渐
渐上升,高原慢慢下降,峡谷、沟壑和山峰有规律地排列着。这
都是潜在的地质因素在起作用。王国存在着周期性变动,元素的
排列有其根本的原因。
现在,我们从研究原子的领域返回到现实世界,接触一下日
常的实际情况,考虑元素的密度(单位体积质量)(见图5),
特别要弄清西部沙漠金属元素的密度。我们设想有一张薄板覆盖
在西部矩形地块和地峡之上,薄板高度就是代表元素密度的地面。
概括地说,这一想象的薄板由锂所在的西北海角一直向上延伸到
铅所在的东南方沙漠边缘。地势隆起并不均匀,王国南面高耸的
山脊构成地势的一大特征,顶峰靠近铱和锇。最后两个元素的密
度最大,每立方厘米接近22克。铅是典型的高密度金属之一,但
每立方厘米只不过18克。与此相反,远在北方的锰,其密度只有
每立方厘米3克。
现在,我们对王国的自然地理已经有了足够的了解,可以对
元素实质的特性变化,即元素密度变化,作一初步解释。我们知
道,原子质量从王国的西北部到东南方逐渐增大,在东部沙漠地
区尤其如此。我们还知道(但尚不能解释),虽然原子直径有变
化,但这种变化不大,特别是由北往南,随着原子质量的增加,
直径增加不甚明显。质量大而体积小,密度当然就大,我们可以
预计南部海岸和海岸内侧的元素密度特别大。当然,只有在了解
原子直径变化的原因之后,我们才能深入了解密度变化。尽管如
此,我们已经先行一步,对元素特性作了某些科学的描述,并证
实了解释某些现象的观点。
图5 根据固体(包括固化气体)元素密度绘制的王国示意图
请注意,最大密度靠近南方,在铱和锇附近
最初,在我们尝试用自然地理学方法进行解释时,主要讨论
王国的西部沙漠地区,是因为考虑那里全是固态元素,都由球形
卵石状的原子构成,而原子又都以几乎相同的方式紧密结合在一
起。其实,这并不完全正确。根据对这一地区的精确鉴定可以发
现各种原子的结合方式稍有不同,有些原子有8个最接近的邻居,
有些原子则有12个。不过,在结合模式上相差甚微。与此相反,
东部矩形地块中的元素却在结合方式上更为多样化,而且一般而
言,邻居较少,结构松散得多,虽然有可能找出原子本身的密度
与原子直径和原子质量之间的关系,但困难很多。
我们在以自然地理学的方法观察王国后,现在要戴上另一副
眼镜,以一种不同的眼光来观察它。我们把视线从那些卵石块的
质量和大小转向它们所经历的某种变化。化学毕竟是一门涉及物
质变化的科学,所以我们一定要研究王国这方面的情况。在这一
阶段旅行中,我们仍将把注意力放在原子所经历的最基本的变化
模式上,并绘制出代表王国这一特性的地图、我们会再次看到王
国的周期性变化。在适当的时候,我们还会看到王国的布局甚至
能反映出最复杂的化学变化类型,而周期性正是王国布局方式的
基础。特别是,我们对王国要建立一种观点,使我们得以衡量碳
的潜在效能,从而认识碳为什么是生命所必不可少的。
我们每次涉足王国地面都会产生一种新的概念。在最初踏上
王国领土时,我们发现了大地的构造,并由此引发出关于元素的
原子结构概念。现在,要透视地面下的结构,就需要离子的概念
了。离子是获得电子或失去电子的原子,因而带有电荷。电子是
带负电荷的基本粒子,是原子的组成部分,并且基本上是形成原
子化学特性的主要因素。原子失去电子,就带正电荷,失去几个
电子,就带几个单位的正电荷。带正电荷的离子叫作阳离子
(cations)。一个原子获得若干个电子时,就带负电荷。获得1
个电子,就带1个单位的负电荷;获得2个电子,就带2个单位的
负电荷,依此类推。带负电荷的原子叫作阴离子(anions)。这
两个名称起始于19世纪,当时,法拉第(M.Faraday)正在研究
电流对离子溶液的效应。他发现在有电极的情况下,各种类型的
离子都作与电极电性相反方向的移动(“ion”源于希腊文“旅
行者”一词;“cat”源于希腊文“向下”一词,“an”由希腊
文“向上”一词而来)。
我们现在要构造的想象中的地势将显示原子形成离子的难易
程度。由于有如此之多的化学变化涉及到离子的形成及离子的初
始形成,这一地势非常接近于对实际的化学特性的描述。正如我
们将要看到的那样,王国存在着复杂而微妙的周期性变化,但这
些变化是可以说明的、有规律性的,而不是无规律的变化。
我们先来看一看带正电荷的离子(即阳离子)的形成。某种
元素的一个原子形成阳离子所需的能量叫作该元素的电离能。可
以采用不同单位表示电离能,但最便于我们使用的是电子伏特
(eV),因为我们需要用简便的方法检验它的量值,而得出的数
值又不能过于远离1。1电子伏就是1个电子克服1伏(1V)电位差
所需的能量。在盒式录音机和小型收音机常用的1.5伏电池中,1
个电子由一个电极位移到另一个电极时,释放的能量为1.5电子
伏。12伏的汽车用电池中,l个电子从一个电极位降到另一个电
极时,释放的能量为12电子伏。l个氢原子的电离能为13.6电子
伏。为了使这一能量具体化,我们可以认为氢原子内部的电位为
13.6伏,而远离原子直到电子可以脱离原子的那些地方电位为0
伏。电离能约处于一个中间值,一般在4电子伏(电位差4伏)到
15电子伏(电位差15伏)之间。从电中性原子中移去第二个电子
所需的能量总是高于移去第一个电子所需的能量,而移去第三个
电子所需的能量则更多。为了使问题简单化,我们只研究第一电
离能,也就是从中性原子移去第一个电子所需的能量。
地势图上电离能的标高在4电子伏(铯的所在地)到25电子
伏(氦的所在地)之间。图6上有一个容易辨认的大致的趋势,
以及需要注意的那些不同的波峰、波谷和波幅(见图6)。所谓
大致的趋势是王国的电离能由西往东普遍增大,由北往南普遍减
小。例如,碱金属所在的西部沿海地区,从锂的所在地到铯的所
在地,电高能由5.4电子伏减小到3.9电子伏。这里有一个明显
的化学上的相关性:当我们从锂的所在地往南到达铯所在地时已
经看到,雨水在这一地带激起的反应由比较缓和转为极其强烈。
强烈的反应与铯原子极易释放电子密切相关。这一趋势又与原子
直径的变化有关。当原子由锂到铯时,原子直径逐渐变大,也就
更容易丢失电子。王国正开始以均匀的周期变动代替一系列不连
贯的律动。
电离能由西向东逐渐增大的趋势并非完全均匀的,即使随便
观望一下也会发现,东部矩形地块各领地的电离能大大高于西部
矩形地块各领地的电离能。最复杂的变化发生在地峡处,正如我
们将要看到的那样,地峡上各元素复杂的化学反应正是这种复杂
变化的映照。尽管如此,地峡上电离能的总趋势是自西向东上升,
这与地峡上金属显示出的过渡性特征是吻合的。
图6 根据元素电离能绘制的王国示意图 从西南方向观察,
远处的高峰靠近氟、氖和氦
西部沙漠的低地势不应让人感觉意外。我们都知道金属的特
征是易于传导电流,电流就是穿行于固体中的电子流。之所以能
如此,至少原子中的某些电子必须是容易流动的,也就是说,固
体中组合在一起的原子必须能把它们的一些电子释放进一个共同
的水池,这个水池就像电子释放时产生的阳离子中间的一片海洋。
我们不必把这块金属领地内的卵石想象成原子,而将它想象为阳
离子,所有的阳离子都沉浸和聚拢在充满电子的大海中。这些电
子能够对外加的电场起反应。如果这一电场是由恒定电位差(俗
称“电压”)的电源提供的,比如金属被连接在电池的电极上,
电子便会流动而形成电流。如果电场是入射光线(即电磁辐射,
也即电场和磁场的振荡波)形成的,那么电子就会对由辐射引起
的均匀振荡作出反应,产生电子射线。如果金属面是平坦的,人
射象在新产生的辐射中重现出来,我们就能看见镜象。我们自己
在光滑成金属面上显出的镜象是流动电子的波动产生的,而这种
波动是由我们身上反射出的光线引起的。
从某种意义上说,作为金属,需要具备释放电子的性能。由
于越往东走电离能越大,西部沙漠逐渐被东部矩形地块的非金属
代替,那里的电离能太大,不可能有电子被释放。元素的电离能
不断增大的部分原因在于越向东行原子的直径越小,由于某种原
因要从王国东部已发现的紧密的原子中释放出电子就越来越困难。
现在我们有了另一个与原子大小有关的化学上的相关性,可见,
如果我们能够了解原子直径的变化,那么我们就能很好地了解电
离能的变化情况。
我们不可能指望轻易地发现远在王国东部地区的阳离子,因
为那里原子的电离能太大,因此,原子很难逸出电子,也许我们
能指望发现阴离子(带负电荷的富电子离子)。阴离子的形成过
程要比阳离子的形成过程微妙得多,然而可以测量的是电子附着
于原子时的能量变化。这种能量变化称做元素的电子亲和势,它
也可以用电子伏特为单位来度量。1个正的电子亲和势表明1个电
子附着于1个中性原子时释放的能量。l个负的电子亲和势表明1
个原子获得1个附加电子为克服障碍必须补充的能量。)有些元
素,如卤素,具有正电子亲和势,有些元素,如镁和氦,具有负
电子亲和势。所有元素在附加第二个或第三个电子时都产生负电
子亲和势,因为阴离子和电子都带负电荷,同性电荷相斥,于是
需要能量克服斥力。与对待电离能一样,我们将只考虑元素的第
一电子亲和势,也就是考虑1个电子附着于中性原子时发生的能
量变化。
描述电子亲和势变化的地势比我们已见到过的其他地势都缺
乏规律。一些地方沉降在海平面以下,那里的电子亲和势是负值,
另一些地方明显地隆起,那里的亲和势很大,即当电子附着在原
子上形成阴离子时,释放出能量。然而,总的地势仍然可以辨认。
虽然峡谷交错,山峰高耸,但峡谷的走向朝着西海岸,而山峰的
走向朝着靠近氟的东北海角。惰性气体的沿海平原由于电高能特
别巨大,至少在北方的一些地区具有负电子亲和势,因而代表卤
族元素的一些高山朝着惰性气体的谷地急剧下降。但这一地势引
人注意的主要特点是,山脉聚集在东北部,在卤族元素的附近很
高,尤其是在氮、氧、氟、氯附近的东北海角处地势更高。因此
这些元素的电子亲和势最大,那里产生阴离子的可能性最大。
电子亲和势与原子直径之间存在一个相互关系,至少,一般
说来大的电子亲和势与小而密实的原子相关,这样的原子处在王
国的东北部。要了解阴离子的形成,更广义地说要了解电子附着
于原子的更多情况,我们需要了解为什么亲和势与原子的大小有
这种负相关性,然后了解原子大小的变化。
对大地构造和各地区自然地理的勘察,使我们能够看出各个
领地的位置和它们的某些特性之间存在着相互关系,周期王国并
不是由一些漫无规律的领地七拼八凑起来的,而是体现着某些潜
在的趋势,这些趋势以元素的不同特性显现于地表。
以上所述可能有助于我们回到更高的认识程度上,来总结一
下对王国的不同见解。第一,关于原子质量:原子质量看来肯定
与元素所在位置有最密切关系,它由西北向东南逐渐增大,只是
偶而稍有减小。其次,关于原子直径:在这一方面,元素直径在
往南的方向上逐渐增大,由西向东越来越小。原子直径的变化比
质量变化小得多,变化方式也更为复杂,在大范围的平稳趋势上
也有局部的下降、凹陷和鼓凸。更为重要的一点是,南部海岸的
元素及其内陆上的邻居的原子半径均小于从北方简单推断得出的
结果。西部沙漠上元素的密度总的说来由西北向东南逐渐增大,
最大的密度是在原子异常小的领地,也就是南部海岸的各个元素
以及它们内陆上的邻居。元素性能与电离能的关系多多少少粗略
地反映出原子直径的变化。金属的电离能低,最低处在西南方的
远处,靠近元素铯接近东北海角的元素电离能最高,我们不能指
望那里的元素会轻易地产生阳离子。电子亲和势的变化方式更为
复杂,高值之后往往出现低值,甚至是负值。尽管如此,从总的
趋势上看,最高值是在东北,尤其是在靠近氟的那些元素的地区。
虽然我们不能指望这些元素会产生阳离子,但我们能推测它们会
产生阴离子。
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