世界的根本
化学是研究物质的。世界上那形形色色的物质，是由什么构成的呢？这个自然科学中最根本的问题，在古代就引起了人们的注意。
公元前4世纪，我国的大学问家庄子就说过：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”意思是说，一尺长的短棍，若每天截取一半的话，是永远也截取不完的。这就是说，物质是无限可以分割的。另一位大学问家墨子，则认为物质不是无限可分的，分到最后总有个“端”，到了“端”也就不能再分割了。
古希腊的哲学家德谟克里特（公元前460～370年），对于物质的构成曾作过细心的研究。他是对大量的自然现象加以分析和推测，而得出结论的。当他看到植物在粪土上生长特别旺盛的时候，就在想：是不是粪土中的什么小微粒进到植物中去了呢？当他发现盐溶在水里以后，盐不见了，水却有了咸味，就在想：是不是盐的细小微料分散在水里去了呢？当他见到鱼在水里游动时，他就断定：水这种物质必定是由水的微粒构成的。只有这样，当鱼游过来时，水微粒便向两边散开，鱼才会自由地游来游去。从这些自然现象中，他得出了这样的结论：物质都是由一些坚硬的、不可再分的微粒构成的。他把这种小微粒称作原子（希腊文的原意，就是不可再分的意思）。这就是历史上最早提出的原子概念。
但是，德谟克里特的这种朴素的古代原子论提出后，并未得到应有的重视和发展。在当时的社会条件下，统治者极力宣扬宗教的信条，以“神意”、“天意”、“上帝造物”来解释自然界的存在，当然就不能允许有什么“原子论”的存在了。德谟克里特的许多有科学价值的著作，也被烧毁了。从此，人类对物质结构的认识，便经历了一条漫长而曲折的道路。
在古代，由于人们不知道物质到底是由什么构成的，因而也就不能正确了解物质发生变化的规律。于是，许多人就妄想把普通的金属或矿石烧一烧变成贵重的黄金，或是变成能使人长生不老的“仙丹”。这就是历史上的“炼金术”和“炼丹术”。
今天，当人们听到这些，一定会觉得荒唐可笑。可在那时，这些说法却真的打动了那些统治者的心，就连那些最虔诚的教徒，一想到发财和长寿，也都坐不住了。于是，不论在豪华的宫院中，还是在肃穆的教堂里，都升起了炉火，大搞炼金术和炼丹术。这一时期，在历史上竟持续了一千多年。最终是一炉黄金也未炼成，而有些急于祈求长寿的人，大胆地吞服了一点炼丹“半成品”，却都提前丧了命。在我国唐、宋两朝是金丹术的鼎盛时期。据文献记载，唐朝因服丹药而致死者大有人在。
从科学上看，炼金术士们的幻想，的确是愚蠢的。但是，我们还不能把这上千年的炼金时代，看作是一个完全愚蠢的时代。因为，在这漫长的年代里，确实也为人类积累了不少化学知识。而这些知识的积累，恰恰又为结束这个时代创造了条件。
到了17世纪中叶，科学的元素概念终于诞生了。这是著名的英国化学家波义耳在他的名著《怀疑派化学家》中提出的。在这本书里，波义耳以大量的实验事实，批驳了当时盛行的支持炼金术的“四元素说”和“三元素说”，明确指出，元素是简单的、原始的、纯净的物质，是用化学方法不能再分解的实物。这个论述虽很简单，但它打破了炼金术士们的幻想，说明了用熔炼的化学方法，把普通金属变为黄金是不可能的。这一论述宣告了炼金时代的结束，使化学走上了科学的途径，是化学发展史上的一个重要的里程碑。
波义耳的元素概念是科学的，但限于当时的实验条件，还不能完全分辨哪些是元素，哪些不是元素。许多科学家，也包括波义耳本人，都错误地把燃烧时发出的火光当成了元素，并导致后来出现了“燃素学说”。这一学说又是怎样解释燃烧现象的呢？
化学元素的发明
1778年12月17日，戴维出生于英国康沃尔郡彭桑斯镇的一个木刻匠家庭。戴维的家乡依山傍海，风景绮丽。然而，他的家庭却并不富裕，后来，三个弟弟和一个妹妹相继出世，家庭经济入不敷出。
幼年的戴维和他的伙伴们一样，顽皮、散漫，对学校的功课不感兴趣。在老师的眼里，他没有任何出众的地方。他的小学老师柯里顿是一个脾气古怪的人，特别嗜好揪孩子们耳朵。小戴维的耳朵常常被他揪得火辣辣的，痛的钻心。
有一次，柯里顿老师看见小戴维的耳朵上粘了一大块胶泥，就斥问他是怎么回事。戴维大声回答说：“报告老师，这是为了怕我的耳朵被你揪烂。”结果引起了同学们的哄堂大笑？柯里顿老师也拿他毫无办法。
后来，戴维干脆不上学了，整天到处闲逛，荒废了许多的宝贵时光。戴维16岁那年，父亲因病去世，留下1300镑的债务，这在当时可是一笔不小的数目。家里的生活变得越来越艰难，这使戴维不得不自谋生路。
他到了镇上医生波拉斯那儿当学徒，帮助配药和包扎。那时候，药品大多要现配，这里面有好多戴维不明白的道理，他开始感觉到自己知识的贫乏。他买了一些书，利用空余时间开始自学。
这时恰好有个青年化学家来到彭桑斯镇养病，他就是大名鼎鼎的蒸汽机发明家瓦特的儿子。戴维很快和他交上了朋友，小瓦特领戴维参观安装在康活尔郡的瓦特发明的第一台蒸汽机，给他讲蒸汽机的做功原理。小瓦特知识的渊博使得戴维很惭愧。
戴维给自己订了周密的自学计划，课目有：神学；地理学；职业必读——植物学、药学、病理学、解剖学、外科学和化学；逻辑学；语言——英语、法语、拉丁语、希腊文、意大利文、西班牙文和希伯来文；物理学；力学；修辞和讲演术；历史；数学。
书籍给他引路，他的头脑却没有被限制在书本里。戴维利用手头能找到的一些日常用具和药房里现成的酸、碱一类药品进行实验，以判断学到的理论是否正确。因为没人指导，实验常常引起爆炸，波拉斯医生忍无可忍，把他解雇了。
经过四个月的钻研，戴维对热的本质提出了自己的独特见解。当时，人们有一种错误的看法，认为热是一种物质，好像水一样，可以从温度高的地方流到温度低的地方。戴维对定点表示怀疑，他运用自学到的物理知识，设计了一个巧妙的实验。
让两块冰互相摩擦，得到融化的水。两块冰温度一样，并没有温度高的东西挨着冰块，这使冰融化为水的热是从哪儿来的呢？戴维用这个实验证明摩擦能够产生热，热不是物质，而是一种运动的形式。这个简明的著名实验，后来编进了各种教科书。
戴维的名声渐渐大起来，这个美丽的小镇上几乎人人都知道这个勤奋自学、大胆实验的青年。后来，他被牛津大学的化学教授贝多斯看中，当上了贝多斯新建立的气体研究所的实验室主任。这时，戴维还不到20岁。
戴维自己动手制备各种气体，从纯净的氧气到剧毒的氟化氢。他认为研究化学一定要亲身体验，教科书上记载的化学物质的颜色、气味和滋味。他都是要闻一闻，尝一尝，复验一遍，有一次，他吸入4夸脱的氢，几乎窒息。
戴维的这种鲁莽而冒险的实验有一次终于获得了报偿。他觉得氧化亚氮有剧毒的说法根据不足，便亲自制备这种气体，一边做一边吸，仔细体会切身的感受，吸着吸着，竟变得兴奋起来，哈哈大笑，手舞足蹈，原来的牙痛也意外消失了。
戴维给以这种气体取名为“笑气”，把它介绍给外科医生做麻醉剂用。直到今天，笑气在医院里仍在使用。尽管在当时，笑气更多地只是被当作一种迷幻药，在那些穷极无聊、无所事事的人们当中，举行笑气晚会竟一时风靡起来。
戴维的名字也随着这种异乎寻常的神秘气体在英国和欧洲迅速传播开来。不久，英国皇家学院院长朗福德伯爵请戴维到伦敦，在新设立的高级试验室里担任教授，主持科学讲演。这位英俊的年轻人娓娓动听的出色讲演在伦敦社交界获得巨大成功。
在戴维生活的时代，人们热衷于寻找这样一个问题的答案：我们这个千变万化世界究竟是由多少种最简单的物质构成的呢？人们到处搜集稀奇古怪的矿石、矾土、臭水和污浊的臭气，用火烤，用酸浸，用碱泡……直到再也分不出新东西为止。
当时，在拉瓦锡提出的元素表里，只记载着33种，而且连石灰、苦土（氧化镁）、重土（氧化钡）、矾土（三氧化二铝）和硅土（二氧化硅）都包括在内。那时候的元素表里，混进了很多假元素，而许多真正元素却没有列入。
就在这时，伏打电池发明了。对新鲜事物特别敏感的戴维马上联想到：既然电流能使死青蛙的大腿抽搐起来，能将水分解成氢和氧两种气体，那么，电流不是也可以用来分解各种物质，从中发现新元素吗？
他在钾碱的水溶液里通上电流，得到的结果却和电解水一样：放出氢气和氧气。他试了一次又一次，发现无论是酸、碱还是盐，它们的水溶液通电之后，结果都相同，这是为什么呢？戴维苦思冥想着。
终于，戴维断定，这是水在捣乱，必须先除掉水。可是，又要像水一样能流动，电解才能顺利进行。于是，戴维动手电解钾碱，可是，当时的伏打电池力量太弱了，电解没有成功。必须对伏打电池进行改造。
戴维的电学实验十分出色。1805年他成功地生产出电弧。1806年他获得拿破仑为在电学上创造出最好成绩者而颁发的奖金，尽管英国当时与法国正处于交战状态，但戴维毫不犹豫地接受了。他认为政府之间可以交战，科学之间却没有交战。
接着他便着手建造有250多块金属板的电池组，这在当时是首屈一指的。1807年10月6日，戴维用这个有强大电流的特大电池对钾碱进行电解，只见阴极周围冒出水银般的小亮珠，燃发出淡紫色的火焰，有的还发出噼噼啪啪的爆炸声。
于是，戴维得到了一些从未见过的银白闪亮的金属，用小刀很容易切开，比水轻。戴维把这种新金属投进一盆水里，它贴着水面冒出许多细小的气泡，吱吱作响，变成无数闪光的金属小球，窜来窜去，像是荷叶上的露珠在滚动。
戴维欣喜若狂、手舞足蹈，把实验台上的玻璃仪器都震翻了。成功了！从草木灰里发现了新元素——钾！戴维用力捶了自己一拳，喊道：“戴维，你真棒！”他在当天的实验记录上写下一行引人注目的字：“出色的试验！”
一个星期后，戴维又从苏打里电解得到一种白亮如银、柔软如蜡的新金属，和钾十分相像，是一对孪生的脾气急躁的烈性金属。戴维给这种金属起名叫钠。钾和钠的新奇特性，使伦敦轰动了。老教授们纷纷向他表示热烈的祝贺，请柬和鲜花向他涌来……戴维成了科学上的明星。他即兴赋诗一首：“物质既不灭，人心不死；心物化为一，永存定无疑……”
戴维这两项成功实验的意义是非同寻常的。电和化学的结合，给化学插上了翅膀，产生了巨大的飞跃。不久，几乎当时所有的著名化学家，柏采留斯、卡文迪许、盖，吕萨克、泰那尔、维勒……都钻研起化学和电的结合来。
戴维并没有以此为满足。接下去他在1808年又从石灰里得到钙，从苦土里得到镁，从锶矿石得到锶，从重晶石得到钡。这4种元素是从碱性矿土里发现的，是碱土金属的主要成员。戴维几乎发现了整个碱性土金属家族。
戴维继续马不停蹄地进行他的实验。在实验室里，他一会儿安装仪器，一会儿又穿插着加热某种药品，往往在一天里指挥助手同时进行数十项试验。药品弄脏了他的衣服，常常顾不上换洗，就匆匆套上一件干净衣服赶快去做科学讲演。回到实验室又接着工作。
戴维在化学上取得的成就是巨大的，在不到两年时间里，连续向世界宣告发现了7种新元素，然而，他就是不肯接受道尔顿的原子学说。戴维的密友沃拉斯顿是一位可堪信赖的原子学家，曾力图说服他，但没有成功。
1812年，戴维受封为爵士，并结了婚。由于他长期习惯于用嗅觉和味觉来鉴别新的化学药品，导致慢性中毒，身体状况恶化。也就在这一年，在一次三氯化氮的爆炸中他的眼睛被炸伤。戴维不得不停止了工作，带着助手去欧洲大陆养病。
当时，英法之间仍在交战，但法国的化学家们热烈地欢迎戴维。在那儿他又一次见到了朗福德伯爵。在欧洲养病期间，戴维和各国著名的科学家交流经验、探讨学术问题，作了许多次精彩的科学讲演和化学实验表演。
戴维在欧洲参观煤矿，见到工人使用明火照明，往往引起积聚的煤气爆炸，造成重大的伤亡事故。1815年他回国后发明了“戴维灯”，灯的四周围是金属丝网，灯外的爆炸性气体就不会点燃了。从此，井下矿工就能比较安全地从事生产了。
戴维拒绝把这个发明列入专利，因为他不愿意从这样一个人道主义的发明上牟取暴利。不过，当后来别人提出对此项发明享有优先权的时候，他勃然大怒，据理力争，维护自己应得的权利。1818年，戴维因其为矿业所做的贡献被晋升为男爵。
戴维还让他发现的电弧为人类服务。他把它改造为电弧灯这一尝试后来到爱迪生时期终于被充分应用。除此以外，戴维还是第一个记录下铂的催化能力的人。
1820年，戴维担任了英国皇家学会的主席。他在伦敦的科学讲演吸引了成千上万的男女听众。前座和正座总是被那些有钱的上流人物购去，而一般听众只买得起便宜的边座票。在边座听众中有一个书店学徒，他就是后来著名的电学家法拉第。
戴维发现法拉第才识过人，就约他谈话。他警告法拉第说：“科学是位刻薄的主妇，要求给以他服役的人付出极大的劳动，而支付的报酬却很微薄。况且，实验常常引起爆炸……”法拉第回答说：“我追求科学，科学工作本身就是一种报酬啊！”
戴维被深深地感动了，破格录用法拉第做助手。后来，法拉第在电磁学上做出了巨大的贡献，在科学上的成就甚至超过了戴维。因此，人们今天谈论起戴维来，总是说法拉第是戴维所有发现中最伟大的发现。
1823年以后，戴维大部分时间是在国外度过的。1829年，戴维死于瑞士。他在遗嘱中留下了一笔基金，用来奖励每一年度做出重大发现的化学家，戴维奖章成了英国科学界的最高荣誉奖章，荣获过这一奖章的有居里夫妇等著名科学家。
元素周期律和元素周期表
元素周期律和元素周期表，揭示了元素之间的内在联系，反映了元素性质与它的原子结构的关系，在哲学、自然科学，生产实践各方面，都有极为重要的意义。
在哲学方面，元素周期律揭示了元素原子核电荷数递增引起元素性质发生周期性变化的客观事实，从自然科学上有力地论证了事物变化从量变到质变的规律性。元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它把元素纳入一个系统内，反映了元素间的内在联系，破除了曾经认为元素是互相孤立的形而上学观点。通过元素周期律和周期表的学习，可以加深对物质世界对立统一规律的认识。
在自然科学方面，周期表为发展物质结构理论提供了客观依据。原子的电子层结构与元素周期表有着密切关系，周期表为指导发现新元素、合成新元素，预测新元素的结构和性质提供了可靠的线索。元素周期律和周期表在自然科学的许多部门，首先是化学，物理学，生物学，地球化学等方面，都是重要的工具。
在生产科研的应用上，由于在周期表中位置相近的元素其化学性质亦相似，这就启发人们在周期表中一定的区域内寻找新的物质。诸如：
①半导体材料都是周期表里金属与非金属接界处的元素，比如：Si、Se、Ge、Ca等。
②催化剂的选择：人们在科研和生产中，已发现过渡元素对许多化学反应有良好的催化作用，过渡元素的催化作用与它们的原子的d轨道未充满电子有关。于是，人们努力在过渡元素（包括稀土元素）中寻找各种优良催化剂。比如：石油化工方面，像石油的催化裂化、重整等反应，广泛采用过渡元素作催化剂；用铁、镍熔剂作催化剂，使石墨在高压和高温下转化为金刚石；特别是近年来发现少量稀土元素，能大大改善催化剂的性能。
③农药多数是含As、Cl、S、N、P等元素的化合物。
④矿物的寻找：地球上化学元素的分布与它们在周期表中的位置有关。科学研究和科学实验发现：原子量较小的元素在地壳中含量较多，原子量较大的元素在地壳中含量较少；奇数原子序数的元素较小，偶数原子序数的元素较多。处于岩石深处的元素多数表现为低价，处于地球表面的元素多数表现为高价；碱金属一般是强烈的亲石元素，主要富集于岩石圈的最上部；熔点、离子半径、电负性大小相近的元素往往共生在一起，同处于一种矿石中。在岩浆演化过程中，电负性小的、离子半径较小的、熔点较高的元素和化合物往往首先析出，形成晶体，分布在地壳的外表面。有的科学工作者将周期表中性质相似的元素分为十个区域，并认为同一区域的元素往往是伴生矿，这对探矿，找矿具有指导意义。
⑤耐高温、耐腐蚀的特种合金材料的制取：在周期表里从ⅢB（第三副族）到ⅥB（第六副族）的过渡元素，如铬、钼、钨、钛、钽，具有耐腐蚀、耐高温等特点。它们是制造特种合金的良好材料，是制造飞机、坦克、导弹、火箭、宇宙飞船等的不可缺少的金属。
同位素——揭示元素新奥秘
1910年，科学家约翰，汤姆逊发现：带电气体原子（离子）受电场或磁场影响发生偏转时，能够对它们的质量加以测定。在同一个正电荷的作用下，较轻的原子比较重的原子更大地偏离它们的轨道，正如从旁边刮来的风，把乒乓球吹离轨道的距离比同样体积但更重一些的橡皮球更远一些。汤姆逊采用这个办法能比以往更加精确地测定不同元素的原子量。
汤姆逊让偏转的气体离子（带正电的气体原子）落在照相底片上。在洗印底片时，他发现离子触及的地方有一道黑线。当他开始测定惰性气体氖的原子量时——照以往方式计算，其原子量是20.2.而这次发现底片上有两道黑线。第一道表明原子量是20，第二道表明原子量是22.这是一个惊人的发现：以往人们总认为同一个元素的所有原子是完全相同的，现在看来，氖元素是由两种原子构成的，它们被确定具有相同的化学性能，但是重量不等，因此具有不同的原子量。这就是同位素。
后来，英国放射化学家、牛津大学教授索迪根据以上实验事实，提出了以下假设：阿斯顿利用质谱仪研究同位素，发现氖、氩、氪、氯等元素都有同位素存在“存在有原子量和放射性不同但物理和化学性质完全相同的化学元素的变种，这些变种应该处于元素周期表的同一个位置上，因此把它们命名为同位素（指同一个位置）。”同位素的发现，使元素周期表的范围扩大了许多，使人类认识并可以利用的化学元素的实际数量增加了很多倍。因此，同位素的发现被认为是20世纪自然科学的重要成果之一。索迪也因此而获得了1921年诺贝尔化学奖。
过了一年之后，随着更多的放射性同位素的出现，索迪进一步指出：“一种化学元素有两种或两种以上的同位素变种的存在可能是普遍现象，也就是说，非放射性元素也会有几种稳定的同位素。但是，要识别稳定同位素，就需要找到一种能将质量不同的同位素彼此分离并分别称量的方法。”
1919年，索迪提出的难题由英国物理学家、剑桥大学教授阿斯顿解决了。他设计了一台质谱仪。
阿斯顿利用质谱仪研究同位素，发现氖、氩、氪、氯等元素都有同位素存在。随后，他又在71种元素中发现了202种同位素。同位素用途很广，大致可分为两类。一类是利用其辐射、核磁矩等核性质，一类是基于同一元素所有同位素化学性质相同这一事实。因此，阿斯顿被世人称为“同位素猎手”。
放射性元素
1896年，在法国物理学家贝克勒尔的实验室里，发生了一件怪事：抽屉里的一卷包得好好的照相胶片，莫名其妙地感光了；旁边的一瓶荧光物质——硫化锌，也“无缘无故”地射出浅绿色的光芒。
这是谁在捣蛋？
贝克勒尔像大海捞针似的开始寻找原因。最后，他的视线落到了抽屉里的一瓶黄色晶体上。谜底终于解开了！经过研究，贝克勒尔发表了他的论文：这种黄色的晶体——硫酸铀酰钾，具有一种奇妙的性质：它能发出看不见的射线，使照相胶片感光，使荧光物质发出荧光。
贝克勒尔的研究引起了居里夫人的注意。她与丈夫彼埃尔·居里经过艰苦工作，终于在1898年发现了两种新的元素——钋与镭，它们能够发出比铀更强的放射性射线。于是，人们把铀、钋、镭等能自发放出射线的元素叫做放射性元素。不久，一些天然的和人造的放射性元素，随着科学技术的发展也逐渐被人们一个个地发现。
放射性元素发出的看不见的射线是非常厉害的，当它的强度超过一定程度时，能杀死细胞、损害身体。贝克勒尔自己就吃过“苦头”：一天，他出去讲演，顺手把一管镭盐装在口袋里。可是，过了许多天以后，在曾靠近镭管的皮肤上出现了红斑，原来是镭的射线灼伤了他的皮肤。彼埃尔·居里为了探索放射性元素的秘密，曾拿自己的一个手指做实验：让手指受放射性射线照射，起初发红，随后就出现了溃疡与死肉，经过几个月才完全痊愈。居里详细地记述了这一切。
除了镭以外，现在人们常用钴-60、碘-132、磷-32等放射性元素的射线，来治疗肿瘤病。人们还利用这些放射性元素作“示踪原子”：如果内服或注射极少量的放射性元素，这些射线就能透过身体的表层组织，向外边的“放射性射线指示器”报告它在什么地方。于是，医生就可以知道，你什么地方有病变。放射性物质不仅能用来治病，还可用在生产上，例如示踪原子可以用来测定炼钢过程的时间、合金的结构、水管检漏、勘探地下水等等。
氧气的发现
火与人类的生活密切相关，火的使用是人类进步文明的一个重要标志。希腊神话中说：火是由普洛米修斯从太阳那里盗窃来的。虽然这只是故事，但很久以来人们的确不清楚火究竟是怎么回事，有些物质为什么会燃烧。
到了17世纪，随着冶金工业和化学工业的发展，人们更频繁地使用各种燃烧手段，这就更迫切地需要弄清燃烧的本质。
德国有两位著名的医生贝歇尔和斯塔尔，由于工作需要，他们对燃烧现象进行了系统的观察和研究，于1703年提出了燃素学说。他们认为，一切可燃物如木材、磷、硫等都含有燃素，不可燃物如石块、黄金皆不含燃素。当可燃物燃烧时发出光和热，就被认为是可燃物的燃素逸出，他们依此得到一个公式：
可燃物-燃素=灰烬
用这个公式可以轻而易举地解释许多化学现象。纸张、氧气瓶木材、油类之所以易燃，因为它们都含有大量燃素。物质含的燃素越多，燃烧就越旺。油类里含的燃素最多，所以就比木材、纸张燃烧得更剧烈。石头、黄金等不含燃素，所以不能燃烧。但燃素说却无法解释金属灼烧后质量增加这一事实。
在探索燃烧本质的过程中，瑞典化学家舍勒和英国化学家普利斯特列是两位不屈不挠的勇士。
1742年舍勒诞生于瑞典一户贫苦人家，他的兄弟姐妹很多，更增加了家庭经济困难。因无钱上学读书，14岁他便到一家药店当学徒，开始自食其力的生活。但是舍勒聪明好学，又有坚强的意志，在三年学徒中，他自学了当地图书馆里的全部化学书籍。这大大充实了他的基础知识，扩大了他的视野，使他了解了当时化学研究的一些重大问题。舍勒还有一个很大的优点就是对实验有浓厚的兴趣，非常喜欢动手做实验。他常常将制药中的问题通过实验去解决。
1771年秋季的一天，舍勒在实验室里正埋头做制取硝酸的实验。他把硝石（硝酸钠）和矾油（浓硫酸）放入曲颈甑里进行高温蒸馏，并用盛石灰水的猪尿泡吸收放出来的棕色气体。他无意中把点燃的小蜡烛伸进猪尿泡，可是烛火不但没有熄灭，反而发出耀眼的光芒，这可把舍勒吓了一跳。他苦苦思索，反复实验，结果都一样。于是他得出一个结论：猪尿泡里还有一种未知的无色气体。
舍勒继续用其他药品进行实验，如加热硝石、硝酸汞或把二氧化锰与浓硫酸混合加热，都可以制得能使点着的小蜡烛发出更亮光芒的神奇的气体。舍勒把这种神奇的气体取名为“火气”。接着他又做了许多实验，发现“火气”在空气中也有，且占空气体积的1/5.
但由于舍勒受燃素说的影响太深，没能越过陈旧的观念，他把燃烧仍解释为空气中的“火气”与可燃物中“燃素”结合的过程。于是，本可以发现的关于燃烧的新原理却悄悄地溜走了。
空气中有氧才能维持我们的生命无独有偶，正当舍勒精心做自己的实验的时候，英国人普利斯特列也在做他的探索实验。
1733年普利斯特列生于英国黎兹城的郊外。他的父亲是个裁缝，家中生活也很贫困，他一度辍学打工。成年以后，生活迫使他当了一名牧师。艰苦的环境使他养成了许多优良品质，如爱学习，珍惜时光等。1766年，他遇见了著名美国物理学家富兰克林，受其教诲，决心献身自然科学的研究，从此他对空气产生了兴趣。
1774年8月1日上午，天气特别好，晴空无云，他的实验室也显得格外明亮。他的心情特别愉快，因为他前一天刚收到朋友瓦尔泰尔送来的一包红色三仙丹（氧化汞），他想用聚焦太阳光来分解它。
11点钟，太阳光正强烈，他先把三仙丹放在玻璃瓶里，然后手持一个大的凹透镜，把太阳光聚焦到三仙丹上。很快，它便分解了，除生成银白色的水银珠外，还有一种无色气体。普利斯特列也把点燃的小蜡烛放入玻璃瓶里，看到的现象和舍勒的一样，小蜡烛的光芒更亮了。他把这种气体收集到另一个瓶子里，并试着用鼻子嗅了一下，没闻出什么味儿。接着，他从瓶子里深深地吸了一口气，肺里顿时觉得十分舒畅。他又把一只小白鼠放入瓶中，小白鼠非但没窒息而死，反而十分活跃。
普利斯特列记录上述实验时风趣地写道：“有谁能说这种气将来会不会变成时髦的奢侈品呢？不过，现在世界上享受到这种气体的只有一只老鼠和我自己。”
非常可惜，普利斯特列面对自己的新发现，却作了完全错误的解释。他认为从三仙丹里分解出来的气体能使蜡烛燃烧得更旺，那么，它本身一定是没有燃素的，它一定要疯狂地去吸取蜡烛里的燃素，才能使小蜡烛光芒更加明亮。因此，普利斯特列把这种奇特的无色气体取名为“失燃素的空气”。
普利斯特列和舍勒一样，没有从旧的学说中摆脱出来，而是用“旧瓶子装新药”，从而使一个重要的发现被埋没了。所以后人称以上两个勇士为“鼻尖碰到真理还不能发现真理的人”。
1774年10月，普利斯特列渡过英吉利海峡，来到巴黎，访问了法国科学院，有幸会见了法国著名化学家拉瓦锡。他向拉瓦锡等人表演了他制取“失燃素空气”的实验。表演非常成功，轰动了法兰西和整个科学院，大家都感到惊奇和迷人。
看了表演之后，拉瓦锡立即回到自己的实验室重复做了普利斯特列的实验，结果和英国客人所做、所说的完全一样。但是拉瓦锡在解释这个实验时，却换了个说法，他否认有“失燃素空气”的说法，而把三仙丹分解放出的气体称之为“上等纯空气”。
接着他把锡和铅放在空气中加热，结果加热后的金属质量增加了。这是化学家波义耳早就做过的实验。他又把锡和铅放在密闭容器中加热，结果无论加热多久，金属质量不变。这是1748年俄国化学家罗蒙诺索夫曾做过的实验。但是拉瓦锡并不满足验证前人的实验，经过许多天的周密思考，他又设计了一个具有划时代意义的新实验。
他在一个曲颈甑里放入已称量好的少量水银，曲颈甑口用一个玻璃罩罩上，并与盛水银的槽相通，玻璃罩的体积是已知的。接着他加热曲颈甑使水银沸腾，加热到第二天，银白色的水银面上浮起了红色鳞斑似的渣滓。继续加热数天，红色渣滓一天比一天多，直至加热到第十二天，红色渣滓不再增多时，结果发现玻璃罩子里的空气的体积差不多减少了1/5，而红色渣滓的质量也比原来的水银增加了。随后，拉瓦锡把点燃的小蜡烛放入玻璃罩，烛火立即熄灭。他又放进小白鼠，小鼠也窒息而死。
随后，拉瓦锡将红色渣滓收集起来，放在另一个较小的容器中，用凹透镜聚焦太阳光加热红色渣滓，重新得到水银和无色气体。而此时得到的气体体积等于加热水银时玻璃罩中减少的体积。他把这种气体加到原先的玻璃罩里，和剩余的气体混合，结果得到的气体跟空气的性质完全一样。拉瓦锡终于发现了这一气体新的特征，他把这种气体取名为氧。他认为，燃烧决不是什么燃素的放出，恰恰相反，是物质跟氧的猛烈作用，并放出光和热。进一步分析后，拉瓦锡提出：空气是由两种气体组成的，一种为能帮助燃烧的氧气，约占空气体积的1/5；另一种为不能帮助燃烧的气体，叫氮气，约占空气体积的4/5.
3依据拉瓦锡创立的新燃烧理论，在空气中加热金属时，金属与氧气化合生成了氧化物，由于氧参加进去了，所以氧化物的质量比原金属重了。而木材、纸张燃烧时，由于有二氧化碳生成，逸到空气中了，仅剩下灰烬，所以质量减少了。
拉瓦锡的理论还能够解释呼吸作用不是缓慢放出燃素，而是较缓和的氧化过程，吸入氧气，呼出二氧化碳气体。
至此，燃烧的本质才被提示，拉瓦锡创立的的燃烧理论把在化学界统治70年之久的燃素学说彻底推翻了。他的理论被后来更多的实验所证实。他的发现使化学研究大大地前进了一步。
每当人们做化学燃烧实验，或用到氧时，都不会忘记它的发现者——拉瓦锡。
最轻的元素——氢
在众多的化学元素中，氢是最轻的。它是元素周期表中的第1个元素（原子序数为1，原子量为1），故又可称其为1号元素。氢是一种无色、无臭和无味的气体。怎样知道它是最轻的呢？我们不妨来做一个实验，大家都知道，用肥皂水和竹管可以吹出一个个透明的肥皂泡。如果我们用金属锌和盐酸发生反应，就会产生氢气。把氢气通入肥皂水中，也会吹出肥皂泡，充满氢气的肥皂泡和普通的（充满空气）肥皂泡有一点不同，那就是充满氢气的肥皂泡在空气中上升得更高。这就是因为氢气特别轻，它只是空气质量的1/29.
人们利用氢气特别轻这个特性，用它来充气球和飞艇，例如曾经号称世界上最大的飞艇劳斯·安极立司号的里面充填的就是氢气。1924年10月，劳斯·安极立司号飞艇从德国出发，航行了81个小时，航程8000多公里，最后到达美国。因为氢气容易着火和爆炸，很不安全，现在已经用比氢重4倍的氦代替。氦是惰性气体，不会着火。现在，人们只利用氢气球进行高空气象探测；在节日里放飞五彩缤纷的氢气球以点缀节日气氛。
氢气球为什么会爆炸呢？这是因为氢气能和空气中的氧气发生剧烈化学反应，化合成水。爆炸就是剧烈的伴随光和声音的化学反应。纯净的氢气（即不混杂空气时）是可以安全贮存的。
除了氧以外，氢气还能与许多非金属元素化合，如生成硫化氢，也可以与金属元素化合，生成金属氢化物，例如氢与金属钠化合，形成了氢化钠。
氢是宇宙中蕴藏量最丰富的化学元素。繁星灿烂的银河系，包括太阳和它的行星，就是在120～150亿年前由蕴藏量最丰富的氢元素逐渐演变而来的。即在高于7×106K（绝对温度）时，氢的原子核发生聚变反应，变成氦的原子核，然后再由氦原子核变为碳原子核和氧原子核，以至于其他许许多多的化学元素。因此，氢往往被认为是化学元素的起源。
尽管氢在宇宙间的含量特别多，但它在地壳中的蕴藏量并不很丰富，按其丰度只能排行笫9位。在地球上氢主要以化合物的形式（如水、碳氢化合物、碳水化合物）存在。游离状态的氢气比较集中的地方有两处：一处是在火山爆发时喷出的气体中；另一处是天然气中。在大气中，氢气含量少于1/106，大多是各种有机化合物（包括动、植物体的腐败产物）分解所产生的。
在当今世界上，能源成为人类关注的重大问题。纵观世界能源状况，所利用的主要是石油、煤炭和天然气。它们的蕴藏量毕竟有限，随着世界经济的发展，将被逐渐耗尽，有面临枯竭的危险。石油、煤炭和天然气的燃烧产物给自然界带来严重的环境污染，还给地球带来温室效应，影响生态平衡。
为摆脱世界性的能源危机，科学家们开始探索氢能源。氢作为能源的优点有：（1）氢的储量丰富，仅利用海水产生的氢气所能提供的能量将比地球上所有化石燃料大9000倍；（2）氢气燃烧以后生成水，它对环境不造成任何污染，因此氢有“无污染能源”的美称；（3）从广义的角度来说，氢能还包括氢的两种同位素（氘和氚）发生核聚变以后释放的能量，它比氢释放的能量要大得多。
由于氢气是一种无污染的能源，所以首先在汽车行业中试用。氢发动机汽车是1970年开始研制的，从1980年起，日本的研制工作一直领先于欧美。1982年，国际氢能源协会在美国洛杉矶召开国际氢汽车行车距离比赛，日本武藏工业大学研究小组制造的“武藏5号”氢发动机汽车，用80升液氢，行驶了400公里。1990年，武藏大学在日产汽车公司协助下，推出了以氢为燃料，时速可达125公里的新型汽车。现在，美国和德国也正在研制使用氢气为燃料的小型客车。
现在，各国还在研究将氢气用作飞机燃料。1988年4月，前苏联的一架图154喷气式客机，采用液氢和天然气组成的混合燃料，成功地进行了一次飞行试验，虽然只飞行了21分钟，但却是一次有益的尝试。1990年，前苏联便在国际航空航天技术博览会上展示了第一架以氢为动力的飞机。
氢一共有三种同位素，它们是氢、氘（dāo，又名重氢）和氚氢弹爆炸的瞬间图像（chuān，又名超重氢）。这三种同位素的原子核含有相同的质子数，都是1，但是所含的中子数却不相同。氢原子核中不含中子，氘原子核含有1个中子，氚原子核含有2个中子，因此它们的质量数分别是1、2和3.在天然的氢气中，氢占99.984%；氘只占0.016%；氚的含量更少，氚大部分是由宇宙射线中的中子和质子轰击上层大气中的氮而形成的。
氘和氧的化合物称为重水，在原子核反应堆中用作减速剂。这是因为重水能使核反应产生的中子减速，受控制的中子再去引发其他铀原子裂变，使原子核反应才能持续进行，反应堆才能正常运转。否则裂变失控将发生原子爆炸。
近年来，氘和氚已经成为引人注目的元素，这是因为它们的原子核在高温下可以聚合起来，并放出大量的热能。通常把这一反应称为热核反应，它放出的热能比原子核裂变反应（即原子弹和原子核反应堆所发生的反应）大10倍。
在地球上，第一次利用热核反应的是氢弹。氢弹里面其实没有氢，里面装的是氘和一颗原子弹。当原子弹爆炸后，它所产生的能量把氘加热到非常高的温度，从而引发了热核反应。
现在，科学家正在积极地研究能够人为控制的热核反应，希望它能够把热量慢慢地释放出来，称为“受控热核反应”。
大气中最多的元素——氮
在地球的表面有一层厚厚的大气层，这层大气供各种生物消耗，同时也保证了水分、热量不会大量散失。正是因为有了这层大气，才使得这个星球上能够有生命存在。大气主要包括氮气和氧气，其中氮气占空气总体积的78%。
常温下氮气并不活泼，这使空气含量保持了相对的稳定性。从分子结构的角度来讲，每个氮分子是由两个氮原子组成的（N2），这两个氮原子间通过一种强烈的相互作用连接在一起，在常温下，这种作用力很难被破坏。但如果外界提供能量，如高温或者放电的条件，就足以破坏这种分子内的强烈的相互作用，这时一个氮分子变为两个氮原子（N22N），就很容易发生化学反应了。高温下氮气可以与多种金属化合；镁条可以在氮气中燃烧；高温、高压、催化剂存在的条件下氮气可以直接与氢气化合成氨气。有闪电的时候，氮气可以与氧气直接化合生成一氧化氮，这一反应被称为自然界的固氮过程，利用这个反应可以为人类造福：闪电时生成的一氧化氮遇到空气中的氧气马上转化为二氧化氮，二氧化氮溶于雨水形成稀硝酸，随大雨倾泻到地面与土壤中的矿物质反应，形成可溶性的氮肥，可以直接被植物吸收利用。方程式如下：
N2+O2放电2NO
2NO+O22NO2
3NO2+H2O2HNO3+NO
据估计，地球上每年由“雷电合成”的氮肥有4亿多吨，这正是农谚所说的“雷雨发庄稼”。
自然界“制造”的氮肥还是不能满足人类对氮肥的大量需求。20世纪初，各国科学家纷纷致力于对“人工固氮”过程的研究。怎样才能把资源极丰富的氮气转变为易被植物吸收利用的化合物呢？很显然，实现这个方案很不容易，因为无论通过高温还是放电来破坏氟的分子结构，在大规模的工业生产中都是不现实的。经历了无数次失败之后，终于，德国化学家哈伯于1909年用锇作催化剂合成了氨，当时产率很低，后经改进发展为工业化生产方法，1911年建成了世界上第一座合成氨工厂，开始大规模生产氮肥，为提高农作物产量做出了极大贡献。氨氧化之后还可以得到硝酸，进而得到炸药、染料、塑料等，使化学工业大大向前迈进了一步，1918年哈伯因为这一杰出贡献获得了诺贝尔化学奖。但是，正如历史告诉人们的：科学是一把双刃利剑，哈伯用他的聪明才智效忠于德国，利用这一研究成果制造了大量烈性炸药，为德国发动第一次世界大战提供了强有力的条件。第一次世界大战期间，哈伯又指导德军首次使用了毒气武器。他这种愚忠于祖国的行为遭到了各国科学家和世界人民的指责。
经常使用的氮肥有硫铵[（NH4）2SO4]、碳铵[（NH4）2CO3]、硝铵（NH4NO3），都属于铵盐。铵盐有三个共同的特性：加热易分解：易溶于水；能与碱反应放出氨气。所以在使用的时候一定要注意，不要放在高温的地方；不要让肥料受潮；不能和不成性肥料一起使用。
硝酸是一种强氧化性的强酸，有一点化学知识的人都知道：硝酸与金属反应时一般不放出氢气，就是因为硝酸有强氧化性。将硝酸和盐酸按照1：3的摩尔比配成溶液称为“王水”，“王水”的氧化性更强，甚至能溶解金、铂这类非常稳定的金属。浓度很高的硝酸有一个特性，易分解，方程式为：
4HNO3Δ2H2O+4NO2↑+O2↑
因此可以用浓硝酸作火箭发射剂的燃料添加剂。
氮还是构成有机物的重要元素，在作为生命基础物质的蛋白质中，氮是必不可少的。人通过饮食摄取动植物蛋白，经消化后重新合成人体蛋白质、补充到血液、肌肉和脏器中。如果没有氮元素，由碳、氢、氧只能构成水和糖，而不能组成肌肉，皮肤、血液、毛发等等。可以说，氮是生命的基本元素。
最活泼的非金属——氟
氟是最活泼的非金属元素，它几乎能同所有金属和非金属元素发生化学作用。它在冷暗处就能同氢发生剧烈的反应而爆炸，生成非常稳定的氟化氢。在通常情况下，它就能使水迅速分解放出氧气。它与同族元素——氯、溴、碘的性质极其相似。因此，在过去很长一段时间里，人们有时似乎发觉了它，但又不能单独地获得它（性质太活泼了）。它那时有时无、时隐时露的身影不知捉弄了多少化学家。此外，氟对人和植物有很大的毒害，被氟或氟化氢熏过的树木，很快就会枯萎死亡，而且永不复生。氟和氟化氢能穿过人的皮肤渗入骨骼，与骨质中的钙反应生成氟化钙，使人的骨头遭受腐蚀，痛不欲生。因此，人们常把氟同骷髅联系在一起，令人毛骨悚然。
但是，许多化学家为了研究氟，仍将个人生死置之度外。其中有的因之抱病，有的甚至献出了生命。英国著名化学家戴维因研究氟而受毒害，一连病了几个月；爱尔兰的乔治和托马斯兄弟，在研究氟的实验中，发生了爆炸，毒气四溢，托马斯几乎丧命，乔治卧病3年。比利时的鲁耶特和尼克雷继续乔治兄弟的研究，试图单独制得氟，结果两人都以身殉职。
药店学徒出身的亨利·摩瓦桑，是法国人，他在巴黎药学院得到著名化学家弗雷密的培养，从1884年开始对氟化合物进行研究。氟，如同猛虎一般向他扑来。剧毒的气体曾四次使他在实验室中毒倒下，但他无所畏惧，每次都不等痊愈就继续实验。终于，在1886年6月26日，摩瓦桑排除了一切危险，揭开了氟元素的神奇面纱，实现了有史以来第一次单质氟的分离。至此，自然界中最桀骜不驯的元素被征服了。由于这位年轻的助教对氟的发现和尔后的一系列对氟的研究，1906年，他荣获了诺贝尔化学奖。
摩瓦桑因长期接触氟和氟化氢等毒物，不久即失去了自己的健康，牙齿一个不剩地脱落，头发也全部掉光，骨疼使他彻夜难眠，他说：“氟至少夺去了我10年的生命。”但是，他丝毫不感到惋惜和悲观，他自豪地说：“我无法用语言来描述我曾经体验过的如此强烈的愉快，抓住每一个难得的机会，在处女地上耕耘……最大的快乐不在于占有什么、享受什么，而在于追求什么、开辟什么……”
最古老的金属——铜
在古代，最早炼出来和用来制造工具的金属是铜。存在于自然界的天然铜称为自然铜，它是以游离（单质，非化合物）状态存在于自然界的金属铜，常常夹杂在铜的矿物中，是紫黑色的。铜在地壳中的含量比较少，在金属中含量排第17位。铅主要以化合物的形式存在于各种铜矿中，常见的有黄铜矿、辉铜矿、赤铜矿、孔雀石等。
纯铜是紫红色有光泽的金属，所以以称为紫铜或红铜，用来制造电线或电器设备的零件的铜都是纯铜。铜不但导电性和传热性好，而且延展性特别好，黄豆粒大小的铜块，就可以拉成2千米长的细丝。铜是不活泼的金属，在常温下和干燥的空气里，不容易生锈。
铜的质地比较软，因此，使用中一般多用铜合金。铜和锡（有时也含铅、铝、铍等）组成的合金称为青铜，它的熔点比纯铜和纯锡都要低，因此容易铸造工具。但它的硬度却比铜和锡都高，可以制造质量高的工具和兵器。
铜和锌组成的合金称为黄铜，它的用途比青铜大得多，那大大小小的枪弹和炮弹的弹壳都是用黄铜铸造的。再看那交响乐团里各式各样闪闪发光的管乐器，乃至钟表和仪器上的许多零件，也都是用黄铜加工而成的。黄铜还有一个优点，随着其中含锌量的不同，可以有深黄、浅黄、红黄、金黄等各种漂亮的颜色。
铜和镍组成的合金称为白铜，外观白亮而有金属光泽，用来制造工艺品、医疗器械和光学仪器。
娇嫩的金属——铯
该不是弄错了吧？金属不就是那些锃亮夺目、银光闪烁、铜头铁脑、冷冰冰、硬棒棒的家伙吗？怎么谈得上娇嫩呢？
其实，没弄错，这是确确实实的事情。金属家族中还真有一位娇娇滴滴、嫩艳可人的“小姐”呢，它就是铯。
说它娇，铯的熔点只有28.5℃，比人的体温还低。如果你想把它放在手心上瞧个仔细，它会像冰块掉进热锅似的，很快就会熔化成一颗银白色的液滴，在手心上荡来滚去，好像是荷叶上滚着的水珠。它还怕见阳光，烈日之下，它会骨酥筋软，瘫成一摊稀泥。
道它嫩，那更是恰如其分。铯比石蜡还软。你见过厨师用刀削面的情景吗？你不妨拿把刀削起铯来试试，只要你手艺不赖，也准能做出薄软的“削面”来。
只是你可没机会像艺高胆大的厨师们玩得那么潇洒，使那削面在空中翻飞跳跃、飘飘悠悠落入水中，令人目不暇接。一旦铯片飞入空中，便会自动发火，发出玫瑰般的紫红色的光辉。若让它飘入水中，就更精彩了，它会像炸弹一样在水中开花，并且燃烧起来。由此看来，铯虽然娇嫩，但并不是闭月羞花的千金小姐，性格还是很活泼开朗的哩。
为了对付这个表里不一的调皮鬼，平时只好把它浸在煤油里“看护”起来，这样它才老实些。
地壳的基础——硅
谁要是给我讲起石英，我脑子里就想起这个故事。有人给我看过很多的东西：照在太阳光底下像泉水一般冰凉的透明的球体，杂色而美丽的玛瑙，多色而有光泽的蛋白石，海岸上纯净的沙，把熔化的石英做成像蚕丝那样的细丝或耐热的容器，美丽的琢磨过的水晶，神秘而奇特的碧石，变成了燧石的木化石，古代人粗糙地加过工的箭头，这一切东西不管我怎样去刨根问底，人们都这样回答我：这一切都是由石英和在成分上和石英近似的矿物组成的。这全部都是硅元素和氧元素的化合物。
单个硅晶体硅的符号是Si。它是自然界里除了氧之外分布最广的元素。自然界里从未发现过游离的硅，它总是和氧化合在一起，形成SiO2，这叫硅石，也叫硅酐，又叫二氧化硅。
平常一说起“硅”，最容易联想到燧石，许多人从小就很熟悉燧石这种矿物；它非常硬，用铁敲打就冒出火星，从前的人用它来取火，后来把它放在燧发枪里引燃火药。
但是燧石这种矿物并非化学家所说的硅，而只是硅的一种不很重要的化合物。至于硅的本身，却是一种奇妙的化学元素，它的原子在我们周围的自然界里分布非常广，工业上也需用它。
一切生命的基础——碳
你们有谁不知道闪烁着各种光泽的贵重的金刚石，灰色的石墨和黑色的煤炭？这3种东西在自然界里只是形状不同，实质是同一种化学元素——碳。
碳在地球上的含量比较起来不算多；它仅占地壳总质量的1%。然而它在地球化学上起的作用非常大：没有碳就没有生命！
活的物质里都有碳，有一门化学就是专研究碳的，我们现在也来了解一下这种元素的历史吧。
从现在我们所能研究到的角度来看，碳的生命史上的第一个阶段是熔化的岩浆。这种熔化物在地下深处和在岩脉里冷却成各种岩石，碳在这些岩石里有时候会聚成片状或球状的石墨，有时候形成贵重的金刚石晶体。但是大部分的碳都在岩体凝固的时候跑掉：有的形成容易飞散的烃和碳化物从岩脉升上来，聚集成石墨（例如斯里兰卡就有这样生成的石墨），有的同氧气化合成二氧化碳，升到地面上来。
我们知道，万能的硅酸在地下深处是不会让二氧化碳生成碳酸盐的。事实上也的确是这样，在我们所发现的各种火成岩里面，没有一种重要的矿物是含有二氧化碳的。可是火成岩会把二氧化碳机械地截留在岩石的缝隙里面（正像截留含氯的盐类的溶液那样），留在这种空隙里的二氧化碳分量很多——多到是我们大气里所含的五六倍。
不仅在活火山的地区里，甚至在第三纪早已熄灭了的死火山地区里，地下都常有二氧化碳喷到地面上来；或者跟别的易于逸散的化合物在一起聚成气流，抑或跟水混在一起形成碳酸矿泉。
人们利用这种矿水来医病，因此在这种矿泉的附近开设了许多疗养院和水疗院，比如在高加索便是这样。二氧化碳在这种水里是过饱和的，因此水面上经常有二氧化碳的气泡冒出来，使人看了觉得水仿佛在沸腾似的。
碳的化学性质很特别。在所有化学元素里面，只有碳能够跟氧、氢、氮和别种元素生成多种多样的化合物。碳所生成的这类化合物叫做有机化合物，很多种有机化合物又能生成极其多样的、复杂的蛋白、脂肪、糖、维生素和许多种其他的化合物而含在生物体组织和细胞里面。
由于碳能够生成无数的化合物，结果就产生各种各样极其繁多的动植物品种，目前世界上的动植物至少有几百万种。
可这并不是说，碳是活的有机体——也就是地球化学上所说的活物质的主要成分。碳的活物质里只占到10%左右，活物质的主要成分是水，大约占80%，剩下的10%左右是其他化学元素。
既然生物体有摄取养料、发育和繁殖的能力，就会有很多的碳参与着活物质的生活作用。你们也看见过好几次了吧：春天池塘水面上慢慢长起一层绿色的水藻和其他植物，到夏天这些水藻长得最旺，而在快到秋天的时候就变成暗褐色沉到池底里，于是就生成了含有机物很多的底层污泥。后面还要讲到，这样的淤泥正是煤和植物淤泥——“煤泥”的开端，“煤泥”能够用来制合成汽油。
动物呼吸的时候要呼出很多的二氧化碳。
植物吸取二氧化碳，这是二氧化碳在活物质内部循环的第一步。正是绿色植物的叶子，在光的照射下抓住了二氧化碳，把它变成复杂的有机化合物。这个作用叫做光合作用，参与这个作用的是光，还有植物体里面称为叶绿素的一种绿色物质。俄罗斯天才的科学家季米里亚捷夫（К。A。Tимиряэев）第一个阐明了自然界里光合作用的伟大意义，他对这个作用进行了详细的研究。由于光合作用，全世界的植物在一年中带走空气里大量的二氧化碳。但是空气里的二氧化碳含量不会降低，因为水里和动物体组织都不断地分解出二氧化碳补充到空气里去。
光合作用的结果就生成了大量的有机物——植物体组织。植物用做动物的食料，确保了动物的生存和发育。假如再考虑到石油和煤也都是腐烂的生物体变成的，那么植物吸收二氧化碳这个作用在地球化学上的伟大意义就更清楚了。从地球化学的效果来看，地球上再也没有比植物的光合作用更重要的作用了。
生命和思想的元素——磷
磷是自然界里奇妙的元素，我给你们讲两个故事，好让你们了解它的历史。前一段故事离现在比较远，发生在17世纪末，后一段是现代的。然后我准备根据这两段故事得出结论，给你们描写关于磷的奇特的历史。要知道，没有磷的话，既没有生命，也没有思想。
首先，磷是有关生命和思想的物质。骨头里含有磷，它掌握骨髓细胞的生长和正常发育，总而言之，生物体有了磷才能长得结实。脑里含的磷很多，表示磷在大脑工作上起着非常重要的作用。食物里缺乏磷，就会使整个机体衰弱下去。难怪有许多种含磷的药，让身体衰弱的人和康复期的病人服用。磷不但人需要，动植物也大量需要。目前我们不但能用磷肥使田地肥沃，还能使海肥沃。在开口狭窄的港湾里撒上磷的化合物，就会使细小的水藻和别的微生物快速繁殖生长，结果也就大大提高了鱼的繁殖率。曾经做过这样的实验，把磷的化合物撒在列宁格勒附近的池塘里，结果眼看着鱼长得比平常大一倍。现在磷在制造各种食品上，特别是制造汽水上，起的作用很大。高级的汽水可以用磷酸制造。磷酸盐，特别是锰和铁的磷酸盐，可以用做坚固不变的涂料。我们知道，最好的不锈钢制品就是在表面抹上一层磷酸盐。飞机各部分的表层涂上这种磷酸盐，就不会生锈。人们很早就利用磷的“冷火”来兴起一门大的工业——火柴工业。我们年青的读者们也许不知道在发明现代的火柴以前大家用的是什么样的火柴。我还记得我小的时候用的火柴是红头的，随便擦在什么东西上都能着火。那种火柴碰上皮鞋底很容易着火，但是磷的性质很危险，这就迫使人们去发明另一种火柴，即是我们现在大家都用的那种。
人们看到能用磷制造火柴，于是想起磷不仅可以用来发出“冷火”，还可以生成“冷雾”。因为磷一燃烧就变成五氧化二磷，五氧化二磷能浮在空气里很久，变成不容易下沉的烟雾。
军事上就利用五氧化二磷的这点性质来制造烟雾。燃烧弹里含有大量的磷。在现代的战争当中，用含磷的炸弹来制造白色的烟雾，已经是普遍的一种进攻和破坏的方法了。
磷先是在深成岩的熔化物里，后来变成细小针形的磷灰石，最后微生物如一个活的过滤器，从稀释的海水溶液里把磷捉住，磷在自然界里所经过的这些化学变化十分复杂，这里都不细讲。
磷在地壳里的迁移历史非常有趣。磷的命运是和生物的生与死的复杂作用密不可分的。磷聚集在有机体死亡的地方，聚集在动物成群死亡的地方，在洋流的衔接点上鱼类繁衍的地方，那儿常常形成了海底的坟墓。磷在地球上有两种聚集的情况：或者从灼热的岩浆里游离出来而生成很深的磷灰石矿床，或者存在于动物死后的骨骼里。磷原子在地球史上的循环很复杂。化学家、地球化学家和技术家已经了解了它们循环过程当中的几个环节。磷的以前的命运消失在地底下深处，而它的未来的命运却寄托在全世界的工业上，在技术进步的复杂道路上。
化学工业的原动力——硫
硫是人类最早知道的化学元素之一。地中海沿岸许多地方都有硫，古代希腊人和罗马人不可能不去注意到它。每次火山爆发都带来大量的硫；那时人们把二氧化碳气和硫化氢气的臭味认为地下的火山神活动的标志。早在公元前几世纪，人们就注意到西西里大硫矿里所产的晶莹剔透的硫的晶体。尤其引起兴趣的是这种石块会燃烧生成窒息肝磷脂性的气体。就是这点不平常的性质使当时的人以为硫是世界上基本元素的一种。
也正因为这一点，使得古代的自然研究者，尤其是炼金术士，特别重视硫的作用，他们一讲到火山活动的过程或者山脉和矿脉生成的经过，都要强调硫这种元素所起的作用。
在炼金术士看来，硫的性质同时也很神秘，他们眼看硫一燃烧就生成新的物质，所以他们认为硫一定是哲人石的一个组成部分，他们正在拼命炼这种哲人石，想用人工方法制造金子，但是结果令他们失望。
地下深处的确含有大量的硫，硫冷凝的时候析出好多种挥发性的化合物，各种金属和硫、砷、氯、溴、碘的化合物。火山喷出物的气味各异，譬如意大利南部的喷气孔喷出的窒息性气体，或者像勘察加半岛上火山爆发的时候形成云雾状的二氧化硫气，我们都可以依据气味辨认出来。硫不但可以生成气体喷出来，它又能溶解在地下水在世界各地火山爆发区的岩石上都可以见到细小的硫晶体里，还能在地下裂缝里构成矿脉。硫和砷、锑和别的同伴一齐住在挥发性的热溶液里，在那里生成矿物，人们从很久以前起就知道从这类矿物里开采锌和铅、银和金。
硫在地球表面上生成的暗色的、不透明的、光亮的多金属矿石，还有各种辉矿类和黄铁矿类矿石，要受到空气里的氧气和水的作用。硫的化合物受到这些化学作用，就生成新的化合物，硫被氧化变成二氧化硫。此种气体我们很熟悉，划火柴的时候就有它的气味。它和水生成亚硫酸和硫酸。
通过这一类的化学变化，黄铁矿类矿石的巨大的晶体氧化以后析出硫和硫化物，它们破坏了周围的矿层，和较为稳定的元素化合，最后生成石膏或者别的矿物。应当指明的是，黄铁矿类矿床和开采天然硫的地方生成的硫酸是有破坏性质的。
硫是化学工业的基础。如果要把需要用硫的所有工业技术部门都列举出来很不容易。我只能举出最重要的几个工业技术部门，但是就从这些例子也可以看出，工业上没有硫是不行的。
硫的作用是制造纸、赛璐珞、染料、好多种药物、火柴，提炼和精制汽油、醚、油类也需要它，制造磷肥、明矾和别的矾类、钠碱、玻璃、溴、碘也离不开它。没有它就不容易制造硝酸、盐酸和醋酸，所以从19世纪初年起硫在工业发达史上起了如此大的作用，那是完全能够理解的。造出炸药需要硫酸，黑色火药也有硫，所以在火器上离不了硫。
巩固的象征——钙
化学家和物理学家告诉我们，钙在门捷列夫的元素周期表里占有特殊的地位，它的原子序数是20.这就是说，钙原子中心有一个核，核里面是十分微小的粒子——质子和中子，核外面有20个游离的带负电荷的小粒子，这即是我们所说的电子。
钙的原子量为40，它属于门捷列夫表的第二类，也就是在这个表从左起的第二直行里。钙在它的化合物里，需要两个负电荷来生成稳定的分子。用化学家的话来说，钙的化合价是+2.
你们看，刚才我说过的20、40这两个数字都是能被4除尽的。这类数目在地球化学上十分重要。在日常生活中我们也知道，如果我们要让随便一个东西站稳，我们就要用能被4除尽的数。例如，桌子有4条腿。普通能够站稳的物体，一切建筑物，总是对称的，它们的左一半和右一半正好相等。
跟钙原子有关系的数是2、4、20、40，这也是表明钙原子的性质十分稳定，我们简直还不知道需要摄氏多少亿度的高温才能破坏这个由一个原子核和绕核迅速旋转的20个电子所构成的稳固的结构。随着天体物理学家逐渐明了整个宇宙的结构，钙原子在宇宙里起的重大的作用也越来越明朗。
瞧，这是日蚀时候的日冕。连肉眼都看得见太阳外层巨大的日珥，炽热的、飞快的奔跑着的金属小颗粒被抛掷到几十万千米高，这当中钙起着重要的作用。现在我们的天文学家已经会用完善的方法来探明行星际充满着什么东西。在各个分散的星云当中，整个宇宙的广大空间都贯穿着疾驰的轻元素原子；这当中又是钙和钠起着同样重要的作用。
宇宙间还有些小颗粒，它们服从引力的定律，经过了复杂的路线，向我们的地球飞过来。它们落在地球上成了陨石，这里钙又起着重大的作用。
就拿我们的地球来说，在地壳生成的复杂过程之中，在我们的生活方面和工业技术的进展方面，也想不出还有什么别的比钙更重要的金属。
还在熔化的物质在地球面上沸腾的时候，重的蒸气逐渐分离而形成大气层的时候，最先的水滴刚刚凝聚而造成巨大的海洋的时候，钙和它的朋友镁早就是地球上非常重要的两种金属——镁也跟钙那样坚固，也是双号的元素（原子序数是12）。
那时候的各种岩石，无论是流在地面上的，或者凝结在地下深处的，里面都是钙和镁起着特殊的作用。大洋的底部，特别是太平洋的底部，到目前还铺着玄武岩层，钙原子在玄武岩里占的地位很重要，而我们明白，我们的大陆便是漂在这样的玄武岩层上，这层玄武岩好像凝成了特别的、薄薄的一层皮壳，盖在地下深处熔化物的上面。
据地球化学家计算，地壳的成分按所占质量百分比来说，钙占3.4%，镁占2%。地球化学家认为，钙的分布的规律和钙原子本身的奇妙的性质是密不可分的，和它所含的电子个数是双数、它完善的结构的出奇的稳定性是分不开的。
地壳刚一长好，钙原子立刻走上复杂的旅行路程。
在那个远古时代，火山爆发的时候涌出大量的二氧化碳。那时候大气里充满了水蒸气和二氧化碳，形成沉重的云层，包围在地球的四周，破坏地球的外层，把当时地球上炽热的物质卷在原始狂怒的风暴里。这样就开始了钙原子旅行史上最有趣的阶段。
钙和二氧化碳反应形成稳定的化合物。碳酸钙在二氧化碳超量的地方溶解在水里，被水带走，等后来失去二氧化碳的时候，它又沉淀出来变成白色的结晶粉末。
厚厚的石灰岩地层就是这样生成的。凡是地表上的冲积土堆积成粘土的地方，就生成泥灰岩层。地下灼热的物质剧烈地运动着，侵入了石灰岩层，热的蒸气把石灰岩烧烫到摄氏好几千度，把石灰岩变成洁白的大理石山丘，傲然屹立的山顶和白雪打成一片。
可是也有某些碳的化合物复杂地结合起来，生成了最初的有机物。这类凝胶状的物质有点像黑海的水母，后来变得越来越复杂；它们又慢慢得到了新的性质——活细胞的性质。伟大的进化规律，为生存而奋斗，为向前进化而斗争——这一切使这类物质的分子变得愈来愈复杂，使它们的分子发生新的结合，而它们根据有机世界的规律，又出现了新的性质。于是世界上渐渐地有了生命……先是暖和的海洋里的单细胞生物，然后是较为复杂的多细胞生物，这样一步步地进化下去，地球上最终有了最完备的生物体——人。各种生物在它逐渐生长变复杂的过程里，始终在为使它本身长出稳固结实的体质而进行斗争。柔软脆弱的动物体往往抵抗不住敌人，随时会被敌人毁坏和消灭。动物在它们逐渐进化的历史过程中，越来越需要保护它们自己。它们的软体要用一层穿不透的皮壳包起来，像盔甲似的，或者身体的内部需要一个架子，就是我们所说的骨骼，好把柔软的身体支在坚硬的骨架上。而生物进化的历史告诉我们，钙在供应坚硬结实的物质上起了重要的作用。最初是磷酸钙参与到了贝壳里，在地质史上发现的初期的小贝壳，就是由磷灰石这种矿物质形成的。
然而这样来取得钙并不太可靠，生命本身也需要磷，而地球上并非到处都有足量的磷可以供给生物去制造坚硬的贝壳的。动植物发展的历史指明，假如用不大会溶解的别种化合物——蛋白石、硫酸锶和硫酸钡去制造它们的坚硬的部分，就会有利得多，而最为合适的是碳酸钙。
的确，磷也是很需要的，一方面，各种软体动物和虾，还有一些单细胞生物，普遍地用碳酸钙造起坚固的外壳来；而另一方面，地面上动物的骨架部分却开始用磷酸盐来制造。人或者一些大动物的骨头含的是磷酸钙，这种磷酸钙在质地上和我们开采的磷灰石相当相近。碳酸钙也罢，磷酸钙也罢，起着巨大作用的还是钙。惟一的不同是：人的骨头含的是钙的磷酸盐，而贝壳主要是钙的碳酸盐。
钙聚集在海底的贝壳里和别种海洋动物的骨骼里，达到几十万种形式。这些动物死掉以后留下来的形态各异的遗骸堆成碳酸钙的一座一座的坟墓，这就是新的岩层的开端，未来的山脉的雏形。
在今天，我们赞扬着装饰建筑物的各种颜色的大理石，欣赏着发电站里的灰色或白色大理石造的漂亮的配电盘，或者我们去到莫斯科地下铁道站，沿着谢马尔金斯克产的像大石似的黄褐色石灰石台阶走下去，——在这些时候我们都不可能忘记，所有这些大块的石灰石就是由微小的活细胞聚集而成的，是通过复杂的化学反应，把游散在海水里的一个个钙原子捕捉在一起，再把它们改制成结实的晶体的骨架和纤维质的，这类含钙的矿物即为方解石和文石。
但是我们知道，钙原子的旅行并未到此结束。
水又把钙原子冲散，让它溶解，复杂的水溶液里的钙离子又一次在地壳里旅行起来，有的时候就留在水里，形成含钙很高的所谓硬水，有的时候遇到硫化合成石膏，有的时候又结晶成千奇百怪的钟乳石和石笋，生成复杂而奇幻的石灰岩的山洞。
再往下就到钙原子旅行史上的最后一站，人捉住了钙。人不仅使用各种纯净的大理石和石灰石，并且还把它们放在石灰窑里和水泥工厂的高炉子里煅烧，让钙和二氧化碳分开，这样就制得大量的石灰和水泥，没有这两样产品就谈不到我们这水泥工业。
在药物化学、有机化学和无机化学上非常复杂的各种作用当中，也处处有钙在起着重大的作用，在化学家、技术家和冶金学家的实验室里有钙在决定着作用的过程。然而这些在如今已经不算什么。钙在人的周围非常多，人还可以让这种稳定的原子云参与比较细致的化学反应；人在钙的身上耗了好几万千瓦的电力；人不但让石灰石里的钙原子脱离开二氧化碳，还让钙和氧断绝联系，制得了纯粹的钙，它是有光泽的、明亮的、柔软而有弹性的金属，在空气里会燃烧，结果外面覆上一层薄膜，成分和石灰一样。
人利用钙原子，就正是利用它特别乐意和氧化合的性质，利用钙原子和氧原子间联系得特别稳定和紧密的性质。人把钙原子加在熔化的铁里，人不再用名目繁多的复杂的去氧剂，不再用一系列费事的方法来去除对铸铁和钢有害的气体，而是把钙原子放在马丁炉和鼓风炉里，迫使钙原子去担任这项工作。
于是钙原子又再次迁移起来，它的金属颗粒刚闪亮不久，很快又变成复杂的含氧化合物，变成在地球表面上较为稳定的化合物。
现在你们知道了吧，钙原子的历史要比我们想象的复杂得多。要再找一个元素，在大自然里走的道路比钙更加曲折复杂，在我们地球的起源史上起的作用比钙更大，同时在工业上比钙更加重要的，实在不容易。
不要忘记：钙是宇宙间最活跃的原子之一；钙在世界上生成各种晶体结构的可能性是无限的；人既然会利用这类活动的原子来制造新的而且也许是空前结实的建筑上和工业上用的材料，那么人一定还会得出更多的发现。
植物生命的基础——钾
钾是有代表性的碱性元素，在门捷列夫表的第一类里占着比较低的位置。它是明显的单数元素，因为表示它的特性的一些数字都是单数：原子序数，即是构成它电子层的那些电子数，是19，它的原子量是39.它只能跟卤素的一个原子生成稳定的化合物，比如和一个氯原子化合，这就是我们所说的，钾的化合价是+1.钾一方面是单元素，另一方面它的原子里带电的小粒子又很多，这就表明了它的性质是喜欢不断地旅行，决定了它十分活泼。
钾既然这样活泼，难怪它在地球上的全部历史正和它的朋友钠的命运一样，是跟极端活动性和非常复杂的变化密不可分的。钾在坚硬的地壳里生成100多种矿物，此外有好几百种矿物也含有少量的钾。钾在地壳里的平均含量大约是2.5%。这个数字不算小，这正表明钾、钠和钙都是我们周围地球里的主要元素。
当地下深处熔化的岩浆凝结的时候，各种元素就依次分离出来，越是活动的，越是喜欢旅行的，越会生成挥发性的气体或者流动的和易于熔化的颗粒的，就越难分离出来，钾就是属于最后分离的一类元素。地下深处最开始生成的晶体里并没有钾：我们在绿色橄榄岩那种深成岩里差不多找不到钾，此种深成岩在地球内部构成整整的一个圈层。连同洋底的玄武岩块里，钾的含量也不超过0.3%。
在熔化的岩浆的复杂的结晶过程当中，地球上比较活跃的原子都聚集在它的上层；这儿强烈带电的硅和铝的微小离子比较多；这儿碱性的钾和钠这一类单数原子也不少，还有不少的容易逸散的含水化合物。这些熔化的岩浆生成的岩石，即为我们所说的花岗岩。花岗岩在地球表面上占的面积非常大，它就是漂在玄武岩上的大陆。
花岗岩凝结在地壳的深处，钾在花岗岩里的含量约为2%，钾主要是含在所谓正长石的一种矿物里。我们熟悉的黑云母和白云母里也含有钾；在有些地方钾集结的还要多，生成一种巨大晶体的白色矿物，称做白榴石，在意大利含钾较高的熔岩里，白榴石特别多，人们开采这种白榴石来提炼钾和铝。
可知地球上钾原子的摇篮，是花岗岩和火成岩当中的酸性熔岩。
钾走的路却跟钠不同。我们从海水里找到的钾非常少。在岩石里含的钠原子和钾原子个数几乎一样，然而每1000个钾原子只有2个能到海里，998个都被留在土壤、淤泥、海盆地、池沼和河里的沉积物里。正因为土壤吸收了钾，土壤才有神奇的效力。
俄国著名的土壤学家、科学院院士盖德罗茨是揭示土壤的地球化学性质的第一个人。他发现土壤里有一些颗粒会截留各种金属，尤其会截留钾，他指出，土壤的肥力和钾原子有很大关系，因为钾原子在土壤里是那样活泼可爱，所以植物的每个细胞都会吸收它，用它来增强自己的活力。难道不是吗，植物吸收了这种玲珑活泼的钾原子以后，就能长出芽来。
研究的结果表明，钾及钠和钙，都很容易被植物的根所吸收。
没有钾，植物就不能生活。我们现在搞不清楚，为什么植物非得有钾不可，在植物体里钾究竟起什么样的作用，然而实验证明，没有钾，植物便要枯萎死去。
不但植物非得有钾不可，钾在动物体里也是重要的成分。譬如，钾在人的肌肉里就比钠多。脑子、肝脏、心脏、肾脏里的钾更多。应该指出，有机体在成长发育的过程当中尤其需要钾。成人对于钾的需要量就少得多。
钾迁移的循环路线有几条，有一条循环路线是从土壤开始的。它在土壤里被植物的根所吸取，储存在死掉的植物躯体里，有一部分钾跑进人和动物的机体里，再回到土壤里变成腐植土，活细胞再从土壤里吸取它。
绝大多数的钾走的正是这条路线，尽管海水里的钠原子个数是钾原子的40倍，但是也有少数的钾原子能走到海洋里，和其他盐类共同组成海水的盐分。
从海水开始了钾原子旅行的第二条循环路线。
当大片的海洋由于地壳运动的作用而干涸，从海里分出来浅海、湖泊、三角港、海湾等等的时候，就会形成像黑海沿岸萨克、耶夫帕托里亚一类的盐湖。夏天一热，湖水蒸发得更厉害，结果盐从水里沉淀出来，被海浪逐到岸上，也有的时候湖底完全干涸了，上面铺满一层盐，看着像一块雪亮的白布。这时候盐生成沉淀有一定的程序：最先在湖底结晶出来的是碳酸钙，其次是石膏（硫酸钙），然后是氯化钠，即食盐。最后留在湖里的是含盐非常丰富的天然盐水，天然盐水里含的各种盐类达到百分之好几十，尤其是钾盐和镁盐含得更多。
钾在天然盐水里比钠更加活泼，它显示了巨大原子的性质，继续旅行下去，一直到更灼热的太阳把湖水晒干，盐层的表面析出了白色和红色的钾盐——这样就形成了钾矿床。
有的时候地壳里汇聚着大量的钾盐，这正是人们在工业上十分需要的原料。到了这一步以后，就已经不是土壤的神秘力量，不是植物在决定钾旅行路线，不是南方的烈日把它聚集在盐湖的岸上，——在工业里已经是人类亲自在指挥钾原子走上新的循环路线了。
整整100年前，有一位天才的化学家利比喜看到钾和磷在植物体里的功用，所以他常说：“田地没有这两种元素就不会肥沃。”于是他脑子里浮起了当时认为是幻想的一种想法，他认为应该对土壤施肥，应该预先算出植物可以利用的钾、氮、磷的盐类的分量，用人工方法把这些盐类施加在土壤里。
19世纪40～50年代的农业界不接纳利比喜的这种想法，说他这种思想是在“开玩笑”，再加上利比喜建议当肥料用的硝石，当时是用帆船从南美洲运来的，价钱非常贵，谁也不买。磷肥的来源——磷矿——当时也不知道，利比喜建议把骨头碾碎当磷肥用，价钱也太贵。而且钾的用法也不清楚，只偶尔有人收集点植物灰来撒在田地里，乌克兰农民很早就知道把玉蜀黍秆烧成灰，撒在田里，他们没有科学的指导，完全是凭经验和独到的智慧，体会到这种灰对于庄稼的重大作用。
从那时候起过了许多年，肥料的问题成了全世界各国最重要的问题之一。土壤能否肥沃，在很大程度上要看人是不是能把植物从土壤里摄取来的各种物质充分送还给土壤，把人从田地里取走的壳物、藁草、果实等所含的物质充分归还给土壤。到了如今，钾就成了农业上最需要的元素之一了。
这一点只要说一说某些国家的钾肥用量就可以看出。拿荷兰来说，1940年每公顷（104平方米）用了42吨的氯化钾。这个数字确实是大得很；在美国，每公顷一共才用4吨左右。
据苏联著名的农业化学家说，苏联全国田地的氯化钾用量，每年不得少于100万吨。
因此人类早就面临着这样一个任务：勘察钾盐的巨大矿床，把钾盐开出来，用它制造肥料。
现在，离开那次历史性的发现已经好多年了，全世界钾盐储藏量的分布图跟从前完全不一样了。假如我们用氧化钾的吨数来表示钾盐储藏量，那么大部分的储藏量都在苏联；德国总共才25亿吨；西班牙是35000万吨；法国是28500万吨；美国和别的国家更少。而且苏联的钾盐矿床还远没有完全勘测出来呢！
但是这个元素还有一点小小的特点，也不应该忽略不计。有趣的是，钾有一种同位素有放射性，虽然放射性是很微弱的，但是那种同位素总是不稳定的，它自己能放出几种射线，然后变成另一种元素的原子，新的原子再聚合在一起生成钙原子。
这个现象在长时间里没有得到证明，后来知道实际上钾-40本身在地球的生命上起着重要的作用，因为在不稳定的钾原子变成钙原子的过程里放出大量的热。据苏联放射学家测算，地球内部由于原子蜕变而放出的全部热量，至少有20%是钾盐放出的。可见钾原子的蜕变对于地球热量所起的贡献是多么巨大啊！
难怪生物学家和生理学家想用钾的这点性质来解释植物的生长问题，据他们的想法，植物所以那样奇怪地和莫名其妙地爱好钾，就是因为钾原子能够放射，因为钾在细胞的生活和成长上起着某种特殊的作用。
科学家为了证实这点而进行无数次实验，遗憾的是到今天为止还没有得出准确的结果。很可能，蜕变的钾原子和它的射线在活细胞里起的作用是很大的，它会使细胞和植物本身在成长和发育过程当中产生出各种特征来。
钾这个单数的、变幻莫测的元素，在地球化学上所占的地位就是这些。这就是钾在地球上循环旅行的历史。
对于每一种化学元素，都能够这样讲出一套它在地球内部、在地球表面、在工业上的旅行历史；可是有不少元素，它们历史上有个别的环节暂时还没有弄清楚；也有几种元素的历史还只能写成零碎的片断。因此在未来的地球化学家面前放着一项任务——把这些历史写完整，写得首尾一致。钾的历史还是比较清楚的，这个重要的元素在全部地质年代里的历史，我们是已经看明白了的。
我们不但知道了钾的历史，而且掌握着有力的武器去探测它的矿床，去为它寻找工业上的用途，惟一没有弄清楚的是它在生物体里的作用，这个秘密或许是钾的历史上最有趣也是最光辉的一页！
铁与铁器时代
铁不但是我们周围自然界里最重要的元素，而且是文化和工业的基础，它是战时的利器，又是和平劳动的工具。打开门捷列夫的元素周期表，再也找不出来一种元素，对于人类的过去、现在和将来的命运有像铁这么重要的。
公元前三四千年前，人类就开始去掌握这种金属，从这些金属制造工人正在加热锻炉里的铁，然后将用夹具取出赤热的铁，将它锤打成形那时候起的人类全部历史，都是为铁而奋斗的历史。可能是人最初捡到天上落下来的石头——陨石，就用陨石加工做成制品，如我们今天看到墨西哥的阿芝特克人、北美洲的印第安人、格林兰的爱斯基摩人和近东地区的居民所有的那种制品似的。难怪古代阿拉伯人传说铁产在天上。埃及土人干脆把铁称为“天石”；阿拉伯人重复埃及人的古代传说，说天上的金雨落在阿拉伯的沙漠上，金子在地面上变成银子，随后又变成黑色的铁——这是对于那些要想独占天上恩赐的部落的惩罚。
铁在很长时间里得不到普遍的应用，因为要从矿石里炼出铁来并非易事，而天上掉下来的陨石又很少。
只有在公元后1000年这段时期里，人才学会了从铁矿里炼出铁来；于是文化史上的铁器时代便代替了青铜器时代，一直延续到今天。
各民族像找金子似的找铁，他们探求铁的斗争在复杂的历史生活上始终起着重要的作用；然而无论是中世纪的冶金学家，还是炼金术士，都没能真正地掌握铁，人真正掌握铁还仅是从19世纪开始的，这以后铁才逐步变成工业上最重要的一种金属。随着冶金工业的发展，鼓风炉代替了手工业式的小规模的熔铁炉，兴起了像马格尼托哥尔斯克那样看着叫人惊奇的巨大的冶金工厂，它的生产量有好几千吨。
铁矿成了每一个国家的主要资源。储藏量几十亿吨的洛林铁矿成了资本家掠夺的对象，成了战争的根源。我们知道，在19世纪70年代，德法两国就曾经为了独占莱茵河流域储藏量几十亿吨的铁矿而进行过战争。
瑞典在北极圈里有有名的基鲁纳铁矿，矿石质地很好，一年的开采量有1000万吨，英国和德国在争夺这个铁矿上有过许多故事。我们知道俄国的铁矿是逐步发现和开采起来的，最先是在克列伏罗格和乌拉尔，以后又找到了库尔斯克地磁异常区的极其丰富的铁矿。
苏联有很多铁矿，这些铁矿奠定了苏联工业的基础，炼出铁来建造铁轨、桥梁、机车、农业机器和别种和平劳动的工具。
在战争的年代里，把铁制成炮弹和炸弹，一次战役发射出去的铁有时候相当于整个铁矿。例如，第一次世界大战当中的凡尔登战役（1916年），结果把整个凡尔登堡垒一带变成了一个新的“钢”矿。
为了钢铁而进行的斗争，逐渐促使现代的冶金工业走上了新的发展道路。
铁和普通的钢常常被新的优质钢代替了，在钢里面加入几千分之一的稀有金属，如铬、镍、钒、钨、铌制得的合金比普通的钢坚韧。
为了改善铁的特性，为了改变铁所起的化学反应，人们在巨大的鼓风炉里和铸铁车间里还解决了为多产铁的一个重大问题。要知道，铁会从人手里逃走；它不是金子，金子可以放在保险箱里和银行里保存起来，它的损失很微小。可是铁在地球表面上，在我们周围的环境里，却不像金子那样老实；我们都知道，铁的表面是很容易蒙上一层锈。只要拿一块湿润的铁放在空气里，它很快就锈迹斑斑；如果铁皮的房顶不涂油漆，那么一年工夫房顶就会烂成一个个的大洞洞。我们从地底下找出来古代铁制的武器，像枪、箭、盔甲，都氧化成了红褐色的氢氧化物；这些铁锯所以变质，也是由于受自然界化学定律的统一支配；铁受到空气里的氧气作用，就会氧化。于是摆在人们面前有一个非常重大的任务——如何保护住铁，不让它受氧气的作用。
像我刚才讲过的，在铁里面增添某些物质可以改良铁的性质，人还想出办法来让铁镀上一层锌或锡，把铁做成白铁或马口铁；把机器上的重要部分镀上铬和镍，或者涂上各种涂料，用磷酸盐来处理铁。人想了各种各样的办法来防止铁受氧化作用，防止铁受我们周围的湿气和氧气的侵蚀。必须说明，防止铁生锈并不是很容易做到的。人现在还在研究新的方法，研究怎样来利用锌和镉，寻找锡的替用品。自然界里的化学反应是自发的，因此人从地球内部开采出来的铁越多，钢铁工业越发达，那就越要注意保护铁不让它生锈。
保护铁——这句话听起来多么可笑，我们周围的铁不是很多吗？在刚刚举行的国际地质会议上，地质学家计算了世界上铁矿的储藏量，一致指出将来铁会发生短缺，他们预言，再过50～70年，全世界铁矿就要枯竭，那时候人只有用其他种金属来代替铁。他们还说，在建筑、工业和生活上能够用混凝土、粘土和沙来代替铁。时间已经过去不少，按说铁矿干涸的日子已经逼近了，可是地质学家却不断发现新的铁矿。在苏联，铁矿的储藏量可以完全满足工业上的需要，而且新的铁矿陆续地被发现，现在还看不出这种发现什么时候会停止。
铁是宇宙里最重要的元素之一。我们在一切天体上看到铁的光谱线，它在灼热星体的大气里发着光，我们也看见铁原子在太阳表面上疾驰着，铁原子每年还朝着我们的地球掉下来，这就是细微的宇宙尘以及铁陨石。在美国的亚利桑那州，在南非洲，在苏联的中通古斯卡河流域，都掉下过天生的大铁块，含有宇宙里最重要的金属。地球物理学家证实，整个地球中心都是夹杂着镍的铁，而我们的地壳就是铁外面蒙上的一层玻璃似的矿渣，就像鼓风炉炼铸铁的时候流出的矿渣一样。
可是工业上既取不到宇宙里天然的大铁块，也不能从地下深处开采出铁来——我们的生活和工作局限于薄薄的一层地面，我们的钢铁工业对于铁矿储藏量的估算也只能到地下几百米为止，因为目前的采矿业只能开采到这样的深度。
地球化学家也给我们揭开了铁的历史。他们说，地壳的本身就含有4.5%的铁。我们周围的所有金属，只有铝才比铁多。我们知道，铁含在最初凝结的岩浆里，这种岩浆凝结以后即是橄榄岩和玄武岩，它们埋在地下很深的地方，是最重和最初凝成的岩石（硅镁层）。
大家知道花岗岩（硅铝层）里含的铁不多，花岗岩呈白色、粉红色、绿色、这正表示铁在花岗岩里的含量较低，但是地球表面上由于复杂的化学反应，还是汇集了不少的铁矿石。一部分铁矿石在亚热带形成，那里热带的雨季和晴朗炎热的夏天互相交错着。那里还是能在水里溶解的物质都从岩石里被水冲走，而大量聚集起铁和铝的矿层。
我们知道，北部地区，像苏联的卡累里亚，每年春季涨大水，水里富含有机物质，把各种岩石里含的大量的铁冲到湖沼里，湖沼里有一种特殊的铁菌，铁菌作用的结果，铁就成豌豆粒那样大小或者更大的块，积淀下来……所以在湖沼里，在海水深处，在长期的地质年代中就形成了铁矿。勿庸置疑，动植物的生活对于铁矿的生成也是经常发生影响的。
刻赤大铁矿便是这样生成的；克列伏罗格和库尔斯克地磁异常区的大铁矿大概也是这样生成的。
克列伏罗格和库尔斯克的铁矿很早就由古代的海水沉积起来，这时候地底深处的热气还来得及改变它的构成。因此我们在那两处见到的铁矿，不是像刻赤那里的褐铁矿，而是变黑了的矿石——镜铁矿和磁铁矿。
铁的旅行不止于陆地的表面。虽然，海水里含铁很少，说海洋里几乎完全没有铁，也不算过分。但在特殊的、例外的情况下，在海洋里和浅水的海湾里也有铁的沉积物，也有大片的铁矿层，这类铁矿在古代的海洋沉积物里经常发现。苏联著名的乌克兰罗普尔、刻赤和阿雅特各地的铁矿都是这样形成的。而在陆地的表面上，——在河川湖沼里，随处都有铁在旅行，所以植物就可能经常找到这种重要的元素，植物假如没有这种元素就会活不下去。
如果一盆花得不到铁，那你就会看到，花就很快褪色，失去香味，叶子也发黄和枯萎起来。活细胞仗着生气勃勃的叶绿素才可发挥全部力量，它吸收二氧化碳里的碳而把氧气释放给空气，如果没有铁就不能有这样重要的叶绿素，因为铁是形成叶绿素的必要条件。
铁就是这样在地球上，在植物里，在生物体里完成它的旅行，而在人的血液里的红血球是这种金属的旅行的一个最后一站，如果没有铁，那就没有生命，更不用说和平劳动了。
制造红色烟火的金属——锶
谁都看见过艳丽的多色烟火或者鲜艳的信号火箭吧：美丽的红火花在空中慢慢熄灭，随后变成那么漂亮的绿色烟火！
很少人知道如何制造这种美丽的烟火，这种烟火叫做“孟加拉”烟火，这个名称是因印度得来的：佛教上举行仪式的时候，和尚在阴暗的寺院里突然放出神秘的惨绿色或者血红色烟火，为的是吓一吓到寺院里来拜佛的男女老少。
也许大家还不知道，这种烟火是用锶和钡两种金属的盐类制造的，锶和钡都属于碱土金属，以前在长时期里未想到把锶和钡区分开，后来才发现这两种金属的盐放在火上烧，一种发出浅黄绿色的光，另一种放出鲜红色的光。随后很快又研究出来如何制造这两种金属的挥发性盐类，把这些盐和氯酸钾、木炭、硫磺混合，把这混合物压成球状、柱状和锥状，就能够从枪口和烟火筒里发射出去。
在锶和钡的长期而复杂的旅行史上，这已经是最后几页了。如果我把锶和钡在地壳里的漫长旅行史详实地讲给你们听——从熔化的花岗岩和碱性的岩浆讲起，一直讲到这两种金属在制糖工业、国防工业、冶金工业和烟火工业上的用途为止，——大概你们会感觉枯燥乏味。
锶原子在宇宙史上是在什么地方生成的呢，是如何生成的呢？
为什么锶的光谱线在有些星体上特别光彩照人呢，锶的光谱线在太阳光线里有什么作用，它是从哪里来的呢？锶怎么会聚集在地壳表面上，如何会集合在熔化的花岗岩岩浆里，怎么又和钙一起聚集在白色的长石晶体里呢？
这一切问题摆在地球化学家面前，现在还没有得到回答。地球化学家解释这些问题，不可能像我刚才解释基斯洛沃德斯克附近的天青石蓝色晶体的历史那样清楚明白。同样，地球化学家对于锶原子历史的最后几页也是写不出来的。
过去在长时期里，人们对于锶从来没有注意过。有时候要造红色烟火才想到用它，可是也用不了多少，因此从地底下开采出来的锶盐还是不多。不久有一位化学家替锶在制糖业上找到了恰当的用途：他发现锶和糖能够生成特殊的化合物，叫做糖化锶，利用锶可以从糖蜜里分离出糖来，这个方法很可行。于是各国普遍地用起锶来，德国和英国锶的开采有了很大的规模。可是后来另外一位化学家发现，制糖业上也可以用比较便宜的钙来代替锶。用锶精制糖的方法不再需要了，从此大家又把锶丢在一边，锶矿也停工了，只有某些地方从其他矿物的废料里提取出锶盐来制造红色烟火。
可是1914～1917年的第一次世界大战爆发了，信号弹的用量突然猛增起来。为了高空照明，为了航空测量，都一定要用到会透过烟雾的红色烟火不可，探照灯上的碳棒也要用稀土和锶的盐类浸渍过。
于是锶又找到了新的用途。
后来冶金学家研究出提取金属锶的方法。锶和钙、钡两种金属一样，可以用来除去钢铁里无用的气体和杂质。
于是黑色冶金工业上就用起锶来。化学家、冶金技术家和生产部门再次注意到锶；现在，当我讲天青石这种蓝色矿石的故事的时候，地球化学家正在努力寻找天青石的矿床，研究锶怎样聚集在中亚细亚的山洞里，大工厂也在制取锶的盐类，想方设法把锶的盐类从矿水里提出来，——总之，锶又成了工业上和农业上需要的元素了。
制造罐头的金属——锡
锡是很普通的金属，好像一点也不出名。尽管我们常用，然而我们在日常生活上很少提到它。
这种金属替人类服务，却并不用它自己的名称。青铜、马口铁、焊镴、巴弼合金、活字合金、炮铜、镴箔、“意大利”粉、漂亮的搪瓷、颜料等等——这些物品花样繁多，都很有用，然而许多人根本不知道，这些物品的最重要成分都是锡。
这种金属的性质很奇妙，十分特别，有几点性质到现在还搞不清是什么缘故，在地球化学上还没有得到详尽的解释。
锡的源头是地底下升上来的花岗岩岩浆，这种岩浆里含有大量的硅石，就是一般所说的“酸性”岩浆。当然并不是一切酸性岩浆里都有锡，所以我们到今天还不清楚，锡跟花岗岩的关系受着什么规律的束缚，为什么有些花岗岩里有锡，而另一些看来是一模一样的花岗岩里却没有锡。
还有一个有趣的问题：锡是重金属，但是甭看它重，它却不像其他许多种重金属那样沉在岩浆的底部，而是浮在岩浆的面上，因而它总是留在花岗岩体的最上层，这是为什么呢？
原因是这样的：岩浆里熔解着多种的蒸气和气体，这些气态物质很容易飞散，当中起着很大的作用的是卤素——氯和氟。我们根据实验知道，锡跟这两种气体即使在室温下也能化合。在岩浆里，锡跟氯和氟反应生成了极容易挥发的化合物——锡的氟化物和氯化物。正是由于当时锡是在气体状态的化合物里，所以它能够跟硅、钠、锂、铍、硼等等元素的挥发性化合物一起向上踏出一条路，一直跑到在凝固着的花岗岩体的表层，甚至会跑出花岗岩的范围，钻到花岗岩上面其他种岩石的裂缝里去。
到了花岗岩的上面以后，由于物理化学条件有所改变，锡的氟化物和氯化物便跟水蒸气进行反应。于是锡就离开了把它带上来的氟和氯而跟水里的氧化合在一起，如此的生成物已经不是气态的物质，而是有光泽的固体矿物——锡石，这就是工业上提炼锡的主要矿石。在生成锡石的同时，有时候还生成许多其他的重要的矿物，如黄玉、烟晶、绿柱石、萤石、电气石、黑钨矿、辉钼矿等。
花岗岩岩浆里挥发性的卤化物可以生成很大的锡石矿床，但在不久以前我们知道，这并不是锡石矿床的惟一成因。这些挥发性化合物升到花岗岩的面上以后又经过一段时期，也就是在最后一部分花岗岩岩浆凝固的时候，也能够生成锡石。在那个时候，岩浆里的水蒸气都冷凝成了液态的水，把好多种金属的化合物——主要是硫化物——都从岩浆发源地引了出来，带到很远的地方去。这种作用过程中有许多点我们到现在还不很清楚。但是我们知道，岩浆里的锡也可以像这样随着硫一起出来。值得注意的是，这里硫的作用也仅仅是把锡携带出来；锡一出来，就像前面抛开了卤素那样把硫抛掉，却跟氧进行化合，这样生成的仍然是它自己最乐意生成的那种矿物——锡石。
我们知道，还有好多种矿物也都含锡，但是所有这些矿物都十分少见，有几种更是特别稀少，因此它们在工业上的价值是根本谈不到的。以前也罢，现在也罢，锡石始终是提炼锡的惟一的矿石，它的成分是SnO2，纯净的锡石里面大约含锡78.5%。
锡石多数是黑色的或黄褐色的矿物。如果是黑色的，那就是因为它含有铁和锰等杂质。偶然也有蜜黄色或红色的锡石，至于无色的就十分稀少。通常锡石的晶体非常小，由于锡石的硬度大，化学性质稳定，比重也大，所以它在花岗岩风化的时候不易被破坏，也不被分散，而是跟其他重的矿物一起聚集在花岗岩被破坏的地方，在河床里或海岸上，有时候还形成含量丰富的冲积矿床。
因此锡石主要不是从它的“原生矿床”里，而是从它的“次生矿床”——冲积矿床里开采出来的。
锡石开采出来以后，开始都要进行选矿，也就是去掉它所含的多种杂质，然后才进行熔炼。这就是利用燃料里的碳把锡还原出来。锡石里的氧跟碳化合变成二氧化碳溜掉，剩下的就是金属锡。
从锡石里提炼出来的纯净的锡是柔韧的银白色（比银的光泽稍稍暗些）金属，有延展性。锡可以制成极薄的薄片，这一点是很特别的，锡的熔点是231℃。
锡还有许多独特的性质。大家知道锡会“喊叫”，就是说把它弯曲的时候能够发出特有的响声。另外还有一个奇异的性质，它对寒冷的感觉非常灵敏，这个特点是决不能忽视的。锡一受冷就会“生病”。这时候它就由银白色慢慢变成灰色，体积逐渐增大，同时开始破裂，而且常常碎成粉末。锡的这种病很严重，就是所谓“锡疫”。许多很有艺术价值和历史价值的锡器，都因为得了这种“病”而损毁掉。有病的锡还会把这种病传染给没有病的锡。幸亏“锡疫”是可以治疗的。就是把有病的锡再熔化一次，然后使它缓慢地冷却。如果这一操作（主要是冷却过程）做得十分仔细，那么锡就能恢复原形，恢复它原来的性质。
在远古时代，正是锡有力地推动了人类文化的进步。人在很久以前就认识了锡。人学会用锡比利用铁早得多：在公元前五六千年的时候人还不会熔炼铁，可是已经会熔炼锡了。
纯净的锡是柔软而又不结实的金属，不利于制造用品，但是在铜里面掺上10%的锡，便制成一种金黄色的合金——“青铜”，它的质地优质：比纯净的铜硬，极容易浇铸、煅打和加工。如果我们把锡的硬度定做5，那么铜的硬度就是30，而铜跟少量的锡炼成的合金——青铜的硬度是100～150.青铜的这些性质使人类有过一个时期广泛地应用它，考古学家甚至特别划出了一个历史时代，叫做青铜器时代，那时候所使用的劳动工具、武器、生活用品和装饰品大都是用青铜造的。当时人们是怎样发现这种不错的合金的，这一点我们现在还不知道。可以假定，当时人们不断地熔化混有锡的铜矿石（我们现在也可以找到铜和锡的这种“复合”的矿石），最后终于关注到了铜和锡的混熔的结果，这样就懂得了这种合金的用途。
古代提纯金属的方法很粗糙，利用现代精密的分析方法，可以把古代金属里所含的许多种微量的杂质（元素）逐个检查出来。知道了它里面含的杂质，有时候就可以推测出来，古代人是在什么样的矿里开采出铜和锡来制这件器皿的。假如历史学家或考古学家能够考证说明，某一件青铜器就是在它出土的地方制得的，那么地质学家和地球化学家就应该马上在这个地区里勘探锡矿。这样就很可能很快找到早已被人遗忘了的锡矿。
锡跟铅、锑等等金属也都能生成质地优良的合金。
合金是现代技术上的奇葩，是起着“魔术”变化的世界。两种或者多种金属熔化在一起的时候，这些金属的原子就改变搭配的方式而产生种种“奇迹”，前苏联科学家早已研究并且解释了这些现象。由于合金内部的分子结构有了变化，合金的性质就和它所含的任何一种金属的性质都不同。例如，由柔软的金属熔成的合金的硬度，常常是大出人意料。
锡跟铅的合金叫做巴弼合金，在巨大的、精密的仪器和机床里面，如果有钢轴转动得非常快，为了防止它出问题，就要用到巴弼合金。所以这种合金又称做“减摩合金”，因为它非常不容易磨损（拿术语来说，就是摩擦系数很低）。它在技术上的意义是极大的：它可以大大地延长贵重机器的使用年限。
锡可以“焊接”别种金属，这个性质也很重要；我们技术上应用的所谓“焊镴”——锡跟铅和锑的合金，即利用锡的这个性质的。
锡在印刷业上的用途或许还不是每个人都了解的。锡是所谓“活字合金”里的主要成分，利用活宇合金能够浇成铅字，浇成“铅版”。
白色的氧化锡粉末通常叫做“意大利粉”，用它来修磨白色的和多色的漂亮的大理石，就能把大理石的表面磨得像镜面一样光亮，这是用任何别的物质所办不到的。
锡的很多种的化合物都广泛地用在化学工业上和橡胶工业上，用在印花布工业上，用在毛和丝的染色上，还可用来制造搪瓷、釉药、有色玻璃、金箔和银箔；至于锡在军事工业上的极其重大的意义，那更不必说了。
