Chapter3 单质

物质由单质组成

“现在，让我们再深入了解一下那黑色的粉末——硫化亚铁吧。用一种比普通的拣选法更为复杂的方法，可以把硫化亚铁分解成单独的铁和硫黄。而面包被火烘烤后，其主要成分碳也能从中分离出来。那么，铁、硫、碳又是由什么成分组成的呢？对于这个问题的研究，科学家们曾费了许多心力，设计了各种需要精密仪器的实验，但无论怎样尝试，铁、硫、碳永远是铁、硫、碳，并不会分离出什么新的物质。”

约尔反对说：“可是，我觉得硫黄能分离出新的物质。如果取一些硫黄来放在火上，它燃烧的火焰是蓝色的，还会产生刺鼻的气体。这种气体应该是从硫黄中分离出来的，但它的性质与硫黄完全不同，它有些呛人，而硫黄即使离人很近的时候也没有呛人的气味。”

“这是另一种情况。我说硫黄不会产生出什么新的物质，是说它不会分解出别的物质，而并不是说它不能和别的物质进行化合。事实上，它和别的物质相互化合，不但能产生呛人的气体，还能产生许多别的东西，最明显的例子就是我们所熟知的硫化亚铁。物质在燃烧时，会和周围的空气中的另一种看不见的物质相互化合。硫黄燃烧发出蓝色火焰，表明它在和空气中的物质进行化合作用，化合的结果产生了呛人的气体。”

“这种气体的组成比硫黄更复杂吗？”

“是的。”

“那这种气体一定是由两种物质组成的，一种是硫黄，还有一种就是你所说的包含在空气中的物质，而硫黄则只有硫这一种成分。”

“没错。无论用什么实验方法，硫黄也不会分解成不同的物质。硫黄可以和别的物质结合成比自身更为复杂的物质，但是它绝不能分解成比自身更简单的物质。因此，我们称硫黄为‘单质’，意思是它已经分解到不能再分解了。而像水、空气、一个石卵、一截木头、一株植物、一只动物之类——这些都是物质，但它们都不是单质，还可以再分解。”

什么是单质

“与硫黄一样，碳和铁也是单质。”

单质除了能和别的物质化合成更复杂的物质外，不能再分解为任何更简单的物质了。

“化学家把自然界中的一切物质，无论是在地上、地下、水底还是天空中的，无论属于动物、植物还是矿物，都逐一加以精确地实验和分析，最终发现了 九十几种不可分解的元素，我们刚刚说到的铁、硫和碳，都包含在其中。”

本书写于20世纪初期，当时对化学元素的认识还比较有限。到现在，科学家们已发现了118种天然元素和人造元素。

爱弥儿问：“那么，你会把所有的单质都告诉我们吗？”

“不会，我们只讨论其中比较重要的几种单质，因为大部分的单质都与我们的日常生活关系不大。而且，除了铁、硫、碳之外，你们其实已经知道了很多其他单质。”

爱弥儿惊讶地说：“我也知道其他的单质吗？我从来没往这方面想过呢。”

“你知道的，只是在此之前你可能还不知道它们是不能分解的单质。事实上，你们脑子里存储的知识远超你们的想象。所以，我想我需要帮你们理一理脑海中杂乱的知识。我会尽量避免直接灌输，而让你们自己去想起那些已经知道的东西。不过我可以给你们一个提示：那些我们通常称为金属的物质，大部分都是单质。”

“我明白了，那像金、银、铜、锡、铅等，和铁一样都是单质吧。”

“还有一种极为常见的金属你没有说呢。想想看，印刷时所用的图版往往是用它制成的。”

“印刷时所用的图版？——是锌吗？”

“是的，除了刚才提到的之外，还有许多别的金属，它们之中有些性质很奇特，都有着不一般的用途。以后有机会，我再和你们一起讨论。现在，我们可以先来说说一种金属，它是液态的，像是熔化了的锡，颜色和银一样，通常装在温度计的玻璃管里，随环境温度的变化而升降。”

“我知道，是水银！”

“不错。不过它的学名应该叫汞（Hg）。水银这个名字很容易让人误解，它的颜色虽然与银相似，但它的性质却与银完全不同。”

“这么说，水银也和金、银、铜、铁等一样，是一种金属了？”

“是的，它和别的金属相比，只有一点不同：即使在寒冷的冬季，只要温度正常，就足以使水银保持液态。然而，要熔化铅必须用高热的炭火；要熔化铜或铁，就得用最热的炉火。不过，如果将水银冷却到一定温度，它也会变硬，看上去就和银一样。”

“那它可以用来做货币吗？”

“理论上是可以的，只是这种货币一放进口袋，就立刻熔化了。”

“金属的颜色差别不大：银和水银是银白色的，锡次之，铅再次；金是金黄色的，铜是红铜色的，铁和锌则是灰白色的。所有金属都有着耀眼的光彩，尤其是当它们被擦亮的时候。换句话说，它们都自带一种金属光泽。不过需要注意的是，金属都有光泽，但有光泽的并不一定都是金属。例如，一些昆虫的翅鞘，还有某些石头，它们也有金属一样的光泽，但并不是金属。”

“其他的单质，如硫和碳，都是没有金属光泽的；还有几种非常重要的单质，它们和空气一样无色透明。这种外观明显不同于金属的单质，叫非金属单质。碳和硫都是非金属单质。非金属单质的数目并不多，一共才22种，它们之中有几种单质，在平常生活中很少听到，不被人熟知，但它们在化学上却有着举足轻重的地位，我们四周的一切东西，绝大部分都是以非金属单质为主要原料构成的。自然界的物质需要非金属，就像建筑物需要砖石水泥一样。在这些重要的非金属单质中，有一种气体叫氧气（Oxygen）——如果没有它，我们会立刻死亡，但恐怕你们没有听说过它吧？”

爱弥儿叫道：“这真是个奇怪的名字！我从来没听说过。”

“还有两种叫氢气（Hydrogen）和氮气（Nitrogen）的气体，你们听说过吗？”

“这两种也没有听说过呢。”

“我早料到了。氢和氮都是很有用的非金属，它们悄悄地完成着属于它们的任务，而并不被人们注意。”

“刚刚说到的氧、氢、氮这3种物质，虽然都很有用，但是日常生活中并不被经常提起，因为它们都和空气一样，是无色透明的气体。而且，它们往往隐藏在某些化合物中，需要借助一些科学方法才能确定它们的存在。所以，更多时候，我们都忽视了这些在大自然中扮演着重要角色的物质。”

“它们很重要吗？”

“是的，非常重要呢。”

“比黄金还重要吗？”

“不能这么比较。黄金对人类而言当然是极为有用的，它代表着劳动力或物品的价值，可以被铸造成货币在社会中流通，作为劳动力和物品交换的媒介。不过，假使地球上所有的黄金都消失了呢？其实，也并不会造成很严重的问题。以黄金作为货币的国家，银行业和商业可能会有一时的混乱，但也仅仅如此而已。过不了多久，一切都会渐渐恢复正常。可是，如果刚刚提到的3种非金属中的任何一种——比如氧——全部消失了呢？那时，地球上的一切生物都会立即死亡。地球上没有了生命，只会剩下一片死寂。这种情况与银行家、商人的烦恼相比，当然要严重得多。”

“所以，对人类而言，即使完全没有了黄金，自然界的秩序也不会受到影响；而氧、氢、氮却有着非常重要的作用，无论缺少了其中哪一种，都足以使自然界失去常态，让生物无法生存。除了以上三者，还有碳也同样重要。所以，生物生存不可或缺的物质共有4种。”

约尔问道：“叔叔能给我们讲讲氧、氢、氮这3种物质的性质吗？”

“当然可以了。不过为了让单质这个概念更清晰，这里让我先介绍一下另一种非金属物质。红头火柴的火柴头上含有这种物质，上面覆盖着一层蜡，一经摩擦就会燃烧。如果你在暗室中单独摩擦它，会看到它放出淡淡的光。”

“那一定是磷。”

“没错，是磷，磷也是一种非金属。现在，让我们把以前所说的知识回顾一下吧。”

●自然界中的单质，简单以外观区分，可分为金属和非金属两类。

●金属具有金属光泽，你们已经知道的有金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、铁（Fe）、锡（Sn）、铅（Pb）、锌（Zn）、汞（Hg）8种，还有几种金属也有必要知道，有机会我会再说。

●非金属的数目则要少得多，它们都没有所谓的金属光泽，最重要的非金属是氧（Oxygen）、氢（Hydrogen）、氮（Nitrogen）、碳（Carbon）、硫（Sulfur）、磷（Phosphorus）6种，前三者和空气一样是无色透明的气体。

什么是元素

“无论是金属还是非金属单质，都称为‘元素’。”

所谓元素，就是在自然界中构成其他各种物质的不可分解的原始物质。

约尔插嘴说：“但是，保罗叔叔，我在一本书上见过，说是自然界的元素只有土、空气、火、水4种。”

“那是古时候人们的错误理解。的确，古时候的人们相信土、空气、火、水是4种不可再分的物质，一切其他物质都是由这4种物质组成的。但是，随着科学的进步，现在看来这4种物质中没有一种是单质。”

“首先，火——有时也可以说是热——并不完全是一种实体物质，因此我们不能认为它是单质。物质是可以被衡量的，我们可以说1立方米的氧气，1千克的硫黄，但如果我们说1立方米的热，1千克的暖，那就不符合逻辑了，这就像用秤来称量小提琴拉出的音调一样可笑。”

约尔笑着说：“1千克F调高半音，1克E调低半音，想想真是有趣，哈哈哈！”

“为什么不能用秤来称量音调呢？因为音调不是物质，而只是由发声体发出的连续音波传递到我们耳中的一种运动。热和声音相似，也是一种特别的形式。这是个有趣的论题，想要更为详细地解释它，需要涉及物理知识。现在，我只能简单地说，热不是元素，因为它不是物质。”

“至于空气，它是另一种物质。空气是可以衡量的，也许你们之前并没有听过，学了物理学后你们会更加清楚。然而，空气是物质却不是单质，它是由好几种气体集合成的混合物，其中最多的是氮气和氧气。关于这一点，我以后可以用实验来证明给你们看。”

“水同样也不是一种单质。等到适当的时候，我会向你们证明水是由氧和氢组成的化合物。”

“还有土，这个名词显然是指组成地球固体部分的各种矿物质集成的混合物，如砂、泥、岩石等，所以它也不是一种单质，而是含有各种物质的混合物。从土中我们可以得到几乎所有的金属与各种非金属。事实上，土中几乎含有所有单质。所以，以现代的科学眼光来看，古时候人们所说的4种基本元素，没有一种可以算单质。”