人類早已知曉 只需留意周遭的環境 就會發現不同的物質 這些不同的物質 往往會有不同的性質 不僅僅是性質不同 可能一種物質會以某種方式反射光 而另一種卻不能 這種物質或有某種顏色 或在特定的溫度下 變成液體、氣體、固體 但我們也開始觀察 它們是如何在某些情況下相互反應的 這裡有幾張這些物質的照片 這張是在石墨形態下的碳的照片 這裡這張是鉛 這張是金 我做了標記的這些照片 也就是在此給大家展示的圖片 都是我在這個網址裏找到的 這些都是在固態下的照片 不過我們也知道 某種空氣 某些空氣粒子 當所觀察的空氣粒子的類型不同 例如碳、氧、氮 它們的性質都有所不同 或者是其他的東西 比如液體 可能只需將這些物質的溫度提到足夠的高 例如 將金或鉛的溫度提到足夠高 你就能得到液態的金或鉛 又或者 如果把碳燃燒 就可以將它轉化爲氣態 還可以將其釋放到大氣中 還可以打破它的結構 這些是我們人類上千年來 通過各種方法 觀察得來的知識 但是 這指向了一個自然問題 很久以前 這是一個哲學問題 不過我們現在可以更好地回答這個問題了 這個問題就是 如果你不斷將一塊固體碳 切得越來越小 能不能切到最小 最終得到碳的最小單位？ 如果繼續將它切小 它會不會失去碳的特性？ 問題的答案是肯定的 因此 我們先來學習一個術語 我們稱這些不同的物質 這些純淨的 在某些溫度下 有特殊性質、有不同的反應的物質 我們稱之爲元素 碳是一種元素 鉛是一種元素 金亦是一種元素 你或許會認爲水是一種元素 而且在歷史的長河中 古人也曾稱水爲元素 但現在我們知道 水是由更爲基礎的元素組成的 它是由氧元素和氫元素所組成 現今發現的所有元素 都列在元素周期表上 C代表碳 下面我只介紹一下 幾種較爲常用的元素 隨著時間的推移 你或許會熟悉所有這些元素 這是氧元素 這是氮元素 這是矽元素 這是Au――金 這是鉛 然而 這些元素的最基本單位都是原子 所以 如果你不斷地拆分它 把它拆得越來越小 最終你會得到一個碳原子 對金做同樣的事 最終你會得到一個金原子 同樣 對鉛做相同的事 最終你會得到一些很小的 用一個比粒子更好的詞 我們可以稱之爲鉛原子 然後就不能再將其 拆分成更小的“鉛”了 它不再會擁有鉛的性質 坦白說 這真是一些太難以想象了 原子真是難以置信的小 難以想象的小 舉個例子 碳原子 我的頭發也是由碳原子構成的 事實上 我很大一部分都是由碳原子構成的 事實上 大部分的生物都是由碳原子構成的 所以 如果你把我的頭發。。。 當然我的頭發是碳 我的頭發絕大部分都是碳 所以 如果把我的頭發放在這 我的頭發不是黃色的 但它和黑色形成了很好的對比 我的頭發是黑色的 不過就算我把頭發放在這裡 你們在屏幕上也看不到 但是如果把我的頭發放在這裡 我會問 我的頭發有多少個碳原子寬？ 如果給我的頭發絲做一個橫橫斷面 不是縱切 是橫著切 有多少個碳原子那麽寬呢？ 你或許會猜 Sal已經告訴過我了 它很小很小 所以 有一千個碳原子？ 或一萬個？ 或十萬個？ 但我的回答是 錯！ 它有一百萬個碳原子 如果你把一百萬個碳原子並在一起 就可以得到人類頭發絲的平均直徑 這顯然是一個近似值 它不是精確的一百萬 不過它可以讓你感覺到原子是多麽的小 拔一根頭發 然後試著想象一下 頭發絲中並排放置一百萬個小東西 不是順著頭發 而是頭發的寬度 我們甚至很難觀測到頭發的直徑 更何況是一百萬個碳原子 僅是它的直徑 這本身就很酷 我們知道 碳原子是碳最基礎的組成部分 原子是所有元素最基礎的單位 但更爲整潔的是 那些最基本的單位――原子 是相互關聯的 一個碳原子是由更爲簡單的粒子所組成的 一個金原子也是由更爲簡單的粒子所組成的 它們實際上是 由這些基本粒子的排列方式來確定的 如果你要去改變這些基本粒子的數量 改變這最基本的粒子的原有個數 你可以 改變這種原子的特性 以及它發生的反應 甚至可能改變元素的種類 試著好好的理解 讓我們先來聊聊那些更基本的粒子 首先是質子 質子實際上有決定性的意義 原子核裏的質子數量 等會我們再聊聊原子核 這就是決定元素種類的東西 決定元素種類的東西 當你看這裡這張元素周期表時 它們實際上是按照原子序排列的 原子序 實際上 就是這種元素的質子數 根據定義 氫原子有1個質子 氦原子有2個質子 鈣原子有6個質子 你找不到有7個質子的碳原子 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個質子 如果你通過某種方式給它加1個質子 它就不再是氧了 它會變成氟 所以 質子數決定了元素 質子數決定了元素 原子序 也就是質子的數量 質子的數量――記住 是它的數量 寫在最上方的這裡 寫在元素周期表上的每個元素的上方 質子數等於原子序 質子數是等於原子序的 原子序寫在這上面 因爲它能確定一種元素 原子的另外兩種組成部分 我想我們可以直接用術語來說 是電子和中子 然後 你可以自己在腦袋裏搭建一個原子模型 這個模型 在我們學習化學的過程中會發現 它會變得更加抽象 真的很難給它一個概念 但是我們可以先來想象 在原子的中心是質子和中子 它們構成一個原子的原子核 比如說碳 我們知道有6個質子 所以一、二、三、四、五、六 碳12 是其中一種碳 它有6個中子 你會發現碳有很多種類 它們的不同 在於它們的中子數不同 所以中子數可以不同 電子數也可以不同 改變之後它還是相同的元素 只有質子數不能變 只要質子數一改變 你就會得到不同的元素 所以 讓我來畫個碳12的原子核 一、二、三、四、五、六 所以 這就是碳12的原子核 有時候可以寫成這樣 有時候會在下面標上數字 這個數字也就是質子的數量 所以說稱之爲碳12的原因就是―― 這裡有6個中子 12是一個總數 你可以把它看作 一種研究這粒子的方式 這個數值的不同 在將來的課程中會有細微的差別 這是原子核中 質子和中子的總數 碳的原子序是6 我們可以寫在這裡提醒自己 所以在碳原子的中心 這個原子核 碳12有6個質子和6個中子 而另一種碳 碳14 仍有6個質子 不過有8個中子 中子的數量是可以不同的 這個是碳12 如果這個碳12是中性的 我等會也會在這裡做些細微的改變 如果它是中性的 它還會有6個電子 讓我來畫那6個電子 一、二、三、四、五、六 第一點我們會想到的是 電子和質子的關係 你可以想象這些電子 像蜜蜂一樣在原子核周圍轉圈 有一種模型是 你可以想象它們 像行星一樣繞著原子核運動 但是這並不完全正確 它們不會像行星一樣按著特定的軌道運行 像太陽係的行星繞著太陽運行那樣 不過那是很好的想象的起點 另外它們還會在原子核周圍跳來跳去 或者說它們在原子核周圍亂動 這是事實 雖然在這個層面上顯得特別古怪 實際上 我們要學習量子物理學 才能真正理解這些電子的運動 不過你腦袋裏第一個物質模型 就是在碳12原子的中心 有這個原子核 在這裡 有這個原子核 然後這些電子在原子核周圍跳來跳去 這些電子之所以 不會遠離原子核 它們像是被束縛在原子核周圍的原因 讓它們構成了原子一部分的原因 就是 質子帶正電荷 質子帶正電荷 而電子帶負電荷 這是這些粒子的性質之一 如果你開始思考 爲什麽是電荷而不是中子數？ 那麽也就開始深入這個問題了 不過我們熟悉的是 電磁力 例如正負電荷彼此吸引 所以最佳的想法就是：質子和電子 因爲帶有不同的電荷 它們互相吸引 而中子是電中性的 所以它們只是老實呆在原子核裏 對於某些元素來說 中子數確實會 在某種程度上影響這種物質的特性 不過電子不會飛離原子核的真正原因是 電子和質子是相互吸引的 電子被原子核吸引 另外 電子還擁有快得難以置信的速度 這對於我們初學者來說也是很難理解的 要講電子在做怎樣的運動的話 得扯到很深的物理知識――不過已經足夠了 知道它在原子和周圍亂跳就足夠啦 因爲它們不想被原子核吸進去 我想這是一種解釋方法 另外 我剛剛提到了碳12 元素種類由質子數決定 氧由有8個質子決定 不過再次提醒 電子也會相互作用 它們也有可能被其它原子拐走 這實際上構成了大部分的化學理論 例如一個原子有多少個電子 或是某種元素有多少個電子 以及這些電子的排列方式 以及其他元素的電子的排列方式 或者這種元素的其他原子 由此我們可以推測 一種元素的一個原子 可以怎麽和同種元素的其他原子反應 或者一種元素的一個原子 是怎麽反應的 或者它怎麽被制限、遊離、被吸引 或排斥另一種元素的另一個原子 我們在以後也會學到更多這方面的知識 舉個例子 在某個地方的另一個原子 因爲某種原因 可能一下子就把碳原子的電子給拐走了 我們將會談論某些元素的中性原子 它相對其他元素的中性原子對電子有更大的親合力 所以 也許就是其中一個這樣的原子從碳原子裏奪走了一個電子 那麽這個碳的電子數就會少於它的質子數 也就是有5個電子6個質子 然後就會帶1個正電荷 所以在這個碳12裏 我最初畫的這個碳原子 有6個質子、6個電子 電荷正好抵消了 如果我失去1個電子 那麽只有5個電子 那麽它就會有1個正電荷 在整個化學課程中 我們還會談論到更多有關這些的知識 不過很高興 這些知識已經開始變得相當有趣 我們已經講到了 作爲基本單位的原子 竟然是由更小的粒子組成的 是由更小的粒子組成的 這些東西都可以互相交換 改變一個原子的特性 甚至從一種元素的一個原子 變成另一種元素的另一個原子