第一章 无机化学元素概述

的污染物。
干洁空气：
水汽
水汽在大气中含量很少（0～4％）。绝大部分集 中在低层，10～12公里高度以下的水汽约占全部 水汽总量的99％。 来源：水面、潮湿物体表面、植物叶面的蒸发等。 水汽会引起天气变化。水汽能强烈吸收地表发出的 长波辐射，水汽的蒸发和凝结能吸收和放出潜热， 从而影响地面和空气的温度，以及大气的运动和变 化。
2000年，美国、俄罗斯科学家联合宣布发现114和
116号元素；
2003年，俄罗斯科学家同时发现第113号和第115号
元素； 2005年，美国科学家发现第118号元素； 2010年，美国、俄罗斯科学家联合宣布发现117号 元素【见Phys. Rev. Lett. 2010, 104(14): 142502】 新元素的发现与人类的进步和科学技术的发展密切 相关 。
杂质和微粒（PM2.5）
杂质包括：火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的颗粒； 流星燃烧所产生的细小微粒；海水飞溅扬入大气后 而被蒸发的盐粒；细菌、微生物、植物的孢子花粉 等。多集中于大气的底层。
液体微粒指悬浮于大气中的水滴、过冷水滴和冰晶 等水汽凝结物。
杂质、微粒影响大气的能见度和人们的健康。 但它也能充当水汽凝结的核心，加速大气中成云致 雨的过程；它能吸收部分太阳辐射，削弱太阳直接 辐射和阻挡地面长波辐射，对地面和大气的温度变 化也有一定的影响。
+
0e
92
239U

239Np
+
-1
此后陆续合成了直到原子序数为118的新元
素（见下表）。
举例：
Am的合成：
94239Pu +
0 1n

94
240Pu
+
94240Pu +
0
1n

95
94
241Pu
-1 0e
+
94241Pu
241Am
+
Cm的合成：
94241Pu +
原子弹爆炸产生。
主要困难是如何获得热核反应所需的高温及如何约
束高温下的热核材料。
核聚变是理想的能源
利用丰富的12D氘同位素作原料，使其聚合发 生下列反应：
1 1 2D 2D
＋12D → 23He ＋ 01n ＋ 3.2MeV ＋12D → 13T ＋ 11P ＋ 4.0MeV → 24He ＋ 11P ＋18.3MeV
正电子10e具有与电子质量相同、电量相同、但电荷
符号相反。
粒子轰击是人工合成新元素的主要方法。
2-1 核反应----裂变
当用慢中子轰击235U时，发生裂变，分裂为大小不
等的碎核，同时有2~3个中子射出。如：
92 235U
+
0
1n

56Ba +
Kr + （2~3）01n 36
裂变产物除Ba和Kr外，还有其它碎片。这些碎片再
114号元素Fl（Flerovium），以俄罗斯杜布纳核反应Flerov
实验室命名，尚无中文名称
116号元素Lv（Livermorium），以美国加利福尼亚Livermor
国家实验室命名，尚无中文名称
2011版国际最新元素周期表
1-2 元素的分类
118种元素按其性质可以分为
金属元素： 96种 非金属元素：22种
2 4He

96
242Cm
+ 3 01n
1n
Cf的合成：
96242Cm +
2 4He 98 245Cf
元素（Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt）单质，还有 由陨石引进的天然铜和铁（铁陨石）等。
从存在的物理形态来看：
常温常压下，元素的单质以气态存在的有11种，
即N2、O2、H2、Cl2、F2和He、Ne、Ar、Kr、
Xe、Rn；
以液态存在的有2种：Hg、Br2；
还有2种单质，熔点很低，易形成过冷状态，
3．海洋中的分布----海洋化学
海洋中存在80多种元素。其中镁储量2100万亿吨， 钾600万亿吨，溴100万亿吨（占99%以上），硼7万 亿吨，碘930亿吨，铷1900亿吨，锰储量4000亿吨
（为大陆储量的4000倍），铀的储量也很可观。Ag、 Au、Ra等微量元素50余种。海水中的重水是提取氘 的重要原料。
2-1 核反应----衰变
（3）衰变：放出射线。射线也叫光子。如：
60Co* 27

60Co 27
+
激发态原子核通过发射射线跃迁到低能态（或基 态），原子核的质量数和电荷数保持不变，只是 能量状态发生了变化。 在、衰变过程中，由于原子核处于激发态，通 常伴有衰变。
2-1 核反应----粒子轰击
大气污染物
第二节 核反应及人工合成新元素----核化学 化学反应是在原子核不变的前提下发生的 核外电子的相互作用，是原子的划分与化 合，只生成新的单质和化合物，不生成新 的元素。 核反应是原子核发生重组，生成新的元素。
核反应通常可分为4类：衰变、粒子轰击、
裂变、聚变。
2-1 核反应----衰变
石棉、滑石、水泥原料、珍珠岩、大理石、膨润土、 石膏等非金属建材矿产也有相当储量。
但铁矿、铜矿等多为贫矿；钾盐、天然碱、天然硫、
金刚石等资源不足；金、银、铂等贵金属储量稀少；
共生、伴生矿多，地区分布很不均衡。
2．动、植物中的元素分布----生物无机化学
除C、H、O、N外，大约有三十种元素对生命极为 重要。
是进行打击的粒子，b是发射出来的粒子，M‘是产
生的新核。上述反应可缩写为36Li（n，）13H。
举例：1327Al（，n）1530P表示如下反应
13 27Al
+
2
4He

15
30P
+
0
1n

30P不稳定，可蜕变为 30Si，同时放出正电子： 15 14 30P 15

30Si 14
+
0e 1
2-1 核反应----衰变
（2）衰变：放出射线。粒子就是电子-10e 。如：
234Th 90 228Ra 88

234Pa 91 228Ac 89
+
0 -1 e（粒子）
+ -10e （粒子）
发生衰变时，原来原子核里的一个中子转变成一
个质子，同时发出一个电子，因此衰变所得的元 素为右移1格的元素。
第一章 元素概述
2012年2月
主要内容
第一节 元素的发现、分类和分布
元素的发现
元素的几种分类方法
元素在自然界中分布
第二节 核反应及人工合成新元素
核反应 人工合成新元素 和平利用核能
1-1 元素的发现
目前共发现118种元素，其中天然元素93种，人工合 成元素25种。
用高速的粒子（如质子、中子等）或用简单的原 子核（如氘核、氦核）去打击一种原子核，结果 放出另一种粒子或简单原子核；被打击的原子核
同时变成一种新的原子核。如：
3 6Li
+
0
1n

1
3H
（氚） +
2
4He
用n代表中子、p代表质子、d代表氘核、代表氦
核、代表光子等符号表示。
缩写形式M（a，b）M’，M代表被打击的核，a
锕系元素等
稀有气体：氦(He)、氖(Ne)、氜(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)
1-3. 元素在自然界中的存在形态
1．游离态（单质）：大致有三种情况：
气态非金属单质：如N 2 、O 2 、H 2 、稀有气体
（He、Ne、Ar、Kr、Xe）等；
固态非金属单质：如金刚石矿、硫黄矿； 金属单质：如Hg、Ag、Au（天然金矿）及铂系
铂系贵金属元素：钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(0s)、铱(Ir)、
铂(Pt) 稀土元素：钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)及镧系元素 放射性稀有元素：锝(Tc)、钋(Po)、砹(At)、氛(Rn) 、钫(Fr)、 镭(Ra)、钷(Pm)、锕(Ac)，除钍(Th)、镤(Pa)、铀(U)以外的
2D＋ 3He 1 2
总反应为：
612D → 2 24He＋211P＋201n＋43.1MeV
2-2 超铀元素，人工合成新元素—放射化学 超铀元素是指铀以后的元素。1940年，美 国Seaborg在用中子轰击92238U时首次合成 93号元素镎Np：
92 238U
+
0
1n 93

92
239U
这种划分与其储量无关。例如钛，由于冶炼技术要
求较高，难以制备，人们对其性质了解很少，被列
为稀有元素，但它在地壳中的含量排第十位；而有 些元素虽然贮量并不多，但矿物比较集中，如金已 早被人们所熟悉，被列为普通元素。
稀有元素
轻稀有元素：锂(Li)、铷(Rb)、铯(Cs)、铍(Be) 分散性稀有元素：镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)、硒(Se)、碲(Te) 高熔点稀有元素：钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、 钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)
（1）衰变：放射性元素不断地、自发地放出射 线。射线是极高速度的粒子（即氦原子核24He） 流。如：
238U 92

234Th 90
+
4He（粒子） 2
226Ra 88

222Rn 86
+
4He（粒子） 2
发生衰变时，原来的原子核由于放出氦核而减少
了2个质子，剩下的蜕变产物为左移2格的元素。
经过几步衰变，最后蜕变为稳定的核。原子弹就
是基于裂变原理制造的。
核裂变的同时，还放出大量的能量。
2-1 核反应----聚变
很轻的原子核在异常高的温度下合并成较重的原子
核。反应进行时放出巨大的能量。这种核聚变一般
是不可控的，也称热核反应。
1 2H
+
1
3H

2
4He
+
0
1n
氢弹就是基于上述反应制造的。反应所需的高温由
十公斤。
4．大气中的元素分布----大气化学
大气组成：在80-100公里以下的低层大气中，气体
成份可分为两部分：
‚不可变气体成份‛：主要指氮、氧、稀有气体。
维持固定的比例成份，不随时间、空间而变化。
‚易变气体成份‛：以水汽、二氧化碳和臭氧为
主，其中变化最大的是水汽。
大气可以大致分为干洁空气、水汽、微粒杂质和新
海洋是元素资源的巨大宝库！国家级蓝色经济区建设， 烟台责无旁贷，化学大有可为！
小知识：深海矿产-锰结核矿
锰结核又称多金属结核、锰矿球、
锰矿团、锰瘤等，它是一种铁、锰
氧化物的集合体，颜色常为黑色和 褐黑色。锰结合的形态多样，有球 状、椭圆状、马铃薯状、葡萄状、 扁平状、炉渣状等。锰结核的大小 尺寸变化也比较悬殊，从几微米到 几十厘米的都有，重量最大的有几
即Cs(熔点为28.5℃)、Ga(熔点为30℃)；
其余元素的单质呈固态。
2．化合态：元素主要存在形式
离子型卤化物:NaCl, NaNO3, KCl等 难溶碳酸盐、硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐等；
难溶硫化物:FeS2, As2S3, PbS等 稳定的氧化物：SiO2, Al2O3, SnO2, TiO2
K
Ti
1.08％
0.22％
这10种元素约占99％。氧是地壳中分布最广的元素。
我国的矿物资源
金属矿物：钨、锂、锑、锌、稀土居世界之首，锡、 钼、铋、铅、汞、铌、钽、铍等储量均居世界前列。
稀土总储量占世界的80％；钛铁矿居世界第一。
非金属矿物：硼矿、菱镁矿储量居世界首位，磷矿
居世界第二。莹石、硅石等重要冶金辅助原料以及
国际纯粹及应用化学联合会（IUPAC） 2011年在伦敦宣布
110号元素Ds（Darmstadtium），以发现地德国达姆施塔特
Darmstadt命名），中文名称：鐽
111号元素Rg（Roentgenium），纪念X光的发现者、德国物 理学家伦琴Wilhelm Rontgen，中文名称：錀 112号元素Cn（Copernicium）ຫໍສະໝຸດ Baidu纪念现代天文学创始人尼古 拉· 哥白尼Nicolaus Copernicus，中文名称：鎶
等
1-4．元素的分布
1．在地壳中的分布----地球化学
元素在地壳中的含量称为丰度，丰度可用质量百分
数或原子百分数(克拉克Clark值)来表示。
元素 O 原子百分数 52.32％ 元素 Fe 原子百分数 l.50％
H
Si
16.95％
16.67％
Ca
Mg
1.48％
1.39％
Al
Na
5.53％
1.95％
通过硼—硅—砷—碲—砹和铝—锗—锑—钋
之间的对角线来划分。位于对角线左下方的
单质都是金属；右上方的都是非金属；对角
线附近的锗、砷、锑、碲等称为准金属。
普通元素和稀有元素
普通元素：如碳、氢、氧、氮、硫、磷、铁、铝、
铜、银、金等。
稀有元素：含量少或分布稀散的；发现较晚的；难
以分离提取的；制备和应用较晚的等。