第1章 坏脾气的金属元素
位于元素周期表中最左侧的两列元素，除了氢（1）以外，都是不折不扣的活泼金属。元素周期表中最左侧的一列是IA族元素，通常称为碱金属，它们的原子的最外层只有一个电子。这个单独的电子非常容易在化学反应中失去，因此碱金属的化学性质非常活泼。在接触水的时候，碱金属元素会立即失去这个电子，和水发生剧烈的反应，生成强碱并放出氢气（2M+2H2O=2MOH+H2↑，此处的M代表碱金属元素），因此它们被称作“碱金属”。活泼的性质使得它们需要通过特殊的手段进行储存，我们在使用过程中要时刻注意周围的环境。从上到下，碱金属元素的原子半径依次增大，其最外层的那个电子也越来越容易失去，因此它们的化学性质有着明显的递变现象。比如，碱金属单质和水发生反应时不同的剧烈程度就是用来讲解元素周期律的绝佳例子，反应会随着碱金属元素序数的增加而变得更加剧烈。
元素周期表中的第二列是IIA族元素，也称为碱土金属。相对于碱金属元素而言，碱土金属元素的最外层多了一个电子，而增加的这个电子让碱土金属和水的反应平和了不少（虽然这仍是一种快速反应，但至少是可控的）。这是因为碱土金属的氢氧化物[M(OH)2，此处的M代表碱土金属元素]在水中的溶解度并不高，很容易随反应的进行覆盖在碱土金属表面，使得反应变慢。碱土金属的氧化物的热稳定性很好，在灼烧的时候不易分解。这种性质被称为“土”，这也正是碱土金属名字的由来，它们的性质介于“碱”性和“土”性之间。
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通过冷凝蒸气制作的锂结晶。锂非常活泼，会和环境中微量的杂质气体发生反应，从而使得表面变暗。显微摄影画面的实际宽度约为19毫米。
锂是第一种金属元素，极为简单的原子结构、较小的相对原子质量和较大的原子半径赋予了它难以置信的低密度——只有水的一半多一点。锂非常活泼，这样的性质使得锂通常被应用在电池里，因为它能够保证电池在蕴含足够能量的同时十分轻盈。等等，说到性质活泼，锂到底有多么活泼呢？
取一块金属锂，将其投到水里，它会迅速和水发生反应，产生大量氢气（H2）以及一股刺激性的气味——没有人愿意凑近一块正在和水发生反应的金属锂，这是因为具有强烈刺激性的产物氢氧化锂（LiOH）被水蒸气、氢气带出来了。我们在学生时代对金属锂的化学性质了解得很少，大多数知识是通过观看网络上的一些锂和水发生反应的实验视频获得的。在一些人的印象中，锂和水的反应不剧烈，它的活动性不是很强。然而，锂真是这样的吗？
从原子结构来看，锂是还原性极强的元素。不过，在和水发生反应时，锂会受到很多动力学因素的影响，比如氢氧化锂在水中的溶解度较低，容易附着在金属锂表面阻碍它与水接触和反应，所以反应并不剧烈。不过，锂在空气中燃烧的剧烈程度是其他金属无法比拟的。空气中的氮（7）、氧（8）都能让锂持续燃烧，同时释放出大量热能。熔化的锂还会和玻璃发生反应，这一点很不好，这也是为什么我无法像处理其他碱金属一样，通过在玻璃管里熔化后冷却的方式制作锂的晶体。
当然，如果不用玻璃管保存锂，那么就一定要备好石蜡油和棉花（锂会漂浮在石蜡油上，不过可以用棉花将其压下去）。这是最方便、最安全的保存方法。如果按照一些资料中建议的方法用固态石蜡保存锂，确实能阻止锂接触空气，但石蜡的包埋也会使锂非常难以取出，附着在锂表面的石蜡会对后续实验操作带来非常大的影响，即便熔化石蜡再取出来也一样。除了锂以外，在保存金属钠的时候也一定不要采取这种糟糕透顶的方法。
元素序号符号：
(3) Li
相对原子质量：
6.941
密度：
0.535 g/cm3
熔点：
180.50 ℃
沸点：
1342 ℃
原子半径：
167 pm
表面被轻微氧化变成彩色的金属锂切块。
数码相机中使用的可重复充电的锂离子电池，其外包装上注明了所用材料。
除了可以反复充电使用的电池，锂也可以用于制造一次性的纽扣电池。
锂云母[K(Li,Al,Rb)2(Al,Si)4O10)(F,OH)2]是最常见的锂矿石，也是工业上生产锂的重要原料。
金属锂的化学性质十分活泼，当暴露在空气中，新鲜的金属表面（左）会在不到1分钟的时间内发黑变暗（右），表面被紫黑色氮化锂（Li3N）覆盖。
通过熔化后冷却制作的钠晶体。液态的金属钠非常黏稠，很难从已经凝固的晶体上脱离下来，因此形成了这种有趣的外观。这是通过蒸馏提纯的钠，我们在钠熔化之前（右图）能够看到蒸馏过程中冷凝形成的微小液滴颗粒。显微摄影画面的实际宽度约为8毫米。
钠是生活中最常见的元素之一。我们每天都要从食物中摄取钠，因为钠在我们的体内起着非常重要的作用，保证了身体器官对水的调节。这里说的当然是钠离子（Na+），金属钠可不是用来吃的，我们的体内也没有金属钠。真正的金属钠多见于实验室，被安安静静地保存在煤油里。
把保存在煤油里面的钠取出来，你会发现它的表面有一层棕黄色的坚硬壳层。这是由于钠在煤油中浸泡的时间过长，与里面作为杂质存在的有机酸发生了反应。尽管我们被告知金属钠不会和煤油发生反应，但是谁会去和这个较劲呢？把钠切开，可以看到新鲜的切面和其他金属一样，也有着非常耀眼的银白色光泽。但这一好景不能维持很久，因为暴露在空气中的钠会被氧化，这个反应的速度并不慢。保存钠最完美的做法是用玻璃管在真空环境中（或者在惰性气体的保护下）密封保存钠，这样不但可以让钠长久保持光泽，而且可以通过加热使钠熔化并流动，在冷却过程中形成美丽的晶体（在整个过程中都不会有空气干扰）。
钠被丢进水里后，它会迅速和水发生反应，熔化成一个小球漂浮在水面上，并发出一些细微的声响。如果用更大块的钠做实验（严禁在室内操作），效果就会更加壮观，钠会在水面上燃烧，然后像烟花一样炸开，致使燃烧的液滴四处溅射，留下星星点点的火光。金属钠和水发生反应所发出的爆炸声是所有碱金属中最响的，这是因为钠和水发生反应放热，将产生的氢气（H2）和空气中的氧气（O2）组成的混合物点燃。至于钠下面的钾（19），它和水发生反应时也会爆炸，不过那就是其他原因了。
元素序号符号：
(11) Na
相对原子质量：
22.989769
密度：
0.968 g/cm3
熔点：
97.79 ℃
沸点：
882.94 ℃
原子半径：
190 pm
氯化钠（NaCl）是最常见的化合物之一，是我们日常食用的食盐（左图）的主要成分，右图所示是一瓶基准试剂，用于配制标准溶液。这种试剂对纯度的要求是很高的。
一盏由来自喜马拉雅山脉的岩盐制成的护眼灯，光线穿过盐块后变得更加柔和。
长期保存在煤油里的钠块，其表面已经变成了棕褐色。这是由钠和煤油里面作为杂质存在的长链羧酸发生反应导致的。这个样品是我在初中时期制作的，那时我还能期待什么？
低压钠灯（上图）和高压钠灯（下图），二者都通过激发钠原子发出黄光，区别在于低压钠灯的效率更高，但是只能发出单色光，因此在它的照射下，所有的物体只有黄色和黑色两种颜色，令人感到十分压抑，所以它的用途较少。高压钠灯的发光效率略低，但是它发出的光让人感到更舒适一些。
熔化后冷却形成的鱼骨状钾结晶，未被氧化的纯净金属钾有着非常美丽的光泽。显微摄影画面的实际宽度约为19毫米。
钾是银白色金属，但由于它的表面经常被一层淡紫色的氧化膜覆盖，人们很少能看到闪耀着银白色光泽的钾。我曾幸运地得到了一些保存在真空玻璃管中的钾，玻璃管的内部没有任何氧化物，我可以把它拿在手里，端详它的银白色光泽。
和钠（11）一样，钾在人体内也扮演着重要的角色，它和钠一起维持身体动作的协调。我们在日常生活中可以通过多种蔬菜和水果（比如香蕉和卷心菜等）来摄取足够的钾。
在大多数人的眼里，和钠相比，钾无非更加活泼了，它和水的反应更剧烈。但实际上，二者的区别还是很明显的。钾和水的反应足够快，能够产生足量的氢气（H2）并及时点燃它，产生紫色火焰；而钠不能，它只能慢慢地积攒氢气，等到一定的时候才会点燃，发生爆炸。实际上，钾及其下面的碱金属在和水反应发生爆炸时发出的声音都没有钠那么响，这说明氢气不是导致爆炸的唯一因素。
前面说过，原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的。当钾原子接触水时，它们会以极快的速度释放自己的电子，留下大量带正电的钾离子相互紧贴在一起，从而产生巨大的电荷排斥作用。金属钾原本的结构无法束缚住这些离子，所以会被破坏并发生爆炸，致使剩余的金属钾被抛向四周，继续燃烧。这种现象叫作库仑爆炸，是在2015年由国外的科学家研究碱金属和水反应发生爆炸的原因时发现的。这里只是简单地介绍钾与水反应发生爆炸的原理，或许这个概念以后会被写进教材里。同时，这也能提醒你：碱金属和水的反应是很危险的实验，不要轻易去尝试。当然，对于钾发生爆炸的原因，了解一下肯定更好了。提到碱金属和水发生反应的效果，钾的爆炸确实不如铷（37）精彩。
元素序号符号：
(19) K
相对原子质量：
39.0983
密度：
0.856 g/cm3
熔点：
63.5 ℃
沸点：
759 ℃
原子半径：
243 pm
不仅动物需要钾，钾对于植物来说也很重要。这瓶钾肥的主要成分是磷酸二氢钾（KH2PO4）。
香蕉和卷心菜是常见的含钾食物。
保存在石蜡油里面的金属钾切块。由于石蜡油中溶解了微量空气，新鲜的金属钾表面十分容易被氧化而呈紫色。
保存在硬质玻璃管里面的金属钾。或许是由于玻璃管内部的环境不够洁净，有一些金属钾在熔化后附着在了玻璃上。
封存在真空硬质玻璃管里面的5克金属铷的鱼骨状结晶。洁净的环境使得我们能够观察到内部的晶体。铷的流动性比钠、钾要好一些，因此熔化的金属铷在冷却过程中会离开枝状晶体，使之暴露出来。而较低的熔点让铷很容易熔化和冷却结晶，在室温下长期保持美丽的结晶状态。显微摄影画面的实际宽度约为10毫米。
大多数人所能看到的铷基本上都是被封存在玻璃管里面的银白色金属，它们看上去非常光亮。仅凭观察，谁都无法想象铷比位于它上方的钠（11）和钾（19）还要活泼。当它与空气接触时，情况就不一样了。铷暴露在空气中的表面会立即变成棕褐色并冒出白烟，被摩擦的时候甚至会迸出火花。
少量的铷在接触水时也会和钾一样熔化成一个小球，然后燃烧，发出紫色火焰。稍多一些的固态铷在被投入水中时可能会产生更多的烟雾，没来得及和水发生反应的部分被溅出容器。把熔化的铷滴入水里，它会像烟花一样炸开，产生大量烟雾和火花。铷的熔点比钾还要低一些，用台灯或吹风机就可以把铷熔化（前提是不要让它接触空气）。就是这个比较低而又不是非常低的熔点让铷和水的反应有着不同的现象。
就效果而言，铷是和水发生反应时现象最有意思的碱金属，然而知道这一点的人很少，因为基本上没有人会去这么做。铷是稳定的碱金属中最贵的一种，甚至比铯（55）还要贵。高度分散、用途极少（就目前的情况来看确实如此，但将来或许会有所改变）使市面上对铷的需求极小，反过来这也导致铷的供应不多，因此试剂商往往开出令人咋舌的高价。诸多因素使铷的价格变得如此不亲民。
我们会在一些地方看到铷的名字，如铷铁硼磁体、铷溅射靶等。实际上，这些名字被误传了。且不追究是谁最先开始这么说的，只要想想铷和钕（60）的汉字有多像，铷和钌（44）的元素符号（Rb和Ru）会被混淆，也就不会觉得这件事有多奇怪了。现在你既然知道了，就让这些误传从你这里停止吧，铷根本没有这些用途。铷的用途目前仅限于制造原子钟和一些光电倍增管，而在这些方面铷的表现都没有铯好（是的，铷和铯经常共同出现在这些领域中），因此铷迄今为止都没有什么重要的应用。这似乎不太公平？对不起，在铯的面前，铷确实没有那么出彩。
元素序号符号：
(37) Rb
相对原子质量：
85.4678
密度：
1.532 g/cm3
熔点：
39.30 ℃
沸点：
688 ℃
原子半径：
265 pm
一块天河石，是钾微斜长石[K(AlSi3O8)]的亚种，其中含有的微量铷和铯使矿石呈蓝绿色。
过去，活泼的碱金属难以分装，因此在生产小包装金属铷的时候会向玻璃管中注入一些石蜡油，以尽量避免金属铷被氧化。
一个铷原子钟里面用到的铷蒸气室，其中含有几百微克铷-87核素，即为照片中显示的那些黑色液滴。
一个铷原子钟标准频率仪，图中上方的容器中含有少量金属铷，它在加热的时候会变成蒸气，然后由信号发射、接收部件进行调频测量。铯原子钟的工作原理和这个仪器一模一样，但是更精准一些，价格也更高。
装在真空硬质玻璃管中的5克铯会在人手中很快熔化，变成一摊金色液体。液态的铯会随着温度的下降慢慢生长出鱼骨状的结晶，但由于我所居住的地方气温的缘故，不让这个晶体在我能随时看见的地方再次熔化是不太可能的。显微摄影照片的实际宽度约为8毫米。
在稳定元素中，铯最为活泼，可以说它在碱金属中出尽了风头。没错，把铯投入水中是很多人期待的一个实验，人们期盼着看到它发生剧烈的爆炸来过一把瘾。不过少量的铯在接触水时只会在一瞬间把自身弹飞，稍微多一些的铯可能会产生更多的烟雾，迸溅出更多的水和金属液滴，但无论如何也不至于炸毁一个浴缸[1]。
[1] 在英国某节目组制作的一期关于碱金属和水的反应现象的视频中，制作组用雷管伪造了铷、铯和水发生反应时剧烈爆炸的现象，以吻合他们预期的实验现象。
铯是一种金黄色金属，极度活泼，所以我们只能用充满稀有气体的密封容器或者真空密闭容器来保存它，以防止它与水和空气接触。铯的熔点非常低，比我们手心的温度还要低，因此在稍微温暖一些的天气里，它就会熔化成液体——一种闪烁着金黄色光泽的液体，在保存它的玻璃管里流动，然后在冷却过程中缓慢地生长出鱼骨状的金属结晶。铯是碱金属中流动性最好的，液态的铯很容易从结晶上脱离，留下带有金黄色光泽的鱼骨状结晶，绝对会让你大饱眼福。
铯的用途相当广泛。除了用来定义时间[2]，铯会发生很多化学反应。比如，在一些有机反应中，铯和其他碱金属发挥着相似的作用，而铯往往由于更强的反应活性能够获得更高的产率。因此，铯被广泛地应用在科研之中。铯的订购十分方便，只要条件许可，你就能够操作和使用它。在一些试剂公司的网站上订购装在不同包装里面的金属铯是一件非常寻常的事情，而且不得不说，当把包装上面写着“仅用于科技研发”的标签撕下来之后，它绝对能够成为科学家书桌上最有趣的摆件之一。
[2] 现行国际单位制对秒的定义是：铯-133原子基态的两个超精细能级间的跃迁对应辐射的9192631770个周期的持续时间。
然而，铯的危险性绝不可小视。把它当作桌面上的有趣摆件并不是一个好主意。保存铯的玻璃管可不是什么非常坚固的东西，一旦玻璃管破损，铯就会在接触空气的一瞬间被氧化，发生剧烈反应，冒出白烟，甚至发生燃烧。有趣的是，碱金属的燃烧和绝大多数易燃物质的燃烧不太一样。由于碱金属自身是还原性物质，在燃烧过程中会还原它们接触并能够还原的一切物质，比如从有机物（如纸张、木制桌子）中夺走氧元素（O），使燃烧变得更加剧烈且难以停止。这就使它变得更加危险了。和铯一样，铍（4）被打碎后暴露在空气中也十分危险，但是另有其因。
元素序号符号：
(55) Cs
相对原子质量：
132.90545
密度：
1.879 g/cm3
熔点：
28.5 ℃
沸点：
671 ℃
原子半径：
298 pm
铯沸石[Cs(AlSi2O6)·nH2O]是一种常见的含有铯的矿石。
一块呈立方体形状的纯净碘化铯（CsI）晶体，是制造闪烁体探测器的原材料。
由钠（11）、钾（19）、铯混合得到的淡黄色合金，这种合金有着非常低的熔点，在凉爽的室温甚至更低的温度下都能保持液态。
铯通过光照就会丢失最外层的电子，向外发射光电子。锑化铯（Cs3Sb）也具有这样的能力，是常见的制造光电阴极的材料。这是一个使用了锑化铯的光电倍增管。
我们可以借此机会聊聊铯和其他碱金属，因为关于它们的有些知识非常有趣，而且人们对它们的认知往往存在一些误区。
首先是价格。我们知道铷和铯十分昂贵，然而事实并不全如此。“1克铯要上千块钱”这句话是不准确的，因为铯的价格不仅取决于其质量，还受包装规格的左右。在许多出售铯的试剂网站上，你可以查到它的价格。在这本书完稿时，有着纯度证明的1克铯的价格还在700元到1200元之间浮动（这取决于提供它的厂家），但这不代表更大量的铯的价格也是这样。正如前文所说，由于铯的活泼性质，它需要在稀有气体或真空环境中被封存到玻璃管内。这是一件非常麻烦的工作（就连钠和钾在经过这样的处理之后，它们的价格也会增加几十倍甚至上百倍，不信的话可以去查查）。不论是大量还是少量的铯都要经过这样的处理，因此在一次性封存更多的铯时，平均下来，每克铯的价格会降低很多——几十元到一百元，不再像以前那样高。
还有一个常见的误解是关于铯的金黄色色泽的，许多教材和资料认为这是它的氧化物导致的——按照它们的说法，没有被氧化的铯是银白色的，但是世界上根本不存在银白色的铯样本。难道是因为做不出纯度这么高的样本吗？实际上不是。我们要知道的是，光照射在金属上时，有一些特定频率的光是可以被金属的电子吸收的。金属在吸收了特定频率的光后，会把剩下的其他频率的光反射回来，这就是我们所说的“金属光泽”。大多数金属吸收的是频率比较高的不可见光，因此它们的色泽是银白色。但并不是每种金属的光泽都一样，随着在元素周期表中的位置越来越往后，原子序数增大到一定程度时，原子的结构会变得越来越复杂，从而让金属的性质产生一些不同规律的变化。和周期表中更靠前的碱金属元素相比，铯有着更多的电子层，从而让它的电子更容易受到紫色和蓝色光线的激发。整块金属会吸收这样的光线，从而反射（也就是展现）与它们互补的金黄色光泽。说到这里，你可能觉得有一点耳熟。没错，金（79）呈金黄色也是因为这个缘故。总而言之，铯的金黄色是与生俱来的。
在玻璃管中熔化后自然冷却的铯，表面在凝固的时候由于收缩形成了龟壳状的结晶纹路。
专题一 冷却结晶
组成元素单质的原子或分子受热后，它们相互间的距离会变大，单质会由固态转变为液态，打乱了这些微粒的排列顺序。而随着温度下降，液体凝固，又使这些微粒重新排列起来。在这个过程中，如果材料的纯度足够高，这些微粒的排列就十分整齐，它们会沿着最开始出现的叫作“晶核”的微小固体颗粒继续生长，直到变成宏观的晶体。
然而这个生长过程是在不透明的液态元素中发生的，如果不采取一些手段，我们就无法直接观察到这样形成的晶体。想要进行观察，最简单的方法就是利用液体的流动性，让液态的元素单质和已经冷却形成的晶体分开，这样晶体就可以显露出来了。这种方法的原理十分简单，但实际操作时会受到多种因素的影响。比如，不同元素单质熔化后形成的液体的流动性是不一样的，因此最后显露出来的晶体的轮廓有的清晰，有的模糊。我在这里使用的是铯（55），因为它很容易熔化和冷却结晶，而且液态铯的流动性很好。
其实这个过程能否成功在很大程度上取决于运气。埋藏于液体里的晶体是不可见的，只有把握好时机，才能让生长充分而又没有联结到一起的晶体显现出来。这个时机也就是凝固时间的长短，取决于实验环境的温度。以我做的这个实验为例，我在室温大约为17摄氏度的房间里进行实验，大概需要等待1分钟。
实验步骤
1. 用手握住装有铯的玻璃管，使其里面的金属受热熔化。
2. 待金属完全熔化后，将其放置在冷却源上，使其冷却。
3. 等待一段时间后，将玻璃管竖起，使液态铯与铯晶体分离。
注意事项
应尽量避免这样的晶体在生长过程中受到扰动，一定要在冷却的时候固定好玻璃管。在将玻璃管竖起之后，一定要等到液体充分冷却凝固时再将玻璃管倾倒，否则仍然流动的液态金属会把结晶弄得一团糟。
实验试剂
用玻璃管封存的铯。
实验器材
1. 热源。
2. 冷却源。
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下图为对应的实验步骤。如果选择制作其他金属结晶，只需根据它们的熔点来调整热源就可以了。尽量使用平面冷却源，让接触面产生一个线条状的晶体发生带，这样的效果最好。
常见的高纯度铍块，在被砸碎之后的断裂处可以观察到一些破碎的结晶颗粒。显微摄影画面的实际宽度约为13毫米。
铍是一种钢灰色金属，这和其他碱土金属不太一样。在通常情况下，暴露在空气中的铍的表面会生成一层很薄的氧化膜，它具有钝化作用，可以保护里面的金属。在潮湿的空气中，氧化膜会更厚，使铍的表面失去光泽。
铍具有剧毒，尤其是粉末状的铍，人体吸入后会导致严重的器官损伤（同样，接触铍盐也会导致皮炎）。但是，如果经过妥善保存，块状的铍就不会对人体安全造成任何影响，看看密封在玻璃管中的铍碎块也是一种有趣的体验。
当然，即便是块状的铍，最好也不要用手接触，更不要轻易接触和操作铍粉。目前中国市场上面对元素收藏者出售的铍绝大多数都是块状晶体。在国外市场上，其他形态的铍也是比较常见的，比如巨大的立方体和圆形的靶材，甚至有人在eBay上出售从B-52轰炸机[3]惯性导航仪中拆卸下来的极为精密的铍圆球。
[3] B-52“同温层堡垒”是美国波音公司研制的八发动机远程战略轰炸机，1952年第一架原型机首飞，1955年批量生产型开始交付使用并服役至今。
尽管铍单质在市场上流通的量很少，而且很少以单质的形式交易，但它也有自己独特的用途。铍具有低密度、高强度、高散热性的特性，在那些对重量和强度要求极为严苛的领域（比如导弹和火箭），铍就可以大显身手了。原子结构简单、密度低的特性让铍在X射线下是透明的，因此它常被用于制作X射线管的窗口。相对于其他具有类似性质的元素，铍的稳定性和可塑性让它更能胜任这项工作。虽然元素镁（12）没有这样的独门绝技，但它因为无毒、廉价而更受人们的欢迎。
元素序号符号：
(4) Be
相对原子质量：
9.0121831
密度：
1.848 g/cm3
熔点：
1287 ℃
沸点：
2468 ℃
原子半径：
112 pm
一个轻盈得不可思议的空心铍圆球，曾一度是人类制作过的最精确的球体，它的直径是1.50000英寸（即3.81000厘米）。这样精致的铍球用作B-52轰炸机的捷联式惯性导航系统测量组件，在高达每分钟上万转的旋转过程中，任何尺寸偏差都会让它毁坏掉。
由铍青铜制作的扳手。铍青铜是一种具有高强度且不会在碰撞的时候产生火花的合金。
由纯铍加工制作的零件，十分轻盈且具有一定的机械强度。
一根经过熔化形成的铍棒，表面在蚀刻后暴露出了结晶的纹路。
一块绿柱石（Be3Al2SiO6），又称绿宝石，是常见的含铍矿石。
工业生产的羽毛状蒸馏镁结晶簇，十分轻盈，新鲜金属表面的色泽相当明亮。显微摄影画面的实际宽度约为19毫米。
一说到镁，我们首先想到的可能是化学课上燃烧着的镁条。被砂纸打磨干净的镁条被点燃后会发出耀眼的白光，生成白烟、白色的粉末并放出大量的热。是的，在中学化学课堂上，镁的燃烧可以说是最危险也是最新奇的实验之一。有一次，我旁边的那个同学没有把老师发给我们的镁条放进酸液里面，而是顺手在酒精灯上点着了，结果同学们都把目光投向了这边，眼睁睁地看着镁条烧完。不得不说镁条燃烧的吸引力还是不小的，至少比镁和酸发生反应的时候冒出来一些泡泡要吸引人。
到了后来，与化学接触多了，我们就会觉得镁越来越普通了。在实验中出于种种目的，我经常需要燃烧它，烧多了之后也就感觉没那么新奇了。不仅是在化学实验中，在生活中人们也常常用到镁。由于镁容易被点燃且燃烧时会释放出大量热量，它经常被用作点燃其他东西的媒介。比如，在野外需要点火时，用刀从镁砖上刮下一些碎屑，再用打火机点燃，燃烧着的镁产生的高温可以轻松引燃篝火。这样做比用打火机直接点燃篝火要容易得多。
镁能够起到这样的作用不仅因为它是一种优质的燃料，还因为它很“靠谱”。其他容易引燃且燃烧时能放出大量能量的金属[比如钠（11）和钙（20）]的性质都过于活泼了，以至于会和空气中的氧气（O2）、水蒸气（H2O）发生反应，这让携带与保存它们变得非常麻烦。与它们相比，镁的活泼性恰到好处：它也会和空气发生反应，但生成的氧化膜会覆盖住表面，起到保护作用。当刮掉氧化膜之后，内部新鲜金属的明亮光泽依然闪耀而动人。
除了作为燃烧材料这方面的用途，在工业上，镁也是一种重要的金属材料。它的质量轻，比较坚固，而且很难对人体产生毒害，因此是良好的结构金属，被广泛地用来制作各式框架和外壳。可惜相比之下，活泼的钙就没有这样的功能了。
元素序号符号：
(12) Mg
相对原子质量：
24.3050
密度：
1.738 g/cm3
熔点：
650 ℃
沸点：
1090 ℃
原子半径：
145 pm
一部微单相机，机身由镁合金制成。本书中的许多照片是用它拍摄的。
一根通过酸液蚀刻暴露出结晶纹路的镁棒。
一块外观独特的蒸馏镁，独特的制作环境使得它有着树枝状的结晶。
镁是植物叶绿素的核心成分，任何含有叶绿素的植物都含有镁。这是一根新鲜的茶芽，在烘干加工后就变成了茶叶。
由纯镁制作的野外生存打火石，外部涂有保护性漆层。细碎的镁刨花可以轻易地被火花点燃。
银亮的蒸馏镁晶体，没有被氧化的镁表面具有最纯净的银白色，镜面晶体非常美丽。唯一的遗憾是它在运输过程中受到震动，掉落了一块结晶（照片中未显示）。显微摄影画面的实际宽度为16毫米。
我们刚才看到了工业生产的纯净的金属镁。经过初步生产提纯的金属镁的纯度并不高，但是镁凭借着较低的沸点，很容易被加热并沸腾。气态的镁在和杂质分离之后经冷却成为更为纯净的固态单质，这个过程和水的蒸馏提纯十分相似。
在蒸馏过程中，蒸气的沉积促使晶体生长，最终形成的产物很光亮，银白色的色泽十分动人。蒸馏提纯形成的晶体外观也和蒸馏的条件、环境相关，细碎的颗粒状晶体往往来自快速冷却（在工业生产过程中，品质和效率才是人们的关注点，而不是外观）。我有一个更棒的镁样品， 它是通过缓慢的蒸馏制备的，因此有着更好的外观。
这块镁晶体簇被装在充满氩气（Ar）的圆形石英罩中，以保护它闪亮的镜面结晶。这大概是我见过的最美丽的金属镁样品了。和工业生产出来的普通的蒸馏镁晶体不同，它先从一个很小的区域开始生长，最终经过充分沉积形成了较大的镁晶体，并具有镜面效果，在转动的时候朝向不同角度的晶体面依次反射照射它们的光线，非常美丽。这是其他金属镁样品做不到的。另外，它被固定在了一个由定制的圆顶石英罩和表面磨砂的石英黏合在一起制成的容器中，是一个专门为收藏者制作的展品，像这样的精致程度也是很少见的。当然，书中后面介绍的一些元素也有这样的样品，我会介绍它们。
另一块斜坡状的蒸馏镁。镁非常容易通过蒸馏提纯，而且在不同的条件下，结晶的外观也是不同的。
保存在空气里面的工业蒸馏钙，具有颗粒状的晶体，轻度氧化的表面有些发灰。显微摄影画面的实际宽度约为13毫米。
如果有一种人们对它的印象和它的实际外观的差距最大的元素，我想那应该就是钙了。人们往往以为钙是白色粉末，那是因为钙的绝大多数为人们所熟知的化合物都是这样的。然而钙自身具有闪亮的光泽，是不折不扣的金属。我们日常所说的“补钙”实际上是补充以化合物形式存在的钙元素，目的是保证血液中有足够的钙离子，防止骨质疏松（某些研究表明骨骼和血液中的钙有着一些微妙的联系），相信大家也发现了钙和我们的日常生活息息相关。
至于金属钙，它具有一些和位于其上面的金属镁（12）相同的性质，而且更活泼一些。块状的金属钙在水中会快速发生反应，产生大量氢气（H2），细碎的金属钙颗粒和水发生反应时会剧烈放热，导致水暴沸，但远远没有达到点燃产生的氢气发生爆炸的程度，因此这是一个安全地快速制取氢气的反应。金属钙比镁更软，不过也没有软到可以用小刀切割的地步。分开块状的金属钙依然是一项让人头疼的工作，需要借助液压剪这样的工具才能够进行。
钙元素在地壳中的含量并不少，很多矿石都含有钙，其中最有趣的矿石莫过于冰洲石，即纯净而透明的碳酸钙（CaCO3）晶体了。冰洲石有一种神奇的光学性质——双折射性，它也是将这种性质体现得最明显的矿石。透过冰洲石，你会发现看到的所有东西都有重影。如果有机会，你也可以从矿石商那里购买一块来观察一下这种神奇的现象，它很容易买到。与钙相比，锶（38）的碳酸盐矿物在自然界中也广泛存在，但没有双折射性这样有趣的性质。
元素序号符号：
(20) Ca
相对原子质量：
40.078
密度：
1.55 g/cm3
熔点：
842 ℃
沸点：
1484 ℃
原子半径：
194 pm
粉笔是十分常见的书写工具，它的主要成分是硫酸钙（CaSO4）。或许很多人印象中的钙就是这样的。
一块冰洲石，具有双折射性。
一些用途特殊的蒸馏钙原料，保存在玻璃安瓿里面，以防止氧化。
除了碳酸钙，氟化钙（CaF2）也是常见的钙矿石，它有一个家喻户晓的名字——萤石。
钙的氧化物（CaO）对潮湿十分敏感，可以用来去除食品包装中的水分。
贝壳的主要成分是碳酸钙。
蒸馏钙晶体，晶枝末端发育完整的结晶颗粒非常有质感，层叠排列的结晶令人赏心悦目。显微摄影画面的实际宽度为19毫米。
在镁那里，我展示了保存在石英罩里面的结晶簇，钙作为镁下面的元素，它们的性质十分相似。钙是不是应该也有这样的样品呢？答案已经摆在这里了。
其实用“蒸馏”来描述钙结晶的制取过程是比较模糊的，因为这里处理的对象是金属，而不是常见的液体。金属，尤其是活泼的碱土金属在高温下会和许多气体发生反应，使得这种操作变得麻烦。
为了使这个过程变得更加容易并排除气体元素的干扰，我们往往在真空环境下进行操作，通过减小气压可以降低物质的沸点，使得蒸馏能够在较低一些的温度下进行。随着气压降低的不止物质的沸点，实际上物质的熔点也会受到气压的影响。对于这几种碱土金属来讲，它们的熔点会随着气压的降低而降低，十分有趣。
这个过程有一个专业一点的名称——物理气相沉积，即通过物理方法（加热）来让物质变成气态，然后进行冷凝沉积。这是一种常见的用来镀膜、结晶的手段。那么你自然会问是不是还有“化学气相沉积”呢？答案是肯定的，我会在后面展示一些通过化学气相沉积法制作的晶体。
说到底，这一类结晶的制作原理和蒸馏是一样的——尽管它要复杂一些，商家和样品提供者还是习惯用“蒸馏”来介绍它们的制作方法。
保存在玻璃管里面的钙晶簇碎块，有着更明亮的光泽。
通过蒸馏生产的锶晶体，其外观和树皮很像。轻微的氧化使它带有美丽的淡黄色光泽。显微摄影画面的实际宽度约为6毫米。
锶是一种普通的碱土金属。值得注意的是，由于处于同一主族，锶和它上面的元素钙（20）的化学性质十分相似，这使它在人体中多少也能发挥一些和钙相似的作用。除了和钙相似的功效，锶本身也是一种人体所必需的微量元素。适量饮用含有锶的矿泉水有利于健康，因为锶对人体骨骼的形成具有促进作用，而骨骼的一大功能就是维持血液中钙的含量。怎么又回到钙了？
钙能和水发生反应，锶当然也能，而且更有意思。如果用镊子将块状的锶夹住泡在水里，其表面会不断生成气泡并脱离。把它从水里拿出来时，表面残余的水分会和锶继续发生反应，释放大量的热，导致水沸腾，反应慢慢地变得剧烈，最后留下一层疏松的氢氧化物覆盖在金属锶表面，慢慢地膨胀起来。
锶在地壳中的含量不算少，可也说不上丰富。它在我们生活中的用途不算广泛，人们大量开采并随意地使用它。比如，在烟花中掺入锶的化合物以产生红色。任何人都可以花七八百元直接从试剂公司买到2千克一桶的锶，然后随意地把它用掉。但似乎没有多少人意识到，锶可能会是第一批枯竭的金属资源之一。目前可供开采的高品位锶矿石的储量越来越少，而开采低品位锶矿石的难度更大，开采过程会消耗更多的能源。尽管现在锶还不至于短缺，但若未来人们开发出锶的新用途，或出现一个需要大量消耗锶的新领域，那时锶将会变得无比稀缺。这是不是一个值得人们关注的问题呢？（换句话说，我们这样单纯为做实验把锶丢进水里是一种潜在的浪费。）
我们可以看到，现在锶的应用正在不断增多。除了制造烟花，锶还逐渐被用在许多不同的材料中。比如，锶铝合金就是一种常用的韧性较好的合金，锶的化合物可以用作荧光材料。
你会不会觉得在周期表中越靠后的元素以单质形态发挥作用的机会越少？不，钡（56）会告诉你它的单质有什么样的作用。
元素序号符号：
(38) Sr
相对原子质量：
87.62
密度：
2.63 g/cm3
熔点：
777 ℃
沸点：
1377 ℃
原子半径：
219 pm
锶铝合金原料锭，它是锶主要被消耗使用的一种方式。
天青石的化学成分是硫酸锶（SrSO4），这是一种常见的含锶矿物。
用来添加到水族箱中的锶的化合物。商家宣称锶有益于珊瑚虫的生长。
一大罐锶，就目前来讲并不是很贵的东西。
从某些角度来讲，锶对人体有益，因此我们应当适当补充锶，但这对延长寿命有帮助吗？
蒸馏锶晶簇，尖端的晶体因轻微的氧化而发黄，底部晶体的氧化程度严重一些，呈灰蓝色。这样的过渡十分有趣。显微摄影画面的实际宽度为13毫米。
到了锶这里，我们已经能明显地观察到金属锶表面带有的黄色了。这是金属锶和储存它的保护气体含有的杂质气体发生反应导致的。纯净的锶呈淡黄色。
是的，碱土金属有一个共同的特点，它们都很容易和氮（7）发生反应。通过真空蒸馏方式制作的晶体会被转移到充满氩气（Ar）的密闭空间中，固定在石英罩里面。很可惜的是，这个密闭空间中的氩气不可能达到完全纯净的状态，含有的杂质能够被敏感的碱土金属捕捉到，从而发生反应，使晶体表面变色。
那么，可以提前用一些更活泼的金属来除去氩气中的杂质气体吗？答案是不可以。由于这个环境不可能永远保持密闭，材料的反复进出、气体源的供给（任何气体源都不能够保证它们的产品足够纯净，只能够做到杂质的含量尽可能少）都会源源不断地带来杂质，而这些均匀分散的杂质很难在短时间内被去除，因此产生这样的现象是无法避免的。
不过，这似乎也不是一件坏事。这个特点使得在同样的环境中制作出来的碱土金属表面有着不同的颜色，从而帮助我们区分这些元素，颜色的深浅反映了这些金属的活泼性。从镁的银白色到钙的淡黄色，再到锶的金黄色，我们能够看到它们的性质一个比一个活泼，虽然这些颜色也来自金属自身。那么到了钡，它的颜色会不会更深呢？让我们翻到下一页来看看答案。
保存在玻璃管里面、带有金属光泽的锶切块。
工业上通过蒸馏生产的纯钡，有着羽毛状的外观，结晶颗粒十分清晰。整个样品呈淡黄色，而氧化较为严重的地方则呈蓝色。显微摄影画面的实际宽度约为5毫米。
和锶（38）一样，钡也是一种非常活泼的金属元素。事实上，它是非放射性碱土金属元素中最活泼的。这意味着它也能和水发生剧烈的反应，但也只是在碱土金属中相对剧烈而已。把钡投入水中后，它和水的反应只会迅速产生大量氢气（H2），其剧烈程度可能还不如碱金属中的锂（3）。
的确，钡只是相对于同族元素来说比较活泼，但它的活泼性依然不可小视。钡元素高度活泼的性质使它的单质成为了一种可以去除密闭空间（比如真空管）中最后一点氮气（N2）、氧气（O2）及水蒸气的材料。事实证明，钡做得很出色，薄薄一层钡就可以把密闭空间里面残余的气体扫荡得干干净净。
值得一提的还有钡和以前介绍的碱土金属各自独特的焰色：钙是砖红色，锶是洋红色（砖头的颜色大家应该都很熟悉，与洋红相比，砖红带有一点土黄色），而钡是一种苹果绿。正如课本上所写，“节日燃放的五彩缤纷的烟花，就是碱金属以及锶、钡等金属化合物的焰色反应所呈现的各种艳丽色彩”。然而这样做可有点危险，因为钡的化合物有毒。
钡中毒之后，应该怎么解毒？多数人的第一反应是钡属于重金属，所以摄入之后应当通过口服鸡蛋清或牛奶来解毒。这回可就错了。钡在某些情况下被认为是重金属[4]，可它被摄入人体后，并不像其他重金属一样使体内的蛋白质变性而产生危害，而是通过改变细胞膜的通透性造成低血钾，从而影响器官的正常功能，因此口服鸡蛋清或牛奶对于钡中毒是没有任何作用的。正确的做法是在排除钡离子的同时补充钾离子，我们可以用硫酸钠（Na2SO4）溶液洗胃，它能够快速让钡生成硫酸钡（BaSO4）沉淀而排除钡离子，然后用氯化钾（KCl）补充钾离子。对于特殊的钡中毒情况，请务必记住正确的处理方法。
[4] 目前重金属尚没有严格的统一定义，一说为原子序数大于铁（26）的金属元素即为重金属元素。
我想在这里花费这么大的篇幅来叙述钡的毒性并不为过。危险往往存在于细微之处，如果你没注意到它，它就会跳出来咬你一口。钡有很多独特的性质，让它令人惧怕的同时又非常有趣。以此作为这一章的结尾，我觉得再合适不过了。
元素序号符号：
(56) Ba
相对原子质量：
137.327
密度：
3.51 g/cm3
熔点：
727 ℃
沸点：
1845 ℃
原子半径：
253 pm
硫酸钡是一种极难溶于水和胃酸且对X射线不透明的化合物，人们可以用它来检查消化道。
重晶石是一种常见的钡矿，它的成分是硫酸钡。
在一些真空电子管里面往往能看到钡的身影，注意顶端（照片左侧）的玻璃壁上有一层薄薄的钡。
一个可爱的1∶120000富士山模型，是用含有钡的玻璃制作的，具有较高的折射率。
保存在试剂瓶里面的过氧化钡（BaO2），是一种白色粉末。
蒸馏钡晶簇，虽然没有前面介绍的碱土金属蒸馏晶体那么抢眼，但是把它们放在一起对比观察也十分有趣。显微摄影画面的实际宽度为16毫米。
我在这里又展示了一块保存在石英罩里面的蒸馏钡晶体。我对这四种元素采取这样的展示方式不是没有原因的，每个样品的背后都有一些有意思的故事，而且对比它们不同的外观也是一件有趣的事情。
我在前面展示了几块碱土金属晶体，它们通过蒸馏形成的结晶轮廓的差异很大，从棱角分明、有着很强结晶质感的镁到这个看上去表面较为圆润、结晶颗粒感不明显的钡，它们经历了有趣的过渡。蒸馏时的温度会影响到晶体的外观，而碱土金属的熔点和沸点与它们自身的结构（原子结构以及原子的排列方式）脱离不了关系。
从上到下，碱土金属原子结构的递变规律很明显，它们的原子排列方式（各自所属的晶系）不完全一样，因此导致了它们的熔点和沸点的变化没有明显的规律可循。但是对于具有相同排列方式的元素（铍和镁，钙和锶）来说，原子序数更大的元素确实具有更低的熔点和沸点。
到了钡这里，它的熔点和沸点都非常高，这意味着通过蒸馏产生的钡蒸气具有很高的温度，当高温蒸气经冷却形成晶体的时候，由于晶体无法快速散热使其温度降低冷凝，晶体的温度就很容易升高，从而熔化变成液态，不再保持原有的结晶外观。因此，通过蒸馏形成的钡晶体的外观没有明显的结晶感，而正是这一点导致了钡无法形成大晶簇。
保存在玻璃管里面的蒸馏钡晶簇碎块。