原子的结构

原子的组成部分

每个原子都有三种粒子:

质子:带正电,位于原子核(中心)

中子:不带电,同样位于原子核中

电子:带负电,在电子云中围绕原子核运动

与整个原子相比,原子核小得惊人。如果把原子放大到足球场那么大,原子核只相当于中圈线上的一颗弹珠,而电子则像一群蚊蚋,在看台上层嗡嗡地飞。

关键事实在这里:质子数决定一个原子属于哪种元素。这个数目称为原子序数。

每个氢原子都恰好有 1 个质子。每个碳原子都恰好有 6 个。每个金原子都恰好有 79 个。

改变质子数 & 元素就彻底改变。

什么造就一种元素?

金有 79 个质子。铁有 26 个质子。它们外观不同,手感不同,表现也不同。

但它们都只是质子、中子 & 电子的集合。

门捷列夫的地图

科学中最强大的速查表

1869 年,俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫做了一件了不起的事。他把已知元素写在卡片上,按原子量排列。

他发现,性质相似的元素会按固定间隔反复出现:这就是周期性规律。

他把元素排成一张表,有行(周期)与列(族)。

最精彩的一步:门捷列夫留下了空位。他预测,尚未发现的元素会填满这些空位,而他说对了。几年后,人们发现了镓和锗,它们与他的预测几乎完全吻合。

周期(行):每一行代表一个新的电子层正在被填充。

族(列):同一列的元素外层电子数相同,因此它们的性质也相似。

元素周期表大致分为金属(左侧和中部:有光泽、能导电、有延展性)、非金属(右上部:气体和易碎的固体)以及类金属(沿阶梯线分布:兼具两者的性质)。

此外还有最右侧一列的稀有气体:氦、氖、氩。它们的外层电子壳层已经填满,所以几乎不与任何物质发生反应。它们是元素周期表中的"独行侠"。

周期表中的规律

锂、钠和钾都位于元素周期表的第 1 列。这三种都是柔软的金属,遇水会发生剧烈反应。

氟、氯和溴都位于第 17 列。这三种都是反应性很强的非金属,很喜欢从其他原子那里夺取电子。

原子如何连接

原子为什么成键

大多数原子单独存在时并不稳定。它们渴望拥有充满的最外层电子壳层,就像稀有气体那样。

为了达到这个目标,原子主要通过两种方式与其他原子成键:

离子键:一个原子将电子转移给另一个原子。

食盐(NaCl)是最经典的例子。钠的最外层有 1 个电子,它想失去这个电子。氯的最外层有 7 个电子,还想再得到 1 个。钠把电子交给氯。现在两者的最外层都充满了:但钠因失去一个电子而带正电,氯因得到一个电子而带负电。异性电荷相互吸引,它们便紧紧结合在一起。

共价键:原子共用电子。

水(H₂O)就按这种方式形成。氧还需要 2 个电子,每个氢有 1 个电子可以共用,所以氧与两个氢共用电子。没有谁失去什么,它们彼此合作。

离子化合物往往形成晶体,并且能溶于水。共价化合物往往形成分子:像 H₂O 或 CO₂ 这样的独立单元。

盐为什么会溶解

把一粒盐晶体投入一杯水中,它会消失。固体碎裂开来,钠离子 & 氯离子散布到整杯水里。

这是因为水属于极性分子:氧的一端带微弱的负电,氢的两端带微弱的正电。

什么是化学反应?

反应物变成生成物

当原子重新排列化学键、形成新物质时,就发生了化学反应。

起始的物质叫作反应物,反应的结果叫作生成物。

有一条绝对的规则:化学反应中,原子既不会被创造,也不会被毁灭。这就是质量守恒定律。进入反应的每一个原子都必须出来,只是重新排列了而已。

反应可以是放热反应(释放能量:火、爆炸、暖手宝),也可以是吸热反应(吸收能量:冷敷包、光合作用、煎熟鸡蛋)。

化学无处不在:

- 生锈:铁 + 氧 → 氧化铁。反应缓慢,放热。

- 燃烧:燃料 + 氧 → 二氧化碳 + 水。反应迅速,大量放热。

- 光合作用:二氧化碳 + 水 + 阳光 → 葡萄糖 + 氧气。吸热反应:植物把太阳的能量储存在化学键里。

这些反应无一例外,都只是原子断开旧键 & 形成新键。

铁锈的化学原理

你可能在旧汽车、旧工具或旧钉子上见过铁锈。铁锈形成得很慢,但它是一种真正的化学反应。

化学方程式为:4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃

读作:四个铁原子与三个氧分子反应,生成两个单位的氧化铁(铁锈)。

生活中的化学

你就生活在一座化学实验室里

化学不只发生在烧杯里。它无时无刻不在你身边发生。

烹饪：煎肉或烤面包时发生的就是美拉德反应：氨基酸与糖重新组合，生成数百种新的风味化合物。

医药：每一种药物都是一个分子，其设计恰好能嵌入你体内某个特定的受体，就像钥匙插入锁孔。

材料：你正在阅读的这块屏幕之所以存在，是因为化学家找到了制造液晶、半导体 & 聚合物薄膜的方法。

电池：你的手机靠锂离子化学运行：锂原子在电极之间来回传递电子。

你的身体：此刻，你细胞中的酶正在每秒催化数千个化学反应：分解食物、合成蛋白质、复制 DNA。

每一种材料、每一种药物、每一项技术，都可以追溯到原子形成化学键。

轮到你了

把化学和你的世界联系起来

你现在已经了解了原子、元素、化学键 & 化学反应。你掌握了这些词汇，可以描述事物从何而来，以及它们为什么会有这样的表现。