认识原子

原子虽然很微小，但它是由更小的粒子组成的。每种元素的原子内部都含有特定数量的粒子。

数百年以前，科学家认为原子是物质中最小的粒子。直到20 世纪，科学家才开始意识到，原子是由更小的粒子组成的，他们将这些粒子称为“亚原子粒子”。原子中有三种亚原子粒子，分别是质子、中子和电子。所有原子都是由这些亚原子粒子组成的。一种元素的物理和化学性质是由其原子中的亚原子粒子数决定的。例如，原子中含有的亚原子粒子数量较多的元素，密度较大；而原子中含有的亚原子粒子数量较少的元素，密度则较小。同样，元素原子中粒子的数量也决定了元素的化学反应性。

质子

原子的中心是一个微小的原子核。原子核包含第一种粒子：质子。“质子”这个词于1920 年左右首次被使用，希腊语中是“第一”的意思。之所以赋予这种粒子“质子”这个名字，是因为它是在原子中发现的第一种粒子。电子是1897 年被发现的，但当时人们并不知道它们是原子的一部分，直到发现质子后才知道。

科学词汇

原子质量数： 简称质量数，指原子核中质子数和中子数的和。

原子序数： 等于原子核中质子的数目。

电子： 一种小的、带负电荷的亚原子粒子，环绕原子核旋转。

中子： 一种位于原子核内的不带电荷的亚原子粒子。

质子： 在原子核中发现的带正电荷的粒子。

原子核： 原子的中心部分，由质子和中子组成。

原子中的质子数决定了元素的类型。最简单、最小的原子是氢原子，其原子核中只有一个质子。原子越大，其原子核中的质子就越多。例如，天然存在的最大的元素是金属元素铀。铀原子有92 个质子。原子中的质子数被称为“原子序数”。每种元素在其原子的原子核中都有特定数量的质子。如果两个原子的原子序数不同，那说明它们含有的质子的数量不同，也就说明它们是不同的元素。

原子核

质子和中子位于原子核的中心部分。电子围绕原子核运动。

质子带有正电荷。这种电荷是质子的基本性质，化学家将每个质子的电荷描述为1。质子的电荷与它推动和拉动原子内部其他粒子的方式有关。由于其中含有质子，因此原子核带有正电荷。

微小的粒子

亚原子粒子极小。天文学家认为宇宙中总共有大约1 万亿颗恒星，而1 克电子的数量约是宇宙中恒星数量的1000 倍。最大的原子直径大约只有五百万分之一毫米。然而，原子的大部分质量集中在原子核上，而原子核的直径只有几万亿分之一毫米。假如原子是一个体育场，那么原子核就像一个位于体育场中心的乒乓球。

中子

除了氢元素，所有元素的原子核中都有第二种粒子——中子。中子比质子稍重，然而，它们不带电荷，是中性的，所以中子在化学反应中不起太大作用。氦原子的原子核中有两个质子和两个中子。原子中的中子数与质子数通常是相等的，但并非总是如此。原子核中的粒子数（质子数加上中子数）被称为“原子质量数”。例如，大多数氢原子的原子质量数为1（1 个质子加0 个中子），大多数碳原子的原子质量数为12（6 个质子和6 个中子）。通过原子质量数，我们便可以知道该原子含有多少质子和中子，以及它有多重。

电子

第三种亚原子粒子是电子，但它不位于原子核中，相反，它绕原子核（轨道）运动。电子的重量只有质子或中子的1/1830。电子很小，带有负电荷。电子的电荷数与质子的相等，但是电性相反，因此原子整体是不显电性的，即呈电中性。

原子的结构

原子核中的质子数决定了元素的类型。质子和电子都带有电荷，质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电荷。

不同的原子质量数

一种元素的所有原子具有相同的原子序数，然而，同一种元素原子的原子质量数却可能稍有不同。这是因为一种元素原子的原子核中可以有不同数量的中子。中子数不同的同一种元素的不同形式，被称为“同位素”。例如，氢原子有三种同位素。首先，最常见的，也是最简单的氢原子，其原子质量数为1，即其原子核中有一个质子。其次，大约0.015%的氢原子在其原子核中有一个中子和一个质子，这种氢同位素的原子质量数为2，被称为“氘”或“重氢”。最后，每10 万亿个氢原子中就有一个是同位素氚。氚的原子核中有两个中子和一个质子，其原子质量数为3。

科学词汇

α粒子： 失去电子的氦原子核，有两个质子和两个中子。

同位素： 一种元素的原子总是有相同数量的质子，但它们可以有不同数量的中子。同一种元素的不同形式就被称为“同位素”。

为了确保人们知道原子是哪种同位素，人们通常将原子的原子质量数写在它元素符号的左上方，而将其原子序数写在元素符号的左下方。例如，碳的主要同位素表示为 ，也可以表示为碳-12（C-12）。氚原子具有放射性，这意味着它的原子核是不稳定的，很快就会衰变，释放辐射（见第30～33 页）。其他元素的许多不太常见的同位素也具有放射性。

计算原子质量

为了计算某种元素的原子质量，化学家使该元素与另一种已知质量的元素发生反应。实际上，他们使用的是基于元素各种同位素的相对含量计算出来的平均值。例如，大多数氢原子的原子质量数为1，但少数氢原子（氘原子和氚原子）的原子质量数为2 和3。对于所有氢原子来说，平均原子质量数略高于1（精确值为1.00794）。这个数字就是氢的原子质量。然而，为了简化计算，化学家们通常认为氢的原子质量为1。

解锁原子结构

电子发现于1897年，质子发现于1910年，而中子发现于1932 年。起初科学家们认为质子和电子交叉排列于原子中，以维持电荷的平衡。但是，1911 年，化学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）证明质子仅位于原子中心微小的原子核中。他用一束α粒子轰击一张金箔。α粒子是指失去电子后的氦原子核，它有两个质子和两个中子，并且带正电荷。大多数α粒子穿过了金箔，但有些发生了偏转，有一些被反弹回来。卢瑟福意识到，一些粒子被原子内部带正电荷的粒子排斥。因为α粒子束只受金箔的微小区域（小于单个原子的大小）的影响，因此他得出结论，质子是原子中的带正电荷的粒子，只占据原子中心的一个很小的区域，他将这一区域称为“原子核”。

同位素

氢有三种同位素。到目前为止，氢最常见的同位素是氕（ ），它的原子核中只有一个质子，没有中子。氘（ ）和氚（ ）很罕见，它们的原子核中除一个质子外，还分别有一个和两个中子。与氢的同位素不同，大多数元素的同位素没有特殊的名称，科学家以原子质量数来区别它们的同位素，如碳-12（ ）和碳-14（ ）。同一种元素各个同位素中的电子数不会发生变化，它与原子序数（质子数）保持一致。

阿莫迪欧·阿伏伽德罗

阿莫迪欧·阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro，1776—1856）于1776 年8 月9 日生于意大利都灵。他的父亲菲利波·阿伏伽德罗伯爵是一名律师。虽然阿伏伽德罗也学习过法律，但他对物理和数学更感兴趣。1811 年，他发表了一篇论文，认为在相同的温度和压力下，相同体积的气体含有的分子数量也相同。尽管多年后他的观点才得到广泛的认可，但是这对化学的发展产生了很大的影响。为了纪念他对原子和分子的重要贡献，后人将1 摩尔的任何物质所含有的基本单元（如分子或原子）的数量称为“阿伏伽德罗常数”，尽管他当时并不知道这个数字。

相对原子质量

原子非常轻，一个氢原子的质量大约只有1.7 万亿分之一克。用这么小的单位来比较原子的质量将非常麻烦。

实际上，原子的质量被表示为与其他元素的原子质量的相对值。化学家用相对原子质量来表示。从这个名字也可以看出，这个数字与其他元素有关。相对原子质量是元素的平均原子质量与碳-12 原子质量的1/12的比值。

分子含有多个原子，它们的质量也很重要。分子中所有原子的相对原子质量的总和，被叫作“分子量”（又称“相对分子质量”）。例如，水分子有两个氢原子（相对原子质量为1）和一个氧原子（相对原子质量为16），因此，水的分子量为18（1+1+16）。相对原子质量和分子量有助于化学家了解物质在不同的化学反应中是如何结合和改变的。

科学词汇

摩尔： 12 克碳-12 中所含的原子数。这个数字是6.022×10 ²³ 。

相对原子质量（RAM）： 平均原子质量与碳-12 原子质量的1/12 的比值。

分子量（RMM）： 分子中所有原子的相对原子质量的总和。

摩尔

化学家用摩尔来表示物质的量。1 摩尔物质的量被定义为12 克碳-12 中所含有的原子个数。碳-12 的相对原子质量为12。化学家之所以选择这种同位素来定义摩尔，是因为碳是地球上常见的元素之一。1 摩尔任何粒子或物质的质量以克为单位时，其数值都与该粒子的相对原子质量或分子量（相对分子质量）相等。例如，氢的相对原子质量为1，则1 摩尔氢的质量是1 克；铅的相对原子质量为207，因此1 摩尔铅的质量为207 克。1 摩尔的任何物质都包含相同数量（约6.022×10 ²³ 个）的粒子或碎片，这大约是整个宇宙中恒星数量的10 倍。这个数字也被称为“阿伏伽德罗常数”，是以意大利科学家阿莫迪欧·阿伏伽德罗的名字命名的。阿伏伽德罗认为，在温度和压力不变的情况下，一定体积的气体总是包含相同数量的原子或分子。因此，4.5 升的氢气和4.5 升的氧气含有相同数量的原子。然而，4.5 升氧气的质量是4.5 升氢气质量的16 倍。使用阿伏伽德罗常数、相对原子质量和分子量，化学家可以很容易地算出给定样品中原子或分子的数量。

试试这个

有多少个分子？

水的分子量为18。1 摩尔水的质量为18 克。你可以用这个来计算一杯水中有多少个分子。在厨房的电子秤上称出一个空杯子的质量，以克为单位可以使计算更容易。向杯子中倒点水，看看它有多重。这两个数的差值就是水的质量。用这个数除以18 就可以得到杯子里的水的摩尔数。然后，用得到的摩尔数乘以阿伏伽德罗常数，便可计算出其中的分子个数。如果水的质量是36 克，即两摩尔的水，则这些水中共含有1.2044×10 ²⁴ 个水分子。 vMF0ETZEyolcbsP4zOt3/1pzup8MeIc5YkeEzVW0vhwNDubMtK0Dl68oGAHYy5ru