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发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 3.自然地理
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月04日11:18:46 星期天), 站内信件



　　　　　　 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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