化学相关:我们需要更深入些

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标题在玩梗。(出处很显然,就不标注了)

人们总想着“透过现象看本质”。于是,显微镜,各种显微镜,越放越大,越放越大。人们还想着“透过本质得现象”,然后就失败了,因为“微观现象”不等同于“宏观现象”的分解。

物理上我们学过,物质由分子/原子构成,而反映到化学上,我们之前学过的物理变化与化学变化也可以用微观的分子理论来解释。

但是现在讲了两个段落了,好像和生活还没什么关系。其实生活中的各种现象也可以用分子动理论来解释。

比如说,花坛里的花香,湿衣服变干,糖水,等等等等,都是分子动理论的结果。

一、分子与原子

物质由微观粒子构成,比如分子、原子等。

原子可以直接构成物质,也可以构成原子,由分子再构成物质。

大多数物质由分子构成,比如说:

  • 水由水分子构成
  • 氧气由氧分子构成

但是所有的金属与稀有气体等直接由原子构成。如:

  • 铁由铁原子构成
  • 氦气由氦原子构成

通常分子的质量和体积都很小。例如,一个水分子的质量约是 3\times 10^{-26}\, \mathrm{kg},一滴水(此处以20滴水为 1\,\mathrm{m\ell} 计)[1]中大约有 1.67\times 10^{21} 个分子。

[1]:国际单位制中,升的符号大写且不用花体,这里仅仅是为了区别小写L。日本、韩国等仍使用这个符号。

分子之间存在间隔。一般来说,不同状态的物质,分子间隔大小不同。通常来说,固体物质的分子的间隔最小,其次是液体,最后是气体。

物质三态的变化,就是分子间隔的改变。

分子间隔的大小,由温度和压强影响。一般地,温度越高,分子的间隔越大,也就是通常所说的“热胀冷缩”。而对于气体,压强越大,分子的间隔越小。

分子在永不停息地做无规则运动,也就是,分子在不断地运动。花香在空气中的扩散、湿衣服中的水在晾晒下的挥发、品红在水中的扩散等等都是分子运动的结果。一般地,温度升高,分子运动越快。

由分子构成的物质在发生物理变化时,分子本身没有发生变化。比如说,水在蒸发时,它只是从液态变成了气态,而水分子没有变成其他的分子,它的化学性质也没有改变;当品红溶于水时,品红分子和水分子都没有变成其他分子,它们的化学性质也各自保持不变。

但是,由分子构成的物质在发生化学变化时,一种物质的分子会变成其他物质的分子。例如上一节课中,我们在实验室里用过氧化氢分解制取氧气时,过氧化氢分子就变成了水分子和氧分子,而水分子和氧分子是与过氧化氢分子不同的分子。

再比如说,氢气在氯气中燃烧时,氢分子和氯分子都发生了破裂,氢原子和氯原子重组,生成了氯化氢分子,氢气和氯气的性质也不再保持。我们知道,氯化氢气体溶于水就是盐酸,而氢气和氯气没有这种性质。

即,由分子构成的物质,分子是保持其化学性质的最小粒子。也就是,化学变化中,分子可分。

而同种分子化学性质相同,不同种分子化学性质不同。比如说,气态二氧化碳与干冰(即固态的二氧化碳)的化学性质相同。而水与过氧化氢的分子不相同,化学性质也就不相同。

由上述结论,我们可以知道,在化学变化中,原子不可分。

从微观的角度分析纯净物与混合物,我们可以知道,纯净物只含一种分子,而混合物含有多种分子。

二、原子的结构

原子由两部分构成,原子核与核外电子。原子核由质子和中子构成,而每一个质子带一个单位的正电荷,每个电子带一个单位的负电荷,中子不带电。

同一分子中,质子数等于核外电子数,而质子数不一定等于中子数。不同种分子的质子数不相同。氢原子核(指piē原子核)内无中子。

氕原子?

氕,即 \rm {^1}H\rm H,氢的同位素之一,相对原子质量为1。它主要分布于水及各种碳氢化合物中,是氢的主要稳定同位素,两个氕原子可以组成一个氢分子。其天然丰度为99.985%,按原子百分数计,它是宇宙中最多的元素之一。

由于原子核内的质子所带的电荷与核外电子的电荷数量相等,电性相反,因此原子不显电性。

由于原子的质量太想我们就以一个 \rm {^{12}}C 原子质量的 \dfrac{1}{12} 作为一个标准,这个量约为 1.66\times 10^{-27}\, \mathrm{kg}。相对原子质量(记作A_{\mathrm{r}})就等于原子的质量比上这个标准。

例:计算氢原子的相对分子质量。

A_{\mathrm{r}}\left(\mathrm{H}\right)=\dfrac{1.67\times 10^{-27}\,\mathrm{kg}}{1.66\times 10^{-27}\,\mathrm{kg}}\approx 1

注意,相对原子质量是一个比值,单位为1,省略不写。

粗略地来说,相对原子质量等于质子数加上中子数。因为电子的质量是质子质量的\dfrac{1}{1836},所以计算中忽略不计,因而相对于标准也可以忽略不计。

也就是说,等质量的镁(相对原子质量为24)与铁(相对原子质量为56),镁中的镁原子数量多。

核外电子又是怎么排布的呢?

第一层最多排两个电子,第二层最多排八个电子,……,第n层最多排 2n^2 个电子,最外层最多排八个电子。先排能量低的电子层,再排能量高的电子层。

但是由于一些原因(这里不做解释),你需要记住,钾、钙原子的最外层电子,从内到外,分别是2-8-8-1,2-8-8-2。

一般的来说,元素的化学性质与最外层电子数关系密切。金属原子的最外层电子数小于四,容易失去电子,非金属原子的最外层电子数大多数大于等于四,容易得到电子,都不稳定。而稀有气体原子的最外层电子数,除氦(为两个)以外都是八个,不易得失电子,因而较为稳定,这也是稀有气体的旧称,惰性气体的由来。但是稀有气体元素也可以有对应的化合物,比如二氟化氙(\rm XeF_2)。

一般地来说,最外层电子数相同(除氦以外)的元素的化学性质相似。

三、离子

离子是带电的原子或原子团。即,其他带电粒子不是离子。

部分化学反应会生成离子。以钠在氯气中的反应为例,钠原子最外层有一个电子,氯气分子中的氯原子最外层有七个电子。反应时,钠原子最外层的一个电子(记作 \rm e^-)就被氯原子拿走了,这样,两个原子的最外层都变成了八个电子,变成了钠离子和氯离子。但是相应地,钠离子的原子核内的质子就比最外层电子数多一个,氯离子少一个,于是钠离子带一个单位的正电荷,记作 \rm Na^+ ,氯离子带一个单位的负电荷,记作 \rm Cl^- 。由于静电作用,它们互相吸引,于是变成了氯化钠,不显电性。

由上述例子,我们可以知道,氯化钠是由钠离子和氯离子构成的。原子得失电子就变成了离子。

书写离子符号时,我们需要注意,先写元素名,在右上角先写带的电荷的数量(只带一个单位的电荷时一定省略不写),再写电性,比如 \rm R^{n+}\rm R^{n-}

总结一下,分子可以构成物质,原子可以直接构成物质,或者先构成分子,再构成物质。原子可以得失电子形成离子,由离子再构成物质。

四、元素

元素是质子数(即核电荷数)相同的一类原子的总称。也就是说,元素的种类,是由质子数决定的。元素是宏观概念,不可以讲个数。比如说蛋壳、贝壳和石灰石的主要成分都是碳酸钙(\rm CaCO_3)。而碳酸钙是由碳、氧、钙这三种元素组成的。再例如,氧气、二氧化碳的组成和性质都不相同,但它们都含有氧元素。

在化学反应中,原子的种类不变,也说明元素的种类不变。

各种元素在地壳里的含量从高到低,前五位分别是:氧(\rm O)、硅(\rm Si)、铝(\rm Al)、铁(\rm Fe)、钙(\rm Ca)。

元素符号的含义有很多。比如说,\rm Fe 的含义,在宏观上表示铁元素,或者铁这种物质(结合所学,说说为什么?),微观上表示一个铁原子。生活中我们所说的加碘盐,高钙奶,富硒康,当中的这些碘、钙、硒,都是指元素。

元素周期表略过不讲。

由于版权原因,我无法附上常见的元素名称,对应的符号和相对原子质量表,敬请见谅。做试卷时,卷首会标有本次考试会用到的相对原子质量,所以不用去刻意的背记。

下一期讲水,记得来看。

Lake桑

2019.1.12

发布者

lakejason0

日常潜水~ Blog:https://lakejason0.wordpress.com

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