无机化学（第四版）（上册） 北京师范大学等编 高等教育出版社.pdf

绪论化学的研究对象指化学试什么是化学？通常说：化学研究物质的组成、结构、性质与变化的规律。这种说法太宽泛。首先，化学并不研究所有的物质，如电磁波、电磁场、引力场、电子、中子、质子、原子核、夸克、等等，都是物质，化学并不研究；其次，化学也不在所有层次上研究物质。宇观物质（宇宙、星云、星体、星际云）、宏观物质（地球、城市、亭台楼阁、红砖绿瓦等等）、介观物质（光学显微镜尺度、微米尺度、纳米尺度的物质）和微观物质（分子、离子、原子、亚原子微粒、）属于不同的物质层次，并非都是化学的研究对象。可见，必须对上述说法中的“物质”和“物质的层次”作出必要的限制和说明，才能搞清什么是化学。英文是“。过 去，化学研究的是化学物质。现代汉语词典里没有这个复合词。这个术语的，更常见的是“，因此，按其内涵，这个词应译为“化学物质”。宏观地剂或化工产品（化学品），现在，其词义早已扩大。水、空气、动植物、矿物等等自然物质，都是“看，化学物质构成了物体（气、液、固等），举例说，玻璃杯、玻璃板、玻璃纤维、是物体，而构成它们的玻璃是化学物质；微观地看，化学物质的最低层次是原子（包括原子发生电子得失形成的单原子离子）。比原子更低的物质层次，如电子、质子、中子以及由质子和中子组成的原子核可总称亚原子微粒，我们就可以说，化学研究分子的，就不是化学研究的对象了。比原子高一个层次的化学物质是原子以强相互作用力（通称化学键）相互结合形成的原子聚集体。如果把所有单独存在的原子和所有原子聚集体都称为“分子”年前建立的传统组成、结构、性质与变化。这里的“分子”概念显然已不同于的“分子”就是这个意思，本质上是核概念，即中学教科书里说的保持物质性质的“最小”微粒，它既包括各种单原子分子（如稀有气体原子）、各种气态原子或单核离子，也包括以共价键结合的传统意义的分子，还包括离子晶体（如食盐）、原子晶体（如金刚石）或者金属晶体（如铜）等的单晶（其晶粒可大可小）以及各种聚合度不同的高分子。如今人们所说的“分子层次”电子体系。研究原子的化合恩格斯在自然辩证法里曾把化学定义为关于原子的科学与化分，实质上是指原子之间的强相互作用力的形成和破坏，或者说分子的形成和破坏，所以，本质上仍是指分子层次。价的离子又与十二面体以离子键键相互结合形成十二面体，缩合反应放出子层次（，它是一个巨大的十二由小分子组装而成的具有一定高级结构的巨分子有时也称为“超分子”。图图在内）为相力，包括范德华力和氢键等）相联系，并且通过所谓“自组装”）成某种高级结构。通常人们所指的超分子是上述第二种含义。近年来，人们普遍认为，超分子这种分子以上的层。亚分子（有时，人们把比分子低一个层次而比原子高一个层次的物质层次称为亚分）是化学研究的对象，这容易理解，因为它们的变化正是原子的化合与分解，在这个意义上，亚分子层次不必另作一个层次来定义，可以归于分子层次；但也不能太绝对，例如，有的人专门研究分子的“碎片”，研究“分子片”、“分子瓣”等分子的结构单元，你便可以说，他们在研究亚分子层次。它 的）同义，它们是单一的比分子高一个层次，是超分子层次。什么是超分子（内涵有二。其一似与很大的分子，即巨分子（便是一例分子，它们的原子之间以强相互作用力结合，但它们是由许多小分子合成的，而且具有某种特殊的高级构型或结构。图中的十二面体是个 负 离 子，相对分子质量达，直 径 达年合成的迄今最大的非生物高分子，化学式（包括当于小蛋白质分子的尺寸，右图是其原子堆积模型）构 筑（面体，每条棱和每个顶角都分别是同一种小分子单元，它们通过缩合反应以共价结合。超分子的另一含义是若干个分子以弱相互作用力（通常称为分子间作用或“自组织”次是世纪化学的重要研究对象。长期以来，人们以为，只有活的生命体才具世纪化学展望化学工业出版社，基金委编见：中国科学院与自然科学超分子构成高级结构，是近年来的事情，为与分子结构相区别，被译为“构筑”以为词根的术语在地质学等较高层次的学科中是不少的，一般译为“构造”。用该词表述世纪初的新旧千年之交的历史世纪末图分 子 自 组 装扫描隧道显微镜揭示苯乙烯分子吸附在硅晶体表面上发生自组装，分子的苯环取向一致，将苯乙烯构筑成密堆积的“超分子”综上所述，化学是研究分子层次以及以超分子为代表的分子以上层次的化学物质的组成、结构、性质和变化的科学。我们这里把超分子作为分子以上层次的代表，这是一个历史观念，适合于时期。就目前情况而言，再高的层次是其他科学的研究对象了，尽管它们在研究中不乏利用化学的思想和方法，却已不是化学。例如：细胞的组成、结构、性质和究对象。在变化，是生物学的研究对象；硅制成的集成电路芯片的结构、性能，是物理学的研世纪，科学的综合将大大加强，例如，河流筑坝截流引起泥沙凝聚。沉降，化学家只能参与多学科研究小组而不能独立地进行研究。至于较远的将来，究竟化学研究的分子以上层次还将如何向上扩展，以什么为代表，尚不能作出预言年第学术会议论文集和化学通讯层次。见中国化学会期。层次。他还认为泛分子有十个院资深院士徐光宪最近提出，化学的研究对象是“泛分子”的书中。另外，中科页 注载于化学研究的空白区和未来发展的前沿参阅中科院院士王夔子，有兴趣的读者可读一读该图的说明文字。超分子后才能作出科学的概括。图是生物体内的超分子的功能的一个例世纪合成更多的特殊功能。但超分子是否都必定有某种特殊功能，还有待在物体内的超分子具有许多特殊的功能。近年发现，许多人造的超分子也有某些。生特有现象。图给出了苯乙烯分子在晶体硅表面发生自组装的例子有将分子组装起来的能力。现已证实，自组装是超分子的普遍特性，不是生命的的超分子工厂制造，以供生命活动就参与反应变成来释放能量。二磷酸腺苷）不断与磷酸反应合成之需。一个葡萄糖分子代谢为分子来储存能量。一个成人平均每人将用和个每天要在体内生产出相当于体重的分子。一个马拉松赛程，一名运动员要制造分吨分子是细胞内一种叫线粒体的细胞器的膜上的一种微型工厂里制造的（图。这 个子。排列成一个及图在自然界里有许多奇妙的分子器件。我们可以举生物细胞中制造分子的微型工厂为例（三磷酸腺苷）是生物体的储能分子，当某生物化学反应需要提供能量才能发生，。微型工厂叫做，是若干个蛋白单元（图中的合成酶圈，每转一圈生产）推动的，每秒钟旋转分子。单就提出电动机转子似的超分子，这个电动机是由质子（个合成酶的质子泵理论的和解析出这个酶的蛋白质结构分别获得了的年诺贝尔“化学”奖来看，已可理解超分子已是化学的研年和究对象。化学的未来发展必将有能力制造人造的具有各种特异功能的分子器件，使化学的应用呈现一个全新的面貌的双聚体，它也有一定的结构和性质，也应认为是一种化学物种。图也都可看作一种化学物种。例如，在乙酸的蒸气里有通过氢键结合的乙酸分子等等。本质上，水合离子也是超分子。因而，扩大地看，每一种超分子把 水 合离 子 称 为 化 学物 种，例 如水 合 的（如聚氯乙烯）和天然的（如胰岛素的蛋白质单元）高分子。在分析化学中，早就）等，直至各种具有确定质量的人造的分子（）、简 单 离 子（、简 单等）、单个的离子（种化学物种，例如单个的原子（电子体系都是一）一词本是生物学术语，化学界借用了它。每一种核）一词用得越来 越普遍。物种本特征。近年来，“化学物种”在分子和超分子的微观层次上研究物质，是化学不同于其他物质科学的基，有的还有多种异构体，例如，有世 纪年。一 种，种不同对。合成酶、无数条纤维素分子整齐排列构成的纤维，等等，都可认为是化学物种。由此我们又可说：化学是一门研究分子和超分子层次的化学物种的组成、结构、性质和变化的自然科学年万化学的核心是合成，这是化学区别于所有其他科学的特色。截至月，美国化学会化学文摘登录的化学物质总数超过万，其中绝大多数是代末的每一年，在该文摘登录的新化学物质总数都超过，尤其自然界没有的人造物质。化学创造了一个人造世界。化学是一门最富创造性和想象力的科学。但不应将“合成”误解为只制造自然界没有的新物质，自然界有的，化学家也合成，如柠檬酸是天然物质，广泛存在于水果和蔬菜中，但用来配制饮料和食品添加的柠檬酸大多人造的。化学合成了许许多多天然物质是找到了自然界没有的合成方法，在这个意义上，这些由化学家合成的天然物质也是人造的。年，后来才发现自然界也有。其后合成的球碳不止近年来，先人造，而后发现自然界里也有的物质屡见不鲜。例如球碳偶然地合成于的合成开辟了一个全新的化学研究新领域，近年几乎每期国是一个系列，有大有小（图称性的异构体。年又发现了管状的碳，对应于球际化学杂志都有新的球碳衍生物报道。最早发现球碳的碳，可以称为管碳，是石墨的二维平面卷曲而成的管子，有单层的，也有多层的，一层套一层，像俄罗斯套娃。管碳的高级结构丰富多彩，有的像面包圈，有的是螺体，有的像澳大利亚土著的飞镖（飞去来器），见图等人在获碳更早年诺贝尔化学奖时曾预言，管碳找到实际用途将比球。近来还发现，许多无机化合物也可以出现俄罗斯套娃结构，如化学的定义很多，本定义用化学物质和微观物种限制了化学的研究对象，排除了光子等物质，也排除了小至细胞大至宇宙的组成、结构、性质与变化，也没有后缀“规律”一词，因化学是一门科学，既然如此，研究“规律”已隐含其中，见辞海的条目科学。化学物质总数是指美国化学会化学文摘杂志的登录号，包括单质在内，可从互联网上动态地查获严格地说，人造的天然物仍不同于 自然界造就的天然物，尽管人造的天然物可能 与天然物的组成、结构完全相同，但世界上没有绝对纯净的物质，人造物与天然物含的杂质经常是不同的，只看主成分不顾杂质有时会出现意外后果。（年，在同一个实验室里，及至）合成了钠负离子化合物（阴离子是以）可类比为代表的碳的新单质总称为汉（复数），包括球碳和管碳，我们曾建议将已经建议了一套命名系统。以译为“砆”，此字非新造，为古字新用，取“石”的偏旁以纳入化学术语已形成的体系（“火”偏旁的烷、烯、炔等是脂肪烃，草字头的苯、蒽、萘是芳香烃，而碳、磷、硫等固态非金属以“石”为偏旁）。当用“砆”为词素构成复合词时，显然要比任何多音节词好，因“砆”的衍生物越来越多，系统命名，还可扩展，如含杂原子的球碳（如砆为主词，不仅可系统对译其衍生物的之类，可称为“类砆”（可创造英含杂原子的芳香烃称为“某杂砆”（如氮杂砆），与砆的微观形貌类似的文新词如 年，大艾（等新型稀有气体化合物。又例如在三个不同实验室合成，渐渐合成了上百种稀有气体化合物，最近，甚至合成了相继子不能形成化合物的“理论”，几个月后，更简单的化合物电子壳层稀有气体原，结果合成了稀有气体的第一个化合物，破除了氧化形成与有可能把晶体相近的）预计人巴特列（年，在加拿大工作的英国能形成化合物，但没有人认真对待他的预言，到了年泡林（）已经预言稀有气体的化合物？例如，早在等，不胜枚举。一种新化合物刚刚出现时，常引起人们的怀疑，真会有这样怪异，图）等、离子液体（、笼合物（、团簇（型也花样翻新，目不暇接。近几十年来，化学新名词层出不穷，如分子树新化合物已不是单纯数量增多，类球碳的发现标志着合成化学的质变图球碳和管碳的分子模型和俄罗斯套娃。这一系列由发现发端的事件十分典型地显示了化学的特色和魅力的新化合物，它的阴离子不是原子或原子团而是电分子树一例图（逐级连接成树杈结构的高分子）理、绿色化学（个价电合成了几十种碱金属负离子的盐，形成了一大类被命名为“碱化物”）的新化合物类型，有的甚至在常温下也是稳定的。更有甚者，他的研究小组还合成了被称为“电子盐”子，但仅只一例。世纪后半叶，化学合成的理论和方法有了长足的进步。例如，逆合成原、组合化学、分子设计有可能合成，而且很稳定，这个分子里共有）等，都是近几十年形成的新的合成原理和方法。合成方法的自动化、智能化、计算机化大大加速了合成新化合物的数量和复杂程度。目前，利用量子化学理论进行分子设计已初具规模。理论化学家预言了许多未知化合物。例如，有预言说，个锂原子键合。又有预言说，碳有可能呈现平面四边子，用于中心的碳原子与分 子设 计导 论朱龙观编著高 等 教 育 出 版 社欲较多了解分子设计的读者可读一读：俞庆森大学化学，浅谈组合化学可参读：董安钢，唐颐到化学研究的；他预言，今后每年将有心，到图左是广泛存在于生命体内的超氧化物歧化酶的一个亚单元的原子图堆积模型模拟酶的结构和图右是先进行分子设计，然后由美、意科学家合成的原子堆积模型，由结构和模型可见，它是一个组成十 分简单的配位化合物，其相对分子质量只相当于酶如图的亚单元的酶相同的生物活性，它在活，却具有体中稳定，只具有酶使超氧离子自由基歧化的催化作用），不 催化超氧离子与、过氧亚硝酸根等的反应，可保护动物机体免受损伤和炎症早在化学形成时期，分离和鉴定化学物质就已经是化学研究的主要内容之形的配位结构。图是分子设计的一个成功例子。化学理论的现状说明，认为化学是一门实验科学的观念已经过时。诚然，化学跟任何其他科学一样，始终以科学观察和实验为基础。系统的观察和实验是科学不同于其他人类活动最本质的特征。指出，世纪的化学是一门实验与理论互相推动并驾齐驱的科学。最近，年计算化学已经占大学量子化学计算中心主任美国年，估计有的化学家从实验室转移到计算中的化学研究者将进行量子化学计算。年爱尔兰人波意耳（一。普遍认为，近代化学始于发表，可大致看作鉴定的同怀疑派化学家一书。波意耳提出：化学元素是用分离手段获得的不可再分的物质。元素的这一操作性定义大大推动了化学的发展。确定化学物种的经典方法是首先借助分离手段获得尽可能纯净的状态，然后鉴定它的组成和结构。现代化学的高速发展，很大程度上得益于使用各种物理方法与先进技术进行的快速的高度自动化的分离和表征（万种化合物中筛选出一种义词）。例如，最近一家跨国化学公司的研究人员从闻之一。研究者采用的分离速度之快令人惊叹每天分离分 离；合 成；反 应；它们的相互关系。表征；设计；化学的主要分支具有降糖活性的简单天然有机物，被我国两院院士选为年国际十大科技新种化合物现代化学表征化学物质的速度、用量、方法也日新月异，已呈现不分离、在线化、实时化、微量化、自动化等现代化特征。奥运会检测违禁药物就具有这种特征。世纪在医院做过血液化验的人也会有切身体验，用几毫升血可同时检测出几十种极年代的惊人化学成就之一是，发现一氧化氮分其微量的物质。又如，子竟然有多种功能的生理活性。须知，在正常体液中，的浓度是以（纳摩尔升）计的。这就不难理解，离开高度现代化的检测手段，发现并阐明这样小的分子的超低浓度变化及其生理活性是根本不可能的。物质的化学反应（无论是合成还是分离与表征，以及研究化学物质的性质，都大量地涉及化学。对化学反应的研究，一方面是发现反应并将反应进行整理归类，另一方面是对反应的本质进行理论分析，包括对反应的可能性、方向与限度、速率与机理、反应最佳条件等的实验的和理论的分析，也包括对反应进行量子化学计算、预言和模拟。分类；应用以及性质；概而言之，化学研究包括对化学物质的结构；仪 器 分 析 的 原无机化学、有机化学、分析化学和物理化学是经典化学的四大分支。无机化学研究所有元素及其化合物，几乎与元素化学同义，但无机化学一般不研究碳氢化合物及其衍生物，后者是有机化学的研究对象。然而，无机化学和有机化学之间并无截然的界限。例如，配位化学是无机化学的一个分支，配位化合物数量巨大，但它们之所以如此多，是由于进入配位化合物结构的有机化合物（配体）品种繁多。又例如，金属有机化合物和有机金属化合物是无机化合物还是有机化合物？难说。研究它们的人有的自称是无机化学家，有的却自称是有机化学家。再例如，硅可与氢形成“硅烷”，它们跟碳氢化合物结构相似，性质却相去甚远，按结构，它们应归属有机化学，按性质，它们应归属无机化学，通常人们称它们“有机硅”。此外，有机合成的许多试剂是无机物。近年来有人主张在高校开设合成化学来合并无机化学和有机化学两门课程。分析化学主要研究化学物质的分离和表征（的实验现象、技术和理论）。但分析化学的重要分支理，基本上属于物理化学的范畴，或者说是物理化学原理的应用。物理化学，概括地说，是用物理方法研究化学。它研究化学反应的规律、化学物质的结构、结构的测定方法，化学物质和化学反应与电、声、光、磁、热等的相互关系等等，有电年代合成尼龙以来，小分子通过聚合或缩合形成的高分子世纪化学、光化学、磁化学、热化学、化学热力学、化学动力学、胶体化学与界面化学、结构化学、结晶化学，等等分支。物理化学是大学本科教学中最重要的原理课程。自科，又叫聚合物）越来越多，终于从有机化学中分离出一门新的二级学高分子化学。另外，化学工程学研究化学实验室的化学合成与化学过程放大为生产规模后出现的各种新规律。该学科可认为是化学与工程学的交叉学科，不属于纯化学的二级学科。化学与各种学科交叉，在边缘地带形成了许多新的学科，例如，地球化学、环境化学、生物化学（包括植物生理等内容时也可称为生命化学）、农业化学、工业化学，乃至天体化学和宇宙化学，还有固体化学、药物化学、核化学（放射化学与辐射化学），以及化学信息学、化学商品学、化学教育学，等等。凡以化学为主词的这些交叉学科可看作纯化学与某一学科交叉而扩大，学科的主体仍是化学，而以化学为修饰词的学科可认为以化学为主要对象的其他相应学科的二级学科。应当指出，无机化学作为高等院校课程的名称，与无机化学作为化学的二级学科，内涵并不完全相同。高校无机化学课程中有许多化学基础原理的内容，本质上属于物理化学，只是由于无机化学通常是高校一年级的入门课程，学习这些物理化学基础，不仅为学习元素化学所必需，也有助于后续课程，包括物理化学的学习。本书的物理化学内容不同于物理化学课程的内容，一般不借助微积分等高等数学，因而，本书的前三篇也可以称为普通化学。怎样学习化学动力 做任何事情都需要有动力。动力的源泉多种多样，有短暂的，也有久远的，有的有崇高的目的，也有的只是一种本能。好奇心、兴趣、爱好、责任感、敬业精神、献身精神都有可能产生学习的动力。这不是本书讨论的课题，需读者们互相交流，相互激励，特别是要联系读者本人的实际心态。阿姆斯特让（实践 英国出生的著名美国化学教育家亨利）曾对青少年说：。他生动地表达了实践出真知的真理。许多科学知识，要想真正懂得，非亲自动手不可。不做，难似上青天；做，豁然开朗，奥妙尽在其中。做与不做，有天壤之别。不久前谢世的中国核弹先驱，三次与诺贝尔奖擦肩而过的著名物理学家王淦昌先生说过，首先要敢于大胆设想，只有这样，才能创出新路，但光有新思路还不够，最重要的是“干”，要自己动手做实验，验证自己的想法。说的就是不要坐而论道，要做。学习化学必须重视实验。实践活动还包括做习题和学年作业、参加讨论与辩论、参观访问等现场教学、参与科学研究、进行文献调习题查阅中国大百科全书（化学卷）或其光盘查并做专题报告，特别是毕业论文等等不要错过任何实践的机会！课 外 读 物中国大百科全书出版社中国大百科全书（化学卷）及其版光盘（第盘）大学化学编辑部今日化学北京大学出版社，中国科学院，国家自然科学基金委世 纪 的 化 学 化 学展望业 出 版 社美布里斯罗化学的今天和明天科学出版社，版第方法 讲究方法是学习效率的重要保证。学习方法既有通则，又无定则，应不断总结和交流学习方法，选找最适合自己的学习方法位 的。尽 管 正 确 的化学作为一门自然科学，不断经历假设到验证再由验证到假设的循环学习概念和原理应把握形成概念和原理的基础和目的，否则容易钻牛角尖尊重客观事实是第一位的，任何对客观事实的理论解释都是第一理论解释可以揭示客观事实的本质，但不能用理论解释代替客观事实。客观事实总是随着人类的实践活动不断扩展的，由局部事实归纳的分类、概念、原理、理论都需要接受新的事实的考验，不符合事实时，就要发展形成新的分类、概念、原理和理论。在学习化学的过程中，应努力学习前人是如何进行观察和实验的，是如何形成分类法、归纳成概念、原理、理论的，并不断体会、理解创造的过程，形成创新的意识，努力去尝试创新并 参 与 新我们应在学习过程中努力把握学科发展的最新进展，努力将所学的知识、概念、原理和理论理解新的事实，思索其中可能存在的矛盾和问题，设计的探索。盘化学卷：阅读条目“化学”的内容。将绪论中关于化学的定义和化学的主要分支与中国大百科全书有关内容进行对比，并在课外进行讨论。讨论学习化学的目的、态度和方法。单位制的附录。翻阅本书的附录，初步理解有哪些附录，特别要熟悉有关第一篇 物质结构基础个量状态的波函数第章 原子结构与元素周期系本章第核素、同位素、同位素丰度、相对原子质量（原子量）等基本概念。其中相对原子质量（原子量）是最重要的，除此而外都是阅读材料。节讨论氢原子的玻尔行星模型，基本要求是建立定态、激发态、本章第个概念，其他内容可不作为教学基本要求。节是本章第一个重点。基本要求为：初步理解量子力学对核外电子量子数和电子跃迁第处于定态的核外电子在核外空间的概率密度分布（即运动状态的描述方法能层、能级、轨道和自旋以及电子云）；初步理解核外电子的运动状态图像和子数；掌握核外电子可能状态数的推算。本节有一段小字体，描述核外电子运动图像属于较高的教学要求，虽有助于更本质地理解原子核外电子的运动状态，但暂不掌握并不会影响对大学低年级课程基本教学内容的掌握。节是本章第二个重点。教学基本要求是掌握确定基态原子电子组第态的构造原理，在给定原子序数时能写出基态原子的电子组态，特别是价电子层构型；泡利原理、洪特规则和能量最低原理是多电子原子核外电子状态的基本规律，特别是能量最低原理，要切实把握它的正确含义。本节小字内容可不作为基本教学要求。节是本章最后一个重点，要求建立元素周期律、周期系、周期表、第个基本参数的物理意义及其周期周期性的基本概念。学过本节应能根据元素的电子组态确定它在元素周期表中的位置，反过来，也要能够根据元素在周期表中的位置写出原子的电子组态；此外，应重点掌握电离能、电子亲和能和电负性性变化规律，穿插在正文间的小字内容可不作为基本教学内容。内 容 提 要节通过回顾历史和介绍元素起源与演化讨论原子、元素、道尔顿原子论律的认识。正像文艺复兴时代的巨匠列奥那多世纪面对丰富多彩的客观物质世界，古代的希腊、中国和印度自然哲学家对物质之源提出许多臆测，它们的共同点是同时提出了物质的本原论（元素论）和微粒论（原子论）。本节介绍微粒论的基本内容。，约通过对自然现象的观察，古希腊哲学家德谟克利特（）猜测，宇宙由虚空和原子构成；每一种物质由一种原子构成，例如，水由水原子构成，铁由铁原子构成，；原子是物质最小的、不可再分的、永存不变的微粒。他甚至臆想了原子的形状和大小水原子是表面光滑的圆球因而水易于流动，油原子表面粗糙因而油流动缓慢，香气原子轻而易挥发，铁原子则重而稳固，。“原子”一词源出希腊语，原义“不可再分的部分”（希腊文“”意“非”）。中的“，意“部分”而前缀文艺复兴以后的欧洲，资本主义生产关系开始建立，生产的发展推动了科学探索和技术发明，人们要求把积累的经验和知识加以总结，促进了人们对自然规达芬奇（至说的那样：“爱好实验而没有科学知识的人，就像船上没有舵和指南针的舵手一样，他永远不知道船将驶向何处。实践永远应当建立在正确理论的基础上。”于是，古希腊原子论开始复活，并对后人产生深刻影响。的许多著名科学家如笛卡儿（、牛顿（、波意耳、罗蒙诺索夫、拉瓦锡）等都在科学实践的基础上深信物质微粒的存在。其中与化学元素概念相联系的，就是化学原子论了。特别应当提到的是波意耳，他第一次给出了化学元素的操作性定义化学元素是用物理方法不能再分解的最基本的物质组分，并进而指出，化学相互作用是通过最小微粒进行的，一切元素）更都是由这样的最小微粒组成的。年，尤拉（世纪初，英国人道尔顿（明确地提出，自然界存在多少种原子，就存在多少种元素。但是，当时的人们并没有能力确切无误地辨别什么是元素什么不是元素，因而也就不能确切地知道究竟有多少种原子。到了才把元素和原子两个概念真正联系在一起，创立了化学原子论。道尔顿原子论的实验基础是对化学物质的定量测定。年罗蒙诺索夫在给尤拉世纪中叶，由于采用定量的研究手段，化学家们已经得出一个十分重要的结论：不论是热、光或其他类似因素都不能增加或减少物质的质量。例如，世界化学史对本节的化学史实感兴趣的读者可以参阅：郭保章著广西教育出版社，年引入原子的假说。年，图如，他用实验证实，碳和氧有的信中哲理性地写道：自然界所发生的一切变化都可以认为：如果某种东西有所增加，那么另一种东西就会减少；某种物体增加了多少物质，则另一物体就会失去同样多的物质。因为这是自然界的普遍规律，所以可以推广到一切运动之中他用年法国化学家拉瓦锡（不 变，）则明确指出实验证明了，化学反应发生了物质组成的变化，但反应前后物质的总质）发现了当量定律，认识到酸、碱、这就是质量守恒定律。年里希特（）发现定比定盐之间的反应存在被后人称为当量的确定的定量比例关系年法国化学家普鲁斯特（律：来源不同的同一种物质中元素的组成是不变的例如不管取自何处的水，其中氢和氧的质量比总是从年开始，中学教员出身的道尔顿持续不断地观测气象，为了解释“复杂的大气”为什么“竟是均匀的混合物”，他于道尔顿（概念，实质道尔顿明确地提出了他的原子论，这个理论的要点有：每一 种化学元素有一种原子；同种原子质量相同，不同种原子质量不同；原子不可再分；一种原子不会转变为另一种原子；化学反应只是改变了原子的结合方式，使反应前的物质变成反应后的物质。道尔顿提出的原子概念，并用大量实验测定了一些元素的相对原子质量道上就是相对原子质若两种元素化合得到不止一种化合物，这尔顿原子论十分圆满地解释了当时已知的化学反应的定量关系。不久，道尔顿用自己的原子论导出了倍比定律并用实验予 以证实。例些化合物中的元素的质量比存在整数倍的比例关系种化合物和一氧化碳和二氧化碳，其中碳与氧的质量比是然而，尽管道尔顿提出了原子量的概念，却不能正确给出许多元素的原子量。这是因为，确定原子量不能单凭化合物的元素组成（质量比），还应当知道被道尔顿称为“复合原子”的“分子”中各种原子的个数。例如，设氢的原子量为个氧原子构成的，氧的原子量是作为相对原子质量的标准，已知水中氢和氧的质量比是氢原子和氧原子构成的，氧的原子量便是则”出发，认定水分子由，若水分子是由个氢原子和，若水分子是由个个。道尔顿武断地认为，可以从“思维经济原个氧原子构成，因而就定错了氧的原子个氢原子和出的许多分子组成是错误的。这给人以历史的教训量。图是道尔顿用来表示原子的符号，是最早的元素符号。图中道尔顿给要揭示科学的真理不能光凭想像，更不能遵循所谓“思维经济原则”，客观世界的复杂性不会因为人类或某个人主观意念的简单化而改变。和贝采里乌斯原子量表达物质化学组成和反应的符号体系，他用拉丁字母表达元素符号，一直沿用至奠定了坚实的实验基础（表。同时，贝采里乌斯还创造性地发展了一套表地确定了当时已知化学元素的原子量，纠正了道尔顿原子量的错误，为化学发展）通过大量实验正确年，瑞典化学家贝采里乌斯（年 和瑕不掩瑜，道尔顿原子论极大地推动了化学的发展。特别是在（某些化合物的错误组成是由于错误的原子量导致的）图道尔顿的（简单）原子和复合原子（分子）相对原子质量（原子量）续 表图硅原子图像日发布了中华人民共和国国家标准量和单位，并于年）曹庭礼等译 高等教育出版社，。参读：科技术语研究相对原子质量（原子量）是最基本的化学计量数据，是一切化学计量的基础，有必要作专门的讨论；围绕相对原子质量（原子量）的讨论，我们还可以学习到一些重要的化学基本概念。在世纪时，随着电子、质世纪，道尔顿原子论只是一种假说。进入，可 以 看子、中子、放射性、同位素等一系列新发现，人们建立了生动而具体的原子模型，原子从假说变为实在。近年，人们发明了隧道电子显微镜（，原子的存在已到原子的影像（图原子并不像道尔顿是不容争辩的事实。人们对原子的认识已经大大深化了等人想像的不可分，而是由更小的微粒构成的；原子由原子核和核外电子组成；原子核又由质子和中子组成；质子带正电，中子不带电；原子也不是像道尔顿等我国国家技术监督局在月年月经变动，经历过日起在全国实施，该文件规定废止从道尔顿时代沿用至今的“原子量”一词，今后一律称为“相对原子质量”。但应提请注意，“相对原子质量”比原来的“原子量”的内涵更宽阔，它不仅指“原子量”，而且还指任何一种特定核素的相对质量。换言之，“原子量”只是“元素的相对原子质量”，是元素的“稳定同位素”的相对原子质量的加权平均值（见正文）。其实，从确立概念的第一天起，“原子量”就是一个相对值，其标准在历史上曾）等不同阶段。今后是否会出现新的标准，不可预料。考虑到“相对原子质量”一词的内涵比原来的“原，厄恩肖量”的内涵宽，从科技术语需具简洁、约定俗成、科学性、系统性等特征，对是否用“相对原子质量”代替原先的“原子量”一词，学术界仍有一些保留意见。本节最重要的参考书是格林伍德著 元 素上册化学应用化学联合会（表决通过了世纪下叶，人们更描绘元素、原子序数和元素符号具有一定核电荷数（等于核内质子数）的原子称为 一种（化学）元素。按（化学）元素的核电荷数进行排序，所得序号叫做原子序数。例如，号元素是氢；号元素是氧。每一种元素有一个用拉丁字母表达的元素符号在不同场合，元摩尔原年，国际纯化学与的元素符号，例如碘核素、同位素和同位素丰度具有一定质子数和一定中子数的原子称为一种核素。已知的核素品种超过人想像的永远不变，有一些原子有放射性，其原子核不稳定，会自发释放出某些等等）转变为另一种原子。到了亚原子微粒（、石了原子诞生的整个图景（见下节）。然而，不能忘记，原子不变性仍是化学的基。化学反应以一种原子不会变为另一种原子为基本出发点。在通常条件下，无论如何操作，氧不会变成碳，水不会变成油。这是最基本的化学知识。忘记这个基本知识，会导致轻信水可变成油之类的谎言。素符号可以代表一种元素，或者该元素的一个原子，也可代表该元素的号元素。子。年已知的最高原 子序数元素是第号元素的名称，次年，我国确定了这些新元素的中文名称（见本书附表元素周期表）。有些元素是古人就已认识的，其名称在世界各地互不相同，这是正常的文化现象。例如，英、德、法、俄等欧洲语言中的“金”互不相同。而所有已命名的元素都有一个单音节中文名称，却是基于中华文化的独特现象。为了国际交流，面向世界，熟悉元素的英文名称是必要的。但应注意，英语中有些元素的名称与元素符号的来源相去甚远，例如，有些欧洲国家以）等。另外，个别国家至今仍采用某些非国际通用为其符号。射性核素，它们的原子核不稳定，会自发释放出某些亚原子微粒种。有两类核素：一类是稳定核素，它们的原子核是稳定的；另一类是放等）而转变为另一种核素。在自然界，有的元素只有一种稳定核素（不计人造放射性同位素），称为单核素元素，有的元素有几种稳定核素（半衰期特别长的天然放射性同作为核素符号，例如：位素也常认作稳定核素），称为多核素元素。通常用元素符号左上下角添加数字。核素符号左下角的数字是该核素的原子核里的质子数，左上角的数字称为该核素的质量数，即核内质子数与中子数之和。具有相同核电荷数、不同中子数的核素属于同一种元素，在元素周期表里占以使核素转化的能量条件存在，因此元素不会转化。，后者又不断衰变为线的作用转变为。在通常的化学反应中，若涉及的都是稳定核素，由于没有足在自然界中，元素发生变化的现象也不少见。例如，大气中的少量氮原子不断受到高能宇宙射构成原子的质子、中子和电子的质量都很小，因而一个原子的质量很小：原子的质量表示，中文名为氢、氘、氚。而用同位素有稳定同位素和放射性同位素之分；放射性同位素又有天然放射性同位素和人造，用高能中子打放射性同位素之分。例如，在自然界里，单核素元素氟只有一种核素，后者是一种人造放射性核素，它会从原子核里放出一个电子（射击原子，可以制造出就 有转化为，再经过线）转化为，半衰期为，即了。经过，就只剩下具有一定质子数和一定中子数的原子（的总称）。与元素、核素、同位素有关的概念还有同量异位素、同中素等概念，它们的区别如下：核素（具有一定质子数的原子（的总称）。元素（质子数相同中子数不同的原子（的总称）。同位素（核子数相同而质子数和中子数不同的原子（的总称）。具有一定中子数的原子（的总称）。同量异位素（同中素（某元素的各种天然同位素的分数组成（原子百分比）称为同位素丰度。例如，氧的同位素丰度为：而单核素元素，如氟，同位素丰度为。有些元素的同位素丰度随取样样本不同而涨落，通常所说的同位素丰度是指从地壳（包括岩石、水和大气）为取样范围的多样本平均值。若取样范围扩大，需特别注明。质子的静止质量为中子的静止质量为电子的静止质量为、由于“核素”一词后于“同位素”一词，在许多书籍中“同位素”一词包容“核素”的内涵。质量亏损。不同数量的核子结合成原子核释放出来的结合能与核子的结合能相当于）为单位。核子结合成原子核释放出结 合 成 原 子 核 释 放 出 来 的 能 量结合能。结合能通常用百万电子伏特和摩尔中子的质量和小这一差值被称为质量亏损，等于核子摩尔质子摩尔氘原子的质量比单加和（电子质量太小可忽略不计）。例如，的 简不等于构成它的质子和中子的质量实用意义不大。况且，一个原子的质量）金刚石有克 拉（例 如，个原子。对大多数科学研究，原子质量的和素，但由于历史的原因，氢的种同 位素 有时 不用核素符号左下角的质子数（从元素符号可推知质子数），例如，氧有种稳定同位据同一个位置，互称同位素。大多数同位素的符号借用核素符号，也可以省略之比称为核素的相对原子质量的 原 子 质 量 的。核等于核素的 原 子 质量量，简称原子质量。核素的质量与素的相对原子质量在数值上等于核素的原子质量，量纲为一。元素的相对原子质量（原 子量）。根据国际原子量与同位素丰元素的相对原子质量（长期以来称为原子摩尔质摩是指一种元素的对核素的度委员会年的定义，原子量的的比值。这个定义表明：尔质单核素元素的相对原子质数量不成比例，因而产生了比结合能的概念。比结合能是某原子核的结合能除以其核子数，相当于平均分摊到该原子核每个核子的结合能。原子核质量数为时，比结合能最大。比结合能越大，表明原子核越稳定。以原子质量单位或的为单位的某核素一个原子的质量称为该核素的原子质。有的资料用的 一 个 原“道尔顿”（小写字首的作为原子质量单位的符号，在高分子化学中则经常把原子质量的单位称为等于多少克？这取决于对核素子的质量的测定。最近的数据是：元素的相对原子质（原子量）是纯数。（原 子）等于该元素的天然同位素相对原子）等于该元素的核素的相对原子质多核素元素的相对原子质量（原子质的加权平均值。加权平均值就是几个数值分别乘上一个权值再加和起来。对于元素的相对代表多核素元素的相对年国际原子量表中的铼的原子量为。读者一定注意到了这个数据与上面给出的数据并不相同。作为最基本的化学数据，人们当然希望原子量测得越准越好。为此，国际原子量和同位素丰度委员会每两年公布一次原子质量（原子量），这个权值就是同位素丰度。用原子质量，则：的相对原子质量（原子量）为：和素丰度分别为，由此得到的铼和例如，铼有两种天然同位素，年测定的相对原子质量和同位同位素相对原子质量同位素丰度；式 中：量量量量量量量。而对于那些几个同位素的丰度都的同位素丰度仅为氟 的 相年公布的国际原子量中（见本书附表位。对于那些只有一种同位素位有效数字。碳也接近，达 到和，不最新的原子量。应当特别指出的是，事实上各种元素的原子量的确定性的高低是不同的。有的元素的相对原子质量（原子量）可以测得很准，有的则测不太准，这是因为元素的相对原子质量（原子量）的数据取决于两个因素：一是各种核素的相对原子质量的测量准确性，另一是某元素的同位素丰度的测量准确性。前一个因素与测量仪器的精度有关；后一个因素则与样品的来源、性质以及取样方式方法等等复杂因素有关。自从年开始利用质谱仪测定相对原子质量以来，人们已经能够用质谱仪极其准确地获得大多数核素的相对质量，但至今许多元素的相对原子质量（原子量）仍必须以化学测量方法为基础，测量元素的相对原子质量（原子量）仍不能离开化学家，当然，只需极少数化学家来从事这项工作，因此我们不必在这里讨论这些专家们测量原子量的细节。反过来说，本节的目的只是建立有关元素的相对原子质量（原子量）的正确概念。和