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本丛书是一套世界经典青少年科普读物。在书中博物学家法布尔不仅向小读者们讲述了关于化学的常识和基础知识，还运用各种奇思妙想和让人意想不到的化学小实验，为小读者解密科学谜题、日常生活中的科学常识，激发小读者对学习科学知识产生更浓厚的兴趣，让小读者学会活学活用科学知识。

通过阅读本书，读者不仅可以轻松爱上科学学习，还能激活无穷的科学想象力，掌握科学思维的技巧。同时，对各种生活现象与科学知识的内在联系也能产生深刻的认识。总之，这是一套通俗易懂、妙趣横生、引人入胜而又让人受益无穷的超级科普读物！

引 言 → 1

Chapter 1 原子世界 → 5

什么是地球化学 → 6

看不到的原子 → 11

身边的原子 → 16

原子的诞生和动态 → 20

门捷列夫发现元素周期律 → 25

今天的门捷列夫元素周期表 → 31

地球化学中展现出的元素周期表 → 39

原子分裂——铀和镭 → 43

时间与原子 → 52

Chapter 2 化学元素在地球上的旅程 → 59

硅——地壳的基础 → 60

碳——生命的基础 → 68

磷——生命和思想的元素 → 78

硫——化学工业的原动力 → 83

钙——稳固的象征 → 89

钾——植物生命的基础 → 94

铁和铁器时代 → 100

锶——红色烟花 → 104

锡——制造罐头的金属 → 111

碘——到处都有的元素 → 116

氟——腐蚀所有的元素 → 121

铝——20世纪的金属 → 128

铍——未来金属 → 135

钒——汽车的基础 → 141

金——金属之王 → 146

稀有的分散元素 → 152

Chapter 3 自然界里原子的历史 → 159

陨石——宇宙的使者 → 160

地下深处的原子 → 166

地球上的原子史 → 174

空气中的原子 → 183

水中的原子 → 186

由北极地带到亚热带的地球原子 → 191

活细胞中的原子 → 197

人类史上的原子 → 201

战争中的原子 → 212

Chapter 4 地球化学的过去与未来 → 223

化学元素和矿物是如何命名的 → 224

今天的化学和地球化学 → 228

门捷列夫元素周期表的幻想旅行 → 233

元素螺旋梯 → 237

结 尾 → 241

费尔斯曼是一位才华横溢、知识渊博、思想敏锐、成就卓著的学者，是地球化学奠基人，杰出的矿物学家、地理学家，也是位出类拔萃的科普作家，被人们称为“石头的诗人”。西方科学家称他为“伟大的俄罗斯地质学家们中伟大的一个。”

费尔斯曼1883年11月8日生于圣彼德堡。这位科学家自幼喜欢有关石头的科学。中学毕业后就读于莫斯科大学。在大学未毕业前即发表了5篇关于结晶学、化学和矿物学的论文，并荣获矿物学会安齐波夫金质奖章。

1907年，费尔斯曼毕业于莫斯科大学，此后这位青年科学家在27岁的时候被晋升为矿物学教授，他于1912年开始讲授一门全新的课程——地球化学，这在科学史上还是次。费尔斯曼在35岁时当选为科学院院士，担任科学院博物馆馆长。

费尔斯曼坚决主张应重视自然资源——特别是矿产资源对国家发展的重要性，并亲自带领几个探险队赶往科拉半岛、中亚、阿尔泰、贝加尔、克里米亚地区进行科考活动，取得了巨大的成就，在科拉半岛他发现了对人类社会具有重要意义的磷灰石和镍矿；在卡拉库姆沙漠他发现并研究了丰富的自然硫矿床。

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引 言

几年前，我编写了 《趣味矿物学》 这本书，没想到大家对于这本书那么欢迎。我收到了来自各个行业的读者们的来信，从这些信里我看到了他们对于岩石是那么的热爱。孩子们的来信让我感受到了青年一代的热情、勇敢、朝气和毅力，我被他们深深地感染着，所以我决定为了他们，为了未来的青年们，再写一本书。

这几年我投身于另外一个领域，这个领域要比我之前所熟悉的工作领域困难许多、抽象许多，甚至影响到了我的思想，把我从原来宏观的世界带到一个无限小的粒子身上，而全部的世界和人自身都是由这些小微粒构成的。

近20年里，我参与创立了一门崭新的科学，这门科学就是地球化学。它不是简简单单坐在舒适的房间里写一写就出来的，而是经过无数次的观察、实验和测量才产生的。我们这些人是为了全新的思想而斗争，在斗争中产生了地球化学。每次我把新的一章写完时，我真的感到非常高兴。

那么我对于地球化学要讲些什么呢？它究竟是一门怎样的科学？为什么不能叫作化学，而非要命名为地球化学？还有，为什么化学家们不来写地球化学，而是由地质学家、矿物学家来写呢？对于这些问题，读者在阅读章时是得不到答案的。因为章虽然讲了很多材料，但是都很简要。只有把这本书前前后后都读懂，才能回答这些问题，才会由衷感受到地球化学的趣味。

在结束这篇引言之前，我非常愿意给读者提供一些意见。我们这本书由四个部分组成，一章接着一章，从普通的物理学和化学上的问题转到地球化学的问题。如果你是一个初学者，对物理学或化学没有学习过，那么你需要仔细认真研读。但如果你已经有了一定的物理化学基础，你也不需要担心，因为我们将每章内容写得都比较独立，不会牵扯到前后章节。所以你可以跳过那些你已经知道的内容，直接阅读你感兴趣的未知的知识。

如果你是个学生，那么你可以结合你的化学课程来阅读这本书。比如你在学到非金属时，可以看看这本书里的硫和磷的内容；学到过渡金属时，可以阅读一下钒和铁两章。

如果你对地质学非常感兴趣，那么恭喜你。这本书可以给你一个全新的学习地质的视角，那就是将化学元素与地质学结合，叙述元素在地壳中的分布和变迁历史。重点就是Chapter 3自然界里原子的历史。

但我这本书可能不能满足热爱化学的人，因为这本书里详细介绍的元素并不算多，只有15种。因为这15种元素就在我们周围，它们非常典型。如果大家想自己叙述一下其他元素的历史，我会非常高兴。因为这真的是一件有意义的工作！

Chapter 1

原子世界

地球内部的化学变化

地球化学是什么？——想要理解我们这本书里所讲的知识，需要先回答这个问题。看看这个名词“地球化学”，让我们把它拆分成“地球”与“化学”。研究“地球”的科学其实就是“地质学”。地质学是一门研究变化的学科。它会告诉我们地球是怎么形成的，又是如何变化的，山川河流怎么形成，怎么形成 火山熔岩 ，以及海底如何能沉积起淤泥沙粒。

哦，对，我们只说了一半，还有“化学”啊。化学是什么呢？让我们从熟悉的“地质学”里找找答案：

地质学里有一个很普遍的研究对象，它就是海水。海水是天然形成的混合物。它非常特别，是由不同数量的几种小球堆叠起来的，但不是乱堆，而是根据一定的规律堆叠的。同样是这几种小球，哪怕在数量也相同的情况下，仍然可以堆出不同的形状。所以同样是水，在自然界中它也有好多种模样，比如南极的冰川还有早上的晨雾。

在科学家们200年的努力下，我们知道这种小球有118种，我们给它们起了个名字，叫元素。在这118种化学元素里面，有能构成气体的氮、氢、氧元素；也有能构成金属的钠、镁、铝、锌、铁元素；还有构成非金属的碳、硅、磷等，它们构成了我们周围世界的基础。并且，这些元素按照一定的规律，可以排列成 门捷列夫 周期表，也叫作元素周期表。

在门捷列夫周期表的每个格子里，都放着一种元素——一种原子；每个格子依次有一个号码——原子序数。比如第1号是氢，它是轻的元素，第82号元素是铅，铅的重量是氢的207倍。

原子是由位于中心的原子核与围绕原子核运动的一个或多个电子组成，电子是不断运动的，就像是多个行星围绕太阳旋转一样。而氢原子例外，它像月球围绕地球，因为它只有一个电子。但是相比太阳与地球的巨大，原子非常小，它的直径只有千万分之一毫米。因为不同的原子有不同个数的电子，原子互相交换电子便化合成分子。

化学研究的基本对象就是周期表中的化学元素和它的原子。化学其实也是一项研究变化的学科，这个世界上单纯由一种元素组成的物质是非常少的，大多数是由多种元素组成的化合物。所以从基本的原子出发，化学研究的便是怎样由单纯的原子合成出复杂的化合物这样的变化过程。

好了，总结一下上文，地质学研究的是地球的变化，化学研究的是物质的化学变化，所以综合起来，地球化学研究的便是地球内部的化学变化。

化学元素和它的原子

所有的化学元素，作为独立的单位，在地壳里不断地移动、碰撞、结合。在不同的环境下，比如地壳的深浅、温度的高低、压强的大小，元素根据哪些规律进行相互作用，这是现代地球化学所需要研究的。

有些元素（例如镧、钪）很难呈现聚集状态，以至其在岩石中含量非常少。这类元素被称为稀土元素。稀土元素一共有17种，它们的发现历经了整整153年的艰苦历程。由于提纯技术的限制，门捷列夫在1869年给出的版元素周期表中，就赫然在钙的后面留有一个原子质量为45的空位。不过这个预言就像放在漂流瓶中的信笺一样，暂时被学术的汪洋大海静静湮没了。

19世纪晚期，瑞士科学家马利纳克从玫瑰红色的铒土中，通过局部分解硝酸盐的方式，得到了一种不同于铒土的白色氧化物，他将这种氧化物命名为镱土，这就是稀土元素发现里面的第6名。当时马利纳克手头样品没多少了，就建议那些有充足铒土的科学家多制备一些镱土，以研究它的性质。

当时瑞典乌泼撒拉大学的尼尔森手头正好有铒土的样品，他就想按照马利纳克的方法将铒土提纯，并精确测量铒和镱的原子质量（因为他这个时候正在专注于精确测量稀土元素的物理与化学常数，以期对元素周期律做出验证）。但是这时候奇怪的事情发生了，马利纳克给出的镱的原子量是172.5，而尼尔森得到的则只有167.46。

尼尔森敏锐地意识到这里面有可能是什么轻质的元素鱼目混珠进去，才让这个原子量的测定不再准斤足两。于是他将得到的镱土又用相同的流程继续处理，后测得的原子量更是只有134.75；同时光谱中还发现了一些新的吸收线。尼尔森的判断是正确的，因此也就获得了给元素起名的权利。他用他的故乡斯堪的纳维亚半岛给这种新元素命名为Scandium，也就是钪。

与稀土元素形成巨大差异的是那些非常容易富集，因此也就较早被发现的元素，例如铁和铜。铜 是人类早使用的金属。

地球化学不仅是着眼于地球内部乃至整个宇宙中化学元素的分布与迁移规律，还可以研究在苏联的某些区域，例如高加索和乌拉尔。那些地方油田中的碳、氢、氧元素非常丰富，科学家们可以通过分析这些元素的迁移与分布，判断出哪些区域富含油田。地球化学研究着每一种元素，既要判断它们的动态，还需要了解元素的物理化学性质。比如，它容易和哪种元素化合聚集，又容易与哪些元素分开。

由此可见，现代地球化学已从理论层面转向实际，而地球化学家成了勘探者，他需要指出：

●哪里可以找到煤与天然气？

●怎样从岩石中提炼出镧？

●怎么从地理环境和变迁历史中判断出哪些元素不可能存在于此？

……

这么看来，地球化学是与地质学和化学一起进步的。

地球化学的贡献

我们不愿举出大量的例子使你们困惑，也不想把所有地球化学的知识一股脑儿全给你们。我们只希望你们可以对这门新科学产生兴趣，希望你们在了解了元素们在整个世界的旅行后，能够真正地相信，地球化学真的很年轻，它有着非常广阔的前途。

现在，地球化学研究正在经历3个较大的转变。

●由大陆转向海洋。

●由地表、地壳转向地壳深部、地幔。

●由地球转向宇宙。

地球化学的分析测试手段更为精确、快速。地球化学，除继续为矿产资源、环境保护等做出贡献外，还将为全球气候变化、行星探测、深海观察等提供新的成果。

缩小的实验室

——来，伸出你们的手，让我带你们去一个微视的世界。首先，我们先来到这个能放大能缩小的实验室。

我们走进去，已经有人在等我们了。

“哦，博士，您好呀！”

“你们好，欢迎来这里，让我向你们介绍一下这个小屋。这个屋子是由特殊材料建成的，看看这个把手，只要我把它向右一转，我们就会缩小，一分钟后可以缩小到千分之一。那时候我们走出去，就会有一双能够媲美精细显微镜的眼睛。如果大家觉得还不够，再回到这个小屋，我还可以让大家再缩小1000倍。来，准备好，转！”

我们现在已经是“蚂蚁人”了……听到的都是一些沙沙、咔咔等非常嘈杂的声音，这是因为我们的耳朵已经失去了调节声波的功能。我们的眼睛，我的天，我们可以看到青草里一个又一个的细胞小房子，甚至小房子里有许多不同形状的小颗粒，有长条状的，有圆圆的，那是细胞里的“家具”吗？哇呜，飘来一大滴血液，原来血液里有这么多细菌啊，那个圆饼状的是血红细胞、长杆状的是大肠杆菌……可是我们还是看不到分子啊。

脸颊被大风吹得有点儿痛，于是我们又回到了屋子里，看来大家还想再小一些，因为我们还没看到分子啊。接着转动把手。我的天，怎么这么黑啊，地震了吗，怎么会这么动荡？

等我们完全变小后，我们看到了小屋外面的场景。狂风呼啸，还有好像是子弹一样的东西不断轰击着我们的屋子，这些子弹速度非常快啊，都看不清它们的运动。这时，博士说话了：

“我们现在不能出去，我们现在只有正常身高的百万分之一，也就是只有1.5微米，哦，那位身高2米的篮球运动员先生，您现在是2微米。我们的头发有一亿分之一厘米，十亿分之一厘米就是一个‘埃’，是原子与分子的长度单位。外面那些子弹其实就是空气中的气体分子，是的，先生，空气分子的直径是2～3个埃，而且空气分子的运动速度真的非常快。

“刚才我们走到屋子外面，感觉到风中有沙子吹打在我们的脸上：那是直径大的个别分子聚集体。但现在我们更小了，所以那些子弹对于我们来说就太危险了，这些子弹就是空气中的气体分子，分子运动太快，我们无法看清它们。先生们，我们和小屋不能变得更小了，因为更小的我们将无法承受外面世界的攻击，所以，我们的缩小之旅到此结束。”

博士说完之后，将把手向左转了回去。

刚才的旅程虽然是我们的想象，但是却是根据科学研究理论得出的合理情景。

我们在生活学习的过程中需要不断地和周围的物体接触，有像花草一样有生命的东西，也有像桌椅一般无生命的东西，有固体，有液体，当然也有气体。所有的这些用学术化的词语描述就是——物质。某种物质它有什么样的构造，又会有什么样的物理化学性质呢？

物质的结构与性质

在进行缩小旅程之前我们总是觉得物质是一个整体，没有空隙。比如磁铁、水，还有空气。但是缩小后的我们，却看到原来青草里有那么多的细胞、一滴血里也有那么多的各种各样的细菌，甚至空气中有那么剧烈的“子弹攻击”。

再举一些生活中的例子，比如说气球，在炎热的夏天，气球容易爆裂，而冬天则不会。所以，我们应该得出一个结论：物质的内部有许多肉眼看不到的孔隙。

为什么会有孔隙呢？任何物质在无限放大后，我们都可以看到它们是由颗粒组成的。这些小粒子有的叫作原子，有的则叫分子。这是由物质性质决定的。而每个粒子都有自己的运动范围。粒子与粒子接近时会互相排斥，所以无法黏在一起。

我们将粒子连同它周围的运动范围看成一个弹性球。球的半径一般用 埃

做单位，每种元素都是大小不同的弹性球。比如，氢原子球半径是0.79埃，硫原子球半径是1.04埃。那么这些弹性球如何排列堆积组成物质呢？

如果我们把同种球随便放进一个盒子里，球便会胡乱滚开，所占的容积要大于整齐堆积的小球总体积。各种各样的堆积方法中，占得容积小的方法叫作紧堆聚法。具体做法是：

将一堆小珠子放在碟子里，轻轻敲打碟子。所有珠子会向碟子中心滚动，很快会排列成行。你会发现，球心之间的连线彼此成60°角。比如铜、金等金属原子便是这样的堆积方法。

如果是两种不同的球，比如食盐由氯元素和钠元素组成，氯离子弹性球要比钠离子弹性球大。排列方式是两个大球中间穿插一个小球，每个大球被6个小球包围，而每个小球也被6个大球包围。

所以，物质是由小的粒子——原子通过一定的排列方式组合而成。

元素的化学性质

“原子”这个思想早在公元前600至前400年间被

留基伯 和

德谟克利特 提出（希腊文的原意是“不可分的”）。直到 道尔顿 提出了原子理论，他认为，物质世界的小单位是原子，原子是单一的，独立的，不可被分割的，在化学变化中保持着稳定的状态，同类原子的属性也是一致的。

到目前为止，人类已知的元素有119种。同种或不同种元素的原子，两两或是多个互相结合可以生成绝大多数物质的分子（少数物质是由原子构成，比如稀有气体）。物质中原子和分子的数目是非常多的。例如，18克水中含有6.02×10

23

个水分子。

起初人们认为原子是小的粒子，不可再分。但随着进一步的研究，尤其是对元素放射现象的探讨，人们才明白原子本身是一个非常复杂的结构：

●每个原子的中心都有一个原子核，原子核的直径大约是原子直径的十万分之一。

●虽然原子核非常小，但是却占有原子的大部分质量。

●原子核是由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成，不同原子的质子数不同。

●原子核外是不断绕着核旋转的电子，电子的个数等于质子数，所以原子是呈电中性的。

对于元素来说，它的化学性质是由原子半径和外层电子决定的。所以，即使是不同的原子，只要它们的外层电子数一样，这些原子的化学性质便是相似的。比如氯、溴、碘。

如图是几种原子的结构模型，可以看出不同的原子，核外电子轨道不同。

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“心非臂也，臂非椎、非石也。悲存乎心而木石应之。”故君子诚乎此而谕乎彼，感乎己而发乎人，岂必强说乎哉”——《吕氏春秋》

“神出於忠而应乎心，两精相得，岂待言哉”——《吕氏春秋》

故民无常处，见利之聚

智所以相过 ，以其长见与短见也。今之于古也，犹古 之于后世也；今之于后世，亦犹今之于古也。故审知今则可 知古，知古则可知后，古今前后一也。故圣人上知千岁，下 知千岁也。

原典欣赏

且天生人也，而使其耳可以闻，不学，其闻不若聋；使其目可以见，不学，其见不若盲；使其ロ可以言，不学，其言不若爽使其心

可以知，不学，其知不若狂。故凡学，非能益也，达天性也。能全天之

所生而勿败之，是谓善学。

得其情也

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★元素周期表背后藏着哪些规律？

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★地核是由什么元素构成了？

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……

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⑧《趣味化学》

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⑩《趣味地球化学》

媒体评论

致少年

我能成为一个科学家，*主要的原因是：对科学的爱好；思索问题的无限耐心；在观察和搜集事实上的勤勉；一种创造力和丰富的常识。 —— 达尔文