书名：美丽的化学元素
ISBN：978-7-115-60058-5
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著 吴尔平
责任编辑 刘 朋
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人们都曾好奇过世间万物是由什么构成的。历史上的科学家们在付出了几百年的努力之后，终于将构成万物的基本单位——一个个化学元素从自然界中寻找出来并排列规整，得到了现在家喻户晓的元素周期表。但是我们在接触元素周期表的时候，往往看到的都是枯燥的文字和数据，因此许多人也梦想着一睹这些“世界的基石”的真容。
在这本书中，作者将一一展现他收藏的几百件精致的化学元素样品，从一碰到水就会发生剧烈反应的铯，到性质稳定、色泽金黄耀眼、被用于制作珠宝首饰的金，再到会强烈腐蚀所触及的一切物质的氟。这些元素样品都被作者拍摄成精美的照片并配以生动的文字讲解，能让你在观察到它们令人震撼的外表的同时，了解这些有趣的样品是如何制成的，从而更深入地理解化学元素。
本书包含数百幅化学元素样品照片，对于化学爱好者、正在学习化学的学生来说都是非常有价值的课外参考资料。
本书中提及的所有实验操作都伴有不同程度的危险，操作不当可能会给实验者和其他人带来伤害。严禁在没有专业人士陪同时以及非实验场所模仿书中的任何操作。
除了实验之外，作者建议在条件许可的情况下，尽量在接触任何样本的时候戴上手套以隔绝样本和皮肤的直接接触，并及时用纸巾或柔布擦除样本表面沾染的污渍。
2019年是联合国设立的“国际元素周期表年”，中国化学会组织了一系列科普活动，以促进公众对元素和元素周期律的了解。我非常希望推出一些化学元素主题的纪念品，直观地展示元素的美丽与魅力。我对几位从事化学研究工作的朋友讲了这个想法，一个朋友说：“你一定要认识吴尔平！他是一个元素狂人，从中学就开始收集各种化学元素的样品，拍摄了许多非常精美的元素样品照片。”
踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫。我很快就和吴尔平取得了联系。他毫不犹豫地支持了我的想法，不久就非常慷慨地发来他拍摄的很多元素样品照片。我们选取了一些照片，又请他配上文字说明，制作了2019年台历，分发给学会会员，大受好评。
吴尔平用特殊的拍摄手法，把一些连化学工作者都没有机会见到的宝贵样品以非常独特的角度呈现了出来，用精美且风格统一的照片让我们再一次领悟到了化学元素的美丽。他拥有的样品、知识资源是非常宝贵的，是一些我们在其他的科普作品中没有机会接触到的。如今经过他的努力，这本书的内容已经非常丰富，各种化学元素活灵活现地呈现在纸上，让读者在感叹大自然的神奇之余，更会爱上化学这门神奇的学科。
我很高兴地看到痴迷元素的吴尔平能够成为中国化学会的一员，更向他通过出版的方式向更多的人展示元素之美表示祝贺！他用摄影这种独特的方式，把元素和化学的魅力传达给还不太了解元素和化学或者刚刚开始接触元素和化学的青少年。对于开始学习化学的学生来讲，这本书对于他们拓展课外化学知识大有裨益。
郑素萍
中国化学会常务副秘书长
2016年初，我收到吴尔平发来的一封邮件，当时他还是一名高中生。他在邮件中介绍了自己收集化学元素的爱好以及对化学的热爱，并且附带了几张他拍摄的元素样品照片，样品和照片的质量都非常出色。这封邮件让我对这名高中生充满了好奇。从那时开始，我和吴尔平一直保持着联系。
这本书的创作极富挑战。除了文字写作，书中的所有照片都是由吴尔平自己拍摄的，而且除了个别几个样品，其他所有样品是他用10多年的时间从世界各地收集来的。所以，当他询问是否可以到美丽科学用显微摄影设备完善他的插图时，我欣然答应，希望能助他一臂之力。随后几年，他在每个假期都来美丽科学拍摄元素样品照片。我都会向他询问书籍创作进展，他每次的回答都很类似：还有一些样品在路上，有些样品和照片还不够好，需要进一步优化。就这样6年多的时间过去了，他已经硕士毕业并走上工作岗位。看到这本追求极致的图书终于完稿，我为他感到高兴。
本书既是一本展现化学元素之美的画册，也是一本包含大量化学元素知识和收藏者感受的科普图书。相信这本精美的图书一定可以激发读者对化学的兴趣，也希望吴尔平追求极致的做事态度能激励更多的年轻人坚韧不拔地追求自己喜欢的事业和方向。
梁琰
中国科学技术大学艺术与科学研究中心副主任
美丽科学创始人
和正在阅读这本书的你一样，我也是一位化学爱好者。我记得当我还是一个在学习化学的学生的时候，曾接触课本中的元素周期表。那时，老师告诉我，它的每个格子里面的元素都是构筑我们这个世界的砖石，我们在生活中可以接触的实物的构成成分都可以追溯到元素周期表这一完整的体系中的各种元素那里。那么，这些元素都是什么样子的呢？我想这应该是包括我在内的许多人曾经感到好奇的问题。怀揣着对这个问题的答案的渴求，我开始接触各种各样的化学元素单质，从此便走上了探索化学世界的旅程。
慢慢地，我收集了一些纯净的元素样品。后来通过自己的努力，我有了一套“看得过去”的元素收藏。在不断寻找、发现更精美的样品的过程中，我接触了各种形态的元素单质，它们有的来自我们生活中触手可及的事物，有的来自工业生产和科学实验。
当你真正接触纯净的元素单质样品时，你一定会叹服这些元素的独特性质导致它们在一定的条件下形成的结晶：这些结晶的形态各异，光亮平整的表面丝毫不输于璀璨的宝石，分明的棱角看上去像是经过珠宝匠的巧手精心雕琢出来的。总之，纯净元素的美丽很难用简短的语言描述出来。
然而，大多数纯净的元素单质最早都不是作为艺术品被生产出来的，而是在生产出来之后被添加在合金中，或者被重新熔化后加工成一定形状的零件。因此，这些样品很少被保留下来。幸运的是，我们现在还能够看到许多美丽的样品。你在本书中所看到的绝大多数样品都来自我的收藏，而它们只是我所有收藏中的一小部分，被收纳、陈列在我的几个不同居所里。在欣赏它们之余，我一直希望能和更多的人去分享、展示这些来自大自然的奇迹。
后来，终于有机会了。2016年，我在拜访梁琰老师的时候，无意中在他的实验室里用显微镜观察到了当时我的手边的一些样品。原本细微、精致的结晶结构被放大之后无比让人震撼。当然，一些非结晶形态的元素单质在显微镜下的图像也十分精美。在惊讶之余，我开始思考通过显微摄影的方式展现这些神奇的元素单质是不是一个好主意，答案是肯定的。
我在很早以前曾思考过，对于刚刚接触化学的学生来说，究竟什么会吸引他们，让他们觉得化学是有趣的？这是我对自己的作品的定位，我希望通过自己的努力，让更多的学生在刚刚接触化学的时候能够受到启迪，鼓励他们继续在这个奇妙的世界中进行探索。多年来通过和其他元素收藏爱好者的交流和学习，我发现还没有一部作品通过显微摄影展示元素单质震撼人心的一面并讲述它们背后的故事，这就是我写这本书的初衷。
除了介绍这些有特色的样品之外，我还讲述了我与各种元素打交道时的见闻和感想。书中所有的文字、元素样品的拍摄及照片的后期处理都由我一人独自完成，这不是一项轻松的任务，但是我很享受这个过程。
当然，我曾经也是一名学生，一名在接触和学习这些知识的时候产生了一些困惑的学生。后来通过自己深入的学习以及与一些从事相关工作的人士的交流，我的很多困惑都解开了。我现在把它们都写在了这本书里，希望对你了解这些元素有一些帮助。我也是从零开始学习的，很清楚这个过程是什么样。趁着那种感觉还没有被淡忘，我想把它记录下来。除此之外，我还在书里介绍了一些实验，讲述了一些有趣的结晶样品是如何制作的。
这本书从某个角度来讲也是一部影集，和其他摄影作品不同的是这是一部有着科普意义的影集。我想把它作为一个对自己进行了近10年的元素收藏的总结。我希望你们在阅读这本书的时候能够以独到的视角重新审视“化学元素”这个概念，并感受到元素的魅力所在。当然，也希望你们能和我在创作这本书的时候一样感受到这个世界的奇妙。
吴尔平
2022年6月
从古至今，人们从来没有停下过追寻物质究竟由什么构成的脚步。幸运的是，我们生活在一个不错的年代。过去科学家的研究成果让我们今天能够用一套完整、合理的理论去研究世界万物。在这之前，古人对于构成物质的元素和我们有着不同的观念。
古巴比伦人和古埃及人把水、空气和土看作构成世界的元素，印度出现了四大种学说，中国出现了五行学说（就是我们熟悉的金、木、水、火和土）。最广为人知的是亚里士多德[1]提出的四元素说，他认为世界上万物的本原乃是四种原始性质——冷、热、干、湿，而不同的元素只是它们按照不同比例组合而成的。
[1] 亚里士多德（公元前384 — 前322），古希腊人，世界古代史上伟大的哲学家、科学家和教育家之一。
按照亚里士多德的四元素说，水、火、土、气这四种基础的元素是由冷、热、干、湿这四种原始性质两两混合后得到的。
当然，今天看来，这些理论都有许多不完善的地方，人们发现用这些理论很难解释一些复杂物质的构成——或者它们并没有按照这些理论指出的方式分解。1789年左右，拉瓦锡[2]对这些学说提出了怀疑，把当时用化学方法无法再分解的物质定义为元素。这时出现了“化学元素”的概念，而严谨的实验也成为了研究构成物质的元素的手段。
[2] 安托万·拉瓦锡（1743 — 1794），法国贵族，著名化学家、生物学家，被后世尊称为“近代化学之父”。
然而，这个概念还是比较含糊的，它无法区分“化学元素”和“元素单质”。例如，无法用化学手段分解的石墨和金刚石按照这种概念会被认定成两种元素。不过解决这个问题也很简单，可以用“一种化学元素不会转化成另外一种化学元素”来让元素的定义变得相对严谨（刚才提到的石墨和金刚石在某些条件下可以互相转换）。
通过不同的排列方式，碳原子可以形成多种同素异形体，从左至右依次为碳60（即足球烯）、金刚石和石墨。
后来，科学家深入研究了物质的结构，发现了构成物质并使它们能够拥有自己的性质的基本单位。同时，他们也意识到了这些基本单位的不同结构是决定物质在化学反应中具有不同性质的关键。至此，化学元素的概念才最终被完善，成为了解释我们周围一切物质构成的工具。
化学元素在现实世界中无处不在，它们是组成大自然的“积木”。这些元素以不同的组合方式形成了多种多样的化合物，从而构成了我们周围环境中的一切事物。从纯净的金属制品到复杂的生命体（包括现在正在读书的你），这些事物的成分或简单或复杂，但它们都是由某些化学元素组成的。
这听上去像是一个复杂的工程。没错，化学就是研究这些元素如何形成化合物，以及一些化合物之间会发生什么样的反应的。就像组装乐高[1]玩具一样，你一开始可能会面对一堆零件毫无头绪。而此时化学原理是“图纸”，元素周期表则是“零件库”。参考它们，你就会知道如何组合这些“零件”，从而得到你想要的结果。
[1] 乐高是一家位于丹麦的塑料积木玩具公司，它的产品可通过玩家自己动脑动手，组合出变化无穷的造型。
让我们来看看元素。构成物质的最基本的单位是原子，而原子的核心决定元素的性质。只要原子核没有发生变化（化学反应不会涉及原子核的变化），我们就可以随时通过化学手段让化合态的元素变回单质，而元素单质是仅由该种元素的原子组成的纯净物。比如，我们可以通过化学反应，由水（H2O）和甲烷（CH4）两种不同的化合物得到氢气（H2），这两份氢气具有完全一样的化学性质，因为它们都是由氢原子以同样的方式构成的，尽管这些氢原子来自不同的化合物。
因此，我们目前对化学元素的定义是“具有相同的核电荷数（即质子数，这保证了它们具有相同的化学性质）的一类原子”，它们是进行化学反应的基本要素。
科学家在发现了各种元素之后，依据它们的性质、结构规律对它们进行归类、排布，于是就有了元素周期表。我们生活中所有触摸得到的东西都可以回溯到元素周期表的一个个单元格里面。
下图就是我们所熟悉的元素周期表。这本书主要介绍稳定化学元素，即前83种元素[排除有放射性的锝（43）和钷（61）]，所以我会把主要文字放在它们上面，剩余的元素则略过。在通常情况下，有些元素并不以固态存在（比如一些气体元素），或者由于特殊原因，我们无法获得可以在显微镜下拍摄的某些元素的样品，因此我也将它们当作次要内容一笔带过。由于处于同一族的元素具有相近的性质，会形成外观相似的样品，所以我会把它们放在一起进行对比和讲解。在本书中，我将以一种在其他科普作品中从未出现的独特方式对这些可爱的元素进行分组介绍。
我们刚刚讲清楚什么是化学元素，什么是元素单质。这两个概念都涉及原子，那么我们现在来说说原子。在某些时候，从原子到单质还不是一步之遥。这些原子有时会相互组合成更大的集团——分子，然后由分子构成单质。不过，决定一种元素的化学性质的根本还是原子。比如，石墨和金刚石是由碳（C）原子以不同排列方式构成的，它们的外观和物理性质有些差异，但是经过充分燃烧，它们都会变成二氧化碳（CO2）。
人们在研究原子的时候曾设计过很多模型，去猜想它的结构。目前最广为接受的说法是原子由一个致密的原子核和若干围绕在原子核周围的电子构成，而原子核是由质子和中子构成的。我们来看看这三种更小的粒子和原子结构示意图。
● 带一个单位负电荷的电子（e），其质量约为9.109 ×10-31千克。
● 带一个单位正电荷的质子（p），其质量约为1.673 ×10-27千克。
● 呈电中性的中子（n），其质量约为1.675 ×10-27千克。
原子结构示意图。蓝色的散点为电子可能出现的位置，红点为原子核的位置，真正的原子核要小得多。
这个示意图和我们经常看到的电子在一个个轨道上运动的模型不太一样，这里电子以一种叫作“电子云”的方式分布在原子核周围——这是更准确的说法。电子以波函数的形式占据一定的空间，它没有固定在哪个确定的地方，但是它确实在这片区域里，而且有可能出现在任何一个地方。
然而真正值得研究的并不是这些电子的位置及其占据的空间，而是以这种方式运动的电子拥有多大的能量（这是量子力学研究的范畴，不是本书的重点）。
回到我们的原子上。每一个处于基态的原子都是电中性的，这就意味着它拥有相等数量的电子和质子（正负电荷相互抵消），而中子数则只决定它的质量，三者的分工很明确。
那么原子是如何进行化学反应的呢？人们普遍认为化学反应是原子之间电子得失的过程，电子的数量决定着元素的性质。因此，具有不同的质子数或电子数（也叫作“核电荷数”，它们的意义相同）的原子具有不同的化学性质。若两个原子具有相等的核电荷数，那么它们就一定是同一种元素的原子，即便它们的质量可能不相同。
比如，基态氢-1原子的原子核中只有一个质子，那么就会有一个电子环绕着它的原子核以相应能级的“电子云”运动，以维持电中性。氢-2（氘）也是如此，唯一的区别是原子核中增加了一个中子，但是二者都是氢元素，具有相差无几的化学性质。多出来的一个中子几乎不会影响氢-2的化学性质，但是会让二者的物理性质存在明显的差异。后面的元素就是基于氢元素，按照一定的规律往上添加质子、中子和电子了。
元素的有趣之处在于不同的元素有着不同的原子结构，不同的结构赋予了元素不同的性质。在区别不同元素的时候，化学家和物理学家会采取不同的办法：化学家会关注这些元素在化学反应中表现出来的性质，而物理学家则更看重与这个元素的原子结构相关的一些数据。这些数据对于区分、描述每种元素十分重要，我在展示每种元素的时候会为其设置一张“名片”，记录它们的一些较为常见、用途比较广泛的信息。
元素序号：即原子序数，是该元素在元素周期表中的序号。它等于该元素的核电荷数，即原子核里的质子数或基态原子的核外电子数。例如，钛（Ti）的原子序数是22，它的核电荷数就是22。
相对原子质量：也称为原子量，是指单一原子的质量，其单位为原子质量单位（u），大小等于碳-12原子质量的1/12。由于电子的质量极小，而且质子和中子的质量相近，因此原子质量单位可以看作质子或中子的质量，一种元素的原子量可以近似看作其质子数和中子数的总和。但是，在大多数情况下，一种元素的原子量并不是一个整数，这是因为这个“单一的原子的质量”取自该元素的“典型样本”，它往往是由多种具有不同质量的核素按照比例混合而成的（不同的取样地点也会导致不同的比例）。因此，该元素的原子量就不再是整数了。例如，钛的原子量为47.867，它是由质量数从46到50的钛原子按照一定比例后混合得到的。
密度：这是一个非常理想的数据，是指绝对纯净的元素样本的完美单晶在1物质单位体积下的质量，在宏观层面上由于诸多原因而无法得到。固体和液体密度的常用单位为克/厘米3（g/cm3），气体则是克/升（g/L）。
熔点、沸点：分别指在1标准大气压下，一种晶体由固态转变为液态和由液态转变为气态的温度，常用单位为摄氏度（℃）。例如，在1标准大气压下，钛在1670摄氏度时会熔化变成液体，在3287摄氏度时会汽化变成气体。
原子半径：通常指原子的大小，它并不是一个精确的物理量，因为在不同环境、不同定义下， 它有着不同的数值（对于不同的元素使用不同的定义是更为科学的做法）。人们通常认为原子近似于一个球体，大小为30~300皮米（pm，即10-12m）。本书统一引用通过理论计算得到的数据。
原子发射光谱：由于每种元素都具有独特的电子构型，当原子接收外来能量时，电子会被激发并再次回到基态，从而发射出具有特征波长的光线。相应的图示展示了对应元素发射的谱线。
位置导览图：标明了该元素在元素周期表中的位置。你可以通过该元素和附近元素在周期表中的位置，发现它们的一些性质呈规律性的变化。
晶体结构：描述晶体内部的粒子规则排列的最基本的结构特征。我会在附录中对这个概念进行更深入的解释。
关于本书中展示的样品，除了它们的照片以外，还有一些文字来描述或者解释说明这些样品，例如它们的外观是如何形成的。对于一些显微摄影照片，我还会标记显微照片的实际宽度。希望这些说明能够帮助你更好地欣赏本书中展示的样品。现在，让我们开始这场视觉的盛宴吧。
元素序号符号：
(22) Ti
相对原子质量：
47.867
密度：
4.507 g/cm3
熔点：
1670 ℃
沸点：
3287 ℃
原子半径：
176 pm
位于元素周期表中最左侧的两列元素，除了氢（1）以外，都是不折不扣的活泼金属。元素周期表中最左侧的一列是IA族元素，通常称为碱金属，它们的原子的最外层只有一个电子。这个单独的电子非常容易在化学反应中失去，因此碱金属的化学性质非常活泼。在接触水的时候，碱金属元素会立即失去这个电子，和水发生剧烈的反应，生成强碱并放出氢气（2M+2H2O=2MOH+H2↑，此处的M代表碱金属元素），因此它们被称作“碱金属”。活泼的性质使得它们需要通过特殊的手段进行储存，我们在使用过程中要时刻注意周围的环境。从上到下，碱金属元素的原子半径依次增大，其最外层的那个电子也越来越容易失去，因此它们的化学性质有着明显的递变现象。比如，碱金属单质和水发生反应时不同的剧烈程度就是用来讲解元素周期律的绝佳例子，反应会随着碱金属元素序数的增加而变得更加剧烈。
元素周期表中的第二列是IIA族元素，也称为碱土金属。相对于碱金属元素而言，碱土金属元素的最外层多了一个电子，而增加的这个电子让碱土金属和水的反应平和了不少（虽然这仍是一种快速反应，但至少是可控的）。这是因为碱土金属的氢氧化物[M(OH)2，此处的M代表碱土金属元素]在水中的溶解度并不高，很容易随反应的进行覆盖在碱土金属表面，使得反应变慢。碱土金属的氧化物的热稳定性很好，在灼烧的时候不易分解。这种性质被称为“土”，这也正是碱土金属名字的由来，它们的性质介于“碱”性和“土”性之间。
扫描二维码，观看本章中部分元素样品的旋转视频。
通过冷凝蒸气制作的锂结晶。锂非常活泼，会和环境中微量的杂质气体发生反应，从而使得表面变暗。显微摄影画面的实际宽度约为19毫米。
锂是第一种金属元素，极为简单的原子结构、较小的相对原子质量和较大的原子半径赋予了它难以置信的低密度——只有水的一半多一点。锂非常活泼，这样的性质使得锂通常被应用在电池里，因为它能够保证电池在蕴含足够能量的同时十分轻盈。等等，说到性质活泼，锂到底有多么活泼呢？
取一块金属锂，将其投到水里，它会迅速和水发生反应，产生大量氢气（H2）以及一股刺激性的气味——没有人愿意凑近一块正在和水发生反应的金属锂，这是因为具有强烈刺激性的产物氢氧化锂（LiOH）被水蒸气、氢气带出来了。我们在学生时代对金属锂的化学性质了解得很少，大多数知识是通过观看网络上的一些锂和水发生反应的实验视频获得的。在一些人的印象中，锂和水的反应不剧烈，它的活动性不是很强。然而，锂真是这样的吗？
从原子结构来看，锂是还原性极强的元素。不过，在和水发生反应时，锂会受到很多动力学因素的影响，比如氢氧化锂在水中的溶解度较低，容易附着在金属锂表面阻碍它与水接触和反应，所以反应并不剧烈。不过，锂在空气中燃烧的剧烈程度是其他金属无法比拟的。空气中的氮（7）、氧（8）都能让锂持续燃烧，同时释放出大量热能。熔化的锂还会和玻璃发生反应，这一点很不好，这也是为什么我无法像处理其他碱金属一样，通过在玻璃管里熔化后冷却的方式制作锂的晶体。
当然，如果不用玻璃管保存锂，那么就一定要备好石蜡油和棉花（锂会漂浮在石蜡油上，不过可以用棉花将其压下去）。这是最方便、最安全的保存方法。如果按照一些资料中建议的方法用固态石蜡保存锂，确实能阻止锂接触空气，但石蜡的包埋也会使锂非常难以取出，附着在锂表面的石蜡会对后续实验操作带来非常大的影响，即便熔化石蜡再取出来也一样。除了锂以外，在保存金属钠的时候也一定不要采取这种糟糕透顶的方法。
元素序号符号：
(3) Li
相对原子质量：
6.941
密度：
0.535 g/cm3
熔点：
180.50 ℃
沸点：
1342 ℃
原子半径：
167 pm
表面被轻微氧化变成彩色的金属锂切块。
数码相机中使用的可重复充电的锂离子电池，其外包装上注明了所用材料。
除了可以反复充电使用的电池，锂也可以用于制造一次性的纽扣电池。
锂云母[K(Li,Al,Rb)2(Al,Si)4O10)(F,OH)2]是最常见的锂矿石，也是工业上生产锂的重要原料。
金属锂的化学性质十分活泼，当暴露在空气中，新鲜的金属表面（左）会在不到1分钟的时间内发黑变暗（右），表面被紫黑色氮化锂（Li3N）覆盖。
通过熔化后冷却制作的钠晶体。液态的金属钠非常黏稠，很难从已经凝固的晶体上脱离下来，因此形成了这种有趣的外观。这是通过蒸馏提纯的钠，我们在钠熔化之前（右图）能够看到蒸馏过程中冷凝形成的微小液滴颗粒。显微摄影画面的实际宽度约为8毫米。
钠是生活中最常见的元素之一。我们每天都要从食物中摄取钠，因为钠在我们的体内起着非常重要的作用，保证了身体器官对水的调节。这里说的当然是钠离子（Na+），金属钠可不是用来吃的，我们的体内也没有金属钠。真正的金属钠多见于实验室，被安安静静地保存在煤油里。
把保存在煤油里面的钠取出来，你会发现它的表面有一层棕黄色的坚硬壳层。这是由于钠在煤油中浸泡的时间过长，与里面作为杂质存在的有机酸发生了反应。尽管我们被告知金属钠不会和煤油发生反应，但是谁会去和这个较劲呢？把钠切开，可以看到新鲜的切面和其他金属一样，也有着非常耀眼的银白色光泽。但这一好景不能维持很久，因为暴露在空气中的钠会被氧化，这个反应的速度并不慢。保存钠最完美的做法是用玻璃管在真空环境中（或者在惰性气体的保护下）密封保存钠，这样不但可以让钠长久保持光泽，而且可以通过加热使钠熔化并流动，在冷却过程中形成美丽的晶体（在整个过程中都不会有空气干扰）。
钠被丢进水里后，它会迅速和水发生反应，熔化成一个小球漂浮在水面上，并发出一些细微的声响。如果用更大块的钠做实验（严禁在室内操作），效果就会更加壮观，钠会在水面上燃烧，然后像烟花一样炸开，致使燃烧的液滴四处溅射，留下星星点点的火光。金属钠和水发生反应所发出的爆炸声是所有碱金属中最响的，这是因为钠和水发生反应放热，将产生的氢气（H2）和空气中的氧气（O2）组成的混合物点燃。至于钠下面的钾（19），它和水发生反应时也会爆炸，不过那就是其他原因了。
元素序号符号：
(11) Na
相对原子质量：
22.989769
密度：
0.968 g/cm3
熔点：
97.79 ℃
沸点：
882.94 ℃
原子半径：
190 pm
氯化钠（NaCl）是最常见的化合物之一，是我们日常食用的食盐（左图）的主要成分，右图所示是一瓶基准试剂，用于配制标准溶液。这种试剂对纯度的要求是很高的。
一盏由来自喜马拉雅山脉的岩盐制成的护眼灯，光线穿过盐块后变得更加柔和。
长期保存在煤油里的钠块，其表面已经变成了棕褐色。这是由钠和煤油里面作为杂质存在的长链羧酸发生反应导致的。这个样品是我在初中时期制作的，那时我还能期待什么？
低压钠灯（上图）和高压钠灯（下图），二者都通过激发钠原子发出黄光，区别在于低压钠灯的效率更高，但是只能发出单色光，因此在它的照射下，所有的物体只有黄色和黑色两种颜色，令人感到十分压抑，所以它的用途较少。高压钠灯的发光效率略低，但是它发出的光让人感到更舒适一些。
熔化后冷却形成的鱼骨状钾结晶，未被氧化的纯净金属钾有着非常美丽的光泽。显微摄影画面的实际宽度约为19毫米。
钾是银白色金属，但由于它的表面经常被一层淡紫色的氧化膜覆盖，人们很少能看到闪耀着银白色光泽的钾。我曾幸运地得到了一些保存在真空玻璃管中的钾，玻璃管的内部没有任何氧化物，我可以把它拿在手里，端详它的银白色光泽。
和钠（11）一样，钾在人体内也扮演着重要的角色，它和钠一起维持身体动作的协调。我们在日常生活中可以通过多种蔬菜和水果（比如香蕉和卷心菜等）来摄取足够的钾。
在大多数人的眼里，和钠相比，钾无非更加活泼了，它和水的反应更剧烈。但实际上，二者的区别还是很明显的。钾和水的反应足够快，能够产生足量的氢气（H2）并及时点燃它，产生紫色火焰；而钠不能，它只能慢慢地积攒氢气，等到一定的时候才会点燃，发生爆炸。实际上，钾及其下面的碱金属在和水反应发生爆炸时发出的声音都没有钠那么响，这说明氢气不是导致爆炸的唯一因素。
前面说过，原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的。当钾原子接触水时，它们会以极快的速度释放自己的电子，留下大量带正电的钾离子相互紧贴在一起，从而产生巨大的电荷排斥作用。金属钾原本的结构无法束缚住这些离子，所以会被破坏并发生爆炸，致使剩余的金属钾被抛向四周，继续燃烧。这种现象叫作库仑爆炸，是在2015年由国外的科学家研究碱金属和水反应发生爆炸的原因时发现的。这里只是简单地介绍钾与水反应发生爆炸的原理，或许这个概念以后会被写进教材里。同时，这也能提醒你：碱金属和水的反应是很危险的实验，不要轻易去尝试。当然，对于钾发生爆炸的原因，了解一下肯定更好了。提到碱金属和水发生反应的效果，钾的爆炸确实不如铷（37）精彩。
元素序号符号：
(19) K
相对原子质量：
39.0983
密度：
0.856 g/cm3
熔点：
63.5 ℃
沸点：
759 ℃
原子半径：
243 pm
不仅动物需要钾，钾对于植物来说也很重要。这瓶钾肥的主要成分是磷酸二氢钾（KH2PO4）。
香蕉和卷心菜是常见的含钾食物。
保存在石蜡油里面的金属钾切块。由于石蜡油中溶解了微量空气，新鲜的金属钾表面十分容易被氧化而呈紫色。
保存在硬质玻璃管里面的金属钾。或许是由于玻璃管内部的环境不够洁净，有一些金属钾在熔化后附着在了玻璃上。
封存在真空硬质玻璃管里面的5克金属铷的鱼骨状结晶。洁净的环境使得我们能够观察到内部的晶体。铷的流动性比钠、钾要好一些，因此熔化的金属铷在冷却过程中会离开枝状晶体，使之暴露出来。而较低的熔点让铷很容易熔化和冷却结晶，在室温下长期保持美丽的结晶状态。显微摄影画面的实际宽度约为10毫米。
大多数人所能看到的铷基本上都是被封存在玻璃管里面的银白色金属，它们看上去非常光亮。仅凭观察，谁都无法想象铷比位于它上方的钠（11）和钾（19）还要活泼。当它与空气接触时，情况就不一样了。铷暴露在空气中的表面会立即变成棕褐色并冒出白烟，被摩擦的时候甚至会迸出火花。
少量的铷在接触水时也会和钾一样熔化成一个小球，然后燃烧，发出紫色火焰。稍多一些的固态铷在被投入水中时可能会产生更多的烟雾，没来得及和水发生反应的部分被溅出容器。把熔化的铷滴入水里，它会像烟花一样炸开，产生大量烟雾和火花。铷的熔点比钾还要低一些，用台灯或吹风机就可以把铷熔化（前提是不要让它接触空气）。就是这个比较低而又不是非常低的熔点让铷和水的反应有着不同的现象。
就效果而言，铷是和水发生反应时现象最有意思的碱金属，然而知道这一点的人很少，因为基本上没有人会去这么做。铷是稳定的碱金属中最贵的一种，甚至比铯（55）还要贵。高度分散、用途极少（就目前的情况来看确实如此，但将来或许会有所改变）使市面上对铷的需求极小，反过来这也导致铷的供应不多，因此试剂商往往开出令人咋舌的高价。诸多因素使铷的价格变得如此不亲民。
我们会在一些地方看到铷的名字，如铷铁硼磁体、铷溅射靶等。实际上，这些名字被误传了。且不追究是谁最先开始这么说的，只要想想铷和钕（60）的汉字有多像，铷和钌（44）的元素符号（Rb和Ru）会被混淆，也就不会觉得这件事有多奇怪了。现在你既然知道了，就让这些误传从你这里停止吧，铷根本没有这些用途。铷的用途目前仅限于制造原子钟和一些光电倍增管，而在这些方面铷的表现都没有铯好（是的，铷和铯经常共同出现在这些领域中），因此铷迄今为止都没有什么重要的应用。这似乎不太公平？对不起，在铯的面前，铷确实没有那么出彩。
元素序号符号：
(37) Rb
相对原子质量：
85.4678
密度：
1.532 g/cm3
熔点：
39.30 ℃
沸点：
688 ℃
原子半径：
265 pm
一块天河石，是钾微斜长石[K(AlSi3O8)]的亚种，其中含有的微量铷和铯使矿石呈蓝绿色。
过去，活泼的碱金属难以分装，因此在生产小包装金属铷的时候会向玻璃管中注入一些石蜡油，以尽量避免金属铷被氧化。
一个铷原子钟里面用到的铷蒸气室，其中含有几百微克铷-87核素，即为照片中显示的那些黑色液滴。
一个铷原子钟标准频率仪，图中上方的容器中含有少量金属铷，它在加热的时候会变成蒸气，然后由信号发射、接收部件进行调频测量。铯原子钟的工作原理和这个仪器一模一样，但是更精准一些，价格也更高。
装在真空硬质玻璃管中的5克铯会在人手中很快熔化，变成一摊金色液体。液态的铯会随着温度的下降慢慢生长出鱼骨状的结晶，但由于我所居住的地方气温的缘故，不让这个晶体在我能随时看见的地方再次熔化是不太可能的。显微摄影照片的实际宽度约为8毫米。
在稳定元素中，铯最为活泼，可以说它在碱金属中出尽了风头。没错，把铯投入水中是很多人期待的一个实验，人们期盼着看到它发生剧烈的爆炸来过一把瘾。不过少量的铯在接触水时只会在一瞬间把自身弹飞，稍微多一些的铯可能会产生更多的烟雾，迸溅出更多的水和金属液滴，但无论如何也不至于炸毁一个浴缸[1]。
[1] 在英国某节目组制作的一期关于碱金属和水的反应现象的视频中，制作组用雷管伪造了铷、铯和水发生反应时剧烈爆炸的现象，以吻合他们预期的实验现象。
铯是一种金黄色金属，极度活泼，所以我们只能用充满稀有气体的密封容器或者真空密闭容器来保存它，以防止它与水和空气接触。铯的熔点非常低，比我们手心的温度还要低，因此在稍微温暖一些的天气里，它就会熔化成液体——一种闪烁着金黄色光泽的液体，在保存它的玻璃管里流动，然后在冷却过程中缓慢地生长出鱼骨状的金属结晶。铯是碱金属中流动性最好的，液态的铯很容易从结晶上脱离，留下带有金黄色光泽的鱼骨状结晶，绝对会让你大饱眼福。
铯的用途相当广泛。除了用来定义时间[2]，铯会发生很多化学反应。比如，在一些有机反应中，铯和其他碱金属发挥着相似的作用，而铯往往由于更强的反应活性能够获得更高的产率。因此，铯被广泛地应用在科研之中。铯的订购十分方便，只要条件许可，你就能够操作和使用它。在一些试剂公司的网站上订购装在不同包装里面的金属铯是一件非常寻常的事情，而且不得不说，当把包装上面写着“仅用于科技研发”的标签撕下来之后，它绝对能够成为科学家书桌上最有趣的摆件之一。
[2] 现行国际单位制对秒的定义是：铯-133原子基态的两个超精细能级间的跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。
然而，铯的危险性绝不可小视。把它当作桌面上的有趣摆件并不是一个好主意。保存铯的玻璃管可不是什么非常坚固的东西，一旦玻璃管破损，铯就会在接触空气的一瞬间被氧化，发生剧烈反应，冒出白烟，甚至发生燃烧。有趣的是，碱金属的燃烧和绝大多数易燃物质的燃烧不太一样。由于碱金属自身是还原性物质，在燃烧过程中会还原它们接触并能够还原的一切物质，比如从有机物（如纸张、木制桌子）中夺走氧元素（O），使燃烧变得更加剧烈且难以停止。这就使它变得更加危险了。和铯一样，铍（4）被打碎后暴露在空气中也十分危险，但是另有其因。
元素序号符号：
(55) Cs
相对原子质量：
132.90545
密度：
1.879 g/cm3
熔点：
28.5 ℃
沸点：
671 ℃
原子半径：
298 pm
铯沸石[Cs(AlSi2O6)·nH2O]是一种常见的含有铯的矿石。
一块呈立方体形状的纯净碘化铯（CsI）晶体，是制造闪烁体探测器的原材料。
由钠（11）、钾（19）、铯混合得到的淡黄色合金，这种合金有着非常低的熔点，在凉爽的室温甚至更低的温度下都能保持液态。
铯通过光照就会丢失最外层的电子，向外发射光电子。锑化铯（Cs3Sb）也具有这样的能力，是常见的制造光电阴极的材料。这是一个使用了锑化铯的光电倍增管。
我们可以借此机会聊聊铯和其他碱金属，因为关于它们的有些知识非常有趣，而且人们对它们的认知往往存在一些误区。
首先是价格。我们知道铷和铯十分昂贵，然而事实并不全如此。“1克铯要上千块钱”这句话是不准确的，因为铯的价格不仅取决于其质量，还受包装规格的左右。在许多出售铯的试剂网站上，你可以查到它的价格。在这本书完稿时，有着纯度证明的1克铯的价格还在700元到1200元之间浮动（这取决于提供它的厂家），但这不代表更大量的铯的价格也是这样。正如前文所说，由于铯的活泼性质，它需要在稀有气体或真空环境中被封存到玻璃管内。这是一件非常麻烦的工作（就连钠和钾在经过这样的处理之后，它们的价格也会增加几十倍甚至上百倍，不信的话可以去查查）。不论是大量还是少量的铯都要经过这样的处理，因此在一次性封存更多的铯时，平均下来，每克铯的价格会降低很多——几十元到一百元，不再像以前那样高。
还有一个常见的误解是关于铯的金黄色色泽的，许多教材和资料认为这是它的氧化物导致的——按照它们的说法，没有被氧化的铯是银白色的，但是世界上根本不存在银白色的铯样本。难道是因为做不出纯度这么高的样本吗？实际上不是。我们要知道的是，光照射在金属上时，有一些特定频率的光是可以被金属的电子吸收的。金属在吸收了特定频率的光后，会把剩下的其他频率的光反射回来，这就是我们所说的“金属光泽”。大多数金属吸收的是频率比较高的不可见光，因此它们的色泽是银白色。但并不是每种金属的光泽都一样，随着在元素周期表中的位置越来越往后，原子序数增大到一定程度时，原子的结构会变得越来越复杂，从而让金属的性质产生一些不同规律的变化。和周期表中更靠前的碱金属元素相比，铯有着更多的电子层，从而让它的电子更容易受到紫色和蓝色光线的激发。整块金属会吸收这样的光线，从而反射（也就是展现）与它们互补的金黄色光泽。说到这里，你可能觉得有一点耳熟。没错，金（79）呈金黄色也是因为这个缘故。总而言之，铯的金黄色是与生俱来的。
在玻璃管中熔化后自然冷却的铯，表面在凝固的时候由于收缩形成了龟壳状的结晶纹路。
专题一 冷却结晶
组成元素单质的原子或分子受热后，它们相互间的距离会变大，单质会由固态转变为液态，打乱了这些微粒的排列顺序。而随着温度下降，液体凝固，又使这些微粒重新排列起来。在这个过程中，如果材料的纯度足够高，这些微粒的排列就十分整齐，它们会沿着最开始出现的叫作“晶核”的微小固体颗粒继续生长，直到变成宏观的晶体。
然而这个生长过程是在不透明的液态元素中发生的，如果不采取一些手段，我们就无法直接观察到这样形成的晶体。想要进行观察，最简单的方法就是利用液体的流动性，让液态的元素单质和已经冷却形成的晶体分开，这样晶体就可以显露出来了。这种方法的原理十分简单，但实际操作时会受到多种因素的影响。比如，不同元素单质熔化后形成的液体的流动性是不一样的，因此最后显露出来的晶体的轮廓有的清晰，有的模糊。我在这里使用的是铯（55），因为它很容易熔化和冷却结晶，而且液态铯的流动性很好。
其实这个过程能否成功在很大程度上取决于运气。埋藏于液体里的晶体是不可见的，只有把握好时机，才能让生长充分而又没有联结到一起的晶体显现出来。这个时机也就是凝固时间的长短，取决于实验环境的温度。以我做的这个实验为例，我在室温大约为17摄氏度的房间里进行实验，大概需要等待1分钟。
实验步骤
1. 用手握住装有铯的玻璃管，使其里面的金属受热熔化。
2. 待金属完全熔化后，将其放置在冷却源上，使其冷却。
3. 等待一段时间后，将玻璃管竖起，使液态铯与铯晶体分离。
注意事项
应尽量避免这样的晶体在生长过程中受到扰动，一定要在冷却的时候固定好玻璃管。在将玻璃管竖起之后，一定要等到液体充分冷却凝固时再将玻璃管倾倒，否则仍然流动的液态金属会把结晶弄得一团糟。
实验试剂
用玻璃管封存的铯。
实验器材
1. 热源。
2. 冷却源。
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下图为对应的实验步骤。如果选择制作其他金属结晶，只需根据它们的熔点来调整热源就可以了。尽量使用平面冷却源，让接触面产生一个线条状的晶体发生带，这样的效果最好。
常见的高纯度铍块，在被砸碎之后的断裂处可以观察到一些破碎的结晶颗粒。显微摄影画面的实际宽度约为13毫米。
铍是一种钢灰色金属，这和其他碱土金属不太一样。在通常情况下，暴露在空气中的铍的表面会生成一层很薄的氧化膜，它具有钝化作用，可以保护里面的金属。在潮湿的空气中，氧化膜会更厚，使铍的表面失去光泽。
铍具有剧毒，尤其是粉末状的铍，人体吸入后会导致严重的器官损伤（同样，接触铍盐也会导致皮炎）。但是，如果经过妥善保存，块状的铍就不会对人体安全造成任何影响，看看密封在玻璃管中的铍碎块也是一种有趣的体验。
当然，即便是块状的铍，最好也不要用手接触，更不要轻易接触和操作铍粉。目前中国市场上面对元素收藏者出售的铍绝大多数都是块状晶体。在国外市场上，其他形态的铍也是比较常见的，比如巨大的立方体和圆形的靶材，甚至有人在eBay上出售从B-52轰炸机[3]惯性导航仪中拆卸下来的极为精密的铍圆球。
[3] B-52“同温层堡垒”是美国波音公司研制的八发动机远程战略轰炸机，1952年第一架原型机首飞，1955年批量生产型开始交付使用并服役至今。
尽管铍单质在市场上流通的量很少，而且很少以单质的形式交易，但它也有自己独特的用途。铍具有低密度、高强度、高散热性的特性，在那些对重量和强度要求极为严苛的领域（比如导弹和火箭），铍就可以大显身手了。原子结构简单、密度低的特性让铍在X射线下是透明的，因此它常被用于制作X射线管的窗口。相对于其他具有类似性质的元素，铍的稳定性和可塑性让它更能胜任这项工作。虽然元素镁（12）没有这样的独门绝技，但它因为无毒、廉价而更受人们的欢迎。
元素序号符号：
(4) Be
相对原子质量：
9.0121831
密度：
1.848 g/cm3
熔点：
1287 ℃
沸点：
2468 ℃
原子半径：
112 pm
一个轻盈得不可思议的空心铍圆球，曾一度是人类制作过的最精确的球体，它的直径是1.50000英寸（即3.81000厘米）。这样精致的铍球用作B-52轰炸机的捷联式惯性导航系统测量组件，在高达每分钟上万转的旋转过程中，任何尺寸偏差都会让它毁坏掉。
由铍青铜制作的扳手。铍青铜是一种具有高强度且不会在碰撞的时候产生火花的合金。
由纯铍加工制作的零件，十分轻盈且具有一定的机械强度。
一根经过熔化形成的铍棒，表面在蚀刻后暴露出了结晶的纹路。
一块绿柱石（Be3Al2SiO6），又称绿宝石，是常见的含铍矿石。
工业生产的羽毛状蒸馏镁结晶簇，十分轻盈，新鲜金属表面的色泽相当明亮。显微摄影画面的实际宽度约为19毫米。
一说到镁，我们首先想到的可能是化学课上燃烧着的镁条。被砂纸打磨干净的镁条被点燃后会发出耀眼的白光，生成白烟、白色的粉末并放出大量的热。是的，在中学化学课堂上，镁的燃烧可以说是最危险也是最新奇的实验之一。有一次，我旁边的那个同学没有把老师发给我们的镁条放进酸液里面，而是顺手在酒精灯上点着了，结果同学们都把目光投向了这边，眼睁睁地看着镁条烧完。不得不说镁条燃烧的吸引力还是不小的，至少比镁和酸发生反应的时候冒出来一些泡泡要吸引人。
到了后来，与化学接触多了，我们就会觉得镁越来越普通了。在实验中出于种种目的，我经常需要燃烧它，烧多了之后也就感觉没那么新奇了。不仅是在化学实验中，在生活中人们也常常用到镁。由于镁容易被点燃且燃烧时会释放出大量热量，它经常被用作点燃其他东西的媒介。比如，在野外需要点火时，用刀从镁砖上刮下一些碎屑，再用打火机点燃，燃烧着的镁产生的高温可以轻松引燃篝火。这样做比用打火机直接点燃篝火要容易得多。
镁能够起到这样的作用不仅因为它是一种优质的燃料，还因为它很“靠谱”。其他容易引燃且燃烧时能放出大量能量的金属[比如钠（11）和钙（20）]的性质都过于活泼了，以至于会和空气中的氧气（O2）、水蒸气（H2O）发生反应，这让携带与保存它们变得非常麻烦。与它们相比，镁的活泼性恰到好处：它也会和空气发生反应，但生成的氧化膜会覆盖住表面，起到保护作用。当刮掉氧化膜之后，内部新鲜金属的明亮光泽依然闪耀而动人。
除了作为燃烧材料这方面的用途，在工业上，镁也是一种重要的金属材料。它的质量轻，比较坚固，而且很难对人体产生毒害，因此是良好的结构金属，被广泛地用来制作各式框架和外壳。可惜相比之下，活泼的钙就没有这样的功能了。
元素序号符号：
(12) Mg
相对原子质量：
24.3050
密度：
1.738 g/cm3
熔点：
650 ℃
沸点：
1090 ℃
原子半径：
145 pm
一部微单相机，机身由镁合金制成。本书中的许多照片是用它拍摄的。
一根通过酸液蚀刻暴露出结晶纹路的镁棒。
一块外观独特的蒸馏镁，独特的制作环境使得它有着树枝状的结晶。
镁是植物叶绿素的核心成分，任何含有叶绿素的植物都含有镁。这是一根新鲜的茶芽，在烘干加工后就变成了茶叶。
由纯镁制作的野外生存打火石，外部涂有保护性漆层。细碎的镁刨花可以轻易地被火花点燃。
银亮的蒸馏镁晶体，没有被氧化的镁表面具有最纯净的银白色，镜面晶体非常美丽。唯一的遗憾是它在运输过程中受到震动，掉落了一块结晶（照片中未显示）。显微摄影画面的实际宽度为16毫米。
我们刚才看到了工业生产的纯净的金属镁。经过初步生产提纯的金属镁的纯度并不高，但是镁凭借着较低的沸点，很容易被加热并沸腾。气态的镁在和杂质分离之后经冷却成为更为纯净的固态单质，这个过程和水的蒸馏提纯十分相似。
在蒸馏过程中，蒸气的沉积促使晶体生长，最终形成的产物很光亮，银白色的色泽十分动人。蒸馏提纯形成的晶体外观也和蒸馏的条件、环境相关，细碎的颗粒状晶体往往来自快速冷却（在工业生产过程中，品质和效率才是人们的关注点，而不是外观）。我有一个更棒的镁样品， 它是通过缓慢的蒸馏制备的，因此有着更好的外观。
这块镁晶体簇被装在充满氩气（Ar）的圆形石英罩中，以保护它闪亮的镜面结晶。这大概是我见过的最美丽的金属镁样品了。和工业生产出来的普通的蒸馏镁晶体不同，它先从一个很小的区域开始生长，最终经过充分沉积形成了较大的镁晶体，并具有镜面效果，在转动的时候朝向不同角度的晶体面依次反射照射它们的光线，非常美丽。这是其他金属镁样品做不到的。另外，它被固定在了一个由定制的圆顶石英罩和表面磨砂的石英黏合在一起制成的容器中，是一个专门为收藏者制作的展品，像这样的精致程度也是很少见的。当然，书中后面介绍的一些元素也有这样的样品，我会介绍它们。
另一块斜坡状的蒸馏镁。镁非常容易通过蒸馏提纯，而且在不同的条件下，结晶的外观也是不同的。
保存在空气里面的工业蒸馏钙，具有颗粒状的晶体，轻度氧化的表面有些发灰。显微摄影画面的实际宽度约为13毫米。
如果有一种人们对它的印象和它的实际外观的差距最大的元素，我想那应该就是钙了。人们往往以为钙是白色粉末，那是因为钙的绝大多数为人们所熟知的化合物都是这样的。然而钙自身具有闪亮的光泽，是不折不扣的金属。我们日常所说的“补钙”实际上是补充以化合物形式存在的钙元素，目的是保证血液中有足够的钙离子，防止骨质疏松（某些研究表明骨骼和血液中的钙有着一些微妙的联系），相信大家也发现了钙和我们的日常生活息息相关。
至于金属钙，它具有一些和位于其上面的金属镁（12）相同的性质，而且更活泼一些。块状的金属钙在水中会快速发生反应，产生大量氢气（H2），细碎的金属钙颗粒和水发生反应时会剧烈放热，导致水暴沸，但远远没有达到点燃产生的氢气发生爆炸的程度，因此这是一个安全地快速制取氢气的反应。金属钙比镁更软，不过也没有软到可以用小刀切割的地步。分开块状的金属钙依然是一项让人头疼的工作，需要借助液压剪这样的工具才能够进行。
钙元素在地壳中的含量并不少，很多矿石都含有钙，其中最有趣的矿石莫过于冰洲石，即纯净而透明的碳酸钙（CaCO3）晶体了。冰洲石有一种神奇的光学性质——双折射性，它也是将这种性质体现得最明显的矿石。透过冰洲石，你会发现看到的所有东西都有重影。如果有机会，你也可以从矿石商那里购买一块来观察一下这种神奇的现象，它很容易买到。与钙相比，锶（38）的碳酸盐矿物在自然界中也广泛存在，但没有双折射性这样有趣的性质。
元素序号符号：
(20) Ca
相对原子质量：
40.078
密度：
1.55 g/cm3
熔点：
842 ℃
沸点：
1484 ℃
原子半径：
194 pm
粉笔是十分常见的书写工具，它的主要成分是硫酸钙（CaSO4）。或许很多人印象中的钙就是这样的。
一块冰洲石，具有双折射性。
一些用途特殊的蒸馏钙原料，保存在玻璃安瓿里面，以防止氧化。
除了碳酸钙，氟化钙（CaF2）也是常见的钙矿石，它有一个家喻户晓的名字——萤石。
钙的氧化物（CaO）对潮湿十分敏感，可以用来去除食品包装中的水分。
贝壳的主要成分是碳酸钙。
蒸馏钙晶体，晶枝末端发育完整的结晶颗粒非常有质感，层叠排列的结晶令人赏心悦目。显微摄影画面的实际宽度为19毫米。
在镁那里，我展示了保存在石英罩里面的结晶簇，钙作为镁下面的元素，它们的性质十分相似。钙是不是应该也有这样的样品呢？答案已经摆在这里了。
其实用“蒸馏”来描述钙结晶的制取过程是比较模糊的，因为这里处理的对象是金属，而不是常见的液体。金属，尤其是活泼的碱土金属在高温下会和许多气体发生反应，使得这种操作变得麻烦。
为了使这个过程变得更加容易并排除气体元素的干扰，我们往往在真空环境下进行操作，通过减小气压可以降低物质的沸点，使得蒸馏能够在较低一些的温度下进行。随着气压降低的不止物质的沸点，实际上物质的熔点也会受到气压的影响。对于这几种碱土金属来讲，它们的熔点会随着气压的降低而降低，十分有趣。
这个过程有一个专业一点的名称——物理气相沉积，即通过物理方法（加热）来让物质变成气态，然后进行冷凝沉积。这是一种常见的用来镀膜、结晶的手段。那么你自然会问是不是还有“化学气相沉积”呢？答案是肯定的，我会在后面展示一些通过化学气相沉积法制作的晶体。
说到底，这一类结晶的制作原理和蒸馏是一样的——尽管它要复杂一些，商家和样品提供者还是习惯用“蒸馏”来介绍它们的制作方法。
保存在玻璃管里面的钙晶簇碎块，有着更明亮的光泽。
通过蒸馏生产的锶晶体，其外观和树皮很像。轻微的氧化使它带有美丽的淡黄色光泽。显微摄影画面的实际宽度约为6毫米。
锶是一种普通的碱土金属。值得注意的是，由于处于同一主族，锶和它上面的元素钙（20）的化学性质十分相似，这使它在人体中多少也能发挥一些和钙相似的作用。除了和钙相似的功效，锶本身也是一种人体所必需的微量元素。适量饮用含有锶的矿泉水有利于健康，因为锶对人体骨骼的形成具有促进作用，而骨骼的一大功能就是维持血液中钙的含量。怎么又回到钙了？
钙能和水发生反应，锶当然也能，而且更有意思。如果用镊子将块状的锶夹住泡在水里，其表面会不断生成气泡并脱离。把它从水里拿出来时，表面残余的水分会和锶继续发生反应，释放大量的热，导致水沸腾，反应慢慢地变得剧烈，最后留下一层疏松的氢氧化物覆盖在金属锶表面，慢慢地膨胀起来。
锶在地壳中的含量不算少，可也说不上丰富。它在我们生活中的用途不算广泛，人们大量开采并随意地使用它。比如，在烟花中掺入锶的化合物以产生红色。任何人都可以花七八百元直接从试剂公司买到2千克一桶的锶，然后随意地把它用掉。但似乎没有多少人意识到，锶可能会是第一批枯竭的金属资源之一。目前可供开采的高品位锶矿石的储量越来越少，而开采低品位锶矿石的难度更大，开采过程会消耗更多的能源。尽管现在锶还不至于短缺，但若未来人们开发出锶的新用途，或出现一个需要大量消耗锶的新领域，那时锶将会变得无比稀缺。这是不是一个值得人们关注的问题呢？（换句话说，我们这样单纯为做实验把锶丢进水里是一种潜在的浪费。）
我们可以看到，现在锶的应用正在不断增多。除了制造烟花，锶还逐渐被用在许多不同的材料中。比如，锶铝合金就是一种常用的韧性较好的合金，锶的化合物可以用作荧光材料。
你会不会觉得在周期表中越靠后的元素以单质形态发挥作用的机会越少？不，钡（56）会告诉你它的单质有什么样的作用。
元素序号符号：
(38) Sr
相对原子质量：
87.62
密度：
2.63 g/cm3
熔点：
777 ℃
沸点：
1377 ℃
原子半径：
219 pm
锶铝合金原料锭，它是锶主要被消耗使用的一种方式。
天青石的化学成分是硫酸锶（SrSO4），这是一种常见的含锶矿物。
用来添加到水族箱中的锶的化合物。商家宣称锶有益于珊瑚虫的生长。
一大罐锶，就目前来讲并不是很贵的东西。
从某些角度来讲，锶对人体有益，因此我们应当适当补充锶，但这对延长寿命有帮助吗？
蒸馏锶晶簇，尖端的晶体因轻微的氧化而发黄，底部晶体的氧化程度严重一些，呈灰蓝色。这样的过渡十分有趣。显微摄影画面的实际宽度为13毫米。
到了锶这里，我们已经能明显地观察到金属锶表面带有的黄色了。这是金属锶和储存它的保护气体含有的杂质气体发生反应导致的。纯净的锶呈淡黄色。
是的，碱土金属有一个共同的特点，它们都很容易和氮（7）发生反应。通过真空蒸馏方式制作的晶体会被转移到充满氩气（Ar）的密闭空间中，固定在石英罩里面。很可惜的是，这个密闭空间中的氩气不可能达到完全纯净的状态，含有的杂质能够被敏感的碱土金属捕捉到，从而发生反应，使晶体表面变色。
那么，可以提前用一些更活泼的金属来除去氩气中的杂质气体吗？答案是不可以。由于这个环境不可能永远保持密闭，材料的反复进出、气体源的供给（任何气体源都不能够保证它们的产品足够纯净，只能够做到杂质的含量尽可能少）都会源源不断地带来杂质，而这些均匀分散的杂质很难在短时间内被去除，因此产生这样的现象是无法避免的。
不过，这似乎也不是一件坏事。这个特点使得在同样的环境中制作出来的碱土金属表面有着不同的颜色，从而帮助我们区分这些元素，颜色的深浅反映了这些金属的活泼性。从镁的银白色到钙的淡黄色，再到锶的金黄色，我们能够看到它们的性质一个比一个活泼，虽然这些颜色也来自金属自身。那么到了钡，它的颜色会不会更深呢？让我们翻到下一页来看看答案。
保存在玻璃管里面、带有金属光泽的锶切块。
工业上通过蒸馏生产的纯钡，有着羽毛状的外观，结晶颗粒十分清晰。整个样品呈淡黄色，而氧化较为严重的地方则呈蓝色。显微摄影画面的实际宽度约为5毫米。
和锶（38）一样，钡也是一种非常活泼的金属元素。事实上，它是非放射性碱土金属元素中最活泼的。这意味着它也能和水发生剧烈的反应，但也只是在碱土金属中相对剧烈而已。把钡投入水中后，它和水的反应只会迅速产生大量氢气（H2），其剧烈程度可能还不如碱金属中的锂（3）。
的确，钡只是相对于同族元素来说比较活泼，但它的活泼性依然不可小视。钡元素高度活泼的性质使它的单质成为了一种可以去除密闭空间（比如真空管）中最后一点氮气（N2）、氧气（O2）及水蒸气的材料。事实证明，钡做得很出色，薄薄一层钡就可以把密闭空间里面残余的气体扫荡得干干净净。
值得一提的还有钡和以前介绍的碱土金属各自独特的焰色：钙是砖红色，锶是洋红色（砖头的颜色大家应该都很熟悉，与洋红相比，砖红带有一点土黄色），而钡是一种苹果绿。正如课本上所写，“节日燃放的五彩缤纷的烟花，就是碱金属以及锶、钡等金属化合物的焰色反应所呈现的各种艳丽色彩”。然而这样做可有点危险，因为钡的化合物有毒。
钡中毒之后，应该怎么解毒？多数人的第一反应是钡属于重金属，所以摄入之后应当通过口服鸡蛋清或牛奶来解毒。这回可就错了。钡在某些情况下被认为是重金属[4]，可它被摄入人体后，并不像其他重金属一样使体内的蛋白质变性而产生危害，而是通过改变细胞膜的通透性造成低血钾，从而影响器官的正常功能，因此口服鸡蛋清或牛奶对于钡中毒是没有任何作用的。正确的做法是在排除钡离子的同时补充钾离子，我们可以用硫酸钠（Na2SO4）溶液洗胃，它能够快速让钡生成硫酸钡（BaSO4）沉淀而排除钡离子，然后用氯化钾（KCl）补充钾离子。对于特殊的钡中毒情况，请务必记住正确的处理方法。
[4] 目前重金属尚没有严格的统一定义，一说为原子序数大于铁（26）的金属元素即为重金属元素。
我想在这里花费这么大的篇幅来叙述钡的毒性并不为过。危险往往存在于细微之处，如果你没注意到它，它就会跳出来咬你一口。钡有很多独特的性质，让它令人惧怕的同时又非常有趣。以此作为这一章的结尾，我觉得再合适不过了。
元素序号符号：
(56) Ba
相对原子质量：
137.327
密度：
3.51 g/cm3
熔点：
727 ℃
沸点：
1845 ℃
原子半径：
253 pm
硫酸钡是一种极难溶于水和胃酸且对X射线不透明的化合物，人们可以用它来检查消化道。
重晶石是一种常见的钡矿，它的成分是硫酸钡。
在一些真空电子管里面往往能看到钡的身影，注意顶端（照片左侧）的玻璃壁上有一层薄薄的钡。
一个可爱的1∶120000富士山模型，是用含有钡的玻璃制作的，具有较高的折射率。
保存在试剂瓶里面的过氧化钡（BaO2），是一种白色粉末。
蒸馏钡晶簇，虽然没有前面介绍的碱土金属蒸馏晶体那么抢眼，但是把它们放在一起对比观察也十分有趣。显微摄影画面的实际宽度为16毫米。
我在这里又展示了一块保存在石英罩里面的蒸馏钡晶体。我对这四种元素采取这样的展示方式不是没有原因的，每个样品的背后都有一些有意思的故事，而且对比它们不同的外观也是一件有趣的事情。
我在前面展示了几块碱土金属晶体，它们通过蒸馏形成的结晶轮廓的差异很大，从棱角分明、有着很强结晶质感的镁到这个看上去表面较为圆润、结晶颗粒感不明显的钡，它们经历了有趣的过渡。蒸馏时的温度会影响到晶体的外观，而碱土金属的熔点和沸点与它们自身的结构（原子结构以及原子的排列方式）脱离不了关系。
从上到下，碱土金属原子结构的递变规律很明显，它们的原子排列方式（各自所属的晶系）不完全一样，因此导致了它们的熔点和沸点的变化没有明显的规律可循。但是对于具有相同排列方式的元素（铍和镁，钙和锶）来说，原子序数更大的元素确实具有更低的熔点和沸点。
到了钡这里，它的熔点和沸点都非常高，这意味着通过蒸馏产生的钡蒸气具有很高的温度，当高温蒸气经冷却形成晶体的时候，由于晶体无法快速散热使其温度降低冷凝，晶体的温度就很容易升高，从而熔化变成液态，不再保持原有的结晶外观。因此，通过蒸馏形成的钡晶体的外观没有明显的结晶感，而正是这一点导致了钡无法形成大晶簇。
保存在玻璃管里面的蒸馏钡晶簇碎块。
