《化学元素之谜》课件

《化学元素之谜》欢迎探索化学元素的奇妙世界！在这个宇宙中，118种已知元素构成了万物的基础，从我们呼吸的空气到我们使用的智能手机，无一不是元素的杰作这次旅程将带您领略元素的发现历程、基本概念、周期表结构以及元素在自然界、生命科学、材料科学、能源和环境中的重要应用我们还将展望元素科学的未来发展方向让我们一起揭开化学元素的神秘面纱，探索它们如何塑造了我们的世界！目录第一章化学元素的发第二章元素的基本概12现历程念探索从古代四元素说到现代元了解化学元素的定义、原子结素周期表的发展历程，包括炼构与元素特性、同位素与质量金术时期的元素观念，以及门数概念，以及元素符号的含义捷列夫对元素周期律的重大贡和使用规则献第三章至第十一章3涵盖元素周期表结构、常见元素、元素在自然界分布、元素与生命、材料科学、能源、环境的关系，以及元素的分离提取技术和未来发展趋势第一章化学元素的发现历程古代时期（公元前年公元前年）1500-300古希腊哲学家提出四元素说，认为万物由土、水、火、气四种基本元素构成这成为了人类认识物质组成的最早尝试炼金术时期（世纪世纪）28-16炼金术士致力于将卑金属转化为黄金，虽然目标未达成，但积累了大量实验技术和材料知识，为现代化学奠定基础科学化学诞生（世纪）317-18波义耳、拉瓦锡等科学家通过实验方法确立了现代化学元素概念，区分了元素与化合物，为化学发展提供了科学基础周期表时代（世纪至今）419门捷列夫创立元素周期表，预测未知元素现代科学不断发现新元素，完善周期表，深化对元素本质的理解古代四元素说水（）Water火（）Fire代表流动性和适应性，解释了液态物质的特性古代哲学家认为水是生命代表能量和变化，被认为是热量和光的源泉，在自然界循环中扮演着重要的来源古人将燃烧、热量变化等现土（）Earth角色象归因于火元素的作用气（）Air代表坚固性和稳定性，古人认为岩石、矿物等坚硬物质主要由土元素构代表轻盈性和无形性，解释了气体的成这一观念反映了人们对物质固态存在古代哲学家认为空气充满宇宙形式的早期认识空间，是生命呼吸所必需的2314这一理论由古希腊哲学家恩培多克勒（约公元前490-430年）提出，在欧洲和亚洲主导了人类对物质组成的认识长达2000多年，直到近代化学的发展才被逐渐替代炼金术时期的元素观念黄金追求三原质理论实验技术炼金术士相信通过特定程序中世纪炼金术引入三原质炼金术士发明了蒸馏、升华和点金石可将卑金属转化理论，认为物质由硫（燃烧、过滤等实验技术，设计了为黄金这一信念推动了大性）、汞（金属性和挥发性许多实验装置，为现代化学量化学实验和工艺技术的发）和盐（固定性）三种原质实验方法奠定了基础展，尽管目标本身是不可实组成，扩展了四元素说现的医学应用炼金术与医学密切相关，炼金术士探索矿物和草药治疗疾病的可能性，帕拉塞尔苏斯等人开创了医学化学（医用炼金术）现代化学元素概念的诞生法拉第的电化学（年）1834道尔顿的原子论（年）1808迈克尔·法拉第发现电解定律，揭示拉瓦锡的革命（年）1789约翰·道尔顿提出现代原子理论，认了元素之间的电化学等价关系，暗波义耳的贡献（年）1661安托万·拉瓦锡通过精确实验证明质为每种元素由独特、不可分割的原示了原子带电的可能性，为后来的罗伯特·波义耳在《怀疑的化学家》量守恒定律，编制了第一个科学的子组成他解释了定比定律，为元原子结构研究提供了重要线索中首次科学定义了元素概念，认为元素表，包含33种物质他正确识素的原子质量测定开辟了道路元素是不能被分解为更简单物质的别氧气的本质，推翻了燃素说，奠基本物质他推动化学从炼金术中定了现代化学基础分离出来，成为独立的科学门捷列夫与元素周期表创新方法1869年，德米特里·门捷列夫创造性地将当时已知的63种元素按原子质量递增排列，发现元素性质呈周期性变化他突破性地留下空位预测未知元素，这一做法与当时其他科学家形成鲜明对比预测成功门捷列夫成功预测了镓（镓铝）、锗（硅锗）和钪（埃卡硼）三种元素的存在及其性质这些元素在随后的十几年中相继被发现，其性质与预测极为接近，有力证实了周期律的正确性理论贡献门捷列夫的周期表不仅是元素的归类系统，更提供了理解元素内在联系的理论框架他坚持为了理论的完整性有时必须调整元素排列顺序，这一科学直觉后来被证明是正确的现代意义门捷列夫的周期表经过现代量子理论的完善，至今仍是化学科学的基石和最重要的工具之一它不仅是元素分类系统，更是预测元素性质和化学反应的强大工具第二章元素的基本概念元素的定义元素的分类元素的物理状态化学元素是由相同原子序数的原子构成的元素可按多种方式分类，最常见的是金属在标准条件下，大多数元素是固体（如铁物质每种元素都有独特的原子序数，代、非金属和半金属按周期表位置可分为、碳、硅），少数是液体（如溴、汞），表其原子核中质子的数量目前已知有118主族元素、过渡元素、稀土元素和锕系元更少数是气体（如氢、氧、氮等）某些种元素，其中94种在自然界中存在，其余素等也可根据丰度分为常量元素、微量元素可能存在多种同素异形体，如碳的石是人工合成的元素和超微量元素墨和金刚石形式什么是化学元素？最基本的物质单位化学元素是无法通过化学方法分解为更简单物质的纯净物它是构成所有物质的基本单元，是化学反应中的最小参与者每种元素都有其独特的原子结构和化学性质由单一类型原子组成每种元素由具有相同质子数（原子序数）的原子组成例如，所有氢原子都有1个质子，所有碳原子都有6个质子原子序数决定了元素在周期表中的位置及其基本化学性质可以单质或化合物形式存在元素在自然界可以以单质形式存在（如氧气O₂、铁Fe），也可以以化合物形式存在（如水H₂O中的氢和氧）无论以何种形式存在，元素本身的原子特性保持不变具有特定的物理化学性质每种元素都有独特的物理化学性质，如熔点、沸点、密度、电负性、原子半径等这些性质在周期表中呈现规律性变化，形成元素周期律原子结构与元素特性原子核内的相互作用质子与中子通过强核力结合1电子层结构与化学键2决定化学反应活性电子排布与周期性3影响元素物理化学性质核外电子与原子半径4影响原子大小和结合能力质子数决定元素种类5原子序数即质子数原子的基本结构包括原子核和围绕其运动的电子原子核由带正电的质子和不带电的中子组成，决定了原子的物理稳定性质子数确定了元素类型，而质子数和中子数之和决定了同位素种类电子在核外按能级分布，最外层电子（价电子）决定了元素的化学性质电子排布遵循能量最低原则和泡利不相容原理，形成独特的电子构型这些微观结构决定了元素的宏观物理化学性质同位素与元素的质量数同位素定义同位素应用同位素是同一元素中具有相同的质子数（原子序数）但不同中子数的原子因此，同位素具有相同的同位素广泛应用于科学研究和实际生活放射性同化学性质，但物理性质略有不同例如，氢有三种位素用于医学诊断和治疗、地质年代测定、农业研天然同位素普通氢（¹H）、氘（²H）和氚（³H究和工业无损检测稳定同位素用于环境科学、食质量数概念）品溯源、生物医学研究和考古学等领域质量数是原子核中质子数和中子数的总和我们用左上角的数字表示质量数，如¹²C表示碳-12（6个质子和6个中子）质量数不同的同一元素的原子就是同位素大多数元素在自然界中以多种同位素形式存在元素符号的含义符号的历史起源1化学元素符号最早由瑞典化学家贝采利乌斯于1813年提出，用拉丁字母代替之前的炼金术符号他规定每种元素用其拉丁名称的首字母或首字母加特征字母表示，如氢Hydrogen用H表示，氦Helium用He表示符号的书写规则2元素符号通常由一个或两个字母组成，第一个字母必须大写，第二个字母必须小写例如，碳是C，钙是Ca，而不是CA某些元素符号来源于其拉丁名或德语名，如钠Natrium的Na，钾Kalium的K，金Aurum的Au等符号的扩展信息3在化学和物理学中，元素符号可以携带额外信息左上角标记质量数，左下角标记原子序数，右上角标记电荷例如，²³⁵₉₂U⁴⁺表示原子序数为

92、质量数为

235、带4个正电荷的铀离子新元素符号命名4新发现或合成的元素符号由国际纯粹与应用化学联合会IUPAC审核确认命名通常基于科学家、地理位置、神话或元素性质，如锘Curium,Cm以居里夫人命名，钋Polonium,Po以波兰命名第三章元素周期表元素周期表是化学学科中最重要的工具之一，它将所有已知的化学元素按照原子序数递增排列，并按照元素性质的相似性分组现代周期表由7个周期（横行）和18个族（纵列）组成，包含118种已知元素周期表不仅是元素的分类系统，更是理解元素性质和预测化学反应的强大工具它反映了元素原子结构、电子排布与化学性质之间的内在联系，是化学规律的直观表达周期表的结构周期与族区域划分元素类型分布周期表分为7个周期（横行）和18个族（纵周期表按照电子填充轨道类型分为四个区域周期表中大约有80%的元素是金属，主要分列）周期数表示原子最外层电子所在的主s区（1-2族）、p区（13-18族）、d区（布在左侧和中部非金属元素集中在右上方能级，族数与原子最外层的电子数相关同3-12族，过渡元素）和f区（镧系和锕系元（除氢外），包括卤素和稀有气体金属与一周期元素的原子序数从左到右递增，同一素）这种划分反映了元素电子构型和化学非金属之间有少数半金属元素，如硼、硅、族元素的化学性质相似性质的系统变化锗、砷、锑、碲和砹主族元素特点族碱土金属2族碱金属1活泼性低于碱金属，硬度较高2活泼的银白色金属，易与水反应1族典型元素13-16性质多样，金属性逐渐减弱3族稀有气体185族卤素化学性质极不活泼，单原子气体17高度活泼的非金属，易形成盐4主族元素指元素周期表中s区和p区的元素，即

1、2族和13-18族元素这些元素的最外层电子填充在s或p轨道中，价电子数等于族数（18族除外），化学性质相对简单明确同一主族元素具有相似的化学性质，例如1族元素都是活泼的金属，17族元素都是活泼的非金属在同一族中，从上到下，金属性增强，非金属性减弱在同一周期中，从左到右，金属性减弱，非金属性增强过渡元素特点轨道电子填充1d过渡元素的特点是d轨道电子正在填充中，位于周期表的3-12族这些元素的最外层电子结构相似，都有两个s电子，而内层的d轨道则从填充0个到填充10个电子不等d轨道电子的存在赋予了过渡元素独特的性质多种氧化态2过渡元素最显著的特点是可以表现出多种氧化态，因为它们的d电子也可以参与化学键的形成例如，锰可以显示+2到+7的氧化态这使得过渡元素的化合物种类繁多，颜色丰富，催化性能优异金属性和物理特性3几乎所有过渡元素都是金属，具有典型的金属光泽、良好的导电导热性、延展性和高熔点许多过渡金属如铁、钴、镍具有磁性它们通常能形成合金，广泛应用于工业制造、建筑和技术领域配位化合物形成4过渡元素易形成配位化合物（配合物），即中心金属离子与带有孤对电子的分子或离子（配体）结合的复杂化合物这类化合物在生物体系、催化反应和材料科学中扮演重要角色稀土元素简介分类元素主要特点代表应用轻稀土镧La、铈Ce、镨储量相对较高，光学永磁材料、催化剂、Pr、钕Nd、钷和磁性特性优异玻璃添加剂Pm、钐Sm、铕Eu重稀土钆Gd、铽Tb、镝储量稀少，具有特殊激光材料、磁光存储Dy、钬Ho、铒的电子和磁性能、超导体Er、铥Tm、镱Yb、镥Lu类稀土钪Sc、钇Y化学性质与稀土相似高强度合金、LED荧，常与稀土共生光粉稀土元素包括镧系15个元素（原子序数57-71）以及与之性质相似的钪Sc和钇Y尽管名为稀土，但其中一些元素在地壳中的丰度实际上高于铜或铅等常见金属它们被称为工业维生素，在现代高科技产业中扮演着不可替代的角色稀土元素的独特电子结构（4f轨道电子填充）赋予了它们特殊的光学、磁性和电子性能它们广泛应用于永磁体、催化剂、荧光材料、激光晶体、高温超导体、电池材料和精密光学等领域，对现代信息技术、新能源和国防工业至关重要元素周期律原子序数规律1元素的性质是原子序数的周期函数当元素按照原子序数递增排列时，其物理和化学性质会呈现周期性变化电子层结构2周期性变化的本质是原子外层电子结构的相似性同一族元素具有相似的外层电子构型，因此表现出相似的化学性质周期性变化趋势在同一周期中，随着原子序数增加，原子半径通常减小，电离能增大，电负性增强；在同一族中，随3着原子序数增加，原子半径通常增大，电离能减小，金属性增强性质变化规律元素的金属性和非金属性、酸碱性、氧化还原性等关键性质在周期表中有明显的4区域性分布和变化趋势，遵循一定规律元素周期律是化学的基本规律之一，最初由门捷列夫发现现代量子力学为周期律提供了理论基础，解释了元素性质周期性变化的微观机制理解周期律能够帮助我们预测未知元素的性质，指导新材料的设计和合成第四章常见元素及其化合物氢元素碳元素氧元素宇宙中最丰富的元素，是最轻生命的基础元素，形成多种同地壳中含量最多的元素，支持的气体，既可以表现出类金属素异形体，能够与自身和其他燃烧和呼吸过程，参与无数化性也可以表现出类非金属性，元素形成数以百万计的化合物学反应，对维持地球生命至关广泛应用于能源、化工和航天，是有机化学的核心重要领域金属元素周期表中大部分元素是金属，具有导电性、延展性和金属光泽，形成的化合物种类繁多，是现代工业的基础本章将详细介绍这些常见元素的基本性质、重要化合物、自然分布以及在工业和日常生活中的广泛应用，帮助理解它们如何塑造我们的世界氢元素物理性质化学性质重要化合物应用前景氢是最轻的元素，标准状态下为氢气在常温下不活泼，但加热或水H₂O是最重要的氢化合物，氢被视为清洁能源的重要载体，无色无味的气体沸点为-有催化剂存在时，可与氧气、卤此外还有氨NH₃、甲烷CH₄、燃烧只产生水氢燃料电池技术

252.87℃，密度仅为空气的1/14素等发生剧烈反应它既能失去硫化氢H₂S和各种酸HCl,日益成熟，应用于交通工具和电，在地球大气中含量极低液态电子形成H⁺离子（酸性），又H₂SO₄等氢能与大多数元素形力系统液态氢用作火箭燃料，氢和固态氢只有在极低温度下才能得到电子形成H⁻离子（碱性成化合物，在有机化合物中尤为氢同位素氘和氚是核聚变的基础能存在），表现出独特的两性特征普遍材料碳元素碳纳米材料石墨结构包括富勒烯C₆₀等、碳纳米管和石墨烯等新型碳碳原子以sp²杂化形成的六边形网状层状结构，同素异形体这些材料具有独特的电学、力学和金刚石结构层内键强层间键弱这种结构使石墨具有良好的光学性质，在材料科学、电子技术和生物医学等导电性、润滑性和耐热性，广泛用于电极材料、领域有广泛应用前景碳原子以sp³杂化形成的四面体结构，每个碳原铅笔芯和润滑剂子与四个碳原子形成共价键这种三维网状结构使金刚石成为已知最硬的天然物质，同时具有极高的导热性和光学透明度碳是生命的基础元素，能与自身和其他元素形成无数化合物，是有机化学的核心其主要化合物包括二氧化碳CO₂、一氧化碳CO和碳酸盐等无机物，以及数百万种碳氢化合物和衍生物碳循环是地球上最重要的生物地球化学循环之一，维持着生物圈的平衡氧元素物理性质常温下氧气O₂是无色无味的气体，液态氧呈淡蓝色氧气略溶于水，是空气的主要成分约21%氧元素在地壳中以氧化物和氧化盐形式广泛存在，约占地壳质量的46%，是地壳中含量最多的元素化学性质氧气具有较强的氧化性，能与大多数元素直接反应生成氧化物它支持燃烧，是呼吸作用的关键物质除稀有气体外，几乎所有元素都能与氧形成稳定的化合物氧还以臭氧O₃形式存在，具有更强的氧化性重要化合物水H₂O是最重要的含氧化合物，生命活动离不开它金属和非金属氧化物种类繁多，如二氧化碳、二氧化硅、氧化钙等有机物中氧常以醇、醛、酮、羧酸、酯等官能团形式存在应用领域工业上氧气用于钢铁冶炼、化工合成、废水处理等医疗上用于氧疗和急救纯氧和液氧用作火箭推进剂同位素氧-18用于核医学和水文地质研究氧气生产主要通过空气分离获得氮元素物理特性1氮气N₂是无色无味的气体，化学性质不活泼，占空气体积的约78%氮气分子由两个氮原子通过三重键连接，这种强键使氮气极其稳定液态氮温度为-196℃，是常用的低温制冷剂化学反应2尽管氮气稳定，但在高温、高压或催化剂存在下，可与氢气反应生成氨哈伯法氮能形成多种氧化态化合物，从-3价NH₃到+5价HNO₃氮的固定转化是自然界氮循环的关键步骤生物意义3氮是蛋白质、核酸等生物大分子的基本组成元素植物无法直接利用氮气，需依赖根瘤菌等固氮微生物或工业氮肥氮素营养对农业生产至关重要，但过量使用导致环境污染问题工业应用4氨是最重要的含氮化工原料，用于生产硝酸、尿素等肥料和爆炸物液氮用于食品冷冻、生物样本保存和超导体冷却氮气用于食品包装、轮胎充气和惰性气氛保护金属元素概览金属元素在周期表中占据主导地位，约占已知元素的80%它们通常具有良好的导电导热性、金属光泽、延展性和高熔点按化学活泼性可分为活泼金属（如钾、钠、钙）、中等活泼金属（如铁、锌、锡）和不活泼金属（如铜、银、金）按性质和用途可分为轻金属（如铝、镁）、重金属（如铅、汞）、贵金属（如金、银、铂）、稀有金属（如锆、铌）等金属元素在自然界多以化合物形式存在，需要通过冶金工艺提取它们是现代工业、建筑、交通和电子技术的基础材料第五章元素在自然界中的分布氧硅铝铁钙钠钾镁其他元素地球不同圈层中元素分布存在显著差异地壳中氧、硅、铝等轻元素含量丰富，而地核则富含铁、镍等重金属海洋中以氢、氧为主，溶解了几乎所有元素，但浓度各异大气主要由氮、氧和少量稀有气体组成生物体内碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素占主导元素在自然界中的迁移和循环受物理、化学和生物因素影响，形成复杂的地球化学循环人类活动已成为影响元素分布的重要因素，导致某些区域元素异常富集或匮乏，引发环境问题地壳中的元素分布硅酸盐岩石金属矿产资源稀散元素分布地壳主要由硅酸盐岩石组成，其中氧和硅形有经济价值的金属元素在地壳中通常以矿床锂、铷、铯、铍等稀散元素在地壳中含量极成了基本的四面体结构SiO₄⁴⁻这种结构形式富集铁、铝、铜、铅、锌等常见金属低但应用价值高，常富集于伟晶岩中稀土与铝、铁、钙、镁、钠、钾等元素结合，形形成大型矿床，而金、银、铂等贵金属及钨元素主要存在于独居石、氟碳铈矿和离子吸成了各种矿物和岩石造岩矿物如长石、石、钼、钛等稀有金属则形成分散度较高的矿附型稀土矿中提取这类元素需要复杂的分英、云母等主要含有这些元素床，开采难度更大离技术地壳中元素的分布规律受控于元素的地球化学性质、地质演化过程以及元素亲石性和亲铁性的差异理解这些规律对于矿产资源勘探和开发具有重要指导意义海洋中的元素分布海洋是地球上最大的水体，也是各种元素的巨大储库海水中含有几乎所有自然元素，但浓度差异极大钠和氯是海水中含量最高的元素，主要以氯化钠形式存在镁、硫、钙和钾也有较高浓度，而大多数重金属和稀有元素含量极低海洋元素分布受控于河流输入、海底热液活动、大气沉降、生物活动和沉积过程海水中元素浓度随深度、地理位置和海洋环流而变化深海沉积物如锰结核富含铁、锰、铜、镍、钴等金属元素，被视为未来重要的矿产资源海水提取技术已实现从海水中商业化提取溴、镁和钠大气中的元素组成氧O氮N支持生命和燃烧，占

20.95%2大气的主要成分，占

78.08%1氩Ar最丰富的惰性气体，占

0.93%3其他元素5碳稀有气体和微量元素，

0.01%C以CO₂形式存在，约

0.04%4地球大气以气态分子形式包含多种元素，其中氮气N₂和氧气O₂占据绝对主导地位氩气作为惰性气体，是第三大组分二氧化碳CO₂含量虽低但对气候影响重大其他气体包括氖Ne、氦He、甲烷CH₄、氢H₂等大气元素组成在地球历史上经历了显著变化早期大气中缺乏氧气，主要含有二氧化碳、水蒸气和氮气约25亿年前，蓝藻等光合生物的出现导致大氧化事件，使大气中氧气含量逐渐增加现代工业活动导致大气中二氧化碳、甲烷等温室气体和多种污染物含量上升生物体内的元素分布96%CHONPS碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素占人体总重量的约96%4%常量元素钠、钾、镁、钙、氯等元素约占人体总重量的4%

0.01%微量元素铁、锌、铜等必需微量元素仅占人体总重量的不到

0.01%25生命元素维持人体正常功能所必需的元素总数约为25种生物体内元素分布具有高度选择性，与地壳元素组成有显著差异碳、氢、氧、氮构成了生物大分子的骨架，参与能量转换和代谢过程磷是DNA、RNA和ATP的关键成分，硫对蛋白质结构至关重要常量元素如钠、钾、钙和镁参与神经传导、肌肉收缩和骨骼形成微量元素虽含量极少但功能独特，如铁是血红蛋白的核心，锌是多种酶的辅因子，碘是甲状腺激素组分，硒具有抗氧化作用不同生物对元素的需求和利用能力各异，反映了生物进化的多样性和适应性生物对某些有毒元素如铅、汞、砷有富集作用，可用于环境监测第六章元素与生命基本组成元素碳、氢、氧、氮、磷、硫六种元素构成了生命的基本骨架，形成蛋白质、核酸、碳水化合物和脂质等生物大分子碳的多样化键合能力使生物分子结构复杂多变；氢和氧形成水，是生命体系的溶剂；氮是蛋白质和核酸的关键成分；磷参与能量转换；硫维持蛋白质三维结构构建和调节元素钠、钾、钙、镁、氯等电解质元素在细胞内外液中维持渗透压平衡，参与神经冲动传导和肌肉收缩钙和磷形成骨骼硬组织这些元素的平衡对维持正常生理功能至关重要，其浓度受到精密调控功能性微量元素铁、锌、铜、锰、硒、碘、钴等微量元素虽然含量极少，但功能独特且不可替代它们通常作为酶的辅助因子，参与氧气运输、抗氧化防御、甲状腺激素合成和维生素B12的组成微量元素缺乏或过量都会导致严重健康问题潜在有毒元素铅、汞、镉、砷等元素对生物体具有毒性，可干扰正常生化过程，损害多个器官系统某些有毒元素在极低浓度下可能具有必要的生物学功能，如砷在某些细菌代谢中的作用，展示了剂量决定毒性的原理生命必需元素元素类别代表元素主要生物学功能缺乏症状大量元素碳C、氢H、氧O构成生物大分子，参与不可能缺乏，否则无法、氮N、磷P、硫能量代谢维持生命S常量元素钠Na、钾K、镁维持渗透压，参与神经电解质紊乱，心律失常Mg、钙Ca、氯传导和肌肉收缩，肌肉痉挛Cl必需微量元素铁Fe、锌Zn、铜酶的催化活性，特殊生贫血，免疫功能下降，Cu、锰Mn、碘I理功能甲状腺功能异常、硒Se、钴Co可能必需的微量元素硅Si、钒V、镍Ni某些生物体中有特殊功研究尚不充分、锡Sn、硼B能生命必需元素是维持生物体正常生长、发育和生理功能所必不可少的化学元素根据生物体内含量，可分为大量元素（含量

0.01%）、常量元素和微量元素（含量

0.01%）不同生物对元素的需求有所差异，植物还特别需要钾、钙、镁等元素一个元素被确定为生命必需元素需满足严格标准在所有健康个体中都存在；其缺乏会导致功能异常；补充后异常症状消失；具有明确的生物学功能随着分析技术进步，更多元素的生物学作用正被发现微量元素的作用铁锌碘Fe ZnI铁是血红蛋白和肌红蛋白的核心锌是300多种酶的辅助因子，参碘是甲状腺激素的必需成分，这成分，负责氧气运输和储存它与蛋白质合成、免疫功能、伤口些激素调节新陈代谢率和生长发也是细胞色素和多种氧化还原酶愈合和DNA复制它对味觉和育碘缺乏会导致甲状腺肿大和的组成部分，参与能量代谢和嗅觉功能、生长发育和生殖健康甲减，孕期缺碘可引起婴儿智力DNA合成人体约含4-5g铁，至关重要海产品、肉类、坚果发育障碍海产品和加碘盐是主主要来源于肉类、豆类和深绿色和全谷物是良好的锌来源要膳食来源蔬菜硒Se硒是谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶的组成部分，保护细胞免受氧化损伤它还参与甲状腺功能和免疫系统调节巴西坚果、海产品和肉类含硒丰富硒摄入过多也有毒性元素缺乏与过量的影响铁元素失衡钙元素失衡碘元素失衡铁缺乏导致贫血，表现为疲劳、虚弱、免钙缺乏长期导致骨质疏松和骨折风险增加碘缺乏导致甲状腺肿大和甲减，严重影响疫力下降和认知功能障碍，是全球最常见，短期可引起肌肉痉挛和心律不齐儿童孕妇所生婴儿的智力发育（克汀病）轻的营养素缺乏症铁过量则引起血色素沉钙缺乏会影响骨骼发育钙过量可能引起度碘缺乏也会影响认知功能碘过量同样着病，表现为肝脏损伤、皮肤色素沉着和高钙血症，导致肾结石形成、神经系统异可引起甲状腺功能异常，表现为甲亢或自内分泌失调铁是一把双刃剑，需严格常和心脏问题维生素D对钙吸收至关重身免疫性甲状腺炎症状控制在正常范围要元素摄入必须维持在生理需要范围内，过少或过多都可能导致健康问题某些元素的适宜范围较窄，需特别注意暴露于工业污染、不合理膳食和药物滥用是导致元素失衡的常见原因通过均衡饮食、科学补充和环境控制可预防大多数元素失衡问题元素与人体健康元素与心血管健康元素与免疫功能12钾、镁和钙对维持正常血压至关重要，适量钾摄入有助于降低高血压风险锌是免疫系统正常功能的关键元素，参与T细胞发育和细胞因子产生铜镁参与血管扩张和心肌功能调节过量钠摄入则与高血压密切相关铬影响白细胞活性和抗体形成硒增强抗病毒免疫反应，尤其是对流感病毒影响胰岛素敏感性，可能帮助调节血糖和胆固醇水平硒、铜和锌的抗氧铁既是免疫细胞功能所必需的，又是某些病原体生长的必要因素，其平化特性有助于减少血管氧化损伤衡对免疫防御至关重要元素与神经系统元素与骨骼健康34钙和镁参与神经冲动传导和神经肌肉接头功能锌对脑发育和认知功能至钙和磷是骨骼的主要组成元素，形成羟基磷灰石晶体镁影响骨密度和骨关重要碘通过甲状腺激素影响大脑发育铜参与神经递质合成铁对多质形成锌、铜和锰是骨骼基质合成所需酶的辅因子硅促进胶原蛋白合巴胺代谢和髓鞘形成至关重要锰、钴和锂也与神经系统健康密切相关成和骨矿化氟增强骨骼结构，但摄入过量会导致氟骨症适量硼和锶也铅、汞等重金属则是神经毒素有利于骨骼健康第七章元素与材料科学金属材料革新半导体技术突破纳米材料革命从传统钢铁到轻质铝镁合金，再到形状记忆硅、锗、砷化镓等元素及其化合物构成了现碳、钛、锌等元素在纳米尺度展现出全新性合金和非晶态金属，元素组合创造了性能各代电子技术的基础通过掺杂极微量的硼、质碳纳米管强度是钢的百倍而重量仅为其异的金属材料先进的合金设计利用微量元磷等元素，可精确控制半导体电性能，推动五分之一；石墨烯导电性超越铜；纳米二氧素调控微观结构，实现强度、韧性和耐腐蚀了集成电路从大规模到超大规模的飞跃发展化钛具有优异的光催化性能，推动了材料科性的完美平衡学的革命性进步材料科学的核心是理解和利用元素特性，通过元素间的化学键合和结构设计创造出性能优异的功能材料现代材料科学已从经验探索发展为基于原子层面的精确设计，极大拓展了元素应用的可能性金属材料轻质金属铝、镁和钛是三大轻质金属，密度低但强度高，广泛应用于航空航天和交通领域铝通过添加铜、镁、锌、锰等元素形成各钢铁材料种高强铝合金；镁合金具有最低密度；钛合金耐高温耐腐蚀，是航空发动机的关键材料钢是最重要的工程材料，通过调控碳含量（

0.03-

2.0%）和添加铬、镍、钼、钒、钛等合金元素，可获得从低碳钢到工具钢、不锈钢和特种钢的多种性能金属元素在钢中形成固溶体、贵金属材料碳化物或金属间化合物，精确控制显微组织和性能金、银、铂族金属化学稳定性高，具有独特的催化、电学和光学性能金除用于首饰和储备外，其纳米颗粒广泛用于催化、传感和生物医学；铂、钯是重要的催化剂；银具有最高的导电性和抗菌特性金属材料的发展趋势包括超高强度钢、高熵合金、金属玻璃、金属基复合材料等这些新型材料通过多元素协同效应和精确微观结构控制，实现了传统金属难以达到的综合性能，为航空航天、能源、交通和医疗等领域提供了关键支撑半导体材料基础半导体元素化合物半导体硅Si是最主要的半导体材料，占电子器件市场砷化镓GaAs、磷化铟InP、碲化镉CdTe1的95%以上锗Ge是最早使用的半导体元素等III-V和II-VI族化合物半导体具有直接带隙和2，热稳定性较差但电子迁移率高高电子迁移率，适用于高频和光电器件新型半导体材料掺杂元素4碳化硅SiC、氮化镓GaN和氧化锌ZnO等硼B、铝Al、镓Ga等作为p型掺杂剂；磷宽禁带半导体，以及钙钛矿、有机半导体等新型3P、砷As、锑Sb等作为n型掺杂剂掺杂材料不断扩展应用领域浓度精确控制在ppm级别半导体材料是现代信息技术的基础，其电学性质可通过掺杂精确调控硅技术的成功源于其丰富的资源、稳定的二氧化硅绝缘层和成熟的加工工艺化合物半导体虽然制备成本高，但在光电子、高频通信和电力电子领域具有不可替代的优势随着摩尔定律接近物理极限，新型半导体材料和结构如二维材料、拓扑绝缘体和量子点等正成为研究热点这些材料结合新的物理原理，有望克服传统半导体的功耗和尺寸限制，开辟后摩尔时代的新技术路径纳米材料碳纳米结构金属纳米颗粒半导体量子点碳在纳米尺度形成多种独特结构，如富勒烯金、银、铜等金属在纳米尺度展现出独特的光硫化镉、硒化镉、磷化铟等半导体纳米晶体称C₆₀、碳纳米管和石墨烯单壁碳纳米管强度学、电学和催化性能金纳米颗粒因表面等离为量子点，具有量子限域效应，其光学和电学是钢的百倍而重量仅为其五分之一；石墨烯是子体共振效应呈现尺寸依赖的颜色变化；银纳性质可通过尺寸精确调控量子点具有窄带发已知最薄、最强韧的材料，导电性和导热性极米颗粒具有强烈的抗菌活性；铂和钯纳米颗粒射、高量子效率和广泛的激发谱，广泛应用于高，为电子器件、复合材料和能源存储提供革是高效催化剂，广泛应用于环境治理和新能源显示技术、生物标记和太阳能电池命性解决方案领域纳米材料研究正从单一材料向复杂结构和复合系统发展，包括核-壳结构、异质结构和自组装体系纳米材料的商业化应用面临批量生产、稳定性控制和潜在健康风险等挑战，但其在能源、环境、医疗和信息技术等领域的巨大潜力推动着持续的技术创新新型功能材料超导材料超导体在特定温度下电阻降为零，同时展现完全抗磁性铜氧化物高温超导体（如YBCO）含有钇、钡、铜和氧元素，临界温度达90K以上；铁基超导体含铁、砷和稀土元素；最近发现的富氢超导体在高压下临界温度接近室温超导技术应用于核磁共振成像、磁悬浮列车和电力传输智能材料形状记忆合金（如镍钛合金）能在温度变化时恢复预设形状；压电材料（如钛酸锆铅）在机械应力下产生电压，反之亦然；磁流变液在磁场作用下迅速改变粘度；热致变色材料随温度变化改变颜色这些材料能感知环境变化并做出预设反应，广泛用于传感器、执行器和自适应结构生物医用材料钛及其合金因生物相容性好用于骨科植入物；羟基磷灰石（钙磷化合物）模拟骨骼成分用于骨修复；镁基可降解材料可在体内缓慢溶解；含银纳米材料具有抗菌性能；稀土元素掺杂的荧光材料用于生物成像和诊断生物医用材料需兼顾机械性能、生物相容性和功能特性能源材料锂、钴、镍、锰是锂离子电池的关键元素；钙钛矿太阳能电池含铅、锡和碘等元素；钇、钆等稀土元素用于固体氧化物燃料电池；铂、钯、铱是氢燃料电池催化剂；硅、碲、铋用于热电材料能源材料需兼顾能量转换效率、稳定性和环境友好性第八章元素与能源氢能与可再生能源清洁高效的未来能源方向1核能与放射性元素2高能量密度但安全挑战大电池储能元素应用3锂、钴、镍等关键元素需求激增太阳能电池中的元素4硅、镓、铜、铟、硒等应用广泛化石燃料中的碳氢元素5目前仍占全球能源结构主体能源技术的发展核心在于对元素特性的深入理解和创新应用化石燃料作为传统能源主体，其碳氢元素的燃烧释放化学能，但同时产生二氧化碳等温室气体核能利用铀、钚等重元素的裂变反应释放巨大能量，但面临核废料处理和安全挑战可再生能源技术依赖多种元素太阳能电池需要硅、镓、铟等半导体元素；锂离子电池需要锂、钴、镍、锰等元素；燃料电池需要铂族催化剂这些关键元素的供应和回收已成为能源转型的战略问题未来能源技术发展方向包括新型太阳能材料、高性能电池、高效催化剂和核聚变等，对元素科学提出更高要求化石燃料中的元素碳氧氢氮硫矿物质化石燃料主要由碳和氢元素构成，它们通过燃烧与氧气反应释放能量石油主要由碳氢化合物组成，氢碳比例较高（约

1.8:1）；天然气主体是甲烷CH₄，氢碳比达4:1，因此燃烧产生的二氧化碳相对较少；煤炭以碳为主，氢碳比低（约

0.8:1），同时含有较多的氮、硫和矿物质杂质化石燃料中的微量元素对环境和健康影响重大煤炭中的硫燃烧产生二氧化硫，导致酸雨；氮化合物转化为氮氧化物，造成光化学烟雾；汞、砷、铅等重金属通过燃烧进入大气，危害生态和健康石油中的镍和钒等元素会毒化炼油催化剂清洁煤技术和深度脱硫脱硝工艺能减少这些有害元素的排放核能与放射性元素核裂变燃料核反应过程核废料处理铀-235是自然界中唯一可直接用于核裂变核裂变过程中，中子撞击重核（如铀-235核反应产生多种放射性同位素，如铯-137的同位素，天然铀中仅含

0.72%铀浓缩）导致其分裂为两个较轻原子核，同时释、锶-

90、碘-131等，半衰期从数天到数十技术将铀-235含量提高到3-5%制成核电燃放2-3个中子和巨大能量每个铀-235原万年不等长寿命核废料处理是核能面临料，或90%以上制造核武器钚-239是人子裂变释放约200MeV能量，相当于化学的主要挑战乏燃料后处理可回收未使用造核燃料，在核反应堆中由铀-238吸收中反应的数百万倍链式反应是核能利用的的铀和钚，但同时产生高放废液玻璃固子转变而成钍-232通过吸收中子可转换基础，需要精确控制才能安全发电而非爆化和深地质处置是目前主要的高放废物管为铀-233，是一种潜在的核燃料资源炸理方案核聚变被视为未来理想能源，主要利用氢的同位素氘和氚进行反应聚变反应温度需达到数千万度，等离子体约束是主要技术挑战国际热核聚变实验堆ITER项目旨在验证聚变能的商业可行性聚变相比裂变具有燃料丰富、无长寿命放射性废物和本质安全等优势太阳能电池中的元素晶体硅太阳能电池硅是目前主导太阳能市场的半导体材料，占光伏装机的95%以上单晶硅和多晶硅电池效率分别达到24%和20%左右硅电池还需要硼和磷作为掺杂元素，银用于电极，铝作为背电场单晶硅需要极高纯度

99.9999%，生产过程能耗较高薄膜太阳能电池铜铟镓硒CIGS电池利用这四种元素形成的化合物半导体，效率可达23%，材料利用率高碲化镉CdTe电池成本低廉，但镉的毒性引发环保担忧非晶硅薄膜电池虽效率较低但可在柔性基底上制备薄膜技术使用材料量仅为晶硅的1%左右新型太阳能电池钙钛矿太阳能电池利用含铅、锡、碘的有机-无机杂化材料，效率突破25%，但稳定性和铅毒性是挑战量子点太阳能电池使用硫化铅、硒化镉等纳米晶体，可调谐光谱响应染料敏化太阳能电池利用钌配合物和二氧化钛，适合弱光条件元素供应挑战铟、镓、碲等稀有元素供应有限，制约了某些薄膜技术的大规模应用银作为电极材料成本高且储量有限未来技术发展方向包括减少稀有元素用量、开发替代材料、建立闭环回收系统，以及提高元素利用效率氢能源技术氢气制备技术1目前氢气主要通过天然气重整制取（灰氢），伴随大量CO₂排放电解水制氢是更清洁的路径，使用可再生电力时称为绿氢碱性电解槽使用镍基电极；质子交换膜电解槽需要铂、铱等贵金属催化剂光电催化和光生物制氢等新技术也在研发中氢气存储方案2氢气体积能量密度低，存储是关键挑战高压气态存储（70MPa）需要碳纤维复合材料气瓶；液态存储-253℃能量密度高但需消耗30%能量金属氢化物（如镍、镁、钛、铝合金）、有机液态载氢体和纳米多孔材料是新型存储介质燃料电池技术3质子交换膜燃料电池为主流技术，铂是关键催化剂，碳作为载体阴极氧还原反应需要更多铂，是效率瓶颈开发非铂催化剂（如铁-氮-碳材料）是降低成本的关键固体氧化物燃料电池使用钇稳定的氧化锆电解质，能直接利用天然气氢能应用前景4交通运输是氢能最早商业化领域，氢燃料电池汽车已投入使用大规模储能、工业制热、钢铁冶炼和化工原料是氢能的重要应用方向氢能基础设施建设需要新型抗氢脆材料，如特种钢材和复合材料第九章元素与环境碳循环与气候变化碳元素在大气、海洋、陆地生物圈和岩石圈之间循环，维持地球环境稳定人类活动释放CO₂和CH₄等温室气体，打破了碳循环平衡，导致全球气候变暖理解碳循环关键过程如光合作用、呼吸作用、海洋碳汇和风化作用对应对气候变化至关重要氮磷循环与水体富营养化人类活动增加了可利用氮的量并加速了磷的提取，大量氮磷进入水体导致富营养化，引发藻类大量繁殖、水质恶化和生物多样性下降合理控制化肥施用、改进城市污水处理系统和发展循环农业可减少氮磷排放重金属污染与生物富集汞、铅、镉、砷等重金属难以降解且具有生物富集性，通过食物链放大效应威胁生态系统和人类健康这些元素主要来源于采矿、冶炼、农药和废物处理土壤修复、污染物稳定化和微生物修复是处理重金属污染的重要方法卤素化合物与臭氧层破坏氯、溴等卤素元素形成的有机卤化物（如氯氟烃）具有极强的稳定性这些物质进入平流层后在紫外线作用下释放卤素自由基，催化分解臭氧，导致臭氧层空洞《蒙特利尔议定书》限制这类物质生产使用，是国际环保合作的典范温室气体元素温室气体由碳、氢、氧、氮、氟等元素组成，其分子结构能够吸收地表发出的长波辐射，导致温室效应二氧化碳是最主要的人为温室气体，主要来源于化石燃料燃烧和森林砍伐甲烷虽然浓度低但全球变暖潜能值是CO₂的25倍，主要来源于稻田、湿地、反刍动物和化石燃料开采氧化亚氮主要来源于农业活动和工业过程，全球变暖潜能值是CO₂的298倍氢氟碳化物HFCs、全氟化碳PFCs和六氟化硫SF₆等含氟温室气体具有极高的全球变暖潜能值和超长大气寿命，尽管排放量较小但影响不容忽视《巴黎协定》旨在限制全球温升，各国承诺减少温室气体排放空气污染物中的元素氮氧化物硫氧化物颗粒物重金属NOx SOx氮氧化物主要来源于高温燃烧过程，如机二氧化硫主要来源于含硫燃料燃烧，尤其PM

2.5和PM10等颗粒物中含有铅、汞、动车尾气和火力发电NO在空气中被氧是燃煤电厂SO₂具有强烈刺激性，可导砷、镉等有毒重金属元素，主要来源于工化为NO₂，呈棕红色，具有刺激性气味致酸雨、物体腐蚀和呼吸系统疾病脱硫业排放、燃煤和垃圾焚烧这些元素可通氮氧化物参与光化学烟雾形成，导致酸雨技术包括石灰石-石膏湿法、氨法等，使用过呼吸进入人体，累积在组织器官中，导，危害呼吸系统脱硝技术包括选择性催钙、镁等碱性元素中和酸性气体新型催致神经、肾脏和肝脏损伤现代除尘技术化还原SCR和选择性非催化还原SNCR化氧化技术可将SO₂转化为硫酸，实现资包括电除尘、袋式除尘和湿式除尘，能有，钒、钨、钛等元素是重要催化剂源回收效减少颗粒物排放空气污染控制技术发展迅速，从末端治理向全过程控制转变煤炭清洁燃烧技术如循环流化床可大幅减少氮氧化物和硫氧化物排放；车用尾气催化转化器利用铂、钯、铑等贵金属催化剂转化有害物质；挥发性有机物VOCs处理技术如吸附-催化氧化使用活性炭和过渡金属氧化物水污染中的元素营养元素污染重金属污染持久性有机污染物氮、磷是最主要的水体营养元素污染物，过量铅、汞、镉、铬、砷等重金属元素即使在极低含氯、溴等卤素元素的有机化合物如多氯联苯进入水体导致富营养化氮主要以硝酸盐、亚浓度下也对水生态系统和人类健康构成威胁PCBs、有机氯农药和多溴联苯醚PBDEs硝酸盐和铵盐形式存在；磷主要以磷酸盐形式它们主要来源于采矿、冶炼、电镀和电子废弃具有高稳定性和生物富集性这类物质难以降存在氮磷来源于农业面源污染、城市污水和物处理重金属去除技术包括化学沉淀、离子解，通过食物链累积，对生物体内分泌系统造工业废水高级氧化、生物脱氮除磷和化学沉交换、膜分离和生物吸附，新型纳米材料显示成干扰高级氧化、光催化和特定微生物降解淀是主要处理技术出优异的吸附性能是处理技术发展方向水污染控制正从单一处理向综合治理转变，结合源头减排、过程控制和末端处理新型水处理材料如石墨烯复合吸附剂、纳米零价铁、金属有机框架化合物MOFs等展现出优异的选择性吸附和催化降解性能，为水污染精准治理提供新思路土壤污染中的元素土壤作为环境的重要组成部分，既是污染物的接收者，也是污染物向地下水和生物圈传递的媒介重金属污染是最常见的土壤元素污染类型，包括镉、铅、汞、砷、铬等，主要来源于采矿冶炼、农药化肥、废物处置和大气沉降这些元素在土壤中长期存在，通过作物吸收进入食物链土壤修复技术丰富多样物理修复如客土和热脱附；化学修复如稳定化、固化和淋洗；生物修复如植物提取和微生物降解近年来，纳米材料和生物炭等新型修复材料展现出良好应用前景土壤元素平衡和养分管理对可持续农业至关重要，精准施肥和有机农业有助于维持土壤健康和减少污染第十章元素的分离与提取物理分离技术1包括重力分选、磁选、浮选等方法，分离具有不同物理性质的矿物浮选利用矿物表面性质差异，通过起泡剂和捕收剂使目标矿物附着在气泡上浮起物理方法通常是矿石加工的第一步，提高有用矿物含量冶金提取工艺2火法冶金通过高温反应提取金属，如铁的高炉炼铁；湿法冶金利用溶液化学，如铜的酸浸-萃取-电解工艺冶金过程通常涉及氧化还原反应，需要控制温度、压力和气氛不同金属元素需要专门设计的提取工艺分离纯化方法3电解精炼、分馏结晶、离子交换、溶剂萃取、色谱法等技术用于元素的高纯度分离稀土元素因化学性质相似，分离特别困难，常采用多级萃取技术超纯硅的制备需要多次区熔提纯，获得

99.999999%以上纯度二次资源回收4从废弃电子产品、工业废渣、废水和尾矿中回收有价元素，如从废旧电池回收钴、锂，从废电路板回收金、银、钯城市矿山已成为重要的元素来源，回收工艺需兼顾经济效益和环境保护矿物中元素的提取矿石开采与预处理矿石开采后首先进行破碎和磨矿，将大块矿石减小至适合分选处理的粒度，同时实现矿物解离干法筛分和湿法分级进一步将矿物按粒度分离磁选、重力分选和浮选等物理化学方法根据矿物性质差异进行富集，得到品位更高的精矿火法冶金工艺氧化矿物通常通过还原冶炼获取金属，如利用焦炭在高炉中还原铁矿石；硫化矿物则先通过焙烧转化为氧化物，再进行还原贵金属和部分有色金属可通过熔炼直接富集，如铅冶炼中铅能收集金银火法冶金能耗高但处理量大，适合大规模生产湿法冶金工艺利用酸、碱或特殊溶剂将目标元素浸出，形成含金属离子的溶液溶剂萃取利用不同元素在有机相和水相中分配系数的差异进行分离；离子交换利用树脂对不同离子的选择性吸附最后通过电解、置换或结晶获得金属或化合物金属精炼纯化粗金属通过电解精炼、区域熔炼、真空蒸馏等方法进一步提纯电解精炼利用不同金属的电极电位差，使纯金属在阴极沉积而杂质留在阳极泥中；区域熔炼利用固液分配系数差异；真空蒸馏利用金属蒸气压差异海水中元素的提取溴的提取镁的提取钾盐与其他矿物溴是最早从海水中商业化提取的元素，海水中溴海水中镁含量约1300ppm，通过向海水加入氢海水蒸发池系统用于提取钠、钾和其他矿物质含量约70ppm提取工艺首先向海水中加入氯氧化钙或氧化钙形成难溶的氢氧化镁沉淀，过滤海水首先在浅层池中蒸发，依次沉淀出碳酸钙、气氧化溴离子为溴单质，再用空气吹脱或有机溶后得到氢氧化镁浆料将浆料处理为氯化镁，通硫酸钙、氯化钠和钾镁盐这些淡盐湖矿物可进剂萃取分离溴全球约40%的溴产量来自海水，过熔盐电解得到金属镁这一工艺提供了世界约一步加工为多种产品，包括食盐、钾肥和硫酸镁主要用于阻燃剂、医药中间体和农药生产一半的镁产量，镁及其合金广泛用于轻量化结构这一技术在干旱沿海地区尤为常见材料海水含有几乎所有天然元素，但除少数元素外，大多数元素浓度极低，目前提取不具经济性随着先进分离技术如特种吸附剂、膜分离和生物富集的发展，海水中的锂、铀等战略元素提取正成为研究热点水资源稀缺地区的海水淡化过程可与元素提取结合，提高系统经济性废弃物中元素的回收废弃电子产品是最具回收价值的城市矿山资源，含有金、银、钯、铂等贵金属，以及铜、锡、钴、稀土等有价元素回收流程通常包括预处理（拆解、破碎、分选）、富集（火法熔炼或湿法浸出）和精炼提纯（电解或化学沉淀）电子废弃物处理需要平衡经济效益和环境保护工业废渣如钢渣、赤泥、磷石膏等含有大量有用元素和矿物，但浓度低且成分复杂新型回收技术如功能性吸附材料、生物冶金和超临界流体萃取正提高回收效率废弃物回收不仅能获取有价元素，也减少了原生矿物开采和环境污染循环经济理念推动了全生命周期设计，使产品更易于回收利用稀有元素的提取技术稀土元素分离铌钽精细分离稀土元素化学性质极为相似，传统分离方法难以奏效工业上主要采用溶剂萃铌和钽在自然界中常共生，化学性质极为相似现代分离技术利用甲基异丁基取法，利用不同稀土元素在有机相和水相中分配系数的微小差异，通过几十甚酮MIBK等选择性萃取剂，在特定酸度条件下优先萃取钽纯化后的铌和钽广至上百级的萃取实现分离近年来，离子交换、萃取色谱和超临界萃取等新技泛应用于高温合金、超导材料和电子元件铌钽分离技术的进步大幅降低了这术提高了分离效率，降低了环境影响两种金属的生产成本锂的提取技术高纯半导体材料制备锂主要来源于盐湖卤水和锂辉石等矿物盐湖提锂通过太阳蒸发浓缩后，添加半导体级硅、锗等元素需要极高纯度9N-11N多晶硅首先通过西门子法制得碳酸钠沉淀碳酸锂创新技术如选择性吸附剂、电渗析和膜法提锂正逐步推广，再经区域熔炼或直拉法生长单晶区域熔炼利用杂质在固相和液相中分配系，可显著缩短提取周期锂矿石提取需要酸浸或碱浸后纯化结晶锂需求激增数不同，通过多次移动熔区实现纯化气相沉积法用于制备砷化镓等化合物半推动了提取技术快速发展导体，分子束外延可实现原子级精度控制第十一章元素的未来发展新元素合成元素宇宙起源人工合成超重元素探索元素周期表边界，通过天体物理观测和核物理实验研究元素目前已合成至原子序数118锆，第八周期在宇宙中的形成过程，如大爆炸核合成、12元素的合成面临巨大挑战研究新元素的恒星核合成和超新星爆发元素丰度分布核稳定性、电子结构和化学性质是当前前提供了宇宙演化的重要线索沿课题元素资源可持续利用新材料开发面对关键元素资源短缺，发展城市矿山开探索元素新组合和新结构，开发高温超导43发、元素替代技术和循环经济模式，确保体、拓扑材料、二维材料等具有革命性能元素资源的长期可持续利用，支持人类社的新型功能材料，推动信息、能源、医疗会可持续发展等领域技术变革元素科学面临许多未解之谜和发展机遇，从微观层面的量子行为到宏观层面的资源利用，跨越物理、化学、地质、材料、环境等多个领域随着分析技术和计算能力的提升，我们对元素的认识将不断深化，为人类创造更美好的未来新元素的合成研究目标1合成超重元素的主要目标是探索化学元素的极限，验证理论预测的稳定岛，以及研究重核区域的核力和电子结构这些研究有助于完善和扩展元素周期表，加深对基本物理规律的理解合成方法2超重元素主要通过重离子加速器驱动的核聚变反应合成常用的两种方法是冷聚变（靶核与投射核总质子数接近闭壳）和热聚变（使用锕系元素靶和较轻离子如钙-48）成功率极低，可能需要数月轰击才能产生少数几个原子鉴定挑战3超重元素半衰期极短（从微秒到小时不等），产量极低（逐个原子产生）鉴定依赖于精密的α衰变链分析和自发裂变特征测量必须排除背景干扰和假信号，通常需要多个实验室独立验证未来展望科学家预测在中子数约为184附近可能存在超重核素的稳定岛，这些元素半4衰期可能显著延长合成原子序数119和120的实验正在进行，但面临更大挑战研究热点包括寻找最佳靶核-离子组合和提高检测灵敏度元素的宇宙起源研究14大爆炸核合成原始元素宇宙大爆炸后最初几分钟内形成的元素大爆炸核合成主要产生氢、氦和少量锂25%92恒星核合成自然元素恒星内部通过核聚变产生的元素质量占比自然界中存在的元素数量元素的宇宙起源研究是天体物理学、核物理学和宇宙化学的交叉前沿宇宙大爆炸后最初几分钟内的核合成过程仅产生了氢（约75%）、氦（约25%）和极微量的锂，这与天文观测到的宇宙早期恒星成分高度一致，是支持大爆炸理论的重要证据氢到铁之间的元素主要通过恒星内部的核聚变产生，如太阳目前正将氢聚变为氦更重的元素则主要来自恒星晚期演化过程，如红巨星阶段的缓慢中子捕获（s过程）、超新星爆发的快速中子捕获（r过程）和中子星碰撞事件这一认识被称为我们都是星尘——构成地球和生命的元素大多起源于古老恒星的核心和死亡元素在未来技术中的应用量子计算与信息先进能源材料精准医学技术磷、氮、硅等元素掺杂的金刚石中钙钛矿太阳能电池中的铅、锡和碘靶向药物中的铂、钌和铑络合物；的色心作为量子比特；钇、铪等元；固态电池中的锂、钠和硫；燃料医学成像中的钆、锝和氟-18；放素的超导体用于量子电路；铪、锆电池中的铂、钯和铱；氢能存储中射治疗中的碘-

131、镭-223和钇-等高介电常数材料用于量子点这的镁、铝和稀土元素组合的创新90；纳米医学中的金、银和铁些元素在量子层面的独特性质将重将解决能源转换和存储的关键瓶颈这些元素利用其独特的物理化学性塑未来计算和通信技术，带来指数，支持全球能源结构转型质实现疾病的早期诊断和精准治疗级的计算能力提升航天航空材料高温合金中的铼、钨、钽和铌；轻质高强材料中的锂、铍和钛；辐射防护中的铅、钨和硼；推进剂中的氢、氧和铝这些元素的组合使材料能在极端条件下保持性能，支持人类探索太空的深远目标元素资源的可持续利用资源挑战循环利用策略材料替代与优化随着全球工业化和新技术发展，对某些关循环经济模式成为缓解资源压力的关键策寻找丰富元素替代稀缺元素是可持续利用键元素的需求激增，但地球资源有限锂略电子废弃物中的贵金属含量远高于原的另一途径研究用钠电池替代部分锂电、钴、镓、铟、稀土等元素已被多国列为矿；退役电池中的锂钴回收可减少新矿开池应用；开发不含铂的燃料电池催化剂；战略资源铟在LCD显示器中不可或缺；采；工业废渣可作为二次资源提取关键元减少永磁体中的重稀土用量；优化材料设钴是锂电池的关键组分；稀土元素在永磁素先进回收技术如生物冶金、绿色溶剂计降低关键元素用量精益制造和3D打印体和催化剂中发挥核心作用采矿活动往萃取、超临界流体分离等不断提高回收效等先进工艺大幅减少材料浪费，延长产品往伴随生态破坏和能源消耗，资源可持续率，降低环境影响城市矿山已成为重寿命的设计理念也有助于减缓资源消耗利用面临严峻挑战要元素来源元素资源可持续利用需要全生命周期思维，从产品设计、制造、使用到回收的各个环节协同优化政策引导、技术创新和公众参与共同推动构建元素资源的循环体系，为人类可持续发展提供物质基础总结化学元素的无穷魅力历史长河中的探索1从古代四元素说到现代118种元素的发现，人类对物质本源的探索从未停止元素周期表的建立是科学史上的里程碑，记录了无数科学家的智慧与贡献每一个元素背后都有动人的发现故事和命名渊源，展现了科学发展的曲折历程万物构成的基础2元素以其独特的电子结构和化学性质，通过各种化学键合方式构成了自然界的万千物质从地球岩石到生命体，从日常用品到高科技产品，无不由元素的组合与变化构成理解元素性质，掌握元素转化，是人类认识自然和改造世界的基础文明进步的推动力3人类文明的每一次重大进步都与元素的发现和应用密切相关从铜铁时代到硅时代，从传统能源到新能源，从常规材料到纳米材料，元素科学持续推动着技术创新和产业革命，深刻改变着人们的生活方式和社会形态未来发展的无限可能4元素科学仍有广阔的探索空间新元素的合成与性质研究，元素在极端条件下的行为，元素组合产生的新奇量子效应，以及元素资源的可持续利用等跨学科研究和前沿技术将不断拓展元素应用的新领域，创造更美好的未来化学元素是自然界最基本的物质单元，也是人类认识世界的重要窗口通过本课程的学习，我们领略了元素的多样性和统一性，理解了元素性质与结构的内在联系，认识到元素在自然环境和人类社会中的关键角色希望这段元素之旅能激发大家继续探索科学奥秘的热情，为元素科学的未来发展贡献力量！。