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Shownotes Transcript
大家下午好我叫吴尔平是一名科普作家那么我们今天来讲一讲积木这个积木可不简单你用它可以组装成这个世界上任何你看得见摸得到的东西这个积木其实也没有那么神奇了它叫化学元素不过化学元素我们脑子里想的不是课本上的一个个文字和符号吗它和我说的积木有什么关系呢别急我们从一个简单的例子开始
我相信大家小时候都有玩过积木玩具我们在打开包装之后我们会得到很多的这样的零件那么我们所要做的呢就是通过动手 动脑来把它们组装在一起对于一些比较简单的套装来讲我们可以通过自己的摸索和尝试就能够完成拼搭比方说像我手里拿着的这个它的拼搭步骤其实就不繁琐那么在我说话的功夫我就把它拼得差不多了装起来其实很轻松的
完成很可爱对不对但是呢对于一些比较复杂的比方说像这一个它的平台步骤就很繁琐我们这时候就需要借助图纸按照上面的指示说明来进行搭建了如果你观察得足够仔细的话你会发现这个过程似乎有着一些规律
比方说有的零件它比较小 不起眼往往承担着连接彼此构成框架的作用而另外一些则色彩鲜艳 造型丰富往往分布在积木成品的表面起到着装饰性的作用我们在拼插完之后有时候还会把它拆开按照自己的喜好去重新组装在这个过程中我们也要遵循着我刚刚提到的这样的规律这样我们得到的成品它才足够地匀称 美观 而且牢固
如果说积木是一门学问的话它是在研究每个零件可以发挥什么样的作用它们互相之间可以如何组合那么积木零件就是我们的原材料研究的对象图纸就是指引我们去发现规律的教材这时候我们换一换把研究对象从积木零件换成我们身边的事物那么研究这些事物是如何组成它们可以发生什么样变化的学科其实就是化学了
我们身边的事物多种多样构成它们的一个个积木零件其实就是化学元素了同样的不同的化学元素它们有着不同的性质在构成物质的化学反应当中就是在拼搭的过程当中它们也会扮演着不同的角色所以说化学元素是构成世界万物的基础单位因此它也是我们中学化学所教授的重点内容
那么和在座的各位一样我曾经也是一位学生在国内接受了中学的化学教育那个时候的我们很幸运我们赶上了我们的化学老师退休之前说我们再带一届学生吧那我们就是最后一届了因此我们的化学老师在我们身上投入了格外多的心血他会用自己编写的教材来给我们进行授课同时他也很鼓励我们去做一些课外的探索去阅读高年级的教材
我记得有一次我在他的办公桌上发现了一本教材人教化学必修一这个本来是给高一的学生看的但看到他的时候我还是穿翻开它的封面它的飞页是一张元素周期表元素周期表其实就是像一个零件索引图一样它把这个化学元素按照周期性出现的这种规律排布在一起得到了这样的一张图表常见的是这个样子的但是人教化学必修一的这张周期表长得不太一样
它的每一个单元格里面填充的不再是文字 数字或者说符号取而代之的是一个个化学元素的实物样本照片是这个样子的我也曾经好奇过资料里提到的一个个化学元素它们是长什么样子的那么显然这张元素周期表它吊起了我的胃口但是却又没有完全满足我的好奇心于是我便萌生了一个念头来说我自己去收集一些化学素单质亲眼去看一看它长什么样子
试想一下我把这些化学元素就摆在你的面前看就是它们相互之间组合构成了世间万物握住了它们我就仿佛握住了整个世界这是多么神奇的一种体验于是说干就干我就开始收集化学元素了那么最先考虑到的肯定是手边上离我最近的我收集起来最方便的首先呢是来自实验室的一个新列尔
严格意义上来讲它是一种耗材因为它可以和酸液反应产生氢气氢气有什么作用呢我们有一个实验会用到它把氢气和氧化铜放在一起在高温下供热那么氢气就能够把氧化铜还原成铜我这不就有了铜了吗通过高温还原得到的铜是粉末状的那上面这些金属丝是哪里来的呢来自物理实验室报废掉的导线
把导线的橡胶拆掉它里面其实就是纯净的金属铜因为铜有着比较好的导电性所以我们也没有必要在里面去掺杂其他的元素好吧这就是我最早收集到的两份化学元素样本那么你可能会想问这个东西有什么神奇的能够让我持之以恒孜孜不倦地收集了十几年从 2011 年到了现在那么当然答案其实也很简单
我在这些年来收集它们的过程当中也不断接触到更精美更好看的样本同时它们也能给我带来很多意外之喜我在它们中见到了一些在课本中在教材中被描绘得神乎其神的一些元素比方说举个例子 色色是一种非常活泼的金属当它暴露在空气中的时候它会像铁生锈一样快速地氧化 变暗但这个过程非常剧烈会放出热量有的时候会让自己燃烧起来
我们可以看到金属色在接触到空气的时候它会马上失去表面的光泽那么在接触到水的时候绝大多数金属它会沉到水底但是色会发生爆炸如此活泼的性质导致了金属色只能保存在密闭的硬质玻璃管里面但是我现在就把它拿在了手里看到了吗这是金属色
而且我可以用它来演示一个神奇的性质 4 的熔点很低它只有 28.44 摄氏度这就意味着我把它握在手里我体表的温度就能够让它融化变成一滩金灿灿的液体大家可以注意观察一下可能隔着手套热量传到的不是非常的快能够看到吗它已经开始流下来了我们可以等的时间稍微久一点点诶
那么反过来我把金属色它在融化的金属色放在桌子上让它静置冷却的话它又会重新变成金黄色的金属这是一种非常神奇的体验看一看那么放一会儿它又会重新变回固体接下来我会用另外一组化学元素的样本去给大家演示一个另外一种你们在资料里见不到的体验那么我想邀请两位观众小朋友上来和我完成这个体验来
听我说这里有两个立方体你们分别拿取其中的一个你们交换一下 小心哦用戴手套的手去拿好 来 放回来 谢谢从他们的体验你们可以看出来这两个立方体的重量差距十分悬殊好 谢谢两位小朋友 你们可以回去了但他们外表看上去没有什么太大的区别到底是什么在作怪我们要讲一个概念 密度
密度或者说一个元素它的密度指的是一个绝对纯净的元素样本的完美单晶在一标准物质体积下的标准质量好 查云道化我加了好多限定词因此它在实际情况中也很难去达到但是在误差允许的情况下我们可以用它来辨别判断一些不同的元素比方说这两个好吧 我们揭晓一下答案它们分别是美和污
每的密度是 1.74 克每立方厘米而乌则是 19.25 克每立方厘米二者相差了 11 倍而当它们被分别制作成边长为 2 英寸的立方体的时候它们的质量分别是 230 克和 2500 克
我把这个数字写在纸上或者说拍成照片再或者说录成视频去给你们看给你们带来的体验都不如说直接把它们握在手里拿一下 掂量一下这样来的直观除此以外我还准备了一组插去更为悬殊的元素样本它们分别是锂和鹅
锂的密度是 0.534 克每立方厘米只有水的一半多一点点而鹅则是 22.59 克每立方厘米它们分别是密度最小和密度最大的两个金属我们看这是一克的锂它能够填充满整个玻璃管是实心的那一克鹅呢其实就是这么小的一个金属粒它们的重量都是一克这个差距是不是非常的明显二者相差了 42 倍嘛能不明显吗
我们刚才提到了锂的密度它只有水的一半多一点点这也就意味着说我把装有金属锂的玻璃管放在水里锂的低密度可以带着玻璃管一起飘上来它会飘上来我想没有什么比这个更让人感到惊诧的对不对我们刚才讲了很多的金属其实元素周期表里还有很多有意思的元素但它们是气体
举一个例子稀有气体它们位于元素周期表最右边的这一列它们大多都是这种无色透明的气体我在这里准备了一组这样的玻璃管它们里面分别填充了氦 奶 亚 克 鲜五种这种稀有气体刚才说了它们都是这种无色透明的气体所以它充在玻璃管之后你能告诉我它们有什么区别吗你不能当然我也不能但是我有一个办法用高压电
我们知道原子在受到钩钩电的激发的时候它会吸收能量但这个状态不能保持很久它很快就会以发光的形式把这些能量再次释放出来那么不同的原子它有着不同的结构因此它们发出的光线的颜色也是不一样的话不多说我们来试试看吧灯光老师可以把灯关一下吗首先是氦它被点亮之后发出的光线是桃红色的其次是奶它发出光线是明亮的橘黄色
再往下是亚它是紫色的克则是带有一点绿色最后一个是鲜它发出的光线是天蓝色我们再来看一遍亥 乃 亚 克 鲜它们发出的颜色是不一样的好吧 我们可以把灯打开了它们发出的光线准确来讲我拿相机修正过之后它们分别是这样的颜色有一个东西你们有没有见过叫做霓虹灯它的英文名字是 Neo
而当你熟悉化学度之后你会发现奶它的英文名字也是 Neo 这是一种巧合吗
那很显然不是啊通过刚才的观察我们能够发现奶发出的光线它是最为明亮的同时也是最具有识别度的所以人们用奶来填充霓虹灯灯管而这个东西它的名字也就取自于奶元素那么今天分享元素的这一个部分差不多就到这里结束了因为时间的缘故很遗憾我收集了这么这么多的化学元素样本但我却没有机会把它全部拿来和大家展现出来
如此种种遗憾发生过很多次因此我得想一个办法去解决它于是从 2012 年开始我拿起了相机尝试用镜头把这些样本记录下来从而能够在网络上去分享它们让更多人能够看见它们那么一开始也没有什么拍照的经验我就把这个样本放在书架上旁边拿台灯一打光 开门一按好了 就是一张照片
随着后来拍摄的经验积累越来越丰富我也尝试了不同的风格去展现元素不同的一面也方说黑色的背景去呈现出金属的色泽或者说底下垫上一个网格纸让大家知道它这个样本的尺寸有多大到最后我发现用白色的背景最干净最好看
于是我就把我所有手机的样本用白色的背景拍摄了一遍当然它们只是冰山一角那么拍摄了这么多元素样本把它们里里外外再从外外里里又拍了一遍之后我觉得我已经对它们足够了解了它们是什么样子我还不清楚吗当然并不是这样子的 2016 年的寒假那次我在拜访安威美丽科学的梁妍老师的时候
借用他们实验室的一个显微镜这是他们当时实验室一个很新的东西他说 二平带了一些样本过来对不对拿来底下拍一拍看吧我就把我当时随身携带的一些样本放在了底下我第一次知道原来我还错过了这么多有那么多肉眼观察的时候看不到的细节在放大之后它景致原来是如此的震撼惊讶之余我拍摄了很多这样的照片我接下来会和大家分享几组大家也可以来猜猜看它们分别是什么元素在放大之后所呈现的景象
第一个 这个是金属色金黄色的我们不应该先想到金吗但是我刚才演示的金属色它在凝固之后会形成这种鱼骨状的晶体非常的漂亮当然它也是保存在硬质玻璃管里其实就是我刚才拿来演示的这一管色最活泼的金属元素第二个用来制作我们今天讲做 PPT 封面的这个大家应该不知道了吧它是帆帆在高温下它表面会氧化
但是氧化膜的厚度不一样的时候它们会偏折光线从而产生多彩的颜色它在放大之后就会呈现出这种像是凝固了的油画颜料块一样的景象它看上去是这样子的其实也就指甲盖这么大一个样本再下一个这个大家肯定有听说过它叫做我们常说要喝牛奶或者说吃钙片来补钙
我们可能下意识地认为钙就是像我们这个粉比灰一样这种白色的粉末但实际上它是一种银白色带有一点点淡黄色这样的一种金属就连很多专业的化学工作者其实他们都没有机会去亲眼见到真正的金属钙的样子再来这个送分题大家都知道黄金但是这里展示的是一份通过化学气象乘积法得到的黄金的结晶大家能够看到它细致的纹理
当然这个样本 15 大小其实也就指甲膏这么大是密度最高的元素之一最后一个注意它表面淡蓝色的色泽其实我在刚才也讲到过这个元素对的 鹅密度最高的金属那么这也是通过化学细像沉积法得到的结晶在放大之后我们能够清楚地看到它表面的纹理
随着和元素打交道了这么多年我和它之间发生了太多有意思的故事我把它记录了下来用文字 用照片以及用我刚才这种在无意之间所发现的方法我积累了很多的素材我就想着如何把它们组合起来变成一本图书给那些在刚刚接触到化学的学生比方说像我 当年的我如果我说当年的我遇到这样的一本图书我会不会更喜欢化学呢
我一直在思考这个问题带着这个问题我创作了一本书它用 17 年最后它的版面呈现这样也在去年和大家见面了叫做《美丽的化学元素》除此以外这十来年我不光是在孜孜不倦地收集化学元素我还在努力地把它们放到一些别的地方去比方说刚才提到了我在学校的时候特别喜欢读课外的材料
我特别希望自己拍摄的照片能够成为他们之中的一员这两个学校他们用我的照片制作成了展墙学生们非常喜欢再举个例子小时候我去过中国地质博物馆被里面烟花缭乱精美绝伦的矿石所震撼在收集化学元素样本的过程中我就在想我自己收集的这些样本有没有机会和他们一起陈列在同一个展柜里面呢
机会就来了在去年他们举办了一场叫做神奇元素在哪里的展览我提供的数百件样本就和他们馆藏的矿石标本被一起放在了展柜里面给观众带来了非常好的观展体验
除此以外我还做了非常多的努力让它们出现在了央视纪录片 Bilibili 纪录片中国化学会的台历以及新华网的专题报道等等等等我相信随着我的努力它们会变得越来越多当然这也是我坚持这个爱好这么多年来想要的一个结果那就是让更多在刚刚接触到化学的学生们让他们对化学产生兴趣认为它是一门有意思的学科
那么这么看下来的话我的努力好像得到了一些回报或者说我付出的一切都是值得的而且更让我感到惊讶的是这些东西的受众包括你们在内这些小朋友们他们的知识储备量真的太丰富了他们太优秀了远超于当时的我那这又有什么让我不去创作更多更好的作品的理由呢
或者说在努力去提升自己的知识储备让自己去知道更多的东西能解答更多小朋友们的疑问呢对不对那么我分享的内容就到此结束了谢谢大家