化學白痴、人類和叛逆者的化學/基礎

那麼，化學到底是怎麼回事呢？

好吧，回想一下童年時期的樂高積木套裝。有幾種型別：有些是兩個凸塊寬，有些是一個凸塊寬，有些是六個或八個或十個凸塊長，還有一些是四個或甚至兩個。甚至還有一個一乘一的。有了這些組合和一點想象力，你幾乎可以建造任何東西。

化學就像一套高階的樂高積木，但有更多的零件型別。確切地說，迄今為止已知有 118 種元素。元素是一種原子型別，比如鐵（元素#26）或氫（元素#1）或鉀（元素#19）。這些是化學的“樂高積木”。

你可以在一種特殊的表格中找到所有元素的完整列表，這種表格被稱為“元素週期表”。這裡有一個指向元素週期表的連結：www.ptable.com。它顯示了所有 118 種已知元素，並根據它們的性質將其列入不同的列。

在每一縱列中，元素在某些方面是相似的。例如，在最左側一列中，氫（#1）、鋰（#3）、鈉（#11）、鉀（#19）以及第 37、55 和 87 號元素，都具有高度活性的特性。它們不喜歡與其他元素髮生反應。鈉在水中會劇烈爆炸。氫極易燃。鋰略微爆炸。但最右側一列包含“惰性氣體”。它們都“高貴”，因為它們傾向於不與其他元素混合。它們是非活性的。事實上，第 18 號元素氬有時用於保護活性元素免受氧氣接觸。

你會注意到，每個元素都有一個縮寫，或符號。例如，氫是 H。氬是 Ar。鋰是 Li。這些看起來都很有道理。但鐵的符號是 Fe，鉀的符號是 K。這是因為這些元素為古代科學家所知，並以它們的拉丁名稱命名——Ferrum，指鐵，Kalium，指鉀。所有在古典時期已知的元素都以其拉丁名稱的縮寫命名，而那些僅在近代才被發現的元素則以其英文名稱命名。

科學家將這些縮寫組合成“公式”，就像樂高盒子外面宇宙飛船的示意圖一樣。如果你按照說明，就可以製造出化合物。例如，2 個氫原子和 1 個氧原子形成一個化學式 H2O。這個公式代表一種我們稱之為“水”的化合物。另一種常見的化合物是 NaCl（一個鈉原子加上一個氯原子形成食鹽，或 NaCl）。當我們將兩種或更多種不同的元素組合在一起時，我們稱之為分子。

另一個常見的公式是 C12H22O11。十二個碳原子加上二十二個氫原子加上十一個氧原子形成一個糖分子。可以想象，構成一個分子的原子越多，與其他分子相比，這個分子就越“重”。一個糖分子需要 45 個原子，一個水分子需要 3 個原子。可以想象，糖在水中會沉下去。

但是，在考慮分子的“重量”時，我們還必須考慮到元素週期表中每個原子的重量都不一樣。原子的“原子序數”讓我們對原子的重量有一個粗略的估計。例如，氫是#1，碳是#6。正如你可能想象的那樣，碳比氫重——大約重 12 倍。碳的重量幾乎正好是 12 個原子質量單位。氧，#8，的重量幾乎正好是 16 個原子質量單位。

這些比例——6/12 和 8/16，應該讓你對這些原子有所瞭解。顯然，重量大約是原子序數的兩倍。但氫的重量大約是 1 個 AMU。要理解這一點，我們需要看看原子是什麼樣的。原子有一個核心，由質子和中子組成。稱為“電子”的更小的粒子繞原子核旋轉。每個元素的質子數等於其原子序數。大多數元素的中子數也相同，使得在許多情況下元素的重量大約是原子序數的兩倍。電子的重量非常小 (1/1840)——在這些重量中幾乎可以忽略不計。

因此，碳，每個原子核中有 6 個質子和 6 箇中子，原子量幾乎正好是 12。它也有 6 個電子。氧有 8 個質子和 8 箇中子——這就是 16 的原子量——再加上 8 個電子。

但在每個元素的家族中也有一些“奇特的表親”。例如，一些碳原子有兩個額外的中子，使總數為 6、8 和 6。這兩個額外的中子使碳原子的重量為 14 個 AMU 而不是 12 個 AMU，所以我們稱之為“碳 14”，我們將普通的常見碳稱為“碳 12”。自然界中發現的大多數碳約為 98.9% 的碳 12、1.1% 的碳 13（正如你可能猜到的那樣，它有一個額外的中子）和不到 0.1% 的碳 14。還有其他型別的碳——我們稱元素的變體為“同位素”——但碳的其他同位素極其罕見。

在我們之前提到的元素週期表上的 118 種元素中，有些非常罕見，有些只能透過將其他原子撞擊在一起並使它們粘在一起而製造出來。所有原子序數大於 85（砈）的元素都非常罕見，而原子序數大於 94（鈽）的元素大多是人造的，透過核過程或將其他原子撞擊在一起製造出來。所有原子序數大於 83（鉍）的元素都被認為是放射性的，這意味著它們會“衰變”成其他元素。例如，一個鈾（#92）原子通常會分裂成一個氦（#2）原子和一個釷（#90）原子。