由空气变粮食趣聊元素周期表

陈厚全

在世界上首次实现空气变淀粉的中国科学院马延和科研团队

2021年9月24日，国际著名杂志《科学》，刊发中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得的重大突破性进展。在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

淀粉是粮食最主要的成分，也是重要的工业原料。二氧化碳转化利用与粮食淀粉工业合成项目第一负责人，天津工业生物所所长、研究员马延和与其研究团队，采用了一种类似“搭积木”的方式，联合大连化学物理研究所，利用化学催化剂，将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下，还原成碳一化合物，然后通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理，将碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六化合物，再进一步合成直链和支链淀粉。

这一人工途径的淀粉合成速率，是玉米淀粉合成速率的8.5倍！马延和按照目前的技术参数推算，理论上1立方米大小的生物反应器年产量，相当于我国5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。

国内外领域专家评价认为，该成果是“典型的0到1原创性突破”，“是一项具有‘顶天立地’重大意义的科研成果”；“对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义”；“将给下一代生物制造和农业生产带来变革性影响”。

接着，中国科学家团队再次惊爆世人眼球。

今年4月28日，国际学术期刊《自然·催化》发表封面文章，中国科技大学教授曾杰、电子科技大学教授夏川、中国科学院研究员于涛等的联合科研团队，再次实现二氧化碳“变废为宝”，他们通过电催化结合生物合成的方式，成功将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸，进一步利用微生物，可以合成葡萄糖和油脂。

对此，人们纷纷惊叹：“造福人类的技术”。“距离喝西北风吃饱饭的日子，越来越近了”，“未来可能实现吃空气了”…… ……

但是，在掌握了中学化学基础知识的人们看来，让世人神奇的“空气变粮食”，却没有什么神秘。

在化学家的眼里，世界上所有物质都是由化学元素构成，分两大类——无机化合物，有机化合物。两者间的一个基本区别，就是是否含有碳元素。但也不是绝对，如二氧化碳、水分子，就不属于有机化合物范畴。

而地球上的一切生命体（动物、植物、真菌类），都是碳基生命体，属于有机化合物范畴。

有机化学，是研究含碳元素的化学，研究它们的结构、组成、性质、变化、合成的科学。

有机化合物有其内在的联系和特性。

位于元素周期表当中的碳元素，一般是通过与别的元素的原子共用外层电子而达到稳定的电子构型的（即形成共价键）。这种共价键的结合方式，决定了有机化合物的特性。

在含多个碳原子的有机化合物分子中，碳原子互相结合形成分子的骨架，别的元素的原子就连接在该骨架上。在元素周期表中，没有一种别的元素，能像碳那样以多种方式彼此牢固地结合。由碳原子形成的分子骨架有多种形式，有直链、支链、环状等。

这其中要注意的，生命体一定是含碳元素的有机化合物，而反过来，含有碳元素的分子不一定是生命体，甚至不一定是有机化合物。

总之，用最精炼的一句话概括，有机化学的研究对象，就是“如何形成碳碳键”。有机化学是碳的化学，有机化学的内容，说白了，就是研究怎么搭建碳原子的大厦（或者小厦）。

二氧化碳变淀粉，二氧化碳变酒精、葡萄糖和油脂，其实就是用碳原子搭建新的大厦。

由是我想聊聊大家都熟悉的元素周期表，其中有一些趣味的规律。

1869年，俄国化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫发现了元素周期表。这是化学领域至今最重要的贡献之一。

随着化学领域的发展，新元素不断被发现，元素周期表不断壮大，居里夫人、莱蒙托娃、奥托·哈恩等，都对周期表作出伟大贡献。

如今，元素周期表基本定型，如下：

有7个周期，16个族。

每一个横行叫作一个周期，每一个纵列叫作一个族。

7个周期又可分成短周期（1、2、3）、长周期（4、5、6、7）。

16个族，又分为7个主族（ⅠA-ⅦA），7个副族（ⅠB-ⅦB），一个第ⅧB族，一个零族。

元素在周期表中的位置不仅反映了元素的原子结构，也显示了元素性质的递变规律和元素之间的内在联系。

同一周期内，从左到右，元素核外电子层数相同，最外层电子数依次递增，原子半径递减（零族元素除外）。失电子能力逐渐减弱，获电子能力逐渐增强，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。元素的最高正氧化数从左到右递增（没有正价的除外），最低负氧化数从左到右递增（第一周期除外，第二周期的Ｏ、Ｆ元素除外）。

同一族中，由上而下，最外层电子数相同，核外电子层数逐渐增多，原子序数递增，元素金属性递增，非金属性递减。

元素周期表的意义重大，科学家正是用此来寻找新型元素及化合物。从质子数为1的氢元素开始，元素随着原子序数的增加，呈现出化学性质和物理性质周期性的变化规律，这就是元素周期律。

发现了钋和镭元素的居里夫人

元素的命名五花八门。

首先，与地名相关。如：

镁——Mg-Magnesium，转译为“美格里西亚”，为一希腊城市；

钪——Sc-Scandium，转译为“斯堪迪纳维亚”，为一希腊城市；

锶——Sr-Strontium，转译为“思特朗提安”，为苏格兰地名；

镓——Ga-Gallium，转译为“家里亚”，为法国古称；

铪——Hf-Hafnium，转译为“哈夫尼亚”，为哥本哈根古称；

铼——Re-Rhenium，转译为“莱茵”，欧洲著名的河流；

镅——Am-Americium，转译为“美洲”；

钫——Fr-Francium，转译为“法兰西”；

锎——Cf-Californium，转译为“加利福利亚”，美国州名；

锗——Ge-Germanium，转译为“德国”；

铕——Eu-Europium，转译为“欧洲”。

其次，很多元素与人名相关。如：

钐——Sm-Samarium，转译为“杉马尔斯基”，俄国矿物学家；

镄——Fm-Fremium，转译为“费米”，美国物理学家；

钔——Md-Mendelevium，转译为“门捷列夫”；

锘——No-Nobelium，转译为“诺贝尔”，设立了世界最著名的奖项；

铹——Lr-Lawrencium，转译为“劳伦斯”，回旋加速器的发明人；

锔——Cm-Curium，转译为“居里”，纪念居里夫妇；

锿——Es-Einsteinium，转译为“爱因斯坦”，最著名的科学家；

𬬭—— Rg -Roentgenium，转译为“伦琴”，即居里夫人。

再次，很多元素与神名相关：

钒——V-Vandium，转译为“凡娜迪丝”，希腊神话中的女神；

钷——Pm-Promethium，转译为“普罗米修斯”，即希腊神话中那位偷火种的英雄；

钍——Th-Thorium，转译为“杜尔”，北欧传说中的雷神；

钽——Ta-Tantalum，转译为“旦塔勒斯”，希腊神话中的英雄；

铌——Nb-Niobium，转译为“尼奥婢”，即旦塔勒斯的女儿；

钯——Pd-Palladium转译为“巴拉斯”，希腊神话中的智慧女神。

第四，很多元素与星宿、天体相关：

碲——Te-Tellurium，转译为“地球”；

硒——Se-Selenium，转译为“月亮”；

氦——He-Helium，转译为“太阳”；

铈——Ce-Cerium，转译为“谷神星”；

铀——U-Uranium，转译为“天王星”；

镎——Np-Neptunium，转译为“海王星”；

钚——Pu-Plutonium，转译为“冥王星”。

第五，根据元素的特征命名：

金——Au-Gold，转译为“灿烂”；

银——Ag-Silver，转译为“明亮”；

锡——Sn-Tin，转译为“坚硬’；

硫——S-Sulfur，转译为“鲜黄色”；

硼——B-Boron，转译为“焊剂”；

铬——Cr-Chromium，转译为“颜色”；

铋——Bi-Bismuth，转译为“白色物质”；

磷——P-Phosphorous，转译为“发光物”；

铷——Rb-Strontium，转译为“暗红”；

铯——Cs-Cesium，转译为“天兰”；

锌——Zn-Zinc，转译为“白色薄层”；

镭——Ra-Radium，转译为“射线”；

碘——I-Iodine，转译为“紫色”；

氢——H-Hydrogen，转译为“水之源”；

氧——O-Oxygen，转译为“酸之源”；

钾——K-Potassium转译为“海草灰中的一种碱性物质”；

硅——Si-Silicon转译为“石头”。

等等。

希腊神话里的盗火的普罗米修斯也被用作化学元素命名

元素周期表的中文命名，也有很多规律。

如:常温下的气态元素，都用“气”字头表示；

液态元素，“溴”用了“氵”旁，“汞”也有“水”；

固态元素，大多数为金属元素的用“钅”旁表示（包括金），非金属元素用“石”字旁表示。

还有个趣事，元素周期表的中文命名，居然和明朝开国皇帝朱元璋扯上段渊源。

据历史记载，朱元璋很有原则，曾对后世子孙的名字做过一个规定：朱家子孙必须取双名，而且上字要完全按照自己给出的二十字进行传承。因此，朱元璋给每一个儿子都编了二十字的传承顺序，比如，

朱标一脉就是：“允文遵祖训，钦武大君胜，顺道宜逢，师良善用晟”；

朱棣一脉就是：“高瞻祁见祐，厚载翊常由，慈和怡伯仲，简靖迪先猷”。

之后，他还将其写入《皇明祖训》，告诫子孙后代必须严格遵守组训。

随着儿孙的增多，朱元璋又按照木火土金水的五行顺序取名，即后世子孙的名字的第三个字必须按照顺序带有五行偏旁，如儿子这一代是木字旁，那么孙子这一代就是火字旁，重孙子这一代就是土字旁，以此类推，循环往复。

朱元璋一生儿孙无数，纵使才华横溢，取名也终于取到了词穷的地步，后来就开始造字！如朱公锡、朱慎镭、朱同铬、朱同铌、朱效钛、朱弥镉。

等等。

后来，清朝著名科学家徐寿，将元素周期表引进并翻译成汉字，使用的也是音译法，恰好和朱元璋后代的所造名字相撞。

明朝开国皇帝朱元璋

元素周期表的各类元素的中文名称读音，基本可用撇开部首，读半边字的办法。如下:

1氢(qīng)，2氦(hài)，3锂(lǐ)，4铍(pí)，5硼(péng)，6碳(tàn)，7氮(dàn)，8氧(yǎng)，9氟(fú)，10氖(nǎi)；

11钠(nà)，12镁(měi)，13铝(lǚ)，14硅(guī)，15磷(lín)，16硫(liú)，17氯(lǜ)，18氩(yà)；

19钾(jiǎ)，20钙(gài)，21钪(kàng)，22钛(tài)，23钒(fán)，24铬(gè)，25锰(měng)，26铁(tiě)，27钴(gǔ)，28镍(niè)，29铜(tóng)，30锌(xīn)，31镓(jiā)，32锗(zhě)；

33砷(shēn)，34硒(xī)，35溴(xiù)，36氪(kè)；

37铷(rú)，38锶(sī)，39钇(yǐ)，40锆(gào)，41铌(ní)，42钼(mù)，43锝(dé)，44钌(liǎo)，45铑(lǎo)，46钯(bǎ)，47银(yín)，48镉(gé)，49铟(yīn)，50锡(xī)；

51锑(tī)，52碲(dì)，53碘(diǎn)，54氙(xiān)，55铯(sè)，56钡(bèi)，57镧(lán)，58铈(shì)，59镨(pǔ)，60钕(nǚ)，61钷(pǒ)，62钐(shān)，63铕(yǒu)，64钆(gá)，65铽(tè)，66镝(dī)，67钬(huǒ)，68铒(ěr)，69铥(diū)，70镱(yì)；

71镥(lǔ)，72铪(hā)，73钽(tǎn)，74钨(wū)，75铼(lái)，76锇(é)，77铱(yī)，78铂(bó)，79金(jīn)，80汞(gǒng)，81铊(tā)，82铅(qiān)，83铋(bì)，84钋(pō)，85砹(ài)，86氡(dōng)，87钫(fāng)，88镭(léi)，89锕(ā)，90钍(tǔ)；

91镤(pú)，92铀(yóu)，93镎(ná)，94钚(bù)，95镅(méi)，96锔(jú)，97锫(péi)，98锎(kāi)，99锿(āi)，100镄(fèi)，101钔(mén)，102锘(nuò)，103铹(láo)，104钅卢(lú)，105钅杜(dù)，106钅喜(xǐ)，107钅波(bō)，108钅黑(hēi)，109钅麦(mài)，110钅达(dá)，111钅仑(lún)，112钅哥(gē)，113钅尔(nǐ)，114鈇(fū)，115镆(mò)，116鉝(lì)，117石 田(tián)，118 气 奥(ào) 。