世间万物都是由微观的粒子组成的。能独立存在的最小粒子叫作“原子”。原子通常会互相结合在一起,形成大的粒子团,这就是分子。所有的化合物都是由一种或者多种分子组成的。
世界上有超过100种不同的化学元素,每一种化学元素都有属于自己的原子。大多数化学元素是金属,如铁(Fe)、铜(Cu)、铝(Al)。一小片铁片其实是由数以万亿计的铁原子组成的。还有一些化学元素是气体,如氧(O)、氢(H)。只有两种化学元素在常温下是液体——银色的液态金属汞(Hg)和红棕色的有毒液体溴(Br)。
经典原子模型,包括中心原子核和环绕在其外围的电子。
通常来说,由不同化学元素结合而成的化合物的性质和化学元素本身的性质相差甚远。比如,金属铜(Cu)元素可以和气态氧(O)元素结合生成非金属的化合物氧化铜(CuO),而气态氢(H)元素和气态氧(O)元素则可以结合生成我们熟悉的液态水(H 2 O)。
离子键成键时,一个原子将自己的一个或多个电子交给另一个原子,从而在这两个原子之间形成一种离子形式的化学键。比如在下图中,钠(Na)原子和氯(Cl)原子结合生成氯化钠(NaCl)。然而,在共价键成键时,参与成键的原子都把自己的电子拿出来共享。比如在下图中,一个氧(O)原子和两个氢(H)原子共享自己的电子,结合生成了水(H 2 O)。
原子并不是由某种物质组成的一个个实心小球,原子是由中心核(也就是原子核)和一个或多个围绕原子核持续运动的电子组成的。因此,电子其实比最小的原子还要小——电子的尺寸大约是最小的原子(氢原子)尺寸的两千分之一!每一个电子都带有一个负电荷,而原子核则带有一个或多个正电荷,其正电荷总数正好等于电子总数,因此原子作为一个整体是电中性的(对外不显电性)。电子围绕原子核运动的球层区域被称作“电子壳层”,形状有点像剥开洋葱时见到的洋葱内层。
金刚石(钻石)、石墨和富勒烯都是碳(C)元素的不同形态。这种由单一化学元素组成,因原子排列方式不同而具有不同性质的单质,就被称为“同素异形体”。石墨是灰黑色、有金属光泽、相对较软的固体,它由一层层可以相对滑动的碳原子叠层构成。金刚石则是由排列非常紧密的碳原子构成的一种异常坚硬的固体,它是自然界中天然存在的最坚硬的物质。富勒烯(也叫“足球烯”)是由60个碳原子组成的像足球一样的分子,这种多边形结构使其变得十分稳固。碳纳米管也是一种富勒烯,在生物技术和医学中被广泛应用。
原子: 能独立存在、在化学反应中不可再分的最小粒子。原子由原子核和环绕在其外围的电子组成,原子核则由质子和中子组成。
分子: 由两个或两个以上原子组成、能独立存在并保持特定物质固有物理、化学性质的最小单位。