人类早已知晓 只需留意周遭的环境 就会发现不同的物质 这些不同的物质 往往会有不同的性质 不仅仅是性质不同 可能一种物质会以某种方式反射光 而另一种却不能 这种物质或有某种颜色 或在特定的温度下 变成液体、气体、固体 但我们也开始观察 它们是如何在某些情况下相互反应的 这里有几张这些物质的照片 这张是在石墨形态下的碳的照片 这里这张是铅 这张是金 我做了标记的这些照片 也就是在此给大家展示的图片 都是我在这个网址里找到的 这些都是在固态下的照片 不过我们也知道 某种空气 某些空气粒子 当所观察的空气粒子的类型不同 例如碳、氧、氮 它们的性质都有所不同 或者是其他的东西 比如液体 可能只需将这些物质的温度提到足够的高 例如 将金或铅的温度提到足够高 你就能得到液态的金或铅 又或者 如果把碳燃烧 就可以将它转化为气态 还可以将其释放到大气中 还可以打破它的结构 这些是我们人类上千年来 通过各种方法 观察得来的知识 但是 这指向了一个自然问题 很久以前 这是一个哲学问题 不过我们现在可以更好地回答这个问题了 这个问题就是 如果你不断将一块固体碳 切得越来越小 能不能切到最小 最终得到碳的最小单位？ 如果继续将它切小 它会不会失去碳的特性？ 问题的答案是肯定的 因此 我们先来学习一个术语 我们称这些不同的物质 这些纯净的 在某些温度下 有特殊性质、有不同的反应的物质 我们称之为元素 碳是一种元素 铅是一种元素 金亦是一种元素 你或许会认为水是一种元素 而且在历史的长河中 古人也曾称水为元素 但现在我们知道 水是由更为基本的元素组成的 它是由氧元素和氢元素所组成 现今发现的所有元素 都列在元素周期表上 C代表碳 下面我只介绍一下 几种较为常用的元素 随着时间的推移 你或许会熟悉所有这些元素 这是氧元素 这是氮元素 这是硅元素 这是Au――金 这是铅 然而 这些元素的最基本单位都是原子 所以 如果你不断地拆分它 把它拆得越来越小 最终你会得到一个碳原子 对金做同样的事 最终你会得到一个金原子 同样 对铅做相同的事 最终你会得到一些很小的 用一个比粒子更好的词 我们可以称之为铅原子 然后就不能再将其 拆分成更小的“铅”了 它不再会拥有铅的性质 坦白说 这真是一些太难以想象了 原子真是难以置信的小 难以想象的小 举个例子 碳原子 我的头发也是由碳原子构成的 事实上 我身体的很大一部分都是由碳原子构成的 事实上 大部分的生物都是由碳原子构成的 所以 如果你把我的头发。。。 当然我的头发是碳 我的头发绝大部分都是碳 所以 如果把我的头发放在这 我的头发不是黄色的 但它和黑色形成了很好的对比 我的头发是黑色的 不过就算我把头发放在这里 你们在屏幕上也看不到 但是如果把我的头发放在这里 我会问 我的头发有多少个碳原子宽？ 如果给我的头发丝做一个横截面 不是纵切 是横着切 有多少个碳原子那么宽呢？ 你或许会猜 Sal已经告诉过我了 它很小很小 所以 有一千个碳原子？ 或一万个？ 或十万个？ 但我的回答是 错！ 它有一百万个碳原子 如果你把一百万个碳原子排成一列 就可以得到人类头发丝的平均直径 这显然是一个近似值 它不是精确的一百万 不过它可以让你感觉到原子是多么的小 拔一根头发 然后试着想象一下 头发丝中并排放置一百万个小东西 不是顺着头发 而是头发的宽度 我们甚至很难观测到头发的直径 更何况是一百万个碳原子 仅是它的直径 这本身就很酷 我们知道 碳原子是碳最基础的组成部分 原子是所有元素最基础的单位 但更为整洁的是 那些最基本的单位――原子 是相互关联的 一个碳原子是由更为简单的粒子所组成的 一个金原子也是由更为简单的粒子所组成的 它们实际上是 由这些基本粒子的排列方式来确定的 如果你要去改变这些基本粒子的数量 改变这最基本的粒子的原有个数 你可以 改变这种原子的特性 以及它发生的反应 甚至可能改变元素的种类 试着好好的理解 让我们先来聊聊那些更基本的粒子 首先是质子 质子实际上有决定性的意义 原子核里的质子数量 等会我们再聊聊原子核 这就是决定元素种类的东西 决定元素种类的东西 当你看这里这张元素周期表时 它们实际上是按照原子序数排列的 原子序数 实际上 就是这种元素的质子数 根据定义 氢原子有1个质子 氦原子有2个质子 钙原子有6个质子 你找不到有7个质子的碳原子 如果你真找到了 那它就是氮原子 不是碳原子了 氧原子有8个质子 如果你通过某种方式给它加1个质子 它就不再是氧了 它会变成氟 所以 质子数决定了元素 质子数决定了元素 原子序数 也就是质子的数量 质子的数量――记住 是它的数量 写在最上方的这里 写在元素周期表上的每个元素的上方 质子数等于原子序数 质子数是等于原子序数的 原子序数写在这上面 因为它能确定一种元素 原子的另外两种组成部分 我想我们可以直接用术语来说 是电子和中子 然后 你可以自己在脑袋里搭建一个原子模型 这个模型 在我们学习化学的过程中会发现 它会变得更加抽象 真的很难给它一个概念 但是我们可以先来想象 在原子的中心是质子和中子 它们构成一个原子的原子核 比如说碳原子 我们知道有6个质子 所以一、二、三、四、五、六 碳12 是其中一种碳原子 它有6个中子 你会发现碳原子有很多种类 它们的不同 在于它们的中子数不同 所以中子数可以不同 电子数也可以不同 改变之后它还是相同的元素 只有质子数不能变 只要质子数一改变 你就会得到不同的元素 所以 让我来画个碳12的原子核 一、二、三、四、五、六 所以 这就是碳12的原子核 有时候可以写成这样 有时候会在下面标上数字 这个数字也就是质子的数量 所以说称之为碳12的原因就是―― 这里有6个中子 12是一个总数 你可以把它看作 一种研究这粒子的方式 这个数值的不同 在将来的课程中会有细微的差别 这是原子核中 质子和中子的总数 碳的原子序数是6 我们可以写在这里提醒自己 所以在碳原子的中心 这个原子核 碳12有6个质子和6个中子 而另一种碳原子 碳14 仍有6个质子 不过有8个中子 中子的数量是可以不同的 这个是碳12 如果这个碳12是中性的 我等会也会在这里做些细微的改变 如果它是中性的 它还会有6个电子 让我来画那6个电子 一、二、三、四、五、六 第一点我们会想到的是 电子和质子的关系 你可以想象这些电子 像蜜蜂一样在原子核周围转圈 有一种模型是 你可以想象它们 像行星一样绕着原子核运动 但是这并不完全正确 它们不会像行星一样按着特定的轨道运行 像太阳系的行星绕着太阳运行那样 不过那是很好的想象的起点 另外它们还会在原子核周围跳来跳去 或者说它们在原子核周围乱动 这是事实 虽然在这个层面上显得特别古怪 实际上 我们要学习量子物理学 才能真正理解这些电子的运动 不过你脑袋里第一个物质模型 就是在碳12原子的中心 有这个原子核 在这里 有这个原子核 然后这些电子在原子核周围跳来跳去 这些电子之所以 不会远离原子核 它们像是被束缚在原子核周围的原因 让它们构成了原子一部分的原因 就是 质子带正电荷 质子带正电荷 而电子带负电荷 这是这些粒子的性质之一 如果你开始思考 为什么是电荷而不是中子数？ 那么也就开始深入这个问题了 不过我们熟悉的是 电磁力 例如正负电荷彼此吸引 所以最佳的想法就是：质子和电子 因为带有不同的电荷 它们互相吸引 而中子是电中性的 所以它们只是老实呆在原子核里 对于某些元素来说 中子数确实会 在某种程度上影响这种物质的特性 不过电子不会飞离原子核的真正原因是 电子和质子是相互吸引的 电子被原子核吸引 另外 电子还拥有快得难以置信的速度 这对于我们初学者来说也是很难理解的 要讲电子在做怎样的运动的话 得扯到很深的物理知识――不过已经足够了 知道它在原子和周围乱跳就足够啦 因为它们不想被原子核吸进去 我想这是一种解释方法 另外 我刚刚提到了碳12 元素种类由质子数决定 氧原子是有8个质子的原子 不过再次提醒 电子也会相互作用 它们也有可能被其它原子拐走 这实际上构成了大部分的化学理论 例如一个原子有多少个电子 或是某种元素有多少个电子 以及这些电子的排列方式 以及其他元素的电子的排列方式 或者这种元素的其他原子 由此我们可以推测 一种元素的一个原子 可以怎么和同种元素的其他原子反应 或者一种元素的一个原子 是怎么反应的 或者它怎么被约束、游离、被吸引 或排斥另一种元素的另一个原子 我们在以后也会学到更多这方面的知识 举个例子 在某个地方的另一个原子 因为某种原因 可能一下子就把碳原子的电子给拐走了 我们将会谈论某些元素的中性原子 它相对其他元素的中性原子对电子有更大的亲和力 所以 也许就是其中一个这样的原子从碳原子里夺走了一个电子 那么这个碳的电子数就会少于它的质子数 也就是有5个电子6个质子 然后就会带1个正电荷 所以在这个碳12里 我最初画的这个碳原子 有6个质子、6个电子 电荷正好抵消了 如果它失去1个电子 那么只有5个电子 那么它就会有1个正电荷 在整个化学课程中 我们还会谈论到更多有关这些的知识 不过很高兴 这些知识已经开始变得相当有趣 我们已经讲到了 作为基本单位的原子 竟然是由更小的粒子组成的 是由更小的粒子组成的 这些东西都可以互相交换 改变一个原子的特性 甚至从一种元素的一个原子 变成另一种元素的另一个原子