本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點。
化學元素——自然界中存在的原子種類，甚至一些人造原子——是無盡的魅力之源。但關於它們的一些東西對大多數人來說仍然是神秘的，甚至可能對許多化學家來說也是如此。
在閱讀關於這個主題的兩本精彩書籍時——薩姆·基恩的《消失的勺子》和休·奧爾德西-威廉姆斯的《週期表的故事》——我藉此機會提醒自己注意這個難題，當時我正在為 ScientificAmerican.com 的互動元素週期表撰寫文字進行研究。
元素週期表將元素整齊地排列成列。共享一列的元素應該具有（大致）相似的化學性質。大多數熟悉這張表並每天使用它的人——包括幾乎所有化學家、生物化學家、材料科學家和許多工程師——幾乎不會去想它，但這張表的預測是自然界中最奇怪的事實之一。支配我們眼前大多數現象的規律——從細胞代謝到筆記型電腦的電池——都由元素的化學性質決定，但我們很少意識到潛在的力量有多麼奇特和奇妙。
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週期表列的意義在最左列的元素中最為明顯，稱為鹼金屬（包括鋰、鈉和鉀），以及從右邊數第二列的元素，稱為鹵素（氟、氯及其同類）。這兩個族群包含所有元素中最具反應活性的元素。像氟這樣的鹵素原子具有從其他原子剝離電子的極端傾向，而鹼金屬原子同樣具有釋放電子的強烈傾向。因此，將鹵素和鹼金屬混合，您將得到一個完美的一對一匹配——一種鹽，如氯化鉀或氯化鈉，又名食鹽。
更一般地說，趨勢是從週期表上從左向右移動時，從電子供體到電子受體的漸進過渡。這種梯度透過稱為電負性的性質進行定量測量，電負性（總的來說）從左向右增加。但是，一旦到達右邊的最後一列，您就重置了刻度盤。該族群的元素是惰性氣體，實際上是不活潑的。
每位科學家都會告訴您，構成每一列的化學物質族群具有或多或少可預測行為的原因——換句話說，存在元素週期表的原因——是所有元素都暗自“想要成為惰性氣體”。在像氖（元素 10）這樣的惰性氣體原子中，電子圍繞原子核的軌道整齊對稱地排列，就像花瓣一樣。另一方面，鹵素氟（9）比氖少一個電子，其軌道排列是傾斜的。它非常“想要”額外的電子，以使排列對稱和快樂。與此同時，對於鹼金屬鈉（11）來說，變得像氖最簡單的方法是失去一個電子。
不言而喻，這種關於原子未實現的電子慾望的敘述並非實際的科學解釋。元素週期表的典型使用者不需要深入研究：真正的理由很久以前就弄清楚了，答案現在埋藏在一些困難的量子物理學教科書中。但如果我們停下來思考一下，我們就會意識到這是一個多麼令人震驚的奇異現象。
以氧氣為例。腐蝕性的——生鏽、失去光澤，嗯，氧化的——卓越的化學物質，氧氣發生反應是因為它“想要”將其外部電子軌道的花束完整到八個，從而模仿氖的寧靜插花。如果其中一些軌道也必須圍繞其他原子飛行，這幾乎無關緊要：例如，透過與兩個氫原子共享其一些電子，氧氣可以形成水分子。只要外層軌道在其原子核周圍形成完整的八隅體，化學涅槃就指日可待。
但這就是為什麼這如此奇怪。如果您孤立地取一個氧原子並向其提供一個電子，它將捕獲它並變成氧離子 O-。現在想象一下，一個額外的電子飛過。電子和氧離子這兩個物體都帶負電，因此它們應該相互排斥。然而，氧氣非常渴望第二個電子，以至於它會抓住它並變成雙電離離子 O--。氧氣的反應性非常強，以至於它將戰勝靜電（或庫侖）斥力，這是一種強度眾所周知的力。（我承認，我所描述的設定非常抽象，因為電子和氧氣實際上沒有機會在真空中相互作用，並且可能產生的離子不穩定，但請耐心聽我說。）
我們經常聽說，自然界中發生的一切——可能除了暗能量（其起源仍然完全是個謎）之外——都是四種基本力之一的結果：引力、弱核力和強核力以及電磁力。化學反應和物質狀態的形成，如準晶體或人，完全受電磁力支配。但電磁相互作用是多種多樣的和複雜的，靜電力只是其中的一種特殊情況。化學反應是電磁的，但大多數時候它們是違背而不是遵循靜電力的。
例如，為電池供電的機制與我們稱之為化學的電磁相互作用息息相關；但與我們通常認為的相反，電子並非因為靜電而從負極移動到正極。並非負極有多餘的電子——負電荷——而正極缺少電子。電池中的兩個電極都是電中性的。
真正為電池供電的是其電極材料之間電負性的差異。以伏打電堆為例，這是歷史上第一個電池，由亞歷山德羅·伏打在 1800 年左右發明。電堆的負極由鋅（30）製成，正極由銅（29）製成。銅的電負性略高於鋅*。
因此，如果您將這兩種金屬彼此相鄰放置（或者如果您用電線將它們連線起來），一些電子將從鋅移動到銅。
我們說銅是正極，鋅是負極，但實際上，電子的轉移將違背靜電力，而不是遵循靜電力：正極銅將因額外的電子而帶負電，而負極鋅將以犧牲負極鋅為代價而帶正電！
鑑於這種情況，僅連線兩種由具有不同電負性的原子組成的材料（對於材料而言，相應的術語是電化學勢）不會在能量方面產生太多輸出。積聚在正極上的負電荷會很快變得太強，它們會排斥更多的電子；與此同時，負極會因失去電子而迅速帶正電，因此它會透過靜電吸引力更牢固地抓住剩餘的電子。電子的轉移將很快停止。
這就是為什麼電池不僅僅由兩個電極製成，而是包含電解質的原因。電解質允許離子從電池的負極轉移到正極。由於正極傾向於從電子中積累負電荷，因此它也傾向於吸引正離子。因此，離子使兩側的電荷保持中性，並允許電子繼續轉移——至少在一段時間內是這樣。
當轉移的離子過多時，電池的效能開始下降。最終，所有可以移動的離子都已移動，電池放電。如果您的電池是可充電的，您可以對其電極施加電勢，以將電子移回負極，離子也會隨之移動。
那麼，是什麼神秘的量子物理學支配著電子軌道的花狀排列呢？恐怕這將是另一篇文章的主題。
(*) 注：細心的讀者會注意到，銅實際上在元素週期表中位於鋅的左側。然而，銅是兩種金屬中電負性更高的金屬。電負性從左向右增加的規則確實有一些例外。
在準備這篇文章時，我受益於與 Piotr Zelenay 的對話。