在人類文明的舞臺上，化學(xué)元素扮演著無與倫比的重要角色。
《元素與人類文明》這本書的作者孫亞飛博士，以金、硅、碳等重要的元素作為線索，講述了人類怎樣逐步形成對化學(xué)元素的科學(xué)認知，并結(jié)合史料和典故向讀者描繪了這些元素，如何參與到文明進程之中。
人類對“元素”的科學(xué)認知是經(jīng)過了數(shù)千年的探索。在古代社會中，就出現(xiàn)過“四元素”、“五行說”等樸素的元素理論。
對元素的理性認識始于19世紀。英國科學(xué)家道爾頓提出，原子是構(gòu)成萬物的最小單元，而大小和性質(zhì)完全一樣的原子就可以被歸為一種“元素”，并且每一種元素都具有特定的“原子量”。隨后，相關(guān)研究有了快速進展，學(xué)者們確定了大量元素，并初步探究了不同元素間的關(guān)系。
1869年，俄國化學(xué)家門捷列夫?qū)?dāng)時已知的63種元素，按原子量的大小順序排列。同時，他還將一些性質(zhì)相似的元素上下排成縱列。在元素表中，橫行叫做“周期”，縱列叫做“族”。一般而言，在同一周期內(nèi)，金屬元素位于表的左端，非金屬元素位于右端；同族的元素則大多具有相似化學(xué)性質(zhì)。
這張表格不僅很好地理清了已有的實驗結(jié)果，還能做出準確的預(yù)測。在把當(dāng)時已知元素寫入表格時，門捷列夫發(fā)現(xiàn)了四個空白位置。因此，他判斷未來將會有四種新元素被發(fā)現(xiàn)，并預(yù)測了它們的原子量等細節(jié)參數(shù)。隨后，“鎵、鈧、鍺、锝”的發(fā)現(xiàn)，證明了門捷列夫理論的正確性。
2016年，化學(xué)家們正式確定了118種元素，從而將元素周期表上第七個周期徹底填滿。不過，周期表中越靠后面的元素，它們的原子量就越大。為了獲得新的元素，往往要依靠高溫、高能等人工條件。而且這些人造元素的穩(wěn)定性也很差。不過，元素周期表經(jīng)過不斷的完善，仍然在化學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用。
自古以來，各種文明都對黃金十分喜愛，這主要有三方面的原因。
首先，黃金儲量非常稀少，人類歷史上所開采的黃金總量還不到20萬噸。此外，金是一種很穩(wěn)定的元素，它不容易被空氣氧化，也很難被普通的酸堿腐蝕。第三，黃金有著獨特的金黃色。
為什么金子是黃色的呢？這要從原子內(nèi)部說起。
原子內(nèi)部存在一個原子核，其周圍有很多電子在各自不同的軌道上運動。當(dāng)電子變化軌道時，需要吸收或者釋放能量，這個過程就叫做“電子躍遷”。當(dāng)光照到金屬時，電子會吸收一部分光的能量，從而躍遷到更外側(cè)的軌道。如果吸收的光線正好是可見光的一部分，那么這塊金屬在人眼看來，就會呈現(xiàn)出與被吸收光呈互補關(guān)系的另一種顏色。
在金的原子內(nèi)部，處于最外圈軌道的電子，速度超過了光速的一半。根據(jù)相對論，這些高速運行的電子，其質(zhì)量比靜態(tài)時高出20%，這使得它們的軌道也發(fā)生了復(fù)雜的變化。最終呈現(xiàn)的結(jié)果是，當(dāng)金中發(fā)生電子躍遷時，會吸收藍色的光波。于是，金就會呈現(xiàn)出與藍色互補的顏色，也就是金黃色。
對黃金的爭奪，影響了很多人類歷史中的重要事件。16世紀，西班牙在殖民美洲時，依靠槍炮與病菌，戰(zhàn)勝了擁有數(shù)萬軍隊的印加帝國，并掠奪了大量的黃金。但隨著大量黃金涌入西班牙本土，這給當(dāng)?shù)氐慕鹑谙到y(tǒng)和社會穩(wěn)定帶來了嚴重沖擊，最終導(dǎo)致了國力的衰敗。
在當(dāng)今社會中，除了裝飾和保值，黃金在電子、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。比如，黃金穩(wěn)定性極佳，可以用作手機中銅導(dǎo)線的保護層。
硅元素在地殼占比達到四分之一。各種硅基物質(zhì)中，硅酸鹽占到了絕大部分。
所謂硅酸鹽，指的是硅與氧為主體，再加上鋁、鐵等元素結(jié)合而成的化合物。在硅酸鹽中，硅和氧會組成一種四面體結(jié)構(gòu)，這些四面體進一步相互連接，形成穩(wěn)固的網(wǎng)絡(luò)，從而讓硅酸鹽具有高強度、高熔點等優(yōu)良性質(zhì)。
以硅酸鹽為基礎(chǔ)，通過加熱的方法，可以得到陶器。陶器的原料是黏土，黏土是微小的硅酸鹽顆粒和一些有機質(zhì)的混合物。這些有機質(zhì)就像膠水，可以把硅酸鹽小顆粒粘在一起。往黏土里加點水，它就會變成橡皮泥一樣，能夠揉捏成各種形狀。如果對黏土加熱，其中的水分會跑掉，并且?guī)ё哂袡C質(zhì)，讓剩下的硅酸鹽緊密地?zé)Y(jié)在一起，從而得到輕便、易操作的陶器。
硅和氧所組成的另一類重要材料是玻璃。在玻璃的制作中，是以二氧化硅為主要原料，再配以碳酸鈉等其他成分，并需要對這些原料進行穩(wěn)定加熱。
玻璃最大的特點是其透明性。人眼能看到的可見光波長在390納米到750納米之間。對這些波長的光，玻璃內(nèi)部的電子沒法進行吸收，只能讓光線直接穿過去，所以它就是透明的了。玻璃對于可見光透明的特性，使其成為光學(xué)儀器和化學(xué)設(shè)備的基礎(chǔ)。
在如今的信息社會，通過特定結(jié)晶條件得到的單晶硅，成為了一種關(guān)鍵材料。
芯片運行中需要把信息轉(zhuǎn)變?yōu)槎M制信號，這是通過控制電路的低電壓和高電壓來實現(xiàn)的。因此，需要材料本身能靈活地改變導(dǎo)電性，以實現(xiàn)電壓切換。在單晶硅中，硅原子會形成共價鍵，電子會被困于其中。此時，單晶硅表現(xiàn)為絕緣體；如果出現(xiàn)高溫和電壓刺激等條件，硅中的的電子就會偏離自己的崗位，逐漸流動起來，從而使材料表現(xiàn)出導(dǎo)電性。所以，單晶硅的這個特點使其成為了一種優(yōu)良的半導(dǎo)體，可以用于芯片的制造。
依靠著認識元素、使用元素，人類成為了地球上最成功的物種。毫無疑問，人類未來的發(fā)展，也離不開對元素的應(yīng)用與開發(fā)。
