本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点。
化学元素——自然界中存在的原子种类，甚至一些人造原子——是无尽的魅力之源。但关于它们的一些东西对大多数人来说仍然是神秘的，甚至可能对许多化学家来说也是如此。
在阅读关于这个主题的两本精彩书籍时——萨姆·基恩的《消失的勺子》和休·奥尔德西-威廉姆斯的《周期表的故事》——我借此机会提醒自己注意这个难题，当时我正在为 ScientificAmerican.com 的互动元素周期表撰写文本进行研究。
元素周期表将元素整齐地排列成列。共享一列的元素应该具有（大致）相似的化学性质。大多数熟悉这张表并每天使用它的人——包括几乎所有化学家、生物化学家、材料科学家和许多工程师——几乎不会去想它，但这张表的预测是自然界中最奇怪的事实之一。支配我们眼前大多数现象的规律——从细胞代谢到笔记本电脑的电池——都由元素的化学性质决定，但我们很少意识到潜在的力量有多么奇特和奇妙。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续报道关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
周期表列的意义在最左列的元素中最为明显，称为碱金属（包括锂、钠和钾），以及从右边数第二列的元素，称为卤素（氟、氯及其同类）。这两个族群包含所有元素中最具反应活性的元素。像氟这样的卤素原子具有从其他原子剥离电子的极端倾向，而碱金属原子同样具有释放电子的强烈倾向。因此，将卤素和碱金属混合，您将得到一个完美的一对一匹配——一种盐，如氯化钾或氯化钠，又名食盐。
更一般地说，趋势是从周期表上从左向右移动时，从电子供体到电子受体的渐进过渡。这种梯度通过称为电负性的性质进行定量测量，电负性（总的来说）从左向右增加。但是，一旦到达右边的最后一列，您就重置了刻度盘。该族群的元素是惰性气体，实际上是不活泼的。
每位科学家都会告诉您，构成每一列的化学物质族群具有或多或少可预测行为的原因——换句话说，存在元素周期表的原因——是所有元素都暗自“想要成为惰性气体”。在像氖（元素 10）这样的惰性气体原子中，电子围绕原子核的轨道整齐对称地排列，就像花瓣一样。另一方面，卤素氟（9）比氖少一个电子，其轨道排列是倾斜的。它非常“想要”额外的电子，以使排列对称和快乐。与此同时，对于碱金属钠（11）来说，变得像氖最简单的方法是失去一个电子。
不言而喻，这种关于原子未实现的电子欲望的叙述并非实际的科学解释。元素周期表的典型用户不需要深入研究：真正的理由很久以前就弄清楚了，答案现在埋藏在一些困难的量子物理学教科书中。但如果我们停下来思考一下，我们就会意识到这是一个多么令人震惊的奇异现象。
以氧气为例。腐蚀性的——生锈、失去光泽，嗯，氧化的——卓越的化学物质，氧气发生反应是因为它“想要”将其外部电子轨道的花束完整到八个，从而模仿氖的宁静插花。如果其中一些轨道也必须围绕其他原子飞行，这几乎无关紧要：例如，通过与两个氢原子共享其一些电子，氧气可以形成水分子。只要外层轨道在其原子核周围形成完整的八隅体，化学涅槃就指日可待。
但这就是为什么这如此奇怪。如果您孤立地取一个氧原子并向其提供一个电子，它将捕获它并变成氧离子 O-。现在想象一下，一个额外的电子飞过。电子和氧离子这两个物体都带负电，因此它们应该相互排斥。然而，氧气非常渴望第二个电子，以至于它会抓住它并变成双电离离子 O--。氧气的反应性非常强，以至于它将战胜静电（或库仑）斥力，这是一种强度众所周知的力。（我承认，我所描述的设置非常抽象，因为电子和氧气实际上没有机会在真空中相互作用，并且可能产生的离子不稳定，但请耐心听我说。）
我们经常听说，自然界中发生的一切——可能除了暗能量（其起源仍然完全是个谜）之外——都是四种基本力之一的结果：引力、弱核力和强核力以及电磁力。化学反应和物质状态的形成，如准晶体或人，完全受电磁力支配。但电磁相互作用是多种多样的和复杂的，静电力只是其中的一种特殊情况。化学反应是电磁的，但大多数时候它们是违背而不是遵循静电力的。
例如，为电池供电的机制与我们称之为化学的电磁相互作用息息相关；但与我们通常认为的相反，电子并非因为静电而从负极移动到正极。并非负极有多余的电子——负电荷——而正极缺少电子。电池中的两个电极都是电中性的。
真正为电池供电的是其电极材料之间电负性的差异。以伏打电堆为例，这是历史上第一个电池，由亚历山德罗·伏打在 1800 年左右发明。电堆的负极由锌（30）制成，正极由铜（29）制成。铜的电负性略高于锌*。
因此，如果您将这两种金属彼此相邻放置（或者如果您用电线将它们连接起来），一些电子将从锌移动到铜。
我们说铜是正极，锌是负极，但实际上，电子的转移将违背静电力，而不是遵循静电力：正极铜将因额外的电子而带负电，而负极锌将以牺牲负极锌为代价而带正电！
鉴于这种情况，仅连接两种由具有不同电负性的原子组成的材料（对于材料而言，相应的术语是电化学势）不会在能量方面产生太多输出。积聚在正极上的负电荷会很快变得太强，它们会排斥更多的电子；与此同时，负极会因失去电子而迅速带正电，因此它会通过静电吸引力更牢固地抓住剩余的电子。电子的转移将很快停止。
这就是为什么电池不仅仅由两个电极制成，而是包含电解质的原因。电解质允许离子从电池的负极转移到正极。由于正极倾向于从电子中积累负电荷，因此它也倾向于吸引正离子。因此，离子使两侧的电荷保持中性，并允许电子继续转移——至少在一段时间内是这样。
当转移的离子过多时，电池的性能开始下降。最终，所有可以移动的离子都已移动，电池放电。如果您的电池是可充电的，您可以对其电极施加电势，以将电子移回负极，离子也会随之移动。
那么，是什么神秘的量子物理学支配着电子轨道的花状排列呢？恐怕这将是另一篇文章的主题。
(*) 注：细心的读者会注意到，铜实际上在元素周期表中位于锌的左侧。然而，铜是两种金属中电负性更高的金属。电负性从左向右增加的规则确实有一些例外。
在准备这篇文章时，我受益于与 Piotr Zelenay 的对话。