《化学元素》课件——探索物质构成的奥秘

化学元素探索物质构成的奥秘欢迎来到《化学元素》课程，一场关于物质世界最基本构成单位的奇妙探索之旅在这个系列课程中，我们将揭开元素的神秘面纱，了解它们如何构成我们身边的一切事物从宇宙的起源到现代科技的发展，从地球的演变到生命的奥秘，化学元素无处不在通过这门课程，我们将深入探讨种已知元素的特性、来源以及在自118然界和人类社会中的重要应用什么是化学元素？元素的基本定义元素在科学中的核心地位化学元素是由相同原子核（即相同质子数）的原子组成的物质，化学元素是化学和物理学的基础概念，深刻影响了我们对物质世无法通过化学方法进一步分解为更简单的物质每种元素都有独界的理解它们构成了从最微小的细胞到最庞大的星系的一切物特的原子结构，赋予它特定的化学和物理性质质元素是构成所有物质的基本单位，是化学科学的根基截至目前，科学家已经确认了种化学元素，其中种可在自然界中11894找到，其余则是通过实验室合成的化学元素的起源1大爆炸宇宙起始于约亿年前的大爆炸在最初的几分钟内，宇宙中只形成了最138轻的元素氢、氦和少量锂这一时期的高能量条件促成了原始核合成过程2恒星形成随着宇宙膨胀和冷却，气体云开始聚集，形成第一代恒星这些恒星内部的高温高压环境成为合成更重元素的熔炉3恒星核聚变恒星通过核聚变过程将氢转化为氦，随后合成碳、氧、氮等更重的元素这些过程在恒星不同生命阶段的核心区域持续进行4超新星爆炸元素的早期发现古希腊四元素说公元前5世纪，古希腊哲学家恩培多克勒提出世界由火、土、气、水四种基本元素构成的理论虽然这一理论现在看来并不准确，但它是人类尝试系统理解物质本质的重要一步炼金术时期中世纪炼金术士虽追求点石成金的不可能目标，却在实验过程中积累了宝贵的知识和技术，为后续化学的发展奠定了基础他们发现了硫、汞等多种元素波义耳的贡献17世纪，罗伯特·波义耳提出了现代化学元素的概念，认为元素是无法被进一步分解的物质这一定义奠定了现代元素概念的基础，标志着化学从炼金术向科学的转变拉瓦锡的突破18世纪末，安托万·拉瓦锡系统地研究了燃烧过程，发现氧气的作用，并编制了第一份包含33种元素的现代化学元素表，为化学革命奠定了基础近现代元素的发现世纪元素发现潮19世纪是元素发现的黄金时期，伴随着电化学、光谱学和原子理论的进步，科19学家们发现了多达种新元素这一时期的重大发现包括钾、钠（戴维，50年）、溴、碘等科学家们通过电解、热分解等方法分离元素，大大扩1807展了已知元素的范围放射性元素时代世纪初，放射性现象的发现开启了新纪元居里夫人发现了钋和镭，引20领人们进入了放射化学领域随后，科学家们开始理解原子结构，并识别出铀、钍等重要的放射性元素，为核能应用奠定了基础人工合成元素世纪中期至今，科学家们开始人工合成自然界中不存在的超铀元20素通过粒子加速器和核反应技术，研究人员成功合成了钚到鿫（118号元素）等一系列超重元素，将元素周期表不断向前推进元素的命名与符号古代元素命名传统最早被发现的元素往往以其特性或发现地命名例如，汞（Mercury）源自罗马神话中的信使神墨丘利，体现了液态汞的流动特性；铜（Copper）则源自塞浦路斯岛（Cyprus），古代铜矿的主要产地地理来源命名许多元素以其发现地或国家命名，展现了科学的国际性如钪（Scandium）源自斯堪的纳维亚，镓（Gallium）源自拉丁语中对法国的称呼Gallia，锗（Germanium）源自德国，镝（Dysprosium）源自希腊语难以获得的意思以科学家命名为纪念杰出科学家，许多现代元素以其名字命名如居里（Curium）纪念居里夫妇，爱因斯坦（Einsteinium）纪念爱因斯坦，门捷列夫（Mendelevium）纪念周期表的创立者门捷列夫这些命名体现了科学界对先驱者的敬意元素符号标准化元素符号最初由贝齐利乌斯在19世纪初提出，通常采用元素英文或拉丁文名称的首字母或前两个字母如氢（H）、氦（He）、碳（C）等国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）负责规范元素的命名与符号，确保全球科学界使用统一标准元素与原子的关系原子结构质子数决定元素原子是元素的基本单位，由原子核（质每种元素都由特定质子数的原子组成子和中子）及围绕其运动的电子组成质子数即是元素的原子序数，从氢（个1质子带正电，中子不带电，而电子带负质子）到鿫（个质子）正是这个独118电这种结构决定了原子的化学性质和特的质子数赋予了每种元素其特有的化物理行为学性质同位素变体电子排布同一元素的原子可以有不同数量的中4电子在原子核外按特定能级和轨道分子，形成同位素虽然同位素具有相同布这种电子排布，特别是最外层电子的化学性质，但物理性质可能不同，如（价电子）的数量和排列，决定了元素放射性碳与稳定碳这种变化在-14-12的化学反应性和键合能力核化学和同位素测年中具有重要应用元素周期律的提出年，俄国化学家德米特里门捷列夫在研究当时已知的种元素时，发现了一个重要规律当元素按原子量递增排列时，其化学性质会呈1869·63现周期性变化这一发现被称为周期律，是化学史上最重要的突破之一值得注意的是，门捷列夫并非唯一发现元素周期性的科学家德国化学家洛塔尔迈耶几乎同时独立提出了类似观点，但门捷列夫更具前瞻性地·预测了未知元素的存在和性质周期律的提出使得化学从描述性学科转变为预测性学科门捷列夫甚至留下空位预测尚未发现的元素，如硅铝（后来的镓）和硼硅（后来的锗）这些元素后来被发现，其性质与预测惊人地吻合，证实了周期律的正确性和强大预测力元素周期表概述周期（横行）周期表共有个完整周期，对应电子主能级数量第一周期仅含氢和氦，随后周期逐渐变长7族（纵列）元素按个族排列，同族元素外层电子结构相似，因此化学性质相近18区块划分周期表可分为区、区、区和区，反映了元素的电子填充轨道类s pd f型元素周期表是化学的核心工具，它系统地组织所有已知元素，展示出元素性质的周期性变化规律现代周期表按照元素原子序数（质子数）递增排列，同时也反映了元素的电子构型周期表不仅是知识的分类系统，更是强大的预测工具，它能帮助科学家预测元素的物理化学性质、可能的化学反应以及新元素的特性理解周期表的结构和组织原则，是掌握化学科学的关键一步周期表的发展变迁年门捷列夫初版周期表11869俄国化学家门捷列夫发表第一个元素周期表，按原子量排列63个已知元素，并预言未发现元素的性质2年摩斯利修正1913英国物理学家摩斯利通过射线实验确定元素应按原子序数而X非原子量排序，纠正了早期周期表的缺陷年代超铀元素31940科学家开始合成超铀元素，周期表持续扩展格伦西博格团队·合成了钚等多种人工元素4年长式周期表1951朗瑟勒特提出长式周期表，即现今广泛使用的标准版本，清晰展示了轨道元素（镧系和锕系）f年第七周期完成52016国际纯粹与应用化学联合会（）正式确认了、、IUPAC113115和号元素，使周期表第七周期完整填满117118元素的分类标准金属元素非金属元素占周期表约的元素一般具有金属约占的元素通常不导电（碳的同75%17%光泽、良好导电性、高延展性和高导热素异形体石墨例外），脆性大，熔点性通常在化学反应中失去电子形成阳低化学反应中倾向于得到电子形成阴离子例如铁、铜、银、金等离子例如氧、氮、氯、硫等按放射性分类半金属元素元素也可按是否具有放射性分为稳定元约的元素兼具金属和非金属特8%素和放射性元素自然界中有约种稳性导电性介于两者之间，在半导体工90定元素，其余都具有不同程度的放射业中极为重要例如硅、锗、砷、硼性，如铀、钚、镭等等金属元素概述碱金属（第一族）包括锂、钠、钾、铷、铯、钫特点是极易失去最外层单个电子，化学性质活泼，与水反应剧烈释放氢气在自然界中不以单质形式存在，常见于盐类化合物中广泛应用于电池、催化剂和合金制造碱土金属（第二族）包括铍、镁、钙、锶、钡、镭通常失去两个电子形成+2价离子反应活性较碱金属低但仍很活泼钙和镁在生物体中扮演重要角色，而镁合金在航空航天领域应用广泛过渡金属周期表中间区域的金属元素，如铁、铜、金、银等通常具有多种氧化态，形成多彩的化合物许多过渡金属在工业和制造中不可或缺，是现代文明的物质基础稀土金属包括镧系和部分过渡金属虽名为稀土，实际存量不算稀少，但分布分散难以提取在现代高科技产业中应用广泛，尤其在磁性材料、发光材料和催化剂领域非金属元素概述75%人体组成非金属元素如氧、碳、氢、氮占人体总质量的约四分之三，是生命的基本构成11常见非金属包括氢、碳、氮、氧、氟、磷、硫、氯、硒、溴、碘等，大多分布在周期表右上部78%大气成分氮气约占大气成分的78%，是地球大气的主要成分之一21%氧气比例氧气约占大气成分的21%，是支持燃烧和呼吸的必要元素非金属元素通常呈现气态（如氧、氮）或固态（如碳、硫），仅有溴在室温下呈液态它们通常容易获得电子形成阴离子或与其他非金属共享电子形成共价键非金属元素在自然界和生命体中极为重要，构成了大气、水体以及大多数生物分子半金属元素介绍硅（）Si电子工业的核心材料锗（）Ge半导体和光纤通信的关键元素砷（）As用于增强合金和电子器件硼（）B高强度材料和洗涤剂的重要成分锑（）Sb火焰阻燃剂和合金增强剂半金属元素是现代技术的关键支柱，它们兼具金属和非金属的特性，位于周期表中金属和非金属的分界线上这些元素在电学性质上表现出半导体特性，即在特定条件下可以导电，在其他条件下则表现为绝缘体在所有半金属中，硅的影响最为深远它是地壳中第二丰富的元素（仅次于氧），构成了现代电子工业的基础从计算机芯片到太阳能电池，从光纤到液晶显示器，硅基技术支撑着我们的信息时代正是这些看似不起眼的元素，推动了20世纪后半叶最伟大的技术革命主族元素与副族元素主族元素（区和区）副族元素（区和区）s pd f主族元素包括周期表区（第、族）和区（第族）的元副族元素主要是指区（第族）的过渡金属和区的镧系、s12p13-18d3-12f素这些元素的最外层电子填充在和轨道中，通常具有固定锕系元素这些元素的特点是内层或轨道未充满电子，导致它s pd f的化合价，化学性质相对简单明确们通常具有多种氧化态和复杂的配位化学性质主族元素的特点是价电子填充的是最外层电子轨道，因此化学性过渡金属的轨道电子参与化学键形成，使这些元素呈现出丰富d质主要由价电子数决定例如，第族元素（碱金属）容易失去多彩的化学行为它们可以形成多种氧化态，产生各种颜色的化11个电子形成价离子；第族元素（卤素）倾向于得到个电子合物，并具有催化活性，在工业催化过程中发挥重要作用+1171形成价离子-1在日常生活中，主族元素无处不在从构成空气的氮和氧，到生镧系和锕系元素的轨道电子填充方式更为特殊，它们的化学性f命必需的碳、氢，再到工业中广泛应用的铝和硅，主族元素构成质更为接近镧系元素在现代工业中有重要应用，特别是在磁性了我们熟悉的世界材料、发光材料和催化剂领域稀有气体氦气（）霓虹（）氩气（）He NeAr氦是除氢外宇宙中最丰富的元素，却在地球上相霓虹以其鲜艳的橙红色放电光芒闻名，是广告霓氩是地球大气中含量最高的稀有气体，约占对稀少因密度低于空气常用于气球和飞艇液虹灯的主要成分通电时，霓虹管中的气体放电由于化学惰性，氩被广泛用作保护性气

0.93%态氦接近绝对零度，是获得超低温的重要制冷产生特征性的明亮光芒除了照明应用外，霓虹氛，在电弧焊接、金属精炼、特种灯泡和激光技剂，在超导体研究和磁共振成像（）设备中还用于高压指示器、避雷器和电视显像管霓虹术中应用广泛氩气填充的灯泡寿命更长，氩激MRI不可或缺此外，氦气还用于深海潜水员的呼吸在大气中含量极少，主要通过液态空气分馏获光则在医疗手术中用于切割和凝固组织混合气，减少潜水病风险取稀有气体（也称惰性气体）是周期表第族的六种元素氦、霓虹、氩、氪、氙和氡它们的最外层电子轨道已完全填满，形成了极为稳定的电子构型，18使这些元素在常规条件下几乎不与其他元素发生化学反应这种独特的稳定性使稀有气体在特殊环境和应用中非常有价值地球上元素的分布宇宙中的主要元素氢元素（）氦元素（）重元素形成H He宇宙中最丰富的元素，约占可见物质质量的宇宙中第二丰富元素，约占可见物质质量的从锂到铁等重元素，通过复杂的恒星核聚变过诞生于大爆炸初期，是恒星燃料的主要同样起源于大爆炸，后来也通过恒星核程产生而铁以后的元素主要在超新星爆发等73%25%来源通过核聚变过程，氢转化为氦，释放巨聚变持续产生氦核聚变是红巨星阶段恒星的高能事件中形成这些重元素只占宇宙可见物大能量，为恒星提供光和热氢云是形成新恒主要能量来源氦的稳定性使其在宇宙化学中质的约，却构成了行星和生命的基础物质2%星的摇篮，而氢分子也是星际空间中最常见的扮演重要角色，是理解宇宙演化的关键元素地球和人类是真正的星尘后代分子与地球上元素分布截然不同，宇宙中氢和氦占据绝对主导地位，两者合计超过的可见物质这种分布直接反映了宇宙起源和演化过程大爆炸98%理论预测的宇宙原初核合成主要产物正是氢和氦，而更重的元素则需要在恒星内部或爆发过程中才能合成生命元素氧（）氮（）O N占人体质量的65%，主要以占人体质量的3%，是蛋白质水形式存在参与细胞呼吸和DNA等遗传物质的关键组产生能量，是新陈代谢的核成氮原子在生命分子中常氢（）磷（）H P心元素没有氧气，高等生形成氨基基团，对药物分子最轻的元素，占人体质量的物无法维持复杂的能量代谢和生物活性化合物极为重占人体质量的1%，构成DNA10%，存在于水和几乎所有系统要骨架和ATP（生物能量分生物分子中参与多种生化子）磷酸盐基团是能量转碳（）硫（）C S反应，维持体内酸碱平衡，移和信号传导的关键部分，生命的骨架元素，能形成是能量传递过程的关键也是骨骼的主要成分占人体质量的

0.25%，在蛋稳定的长链结构和多种官能白质折叠中形成二硫键，稳团，是有机化学的核心占定蛋白质的三维结构参与人体质量的18%，是蛋白多种重要辅酶的功能，对维质、脂肪、碳水化合物和核持细胞氧化还原平衡至关重酸的必要组成部分要人体中的重要元素钙（Ca）铁（Fe）锌（Zn）人体中含量最高的金属元素，虽然含量较少（约4-5克），重要的微量元素，在人体内含占体重的

1.5%约99%存在但功能至关重要主要存在于量约2-3克锌是300多种酶于骨骼和牙齿中，形成坚硬的血红蛋白中，负责携带氧气从的必需辅因子，参与DNA合成、羟基磷灰石结构剩余1%的肺部运送到全身组织铁还是蛋白质合成、细胞分裂和免疫钙离子在血液和细胞内参与神多种酶的辅助因子，参与电子功能等生理过程锌还对儿童经传导、肌肉收缩和血液凝固传递和能量产生铁缺乏会导生长发育、味觉和嗅觉功能以等关键生理过程钙代谢失调致贫血，表现为疲劳、虚弱和及伤口愈合具有重要作用会导致骨质疏松、肌肉痉挛等免疫力下降等症状多种疾病钾（K）主要的细胞内阳离子，维持细胞内外的电位差，对神经传导和肌肉功能至关重要钾离子参与糖代谢和蛋白质合成，影响血压调节钾摄入不足会导致肌肉无力、心律不齐和血压异常等问题氢元素宇宙最丰富元素能源应用氢是宇宙中分布最广泛的元素，氢是清洁能源的重要候选者，燃约占可见物质的它是最简烧后只产生水，不排放温室气体73%单的元素，只有一个质子和一个氢燃料电池将化学能直接转化为电子在地球上，虽然游离态氢电能，效率高达，远超传统60%气较少，但以化合物形式（主要内燃机目前氢能源在汽车、固是水）广泛存在作为原子序数定发电和便携设备领域有广泛应为的元素，氢占据周期表的第一用前景，但氢气生产、存储和运1位，具有独特的性质输仍面临技术挑战工业应用氢在工业中用途广泛，包括合成氨（生产化肥的基础）、石油精炼（氢化裂解）、食品加工（氢化植物油）等此外，液态氢是火箭燃料的重要组成部分，如长征系列火箭和国际空间站的燃料补给都依赖氢氦元素225%原子序数宇宙占比氦是元素周期表中第二轻的元素，也是第一个稀有气体氦是宇宙中第二丰富的元素，约占可见物质质量的四分之一-269°C

5.2沸点地壳含量氦的沸点极低，接近绝对零度，是所有元素中最难液化的氦在地壳中的含量仅为

5.2ppm（百万分之

5.2），主要来自放射性元素衰变氦是唯一一种在常温常压下无法形成化合物的元素，其化学惰性源于完全填满的电子外层这种极端稳定性使氦在特殊环境中有独特应用，如深海潜水呼吸混合气（减少氮醉风险）和控制性气氛（防止氧化反应）最引人注目的是，液态氦是获得超低温的关键制冷剂，在超导磁体冷却方面不可替代，这使其成为磁共振成像（MRI）设备的核心材料然而，地球上的氦资源有限且不可再生，目前主要从天然气中提取，资源短缺已成为科学界关注的问题碳元素碳（）是生命和有机化学的基础元素，原子序数，位于周期表第二周期第族碳原子具有形成四个共价键的能力，可以与自身和其他元素形成C614复杂的分子结构，这种特性使碳化合物种类超过万种，远超其他元素的化合物总和2000碳元素的独特之处在于其多种同素异形体石墨由层状碳原子组成，导电性好但强度低；金刚石中碳原子形成坚固的三维晶格，是自然界最硬物质；富勒烯如呈足球状分子结构；石墨烯则是单层碳原子形成的二维材料，具有惊人的导电性和强度这些不同形态展示了碳元素的多样性C60碳循环是地球生态系统的核心过程，通过光合作用、呼吸作用和碳酸盐沉积等环节，碳在生物圈、地圈、水圈和大气圈之间不断循环人类活动，特别是化石燃料燃烧，正在显著改变这一平衡，导致大气中二氧化碳浓度上升，引发全球气候变化氮元素氮固定大气氮气特定细菌和蓝藻能将大气氮转化为氨，供植物吸收利用氮气占大气的，化学性质稳N₂78%定，分子中三键结构植物吸收植物吸收土壤中铵盐和硝酸盐，合成氨基酸和核酸等物质分解还原动物摄取微生物分解有机氮化合物，部分转化为氮气返回大气动物通过食物链获取含氮化合物，用于自身蛋白质合成氧元素元素特性1原子序数，常以分子形式存在，占地壳质量的，水和空气中含量丰富8O₂

46.6%生命之源支持有氧呼吸，细胞通过氧化葡萄糖产生能量，高等生物生存必需元素氧化作用参与氧化反应，如金属锈蚀、食物腐败和有机物燃烧氧是地球上最丰富的元素之一，它与几乎所有其他元素都能发生反应（除稀有气体外）在医疗领域，氧气被用于呼吸疗法，帮助呼吸困难的患者；高压氧舱则用于治疗减压病和难愈合伤口工业上，纯氧被用于钢铁冶炼中的助燃，显著提高燃烧温度和效率氧元素的同位素比例分析已成为古气候研究的重要手段冰芯、海洋沉积物和化石中氧与氧的比率能反映古代气候温度变化，这为理解-18-16地球历史气候提供了宝贵窗口同时，氧的同位素也被用于考古学中确定古代人类和动物的迁徙路线，展现了元素研究的跨学科价值硅元素电子工业的基石硅是半导体工业的核心材料，现代计算机和电子设备的芯片主要由硅制成纯硅经掺杂后，可实现精确控制的电导率，成为信息时代的物质基础摩尔定律预测的芯片性能提升很大程度上依赖于硅加工技术的不断突破自然界的普遍存在硅是地壳中第二丰富的元素（占

27.7%，仅次于氧），主要以二氧化硅形式存在于沙子、石英和许多岩石中在自然界中，硅几乎总是与氧结合，形成硅酸盐矿物，构成了地壳的主体可再生能源技术硅基太阳能电池是目前最广泛使用的光伏技术通过将阳光转化为电能，这种技术为全球能源转型做出重要贡献随着技术进步和规模效应，硅基太阳能成本持续下降，效率不断提高硅元素（Si）原子序数14，位于周期表第三周期第14族，是典型的半金属元素在历史上，硅的利用可追溯到石器时代，人类使用燧石（二氧化硅）制作工具和武器而现代硅工业始于20世纪40年代，贝尔实验室研发的第一个晶体管开启了硅电子学的时代钠元素自然界分布生理功能钠是地壳中第六丰富的元素，主要以氯化钠（食盐）形式存在于海水钠离子是人体内最重要的电解质之一，负责维持细胞外液的渗透压和和盐矿中海水中钠离子浓度约为

1.08%，是海水中含量第二高的阳酸碱平衡钠泵（钠-钾ATP酶）是细胞膜上的关键蛋白，通过主动运离子（仅次于氯离子）钠在自然界中非常活泼，因此不会以单质形输钠离子维持细胞的电位差，对神经传导和肌肉收缩至关重要适量式存在，而总是与其他元素结合的钠摄入对健康必不可少工业应用健康影响金属钠是重要的化工原料，用于生产钛、锆等金属，也是制备钠灯的过量摄入钠会增加高血压和心血管疾病风险世界卫生组织建议成人材料氢氧化钠（烧碱）是基础化工产品，广泛用于造纸、纺织、洗每日钠摄入量不超过2000毫克（相当于5克食盐）然而，全球大多涤剂生产等行业碳酸钠（纯碱）则是玻璃工业的基本原料，也用于数地区的人均钠摄入量远超此标准，已成为公共健康挑战减少钠摄水处理和食品加工入是预防心血管疾病的重要措施镁元素植物生命之源镁是叶绿素分子的核心元素，叶绿素是植物进行光合作用的关键物质没有镁元素，植物无法捕获太阳能，地球上就不会有氧气和有机物质的生产，生命将无法维持植物缺镁会导致叶片黄化（叶绿素减少），影响光合作用效率人体健康守护者镁在人体内含量约25克，60%存在于骨骼中，其余分布在软组织和体液中镁参与300多种酶的活性调节，涉及能量代谢、蛋白质合成、DNA复制等过程充足的镁摄入有助于维持心血管健康，预防高血压和2型糖尿病轻质合金之王镁是工业中最轻的结构金属，密度仅为铝的2/3，钢的1/4镁合金强度高、重量轻、减震性好，广泛应用于航空航天、汽车和电子产品外壳镁-铝-锌合金（AZ91）是最常用的镁合金，兼具良好的铸造性能和机械强度活跃的化学能源镁燃烧时产生耀眼的白光和高温，是照明弹和烟火的重要原料镁粉末曾用作闪光灯的光源（闪光粉），在早期摄影中发挥重要作用此外，镁还用于炼钢过程中的脱硫剂，以及铁合金和有色金属的还原剂磷元素生命的能量货币农业与工业应用磷是生命体中不可或缺的元素，占人体总重的约它主要以磷是农业生产中三大主要营养元素之一（氮、磷、钾）植物利1%磷酸盐形式存在，构成和的骨架，是遗传信息的载用磷形成强健的根系，促进开花结果和种子发育因此，磷肥是DNA RNA体磷更是细胞能量传递系统的核心，以三磷酸腺苷形式现代农业不可或缺的投入，磷酸二铵、磷酸一铵等是全球应用最ATP储存和释放能量，被称为生命的能量货币广泛的磷肥在骨骼和牙齿中，约的磷以羟基磷灰石在工业领域，磷有多种重要应用磷的化合物用于生产洗涤剂、85%[Ca₁₀PO₄₆OH₂]形式存在，与钙一起构成骨骼的坚硬结构正常的磷代谢对维持食品添加剂、阻燃剂和水处理剂红磷是火柴的主要成分，而白骨骼健康至关重要，磷缺乏或过量都会导致骨骼疾病磷则用于烟火制造和某些化学合成过程磷也是某些特种钢的重要合金元素，能提高钢的强度和耐腐蚀性硫元素工业应用硫酸生产、橡胶硫化、农药和医药合成的关键元素生物功能存在于蛋白质的氨基酸中，形成稳定二硫键自然分布火山区域常见，以元素态和硫化物形式存在环境影响4二氧化硫是主要大气污染物，导致酸雨形成硫元素（S）是一种非金属元素，原子序数16，位于周期表第三周期第16族它是已知最古老的元素之一，在圣经和古代文献中均有记载元素态硫呈黄色，通常以八原子环（S₈）分子形式存在，具有多种同素异形体，在不同温度下表现出不同的物理性质硫酸（H₂SO₄）是硫的最重要衍生物，被称为工业之血，全球年产量超过

2.5亿吨，用于肥料生产、金属加工、石油精炼等领域硫还广泛应用于橡胶工业，通过硫化过程将橡胶分子交联，显著提高其弹性和耐用性，这一过程由美国人古德伊尔在1839年发现，revolutionized已经革命性地改变了橡胶工业铁元素铜元素人类历史上的第一金属铜是人类最早使用的金属之一，约公元前年开始被使用由于铜可以在自然界8000以单质形式存在，古人通过简单加工就能使用它铜器的出现开启了人类的金属时代，随后铜与锡合金形成青铜，标志着青铜时代的来临古埃及、美索不达米亚和中国商代文明都广泛使用铜制工具和武器现代工业之基石铜具有极佳的导电性（仅次于银）和导热性，因此成为电力工业的基础材料全球约的铜用于电线、电缆、电机和变压器等电气设备建筑业是铜的第二大60%用户，铜管、铜屋顶和铜装饰广泛应用此外，铜及其合金（黄铜、青铜）也用于制造机械部件、乐器和艺术品生命体内的微量元素铜是人体必需的微量元素，成人体内含量约毫克铜参与多种酶的活性，80如细胞色素氧化酶（能量代谢）和酪氨酸酶（黑色素合成）铜还参与铁代C谢、结缔组织形成和免疫功能铜缺乏会导致贫血、骨骼异常和神经系统障碍，而铜过量则可能引起肝损伤银与金元素银元素（）金元素（）Ag Au银是原子序数的过渡金属，以其卓越的导电性、导热性和光金是原子序数的贵金属，以其化学稳定性、出色的延展性和4779反射性著称它是自然界导电性最佳的元素，因此广泛应用于电永恒的光泽闻名金几乎不与空气、水和大多数化学物质反应，子工业，特别是高频电路和接触点银的抗菌特性也使其成为医这使其成为保存价值的理想载体一克金可以锤打成一平方米的疗器械和水净化系统的理想材料金箔，这种极端延展性使其广泛应用于装饰艺术历史上，银币曾是全球主要货币形式，许多语言中金钱和银金在人类文明中扮演着重要角色，从古埃及法老的陵墓到现代央是同一词银同时也是摄影术的基础传统照片胶片利用卤行的金库，金一直是权力和财富的象征金本位制曾主导全球经——化银的感光性记录图像尽管数码技术已取代了大部分传统摄济几个世纪，直到世纪年代才完全终结然而，各国仍持2070影，但银的历史贡献不可磨灭有巨额黄金储备作为财富保障现代银的主要来源是铜、铅、锌等金属的副产品，全球年产量约除传统应用外，金在现代科技中也有重要地位金的良好导电性万吨银的稀缺性和耐久性使其保持投资价值，但其工业用和抗氧化性使其成为关键电子元件的材料金纳米粒子在医疗诊

2.5途已超过装饰和货币功能断、癌症治疗和催化剂研究中展现出革命性潜力铝元素锰元素自然分布与提取锰在地壳中含量约

0.1%，主要以氧化物和碳酸盐矿物形式存在，如软锰矿（MnO₂）和菱锰矿（MnCO₃）全球最大锰矿储量位于南非、乌克兰和巴西锰矿经高温还原冶炼可获得金属锰或各种锰铁合金，这些是钢铁工业的重要原料钢铁工业中的应用约95%的锰用于钢铁冶金，作为脱氧剂和硫化物控制剂锰能显著提高钢的强度和耐磨性，高锰钢（含锰11-14%）具有极佳的抗冲击性能，用于铁路道岔、挖掘机铲斗和防弹钢板每吨钢平均添加7-9千克锰，使锰成为仅次于铁的第二大冶金金属电池工业的关键元素二氧化锰是碱性电池和锂锰电池的重要材料近年来，新型锰酸锂电池因安全性好、成本低而受到关注电动汽车用镍锰钴（NMC）电池中，锰同样扮演重要角色，降低成本并提高安全性随着清洁能源发展，锰在电池领域的应用不断扩大锰还是所有生物体的必需微量元素，在人体中参与多种酶的活性，如超氧化物歧化酶（抗氧化防御）和糖基转移酶（碳水化合物代谢）成人体内含锰约10-20毫克，主要分布在骨骼、肝脏和肾脏锰缺乏会影响生长发育和生殖功能，而过量接触（主要是职业性吸入锰尘）则可能导致神经系统损伤，类似帕金森症状钾与钙元素钾的生理功能钾是细胞内主要阳离子，维持细胞内外电位差，对神经传导和肌肉收缩至关重要人体内含钾约140克，98%在细胞内钾参与蛋白质合成、糖代谢和血压调节普通成人每日需摄入3500-4700毫克钾，主要来源是蔬菜、水果、豆类和全谷物钙的生理功能钙是人体含量最高的矿物质，约1-

1.5千克，99%存在于骨骼和牙齿中钙不仅是骨骼的结构成分，还参与肌肉收缩、神经传导、血液凝固和激素分泌等过程成人每日需摄入800-1000毫克钙，主要来源是乳制品、豆制品和深绿色蔬菜农业应用钾是植物三大必需营养元素之一，影响作物品质、抗病性和抗旱性全球每年消耗约4000万吨钾肥钙在土壤中调节酸碱度，改善土壤结构，促进根系发育石灰（主要成分是碳酸钙）常用于调节酸性土壤科学施用钾钙肥料是现代精准农业的重要环节工业应用钾化合物广泛用于肥料、玻璃制造和药品生产金属钾是强还原剂，用于有机合成钙化合物应用更广泛，如建筑材料（水泥、石膏）、造纸、水处理、食品添加剂等碳酸钙是最常用的填料之一，用于塑料、橡胶、涂料等行业，提高产品性能并降低成本稀土元素稀土元素包括镧系15个元素（镧至镥）以及钪和钇，共17种元素尽管名为稀土，它们在地壳中的丰度并不特别低，例如铈的丰度接近铜然而，稀土元素在自然界中高度分散，很少形成可经济开采的富集矿床，且分离提纯工艺复杂，这导致了它们的稀有属性稀土拥有独特的电子结构和光学、磁学特性，使其成为高科技产业的关键材料钕铁硼永磁体是最强力的商业永久磁铁，广泛应用于风力发电机、电动汽车马达和硬盘驱动器镝和铽可提高磁体的耐高温性能铕用于红色荧光粉，使LED和显示屏能产生鲜艳色彩铈作为抛光剂用于光学玻璃制造全球稀土资源分布不均，中国拥有最大储量和产量，约占全球产量的70%由于稀土对高科技和国防工业的战略重要性，各国正加大对替代材料研发和回收技术的投入，以减少供应风险同时，稀土开采和加工过程中的环境问题也日益受到关注放射性元素钚（）Pu铀（）U人工合成元素，通过中子轰击铀产生，2用于核武器和深空探测器能源原子序数，地壳含量约，主

922.8ppm1要用于核能发电和核武器镭（）Ra铀衰变产物，曾用于夜光表盘和早期放3射治疗，现因高放射性少被使用应用与挑战5钍（）Th核能发电、医学诊断治疗、材料测年，同时面临废物处理和安全风险4地壳中丰度比铀高倍，被视为未来3-4核能的潜在替代燃料超重元素的合成年首个超铀元素11940美国科学家麦克米伦和阿贝尔森首次合成元素（镎）和9394（钚），开启人工合成超铀元素的时代这两种元素通过在回旋加速器中轰击铀而获得，钚后来在曼哈顿计划中扮演重要角2年代国际竞赛1950-1960色冷战期间，美国和苏联科学家竞相合成新元素两国先后发现了锫、镄、钔、锘等多种新元素合成方Es FmMd No年代超重元素31990法主要包括中子轰击和重离子轰击技术德国重离子研究所和俄罗斯杜布纳联合核子研究所成功合成了多种超重元素，包括号元素（錾）和号元素（鿔）这1111124年代第七周期完成些元素极不稳定，半衰期通常只有几毫秒2000科学家们继续向前推进，合成了号（铿）、号（镆）、113115号（石田）和号（鿫）元素，使周期表第七周期完全填117118未来展望5满特别是号鿫，是首个惰性气体族的超重元素118科学家们正尝试合成和号元素，这将开启周期表第八周119120期理论预测在元素附近可能存在稳定岛，那里的超重114元素可能有较长的半衰期新元素的命名与认证原子序号元素符号英文名称中文名称命名依据发现时间113Nh Nihonium铿níng日本2004-Nihon2012115Mc Moscoviu镆mò莫斯科2003m117Ts Tennessin石田shí田纳西州2010e tián118Og Oganesso鿫ào尤里·奥格2006n涅相新元素的命名和认证是一个严格而复杂的过程，由国际纯粹与应用化学联合会IUPAC和国际纯粹与应用物理学联合会IUPAP共同监督只有当有足够证据表明确实发现了新元素时，IUPAC才会正式承认其发现这通常需要独立研究团队能够重复验证结果根据IUPAC规定，新元素可以以神话概念、矿物、地点、国家、科学家或元素特性命名命名权通常授予首个成功合成并提供确凿证据的研究团队2016年，IUPAC正式承认并命名了

113、

115、117和118四个新元素，使周期表第七周期完整填满这四个元素分别由日本理化学研究所和俄美联合团队发现元素的自然循环碳循环氮循环水循环碳在大气（二氧化碳）、生物圈（有机化合物）、氮气占大气78%，但多数生物无法直接利用特定水以液态、固态和气态形式在地球各圈层间循环水体（碳酸氢盐）和岩石圈（碳酸盐矿物）之间循微生物（如根瘤菌）通过固氮作用将大气氮转化为太阳能驱动海洋、湖泊和陆地表面的水蒸发，水蒸环流动植物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳，氨，植物可吸收利用植物死亡或动物排泄物中的气上升冷却后凝结成云，最终以雨雪形式回到地表动物摄食植物获取碳元素，呼吸作用和分解过程又有机氮被分解为铵，再经硝化作用转化为硝酸盐部分降水渗入地下成为地下水，部分形成地表径流将碳以二氧化碳形式释放回大气海洋是碳的重要反硝化作用将硝酸盐还原为氮气返回大气人类活汇入河流湖泊，最终回到海洋水循环不仅输送水储库，海水中溶解了大量二氧化碳，形成碳酸氢盐动（工业固氮、化肥生产）已显著改变自然氮循环分子，还促进许多元素（如钠、钾、钙等）在地表环境中的迁移和再分布元素的自然循环是地球生态系统中物质和能量流动的基础这些循环过程确保了元素在不同环境和生物体之间的有序转化，维持了生态平衡人类活动，如化石燃料燃烧、过度施肥和森林砍伐，正在不同程度上干扰这些自然循环，导致环境问题如气候变化、水体富营养化和生物多样性减少化学元素的分析与检测火焰试验最早的元素检测方法之一，利用元素在火焰中呈现特征颜色，如钠呈黄色，钾呈紫色光谱分析基于元素原子受激发后发射或吸收特定波长光线，包括原子吸收、原子发射和X射线荧光光谱法质谱分析将样品离子化后按质荷比分离，可精确测定元素含量及同位素比例，是最灵敏的元素分析方法电子显微分析结合电子显微镜和X射线能谱，实现微区元素分析，广泛用于材料科学和地质研究早期元素分析主要依赖湿法化学反应，观察颜色变化或沉淀形成19世纪，基尔霍夫和本生开创了光谱分析，使人类首次能够分析天体成分，发现了铯、铷等新元素20世纪，随着量子理论和电子技术发展，分析手段日益精确和自动化现代元素分析可达到百万分之一甚至十亿分之一的灵敏度核磁共振（NMR）技术利用原子核在磁场中的共振特性，提供元素的化学环境信息，在有机化学和生物医学研究中不可或缺同位素质谱法通过测量元素同位素比率，广泛应用于地质年代测定、气候变化研究和食品真实性鉴定近年来，便携式分析仪器发展迅速，使实时现场元素分析成为可能，极大地推动了环境监测和文物鉴定领域的发展元素周期表的应用价值化学反应预测材料科学研究周期表展示元素的电子结构规律，使科学家能预测元素的化学反应特性通过材料科学家利用周期表选择合适元素组合，开发具有特定性能的新材料例如，观察元素在周期表中的位置，可以推断其价电子数、电负性和可能的氧化态，通过分析过渡金属的电子结构，可以设计高强度合金；理解稀土元素的特性，从而预测它与其他元素的反应类型和产物这一预测能力是现代化学合成和新可以开发高性能磁性材料和发光材料半导体工业中的掺杂技术也依赖于对周材料开发的基础期表规律的深入理解药物研发指导环境科学应用周期表帮助药物化学家选择合适元素构建药物分子某些元素具有特定生物活环境科学家利用周期表理解元素在自然环境中的行为通过分析元素的化学性性，如锂用于双相情感障碍治疗，铂类化合物用作抗癌药物，碘化合物用作造质，可以预测污染物在土壤、水体和大气中的迁移转化规律，开发更有效的污影剂理解元素周期性变化有助于优化药物设计，提高疗效并减少副作用染治理技术同位素地球化学利用元素同位素比例研究气候变化和生态系统演变元素材料的创新石墨烯革命钛合金的突破液态金属的潜力石墨烯是由单层碳原子构成的二维材料，被誉为钛合金结合了低密度、高强度和极佳耐腐蚀性，成镓基液态金属在室温下保持液态，同时具有金属的奇迹材料它是已知最薄却最坚固的材料，导电为航空航天和生物医学领域的理想材料最新研发高导电性和良好导热性这类材料可用于开发柔性性和导热性极佳安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖的钛铝合金可在高温环境下保持稳定性能，用于新电子设备、自修复导体和可重构天线液态金属的洛夫因发现石墨烯获得2010年诺贝尔物理学奖一代飞机发动机，显著提高燃油效率和减少排放独特性质还使其在热管理、微流控和软机器人领域目前石墨烯已应用于高性能电子器件、复合材料、钛材料在人体植入物方面的应用也不断扩展，包括展现出广阔应用前景研究人员正努力克服液态金能源存储和传感器等领域人工关节、牙种植体和骨固定装置属的氧化问题，进一步扩展其应用范围元素创新不仅限于单一材料，还体现在复杂组合的探索中高熵合金是近年来的重要突破，它包含五种或更多主要元素，以接近等原子比例混合这种非传统设计打破了传统合金以一种元素为主的模式，创造出具有超高强度、优异耐腐蚀性和卓越高温稳定性的新材料，为极端环境应用提供了新选择元素与新能源氢能源的未来锂元素与电池革命氢燃料电池将氢气和氧气电化学反应产生的能锂离子电池因高能量密度、低自放电率和长循量直接转化为电能，只排放水，是零碳排放能环寿命，成为现代便携电子设备和电动汽车的源的理想选择目前氢能面临的主要挑战是绿首选能源锂是最轻的金属元素，标准电极电色制氢成本、氢气存储安全和加氢基础设施建12位低，使其成为理想的电池材料随着电动汽设丰田、现代等汽车制造商已推出商用氢燃车市场扩张，全球锂资源开发快速增长，主要料电池车，日本和韩国正积极发展氢能社会集中在澳大利亚、智利和中国风能与稀土磁材硅基太阳能技术现代风力发电机通常采用钕铁硼永磁体的直驱晶体硅太阳能电池占全球光伏市场以上90%发电机，显著提高发电效率并减少维护需求43硅作为地壳第二丰富元素，资源丰富且无毒一台风力发电机约需吨稀土永磁体稀近年来，单晶硅电池效率突破，制造成本5MW125%土供应链安全已成为风能产业可持续发展的重大幅下降，使太阳能成为最具竞争力的可再生要考量欧洲和美国正投资开发低稀土或无稀能源新型钙钛矿太阳能电池虽效率高，但稳土的风机技术定性和含铅问题仍需解决元素资源的可持续发展元素在生活中的应用食品保鲜与加工医疗诊断与治疗电子产品与通信氮气被广泛用于食品包装，通过置放射性碘-131用于甲状腺疾病诊断一部智能手机包含约60种元素，从换包装内的氧气，延缓食品氧化和和治疗钴-60是重要的放射治疗结构中的铝、玻璃中的硅、电池中微生物生长，延长保质期二氧化源，用于癌症治疗钆化合物作为的锂、钴，到显示屏中的铟、镓，碳用于碳酸饮料和调节面粉pH值MRI造影剂增强成像效果锂是双相以及电路板中的金、银、铜、钽食品添加剂中含有多种元素化合情感障碍的一线药物铂类化合物等稀土元素用于扬声器磁铁和振物，如碳酸钙钙强化剂、硝酸钾顺铂、卡铂是有效的化疗药物这动马达这些元素的独特性质使我防腐剂和碘化钾碘强化剂，这些些元素应用极大地提高了现代医学们的电子设备不断小型化、高性能添加剂改善食品品质并增加营养价的诊断和治疗能力化和多功能化值家居与建筑铝合金用于窗框和门框，钛dioxide二氧化钛是白色涂料的主要成分LED照明中的镓和铟提高了照明效率阻燃剂中的溴和磷保障家居安全水处理系统使用氯和氧消毒净水现代家居生活的舒适性和安全性在很大程度上依赖于元素科学的进步元素科学的前沿研究超重元素研究探索119和120号元素，预测稳定岛特性量子材料发展研究高温超导体和拓扑量子材料的元素组合能源材料创新开发高效电池和催化剂的新型元素配方生物元素科学4研究元素在生命过程中的精确作用机制循环元素技术发展稀缺元素的高效回收和替代技术超导体研究是元素科学的重要前沿领域自1911年首次发现超导现象以来，科学家一直在寻找能在更高温度下实现零电阻的材料组合铜氧化物高温超导体的发现标志着重大突破，近年来硫化氢和碳氢硫化物在高压下实现接近室温超导，进一步推动了这一领域的发展理解元素组合如何影响超导特性，是开发实用超导材料的关键人工智能正在革新元素科学研究方法机器学习算法能从海量材料数据中识别模式，预测新材料的性质，加速材料发现过程例如，研究人员利用AI筛选了数百万种可能的元素组合，发现了新型锂电池材料和永磁体成分这种材料信息学方法正在彻底改变传统的试错式材料研发路径，大幅缩短了从概念到应用的时间本世纪元素科学前景展望新元素发现1119-120号元素有望在近期被合成，开启周期表第八周期纳米元素科学2在纳米尺度上控制和操纵元素，创造具有特殊性质的材料太空元素开发小行星和月球采矿可能成为稀有元素的新来源随着量子计算的发展，我们将能更精确地模拟复杂元素体系的电子结构和相互作用，这可能导致对元素性质的更深理解，推动新材料的理性设计例如，更高效的光伏材料、更强大的量子比特材料以及具有特定功能的设计师材料有望出现太空资源开发代表着元素科学的新疆域近地小行星富含铂族金属和稀有元素，月球表面含有丰富的氦-3（可用于未来核聚变）和钛资源太空采矿不仅可能缓解地球资源压力，还可能成为深空探索的关键支持同时，元素科学将在解决地球可持续发展挑战中发挥核心作用，包括发展清洁能源材料、环境修复技术和高效资源循环系统合成生物学与元素科学的交叉将创造新机遇研究人员正在开发能利用非传统元素的生物系统，如使用生物催化剂合成特种材料或生物矿化过程回收稀有金属这些跨学科领域可能彻底改变我们获取和利用元素的方式，开创更环保和可持续的未来总结与答疑118已知元素从氢到鿫的元素周期表展示了物质世界的基本构成单位94自然元素宇宙中自然存在的元素，其余为实验室人工合成4生命核心元素碳、氢、氧、氮构成了生物体的绝大部分质量∞无限可能元素组合的多样性为未来科技发展提供无限可能通过本课程，我们已经探索了化学元素的奥秘，从它们的起源、发现历史到现代应用和未来前景我们了解到元素不仅是构成物质世界的基本单位，也是人类科技进步和文明发展的基石元素周期表不仅是科学的分类工具，更是理解物质结构和性质的指南，为新材料和新技术的开发提供了理论基础化学元素的故事是一个不断发展的故事从古代四元素说到现代118种元素的认识，人类对物质本质的理解不断深入未来，随着科学技术的进步，我们有望合成更多新元素，发现更多元素组合的奇妙性质，并将这些知识应用于解决能源、环境、健康等全球性挑战希望这门课程能激发您对化学世界的好奇心和探索欲，认识到元素科学不仅存在于实验室和工厂，也存在于我们日常生活的方方面面现在，让我们进入问答环节，欢迎提出您在课程中遇到的任何疑问或想要深入了解的内容。