锂电池的前世今生
现在大家常用的笔记本电脑、手机，甚至电动汽车的电池都是由锂电池组成的。其实锂电池的发明历史由来已久，是由无数科研工作者前赴后继的不断发展才造就了现在的应用和发展……
元素周期表系列：第32号元素——锗元素
在1871年，门捷列夫就已经预了锗元素的其存在。十四年后德国化学家文克勒在分析硫银锗矿时发现了这一“类硅元素”——锗，后利用化合物硫化锗与氢进行共热制备了锗……
元素周期表系列：第22号元素——钛元素
1795年德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的红色金红石时发现了一种氧化物，并主张引用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字给这种新元素起名叫“Titanium”……
元素周期表系列：第10号元素——氖元素
氖是一种无色的稀有气体，属于零族元素。氖发射出的光呈现出明亮的红橙色，经常被用于霓虹灯。与其它大多数元素不同，氖元素的稳定化合物至今未能制得，氖在自然界中全部以单原子分子（氖气）的形式存在……
元素周期表系列：第6号元素——碳元素
元素周期表系列：第6号元素——碳元素 曹逊 博士科普元素团队 碳的命名来自于拉丁语“木炭”之意。拉丁语中“煤”称为Carbo，元素碳的英文名称Carbon就是由此而来的。据美国《化学文摘》对全世界400多万的化合物进行统计，发现其中不含碳的化合物仅占10万种左右。 碳是什么样的一种元素呢？ 博科小答：碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族，碳的熔点为3500 ℃，沸点为4827 ℃，不溶于水。碳以多种形式广泛存在与生物体内与地壳之中，人们在很早之前就开始认识并利用碳单质。碳的一系列化合物（有机物）构成了生命的基本组成。碳能结合其他元素形成大量的化合物，成为生物与商业上的重要组成分子。与碳相关的无数化合物和我们日常生活十分密切，比如香水、塑料、尼龙、汽油、鞋油等。 图1 无定形碳的外观形貌 碳元素的发现历程是怎样的？ 博科小答：早在史前阶段，碳就被发现。人类最早使用的碳是炭黑与煤。在公元前2500年左右，钻石开始在中国被熟知，同时碳的另一种形式——煤，在罗马时代被逐步使用。1722年，科学家证明铁能够吸收一些物质从而转换成钢，并证实这种物质就是现在所熟知的碳。在1772年，安东尼拉瓦锡证实钻石是碳的一种存在形式，并发现等质量的钻石与煤燃烧所生成的二氧化碳是等量的。在1786年，法国两位化学家通过利用拉瓦锡处理钻石的方法将石墨进行氧化，证明了石墨几乎全部由碳组成。在1789年，拉瓦锡在他的教科书中将碳列在元素表中。 自然界中的碳循环是怎样形成的？ 博科小答：地球上的碳总量是一个常数，碳在自然界中的流动变化形成了碳循环。植物从外部环境吸收二氧化碳用来贮存生物质能，例如碳呼吸和卡尔文循环。一些生物可以通过进食将含碳化合物转移到自己体内，部分碳元素会以二氧化碳的形式被动物所呼出。一些二氧化碳又会溶解于海洋之中，而死去的动植物又会经过长时间的作用形成煤、石油以及天然气，然后又经过燃烧释放出碳。 碳的同素异形体有哪些？ 博科小答：碳的同素异形体包括金刚石、石墨、足球烯（富勒烯）、碳气凝胶、碳纳米泡沫、石墨烯等。其中，金刚石是最为坚固的一种碳结构，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密结合形成网状晶体结构，最终成为硬度大但活性差的固体，可以用作装饰品以及钻头材料等。石墨的形态与透明坚硬的金刚石完全不同，它是一种深灰色有金属光泽的细鳞片状固体，可用于制作铅笔、电极、电车缆线等。足球烯一个分子中含有60个碳原子，构成32个面：20个正六边形及12个正五边形。石墨烯是一种二维晶体，是将片层结构的石墨剥离成单层后所得到的只有一个碳原子厚度的单层状晶体。 石墨烯是怎样一种神奇的材料？ 博科小答：石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂窝晶格的网络状二维纳米材料。得益于其物理结构、石墨烯具有优异的光学、力学、电学特性，在能源、生物医药、纳米材料、药物递送等领域有着广泛的应用前景。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫利用机械剥离的方法将石墨分离制备出石墨烯，并以此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯可以通过机械剥离法、氧化还原法、取向附生法、碳化硅外延法、赫默法以及化学气相沉积法进行制备。石墨烯材料优异的物化性能与潜在的应用价值使得国内外不同领域研究者们尝试着不同的方法制备高质量且大面积的石墨烯材料，通过石墨烯制备工艺的不断优化与改进，降低石墨烯制备成本使得其逐步走向产业化。 图2 石墨烯结构图 碳是否具有毒性？ 博科小答：对于人体而言，纯碳具有极低的毒性，甚至可以在一定的情况下以石墨或者活性炭的形式被人体进行安全地摄取。但是碳可以抵抗人体消化道内的酸性物质，在人体组织内可能无限期存留。然而，吸入大量煤炭粉尘或烟尘确实是危险的，他们会进入肺部刺激肺组织，并引起充血性肺病。此外，金刚石的磨粉被误食或者吸入也会对人体造成损坏。 中国碳排放面临着怎样的挑战？ 博科小答：随着我国的飞速发展，工业化、城镇化的进度逐渐加快，化石燃料的消耗迅速攀升，环境问题日益严重，温室气体二氧化碳气体排放量不断上升。能源与环境问题已成为制约我国经济与社会发展的主要因素。同时，受到来自国际碳减排的压力，我国政府承诺在2005年的基础上，到2020年碳排放强度要下降40%-45%，非化石能源占一次能源消费的比重要上升至15%左右，森林蓄积量要增加13亿立方米。这对我国来说是一个非常大的挑战。 *本文仅代表作者个人观点，不代表本网站观点；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，需注明文章来源，并自负版权等法律责任；作者如不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们联系。 参考文献 1《化学元素的故事》编写组编著.化学元素的故事(青少年科学馆丛书.中国出版集团，世界图书出版公司.KindleEdition. 2百度百科 碳元素 3百度百科 石墨烯 4王雅楠等，基于GWR模型中国碳排放空间差异研究，《中国人口·资源与环境》，2016，26（2）.
元素周期表系列：第5号元素——硼元素
元素周期表系列：第5号元素——硼元素 张沁榕 博士科普元素团队 作为一个排名如此靠前的元素，硼的存在感似乎有些弱。然而它真的没有什么可圈可点之处吗？你可能不知道，在竞争世界上最硬材料的比拼中，硼可是一匹黑马哦。 硼是什么样的一种元素呢？ 博科小答：硼在元素周期表中名列第五，为第III族主族元素，原子量10.811。硼是一种类金属，共有14种同位素。它表现为黑色或银灰色固体，其中晶体硼为黑色。 硼在国外常常被列为稀有元素，而我国却有着非常丰富的硼砂矿，硼在我国是丰产元素。 硼的原子半径很小，从上图可以看到，它原子的最外层只有三个电子，被原子核正电荷紧紧吸引，从而更趋向于得到电子。单质硼是正二十面体的晶体，每个面都是等边三角形。硼在形成化合物时，总是采用这种多面体的结构。而正是由于此，硼可以形成多种形式的化合物：硼烷、碳硼烷等等。有人曾经说过：“硼化学几乎可以和碳化学（有机）相媲美”，这也算是对硼这个朴实元素的高度美誉了。 硼元素的名字有什么来由吗？ 博科小答：“硼”这个名字的由来非常简单：Boron在拉丁语中的意思是硼砂，而其阿拉伯语意为焊接。这正是由于硼砂可以融化金属从而进行焊接。 而将硼化合物作为助熔剂最早可以追溯到古埃及。而在我国古代的炼丹术中，硼酸盐也是所需材料之一，虽然当时那些道人并不了解他们所用的东西到底是什么。单质硼通常是由还原硼酸得到的，比如1807年英国化学家分别使用电解法在两片白金面之间电解还原湿硼酸，和在金属管中用钾还原硼酸两种方法制得单质硼。 硼如何参与我们的日常生活呢？ 博科小答：作为一个存在感很低的元素，游离的单质硼用处的确很有限。但是谈到硼的化合物，它的作用就很多了。硼的一种重要化合物硼砂（Borax），Na2B4O7·10H2O，被广泛应用于家用清洁，比如洗涤剂、清洁剂；医院也常使用它作为消毒剂。除此之外，硼砂还有驱逐蚊虫、软化水、去除地毯异味、清洁管道等等作用。 硼与神秘的木乃伊 硼和木乃伊又有什么渊源呢？在古埃及的木乃伊中有一种叫做“泡碱”的矿石起到了非常大的作用。而硼酸盐就是该矿石的成分之一。由于年代久远，一些具体的制作细节已经无法考究。然而考古学家发现，硼砂矿石在木乃伊的制作过程中，似乎在杀菌防腐和提高粘合度两个方面都起到了重要的作用。 到底“谁是世界上最硬的材料”？ 博科小答：对于这个问题的答案，你可能会脱口而出：当然是金刚石啊！6号元素碳的同素异形体金刚石的确非常硬，长久以来在硬度排行榜上都位居榜首。然而神奇的是，5号元素硼和7号元素氮的化合物氮化硼形成的交替型纤锌矿晶体比金刚石还要硬！ 而碳化硼也是已知最坚硬的物质之一。不仅如此，碳化硼还是神秘的特工武器：可以毁坏敌人的交通工具。将碳化硼颗粒倒入油箱后，这些坚硬的颗粒会对引擎的气缸壁造成不可修复的划痕，从而使引擎无法正常工作。此外，碳化硼还是一种中子吸收剂：它可以吸收大量的中子而不形成任何放射性同位素。因此它在核电站中可以用来控制核反应分裂速率。在1986年切尔诺贝利核事故发生后，俄罗斯在核电站投下近2000吨碳化硼和沙子，终止了反应堆中的链式反应。 硼真的可以带我们飞 在现代的航天事业中，硼真是功不可没，担起了“无机物的后起之秀”这一称号。 首先，硼烷（BnHn+4 和BnHn+6）是一种理想的高能燃料。每千克硼烷的燃烧热值高达15000千卡，为火箭上天提供了动力。其次，硼纤维是火箭组成部分的重要材料：用来作火箭喷嘴、卫星天线和设备平台支承杆、推力结构架等等。硼纤维在很多方面具有十分优秀的特性：耐高温、耐腐蚀、寿命长、质量轻；而其抗张强度更是高达每立方厘米75千克之多。此外，我们曾讨论过硼化合物作为粘合剂参与的木乃伊制作；在火箭上，硼的有机化合物被用来粘合密封部件。比起传统的铆合、焊接、栓和，不仅牢固，更是大大减轻了部件的重量。 硼与生命 硼普遍存在于蔬菜水果中，它是维持骨骼健康和钙、磷、镁正常代谢所需要的微量元素之一。它易于吸收。大多数硼会以尿液的形式排除体外。硼的缺乏会加重维生素D的缺乏。 植物对于硼的依赖更加明显：棉花缺硼会发生落桃现象；大豆缺硼根瘤菌则无法很好地固氮；苹果缺硼果肉会出现坚硬的斑块，果皮还会出现凹陷和坏死。豆科植物、十字花科植物、麻类、果树等都需要微量的硼：这是氮磷钾无法取代的。硼不仅参与碳水化合物的运输和转化，还是开花结果不可获取的营养成分。 硼有毒吗？ 博科小答：早在1906年俄罗斯就禁止使用硼的化合物来保存食品。硼的许多化合物是有毒的，这一点我们需要重视：硼酸的致死量是4克，硼氢化合物有剧毒，而乙硼烷的毒性则与光气不相上下。 硼中毒的表现有食欲不振、呕吐、咳嗽、发炎、头痛等。作为一种在生活、生产方方面面中都用途多多的元素，我们更需要科学地使用和驾驭它。 *本文仅代表作者个人观点，不代表本网站观点；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，需注明文章来源，并自负版权等法律责任；作者如不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们联系。 参考文献 1《化学元素的故事》编写组编著.化学元素的故事(青少年科学馆丛书.中国出版集团，世界图书出版公司.KindleEdition. 2[美] Theodore Gray. 视觉之旅：神奇的化学元素(彩色典藏版)人民邮电出版社. 3百度云百科 硼 4百度文库 元素的名称,来源和读音https://wenku.baidu.com/view/4aaca19a9b6648d7c0c7467e.html 5百度百科 硼砂 6硼砂的常见用途与作用 http://www.ew9z.com/pengsha-yongtu-zuoyong.html 7维基百科 硼砂 8维基百科 硼的同位素
元素周期表系列：第4号元素——铍元素
元素周期表系列：第4号元素——铍元素 张磊 博士科普元素团队 住在绿宝石里面的金属元素-铍 在自然界中，铍元素都会与其他元素相结合，从而形成矿物，如绿柱石（海蓝宝石、祖母绿）、金绿宝石等等。 铍元素是什么样一种元素呢？ 博科小答：铍的元素符号为Be，原子序为4，属于碱土金属。铍在恒星核合成过程中产生，是宇宙中较为稀有的元素之一。单质铍是钢灰色的金属，轻、硬而易碎。 在合金材料（铝合金、铜合金等）制备过程中加入铍，可以加强其物理性质（例如硬度），适合制备重量低且强度高的材料。 因为金属铍容易被X射线等电离辐射穿透，铍也常作为X射线仪器和粒子物理学实验室中常用的窗口材料。 铍元素有什么物理化学性质？ 博科小答：铍是呈现钢灰色的坚硬金属，室温下易碎，晶体是六方密排结构。杨氏模量为287 Gpa刚性极高，比钢高约50%。铍的热容量高、热导率高，因此铍是每单位重量散热性最佳的金属材料。 铍的原子半径和离子半径较小，决定了其电离能非常高，与其他原子键合时有很强的极化性，所以铍的化合物都属于共价化合物。 金属铍的表面会形成氧化层，避免其进一步在空气中被氧化；只有在1000℃以上的条件下，铍才会继续和空气发生氧化作用。 铍原子的电子排布为2S2 ，有两个外层电子，几乎永远以+2氧化态形成共价键。 氧化铍（BeO）是白色的耐火材料，属于两性化合物。氮化铍（Be3N2）是高熔点、可轻易水解的化学物。碳化铍（Be2C）是砖红色耐火材料，可和水发生反应，生成甲烷。但并没有已知的铍的硅化物。 在哪里可以找到铍？ 博科小答：单质铍在自然界中并不存在。铍都是以与其他元素结合的形式存在。铍的矿物有上百种，但都不是很常见，例如：绿柱石（Al2Be3Si6O18）、羟硅铍石（Be4Si2O7(OH)2）和金绿宝石（Al2BeO4）等。绿柱石包括大家熟知的海蓝宝石、红绿柱石和祖母绿。铍的主要矿石是绿柱石和羟硅铍石。这些矿石在阿根廷、巴西、印度、马达加斯和美国分布较多。全球约40万吨铍矿。 铍元素是怎么发现的呢？ 博科小答：在1798年，法国矿物学家路易-尼古拉·沃克兰分析绿柱石时，发现了铍。在那个年代，人们还不知道祖母绿就是绿柱石的一种。当沃克兰把苛性钾溶液加入绿柱石和祖母绿的酸溶液，都获得一种氢氧化物沉淀，且不溶于过量碱。沃克兰证明了这两种物质中具有同一组分，并含有一种新元素。同年，沃克兰向法兰西学会发表相关论文。因为铍形成的盐具有甜味，《化学与物理年刊》的编辑命名为“Glycine”。后来因为也有植物名为“Glycine”，克拉普罗特以绿柱石（Beryl）为其命名“Beryllina”。 1828年，弗里德里希·维勒使用钾金属和氯化铍反应，分离出单质铍，首次使用元素名称“Beryllium”。同时安托万·比西也使用此方法，独立分离出铍。 铍有毒吗？ 博科小答：铍和其化合物是1类致癌物。人体内有大约35毫克的铍，不足以造成伤害。铍和镁的化学性质类似，会在酶中取代镁，破坏酶的功能。铍粉尘会引起肺部和循环系统肉芽肿病。 第二次世界大战期间，因为对于铍铜合金和含铍的荧光灯磷光体需求增加，铍被大量生产。后来因为人们发现铍具有毒性，之后卤磷酸盐磷光体逐渐取代了铍磷光体。 应用广泛的铍元素 导弹、火箭和宇宙飞船部件：由于铍具有高强度、在很大的温度范围内稳定保持形状、显著的抗腐蚀性、价格昂贵等特点，常用来制成导弹、火箭和宇宙飞船的部件。一些液体火箭发动机喷嘴由纯金属铍制成。 引擎活塞：在1998到2000年期间，迈凯轮一级方程式车队用铍铝合金制造梅赛德斯-奔驰引擎活塞，法拉利车队抗议，之后国际汽车联合会决定禁止使用铍引擎部件。 铍镜子：由于太空望远镜的作业温度很低，为33 K，镜子需由比玻璃更能承受极低温度的镀金铍金属制成。詹姆斯·韦伯太空望远镜由18块六边形铍镜子组成。史匹哲太空望远镜也有铍金属镜子。 核磁共振成像仪部件：铍基材料不受磁铁吸引。核磁共振成像仪会产生巨大的磁场，其结构材料也常会使用铍。 高频扬声器驱动器材料：由于铍质量低、刚度高，适合做高频扬声器驱动器材料。铍的价格相对昂贵（比钛高几倍）、塑型时易碎、且具有一定的毒性，只有高端家居、专业音响和公共广播设备才会使用含铍的高音扬声器。 *本文仅代表作者个人观点，不代表本网站观点；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，需注明文章来源，并自负版权等法律责任；作者如不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们联系。 参考文献 1Theodore Gray. 视觉之旅：神奇的化学元素(彩色典藏版) (Kindle Locations 2770-2789). 人民邮电出版社. Kindle Edition. 2维基百科-铍 3Emsley, John. Nature’s Building Blocks: An A–Z Guide to…
元素周期表系列：第2号元素——氦元素
氦的命名来源于希腊神话中的太阳神赫利俄斯的名字，由于太阳光谱中的暗线是它存在的第一个线索，而当时人类已知的元素都无法解释这种暗线，因此而命名为氦……
说说石墨烯作为水过滤材料那点儿事儿
但凡跟材料沾点儿边儿的人都会知道大名鼎鼎的石墨烯。对，就是这个在2010年拿了诺贝尔物理学奖的材料。因为它独特的结构，也就是由sp2杂化的碳原子组成的六边形蜂窝状的薄膜，被科学家们研究用于各个领域，当然也包括作为水过滤的材料。
从低劣生物质到清洁能源——生物甲烷
近些年来，国际社会面临能源紧缺的窘境，而环境污染问题也日趋严重。为了满足未来人类对于清洁能源的需求，如何将秸秆、家禽粪便等低劣生物质转化为可再生能源成为国际关注的热点之一。