講個老笑話，一天早上，一個實驗助理闖進了科學家的辦公室，雖然連續工作了一個通宵，他卻非常興奮。助手舉起一個用木塞塞住的瓶子，裡面的綠色液體冒著氣泡，噝噝作響，他大聲宣布自己發現了一種萬能溶劑。樂觀的上司瞥了瓶子一眼，問道:「什麼是萬能溶劑?」助手忙說:「這種酸可以溶解一切物質!」
面對這個爆炸性新聞，科學家思考了一下——萬能溶劑可不光是個科學奇蹟，還能讓他們倆都發大財——然後回答說:「那你是怎麼用玻璃瓶把它裝起來的?」
這個回答妙不可言，簡直可以想像得出吉爾伯特·劉易斯14當時的笑容，表情說不定很諷刺。電子主宰著元素周期表，電子如何行動，原子之間如何形成連接，這方面的研究工作劉易斯做得最多。他在電子方面的著作側重於酸和基，所以他大概能體會到這個說法的荒謬之處。就劉易斯個人而言，這句妙語說不定還會讓他再次想起，科學界的榮耀是多麼反覆無常。
劉易斯在內布拉斯加州長大，一生都在四處流浪。1900年左右，他在麻薩諸塞州進入大學，並在這裡完成了研究生學業，然後他來到德國，師從化學家瓦爾特·能斯特15。在能斯特手下的日子可不好過，至少檯面上的原因是這個。幾個月後，劉易斯返回麻薩諸塞州，接受了大學裡的一個職位。不過這段經歷也不愉快，後來他又溜到了美國剛剛拿下的菲律賓，為美國政府工作，隨身帶著的只有一本書——能斯特的《理論化學》，所以接下來的很多年裡，他有好多時間可以對這本書尋根究底，寫論文吹毛求疵。
後來，劉易斯終於想家了，他回到美國本土，在加州大學伯克利分校紮下根來。在這裡，他花了40多年時間，創建了世界一流的伯克利化學學院。聽起來像是個美好的結局吧?可是故事還沒完。關於劉易斯，有一件怪事兒:他大概是沒拿過諾貝爾獎的科學家裡面最棒的一位，而且他自己也知道這一點。他得到提名的次數比誰都多，可是他對這個獎項的渴求太過赤裸，而且他爭強好辯，樹敵太多，這讓他失去了獲得足夠選票的機會。不久後，他在抗議聲中辭去了(或者被迫辭去了)頗富聲望的職位，痛苦地退隱幕後。
除去個人原因之外，劉易斯沒能抓牢諾貝爾獎，還因為他的研究工作廣度大於深度。他從來沒有過什麼驚天動地的大發現——那種你能為之驚呼的東西。與此相反，他畢生都在研究原子中的電子在不同環境中如何活動，尤其是在酸與基的分子層面上。總的來說，原子交換電子來形成或破壞連接，化學家將這個過程稱為「反應」。酸基反應直觀而純粹地體現了這種交換，而且通常比較劇烈，劉易斯與其他人在這方面的研究工作展示了在亞微觀層面上，電子的交換到底有何意味。
大約1890年之前，科學家們判斷酸和基的辦法是靠舌頭嘗或是把手指伸到裡面蘸一下，這種方法當然不夠安全，也不夠可靠。接下來幾十年中，科學家們意識到，酸在本質上是質子提供者。許多酸都含有氫，這種簡單的元素由一個質子和一個繞著它轉動的電子構成(每個氫原子都含有一個質子，這是它的原子核)。當酸(如鹽酸，HCl)與水混合，就會離解成正離子H+和負離子Cl-。氫中的負電子被移除了，只剩下光禿禿的質子H+獨自沉浮。醋酸之類的弱酸在溶劑中只會釋放出一小部分質子，而硫酸之類的強酸釋放出的質子則如洪水般洶湧。
劉易斯認為，酸的這種定義過多地限制了科學家，因為某些物質不含氫，卻同樣表現出與酸相似的性質。所以劉易斯改變了這種模式，他不強調釋放出來的H+離子，而是強調帶走了電子的Cl-離子。如此一來，酸就不再是質子提供者，而是電子剝奪者。與此相對應，性質與酸相反的粒子基，如漂白劑和鹼基，則可以稱為電子提供者。這樣的定義更具普適性，而且強調了電子的行為，更適合以電子為中心的元素周期表。
雖然劉易斯早在20世紀二三十年代就提出了這種理論，但迄今科學家們還在利用這一理念，盡力嘗試酸能夠達到的強度極限。酸的強度用pH值來衡量，pH值越低的酸越強。2005年，一位來自紐西蘭的化學家發明了一種基於硼的酸，叫作碳硼烷，pH值為-18。說得直觀一點，水的pH值是7，我們胃裡的濃鹽酸pH值是1，但根據pH值系統獨特的計算方法，pH值每降低1(比如從4降到3)，酸的強度提高10倍。那麼，從胃酸的pH值1到碳硼烷的pH值-18，意味著後者的強度是前者的1019倍。這個數是什麼意思呢?如果把1019個原子放到一起，大概可以從地球一直堆到月球。
還有更強的酸，它是以銻為基礎的，銻大概是元素周期表上歷史最豐富多彩的元素了。尼布甲尼撒二世，就是公元前6世紀建造了巴比倫空中花園的那位國王，他曾使用一種有毒的銻鉛混合物把自己宮殿的牆壁漆成黃色。也許並非巧合，不久後他就瘋了，在野地裡露天而臥，還像牛一樣啃草吃。大約同一時期，埃及的婦女也把另一種含有銻的物質當成睫毛膏用，這東西不僅是化妝品，還能賦予她們巫術的力量，對敵人施放「巫眼」。後來，中世紀的僧侶——我是不會告訴你還有艾薩克·牛頓的——迷上了銻的性別特質，他們認為這種半金屬半絕緣、二者皆非的物質是雌雄同體的。銻片也是著名的瀉藥，和現在的藥片不同，當時的硬銻片不會在腸道中溶解，而且它很昂貴，人們甚至會從排洩物中把銻片扒拉出來，好回收再利用。有的家族比較走運，他們的銻片甚至成了父子相傳的寶貝。也許正是出於這一原因，銻成了一種重要的藥物，儘管它實際上是有毒的。莫扎特的死因可能就是在發高燒時服用了過多的銻。
最終，科學家們對銻有了較深的把握。20世紀70年代，他們認識到，銻能夠將渴求電子的元素聚集在一起，所以它是制酸的理想材料。根據這一理論，最終得出了像超流體氦一樣震驚世界的成果。將五氟化銻(SbF5)和氫氟酸(HF)混合起來，科學家們制出了一種pH值為-31的物質。這種超強酸比胃酸強1032倍，它能夠腐蝕玻璃，就像水浸透紙張一樣輕而易舉。你不可能把它裝在瓶子裡帶走，因為它會溶解瓶壁，然後把你的手也溶解掉。那麼，回答一下笑話裡教授提出的問題，這種超強酸採用內襯特氟龍的特製容器盛放。
不過，實話實說，把這種含銻混合物稱為世界上最強的酸，其實是在撒謊。分開來看，SbF5(電子剝奪者)和HF(質子提供者)自己的手段就夠齷齪了。要得到前面講的超強酸，你必須在它們的酸性變得過強之前把二者混合起來，讓它們互補的力量融合到一起，所以說，只有在特定條件下，二者形成的混合物才能達到最強的酸度。事實上，最強的單組分酸仍是碳硼烷(HCB11Cl11)。而且，這種含硼的酸還有一個奇妙的特質:它既是世界上最強的酸，又是最溫和的酸。要想明白其中的原因，首先你得記住，酸會離解成分別帶正負電荷的粒子。碳硼烷離解時，會生成H+和CBCl-(它的結構像是個精密的籠子)。大多數酸中帶負電荷的那部分腐蝕性都很強，足以燒傷皮膚，不過我們這個硼籠子形成的結構是有史以來最穩定的分子之一。在這個結構內，硼原子慷慨地貢獻出自己的電子，性質變得和氦差不多，它不會像其他酸一樣屠殺似的從別的原子那兒搶奪電子。
那麼，碳硼烷既不會腐蝕玻璃瓶，又不能拿來燒穿銀行金庫，那它到底有什麼用處?它可以用來提高汽油中的辛烷含量，也能用於生產易消化的維生素，更重要的是，它能用作化學「搖籃」。許多與質子有關的化學反應並不是乾淨利落的交換，而是需要許多步驟，可是質子穿梭常常只需要兆億分之一秒——這實在是太快了，科學家根本沒法搞清楚到底發生了什麼。碳硼烷大顯身手的時刻到了，它非常穩定，不易與其他物質反應，所以它能夠為反應提供大量質子，然後把分子凍結在關鍵的節點上，碳硼烷為反應中間產物提供了一個柔軟又安全的枕頭。與此相對，要是用超強銻酸來做搖籃，後果就很糟糕了，它會把科學家最想觀察的分子撕得粉碎。如果劉易斯能夠看到以他的理論為基礎的關於電子和酸的研究工作，一定會感到高興，也許這些能夠照亮他黑暗的晚年生活。雖然劉易斯在第一次世界大戰期間曾為政府服務，也曾在化學界做出卓越貢獻，辛勤工作直到60多歲，可是在第二次世界大戰期間，他仍未被列入曼哈頓計劃的名單。這件事讓他深受打擊，因為許多他親手招募進伯克利的化學家都名列其中，他們在世界上第一顆原子彈的研製中扮演了重要的角色，成了這個國家的英雄。而劉易斯自己在整個大戰期間卻無所事事，只寫了一本回憶錄式的軍旅生涯地攤小說。1946年，劉易斯在自己的實驗室裡孤獨地去世了。
對於他的死因，外界普遍認為是心臟病，因為40多年來，他每天都要抽20支左右的雪茄。不過有一點很難忽視:他去世的那天下午，實驗室裡滿溢著苦杏仁味——這是氰化物的標誌。劉易斯的研究工作中的確用到了氰化物，可能當時他突發心臟停搏，打碎了某個氰化物容器。還有一點，當天早些時候，劉易斯和另一位有競爭關係的化學家共進了午餐。這位化學家比他年輕，比他更富人格魅力，得過諾貝爾獎，還是曼哈頓計劃的特別顧問。劉易斯最初曾拒絕出席這次午餐。一些人私下裡一直在揣測，可能是這位尊貴的同事刺激了劉易斯的神經，如果真是這樣的話，他的化學設備可能就太過方便了一點，而且也太倒黴了一點。
元素周期表「西岸」是活躍的金屬，「東岸」滷素和高貴氣體參差矗立，而中間則是寬廣的「大平原」——從第3列到第12列的過渡金屬。實際上，過渡金屬的性子十分暴烈，所以很難籠統地來形容它們——不過對待它們，你都得多加小心。過渡金屬原子比較重，它們儲存電子的方式比其他原子更靈活。和其他原子一樣，過渡金屬原子內部也有不同的能級(稱為第一能級，第二能級，第三能級......以此類推)，低能量的層級在內，高能量的在外;它們也會與其他原子爭搶電子，使最外層電子數達到8個。不過，要分清哪一層算是過渡金屬原子的最外層，可就不那麼容易了。
我們從水平方向觀察元素周期表，每一種元素都比左邊的鄰居多一個電子。11號元素鈉通常有11個電子，12號元素鎂則有12個電子，以此類推。隨著元素的體積增大，它們不光會把電子填到能級裡，還會為這些電子提供形狀各異的「鋪位」，稱為層。可是原子古板又保守，只會按照周期表的順序依次填滿層和能級。最左邊的元素把第一個電子放在球形的s層裡。這一層很小，只能容納2個電子——這就是為什麼周期表左邊有兩列比別的要高。有了最開始的兩個電子後，原子就得找個寬敞點兒的地方了。跳過中間的空白，右邊的元素開始把新的電子一個個放進p層，這一層的形狀像是畸形的肺。p層能容納6個電子，因此周期表右邊的6列高出了一截。注意一下周期表最上面的幾行，2個s層電子加上6個p層電子，一共8個電子，正好是大多數原子在最外層想要的電子數。除了自給自足的高貴氣體外，所有元素的外層電子都可以被拋棄或是與其他原子反應。這些元素的行為遵循同一邏輯準則:增加一個新電子，原子的行為就會發生變化，因為它可以用來參與反應的電子數增加了。
下面我們進入很容易產生挫敗感的部分。從第3列到第12列，從第4行到第7行，這些過渡金屬開始往d層填充電子了，d層可以容納10個電子。(d層看起來非常像是變了形的動物氣球。)基於之前所有元素的行為準則，你一定想著過渡金屬會把多出來的d層電子放在比較靠外的地方，方便拿來和其他原子發生反應。可是你錯了，實際上過渡金屬會把多餘的電子藏起來，藏到其他電子層的下面。它們這樣違背慣例，把d層電子埋到下面，看起來既彆扭又不直觀——柏拉圖可不會喜歡。可是這也是自然規律的一部分，我們無能為力。
要理解這個過程，必須動點腦筋。我們橫著看一看周期表，對於周期表裡的其他元素來說，電子每增加一個，它的行為就會發生變化，按照這一規則，過渡金屬也應如此。但是由於這些金屬會把d層電子藏到「夾層」裡，所以這些電子不太容易跑掉。如果其他原子與過渡金屬發生反應，它們不會獲得這些電子，這樣造成的結果就是，同一行的多種金屬暴露在外的電子數量相同，因此它們的化學性質也相似。從科學的角度來說，這就是為什麼許多金屬看起來如此相似，性質也幾乎相同。它們看起來都是冷冰冰的灰色金屬塊，因為外層電子讓它們別無選擇，只得如此。(當然，有時候藏起來的電子會搗點兒亂，它們會跑到外層，參與反應，這會帶來某些金屬之間微小的性質差異，這也是為什麼這些金屬的化學性質這麼讓人著急上火。)
f層元素也是這麼亂七八糟的。在元素周期表下方有單獨的兩行，f層從其中的第一行就開始出現了，這一行被稱為鑭系元素。(鑭系元素又被稱作稀土元素，它們的原子序數從57到71，按照周期表裡的排序實際上應該處於第6行，把它們單獨列到底部，是為了讓整張表格看起來簡練一些。)鑭系元素把新電子埋得比過渡金屬還深，經常藏在兩個能級下面。這意味著它們比過渡金屬更為相似，彼此之間幾乎無法區分。這一行從左到右的旅程，就像開車從內布拉斯加州去往南達科他州，你幾乎意識不到自己已經跨越了州際線。
自然界中不存在純淨的鑭系元素，因為它們總是伴生在一起。有個著名的例子，新漢普郡有一位化學家試圖提純69號元素銩，開始的時候，他的原料是富含銩的礦石，呈巨大的碟狀，他用化學藥品反覆處理礦石，並將它煮沸，這種方法每次都能將銩的純度提高一點點。溶解過程很費時間，所以開始的時候，一天他只能提純一兩輪。不過，他仍堅持把這個無聊的工序親手重複了15000次，數百千克重的礦石最後被提煉得只剩下幾百克，得到的純度終於讓他滿意了。可是就算到了這一步，剩下的銩裡仍有其他鑭系元素，它們的電子埋藏得太深了，化學方法根本無法逮住這些電子，把它們抓出來。
電子的行為決定著元素周期表。但是要真正理解這些元素，你不能忽略佔據了它們99%以上的質量的東西——原子核。電子行為準則的制定者是那位從未拿過諾貝爾獎的最偉大的科學家，而原子核的統治者可能是史上最艱難的諾貝爾獎獲得者，她的職業生涯比劉易斯更加漂泊無定。
1906年，瑪麗亞·格佩特在德國出生了。儘管她的父親是家族中的第六代教授，可她仍很難說服學校讓一個女人攻讀博士學位，所以，她從一所學校輾轉到另一所學校，儘可能地多聽課。最後，瑪麗亞終於在漢諾瓦大學那些從未謀面的教授面前完成了答辯，拿到了博士學位。毫無意外地，她畢業後沒人給她寫推薦信，也沒人幫她聯繫，所以沒有哪所大學肯為她提供職位，她只能「曲線救國」。瑪麗亞的丈夫約瑟夫·梅耶是一位化學教授，他是美國人，在德國遊學。1930年，瑪麗亞隨丈夫一起回到美國巴爾的摩，她有了個新的姓氏:格佩特-梅耶。在美國，她跟著丈夫一起工作，一起參加學術會議。不幸的是，大蕭條期間，約瑟夫數次失業，兩個人先是去了紐約的大學任教，後來又去了芝加哥。
大多數學校都容忍了格佩特-梅耶四處出沒，大談科學，有的學校甚至慷慨地賜給她一份工作，雖然他們拒絕付給她薪水，分配給她的也都是些所謂有「女性氣質」的課題，比如說研究顏色是怎麼來的。大蕭條結束後，數百個像她一樣富有才華的科學家齊聚曼哈頓項目，那也許是有史以來各種科學思想最為激烈的一場碰撞。格佩特-梅耶也收到了一份邀請，不過是來自一個沒什麼用的外圍偏門項目，研究如何用閃光燈分離鈾。毫無疑問，格佩特-梅耶十分憤怒，但是對科學的渴求讓她在如此糟糕的大環境下仍堅持研究工作。「二戰」結束後，芝加哥大學終於給了她足夠的重視，聘請她做了物理教授。雖然格佩特-梅耶終於有了自己的辦公室，可是學院還是不付給她薪水。
儘管如此，這個職位還是給了她一定支持，1948年，格佩特-梅耶開始研究原子核，這是原子的核心和精華。原子核中帶正電的質子數量——原子序數——決定了原子的性質。換句話說，原子既不會得到質子，也不會失去質子，除非它變成另一種元素。通常情況下，原子也不會失去中子，但是同一種元素的原子可能會有不同的中子數——稱作同位素。比如說，同位素鉛-204與鉛-206的原子序數都是82，但是它們的中子數不同，前者是122，後者是124。原子序數加上中子數就是原子量。科學家們花了多年時間來研究原子序數和原子量之間的關係，不過一旦弄清楚了這一點，元素周期表看起來就清晰多了。
當然，這些格佩特-梅耶都知道，不過她的研究工作涉及另一個更難把握的未解之謎，一個看似簡單的問題。宇宙中最簡單的元素是氫，它同時也是宇宙中含量最高的元素;第二簡單的元素氦含量第二。那麼，如果宇宙井井有條，簡潔優美，3號元素鋰就應該是含量第三的元素，以此類推。可惜我們的宇宙沒這麼簡單，含量第三的實際上是8號元素氧。可是，這是為什麼呢?科學家也許會回答說，因為氧的原子核非常穩定，不會裂解，或者換個詞兒，不會「衰變」。不過這只會讓我們回到問題的起點——為什麼某些元素(比如說氧)的原子核就特別穩定呢?
和同時代的其他人不同，格佩特-梅耶看出了這種不可思議的穩定性和高貴氣體有某種相似之處。她提出，原子核裡的質子和中子也是分層排列的，就像電子一樣，因此，填充原子核內的層會帶來穩定性。對於門外漢來說，這個說法很有道理，類比十分恰當。不過諾貝爾獎可不會發給憑空冒出來的猜想，尤其是一位不領工資的女教授的猜想。而且，這個想法激怒了核物理學家，因為化學過程和核物理過程是相互獨立的。質子和中子穩重可靠，常年閉門不出，而小小的電子水性楊花，經常為了迷人的鄰居離家出走，這二者有什麼理由會做出相似的事情?而且在大多數情況下，它們的行為方式的確大有差別。
不過格佩特-梅耶仍堅持自己的直覺，她把一些看似無關的實驗聯繫起來，證明了原子核的確分層，的確會形成她稱為「幻核」的結構。出於複雜的數學原因，幻核不是像元素性質那樣周期性有規律地出現，它出現的原子序數依次為2，8，20，28，50，82......格佩特-梅耶的工作證明了在這些原子序數下，質子和中子如何整齊地排列成穩定對稱的球形。請注意，氧有8個質子和8個中子，因此它具有雙倍的魔力，非常穩定——所以它在宇宙中的含量才如此豐富。這個模型一下子就解釋了鈣(原子序數20)這樣的元素為何豐富得和它的序號不成比例，接下來也順理成章地解釋了為什麼我們的身體也主要由這些易於獲得的元素構成。
格佩特-梅耶的理論和柏拉圖的構想遙相呼應，證明了漂亮的形狀更為完美。她的球形幻核成了理想模型，在此之前，人們認為所有原子核都是球形的。實際上，介於兩個幻數之間的元素相對較不穩定，因為它們的原子核是醜陋的矩形或橢圓形。科學家們甚至還發現，中子非常富餘的67號元素鈥的原子核像是個變形的橄欖球。根據格佩特-梅耶的理論(或者根據你看過的別人在橄欖球賽中跌跌撞撞的樣子)，你也許能猜到，橄欖球狀的鈥原子核不是很穩定。電子數不夠的時候，原子可以從其他地方搞到電子來保持平衡，可是原子核不穩定時，它們可沒法弄到質子和中子。因此，鈥之類原子核奇形怪狀的原子很難成型，就算成型了也會立刻崩裂。
原子核殼層模型是一個天才的發現，因此當格佩特-梅耶發現祖國的男物理學家也曾提出過相似的理論時，她感到非常沮喪，考慮到她在科學界的低微地位，這樣的情緒很容易理解，她面臨著聲名掃地的危險。不過，雙方的研究工作相互獨立，德國方面很有風度地承認了她的貢獻並邀請她一起合作，格佩特-梅耶的職業生涯迎來了輝煌的轉折點。她贏得了應得的榮譽。1959年，格佩特-梅耶和丈夫一起搬到了聖地牙哥，這是他們最後一次搬遷。在聖地牙哥，她終於進入了新成立的加州大學分校，得到了一份有報酬的工作。不過，別人還是只當她是個業餘的科學愛好者。1963年，瑞典皇家科學院授予了她職業生涯的最高榮譽，當時聖地牙哥的報紙頭條標題是:《聖地牙哥一位母親榮獲諾貝爾獎》。
不過這個問題也許只取決於你如何看待。要是這個獎給了吉爾伯特·劉易斯，那麼就算報紙上登出這麼有侮辱性的標題，大概也絲毫不會影響他興奮的心情。
細細審讀元素周期表的每一行，你會發現許多元素的秘密，不過這只是我們故事的一部分，甚至還不是最精彩的部分。同一列中的元素實際上比同一行的那些元素更為親密。在大多數人類語言中，我們都習慣於從左到右(或者從右到左)地進行閱讀，不過在閱讀元素周期表時，我們應該像閱讀某些日語讀物一樣，從上到下，一列一列地讀，這樣收穫更大。從上至下地閱讀元素周期表會讓你發現元素之間許多隱藏的關係，包括你不曾想到過的競爭與對抗。周期表有自己獨特的語法，它的行行列列會帶來嶄新的故事。
第一話——元素周期表之位置決定元素（一）