宇宙中所有的物质都是由原子构成的,物质的种类有无穷多,但构成它们的原子种类却很少。
◎原子的种类
地球的自然界中存在的原子有90多种,除此之外也有人类人工合成出的原子,包含这些也仅有118种原子。
把所有的原子汇整在一览表上的表叫作元素周期表(如图9?7所示)。元素周期表是按照原子的原子序数(大小)顺序排列的,并在合适的位置另起一行。元素周期表的最上方有1~18个数字(族编号),这相当于日历上的星期。例如,族编号1下面的原子可以叫作1族原子,同族原子有相似的性质,族编号18下面的原子也是如此。
◎元素周期表和元素的性质
通过元素周期表可以推测出原子的性质。虽然数量不多,但原子中也有气体原子。除氢原子以外,这些气体原子都集中在周期表的右端。
原子分为如铁、铜、金等的金属原子,和除此之外的非金属原子。非金属原子除了原子序数为1的氢原子(H)以外,都集中在元素周期表的右上部分。非金属原子包含氢原子在内也仅仅有22种,剩余的将近70种自然界中存在的元素都是金属原子。但所有的生命体都是以非金属原子为主体构成的,由此可见,生命体在自然界中是多么特殊的存在。
能够发生原子核反应,为核反应堆提供燃料或为核弹提供原料的元素钍(Th)、铀(U)、钚(Pu)等的原子都集中在元素周期表的最下方,是锕系原子的成员。也可以说集中了原子序数大,或者说“体形”大的原子。
综上,元素周期表清楚地反应了原子的性质、反应性等。
◎相对原子质量
原子是非常小的物质,测量一个原子的重量是非常不现实的,因此规定了各个原子的相对重量,并把它叫作原子的相对原子质量。一些主要原子的相对质量如H=1、C=12、N=14、O=16。数字非常简单,记忆起来应该也不用太辛苦,记住相对原子质量也会比较方便。
单个的原子虽然非常轻,但很多个原子聚集在一起的话也有一定的重量。虽然数量会非常庞大,但只要聚集一定数量的原子,这个原子团的重量就等于原子的相对原子质量(数字后面加重量单位克)。[1]
图9-7 元素周期表
图9-7 元素周期表(续)
①原文为:“卑金属元素”,中文为“贱金属元素”,但此处介绍的是“非金属元素”,因此译者根据上下文逻辑,将其译为“非金属元素”。——译者注
◎相对分子质量和气体的重量
和相对原子质量一样,分子也有相对质量的定义,叫作相对分子质量。具体来说,相对分子质量等于构成分子的各原子的相对原子质量之和。
例如,氢分子H2的相对分子质量就是1×2=2,水分子H2O的相对分子质量是1×2+16=18,二氧化碳分子CO2的相对分子质量是12+16×2=44。空气是氮气和氧气4∶1混合的混合物,(平均)相对分子质量一般认为是28.8。并且同原子一样,1摩尔的分子质量也等于相对分子质量(数值后面加质量单位克)。
相对分子质量对气体的重量有重要的意义。气体也是分子的聚集,也会有质量。因为1摩尔的气体质量数和相对分子质量一样。[2]在0℃,1个大气压的条件下,22.4升的氢气(H2)的质量是2克,氦气(He)的质量是4克,天然气甲烷(CH4)的质量是16克,水蒸气(H2O)的质量则为18克,氮气(N2)的质量是28克,空气的质量是28.8克。
由此可见,上述气体都要比空气轻,因此它们会向上浮。
而氧气(O2)的质量为32克,二氧化碳(CO2)的质量为44克,硫化氢(H2S)的质量是34克,氯气(Cl2)的质量是71克,它们都比空气重,因此会沉积在地面附近。
[1]此时的原子个数为6×1023,因为是化学家阿伏伽德罗发现的,因此被命名为阿伏伽德罗常量。1个阿伏伽德罗常量集团被称为1摩尔。
[2]与气体的种类无关,1摩尔的气体在0℃、1个大气压的条件下体积是22.4升。