元素

元素是具有相同核电荷数（质子数）的同一类原子的总称。每种元素都有自己的原子，具有特定的大小和质量，并具有特定的化学性质。

元素其实只有100 多种，但它们就像可以拼写出数十万个英文单词的26 个字母一样，可以组合成各种各样的物质。元素周期表中，约四分之三的元素是金属元素，还有些元素在正常条件下是气体，而只有两种元素是液体（其中一种是金属汞）。有些元素会和其他元素发生反应，也有一小部分元素几乎不与其他任何元素发生反应。宇宙中的其他地方可能会有地球上这100 多种元素以外的元素，但这些元素只会短暂存在，然后裂变成更稳定的元素。科学家们在实验室中制造出了极微量的不稳定元素，但它们很快就裂变了。

发现元素

人们早就知道，某些基本物质可以结合起来，形成全新的且完全不同的物质。今天，化学家了解原子是如何构成的，以及什么使一种元素与其他元素不同。然而，在科学家找到这些解释之前，人们对元素有非常不同的想法。几百年前，人们认为世界上的一切是由土、气、火和水四种“元素”组成的。当时的人们错误地认为这些元素的性质与魔法有关，而与科学无关。实际上，元素作为物质的基本成分的想法是正确的，只是人们并没有发现任何真正的元素。

地球中的元素

氢元素的原子是最小、最简单的，氢元素也是宇宙中最常见的元素。宇宙中四分之三的物质是由氢构成的。地球中含量最多的元素是铁。然而，地表最常见的元素是硅和氧。例如，二氧化硅是沙子中的主要化合物，也存在于大多数岩石中。其他元素非常罕见，例如，地球上所有的岩石中一共只有约28 克砹。

化学的诞生

第一批研究如何将某一物质转化为其他物质的人被称为“炼金术士”。炼金术最早发源于大约2500 年前的古埃及和中国。然而，炼金术士并不是科学家，他们所做的许多事情常常被人们认为是巫师的魔法。他们将“魔水”和药物混合在一起，认为可以用魔法来改变物质。

与化学家不同的是，炼金术士没有进行合适的科学实验，他们也不了解化学的基本原理，如化合物和混合物的区别。即便如此，他们还是做出了一些极其重要的贡献。

例如，炼金术士开始明白物质的基本成分并不是土、气、火、水四种“元素”。他们确定了一些金属元素，如汞、铁和金。此外，炼金术士还正确地认为，硫、砷和其他非金属也是元素。他们开始使用不同的符号来表示元素，现代化学家也这样做。直到化学家开始以科学的方式研究元素的性质，人们才知道，一种元素的原子可以构成单质，而几种元素的原子可以构成化合物。

科学词汇

炼金术士： 试图用原始化学和魔法将一种物质转化为另一种物质的人。

四元素说： 古代关于物质组成的学说，认为所有物质都是由土、气、火和水这四种“元素”组成的。

看不见的原子

100 多年前，科学家才发现了原子。然而，几千年来，人们一直在谈论原子。认为原子存在的第一批人是古希腊哲学家。这些哲学家没有做任何实验来理解物质，也没有用科学来证明他们的想法。但是，他们提出的理论似乎与他们观察到的相吻合。

“原子”这个词来自古希腊语atomos，意思是“不可分割的”。大约2500 年前，米利都的留基伯（Leucippus）是第一个认为物质是由原子构成的人。他认为，原子都是一样的，不能被挤压、拉伸。他还认为原子必须存在，因为事物在自然界中不断变化。然而，他明白，新的东西不可能从任何东西中得到，所以，所有的变化都只是原子的重新排列，即原子本身不能改变，只是其排列方式发生了改变。留基伯和他的追随者不明白原子是如何构成的，也不明白它们的行为方式。然而，他们的原子理论在许多方面是正确的。

科学的方法

当化学家开始以科学的方式研究物质时，他们开始意识到，物质确实是由原子组成的，但并非所有的原子都是相同的。英国科学家约翰·道尔顿（John Dalton，1766—1844）取得了化学领域最重要的发现之一。19 世纪初，他注意到，当两种类型的气体混合在一起时，它们的行为并不相同。留基伯曾经说过，所有的东西都是由相同的原子组成的，那么为什么两种气体中的原子表现得很不一样呢？道尔顿看到两种气体彼此独立扩散，然后均匀地分布在整个容器中。这一简单的实验证明，并非所有的原子都是相同的。这个结论与留基伯的观点不同。这两种气体必定含有不同类型的原子，这些原子的行为不同。

质量和比例

到19 世纪初，科学家已经确定了大约25 种元素，其中既包括已有数百年历史的金、汞和铜等金属元素，也包括一些新发现的元素，如在道尔顿实验之前就已被发现的氧元素。道尔顿认为，每种元素都有自己的原子类型。

胡言乱语的炼金术士

化学家经常与其他人分享他们的发现。他们互相验证对方的发现，以确保这些发现是正确的。炼金术士和现代化学家有很大的不同。

相比之下，炼金术士的主要目标是找到三种物质：喝了可以使人长生不老的灵丹妙药、吃了可以治愈所有疾病的灵丹妙药，还有哲学家所说的可以把任何金属变成金子的宝石。显然，如果找到这些物质，炼金术士就会变得非常富有和强大。因此，炼金术士更愿意将他们的工作保密。为了保密，他们使用奇怪的符号来记录事物。

最有影响力的炼金术士之一是阿拉伯·查比尔·伊本·赫扬（Arab Jabiribn Hayyan，721—815），又称格伯（Geber）。他的文章很混乱，经常互相矛盾。“胡言乱语”（gibberish）这个词就来自他的名字，意思是“胡说八道”。

道尔顿发现的各种元素的主要区别是它们的质量（物体含有物质的多少）和密度（单位体积的某种物质的质量）。

为了计算出一种元素的质量，他使其与质量已知的另一种元素反应，然后称量新生成的化合物的质量，新生成的化合物增加的质量就是该元素的质量。他还计算出化合物中两种元素的质量比。

道尔顿还认为，化合物中各元素的质量比是一定的。例如，一种化合物可能含有等量的两种元素，或者其中一种元素的含量是另一种元素的两倍。然而，各种元素质量比的数值总是整数，一种元素的一个原子不可能与另一种元素的半个原子相连。

科学词汇

化学式： 用元素符号和数字的组合表示物质组成的式子，如水的化学式为H ₂ O。

元素符号： 表示元素的字母，如氯的元素符号为Cl，而钠的元素符号为Na。

虽然道尔顿当时不知道原因，但他努力研究化合物中原子是如何排列的。等量的钠原子和氯原子反应时，会产生氯化钠。这是一种简单的化合物，钠原子和氯原子的比例是1∶1。然而，其他化合物中所含元素原子的比例就要复杂得多。例如，氢和氧生成水的这一过程需要的氢原子是氧原子的两倍，所以水中氢原子和氧原子的比例为2∶1。化学家用这些比例来解释分子的确切成分。与炼金术士一样，化学家也用符号来代表每一种元素，但是，他们选择了更容易理解的符号。

元素符号和化学式

氢的元素符号是H；氯的元素符号是Cl；氧的元素符号是O。有些元素的元素符号并没有那么明显，因为它们并非来自英语。例如，钠的元素符号是Na，来自拉丁词natrium；铁的元素符号是Fe，来自拉丁词ferrum；汞的元素符号是Hg，来自古希腊单词hydrargyros（字面意思是“液体银”）。

化学家通过把元素符号和元素比例结合起来形成化学式的方式来描述物质的组成。例如，氯化钠的化学式是NaCl，水的化学式是H ₂ O，其中的下标2 表示每个水分子中有两个氢原子。更复杂的化合物，如葡萄糖，是含有许多原子的大分子，葡萄糖的化学式为C ₆ H ₁₂ O ₆ 。

简单和复杂的分子

（a）水分子是一种简单的分子，由一个氧（O）原子与两个氢（H）原子结合形成，化学式是H ₂ O。

（a）水分子

（b）葡萄糖分子是一种复杂的分子。它是由6 个碳（C）原子、12 个氢（H）原子和6 个氧（O）原子组成的，化学式为C ₆ H ₁₂ O ₆ 。

（b）葡萄糖分子 I1bfSvlcuapLiQGAcLm9415R7q75ULgfCocLbco/v1nO0n7iW0JxyAzxYCq7WNNi