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未成对电子化学秘籍之元素周期表

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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化学秘籍之元素周期表

“氢氦锂铍硼，碳氮氧氟氖……”化学元素周期表可以说是化学研究及学习的神级“武功秘籍”，为我们学习化学提供了很好的帮助，那么你是否知道它的起源与演变呢？

1789年，法国化学家拉瓦锡在《化学纲要》中对当时已知的33种元素进行分类，制作了第一张元素分类表，分为气体、金属、非金属、土质四类。

十九世纪初，英国化学家道尔顿提出了原子论后，化学家把原子论同元素的概念相联系，通过测定各元素的原子量来建立更为准确的元素分类方式。

1829年，德国化学家德贝莱纳提出了“三元素组”理论，他认为元素的原子量与元素的化学性质之间一定存在着某种规律性。

1862年，法国地质学家尚古多提出了一种名为“螺旋图”的分类方法。

1865年，英国化学家纽兰兹独立提出“八音律”分类法。他对当时已知的62个元素的原子量按递增顺序排列，发现元素的性质存在着周期性的重复，每八个元素为一周期。

1869年，俄国化学家门捷列夫制作了一张周期表，这张表格是化学研究历史上最重要的一份研究成果。据说，在那年的一个夜晚，门捷列夫梦见已知的63种化学元素一一对应地落在格子里，构成了一张鳞次栉比的表格。一梦惊醒，他立即将梦中的表格还原，制成了第一张元素周期表。当然，这是一种传说，事实是他在之前多位科学家对各类化学元素不断研究发现的基础上，受当时流行的纸牌游戏启发，把元素写在卡片上，并根据化学和物理性质将它们进行排列。最终形成了每一纵列元素化学性质相似，每一横列从左至右元素的反应规律依次递变的周期表。

另一方面，门捷列夫在绘制化学元素周期表时，极有先见之明地留下空白。他意识到某些元素是缺失的，并且准确预测了缺失元素的性质。随着时间的推移，他预言的11种元素一一被人找寻到。

迄今为止，化学家们已经发现了118个元素。118号元素不是元素周期表的终点，创造119号元素将开启一个全新时代，也将会是元素周期表的一个全新时期。

化学元素周期表为我们学习化学打开了一扇大门，那化学到底离我们有多近呢？

我们听到的、看到的、闻到的、尝到的、摸到的一切都与化学物质有关。比如，看似普通的一杯水，其实是由氢元素和氧元素组成，还有其他一些矿物质元素，比如钠、钙、镁、氯等；一根普通的小草，其实它含有丰富的钾、钠、镁等元素。另外，石油可以经过化工改造后变成燃料，变成我们日常接触到的东西（如口红、药物、衣服等），并且，所有与塑料、有机材料有关的产品，其前身都是又黑又黏的石油。

尽管大部分人背不下来元素周期表，但是人们生活中的点点滴滴都渗透着化学，社会科技进步中化学研究也起到了关键作用。

本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创，转载时务请注明出处。

追根溯源：自由基的前世今生！

自由基，化学上也称为“游离基”，是指化合物的分子在光热等外界条件下，共价键发生均裂而形成的具有不成对电子的原子或基团。（共价键不均匀裂解时，两原子间的共用电子对完全转移到其中的一个原子上，其结果是形成了带正电和带负电的离子，这种断裂方式称之为键的异裂。）在书写时，一般在原子符号或者原子团符号旁边加上一个“·”表示没有成对的电子。如氢自由基（H·，即氢原子）、氯自由基（Cl·，即氯原子）、甲基自由基（CH3·）。自由基反应在燃烧、气体化学、聚合反应、等离子体化学、生物化学和其他各种化学学科中扮演很重要的角色。历史上第一个被发现和证实的自由基是由摩西·冈伯格在1900年于密歇根大学发现的三苯甲基自由基。

自由基的发现

历史上第一个被发现和证实的自由基是由摩西·冈伯格在1900年于密歇根大学发现的三苯甲基自由基

，该自由基在隔绝空气的条件下发生二聚，形成“六苯基乙烷”

自由基的形成方式

在一个化学反应中，或在外界（光、热、辐射等）影响下，分子中共价键断裂，使共用电子对变为一方所独占，则形成离子；若分裂的结果使共用电子对分属于两个原子（或基团），则形成自由基。

有机化合物（Organic compounds）发生化学反应时，总是伴随着一部分共价键（covalent bond）的断裂和新的共价键的生成。当共价键发生均裂（homolyticbondcleavage）时，两个成键电子的分离，所形成的碎片有一个未成对电子，如H·，CH·，Cl·等。若是由一个以上的原子组成时，称为自由基（radical）。因为存在未成对电子，自由基和自由原子非常的活泼，通常无法分离得到。不过在许多反应中，自由基和自由原子以中间体的形式存在，尽管浓度很低，存留时间很短。

外界环境中的阳光辐射、空气污染、吸烟、农药等都会使人体产生更多活性氧自由基，使核酸突变，这是人类衰老和患病的根源 。体内活性氧自由基具有一定的功能，如免疫和信号传导过程。但过多的活性氧自由基就会有破坏作用，导致人体正常细胞和组织的损坏，从而引起多种疾病。如心脏病、老年痴呆症、帕金森病和肿瘤。自由基还可以通过一个原子或者分子的氧化还原过程来形成。

自由基的认知

众多医学研究及临床试验证明:人体细胞电子被抢夺是万病之源， 自由基ROS是一种缺乏电子的物质（不饱和电子物质），进入人体后到处争夺电子，如果夺去细胞蛋白分子的电子，使蛋白质接上支链发生烷基化，形成畸变的分子而致癌。该畸变分子由于自己缺少电子，又要去夺取邻近分子的电子，又使邻近分子也发生畸变而致癌。这样，恶性循环就会形成大量畸变的蛋白分子。基因突变，形成大量癌细胞，最后出现癌症。而当自由基或畸变分子抢夺了基因的电子时，人就会直接得癌症。 人体得到负离子后，由于负离子带负电有多余的电子，可提供大量电子，而阻断恶性循环，癌细胞就可防止或被抑制。

自由基非常活跃，非常不安分。就像我们人类社会中的不甘寂寞的单身汉一样，如果总也找不到理想的伴侣，可能就会成为社会不安定的因素。那它是如何产生的呢？又如何对人的身体产生危害的呢？早在上个世纪末90年代初期，中国大陆对自由基的认知来自于北京卷烟厂在出口产品定单中外方产品的要求，外方，尤其是日本提出，吸烟危害人体健康，不仅仅是尼古丁、焦油，还有一种更厉害的物质是自由基。

当一个稳定的原子的原有结构被外力打破，而导致这个原子缺少了一个电子时，自由基就产生了。于是它就会马上去寻找能与自己结合的另一半。它活泼，很容易与其他物质发生化学反应。当它与其他物质结合的过程中得到或失去一个电子时，就会恢复平衡，变成稳定结构。这种电子得失的活动对人类可能是有益的，也可能是有害的。

一般情况下，生命是离不开自由基活动的。我们的身体每时每刻都从里到外的运动，每一瞬间都在燃烧着能量，而负责传递能量的搬运工就是自由基。当这些帮助能量转换的自由基被封闭在细胞里不能乱跑乱窜时，它们对生命是无害的。但如果自由基的活动失去控制，超过一定的量，生命的正常秩序就会被破坏，疾病可能就会随之而来。

自由基的存在空间

自由基由于含有不成对电子，表现得非常活跃，而存在空间相当广泛。

科学家在二十世纪初从烟囱和汽车尾气中发现了这种十分活跃的物质 。随后的研究表明，自由基的生成过程复杂多样，比如，加热、燃烧、光照，一种物质与另一种物质的接触或任何一种化学反应都会产生自由基。简单地说，在日常生活中，烹饪、吸烟等活动都会产生自由基。化妆品等化工产品中，也含有一定量的自由基。

自由基的种类非常多，自由基的存在的空间也是无处不在。它们以不同的结构特征，在与其他元素结合时，发挥着不同的作用。

人体里也有自由基。受控的自由基对人体是有益的。它们既可以帮助传递维持生命活力的能量，也可以被用来杀灭细菌和寄生虫，还能参与排除毒素。但当人体中的自由基超过一定的量，便会失去控制，给我们的生命带来伤害。

生命体内的自由基是与生俱来的，既然生命能力历经35亿年沧桑而延续至今，就说明生命本身具有平衡自由基，或者说，清除多余自由基的能力。然而，随着人类文明的飞速发展，在科学技术给人类创造了巨大生产力的同时也带来了大量的副产品，其中就有与日俱增的自由基。化学制剂的大量使用、汽车尾气和工业生产废气的增加、还有核爆炸……这些活动都会导致自由基的产生。人类文明活动还在不断破坏着生态环境，制造着更多的自由基。骤然增加的自由基，早已超过了人以及生命所能正常保持平衡的标准，人类健康面临着前所未有的严峻挑战。

自由基的危害（内在、外在）

人类生存的环境中充斥着不计其数的自由基，我们无时无刻不暴露在自由基的包围和进攻中。离我们生活最近的，例如，炒菜时产生的油烟中，就有自由基，这种油烟中的自由基使经常在厨房劳作的家庭妇女中餐大厨肺部疾病和肿瘤的几率远远高于其他人；此外，还有吸烟，吸烟最直接产生自由基。

自由基的存活时间仅仅为10秒，但吸入人体后，就会直接或间接损伤细胞膜或直接与基因结合导致细胞转化等，从而引起肺气肿、肺癌、肺间质纤维化等纤一系列与吸烟有关的疾病。

通过呼吸系统吸入的自由基决不仅仅来自炒菜和吸烟，象汽车尾气、工业生产废气等等环境污染产生的大量自由基也会在人们日常生活运动中被无防备的吸入。

散布在空气中，使用的化妆品中的自由基还会直接攻击人的皮肤，从表皮细胞中抢夺电子，使皮肤失去弹性，粗糙老化产生皱纹。

自由基对人体的攻击，既在最深层引起突变，又在最表层留下痕迹。可以说，人类被包围在自由基的内外夹击中。

自由基对人体的攻击既有来自体内的也有来自体外的；既在最深层引起的突变，也在最表层留下痕迹。可以说，人类处于自由基的内外夹击中。例如：当人体内的低密度脂蛋白（简称LDL）升高后，在血液流动的过程中，低密度脂蛋白在细胞内皮的作用下进入血管腔内，由于大量自由基的存在，氧化自由基与低密度脂蛋白结合形成氧化型的低密度脂蛋白（Ox-LDL）。

氧化型的低密度脂蛋白在血管壁内就会被当成异己存在，而被巨噬细胞、单核细胞、内皮细胞和平滑肌细胞吞噬掉。平滑肌细胞和巨噬细胞吞噬大量的氧化型的低密度脂蛋白就变成为泡沫细胞。大量的泡沫细胞堆积，使血管壁向外凸出（但是做血管造影是看不出血管壁有任何的改变），粥样硬化斑块的形成就导致动脉粥样硬化。

血管内皮细胞吞噬氧化型的低密度脂蛋白后，造成血管内壁的损坏，血管内壁间隙增大，在血管内由于T细胞释放的γ干扰素，使泡沫细胞破裂，内容物就会从血管内壁间隙增大处流入血管腔内。由于血管的应激作用就会将渗出的内容物包裹，形成血栓斑块。当这种血栓在心脏部位产生就形成心梗，在脑部产生就形成脑梗。因此防止低密度脂蛋白被氧化是防止心血管疾病的关键所在。

总的来说自由基在细胞内是有益的，可以帮氧化反应传导热量。但自由基在细胞外、由氧化反应产生、外来入侵的就是一个极为不安分的“单身汉”，会掠夺氧离子配对。同时，还会损害正常细胞掠夺走氧离子，这时被掠夺的细胞又生成新的“自由基”，形成一个“自由基连锁反应”直至最后损伤到器官和组织。如果体内没有抗氧化剂中和自由基连锁反应，比如血脂异常、糖尿病及并发症、高血压等这些氧化损伤类疾病就会难以治愈。我们平时吃的食物如番茄（含抗氧化剂番茄红素）、红葡萄（含抗氧化剂葡萄籽）、萝卜（含抗氧化剂β-胡萝卜素），我们平时说的抗氧化不是抗正常的氧化反应，就指的是抗自由基连锁反应产生的氧化损伤。

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