普通化学/物质的性质/物质的基本性质

什么是物质？

物质具有质量和体积，这块混凝土块就是一个例子。

物质被定义为任何占据空间并具有质量的东西。黑洞有质量，但实际上不占据空间。黑洞具有无限密度和0体积。任何有质量的东西都必须是三维的，这就是为什么无论原子（构成物质的东西）有多小，它们都是三维的。

质量是衡量物体惯性的一种指标。它与重量成正比：物体的质量越大，它的重量就越大。但是，质量与重量并不相同。重量是由重力作用于物质产生的力，而质量则是物体抵抗运动变化的一种度量。例如，你在月球上的重量将是你在地球上的重量的六分之一，因为月球的引力场是地球引力场的六分之一。质量过去通过将待测物质与称为国际标准公斤的标准公斤进行比较来测量。国际标准公斤是一个金属圆柱体，其高度和直径均等于39.17毫米，由90%的铂和10%的铱合金制成。因此，标准公斤被定义，所有其他质量都是与该公斤的比较。当用质谱仪测量原子质量时，使用不同的内部标准。关于质量的结论是，质量是一个通过比较判断的相对术语。质量现在由瓦特或基布尔天平定义，通过测量普朗克常数来确定。用普朗克常数测量质量的目标是电子测量质量。这样做是因为用电子和电进行电子测量比称量大小不同的物体容易得多，因此研究人员一直在努力将公斤重新定义为一个量子标准，该标准实施瓦特/基布尔天平来测量普朗克常数。这一变化于2019年5月20日生效，此前法国凡尔赛的CGPM成员在历史性投票中决定重新定义公斤、安培、摩尔和开尔文。公斤的重新定义取决于这种确定质量的新方法的持续改进。NIST等国家计量实验室合作促成了公斤的重新定义。

体积是衡量物体所占空间大小的一种指标。体积可以使用刻度标记或间接使用长度测量来直接测量，具体取决于材料的状态（气体、液体或固体）。例如，量筒是一个可以容纳液体的管子，该管子在规则间隔处进行标记和标记，通常每隔1或10毫升。将液体放入量筒后，可以读取刻度标记并记录体积测量值。由于体积随温度变化，因此刻度仪器的精度有限。具有规则形状的固体物体可以通过测量其尺寸来计算其体积。对于一个盒子来说，它的体积等于长度乘以宽度乘以高度。

需要注意的是，测量与计算特定值不同。虽然质量和体积都可以直接相对于定义的标准或玻璃上的刻度线进行确定，但从测量值中计算其他值并不被认为是测量。例如，一旦你直接测量了液体的质量和体积，就可以通过将质量除以体积来计算物质的密度。这被认为是间接确定密度。有趣的是，如果设置了允许将密度与标准进行比较的实验，也可以直接测量密度。

物质的另一个直接或间接确定的量是物质的量。它可以表示物体计数的数量（例如，三只老鼠或一打百吉饼），也可以表示间接确定的物质中粒子的数量，例如纯物质样品中包含多少原子。后一种量用摩尔来描述。一摩尔过去专门定义为12克碳-12同位素中粒子的数量。这个数字是6.02214078(18)x 10²³个粒子。摩尔现在被定义为阿伏伽德罗常数N_A的值为6.022 140 76乘以10的23次方倒数摩尔。

常见的测量单位

• 质量：公斤（kg）。还有克（g）和毫克（mg）。
  • 1 kg = 1000 g
  • 1000 mg = 1 g。
• 体积：升（L）、毫升（mL）。还有立方厘米（cc）和立方米（m³）。
  • 1 cc = 1 mL
  • 1000 mL = 1 L
  • 1000 L = 1 m³
• 物质的量：摩尔（mol）。
  • 1 mol = 6.02214078(18)x 10²³个粒子

原子、元素和化合物

物质的基本构成单元是原子。原子由质子、电子和中子构成。质子和中子由夸克和胶子构成。

红点是质子，黑点是中子，蓝点是电子。

任何原子都由一个小的原子核和一个围绕原子核的电子“云”组成。在原子核中存在质子和中子。

然而，术语“原子”只是指物质的构成单元，它没有指定原子的身份。它可以是碳原子，也可以是氢原子，或任何其他类型的原子。

这就是术语“元素”的作用所在。当原子通过其原子核中所含质子的数量来定义时，化学家将其称为元素。所有元素都有一个非常明确的身份，使它们与其他元素区别开来。例如，原子核中含有6个质子的原子被称为碳元素。当谈到氟元素时，化学家是指原子核中含有9个质子的原子。

• 原子：物质的基本构成单元，由质子、中子和电子构成。
• 元素：由原子核中质子的数量识别的一种独特的可识别原子。

尽管我们将元素定义为一个独特的可识别原子，但当我们说例如5种元素时，我们通常并不意味着这5个原子是相同类型的（在它们的原子核中具有相同的质子数量）。我们指的是5种类型的原子。它们不一定是只有5个原子。可能有10个或100个，等等原子，但这些原子属于5种类型的原子中的一种。我更愿意将“元素”定义为“原子类型”。我认为这样更精确。如果我们想指代5个原子在它们的原子核中具有相同的6个质子，我会说“5个碳原子”或“5个碳原子”。

需要注意的是，如果原子核中质子的数量发生变化，则该元素的身份也会随之变化。如果我们能从氮（7个质子）中去除一个质子，它就不再是氮了。事实上，我们将不得不将该原子识别为碳（6个质子）。记住，元素是唯一的，并且始终由原子核中质子的数量来定义。元素周期表显示了所有已知的元素，按它们拥有的质子数量排列。

元素由相同类型的原子构成；元素碳包含任意数量的原子，所有原子核中都含有 6 个质子。 相反，化合物由不同类型的原子构成。更确切地说，化合物是由两种或多种元素组成的化学物质。碳化合物包含一些碳原子（每个碳原子含有 6 个质子）以及一些其他含有不同数量质子的原子。

化合物的性质与构成它们的元素不同。例如，水是由氢和氧组成的。氢是一种易爆气体，氧是一种助燃气体。而水则具有完全不同的性质，是一种用于灭火的液体。

化合物的最小代表（保留化合物特征）被称为分子。分子由通过“键”连接在一起的原子构成。例如，水分子式为“H₂O”：两个氢原子和一个氧原子。

物质的性质

物质的性质可以从两个方面进行分类：广延性质/强度性质，或物理性质/化学性质。

根据国际纯粹与应用化学联合会 (IUPAC) 的定义，强度性质或强度量是一个其大小与体系大小无关的量（体系是指所研究的环境的一部分）。强度性质包括温度、折射率（例如，空气的折射率为 1.000293）和质量密度。质量密度的倒数或乘积的倒数，即比容，也是一个强度性质。沸点是一个强度性质。以下是一些强度性质的列表：

• 电荷密度
  • 线电荷密度是指单位长度上的电荷量，通常用$\lambda$表示，单位为${\mathsf {C*{m}^{-1}}}$。
  • 表面电荷密度是指单位面积上的电荷量，用$\sigma$表示，单位为${\mathsf {C*{m}^{-2}}}$。
  • 体积电荷密度是指单位体积上的电荷量，通常用ρ表示，$\rho$，单位为${\mathsf {C*{m}^{-3}}}$。
• 颜色
• 浓度
  • 质量浓度，单位为${\mathsf {{m}^{-3}*{kg}^{+1}}}$。
  • 摩尔浓度，单位为${\mathsf {{m}^{-3}*{mol}^{+1}}}$。
  • 数浓度，单位为${\mathsf {{m}^{-3}}}$。
• 能量密度，单位为${\mathsf {{J}^{+1}*{m}^{-3}}}$。
• 磁导率是衡量材料在施加磁场作用下所产生的磁化强度的指标，通常用 μ 表示，$\mu$，并使用 ${\mathsf {{m}^{-1}*{H}^{+1}}}$ 或 ${\mathsf {{N}^{+1}*{A}^{-2}}}$ 进行测量。
• 比重
• 熔点
• 沸点
• 摩尔浓度，使用 ${\mathsf {{kg}^{-1}*{mol}^{+1}}}$ 进行测量。
• 压力
• 折射率
• 电阻率，使用 ${\mathsf {\Omega *m}}$ 进行测量。
• 电导率，使用 ${\mathsf {S^{+1}*{m}^{-1}}}$ 进行测量。

强性质不依赖于物质的数量。这些性质包括沸点和颜色。 广性质依赖于所测量物质的数量。这些性质包括质量和体积。

物理性质可以在不改变化学物质身份的情况下进行测量。物质的凝固点是物理性质。当水结冰时，它仍然是 H2O。 化学性质与一种化学物质如何与另一种化学物质反应有关。我们知道木材是可燃的，因为它在氧气存在的情况下加热时会变成热量、灰烬和二氧化碳。

物质状态

一个重要的物理性质是物质状态。在日常生活中，常见的有三种：固态、液态和气态。第四种是等离子体，它是在特殊条件下观察到的，比如太阳和荧光灯中的条件。物质可以存在于任何状态。水是一种可以是液态、固态（冰）或气态（蒸汽）的化合物。

图中的冰是固态。图中的水是液态。空气中含有水蒸气，它是气态。

物质状态取决于分子之间的键合。

固体

固体具有确定的形状和体积。大多数日常物体都是固体：岩石、椅子、冰，以及任何具有特定形状和尺寸的物体。固体中的分子彼此靠近，并通过分子间键连接在一起。固体可以是无定形的，这意味着它们没有特定的结构，或者它们可以排列成晶体结构或网络。例如，煤烟、石墨和金刚石都是由元素碳制成的，它们都是固体。是什么让它们如此不同？煤烟是无定形的，因此原子是随机地粘在一起的。石墨形成平行层，这些层可以相互滑动。然而，金刚石形成一种晶体结构，使其非常坚固。

液体

液体具有确定的体积，但没有确定的形状。相反，它们会根据容器的形状而改变形状，只要它们确实被某种东西所“包含”，比如烧杯、手捧或甚至水坑。如果没有正式或非正式的容器“包含”，形状将由其他内部（例如，分子间）和外部（例如，重力、风、惯性）力决定。分子彼此靠近，但不像固体那样靠近。分子间键很弱，因此分子可以彼此自由滑动，平滑流动。液体的性质是粘度，即流动时的“稠度”的量度。例如，水不像糖蜜那样粘稠。

气体

气体没有确定的体积和形状。它们会膨胀以填满容器的尺寸和形状。我们呼吸的氧气和锅里的蒸汽都是气体的例子。气体中的分子相距很远，并且分子间力很小。每个原子都可以自由地向任何方向移动。气体发生逸出和扩散。逸出是指气体通过一个小孔渗出的现象，扩散是指气体在整个房间内散开的现象。如果有人将一瓶氨水放在桌子上，并且瓶子上有一个洞，最终整个房间都会散发氨气味。这是由于扩散和逸出。气体具有这些性质，因为分子之间没有相互键合。气体中的分子是自由的，它们可以四处移动，不像固体分子。

• 在气体中，分子间力非常弱，因此分子随机移动，相互碰撞，并与容器壁碰撞，从而对容器施加压力。当气体放出热量时，内部分子能量会降低；最终，气体液化的点就会达到。