化学白痴、人类和叛逆者的化学/基础

那么，化学到底是怎么回事呢？

好吧，回想一下童年时期的乐高积木套装。有几种类型：有些是两个凸块宽，有些是一个凸块宽，有些是六个或八个或十个凸块长，还有一些是四个或甚至两个。甚至还有一个一乘一的。有了这些组合和一点想象力，你几乎可以建造任何东西。

化学就像一套高级的乐高积木，但有更多的零件类型。确切地说，迄今为止已知有 118 种元素。元素是一种原子类型，比如铁（元素#26）或氢（元素#1）或钾（元素#19）。这些是化学的“乐高积木”。

你可以在一种特殊的表格中找到所有元素的完整列表，这种表格被称为“元素周期表”。这里有一个指向元素周期表的链接：www.ptable.com。它显示了所有 118 种已知元素，并根据它们的性质将其列入不同的列。

在每一纵列中，元素在某些方面是相似的。例如，在最左侧一列中，氢（#1）、锂（#3）、钠（#11）、钾（#19）以及第 37、55 和 87 号元素，都具有高度活性的特性。它们不喜欢与其他元素发生反应。钠在水中会剧烈爆炸。氢极易燃。锂略微爆炸。但最右侧一列包含“惰性气体”。它们都“高贵”，因为它们倾向于不与其他元素混合。它们是非活性的。事实上，第 18 号元素氩有时用于保护活性元素免受氧气接触。

你会注意到，每个元素都有一个缩写，或符号。例如，氢是 H。氩是 Ar。锂是 Li。这些看起来都很有道理。但铁的符号是 Fe，钾的符号是 K。这是因为这些元素为古代科学家所知，并以它们的拉丁名称命名——Ferrum，指铁，Kalium，指钾。所有在古典时期已知的元素都以其拉丁名称的缩写命名，而那些仅在近代才被发现的元素则以其英文名称命名。

科学家将这些缩写组合成“公式”，就像乐高盒子外面宇宙飞船的示意图一样。如果你按照说明，就可以制造出化合物。例如，2 个氢原子和 1 个氧原子形成一个化学式 H2O。这个公式代表一种我们称之为“水”的化合物。另一种常见的化合物是 NaCl（一个钠原子加上一个氯原子形成食盐，或 NaCl）。当我们将两种或更多种不同的元素组合在一起时，我们称之为分子。

另一个常见的公式是 C12H22O11。十二个碳原子加上二十二个氢原子加上十一个氧原子形成一个糖分子。可以想象，构成一个分子的原子越多，与其他分子相比，这个分子就越“重”。一个糖分子需要 45 个原子，一个水分子需要 3 个原子。可以想象，糖在水中会沉下去。

但是，在考虑分子的“重量”时，我们还必须考虑到元素周期表中每个原子的重量都不一样。原子的“原子序数”让我们对原子的重量有一个粗略的估计。例如，氢是#1，碳是#6。正如你可能想象的那样，碳比氢重——大约重 12 倍。碳的重量几乎正好是 12 个原子质量单位。氧，#8，的重量几乎正好是 16 个原子质量单位。

这些比例——6/12 和 8/16，应该让你对这些原子有所了解。显然，重量大约是原子序数的两倍。但氢的重量大约是 1 个 AMU。要理解这一点，我们需要看看原子是什么样的。原子有一个核心，由质子和中子组成。称为“电子”的更小的粒子绕原子核旋转。每个元素的质子数等于其原子序数。大多数元素的中子数也相同，使得在许多情况下元素的重量大约是原子序数的两倍。电子的重量非常小 (1/1840)——在这些重量中几乎可以忽略不计。

因此，碳，每个原子核中有 6 个质子和 6 个中子，原子量几乎正好是 12。它也有 6 个电子。氧有 8 个质子和 8 个中子——这就是 16 的原子量——再加上 8 个电子。

但在每个元素的家族中也有一些“奇特的表亲”。例如，一些碳原子有两个额外的中子，使总数为 6、8 和 6。这两个额外的中子使碳原子的重量为 14 个 AMU 而不是 12 个 AMU，所以我们称之为“碳 14”，我们将普通的常见碳称为“碳 12”。自然界中发现的大多数碳约为 98.9% 的碳 12、1.1% 的碳 13（正如你可能猜到的那样，它有一个额外的中子）和不到 0.1% 的碳 14。还有其他类型的碳——我们称元素的变体为“同位素”——但碳的其他同位素极其罕见。

在我们之前提到的元素周期表上的 118 种元素中，有些非常罕见，有些只能通过将其他原子撞击在一起并使它们粘在一起而制造出来。所有原子序数大于 85（砹）的元素都非常罕见，而原子序数大于 94（钚）的元素大多是人造的，通过核过程或将其他原子撞击在一起制造出来。所有原子序数大于 83（铋）的元素都被认为是放射性的，这意味着它们会“衰变”成其他元素。例如，一个铀（#92）原子通常会分裂成一个氦（#2）原子和一个钍（#90）原子。