原子，分子，元素，化合物

原子是你周围一切事物的组成部分:你正在看的屏幕、你的学习桌、你的书等等。这就是大自然的惊人力量和这些粒子的基本特性。尽管发现了电子、质子和中子等亚粒子，但原子仍然是基本粒子，因为它是人类可以计算和模拟的显示元素化学性质的最小单位。

化学本质上是研究物质及其在日常活动中所经历的变化，如烹饪，更复杂的过程，如光合作用。从本质上说，化学的核心是研究世界各地的变化。让我们讨论一下原子、分子和它们所构成的物质——元素和化合物的一些基本概念。

如前所述，原子是一种元素的最小组成粒子，它具有元素的化学性质，也能参与化学反应。原子非常小，它们的大小约为一埃。 $\大(1$埃 $文本(\{一}^{\保监会})= 10 ^ {-10}{m} \文本。\大)$尽管现在可以用非常先进的显微镜进行可视化，但还没有人真正看到过原子。最初的研究表明它是球形的。然而，最近被广泛接受的量子力学模型表明，它没有固定的形状或结构。(为了方便起见，我们假设它是球形的。)这是由于测不准原理，正如维尔纳·冯·海森堡所证明的，通常被称为海森堡不确定性原理．

“原子”这个词源于希腊语动词“temnein”，意思是“切割”。因此，原子是指不可分割的东西。道尔顿提出原子理论时，人们认为原子是不可分割的，因此得名原子理论。但后来人们发现原子被细分为更简单的部分。这些较简单的部分被称为亚原子粒子。根据标准原子模型，有12个费米子(具有分数自旋)，4个规范玻色子(具有完全整数自旋)和希格斯玻色子。

费米子包括夸克和轻子:

• 夸克:夸克有6种味道(意思是类型，但在量子力学的语言中，是味道)，反物质中夸克和它们的对应物。但是反物质的讨论不是这里的主题。当夸克被胶子结合时(请阅读下文了解它们是什么)，就会形成强子。最稳定的强子是质子和中子。夸克越小，质量越大。夸克有3代:

  • $1 ^ \文本{圣}$-代夸克(最稳定):包括上夸克和下夸克。
    $\ qquad$上夸克:上夸克带电荷 $+ \压裂{2}{3}$它是所有夸克中质量最小的。
    $\ qquad$下夸克:下夸克带电荷 $- - - - - - \压裂{1}{3}$和上夸克的质量差不多。
    $1 ^ \文本{圣}$-代夸克是1夸克 $大(10 ^ \ {-18}$计 $\大)$大小。质子和中子都有3个价夸克。
    $\ qquad$(1个质子)=(2个上夸克)+(1个下夸克)+(夸克-反夸克对)。分数电荷加起来是+1。
    $\ qquad$(1个中子)=(1个上夸克)+(2个下夸克)+(夸克-反夸克对)。分数电荷加起来是0。 $$

  • $2 ^ \文本{和}$-代夸克:包括奇异夸克和魅力夸克。它们很快就会腐烂成 $1 ^ \文本{圣}$代夸克。

    • 奇异夸克:有一个电荷 $- - - - - - \压裂{1}{3}$．比粲夸克大，因此质量比它小。质量是上下夸克的50倍。奇异物质由上、下、奇异夸克和夸克-反夸克对组成。
    • 魅力夸克:比奇异夸克质量大。有…的责任 $+ \压裂{2}{3}$．

  • $3 ^ \文本{rd}$-代夸克:上夸克和下夸克

    • 顶夸克:有电荷 $+ \压裂{2}{3}$．迅速衰变为其他夸克。这种粒子是不可能检测到的。这是通过观察衰变产物发现的。
    • 底夸克:带电荷 $- - - - - - \压裂{1}{3}$．所有夸克中质量最大的夸克。它也会很快腐烂。
      佩吉让人看了他的实验。

• 轻子:有电子，介子，牛子，电子中微子，介子中微子和中微子。所有轻子的自旋都是 $\压裂{1}{2}$．不是中微子的轻子的电荷是-1。中微子的电荷为0。

玻色子:玻色子是任何符合玻色-爱因斯坦统计的粒子。标准模型中的玻色子包括光子、胶子、Z玻色子和 $下午\$W玻色子。玻色子“套利”的力量。光子携带电磁辐射。胶子承载着强大的力量。±W玻色子及其反粒子Z玻色子携带弱力。所有玻色子都有整数自旋。希格斯玻色子自旋为0，奇偶态为偶数。它产生了希格斯场，阻止所有粒子以299,792,458米/秒的速度运动。相互作用的量叫做质量。

关于原子的结构有许多理论。下面是一些最重要的。

性的模型

汤姆森使用了一个类似于克鲁克的安瓿瓶，但带有穿孔阳极和一套形成电场和磁场的设备，成功地发现了电子的负载/质量关系。

汤姆逊提出了原子结构的基本概念。他称之为葡萄干布丁模型，其中坚果显示了带负电荷的粒子。

他提出以下要点:

1. 原子由一个原子组成带正电的球体和带负电荷的粒子被嵌入其中。
2. 带负电的粒子和带正电的粒子同样的大小，即原子是电中性的。
3. 该模型的一个重要特征是假设原子的质量均匀分布在原子上。

这种模式有严重的缺陷;但下一个模型证明了这是一个错误的概念，因为它无法解释欧内斯特·卢瑟福在1911年进行的金箔实验的结果。

卢瑟福模型

他做了一个非常著名的实验，金箔实验或的 $\α$粒子散射实验．在这个实验中，他在薄金箔上轰击阿尔法粒子。他认为α粒子会被金原子偏转，因为他认为金原子是带正电的球体。此外，他认为物质是由原子构成的，原子中没有空间。把它想象成一排弹珠，一个挨着一个。有了这个想法，所有的α粒子都应该反弹回来。

令人惊讶的是，只有一个 $12000$ $\ propto$粒子反弹。很少有被某些角度偏转的。因此他得出如下结论:

1. 带正电荷的球，也就是原子核，非常小而且密集，位于中心，大部分空间是空的。
2. 电子以非常高的速度在圆形轨道上绕着原子核运动。
3. 几个带正电的 $\α$粒子偏转。偏转一定是由于巨大的排斥力，这表明原子的正电荷并没有像汤姆逊假设的那样分布在整个原子中。正电荷必须集中在小体积内。原子核的大小非常小，也就是说，原子中的大部分空间是空的。 $（$原子的一埃， $10 ^ {-15} {m} \文本$对于原子核，这意味着原子核比原子小100000倍 $．）$

但后来他的第二个结论没有被接受，因为如果电子做圆周运动，它们一定会消耗能量，最终会落入原子核中，这意味着原子是不稳定的。几年后，尼尔斯·玻尔提出了一个正确解释稳定性的新模型。尽管这个模型在基本方面是正确的，但它也存在根本性的问题。首先，它没有解释为什么k能级只有2个电子。

波尔的模型

他解释了前一种模式的缺点。他提出以下建议:

1. 电子在离散轨道上旋转，这有助于克服能量损失。
2. 它们在这些轨道上不辐射能量。因此它们是稳定的。
3. 角动量是量子化的。

轨道是什么?

量子力学模型是一种现代概念，用来解释原子的结构，并根据在原子核周围的空间中发现电子的概率来描述原子中电子的状态。这引出了轨道的概念。

轨道

它被定义为“原子核周围空间中发现电子概率最大的三维区域”。

经典的轨道概念，例如行星围绕太阳旋转的概念，在原子世界的量子力学描述中被放弃了。我们只知道在哪里找到电子的可能性很大。我们不能再精确地确定电子的位置(也不能确定质子和中子的位置……)，但我们可以定义一个概率函数，让我们很好地知道它应该在哪里。因此，轨道是发现电子的概率最高的区域。电子可以在原子中的任何地方移动，甚至在原子核内，理论上甚至可以在宇宙的另一端，但90%的可能性是，它是在原子核周围的一个小的特定空间区域中被发现的，而这个区域就是“轨道”。

这个想法从根本上改变了我们的观点，甚至到了爱因斯坦自己都怀疑这个模型的程度。他愿意认为这是一个正确但不完整的模型。我们只能从统计上获得关于量子力学性质的信息，这一基本概念从根本上改变了牛顿过去坚持的决定论观点。甚至相对论也是完全确定的。

然而，到目前为止所进行的所有实验都强化了量子力学，我们甚至有充分的理由相信伟大的大师自己的怀疑是错误的。

最后，经过多次争论，玻尔的模型被接受为普遍模型。现在让我们看看原子的最终结构和组成部分。亚原子粒子主要有三种——电子、质子和中子。质子和中子一起形成原子核，因此被称为核子。

的质子都是带正电荷的 $+ 1.6 \ * 10^{-19} \text{C}$,而中子不收取任何费用。

的电子另一方面，它们都带负电荷。他们承担着……的责任 $- 1.6 \times 10^{19} \text{C}$．一个原子包含相等数量的质子和电子，因此使整个原子呈电中性。

中子比质子稍重，它们加在一起构成超过 $99$原子质量的%这是因为电子的质量大约是 $\压裂{1}{1837}$乘以质子的质量。

根据量子力学理论，原子没有特定的形状或结构。带正电的原子核在中心被电子云包围。使用这种术语时要记住海森堡测不准原理和电子的波粒对偶性质。

带负电的电子云主要靠吸引的静电力保持在靠近原子核的位置。云也没那么近。事实上，它是非常普遍的。据估计，原子核的大小大约在 $10 ^ {5}$乘以整个原子的能量。这意味着所有的质子和中子都紧紧地包裹在一个球体中，球体的大小约为 $10 ^ {-15} {m} \文本。$那么是什么使原子核中的质子保持在一起呢?

他们是更强大的短程核力量。要粗略估计它们的强度，只要试着计算两个质子在分离时的库仑斥力就可以了。在现实中，分离要小得多。

原子序数

原子序数就是原子核中存在的质子数。它用“Z”表示。对于中性原子，它是指原子中质子或电子的数量。

原子质量数

原子质量数是原子核中质子数和中子数的总和。它用'A'表示。

一种元素的原子核有11个质子和12个中子。求该元素的原子序数(Z)和原子质量数(A)。

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我们有

• 原子序数(Z) =质子数= 11
• 原子质量数(A) =质子数+中子数=11 + 12 = 23。

因此，该元素的原子序数(Z)和原子质量数(A)分别为11和23。 $_ \广场$

一般来说，原子似乎是外向的。它们可以很容易地相互结合，形成更复杂的粒子，称为分子。分子是由化学键连接在一起的原子团，不带净电荷。分子可以简单地定义为原子在自然界的存在方式．

一般来说，分子是能够代表化合物化学性质的最小实体。用化合物来定义一个分子，然后用分子的概念来定义一个化合物，这是很奇怪的，但它们是如此相互联系，很难找到独立的定义。(当化合物被定义时，图就清晰了。)所以，基本上，分子是所有东西的基本单位——你周围看到的所有东西，你能想到的所有东西。

当两个或两个以上的原子在一定条件下发生反应和化学结合时，分子就形成了。分子可分为核而且杂核．从名字本身就可以明显看出这一点。

一个同核分子当组合的原子是同一元素时形成的。例如，两个氢原子结合在一起形成一个稳定体同核分子,di-hydrogen $(\文本{H} _2)$．

在类似的情况下，a杂环的分子由不同元素的原子组成。例如，当两个氢原子和一个氧原子化学结合时，它们就形成了一个稳定的结构杂环的化合物,水 $({H} _2 \ \文本文本{O})$．

分子也可以根据原子间的相互作用，即原子间化学键的性质来分类。它可以是共价的，即两个相互作用的原子的电子云有重叠，重叠电子之间的相互作用增加，降低了系统的能量，使其保持完整。它也可以是离子，其中一个原子失去一个电子变成带正电的离子，而另一个相互作用的离子得到一个电子变成带负电的离子，这些离子通过静电力聚集在一起。

分子之间可以相互反应形成不同的分子，从而形成不同的化合物。因此，通常参与化学和化学反应的是分子，而不是原子。

下列哪一种化合物不是分子?

${数组}{c} & \ \开始文本{(A)} \ ce {H_2O} &&& \文本{(B)} \ ce{氟化钠}&&& \文本{(c)} \ ce{二氧化碳}&&& \文本{(D)} \ ce {NH_3} \{数组}结束$

---

答案是B，原因是任何带有离子键的化合物都是不分子。

• 在 $\ ce {H_2O}$,氧原子 $\ ce {O}$有两种不同的氢原子共价键吗 $(\ ce {H-O-H})。$因此它是一个分子。
• 在 $\ ce{二氧化碳}$,碳原子 $C \ ce {}$氧原子有两种不同的双共价键吗 $(\ ce {O = C = O})。$因此它是一个分子。
• 在 $\ ce {NH_3}$、氮原子 $\ ce {N}$有3个不同的共价键和3个不同的氢原子。因此它也是一个分子。
• 在 $\ ce{氟化钠}$,钠原子 $\ ce {Na}$和氟原子有离子键吗 $(\ ce {Na-F})。$因此,它的不一个分子。

• 道尔顿原子模型

• 杂交

• 八隅体规则

• 路易斯结构