第3章 化学ABC(1)

分子是什么，原子是什么，离子是什么？

花儿和美酒会散发出香气；蔗糖放入水中，会变得无影无踪；湿漉漉的衣服经过晾晒，水就不翼而飞了……生活中发生的这些现象说明：像酒精、水、蔗糖等物质都是由人们肉眼看不到的、不断运动着的小微粒——分子构成的。分子是指物质中能独立存在而保持其组成和一切化学性质的最小微粒。

虽然人们用肉眼看不到分子，但科学家能用科学仪器拍摄出分子的照片，这就有力地证明了分子存在的真实性。一滴水里大约含有1.67×1021个水分子。若量取18毫升水（4℃时），其中竟含有6.02×1023个水分子，数量大得惊人。分子虽是很小的微粒，但有质量。如1个水分子的质量约是3×10-26千克。

100毫升水和100毫升酒精混合后，总体小于200毫升；将蔗糖放进水中后蔗糖就会消失，湿衣服能被晾干。这些事实说明，一切物质的分子都在不断地运动，并且分子之间有一定的间隔。

实验证明，水通电后能产生氢气和氧气。这一变化说明，水分子在直流电作用下，可分解成氢原子和氧原子；每一个水分子可以分解成两个氢原子和一个氧原子；每两个氢原子结合成一个氢分子；每两个氧原子可以结合成一个氧分子。

水分子、氢分子、氧分子是性质完全不同的分子，它们分别保持水、氢气、氧气各自的化学性质。这又说明同种物质的分子化学性质相同，不同物质的分子化学性质不同。

分子在化学反应中可以分解成原子。有的分子由1个原子组成，如氩、氙；有的分子由多个原子组成，如氧、硫。多数分子是由不同元素的原子组成的，如水、二氧化碳。任何纯净物都有固定的化学组成，也就是说元素的种类及元素的质量比是一定的，因此化学上常用元素符号来表示物质的组成。用元素符号来表示物质组成的式子叫做化学式。如O2、H2O、CO2分别表示氧气、水、二氧化碳的组成。化学式中各原子的原子量总和叫做式量，如H2O的式量=1×2+16=18。

“原子”这一术语是希腊文“不可分割的”意思。早在公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特就已经提出原子的概念，认为一切物质都是由不可分割的小微粒——原子构成，但缺乏科学实验的验证。经过十几个世纪的探索，17世纪～18世纪，科学家通过实验，证实了原子的真实存在。19世纪初英国化学家道尔顿在进一步总结前人经验的基础上，提出了具有近代意义的原子学说。这种原子学说的提出开创了化学的新时代，它解释了很多物理、化学现象。

在化学反应中，分子可以分成原子，但原子却不能再分。在化学反应中分子发生了变化，产生了新的分子，而原子依旧是原来的原子。因此，化学上把原子定义为：原子是化学变化中的最小微粒。

原子是肉眼看不见的微粒，假如把1亿个原子排成一行，也只不过才有1厘米长。原子虽小，但有质量。例如，1个氧原子质量约为2.656×10-26千克，1个氢原子质量约为1.674×10-27千克。原子和分子一样，处于不断运动之中，同种原子的性质相同，不同种原子的性质不同。

原子在化学变化中不能再分，这已被大量实验所证实，但是，并不是说在任何情况下原子永远是“不可分割的”最小微粒。放射现象的发现证实了这一看法，并揭开了原子内部结构的秘密。大量实验证明，原子是由带正电的原子核和围绕原子核不断运动、带负电的核外电子组成。原子质量的99.95%以上都集中在原子核上。原子核和核外电子相互吸引，组成电中性的原子。放射性物质在放射过程，原子核发生了变化，变成了另一种元素的原子。由此人们认识到原子并不是不可分割的最小微粒，它的内部还存在着一个复杂的天地。

1932年英国物理学家查德威克发现了中子，以后科学家们确认原子核主要是由质子和中子构成的。后来进一步的实验揭示，原子核内除质子、中子外，还有多种基本粒子。

氧气、水、二氧化碳等物质分别由电中性的氧分子、水分子、二氧化碳分子构成。铁、汞、钠等金属分别由电中性的铁原子、汞原子、钠原子直接构成。构成物质的小微粒除了电中性的分子、原子之外，还有一种带电的小微粒叫做离子。像我们所熟悉的食盐——氯化钠就是由带正电的阳离子Na+和带负电的阴离子C1-构成的。化学上，把带电的原子或原子团叫做离子。

原子失电子而带正电荷，形成阳离子，阳离子所带的正电荷数等于该原子失去的电子数，即该元素的正化合价；原子得电子带负电荷，形成阴离子，阴离子所带的负电荷数等于该原子得到的电子数，即负化合价。离子的表示方法是用离子符号，即将离子所带的电荷数分别写在元素符号的右上角。例如：钠离子Na+、铵离子NH4+是阳离子，氯离子C1-、氢氧离子OH-是阴离子。

Na+表示带1个单位正电荷的钠离子，OH-表示带1个单位负电荷的氢氧根离子。

+1Na与-1OH是化合价的表示方法，+1〖〗Na表示钠的化合价是+1价，-1OH表示氢氧根的化合价是-1价。

什么是化合物，什么是混合物

化学实验室里，不仅有各种各样的化学仪器，还有种类繁多的化学药品，有的是固体，有的是液体，颜色也各不相同。然而，这些药品主要用来研究物质性质的，因此一般都是纯净物。纯净物依照组成元素的种类分成单质和化合物。

由同种元素组成的纯净物叫单质。例如：氧气（O2）、铜（Cu）等都是单质。由不同种元素组成的纯净物叫做化合物。例如，氯化钾（KCI）、氢氧化钠（NaOH）、二氧化锰（MnO2）等都是化合物。氯化钠（NaC1）、氯化氢（HC1）也都是化合物。氯化钠是由带正电的阳离子（Na+）与带负电的阴离子互相作用而构成的化合物。这种由阴、阳离子相互作用而形成的化合物叫做离子化合物。氯化氢则与氯化钠不同，氢原子与氯原子通过1个共用电子对形成氯化氢分子，这种以共用电子对形成分子的化合物叫做共价化合物。

元素之间发生反应是形成离子化合物，还是形成共价化合物，主要由元素的原子结构所决定。

金属元素的原子最外层电子数一般少于4个，在化学反应中易失电子变成带正电荷的金属阳离子；非金属元素的原子最外层的电子数一般等于或多于4个，在化学反应中易得电子形成带负电荷的阴离子。当活泼的金属元素（Na、K、Mg、Ca等）的原子与活泼的非金属元素（F、C1、Br、I、O、S等）的原子一接近，金属元素的原子就会失去电子形成阳离子，非金属元素的原子就会得到电子形成阴离子，非金属元素的原子就会得到电子形成阴离子，并互相吸引而形成离子化合物。不同种的非金属元素（如H与C1、H与F、H与O、H与S）的原子，由于它们获得电子的能力差不多，在彼此争夺电子的过程中谁也不能将对方的电子“抢”过来，也就不可能形成阴、阳离子，而只能以共用电子对的形式化合，形成稳定的共价化合物。当然，不管是原子得失电子形成阴、阳离子，还是原子间形成共用电子对，其最终总要使各自形成8个电子的稳定结构。

大千世界，物质的种类繁多。依照它们的组成，可以把物质分为两大类：纯净物和混合物。

纯净物是由同种分子组成的物质。例如，氧气是由氧分子组成的，金属铜和铝分别是由铜分子和铝分子组成的，因此它们都是纯净物。混合物是由不同的分子组成的物质。例如，一杯天然水，看起来很纯净，其实水中溶有少量的盐类，还有病菌、虫卵等微生物，以及其他杂质，所以天然水是混合物。同样道理，空气、各种溶液也都是混合物。混合物中各种分子的含量比不是固定的，因而混合物的性质也不是一定的。一般混合物中各种物质之间不发生化学反应。

原子结构

俗话说，麻雀虽小，五脏俱全。原子虽然非常小，但内部的构造却很复杂。

我们知道，太阳系的中心是太阳，太阳周围的大小行星在围绕太阳不断运动。原子好像一个太阳系，它的中心，是原子核，在原子核周围，有一定数目的带负电的电子在不断运动。原子核的体积很小，假如把一个原子放大到篮球那么大，原子核也比针尖还小，但是原子核却集中了差不多整个原子的质量。氢原子核是最小的原子核，它的质量是电子质量的1836倍。

原子核体积虽小，仍是一个复杂的集体，它由两种更小的微粒组成，这两种微粒是质子和中子。质子和中子的质量相同，质子带正电，中子不带电。不同类原子核中含有不同数目的质子和中子。

氢原子的原子核是最小的原子核，仅由一个质子组成，在氢原子核中没有中子。惰性气体氦的原子核是由两个质子和两个中子组成。氧原子核是由8个质子和8个中子组成的。

一个原子核中所含质子的数目，叫做核电荷数。核电荷数相同的同一类原子称为一种元素。

自然界的各种元素，按它们的核电荷数排列，核电荷数为几就称作第几号元素。例如氢是第一号元素。氦是第二号元素，氧是第八号元素，等等。

氧原子的核电荷数是8，在原子核外运动的电子也是8个，带正电的原子核和带负电的电子相互吸引，形成了原子。原子核的正电荷和电子的负电荷相等，所以整个原子是不带电的。在化学反应中，原子核不发生变化，只是核外的部分电子发生变化。

元素符号

朋友见面要握手，表示友好。这是全世界通用的一种“符号”。同人类表示友好有“符号”一样，化学也有自己的符号，它是化学世界的共同语言。我们初次接触化学，内容复杂，术语繁多，让人理不出个头绪。有了化学符号，掌握其中的规律，化学就变得有章可循，学习就容易了。

在古代，全世界是没有统一的化学符号的。那时候的炼金家们，各人用自己的符号来表示化学物质。例如，用中间有一点的圆代表金，圆圈中有一横的代表盐，圆圈中有一竖的代表硝石，用十字架代表醋等。随着化学的发展，发现的化学物质增多了，用以表示物质的符号也就越来越多。甚至同种物质，也有几十乃至上百个符号。这严重地阻碍了化学的发展。

1860年，世界上制订了统一的化学元素符号，使全国科学工作者之间有共同的、统一的化学语言。

一个元素的化学符号，好像英语中的字母。英语共有26个字母，而化学元素符号目前有百余个。不过，元素符号由一个或两个以上字母构成，第一个字母大写，第二个字母起小写。元素符号有三个意义：一是代表一种元素；二是代表这个元素的一个原子；三是代表一摩尔原子的该元素。例如，化学符号Ca代表元素钙、一个钙原子或者代表一摩尔钙原子。

化学元素符号，用这个元素的拉丁文开头字母表示。有些化学元素的拉丁文开头字母是相同的，就在开头字母旁边写一个小写字母，是这个元素拉丁文名的第二个字母，如铁写作Fe，铜写作CU。如果元素的拉丁文名第一、第二个字母均相同，那么就用这个元素拉丁文名的第三个字母作为小写字母。例如砷、银、氩三种元素的拉丁文名，第一、第二字母都是“ar”，它们的符号分别写作As、Ag、Ar。

分子式

化学家已发现109种元素，这些元素的原子，以不同的方式结合就产生各种各样的分子。世上万物都是由这些分子组成。例如，水是由水分子组成的，水分子是由一个氧原子和二个氢原子组成。如果用文字来表达物质的组成，不但非常麻烦，而且各国文字不同，很难统一。

自从有了化学分子式，世界上就有了统一的化学词汇，如水用H2O表示，就简单多了。

这种化学王国的统一词汇，是许多年研究的成果。现在，我们可以方便地书写物质的分子式了。单质的分子式，是在组成这种单质的元素符号右下角标上原子的个数。如氮气——N2，氧气——O2，铜——Cu。

假如是化合物，只要事先知道组成这个化合物一个分子中各原子的个数，然后依据正价原子在前，负价原子在后的原则，分别标上数字即可。如，水分子为H2O，生石灰为CaO，盐酸为HCL。

有了物质的分子式，成千上万种物质，都可以简洁明了地表示出来，而且全世界通用，学习也更方便了。

化学方程式

化学家用元素符号代表元素，用元素符号的组合——分子式代表各种各样的物质。我们把元素符号和分子式，分别比作英语中的字母和词汇。这比较清晰地表达了元素符号和分子式之间的关系。化学家正是依照这种思想，把分子式用适当的符号（+，＝）联结而成的句子来表示物质间的化学反应，这好像用词汇组成的语句一样。这样的句子，化学家称之为化学反应方程式。

例如，水分解成氢气和氧气的反应，可用下述的化学反应方程式来表达：

2H2O（液）＝2H2（气）+O2（气）这个化学方程式，如果用文字来表达，那就是：“2摩尔重36克的液态水分解生成2摩尔重4克的氢气和1摩尔重32克的氧气”，非常烦琐难读。因此，化学中所采用的化学方程式，与元素符号、分子式一样非常简洁明了，而且全世界通用。

世界上的物质千千万万，它们间的化学反应多种多样。如酒精的分子式为C2H6O，但这个分子式还可以表示另一种物质——甲醚。因此，只用一个化学方程式还不能完全表达清楚，化学家采用一种以结构式代替分子式表示的化学方程式。

再如，水的分解是吸热反应，而氢气燃烧生成水的反应是放热反应，这样，上述的方程式又不能表示，于是化学家就改用一种热化学方程式来正确表达。

“摩尔”

我们买电池、袜子和肥皂等物品时，常常用“打”来计数。“打”是通常使用的数量单位，1打的数量是12。如一打电池就是12节。

在化学上，也有一个类似的数量单位，叫做摩尔，它是用来计量原子、分子等微粒的数量的，好比是化学家的“打”。不过，化学家所用的“打”，代表6.02×1023，即1摩尔等于6.02×1023个微观粒子，其数值远远大于12。因为，分子、原子等微粒极其微小。例如，1克水中就约含有3.6×1022个水分子，1克炭中就有5.06×1022个碳原子。这是一个天文数字，书写、记忆都很不方便。假如采用摩尔作计量单位，那么，就可以说，1克水中约含0.056摩尔的水分子；1克炭中约含有0.083摩尔碳原子。这就方便多了。

因为这个数字是一位叫阿伏伽德罗的科学家提出的，所以叫阿伏伽德罗常数。