《自然的音符：118种化学元素的故事》由Nature科研译自《自然-化学》（Nature Chemistry）In Your Element专栏。是所有图书中为数不多的，覆盖当前全部已发现的118种化学元素的科普图书，每一种元素都是邀请世界上对它研究最为深入的科学家之一撰写，专业权威，生动有趣。适合中学生及以上所有对化学元素感兴趣的读者阅读。本书由Nature Chemistry高级编辑作序。

序

Preface

《自然-化学》（Nature Chemistry）

从2009年4月的创刊号开始，十

年以来每期的最后一页都属于“In 

Your Element”这个专栏，该专栏

每期介绍一种化学元素——这些元

素就像积木块一样构成了我们周围

的一切物质。目前已知的元素有

118种，另外我们也介绍了两种相

当特别的氢同位素：氘和氚。这就

是说，该专栏开办了整整10年，延

续120期，并刚好在2019年3月

正式结束，恰逢国际元素周期表年

（https://www.iypt2019.org/）——旨

在纪念德米特里·门捷列夫（Dmitri 

Mendeleev）早期版本的元素周期

Starting in the inaugural issue 

of Nature Chemistry in April 2009 

and throughout its first ten years, 

the last page of each month’s 

journal was occupied by the ‘In 

Your Element’ (IYE) column, which 

explored – one element at a time – 

the building blocks that make up 

everything around us. There are 

currently 118 known elements, and 

we also included the two rather 

special isotopes of hydrogen: 

deuterium and tritium. This means 

that the IYE feature happened to run 

for exactly ten years, spanning 120 

issues of the journal. With fortuitous 

timing, it came to an end in March 

2019 during the International Year 

of the Periodic Table (https://www.

iypt2019.org/), which celebrates 



II

自然的音符：118种化学元素的故事

表问世150周年，元素周期表大概

已成为化学最普遍的象征之一。

本书是该专栏120篇文章的合

集。起初，这些文章并无固定模式，

只是为了分享元素的故事，既增长

见识，又寓教于乐。这些文章粹集

了各种珍闻片段，包括元素的历史

记述、词源学意义、化学特性和相

关的个人轶事等。一路走来，我们

也了解到很多关于元素周期表及其

内容的知识，所获匪浅。

元素周期表看起来相对简单，

所有的元素都按原子序数递增排列，

排列有序的行和列反映了元素化学

性质的相似性和递变趋势。今天人

们或许很容易认为元素周期表理当

如此。然而，这张我们都熟悉的表

格却是由众多科学家煞费苦心、几

经努力才完成的。尽管门捷列夫被

普遍认为是元素周期表的缔造者，

但发现元素物理或化学性质的周期

性，并试图以具有科学意义的方式

排列它们的还有其他人，门捷列夫

甚至不是第一个这样做的人。但是

他在1869年提出的元素周期表有

其独特之处：在列入当时已知的63

种元素之外，他还为一些他认为已

the 150th anniversary of Dmitri 

Mendeleev’s early version of the 

chart that would become one of 

the most ubiquitous emblems of 

chemistry. 

This book is the collection of 

these 120 IYE essays. From the 

very beginning there was no set 

formula for these articles; they were 

simply intended to be informative 

and entertaining stories about an 

element. They gather together a 

wide variety of snippets, ranging 

from historical and etymological 

accounts to chemical characteristics 

to personal anecdotes, and we 

have learnt a great deal about the 

periodic table, and its content, along 

the way. 

With its relatively simple 

appearance – all of the elements 

catalogued in order of increasing 

atomic number, arranged in neat 

rows and columns that reflect 

similarities and trends in their 

behaviour – it’s perhaps easy 

today to take the periodic table for 

granted. Yet the familiar chart has 

been painstakingly shaped by the 

work of many scientists. Although 

Mendeleev is widely recognized as 

the creator of the periodic table, 

he wasn’t the only one – or even 

the first one – to have noticed a 

periodicity in the elements’ physical 

or chemical behaviour, and to 

attempt to arrange them in a 



III

序 / Preface 

存在但尚未被发现的元素留了空位。

其中一些“缺失”的元素确实在几

年之内被陆续发现，其特性与门捷

列夫在排列它们的位置时所预测的

非常相近，这极大地增加了他所提

出的元素周期排列方式的可信度。

然而，填补最后一个元素空位花了

近70年的时间，而且是以一种完全

不同的元素发现方式完成的：位于

元素周期表d区中间的高放射性元

素锝并不是在自然界中发现的，而

是1937年经人工合成制得并最终

获得确认。

有些元素被发现后最初曾难以

归类，这推动了元素周期表的扩展。

例如，氪、氖和氙等稀有气体在短

短几周内相继被发现，但在门捷列

夫的周期表上却好些年没有它们的

位置，直到1902年，人们才扫清

疑惑将它们列入表中。另一个重大

调整发生在20世纪40年代中期，

格伦·西博格（Glenn Seaborg）将

锕系元素的位置移到镧系元素下面，

这次重排引导科学家们发现了铀之

后的元素。 

我们所熟悉的元素周期表并非

一成不变。我们专栏的文章曾讲述

manner that made scientific sense. 

But his 1869 version exhibited 

noteworthy features: it included all 

the 63 then-known elements as well 

as several gaps for elements that he 

believed existed but hadn’t yet been 

discovered. Some of those ‘missing’ 

elements did indeed turn up within 

a matter of years – and exhibited 

properties that closely matched 

the ones Mendeleev had predicted 

based on their location in the table, 

lending great credibility to his 

periodic placement. It would take 

nearly 7 decades, however, to fill the 

last of his blank tiles, in a manner 

that would represent a fundamental 

departure in element discovery: 

rather than being found in nature, 

technetium – a highly radioactive 

element in the middle of the d-

block – was created artificially and 

finally identified in 1937.

The discovery of some 

other elements initially caused 

classification problems, and 

prompted expansions of the table. 

The noble gases for example – of 

which krypton, neon and xenon 

were discovered within just weeks 

of each other – had no place on 

Mendeleev’s chart for several 

puzzling years until they were finally 

given their own column in 1902. 

Another major adjustment came 

in the mid-1940s when Glenn 

Seaborg moved the actinide series 



自然的音符：118种化学元素的故事

人们如何就第3副族元素的排列展

开了持续不断的争论——镧和锕，

或者镥和铹是否应位于钪和钇之

下？铹可否被认为是p区元素？

稀土的发现可谓趣事连连（虽

然名中带“稀”，但在地壳中其实并

不那么稀有，其中最常见的稀土元

素铈的储量几乎和铜一样丰富）。约

翰·加多林（Johan Gadolin）曾猜

测有一种新元素存在，却因为担心

稀土元素会“越来越多”，而不愿意

承认，该元素现被称为钆。1843年，

卡尔·莫桑德（Carl Mosander）为

了寻找两种新元素，对氧化铒和氧

化铽进行了分析，但是因为失误而

混淆了两种矿物的样本，“阴差阳错”

地导致他从氧化铽中分离出了铒，

从氧化铒中分离出了铽，后来两种

矿物的名称才被更换过来。

专栏的文章也经常引经据典。

例如，使用“既是诅咒，也是祝

福”来形容镝元素，这是借用《茶

花女》中有关爱情的描述；节选鲁

德亚德·吉卜林（Rudyard Kipling）

《冷铁》一诗的段落；引用儒勒·凡

尔纳（Jules Verne）的著作——他

在书中曾预见将水“分解成它的组

below that of the lanthanides; this 

placement would guide scientists to 

the discovery of elements beyond 

uranium. 

The table as we know it is still 

not set in stone. The IYE essays 

tell of an on-going debate on the 

occupancy of group 3 – should 

lanthanum and actinium, or lutetium 

and lawrencium, sit below scandium 

and yttrium? Can lawrencium even 

be considered a p-block element?

The rare earths proved to be 

a trove of discovery quirks (despite 

their name these elements aren’t 

all that rare in the Earth’s crust; the 

most common one, cerium, is nearly 

as abundant as copper). Johan 

Gadolin, for example, guessed 

the existence of a new element, 

albeit reluctantly as he feared the 

rare earths were ‘becoming far 

too numerous’ – this very element 

is now known as gadolinium. A 

blunder caused some confusion 

between two minerals: in 1843 Carl 

Mosander analysed erbia and terbia 

in search of two new elements. A 

mix-up in his samples, however, 

meant that he had isolated erbium 

from terbia and terbium from 

erbia; the minerals’ names were 

subsequently swapped. 

The IYE essays also feature 

poetic passages: a description 

of dysprosium – a curse and a 

blessing – that is borrowed from 



序 / Preface 

成元素”作为燃料使用，还赞扬了

曾经一度比黄金还珍贵的轻金属铝。

很多有关p区元素的描述会让

人不寒而栗，因为这些元素显然具

有毒性，其早期使用受到了限制，

如火柴中的磷导致工人发生“磷毒

性颌骨坏死”，汞会引起现被称为

“疯帽病”的神经紊乱，还有就是铅

化合物（如“铅糖”）被广泛地使用。

相比之下，铋由于毒性较低，在重

金属中显得有些格格不入。然而，

在铋的左边，只隔了一个主族的同

一周期的铊，却是号称“茶杯投毒

者” （teacup poisoner）的英国连环

杀手的首选武器，或许这一元素本

不应该被发现。

一些会发光的放射性元素既诱

人也很危险。镭最初被称作一种神

奇的元素，被撒到各种东西里面，

包括水、食物、化妆品等（大概是

由于它阴差阳错地能使皮肤焕发光

彩的缘故）。现在，放射性元素已可

以安全地用于各种用途，从原子钟

到地质年代测定等。出乎意料的是，

有些还可以轻易买到，比如烟雾探

测器中使用的镅元素和无电池冷光

装置中的氚元素。

that of love in La Traviata; a stanza 

from a poem by Rudyard Kipling 

entitled 'Cold iron'; and excerpts 

from Jules Verne’s books in which 

he had foreseen the use of water as 

a fuel ‘decomposed into its primitive 

elements’, and written in praise of 

aluminium – a light metal that was 

once more precious than gold.

There are quite a few unnerving 

accounts of early uses of p-block 

elements that were curbed when 

toxicity issues became painfully 

obvious: phosphorus in matches 

that plagued workers with a bone 

necrosis called ‘phossy jaw’; 

mercury causing the neurological 

disorder now known as ‘mad hatter’ 

disease; the ubiquitous use of lead 

compounds (including one dubbed 

‘lead sugar’). In contrast, bismuth is 

a bit of an oddity among the heavy 

metals owing to its low toxicity. Only 

two tiles to the left, though, sits 

thallium – the weapon of choice of 

an English serial killer nicknamed the 

‘teacup poisoner’, and an element 

that should perhaps have remained 

altogether undiscovered. 

A number of glowing, 

radioactive elements also proved 

dangerously alluring. Initially 

purported to be a wonder element, 

radium used to be sprinkled into 

everything from water to food to 

cosmetics (presumably making skin 

glow for all the wrong reasons). 



自然的音符：118种化学元素的故事

一些重元素的发现充满了争

议。这些争议是如此激烈，甚至被

称为“超镄元素战争”（transfer-

mium wars），为此还成立了特

别委员会——超镄元素工作组

（Transfermium Working Group），

去裁决争端和名称归属。那些在元

素周期表右下角的元素，在完全正

常的条件下，可以通过让原子核相

互撞击以诱导其短暂现身，这需要

使用看似直接出自科幻小说的装备，

以及极大的耐心。除了镄之外，原

子核无法以可称重的数量制备。但

科学家们并没有就此放弃，而是研

发了特殊的实验技术，例如“一次

一个原子”化学（one-atom-at-a-time 

chemistry）。元素搜寻者们目前正

在精心制作更重的原子核，他们在

人工合成方面的任何成功都将显著

改变元素周期表的形状，因为现在

元素周期表的7行相似元素已没有

任何空白可填了。

再看元素周期表的另一端，有

些元素实际上已经存在了很久。例

如，氢和氦在宇宙大爆炸后大约38

万年便出现了。氧在生命的起源和

演化中起着关键的作用，氮则在多

Radioactive elements now safely 

serve a variety of purposes from 

atomic clocks to geological dating. 

Some can also be purchased 

surprisingly easily: americium in 

smoke detectors and tritium in 

battery-free luminescent gadgets.

The stories of some of the 

heavier elements are replete 

with discovery disputes. The 

controversies were so fierce that 

they are referred to as ‘transfermium 

wars’ and a special committee, the 

Transfermium Working Group, was 

created to adjudicate claims and 

attribute names. Those elements 

at the bottom right corner of 

the periodic table can – under 

exactly the right conditions, using 

equipment that seem straight out 

of science fiction, and with a lot of 

patience – be coaxed into fleeting 

existence by smashing nuclei into 

each other. Beyond fermium, nuclei 

cannot be prepared in weighable 

quantities. Undeterred, scientists 

have developed special experimental 

techniques: there is such a thing 

as one-atom-at-a-time chemistry. 

Element hunters are currently 

working on crafting ever heavier 

nuclei; any synthetic success will 

prompt a noticeable change in the 

shape of the periodic table, as there 

are no blank tiles left on its seven 

familiar rows.

At the other end of the spectrum 



序 / Preface 

数情况下攸关生死。镍、铁和硫被

认为是早期生命形式所使用的物质，

而今天大多数生物则依赖铁元素。

另一种过渡金属铱，其氧化态范围

恰巧是已知最广的（从–3价到+9

价），它能为寻找恐龙灭绝的原因提

供线索。

专栏的文章展现了元素周期表

的深度和广度，我们非常感谢多年

来为专栏写稿的所有作者。我们十

分喜欢这个专栏，希望你也一样。

 安妮·碧尚博士

 《自然-化学》高级编辑

there are elements that have 

essentially been around for ever. 

Hydrogen and helium, for example, 

appeared only around 380,000 

years after the Big Bang. Oxygen 

played a key role in the origin and 

evolution of life and nitrogen is 

intimately implicated in most matters 

of life and death. Nickel, iron and 

sulfur are thought to have been 

used by early forms of life; today 

most living organisms rely on iron. 

Another transition metal, iridium – 

which incidentally adopts the widest 

known range of oxidation states 

(from .3 to +9) – can provide clues 

as to why the dinosaurs died out.

The IYE articles have reflected 

the depth and breadth of the 

periodic table, and we are extremely 

grateful to all the writers who have 

contributed to this feature over the 

years. We have thoroughly enjoyed 

it, and we hope you do too.

 Dr. Anne Pichon

Senior Editor, Nature Chemistry

注：本序言主要基于2019年3

月《自然-化学》杂志发表的题为

《一个元素时代的终结》的社论。

Note: this preface is largely 

based on the editorial published 

in the March 2019 issue of Nature 

Chemistry, entitled ‘End of an 

elemental era’.

目 录

 首先，要有氢 / 1

 氘的主权 / 4

 特别的氚 / 8

 冷酷如氦 / 11

 锂会成为新时代的黄金吗？ / 14

 铍更明亮的未来 / 18

 硼的键合 / 21

 碳的四个世界 / 25

 生死看氮 / 28

 氧之源 / 32

 氟光普照/ 35

 霓虹灯后的氖/ 39

 钠的简述/ 42

 镁光一闪/ 45

 铝的魅力/ 48

 飞跃山谷的硅/ 51

 有善有恶磷之用/ 54

 硫的魅力/ 58

 氯的编年史/ 61

 从空气中提取的氩/ 64

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ



自然的音符：118种化学元素的故事

 强力的钾/ 67

 流星般的钙/ 70

 有违体育精神的钪/ 73

 传奇的钛/ 76

 钒的胜利/ 79

 色彩斑斓的铬/ 82

 保护者——锰/ 85

 铁的新纪元/ 88

 钴的小传/ 91

 镍关存亡/ 94

 靠谱如铜/ 97

 锌的未知价值/ 101

 爱抱团的镓/ 104

 锗的萌发/ 107

 砷的种种/ 110

 硒的故事/ 114

 善变的溴/ 117

 重访氪的世界/ 120

 钟表里的铷/ 123

 锶的绯红闪光/ 126

 来自伊特比的钇/ 129

 锆元素简介/ 132

 微妙的铌/ 135

 造物于钼/ 138

 锝的传说/ 141

 了解钌元素/ 144

 铑之角色/ 147

 钯致反应/ 150

 浮光跃银/ 153

 镉的肖像/ 156

 轻触金属铟/ 160

 锡罐/ 163

Ⅳ

Ⅴ



 锑的各种用途/ 167

 扭动的碲/ 170

 追碘/ 173

 大显身手的氙/ 176

 量子态的铯/ 180

 亮且重的钡/ 183

 藏匿的镧和它的捕手/ 186

 镜头下的铈/ 189

 独镨难现/ 192

 新的名字——钕/ 195

 钷测之谜/ 198

 向钐致敬/ 201

 聚光灯下的铕/ 204

 神奇的磁性钆/ 207

 发绿光的铽/ 210

 各向异性的镝/ 213

 平凡的钬/ 216

 铒的发现之旅/ 219

 异常迷人的铥/ 222

 曲折反复的镱/ 225

 综述镥/ 228

 铪非镥/ 231

 诱人的钽/ 234

 钨的双名记/ 237

 铼的辨识/ 240

 重磅胜出的锇/ 243

 铱之影响/ 246

 在铂的闪光背后/ 249

 金色未来/ 252

 迷人的汞/ 255

 有毒的铊/ 258

 字里行间的铅/ 261

 环保的铋/ 264

 剧毒的钋/ 267

 神秘的砹/ 270

 回顾氡的识别/ 273

目 录

Ⅴ

Ⅵ



自然的音符：118种化学元素的故事

 寻钫/ 276

 镭的真相/ 279

 活跃的锕/ 282

 驰援核能的钍/ 285

 “镤”朔迷离/ 288

 铀的才华/ 292

 隐身大镎/ 295

 钚的新天地/ 298

 揭开镅的发现/ 301

 奇特的锔/ 304

 平静的锫/ 307

 锎之光/ 310

 锿的解密/ 313

 疯狂锻造的镄/ 316

 第101号元素“入钔”/ 319

身世扑朔迷离的元素锘/ 322

 铹在元素周期表上的位置/ 325

 元素争夺战/ 328

 匆匆一遇 / 331

 的复杂研究/ 334

 探 / 337

 隐身的/ 340

 .的致敬/ 343

 ..基石/ 346

 ..的诞生/ 349

 欢迎？/ 352

 朦胧的/ 355

 一次一个原子/ 358

 制镆故事/ 361

 Uuh?不。这是！/ 364

 目标/ 367

 的传奇/ 370

译名对照/ 373

编后记/ 381

Ⅶ

来自Nature Chemistry的118种化学元素科普，谱写属于你的自然乐章

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