第1章 壞脾氣的金屬元素
位于元素周期表中最左側的兩列元素，除了氫（1）以外，都是不折不扣的活潑金屬。元素周期表中最左側的一列是IA族元素，通常稱為堿金屬，它們的原子的最外層只有一個電子。這個單獨的電子非常容易在化學反應中失去，因此堿金屬的化學性質非常活潑。在接觸水的時候，堿金屬元素會立即失去這個電子，和水發生劇烈的反應，生成強堿并放出氫氣（2M+2H2O=2MOH+H2↑，此處的M代表堿金屬元素），因此它們被稱作“堿金屬”。活潑的性質使得它們需要通過特殊的手段進行儲存，我們在使用過程中要時刻注意周圍的環境。從上到下，堿金屬元素的原子半徑依次增大，其最外層的那個電子也越來越容易失去，因此它們的化學性質有著明顯的遞變現象。比如，堿金屬單質和水發生反應時不同的劇烈程度就是用來講解元素周期律的絕佳例子，反應會隨著堿金屬元素序數的增加而變得更加劇烈。
元素周期表中的第二列是IIA族元素，也稱為堿土金屬。相對于堿金屬元素而言，堿土金屬元素的最外層多了一個電子，而增加的這個電子讓堿土金屬和水的反應平和了不少（雖然這仍是一種快速反應，但至少是可控的）。這是因為堿土金屬的氫氧化物[M(OH)2，此處的M代表堿土金屬元素]在水中的溶解度并不高，很容易隨反應的進行覆蓋在堿土金屬表面，使得反應變慢。堿土金屬的氧化物的熱穩定性很好，在灼燒的時候不易分解。這種性質被稱為“土”，這也正是堿土金屬名字的由來，它們的性質介于“堿”性和“土”性之間。
掃描二維碼，觀看本章中部分元素樣品的旋轉視頻。
通過冷凝蒸氣制作的鋰結晶。鋰非常活潑，會和環境中微量的雜質氣體發生反應，從而使得表面變暗。顯微攝影畫面的實際寬度約為19毫米。
鋰是第一種金屬元素，極為簡單的原子結構、較小的相對原子質量和較大的原子半徑賦予了它難以置信的低密度——只有水的一半多一點。鋰非常活潑，這樣的性質使得鋰通常被應用在電池里，因為它能夠保證電池在蘊含足夠能量的同時十分輕盈。等等，說到性質活潑，鋰到底有多么活潑呢？
取一塊金屬鋰，將其投到水里，它會迅速和水發生反應，產生大量氫氣（H2）以及一股刺激性的氣味——沒有人愿意湊近一塊正在和水發生反應的金屬鋰，這是因為具有強烈刺激性的產物氫氧化鋰（LiOH）被水蒸氣、氫氣帶出來了。我們在學生時代對金屬鋰的化學性質了解得很少，大多數知識是通過觀看網絡上的一些鋰和水發生反應的實驗視頻獲得的。在一些人的印象中，鋰和水的反應不劇烈，它的活動性不是很強。然而，鋰真是這樣的嗎？
從原子結構來看，鋰是還原性極強的元素。不過，在和水發生反應時，鋰會受到很多動力學因素的影響，比如氫氧化鋰在水中的溶解度較低，容易附著在金屬鋰表面阻礙它與水接觸和反應，所以反應并不劇烈。不過，鋰在空氣中燃燒的劇烈程度是其他金屬無法比擬的。空氣中的氮（7）、氧（8）都能讓鋰持續燃燒，同時釋放出大量熱能。熔化的鋰還會和玻璃發生反應，這一點很不好，這也是為什么我無法像處理其他堿金屬一樣，通過在玻璃管里熔化后冷卻的方式制作鋰的晶體。
當然，如果不用玻璃管保存鋰，那么就一定要備好石蠟油和棉花（鋰會漂浮在石蠟油上，不過可以用棉花將其壓下去）。這是最方便、最安全的保存方法。如果按照一些資料中建議的方法用固態石蠟保存鋰，確實能阻止鋰接觸空氣，但石蠟的包埋也會使鋰非常難以取出，附著在鋰表面的石蠟會對后續實驗操作帶來非常大的影響，即便熔化石蠟再取出來也一樣。除了鋰以外，在保存金屬鈉的時候也一定不要采取這種糟糕透頂的方法。
元素序號符號：
(3) Li
相對原子質量：
6.941
密度：
0.535 g/cm3
熔點：
180.50 ℃
沸點：
1342 ℃
原子半徑：
167 pm
表面被輕微氧化變成彩色的金屬鋰切塊。
數碼相機中使用的可重復充電的鋰離子電池，其外包裝上注明了所用材料。
除了可以反復充電使用的電池，鋰也可以用于制造一次性的紐扣電池。
鋰云母[K(Li,Al,Rb)2(Al,Si)4O10)(F,OH)2]是最常見的鋰礦石，也是工業上生產鋰的重要原料。
金屬鋰的化學性質十分活潑，當暴露在空氣中，新鮮的金屬表面（左）會在不到1分鐘的時間內發黑變暗（右），表面被紫黑色氮化鋰（Li3N）覆蓋。
通過熔化后冷卻制作的鈉晶體。液態的金屬鈉非常黏稠，很難從已經凝固的晶體上脫離下來，因此形成了這種有趣的外觀。這是通過蒸餾提純的鈉，我們在鈉熔化之前（右圖）能夠看到蒸餾過程中冷凝形成的微小液滴顆粒。顯微攝影畫面的實際寬度約為8毫米。
鈉是生活中最常見的元素之一。我們每天都要從食物中攝取鈉，因為鈉在我們的體內起著非常重要的作用，保證了身體器官對水的調節。這里說的當然是鈉離子（Na+），金屬鈉可不是用來吃的，我們的體內也沒有金屬鈉。真正的金屬鈉多見于實驗室，被安安靜靜地保存在煤油里。
把保存在煤油里面的鈉取出來，你會發現它的表面有一層棕黃色的堅硬殼層。這是由于鈉在煤油中浸泡的時間過長，與里面作為雜質存在的有機酸發生了反應。盡管我們被告知金屬鈉不會和煤油發生反應，但是誰會去和這個較勁呢？把鈉切開，可以看到新鮮的切面和其他金屬一樣，也有著非常耀眼的銀白色光澤。但這一好景不能維持很久，因為暴露在空氣中的鈉會被氧化，這個反應的速度并不慢。保存鈉最完美的做法是用玻璃管在真空環境中（或者在惰性氣體的保護下）密封保存鈉，這樣不但可以讓鈉長久保持光澤，而且可以通過加熱使鈉熔化并流動，在冷卻過程中形成美麗的晶體（在整個過程中都不會有空氣干擾）。
鈉被丟進水里后，它會迅速和水發生反應，熔化成一個小球漂浮在水面上，并發出一些細微的聲響。如果用更大塊的鈉做實驗（嚴禁在室內操作），效果就會更加壯觀，鈉會在水面上燃燒，然后像煙花一樣炸開，致使燃燒的液滴四處濺射，留下星星點點的火光。金屬鈉和水發生反應所發出的爆炸聲是所有堿金屬中最響的，這是因為鈉和水發生反應放熱，將產生的氫氣（H2）和空氣中的氧氣（O2）組成的混合物點燃。至于鈉下面的鉀（19），它和水發生反應時也會爆炸，不過那就是其他原因了。
元素序號符號：
(11) Na
相對原子質量：
22.989769
密度：
0.968 g/cm3
熔點：
97.79 ℃
沸點：
882.94 ℃
原子半徑：
190 pm
氯化鈉（NaCl）是最常見的化合物之一，是我們日常食用的食鹽（左圖）的主要成分，右圖所示是一瓶基準試劑，用于配制標準溶液。這種試劑對純度的要求是很高的。
一盞由來自喜馬拉雅山脈的巖鹽制成的護眼燈，光線穿過鹽塊后變得更加柔和。
長期保存在煤油里的鈉塊，其表面已經變成了棕褐色。這是由鈉和煤油里面作為雜質存在的長鏈羧酸發生反應導致的。這個樣品是我在初中時期制作的，那時我還能期待什么？
低壓鈉燈（上圖）和高壓鈉燈（下圖），二者都通過激發鈉原子發出黃光，區別在于低壓鈉燈的效率更高，但是只能發出單色光，因此在它的照射下，所有的物體只有黃色和黑色兩種顏色，令人感到十分壓抑，所以它的用途較少。高壓鈉燈的發光效率略低，但是它發出的光讓人感到更舒適一些。
熔化后冷卻形成的魚骨狀鉀結晶，未被氧化的純凈金屬鉀有著非常美麗的光澤。顯微攝影畫面的實際寬度約為19毫米。
鉀是銀白色金屬，但由于它的表面經常被一層淡紫色的氧化膜覆蓋，人們很少能看到閃耀著銀白色光澤的鉀。我曾幸運地得到了一些保存在真空玻璃管中的鉀，玻璃管的內部沒有任何氧化物，我可以把它拿在手里，端詳它的銀白色光澤。
和鈉（11）一樣，鉀在人體內也扮演著重要的角色，它和鈉一起維持身體動作的協調。我們在日常生活中可以通過多種蔬菜和水果（比如香蕉和卷心菜等）來攝取足夠的鉀。
在大多數人的眼里，和鈉相比，鉀無非更加活潑了，它和水的反應更劇烈。但實際上，二者的區別還是很明顯的。鉀和水的反應足夠快，能夠產生足量的氫氣（H2）并及時點燃它，產生紫色火焰；而鈉不能，它只能慢慢地積攢氫氣，等到一定的時候才會點燃，發生爆炸。實際上，鉀及其下面的堿金屬在和水反應發生爆炸時發出的聲音都沒有鈉那么響，這說明氫氣不是導致爆炸的唯一因素。
前面說過，原子是由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的。當鉀原子接觸水時，它們會以極快的速度釋放自己的電子，留下大量帶正電的鉀離子相互緊貼在一起，從而產生巨大的電荷排斥作用。金屬鉀原本的結構無法束縛住這些離子，所以會被破壞并發生爆炸，致使剩余的金屬鉀被拋向四周，繼續燃燒。這種現象叫作庫侖爆炸，是在2015年由國外的科學家研究堿金屬和水反應發生爆炸的原因時發現的。這里只是簡單地介紹鉀與水反應發生爆炸的原理，或許這個概念以后會被寫進教材里。同時，這也能提醒你：堿金屬和水的反應是很危險的實驗，不要輕易去嘗試。當然，對于鉀發生爆炸的原因，了解一下肯定更好了。提到堿金屬和水發生反應的效果，鉀的爆炸確實不如銣（37）精彩。
元素序號符號：
(19) K
相對原子質量：
39.0983
密度：
0.856 g/cm3
熔點：
63.5 ℃
沸點：
759 ℃
原子半徑：
243 pm
不僅動物需要鉀，鉀對于植物來說也很重要。這瓶鉀肥的主要成分是磷酸二氫鉀（KH2PO4）。
香蕉和卷心菜是常見的含鉀食物。
保存在石蠟油里面的金屬鉀切塊。由于石蠟油中溶解了微量空氣，新鮮的金屬鉀表面十分容易被氧化而呈紫色。
保存在硬質玻璃管里面的金屬鉀。或許是由于玻璃管內部的環境不夠潔凈，有一些金屬鉀在熔化后附著在了玻璃上。
封存在真空硬質玻璃管里面的5克金屬銣的魚骨狀結晶。潔凈的環境使得我們能夠觀察到內部的晶體。銣的流動性比鈉、鉀要好一些，因此熔化的金屬銣在冷卻過程中會離開枝狀晶體，使之暴露出來。而較低的熔點讓銣很容易熔化和冷卻結晶，在室溫下長期保持美麗的結晶狀態。顯微攝影畫面的實際寬度約為10毫米。
大多數人所能看到的銣基本上都是被封存在玻璃管里面的銀白色金屬，它們看上去非常光亮。僅憑觀察，誰都無法想象銣比位于它上方的鈉（11）和鉀（19）還要活潑。當它與空氣接觸時，情況就不一樣了。銣暴露在空氣中的表面會立即變成棕褐色并冒出白煙，被摩擦的時候甚至會迸出火花。
少量的銣在接觸水時也會和鉀一樣熔化成一個小球，然后燃燒，發出紫色火焰。稍多一些的固態銣在被投入水中時可能會產生更多的煙霧，沒來得及和水發生反應的部分被濺出容器。把熔化的銣滴入水里，它會像煙花一樣炸開，產生大量煙霧和火花。銣的熔點比鉀還要低一些，用臺燈或吹風機就可以把銣熔化（前提是不要讓它接觸空氣）。就是這個比較低而又不是非常低的熔點讓銣和水的反應有著不同的現象。
就效果而言，銣是和水發生反應時現象最有意思的堿金屬，然而知道這一點的人很少，因為基本上沒有人會去這么做。銣是穩定的堿金屬中最貴的一種，甚至比銫（55）還要貴。高度分散、用途極少（就目前的情況來看確實如此，但將來或許會有所改變）使市面上對銣的需求極小，反過來這也導致銣的供應不多，因此試劑商往往開出令人咋舌的高價。諸多因素使銣的價格變得如此不親民。
我們會在一些地方看到銣的名字，如銣鐵硼磁體、銣濺射靶等。實際上，這些名字被誤傳了。且不追究是誰最先開始這么說的，只要想想銣和釹（60）的漢字有多像，銣和釕（44）的元素符號（Rb和Ru）會被混淆，也就不會覺得這件事有多奇怪了。現在你既然知道了，就讓這些誤傳從你這里停止吧，銣根本沒有這些用途。銣的用途目前僅限于制造原子鐘和一些光電倍增管，而在這些方面銣的表現都沒有銫好（是的，銣和銫經常共同出現在這些領域中），因此銣迄今為止都沒有什么重要的應用。這似乎不太公平？對不起，在銫的面前，銣確實沒有那么出彩。
元素序號符號：
(37) Rb
相對原子質量：
85.4678
密度：
1.532 g/cm3
熔點：
39.30 ℃
沸點：
688 ℃
原子半徑：
265 pm
一塊天河石，是鉀微斜長石[K(AlSi3O8)]的亞種，其中含有的微量銣和銫使礦石呈藍綠色。
過去，活潑的堿金屬難以分裝，因此在生產小包裝金屬銣的時候會向玻璃管中注入一些石蠟油，以盡量避免金屬銣被氧化。
一個銣原子鐘里面用到的銣蒸氣室，其中含有幾百微克銣-87核素，即為照片中顯示的那些黑色液滴。
一個銣原子鐘標準頻率儀，圖中上方的容器中含有少量金屬銣，它在加熱的時候會變成蒸氣，然后由信號發射、接收部件進行調頻測量。銫原子鐘的工作原理和這個儀器一模一樣，但是更精準一些，價格也更高。
裝在真空硬質玻璃管中的5克銫會在人手中很快熔化，變成一攤金色液體。液態的銫會隨著溫度的下降慢慢生長出魚骨狀的結晶，但由于我所居住的地方氣溫的緣故，不讓這個晶體在我能隨時看見的地方再次熔化是不太可能的。顯微攝影照片的實際寬度約為8毫米。
在穩定元素中，銫最為活潑，可以說它在堿金屬中出盡了風頭。沒錯，把銫投入水中是很多人期待的一個實驗，人們期盼著看到它發生劇烈的爆炸來過一把癮。不過少量的銫在接觸水時只會在一瞬間把自身彈飛，稍微多一些的銫可能會產生更多的煙霧，迸濺出更多的水和金屬液滴，但無論如何也不至于炸毀一個浴缸[1]。
[1] 在英國某節目組制作的一期關于堿金屬和水的反應現象的視頻中，制作組用雷管偽造了銣、銫和水發生反應時劇烈爆炸的現象，以吻合他們預期的實驗現象。
銫是一種金黃色金屬，極度活潑，所以我們只能用充滿稀有氣體的密封容器或者真空密閉容器來保存它，以防止它與水和空氣接觸。銫的熔點非常低，比我們手心的溫度還要低，因此在稍微溫暖一些的天氣里，它就會熔化成液體——一種閃爍著金黃色光澤的液體，在保存它的玻璃管里流動，然后在冷卻過程中緩慢地生長出魚骨狀的金屬結晶。銫是堿金屬中流動性最好的，液態的銫很容易從結晶上脫離，留下帶有金黃色光澤的魚骨狀結晶，絕對會讓你大飽眼福。
銫的用途相當廣泛。除了用來定義時間[2]，銫會發生很多化學反應。比如，在一些有機反應中，銫和其他堿金屬發揮著相似的作用，而銫往往由于更強的反應活性能夠獲得更高的產率。因此，銫被廣泛地應用在科研之中。銫的訂購十分方便，只要條件許可，你就能夠操作和使用它。在一些試劑公司的網站上訂購裝在不同包裝里面的金屬銫是一件非常尋常的事情，而且不得不說，當把包裝上面寫著“僅用于科技研發”的標簽撕下來之后，它絕對能夠成為科學家書桌上最有趣的擺件之一。
[2] 現行國際單位制對秒的定義是：銫-133原子基態的兩個超精細能級間的躍遷對應輻射的9192631770個周期的持續時間。
然而，銫的危險性絕不可小視。把它當作桌面上的有趣擺件并不是一個好主意。保存銫的玻璃管可不是什么非常堅固的東西，一旦玻璃管破損，銫就會在接觸空氣的一瞬間被氧化，發生劇烈反應，冒出白煙，甚至發生燃燒。有趣的是，堿金屬的燃燒和絕大多數易燃物質的燃燒不太一樣。由于堿金屬自身是還原性物質，在燃燒過程中會還原它們接觸并能夠還原的一切物質，比如從有機物（如紙張、木制桌子）中奪走氧元素（O），使燃燒變得更加劇烈且難以停止。這就使它變得更加危險了。和銫一樣，鈹（4）被打碎后暴露在空氣中也十分危險，但是另有其因。
元素序號符號：
(55) Cs
相對原子質量：
132.90545
密度：
1.879 g/cm3
熔點：
28.5 ℃
沸點：
671 ℃
原子半徑：
298 pm
銫沸石[Cs(AlSi2O6)·nH2O]是一種常見的含有銫的礦石。
一塊呈立方體形狀的純凈碘化銫（CsI）晶體，是制造閃爍體探測器的原材料。
由鈉（11）、鉀（19）、銫混合得到的淡黃色合金，這種合金有著非常低的熔點，在涼爽的室溫甚至更低的溫度下都能保持液態。
銫通過光照就會丟失最外層的電子，向外發射光電子。銻化銫（Cs3Sb）也具有這樣的能力，是常見的制造光電陰極的材料。這是一個使用了銻化銫的光電倍增管。
我們可以借此機會聊聊銫和其他堿金屬，因為關于它們的有些知識非常有趣，而且人們對它們的認知往往存在一些誤區。
首先是價格。我們知道銣和銫十分昂貴，然而事實并不全如此。“1克銫要上千塊錢”這句話是不準確的，因為銫的價格不僅取決于其質量，還受包裝規格的左右。在許多出售銫的試劑網站上，你可以查到它的價格。在這本書完稿時，有著純度證明的1克銫的價格還在700元到1200元之間浮動（這取決于提供它的廠家），但這不代表更大量的銫的價格也是這樣。正如前文所說，由于銫的活潑性質，它需要在稀有氣體或真空環境中被封存到玻璃管內。這是一件非常麻煩的工作（就連鈉和鉀在經過這樣的處理之后，它們的價格也會增加幾十倍甚至上百倍，不信的話可以去查查）。不論是大量還是少量的銫都要經過這樣的處理，因此在一次性封存更多的銫時，平均下來，每克銫的價格會降低很多——幾十元到一百元，不再像以前那樣高。
還有一個常見的誤解是關于銫的金黃色色澤的，許多教材和資料認為這是它的氧化物導致的——按照它們的說法，沒有被氧化的銫是銀白色的，但是世界上根本不存在銀白色的銫樣本。難道是因為做不出純度這么高的樣本嗎？實際上不是。我們要知道的是，光照射在金屬上時，有一些特定頻率的光是可以被金屬的電子吸收的。金屬在吸收了特定頻率的光后，會把剩下的其他頻率的光反射回來，這就是我們所說的“金屬光澤”。大多數金屬吸收的是頻率比較高的不可見光，因此它們的色澤是銀白色。但并不是每種金屬的光澤都一樣，隨著在元素周期表中的位置越來越往后，原子序數增大到一定程度時，原子的結構會變得越來越復雜，從而讓金屬的性質產生一些不同規律的變化。和周期表中更靠前的堿金屬元素相比，銫有著更多的電子層，從而讓它的電子更容易受到紫色和藍色光線的激發。整塊金屬會吸收這樣的光線，從而反射（也就是展現）與它們互補的金黃色光澤。說到這里，你可能覺得有一點耳熟。沒錯，金（79）呈金黃色也是因為這個緣故。總而言之，銫的金黃色是與生俱來的。
在玻璃管中熔化后自然冷卻的銫，表面在凝固的時候由于收縮形成了龜殼狀的結晶紋路。
專題一 冷卻結晶
組成元素單質的原子或分子受熱后，它們相互間的距離會變大，單質會由固態轉變為液態，打亂了這些微粒的排列順序。而隨著溫度下降，液體凝固，又使這些微粒重新排列起來。在這個過程中，如果材料的純度足夠高，這些微粒的排列就十分整齊，它們會沿著最開始出現的叫作“晶核”的微小固體顆粒繼續生長，直到變成宏觀的晶體。
然而這個生長過程是在不透明的液態元素中發生的，如果不采取一些手段，我們就無法直接觀察到這樣形成的晶體。想要進行觀察，最簡單的方法就是利用液體的流動性，讓液態的元素單質和已經冷卻形成的晶體分開，這樣晶體就可以顯露出來了。這種方法的原理十分簡單，但實際操作時會受到多種因素的影響。比如，不同元素單質熔化后形成的液體的流動性是不一樣的，因此最后顯露出來的晶體的輪廓有的清晰，有的模糊。我在這里使用的是銫（55），因為它很容易熔化和冷卻結晶，而且液態銫的流動性很好。
其實這個過程能否成功在很大程度上取決于運氣。埋藏于液體里的晶體是不可見的，只有把握好時機，才能讓生長充分而又沒有聯結到一起的晶體顯現出來。這個時機也就是凝固時間的長短，取決于實驗環境的溫度。以我做的這個實驗為例，我在室溫大約為17攝氏度的房間里進行實驗，大概需要等待1分鐘。
實驗步驟
1. 用手握住裝有銫的玻璃管，使其里面的金屬受熱熔化。
2. 待金屬完全熔化后，將其放置在冷卻源上，使其冷卻。
3. 等待一段時間后，將玻璃管豎起，使液態銫與銫晶體分離。
注意事項
應盡量避免這樣的晶體在生長過程中受到擾動，一定要在冷卻的時候固定好玻璃管。在將玻璃管豎起之后，一定要等到液體充分冷卻凝固時再將玻璃管傾倒，否則仍然流動的液態金屬會把結晶弄得一團糟。
實驗試劑
用玻璃管封存的銫。
實驗器材
1. 熱源。
2. 冷卻源。
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下圖為對應的實驗步驟。如果選擇制作其他金屬結晶，只需根據它們的熔點來調整熱源就可以了。盡量使用平面冷卻源，讓接觸面產生一個線條狀的晶體發生帶，這樣的效果最好。
常見的高純度鈹塊，在被砸碎之后的斷裂處可以觀察到一些破碎的結晶顆粒。顯微攝影畫面的實際寬度約為13毫米。
鈹是一種鋼灰色金屬，這和其他堿土金屬不太一樣。在通常情況下，暴露在空氣中的鈹的表面會生成一層很薄的氧化膜，它具有鈍化作用，可以保護里面的金屬。在潮濕的空氣中，氧化膜會更厚，使鈹的表面失去光澤。
鈹具有劇毒，尤其是粉末狀的鈹，人體吸入后會導致嚴重的器官損傷（同樣，接觸鈹鹽也會導致皮炎）。但是，如果經過妥善保存，塊狀的鈹就不會對人體安全造成任何影響，看看密封在玻璃管中的鈹碎塊也是一種有趣的體驗。
當然，即便是塊狀的鈹，最好也不要用手接觸，更不要輕易接觸和操作鈹粉。目前中國市場上面對元素收藏者出售的鈹絕大多數都是塊狀晶體。在國外市場上，其他形態的鈹也是比較常見的，比如巨大的立方體和圓形的靶材，甚至有人在eBay上出售從B-52轟炸機[3]慣性導航儀中拆卸下來的極為精密的鈹圓球。
[3] B-52“同溫層堡壘”是美國波音公司研制的八發動機遠程戰略轟炸機，1952年第一架原型機首飛，1955年批量生產型開始交付使用并服役至今。
盡管鈹單質在市場上流通的量很少，而且很少以單質的形式交易，但它也有自己獨特的用途。鈹具有低密度、高強度、高散熱性的特性，在那些對重量和強度要求極為嚴苛的領域（比如導彈和火箭），鈹就可以大顯身手了。原子結構簡單、密度低的特性讓鈹在X射線下是透明的，因此它常被用于制作X射線管的窗口。相對于其他具有類似性質的元素，鈹的穩定性和可塑性讓它更能勝任這項工作。雖然元素鎂（12）沒有這樣的獨門絕技，但它因為無毒、廉價而更受人們的歡迎。
元素序號符號：
(4) Be
相對原子質量：
9.0121831
密度：
1.848 g/cm3
熔點：
1287 ℃
沸點：
2468 ℃
原子半徑：
112 pm
一個輕盈得不可思議的空心鈹圓球，曾一度是人類制作過的最精確的球體，它的直徑是1.50000英寸（即3.81000厘米）。這樣精致的鈹球用作B-52轟炸機的捷聯式慣性導航系統測量組件，在高達每分鐘上萬轉的旋轉過程中，任何尺寸偏差都會讓它毀壞掉。
由鈹青銅制作的扳手。鈹青銅是一種具有高強度且不會在碰撞的時候產生火花的合金。
由純鈹加工制作的零件，十分輕盈且具有一定的機械強度。
一根經過熔化形成的鈹棒，表面在蝕刻后暴露出了結晶的紋路。
一塊綠柱石（Be3Al2SiO6），又稱綠寶石，是常見的含鈹礦石。
工業生產的羽毛狀蒸餾鎂結晶簇，十分輕盈，新鮮金屬表面的色澤相當明亮。顯微攝影畫面的實際寬度約為19毫米。
一說到鎂，我們首先想到的可能是化學課上燃燒著的鎂條。被砂紙打磨干凈的鎂條被點燃后會發出耀眼的白光，生成白煙、白色的粉末并放出大量的熱。是的，在中學化學課堂上，鎂的燃燒可以說是最危險也是最新奇的實驗之一。有一次，我旁邊的那個同學沒有把老師發給我們的鎂條放進酸液里面，而是順手在酒精燈上點著了，結果同學們都把目光投向了這邊，眼睜睜地看著鎂條燒完。不得不說鎂條燃燒的吸引力還是不小的，至少比鎂和酸發生反應的時候冒出來一些泡泡要吸引人。
到了后來，與化學接觸多了，我們就會覺得鎂越來越普通了。在實驗中出于種種目的，我經常需要燃燒它，燒多了之后也就感覺沒那么新奇了。不僅是在化學實驗中，在生活中人們也常常用到鎂。由于鎂容易被點燃且燃燒時會釋放出大量熱量，它經常被用作點燃其他東西的媒介。比如，在野外需要點火時，用刀從鎂磚上刮下一些碎屑，再用打火機點燃，燃燒著的鎂產生的高溫可以輕松引燃篝火。這樣做比用打火機直接點燃篝火要容易得多。
鎂能夠起到這樣的作用不僅因為它是一種優質的燃料，還因為它很“靠譜”。其他容易引燃且燃燒時能放出大量能量的金屬[比如鈉（11）和鈣（20）]的性質都過于活潑了，以至于會和空氣中的氧氣（O2）、水蒸氣（H2O）發生反應，這讓攜帶與保存它們變得非常麻煩。與它們相比，鎂的活潑性恰到好處：它也會和空氣發生反應，但生成的氧化膜會覆蓋住表面，起到保護作用。當刮掉氧化膜之后，內部新鮮金屬的明亮光澤依然閃耀而動人。
除了作為燃燒材料這方面的用途，在工業上，鎂也是一種重要的金屬材料。它的質量輕，比較堅固，而且很難對人體產生毒害，因此是良好的結構金屬，被廣泛地用來制作各式框架和外殼。可惜相比之下，活潑的鈣就沒有這樣的功能了。
元素序號符號：
(12) Mg
相對原子質量：
24.3050
密度：
1.738 g/cm3
熔點：
650 ℃
沸點：
1090 ℃
原子半徑：
145 pm
一部微單相機，機身由鎂合金制成。本書中的許多照片是用它拍攝的。
一根通過酸液蝕刻暴露出結晶紋路的鎂棒。
一塊外觀獨特的蒸餾鎂，獨特的制作環境使得它有著樹枝狀的結晶。
鎂是植物葉綠素的核心成分，任何含有葉綠素的植物都含有鎂。這是一根新鮮的茶芽，在烘干加工后就變成了茶葉。
由純鎂制作的野外生存打火石，外部涂有保護性漆層。細碎的鎂刨花可以輕易地被火花點燃。
銀亮的蒸餾鎂晶體，沒有被氧化的鎂表面具有最純凈的銀白色，鏡面晶體非常美麗。唯一的遺憾是它在運輸過程中受到震動，掉落了一塊結晶（照片中未顯示）。顯微攝影畫面的實際寬度為16毫米。
我們剛才看到了工業生產的純凈的金屬鎂。經過初步生產提純的金屬鎂的純度并不高，但是鎂憑借著較低的沸點，很容易被加熱并沸騰。氣態的鎂在和雜質分離之后經冷卻成為更為純凈的固態單質，這個過程和水的蒸餾提純十分相似。
在蒸餾過程中，蒸氣的沉積促使晶體生長，最終形成的產物很光亮，銀白色的色澤十分動人。蒸餾提純形成的晶體外觀也和蒸餾的條件、環境相關，細碎的顆粒狀晶體往往來自快速冷卻（在工業生產過程中，品質和效率才是人們的關注點，而不是外觀）。我有一個更棒的鎂樣品， 它是通過緩慢的蒸餾制備的，因此有著更好的外觀。
這塊鎂晶體簇被裝在充滿氬氣（Ar）的圓形石英罩中，以保護它閃亮的鏡面結晶。這大概是我見過的最美麗的金屬鎂樣品了。和工業生產出來的普通的蒸餾鎂晶體不同，它先從一個很小的區域開始生長，最終經過充分沉積形成了較大的鎂晶體，并具有鏡面效果，在轉動的時候朝向不同角度的晶體面依次反射照射它們的光線，非常美麗。這是其他金屬鎂樣品做不到的。另外，它被固定在了一個由定制的圓頂石英罩和表面磨砂的石英黏合在一起制成的容器中，是一個專門為收藏者制作的展品，像這樣的精致程度也是很少見的。當然，書中后面介紹的一些元素也有這樣的樣品，我會介紹它們。
另一塊斜坡狀的蒸餾鎂。鎂非常容易通過蒸餾提純，而且在不同的條件下，結晶的外觀也是不同的。
保存在空氣里面的工業蒸餾鈣，具有顆粒狀的晶體，輕度氧化的表面有些發灰。顯微攝影畫面的實際寬度約為13毫米。
如果有一種人們對它的印象和它的實際外觀的差距最大的元素，我想那應該就是鈣了。人們往往以為鈣是白色粉末，那是因為鈣的絕大多數為人們所熟知的化合物都是這樣的。然而鈣自身具有閃亮的光澤，是不折不扣的金屬。我們日常所說的“補鈣”實際上是補充以化合物形式存在的鈣元素，目的是保證血液中有足夠的鈣離子，防止骨質疏松（某些研究表明骨骼和血液中的鈣有著一些微妙的聯系），相信大家也發現了鈣和我們的日常生活息息相關。
至于金屬鈣，它具有一些和位于其上面的金屬鎂（12）相同的性質，而且更活潑一些。塊狀的金屬鈣在水中會快速發生反應，產生大量氫氣（H2），細碎的金屬鈣顆粒和水發生反應時會劇烈放熱，導致水暴沸，但遠遠沒有達到點燃產生的氫氣發生爆炸的程度，因此這是一個安全地快速制取氫氣的反應。金屬鈣比鎂更軟，不過也沒有軟到可以用小刀切割的地步。分開塊狀的金屬鈣依然是一項讓人頭疼的工作，需要借助液壓剪這樣的工具才能夠進行。
鈣元素在地殼中的含量并不少，很多礦石都含有鈣，其中最有趣的礦石莫過于冰洲石，即純凈而透明的碳酸鈣（CaCO3）晶體了。冰洲石有一種神奇的光學性質——雙折射性，它也是將這種性質體現得最明顯的礦石。透過冰洲石，你會發現看到的所有東西都有重影。如果有機會，你也可以從礦石商那里購買一塊來觀察一下這種神奇的現象，它很容易買到。與鈣相比，鍶（38）的碳酸鹽礦物在自然界中也廣泛存在，但沒有雙折射性這樣有趣的性質。
元素序號符號：
(20) Ca
相對原子質量：
40.078
密度：
1.55 g/cm3
熔點：
842 ℃
沸點：
1484 ℃
原子半徑：
194 pm
粉筆是十分常見的書寫工具，它的主要成分是硫酸鈣（CaSO4）。或許很多人印象中的鈣就是這樣的。
一塊冰洲石，具有雙折射性。
一些用途特殊的蒸餾鈣原料，保存在玻璃安瓿里面，以防止氧化。
除了碳酸鈣，氟化鈣（CaF2）也是常見的鈣礦石，它有一個家喻戶曉的名字——螢石。
鈣的氧化物（CaO）對潮濕十分敏感，可以用來去除食品包裝中的水分。
貝殼的主要成分是碳酸鈣。
蒸餾鈣晶體，晶枝末端發育完整的結晶顆粒非常有質感，層疊排列的結晶令人賞心悅目。顯微攝影畫面的實際寬度為19毫米。
在鎂那里，我展示了保存在石英罩里面的結晶簇，鈣作為鎂下面的元素，它們的性質十分相似。鈣是不是應該也有這樣的樣品呢？答案已經擺在這里了。
其實用“蒸餾”來描述鈣結晶的制取過程是比較模糊的，因為這里處理的對象是金屬，而不是常見的液體。金屬，尤其是活潑的堿土金屬在高溫下會和許多氣體發生反應，使得這種操作變得麻煩。
為了使這個過程變得更加容易并排除氣體元素的干擾，我們往往在真空環境下進行操作，通過減小氣壓可以降低物質的沸點，使得蒸餾能夠在較低一些的溫度下進行。隨著氣壓降低的不止物質的沸點，實際上物質的熔點也會受到氣壓的影響。對于這幾種堿土金屬來講，它們的熔點會隨著氣壓的降低而降低，十分有趣。
這個過程有一個專業一點的名稱——物理氣相沉積，即通過物理方法（加熱）來讓物質變成氣態，然后進行冷凝沉積。這是一種常見的用來鍍膜、結晶的手段。那么你自然會問是不是還有“化學氣相沉積”呢？答案是肯定的，我會在后面展示一些通過化學氣相沉積法制作的晶體。
說到底，這一類結晶的制作原理和蒸餾是一樣的——盡管它要復雜一些，商家和樣品提供者還是習慣用“蒸餾”來介紹它們的制作方法。
保存在玻璃管里面的鈣晶簇碎塊，有著更明亮的光澤。
通過蒸餾生產的鍶晶體，其外觀和樹皮很像。輕微的氧化使它帶有美麗的淡黃色光澤。顯微攝影畫面的實際寬度約為6毫米。
鍶是一種普通的堿土金屬。值得注意的是，由于處于同一主族，鍶和它上面的元素鈣（20）的化學性質十分相似，這使它在人體中多少也能發揮一些和鈣相似的作用。除了和鈣相似的功效，鍶本身也是一種人體所必需的微量元素。適量飲用含有鍶的礦泉水有利于健康，因為鍶對人體骨骼的形成具有促進作用，而骨骼的一大功能就是維持血液中鈣的含量。怎么又回到鈣了？
鈣能和水發生反應，鍶當然也能，而且更有意思。如果用鑷子將塊狀的鍶夾住泡在水里，其表面會不斷生成氣泡并脫離。把它從水里拿出來時，表面殘余的水分會和鍶繼續發生反應，釋放大量的熱，導致水沸騰，反應慢慢地變得劇烈，最后留下一層疏松的氫氧化物覆蓋在金屬鍶表面，慢慢地膨脹起來。
鍶在地殼中的含量不算少，可也說不上豐富。它在我們生活中的用途不算廣泛，人們大量開采并隨意地使用它。比如，在煙花中摻入鍶的化合物以產生紅色。任何人都可以花七八百元直接從試劑公司買到2千克一桶的鍶，然后隨意地把它用掉。但似乎沒有多少人意識到，鍶可能會是第一批枯竭的金屬資源之一。目前可供開采的高品位鍶礦石的儲量越來越少，而開采低品位鍶礦石的難度更大，開采過程會消耗更多的能源。盡管現在鍶還不至于短缺，但若未來人們開發出鍶的新用途，或出現一個需要大量消耗鍶的新領域，那時鍶將會變得無比稀缺。這是不是一個值得人們關注的問題呢？（換句話說，我們這樣單純為做實驗把鍶丟進水里是一種潛在的浪費。）
我們可以看到，現在鍶的應用正在不斷增多。除了制造煙花，鍶還逐漸被用在許多不同的材料中。比如，鍶鋁合金就是一種常用的韌性較好的合金，鍶的化合物可以用作熒光材料。
你會不會覺得在周期表中越靠后的元素以單質形態發揮作用的機會越少？不，鋇（56）會告訴你它的單質有什么樣的作用。
元素序號符號：
(38) Sr
相對原子質量：
87.62
密度：
2.63 g/cm3
熔點：
777 ℃
沸點：
1377 ℃
原子半徑：
219 pm
鍶鋁合金原料錠，它是鍶主要被消耗使用的一種方式。
天青石的化學成分是硫酸鍶（SrSO4），這是一種常見的含鍶礦物。
用來添加到水族箱中的鍶的化合物。商家宣稱鍶有益于珊瑚蟲的生長。
一大罐鍶，就目前來講并不是很貴的東西。
從某些角度來講，鍶對人體有益，因此我們應當適當補充鍶，但這對延長壽命有幫助嗎？
蒸餾鍶晶簇，尖端的晶體因輕微的氧化而發黃，底部晶體的氧化程度嚴重一些，呈灰藍色。這樣的過渡十分有趣。顯微攝影畫面的實際寬度為13毫米。
到了鍶這里，我們已經能明顯地觀察到金屬鍶表面帶有的黃色了。這是金屬鍶和儲存它的保護氣體含有的雜質氣體發生反應導致的。純凈的鍶呈淡黃色。
是的，堿土金屬有一個共同的特點，它們都很容易和氮（7）發生反應。通過真空蒸餾方式制作的晶體會被轉移到充滿氬氣（Ar）的密閉空間中，固定在石英罩里面。很可惜的是，這個密閉空間中的氬氣不可能達到完全純凈的狀態，含有的雜質能夠被敏感的堿土金屬捕捉到，從而發生反應，使晶體表面變色。
那么，可以提前用一些更活潑的金屬來除去氬氣中的雜質氣體嗎？答案是不可以。由于這個環境不可能永遠保持密閉，材料的反復進出、氣體源的供給（任何氣體源都不能夠保證它們的產品足夠純凈，只能夠做到雜質的含量盡可能少）都會源源不斷地帶來雜質，而這些均勻分散的雜質很難在短時間內被去除，因此產生這樣的現象是無法避免的。
不過，這似乎也不是一件壞事。這個特點使得在同樣的環境中制作出來的堿土金屬表面有著不同的顏色，從而幫助我們區分這些元素，顏色的深淺反映了這些金屬的活潑性。從鎂的銀白色到鈣的淡黃色，再到鍶的金黃色，我們能夠看到它們的性質一個比一個活潑，雖然這些顏色也來自金屬自身。那么到了鋇，它的顏色會不會更深呢？讓我們翻到下一頁來看看答案。
保存在玻璃管里面、帶有金屬光澤的鍶切塊。
工業上通過蒸餾生產的純鋇，有著羽毛狀的外觀，結晶顆粒十分清晰。整個樣品呈淡黃色，而氧化較為嚴重的地方則呈藍色。顯微攝影畫面的實際寬度約為5毫米。
和鍶（38）一樣，鋇也是一種非常活潑的金屬元素。事實上，它是非放射性堿土金屬元素中最活潑的。這意味著它也能和水發生劇烈的反應，但也只是在堿土金屬中相對劇烈而已。把鋇投入水中后，它和水的反應只會迅速產生大量氫氣（H2），其劇烈程度可能還不如堿金屬中的鋰（3）。
的確，鋇只是相對于同族元素來說比較活潑，但它的活潑性依然不可小視。鋇元素高度活潑的性質使它的單質成為了一種可以去除密閉空間（比如真空管）中最后一點氮氣（N2）、氧氣（O2）及水蒸氣的材料。事實證明，鋇做得很出色，薄薄一層鋇就可以把密閉空間里面殘余的氣體掃蕩得干干凈凈。
值得一提的還有鋇和以前介紹的堿土金屬各自獨特的焰色：鈣是磚紅色，鍶是洋紅色（磚頭的顏色大家應該都很熟悉，與洋紅相比，磚紅帶有一點土黃色），而鋇是一種蘋果綠。正如課本上所寫，“節日燃放的五彩繽紛的煙花，就是堿金屬以及鍶、鋇等金屬化合物的焰色反應所呈現的各種艷麗色彩”。然而這樣做可有點危險，因為鋇的化合物有毒。
鋇中毒之后，應該怎么解毒？多數人的第一反應是鋇屬于重金屬，所以攝入之后應當通過口服雞蛋清或牛奶來解毒。這回可就錯了。鋇在某些情況下被認為是重金屬[4]，可它被攝入人體后，并不像其他重金屬一樣使體內的蛋白質變性而產生危害，而是通過改變細胞膜的通透性造成低血鉀，從而影響器官的正常功能，因此口服雞蛋清或牛奶對于鋇中毒是沒有任何作用的。正確的做法是在排除鋇離子的同時補充鉀離子，我們可以用硫酸鈉（Na2SO4）溶液洗胃，它能夠快速讓鋇生成硫酸鋇（BaSO4）沉淀而排除鋇離子，然后用氯化鉀（KCl）補充鉀離子。對于特殊的鋇中毒情況，請務必記住正確的處理方法。
[4] 目前重金屬尚沒有嚴格的統一定義，一說為原子序數大于鐵（26）的金屬元素即為重金屬元素。
我想在這里花費這么大的篇幅來敘述鋇的毒性并不為過。危險往往存在于細微之處，如果你沒注意到它，它就會跳出來咬你一口。鋇有很多獨特的性質，讓它令人懼怕的同時又非常有趣。以此作為這一章的結尾，我覺得再合適不過了。
元素序號符號：
(56) Ba
相對原子質量：
137.327
密度：
3.51 g/cm3
熔點：
727 ℃
沸點：
1845 ℃
原子半徑：
253 pm
硫酸鋇是一種極難溶于水和胃酸且對X射線不透明的化合物，人們可以用它來檢查消化道。
重晶石是一種常見的鋇礦，它的成分是硫酸鋇。
在一些真空電子管里面往往能看到鋇的身影，注意頂端（照片左側）的玻璃壁上有一層薄薄的鋇。
一個可愛的1∶120000富士山模型，是用含有鋇的玻璃制作的，具有較高的折射率。
保存在試劑瓶里面的過氧化鋇（BaO2），是一種白色粉末。
蒸餾鋇晶簇，雖然沒有前面介紹的堿土金屬蒸餾晶體那么搶眼，但是把它們放在一起對比觀察也十分有趣。顯微攝影畫面的實際寬度為16毫米。
我在這里又展示了一塊保存在石英罩里面的蒸餾鋇晶體。我對這四種元素采取這樣的展示方式不是沒有原因的，每個樣品的背后都有一些有意思的故事，而且對比它們不同的外觀也是一件有趣的事情。
我在前面展示了幾塊堿土金屬晶體，它們通過蒸餾形成的結晶輪廓的差異很大，從棱角分明、有著很強結晶質感的鎂到這個看上去表面較為圓潤、結晶顆粒感不明顯的鋇，它們經歷了有趣的過渡。蒸餾時的溫度會影響到晶體的外觀，而堿土金屬的熔點和沸點與它們自身的結構（原子結構以及原子的排列方式）脫離不了關系。
從上到下，堿土金屬原子結構的遞變規律很明顯，它們的原子排列方式（各自所屬的晶系）不完全一樣，因此導致了它們的熔點和沸點的變化沒有明顯的規律可循。但是對于具有相同排列方式的元素（鈹和鎂，鈣和鍶）來說，原子序數更大的元素確實具有更低的熔點和沸點。
到了鋇這里，它的熔點和沸點都非常高，這意味著通過蒸餾產生的鋇蒸氣具有很高的溫度，當高溫蒸氣經冷卻形成晶體的時候，由于晶體無法快速散熱使其溫度降低冷凝，晶體的溫度就很容易升高，從而熔化變成液態，不再保持原有的結晶外觀。因此，通過蒸餾形成的鋇晶體的外觀沒有明顯的結晶感，而正是這一點導致了鋇無法形成大晶簇。
保存在玻璃管里面的蒸餾鋇晶簇碎塊。