无机化学/元素导论

元素导论

元素周期表

元素是一种有限的物质类别，完全由原子组成，这些原子具有不变的核电荷，并且不能通过一般的化学方法进一步分解。具有相同核电荷的原子具有相同的质子数。这个数字被称为原子序数，表示为 Z，源自古希腊最伟大神的名字宙斯 (Zeus) 的第一个字母。截至 2011 年 5 月，已经发现了 118 种元素。

同位素是一组原子，它们具有相同的质子和中子数。例如，元素氢（表示为 H）是一组原子，它们在其原子核中具有一个质子。这组有 3 个子集（同位素）：氕或氢-1（第一个名字很少使用），氘和氚。氕是一个在其原子核中只有一个质子且没有中子的原子，而氘不仅具有一个质子，而且还具有 1 个中子。在氚的情况下，中子数是两倍：原子核中有 2 个中子。

在这本书的背景下，我使用小写字母来指代一个集合的物体，并使用大写字母来指代该集合。例如，当我想要指代一组在其原子核中具有一个质子和一个中子的原子时，我使用“氘”，而当我想要指代该集合中的单个原子时，我使用“氘”。我使用“同位素”来指代同位素，而使用“同位素”来指代该同位素的原子。对“元素”和“元素”也是一样的。虽然元素的名称被认为是不可数的，但在本书的范围内，我使用该名称作为“元素的原子”的简写。例如，本书中“一个氢原子”可以写成“一个氢”。

另一个注意的是：每次你想指代元素并且你不在乎它们中子数量的差异时，请使用元素的名称，小写字母。如果你想指代元素的特定集合中的一个原子，请使用同位素的名称，小写字母。例如

1) 水由氢和氧组成（我不在乎氢和氧的同位素）

2) 一个氚在其原子核中具有 1 个质子和 2 个中子（现在我在乎！）

规则：大写字母表示集合，小写字母表示物体

元素表示

以下假设你已经了解了质子、中子和电子的质量和电荷。如果你不知道或忘记了，请复习第一课，亚原子粒子初探

每个元素都有一个符号，通常是其英文名称的第一个字母，但有时来自元素的拉丁语或其他语言的名称。氢是 H，氧是 O，氮是 N 等等。此符号也代表一个元素（元素的原子）。一个氢原子是 H，一个氧原子是 O，一个氮原子是 N 等等。这种约定（对元素和元素使用相同的字母）在化学方程式中特别受欢迎。由于科学中的许多其他约定并不总是对所有人方便，所以这一约定对我来说并不方便，因为它违反了我的规则。尽管如此，你可以使用任何你喜欢的符号，只要你理解这个概念。记住，你正在学习大自然的运作方式，而不是科学家如何表示事物:)

我在写化学方程式时将所有字母都用小写字母，以避免混淆。但是当我发布它时，我使用 LibreOffice 将它们切换回大写字母:)

好的，让我们回到我们的学习。你可以分别用¹H、²H 和³H 来代替“氕”、“氘”或“氚”。H 左上角的“1”、“2”、“3”是质量数，表示为 A，它是在原子核中的质子和中子的总数。有时它可以更恰当地称为核子数。我更喜欢第二个名称，所以我会在整本书中使用它。这种表示在指代元素的同位素时特别有用

有时你会看到原子序数（原子核中质子的数量）写在核子数的下面，就像在$_{1}^{1}{\text{H}}$、$_{1}^{2}{\text{H}}$、$_{1}^{3}{\text{H}}$。但是，这没有必要，因为“H”已经告诉我们这是一组在其原子核中具有一个质子的原子。

再次提醒，当你在本书之外看到¹H 时，它可以表示一组原子或一个原子。

元素列表

如果我们将原子序数定义为原子在其原子核中拥有的质子数，那么原子序数应该应用于特定的原子，而不是一组原子。因此，第一列被命名为“元素的原子序数”。

元素列表

原子 元素序数	元素	符号	族	周期	区	在 标准温度和压力 (STP) 下的状态	丰度	描述
1	氢	H	1	1	s	气体	原始	非金属
2	氦	He	18	1	s	气体	原始	稀有气体
3	锂	Li	1	2	s	固体	原始	碱金属
4	铍	Be	2	2	s	固体	原始	碱土金属
5	硼	B	13	2	p	固体	原始	准金属
6	碳	C	14	2	p	固体	原始	非金属
7	氮	N	15	2	p	气体	原始	非金属
8	氧	O	16	2	p	气体	原始	非金属
9	氟	F	17	2	p	气体	原始	卤素
10	氖	Ne	18	2	p	气体	原始	稀有气体
11	钠	Na	1	3	s	固体	原始	碱金属
12	镁	Mg	2	3	s	固体	原始	碱土金属
13	铝	Al	13	3	p	固体	原始	金属
14	硅	Si	14	3	p	固体	原始	准金属
15	磷	P	15	3	p	固体	原始	非金属
16	硫	S	16	3	p	固体	原始	非金属
17	氯	Cl	17	3	p	气体	原始	卤素
18	氩	Ar	18	3	p	气体	原始	稀有气体
19	钾	K	1	4	s	固体	原始	碱金属
20	钙	Ca	2	4	s	固体	原始	碱土金属
21	钪	Sc	3	4	d	固体	原始	过渡金属
22	钛	Ti	4	4	d	固体	原始	过渡金属
23	钒	V	5	4	d	固体	原始	过渡金属
24	铬	Cr	6	4	d	固体	原始	过渡金属
25	锰	Mn	7	4	d	固体	原始	过渡金属
26	铁	Fe	8	4	d	固体	原始	过渡金属
27	钴	Co	9	4	d	固体	原始	过渡金属
28	镍	Ni	10	4	d	固体	原始	过渡金属
29	铜	Cu	11	4	d	固体	原始	过渡金属
30	锌	Zn	12	4	d	固体	原始	过渡金属
31	镓	Ga	13	4	p	固体	原始	金属
32	锗	Ge	14	4	p	固体	原始	准金属
33	砷	As	15	4	p	固体	原始	准金属
34	硒	Se	16	4	p	固体	原始	非金属
35	溴	Br	17	4	p	液态	原始	卤素
36	氪	Kr	18	4	p	气体	原始	稀有气体
37	铷	Rb	1	5	s	固体	原始	碱金属
38	锶	Sr	2	5	s	固体	原始	碱土金属
39	钇	Y	3	5	d	固体	原始	过渡金属
40	锆	Zr	4	5	d	固体	原始	过渡金属
41	铌	Nb	5	5	d	固体	原始	过渡金属
42	钼	Mo	6	5	d	固体	原始	过渡金属
43	锝	Tc	7	5	d	固体	瞬态	过渡金属
44	钌	Ru	8	5	d	固体	原始	过渡金属
45	铑	Rh	9	5	d	固体	原始	过渡金属
46	钯	Pd	10	5	d	固体	原始	过渡金属
47	银	Ag	11	5	d	固体	原始	过渡金属
48	镉	Cd	12	5	d	固体	原始	过渡金属
49	铟	In	13	5	p	固体	原始	金属
50	锡	Sn	14	5	p	固体	原始	金属
51	锑	Sb	15	5	p	固体	原始	准金属
52	碲	Te	16	5	p	固体	原始	准金属
53	碘	I	17	5	p	固体	原始	卤素
54	氙	Xe	18	5	p	气体	原始	稀有气体
55	铯	Cs	1	6	s	固体	原始	碱金属
56	钡	Ba	2	6	s	固体	原始	碱土金属
57	镧	La	3	6	f	固体	原始	镧系元素
58	铈	Ce	3	6	f	固体	原始	镧系元素
59	镨	Pr	3	6	f	固体	原始	镧系元素
60	钕	Nd	3	6	f	固体	原始	镧系元素
61	钷	Pm	3	6	f	固体	瞬态	镧系元素
62	钐	Sm	3	6	f	固体	原始	镧系元素
63	铕	Eu	3	6	f	固体	原始	镧系元素
64	钆	Gd	3	6	f	固体	原始	镧系元素
65	铽	Tb	3	6	f	固体	原始	镧系元素
66	镝	Dy	3	6	f	固体	原始	镧系元素
67	钬	Ho	3	6	f	固体	原始	镧系元素
68	铒	Er	3	6	f	固体	原始	镧系元素
69	铥	Tm	3	6	f	固体	原始	镧系元素
70	镱	Yb	3	6	f	固体	原始	镧系元素
71	镥	Lu	3	6	d	固体	原始	镧系元素
72	铪	Hf	4	6	d	固体	原始	过渡金属
73	钽	Ta	5	6	d	固体	原始	过渡金属
74	钨	W	6	6	d	固体	原始	过渡金属
75	铼	Re	7	6	d	固体	原始	过渡金属
76	锇	Os	8	6	d	固体	原始	过渡金属
77	铱	Ir	9	6	d	固体	原始	过渡金属
78	铂	Pt	10	6	d	固体	原始	过渡金属
79	金	Au	11	6	d	固体	原始	过渡金属
80	汞	Hg	12	6	d	液态	原始	过渡金属
81	铊	Tl	13	6	p	固体	原始	金属
82	铅	Pb	14	6	p	固体	原始	金属
83	铋	Bi	15	6	p	固体	原始	金属
84	钋	Po	16	6	p	固体	瞬态	准金属
85	砹	At	17	6	p	固体	瞬态	卤素
86	氡	Rn	18	6	p	气体	瞬态	稀有气体
87	钫	Fr	1	7	s	固体	瞬态	碱金属
88	镭	Ra	2	7	s	固体	瞬态	碱土金属
89	锕	Ac	3	7	f	固体	瞬态	锕系元素
90	钍	Th	3	7	f	固体	原始	锕系元素
91	镤	Pa	3	7	f	固体	瞬态	锕系元素
92	铀	U	3	7	f	固体	原始	锕系元素
93	镎	Np	3	7	f	固体	瞬态	锕系元素
94	钚	Pu	3	7	f	固体	原始	锕系元素
95	镅	Am	3	7	f	固体	合成	锕系元素
96	锔	Cm	3	7	f	固体	合成	锕系元素
97	锫	Bk	3	7	f	固体	合成	锕系元素
98	锎	Cf	3	7	f	固体	合成	锕系元素
99	锿	Es	3	7	f	固体	合成	锕系元素
100	镄	Fm	3	7	f	固体	合成	锕系元素
101	钔	Md	3	7	f	固体	合成	锕系元素
102	锘	No	3	7	f	固体	合成	锕系元素
103	铹	Lr	3	7	d	固体	合成	锕系元素
104	钅卢	Rf	4	7	d		合成	过渡金属
105	钅杜	Db	5	7	d		合成	过渡金属
106	钅喜	Sg	6	7	d		合成	过渡金属
107	钅波	Bh	7	7	d		合成	过渡金属
108	钅黑	Hs	8	7	d		合成	过渡金属
109	钅麦	Mt	9	7	d		合成
110	钅达	Ds	10	7	d		合成
111	钅伦	Rg	11	7	d		合成
112	钅鎶	Cn	12	7	d		合成	过渡金属
113	(Uut)	Uut	13	7	p		合成
114	(Uuq)	Uuq	14	7	p		合成
115	(Uup)	Uup	15	7	p		合成
116	(Uuh)	Uuh	16	7	p		合成
117	(Uus)	Uus	17	7	p		合成
118	(Uuo)	Uuo	18	7	p		合成

练习

以下练习帮助您运用所学知识。自己完成它们，尝试想出一个解决问题的办法。

1. 以下原子中各有几个质子：h, fe, cu, al, n, o, c.
2. 以下原子中各有几个中子：$^{4}{\text{he}}$, $^{31}{\text{p}}$, $^{130}{\text{ba}}$, $^{23}{\text{na}}$, $^{39}{\text{k}}$, $^{19}{\text{f}}$, $^{22}{\text{ne}}$.
3. 为以下每个原子画一个示意图：$^{9}{\text{be}}$, $^{24}{\text{mg}}$, $^{25}{\text{mg}}$, $^{26}{\text{mg}}$, $^{32}{\text{s}}$, $^{33}{\text{s}}$, $^{35}{\text{cl}}$, $^{37}{\text{cl}}$。假设电子都在同一个圆圈上。将每个质子、中子和电子画成一个球体。
4. 指定以下每个原子的名称。由于原子序数很大，我将所有质子（和中子）画成一个大球体。

提示

1. 查阅元素周期表，找到原子序数，即元素的质子数。
2. 你会看到核子数作为左上角的上角标。查阅元素周期表，找到原子序数。由于核子数是原子核中粒子总数，用它减去原子序数，你就可以得到原子中中子的数量。
3. 首先，你需要查阅元素的原子序数。它表示原子中的质子数。用它减去核子数，你就得到了中子的数量。中子和质子构成原子核。在正常状态下，原子中的质子数等于电子数。画出围绕原子核运动的电子。

解答

**1**

元素	质子数
h	1
fe	26
cu	29
al	13
n	7
o	8
c	6

**2**

元素	中子数
$^{4}{\text{He}}$	2
$^{31}{\text{P}}$	16
$^{130}{\text{Ba}}$	74
$^{23}{\text{Na}}$	12
$^{39}{\text{K}}$	20
$^{19}{\text{F}}$	10
$^{22}{\text{Ne}}$	12

**3**

元素	示意图
$^{9}{\text{be}}$
$^{24}{\text{mg}}$
$^{25}{\text{mg}}$
$^{26}{\text{mg}}$
$^{32}{\text{s}}$
$^{33}{\text{s}}$
$^{35}{\text{cl}}$
$^{37}{\text{cl}}$

**4**

插图	元素
	$^{7}{\text{li}}$
	$^{55}{\text{mn}}$
	$^{58}{\text{ni}}$
	$^{66}{\text{zn}}$
	$^{51}{\text{v}}$
	$^{42}{\text{ca}}$
	$^{40}{\text{ar}}$

思考

本节课将帮助你建立批判性思维。尝试自己回答，并将其写在一张纸上。这里提供的答案仅供参考，可能还有其他答案。如果你有其他答案，请随意添加 :)

1. 你知道原子序数用 Z 表示。你可能也知道科学家为什么选择那个字母。但是，为什么核子数用 A 表示呢？
2. 为什么质子、中子分别用 p 和 n 表示？
3. 为什么电子用 e^- 表示？
4. 质子和中子可以分别用 p⁺ 和 n⁺ 表示吗？
5. 在本教材的范围内，元素和同位素分别指什么？它们在哪些细节上有所不同？

思考的答案

1. 按照惯例，原子序数写在元素名称左下角的角标位置，例如 $_{1}{\text{H}}$。核子数写在原子序数的上方，例如 $_{1}^{1}{\text{H}}$。核子数在上方，原子序数在下方，就像 A 是第一个字母，Z 是最后一个字母一样。
2. 它们是根据它们的第一个字母来表示的。
3. 电子可以用字母 e 表示，就像质子和中子一样。但后来科学家发现了它们的的反粒子，称为正电子。正电子的特性与电子几乎相同，除了电荷。正电子的电荷相对于基本电荷为 +1，而电子的电荷为 -1。正电子后来被称为 e⁺，电子被称为 e^-
4. 是的，我认为质子可以用 p⁺ 表示，而它们的反粒子可以用 p^- 表示。但中子不行。它们不带电荷，所以 '+' 或 '-' 没有任何意义。如果它们被这样表示，则会有其他原因。
5. 元素是指元素的原子。同位素是指同位素的原子。当我们说氢时，我们指的是一个可能是氕、氘或氚的原子。当我们说氚时，我们只指的是氚的原子。