高中化学/物质
我们都熟悉物质。物质的定义是任何具有质量和体积（占据空间）的东西。对于我们日常生活中处理的大多数常见物体，证明它们具有质量并占据空间是相当简单的。然而，你可能会想象几百年前的人们证明空气具有质量和体积的困难。空气（以及所有其他气体）对眼睛来说是无形的，与相同体积的固体和液体相比，它们的质量非常小，而且很容易压缩（改变体积）。如果没有灵敏的设备，很难让人相信气体是物质。今天，我们可以测量一个气球在放气时的质量，然后吹气，扎紧，然后再测量一次，以检测由于内部空气引起的额外质量。在室温条件下，占据一个一夸脱罐子的空气质量约为0.0002磅。在秤没有被设计用来精确测量非常小的质量的时代，如此小的质量将很难测量。后来，科学家能够将气体压缩到非常小的体积，使气体变成液体，这清楚地表明气体是物质。
另一方面，当你给物体加热时，物体的温度会升高，但即使是最灵敏的秤也不能检测到物体冷热时的质量有任何差异。热量不属于物质。
- 定义物质并解释它是如何由被称为“原子”的积木构成的。
- 区分质量和重量。
知道行星、太阳系甚至星系都是由物质构成的，并不能让我们更接近于理解物质是什么。直到19世纪初，人们根本不理解物质。他们知道世界上有一些“东西”可以被拾起和使用，并且其中一些“东西”可以变成其他“东西”。例如，找到一块铜的人可以把它做成项链，或者把它和锌一起熔化来制作黄铜。然而，人们不知道所有这些“东西”是如何相互关联的。如果他们知道了，炼金术士可能就不会浪费那么多时间试图将普通金属转化为黄金。当你学完这一节时，你就会明白为什么。尽管宇宙由像蚂蚁和星系这样迥然不同的“东西”组成，但构成所有这些“东西”的物质是由数量非常有限的积木组成的（图1.18）。
这些积木被称为原子，到目前为止，科学家已经发现了或创造了总共118种不同的原子。科学家给每种不同的原子都起了个名字。只由一种原子组成的物质被称为元素。因此，每种元素都有自己的名称；它也有自己的符号。“元素周期表”是总结所有科学家发现的不同原子的方式（图1.19）。元素周期表中的每个方格都包含一种元素的符号（一个大写字母或一个大写字母后跟一个小写字母）。
在这一点上，应该让你惊奇的是，我们宇宙中所有形式的物质都只用118种不同的积木构成。在某种程度上，这就像用三种配料烹制一道五道菜的美味大餐一样！这是如何做到的呢？要回答这个问题，你必须了解自然将不同的元素组合在一起形成物质的方式。
自然用来将原子组织成物质的最重要的方法是形成分子。分子是由两个或多个通过化学键结合在一起的原子组成的基团。有数百万种不同的将原子结合在一起的方式，这意味着有数百万种不同的可能的分子。每种分子都具有自己的一组化学性质，而化学家最关心的是这些性质。你将在本书的后面学习更多关于原子和分子的知识，包括它们是如何被发现的。然而，图1.20 预览了一些你可能在日常生活中接触到的常见分子。
现在回到炼金术士为什么难以将其他普通金属转化为黄金的问题。大多数天然存在的金属，包括金、铁、铜和银，都是元素。仔细观察图1.19 中的元素周期表。你看到了符号Au吗？Au是金的符号。金是118种不同原子类型之一——它是自然界的一种积木。再仔细看一看元素周期表。你看到了符号Fe吗？Fe是铁的符号。同样，这意味着铁是一种元素，或一种原子类型。事实上，铜 (Cu)、锡 (Sn) 和银 (Ag) 都是元素。换句话说，炼金术士试图将一种类型的元素或积木转化为另一种类型的元素，而这仅仅是通过化学手段无法做到的。
化学反应可以将元素转化为分子，分子转化为其他分子，以及分子转化回元素。然而，化学反应不能将一种类型的元素转化为另一种类型的元素。唯一能做到这一点的方法是通过所谓的核反应，而核反应需要炼金术士时代没有的先进技术设备。这就像建造一座房子。你可以用水泥将砖块、石头和木材粘合在一起，就像你可以通过将不同类型的原子结合在一起来制造一个分子一样。你也可以通过拆卸房子来获得你的砖块、石头和木材，就像你也可以通过拆卸分子来获得你的原子一样。然而，无论你多么努力，你都不能将砖块变成木材。将像铜这样的普通金属转化为金或将铁转化为金就像将砖块变成木材一样——这根本不可能。
到目前为止，我们已经决定整个宇宙都是由物质组成的，而物质又是由原子组成的。然而，化学家经常想知道他们实际有多少物质。为了弄清楚这一点，他们依赖物质的两个基本性质。宇宙中所有物质，从一茶匙盐到太平洋，都具有质量并占据空间。当科学家测量一定数量的物质占据了多少空间时，他们是在测量物体的体积。显然，太平洋的体积比一茶匙盐的体积要大得多。不幸的是，虽然体积是一个重要的属性，并在许多不同的化学实验中发挥着重要作用，但体积并不是确定物质数量的最佳方法。
我们通常认为，物体越大，它里面的东西就越多。在我们的日常生活中，这当然在很多情况下都是正确的。如果你早上给自己倒了两杯咖啡，你喝的咖啡将是只给自己倒一杯咖啡的两倍。不幸的是，每当我们以这种方式比较体积时，我们都会做出两个不总是对的假设，尤其是在化学实验中。首先，我们假设温度恒定。这一点很重要，因为一定数量物质所占据的空间取决于该物质的温度。一般来说，加热某物会导致它膨胀，冷却某物会导致它收缩。其次，当你比较日常生活中的体积时，你几乎总是比较相同材料的体积。你可以比较两杯咖啡和一杯咖啡，但你如何比较两杯咖啡和一杯冰淇淋？这真的没有意义。体积不是一个好的方法来确定你所拥有的物质的数量。
如果你不能用体积来确定你拥有的物质数量，那么你还能用什么呢？事实证明，确定物质数量的最佳方法是使用一种称为质量的度量。物体的质量不会随温度而改变，这使得它更容易确定你正在处理多少物质，尤其是在你不知道温度是多少或温度不断变化的情况下。关于质量的另一个好处是，特定元素的原子总是具有相同的质量（严格来说，这并不完全正确，因为存在所谓的同位素，但现在你不必担心这一点）。例如，一个金原子总是具有大约197个原子质量单位或道尔顿的质量。原子质量单位是我们用来测量质量的单位，就像英里是我们用来测量距离的单位，小时是我们用来测量时间的单位一样。即使当原子结合在一起形成分子时，各个原子的质量也保持不变，这意味着通过将一个分子中所有原子的质量加起来，可以很容易地计算出分子的质量本身。你最终会学会如何做到这一点。
学习质量时，学生常犯的一个典型错误就是把质量和重量混淆。这种混淆很大程度上是因为在日常英语中，我们经常使用“重量”这个词，而实际上指的是“质量”。例如，当你 说“我想减肥”的时候，你真正想表达的是“我想减轻体重”。在科学领域，“重量”一词有一个非常具体的定义，与你可能期望的有所不同。不要把“重量”一词的日常含义与“重量”一词的科学含义混淆（图 1.21）。
在科学领域，**质量**是物质的一种内在（“固有”）属性。原子的质量无论温度或与其键合的其他原子如何，都保持不变。
类似地，原子的质量不会因为位置而改变。原子的质量在地球上与在月球上、木星上或宇宙空间的中央是一样的。另一方面，重量会随位置而变化。在地球上重 240 磅的物体在月球上大约重 40 磅，而同一物体在远离任何大型质量的宇宙飞船中则会失重（图 1.22）。然而，在这三种情况下，物体的质量完全相同。
在科学领域，**重量**是衡量重力对物体吸引力大小的指标。重量取决于物体的质量和物体所受到的重力。这就是为什么你的体重会根据你站立的位置而改变。在每种情况下，你的质量都是一样的，但地球上的重力与月球或木星上的重力不同，因此你的体重也不同。然而，重力在地球表面并没有显著变化。换句话说，加州的重力与澳大利亚的重力大致相同。因此，只要你呆在地球表面，物体质量越大，重量就越大。
- 所有物理物体都是由物质构成的。
- 物质本身由称为“原子”的微小建筑块组成。人类已知只有 118 种不同的原子。
- 原子经常会键合在一起形成“分子”。
- 所有物质都有质量并占据空间。
- 体积是衡量物体占据空间大小的指标。体积不是衡量任何给定物体中包含多少物质的良好指标。
- 质量是物质的一种内在属性，不依赖于温度、位置或物质的组织方式（原子如何键合）。因此，质量是衡量任何给定物体中包含多少物质的优秀指标。
- “质量”和“重量”具有两个截然不同的科学含义。
- “质量”只取决于物体中包含多少物质。“重量”，另一方面，取决于重力对物体的吸引力大小。
- 什么是物质？
- 重量是什么意思？
- 在本章中，我们将学习原子，它们是宇宙中所有物质的建筑块。截至 2011 年，科学家只知道 118 种不同的原子。你认为如何才能仅用 118 种建筑块生成如此多种不同的物质形式？
- 你认为一杯水和一杯汞哪个包含的物质更多？解释一下。
- 判断以下每个陈述是正确还是错误。
- (a) 质量和重量是指同一个概念的两个词。
- (b) 分子键合在一起形成原子。
- (c) 炼金术士无法将普通金属变成黄金，因为黄金是一种元素。
- (d) 元素周期表中金的符号是 Gd。
- 你在月球上还是在地球上质量更大？
- 你在月球上还是在地球上重量更大？地球上的重力比月球上的重力更强。
- 将以下术语与它们的含义匹配。
(a) 质量 a. 衡量物体中物质总量的指标 (b) 体积 b. 衡量重力对物体吸引力大小的指标 (c) 重量 c. 衡量物体所占据空间的指标
- 对于以下陈述，圈出所有适用的选项
- 质量取决于…
- (a) 物质总量
- (b) 温度
- (c) 位置
- (d) 重力
- 体积取决于…
- (a) 物质总量
- (b) 温度
- (c) 物体的形状（与大小无关）
- (d) 物体的大小（与形状无关）
- 重量取决于…
- (a) 物质总量
- (b) 温度
- (c) 位置
- (d) 重力
- 质量取决于…
- 原子
- 所有物质的基本建筑块。已知有 118 种原子。虽然原子可以被分解成称为电子、质子和中子的粒子，但这非常困难。
- 元素
- 一种原子。已知有 118 种元素。
- 物质
- 任何有质量并占据空间的物质。
- 分子
- 两个或多个原子键合在一起。特定的分子，如水，具有独特的特征。
- 质量
- 物质的一种内在属性，可用于测量样品中存在的物质数量。
- 元素周期表
- 总结科学家发现的所有不同原子的方法。元素周期表中的每个方格都包含一种元素的符号。
- 体积
- 衡量物质占据空间大小的指标。
- 重量
- 衡量重力对物体吸引力大小的指标。
本材料改编自可在此处找到的原始 CK-12 图书。此作品根据知识共享署名-相同方式共享 3.0 美国许可协议发布