How much is there? Is that Enough?
撰文 | 李研
“氫氦鋰鈹硼，碳氮氧氟氖……”
從中學到大學，元素週期表幾乎陪伴我們走完整個化學課程，表上那些生疏的元素名稱也隨著學業的深入變得耳熟能詳。可以說，看不懂元素週期表，就等於沒有學過化學。
這張表將看似互不相關的元素統一起來，組成了一個完整的體系，不僅反映了元素的原子結構，也顯示了元素性質的遞變規律和元素之間的內在聯繫。它的發明，是化學發展史上的重要里程碑事件，對於促進科學進步具有重要意義。
人民教育出版社化學室頒佈的元素週期表，被用於多本化學教材的附錄。（圖源：blog.sciencenet.cn）
元素週期表的創建
化學元素週期表向我們講述了一個故事，一個旨在理解萬物本質的故事。
奧德蕾·阿祖萊（現任聯合國教科文組織總幹事）
很多人與元素週期表的邂逅，可能源自初三第一本化學教材的附錄。然而，即便是對化學瞭解不多的人，提起元素週期表，也會很容易聯想到它的發明者—— 德米特里·門捷列夫（Dmitri Mendeleev）。
1869年，俄國化學家門捷列夫按照相對原子質量由小到大排列，將當時已知的63種元素化學性質相似的放在同一縱行，編制出一張元素週期表。
門捷列夫並不是第一個試圖總結元素規律的人，但他是第一個在週期表中為未知元素留下空白，並利用已經觀察到的週期性對那些未知元素的性質進行預測的人。同時，他也清醒意識到當時的實驗條件下對已有元素的表徵可能存在誤差，大膽調整了個別元素的排列順序，從而更準確的體現了週期律。
門捷列夫與他當時創建的元素週期表，橙色標記處是他預測的三種未知元素。（圖源：youtube.com）
隨後的科學發展，證實了門捷列夫的論斷。他在元素週期表中為未知元素留下的空位先後被填滿——最初取名為類鋁、類硼和類硅的元素，分別對應了1871年發現的鎵、1880年發現的鈧和1886年發現的鍺。這些新元素的原子量、物理和化學性質都與門捷列夫的預言驚人相符，週期律的正確性由此得到了舉世公認，門捷列夫作為元素週期系統主要發現者的地位也得到充分鞏固。
恩格斯在《自然辯證法》一書中，曾將門捷列夫的貢獻，與天文學家勒維烈利用天王星運行數據來準確預測海王星的存在和軌道的勳業相提並論。可惜的是，1906年門捷列夫以一票之差沒能獲得諾貝爾化學獎，但他不朽的科學業績將永載科學史冊。
之後，原子內部結構的奧秘被揭示，原子核裡帶正電的粒子決定了軌道上電子的數量，而這些電子的軌道結構在很大程度上又決定了元素的化學性質。於是，週期表編排依據由相對原子質量改為原子的質子數。人們將電子層數相同的元素放在同一行，將最外層電子數相同的元素放在同一列，外觀也幾經調整和擴展，最終形成如今普遍使用的元素週期表的形式。
一個都不能少
截至到2018年，元素週期表中已經有了118種元素。除去週期表第七行和表右下角的一些人造元素，正是這看似平淡無奇的近100種元素構成了包括我們人類自身在內的、姿態萬千的整個物質世界。
如果從人類純粹的生存需求出發，碳(C)、氫(H)、氮(N)和氧(O)是構成人機體的四種基礎元素，但健康生活所必備的其他常量元素（如Na、Ca、P）和微量元素（如Zn、Fe、Se）有20種之多。這些元素的缺乏或過量都會對人的健康造成負面影響。
我們DNA裡的氮元素，我們牙齒裡的鈣元素，我們血液裡的鐵元素，還有我們所吃食物裡的碳元素，都是曾經宇宙大爆炸時的萬千星辰散落後組成的，所以我們每一個人都是星塵。
卡爾·薩根（Carl Sagan，1934-1996，美國天文學家）
人類的需求並不會止步於滿足基本生存。追溯一下人類發展的歷程， 我們不難發現各種元素資源的開發和利用在促進人類文明發展過程所起的重要作用。
早在石器時代和陶器時代，人類已經開始廣泛利用多種以非金屬元素為主的天然礦物。而到了青銅器時代和鐵器時代，銅、鐵、鉛，錫以及白銀、黃金等很多金屬礦藏被開採，人類通過掌握金屬的冶煉技術提高了改造自然的能力。工業革命更是開啟了人類認識元素世界的大門，已知元素的種類從門捷列夫時代的63種到如今的118種之多（其中還包含24種人造元素）。特別是二戰後，以硅、鍺等元素為基礎的半導體材料異軍突起，帶領我們走向信息時代。
從某種意義上講，一部人類文明史實際上也是一部元素資源的開發利用史。元素週期表的創建使人們在物質探索的過程中不再盲目隨機，而是能夠以此為嚮導，有目的尋找所需的元素及化合物，從而推動催化劑、半導體和藥物等多個領域的研究進程。
直到如今，絕大多數元素在社會生產中找到了用武之地。下面這張元素週期表就形象地突出了每種元素的用途。例如，鉻(Cr)元素下面畫有一個水龍頭的標識，因為鉻在不鏽鋼廚具中應用廣泛；而氟(F)元素下面是一個牙膏的圖片，因為氟是防齲齒牙膏中重要成分。可以說，我們現在之所以能享受如此便捷和舒適的生活，與充分發揮每一種元素的特性密切相關。
突出每種元素用途的元素週期表（圖源：allposters.com）
那些瀕危的元素
不幸的是，地球上的元素儲藏並非取之不盡用之不竭，由於人類的過度開採和使用，一些元素正面臨著資源枯竭的風險。
2018年末，為了迎接即將到來的“國際元素週期表”年，總部設在布魯塞爾的歐洲化學學會（European Chemical Society）發佈了一張形似畢加索抽象畫的“扭曲”元素週期表。
（圖源：euchems.eu）
“How much is there? Is that Enough?” ——這副週期表開頭的問句引人深思。圖中每種元素所佔面積的大小代表了其在地球上的丰度，製作者還用不同的顏色凸顯那些在未來100年內在地球上有瀕危風險的元素。
例如，週期表中位於第一位的氫(H)元素含量十分豐富，可以放心使用，但排在其後的氦(He)元素卻在地球上面臨著資源枯竭的嚴重風險。這主要由於氦通常以氦氣形式存在，而氦氣由於相對分子質量比空氣小很多，非常容易逃離地球引力的束縛而流失。
值得一提的是，這張週期表還特別標註了那些在智能手機制造中需要使用的元素。31種帶有智能手機標誌的元素中，大部分都有被過量開採甚至瀕臨枯竭的危險，其中6種的預計使用壽命不超過100年。
以銦(In)元素為例，它廣泛用於製造手機和平板電腦的觸摸顯示屏，但其在地殼中的分佈少而分散，預計未來供求矛盾會逐漸顯現。僅在中國，每年被淘汰替換的舊手機數量就多達近2億部，然而據聯合國環境規劃署的預計，目前手機中銦元素的回收率還不到1%。
在日益嚴峻的現實面前，這張相貌獨特的元素週期表也在督促人們思考如何採取措施保護那些瀕危的元素，以實現可持續發展。未來，“賽先生”將開闢專欄——那些瀕危的元素，向大家介紹一些瀕危元素。我們希望通過這一欄目，讓讀者更多瞭解身邊化學元素的重要價值，從而更好的從自身做起減少這些資源的浪費並促進循環再利用。
[1] Tour of the Periodic Table：https://www.youtube.com/watch?v=1NwRNMfXC5c
[2] https://zh.wikipedia.org/zh/元素週期表
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Abundance_of_the_chemical_elements
[4] https://www.euchems.eu/the-periodic-table-and-us/
[5] 廢舊手機堪稱隱形金礦 回收渠道少、價格低、易洩隱私成難題：http://www.nbd.com.cn/articles/2017-01-23/1072303.html
[6] "USGS Mineral Commodity Summaries 2011" . USGS and USDI. Retrieved August 2, 2011
文章頭圖及封面圖片來源：pixabay.com
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