普通化學/物質的性質/物質的基本性質

什麼是物質？

物質具有質量和體積，這塊混凝土塊就是一個例子。

物質被定義為任何佔據空間並具有質量的東西。黑洞有質量，但實際上不佔據空間。黑洞具有無限密度和0體積。任何有質量的東西都必須是三維的，這就是為什麼無論原子（構成物質的東西）有多小，它們都是三維的。

質量是衡量物體慣性的一種指標。它與重量成正比：物體的質量越大，它的重量就越大。但是，質量與重量並不相同。重量是由重力作用於物質產生的力，而質量則是物體抵抗運動變化的一種度量。例如，你在月球上的重量將是你在地球上的重量的六分之一，因為月球的引力場是地球引力場的六分之一。質量過去透過將待測物質與稱為國際標準公斤的標準公斤進行比較來測量。國際標準公斤是一個金屬圓柱體，其高度和直徑均等於39.17毫米，由90%的鉑和10%的銥合金製成。因此，標準公斤被定義，所有其他質量都是與該公斤的比較。當用質譜儀測量原子質量時，使用不同的內部標準。關於質量的結論是，質量是一個透過比較判斷的相對術語。質量現在由瓦特或基布林天平定義，透過測量普朗克常數來確定。用普朗克常數測量質量的目標是電子測量質量。這樣做是因為用電子和電進行電子測量比稱量大小不同的物體容易得多，因此研究人員一直在努力將公斤重新定義為一個量子標準，該標準實施瓦特/基布林天平來測量普朗克常數。這一變化於2019年5月20日生效，此前法國凡爾賽的CGPM成員在歷史性投票中決定重新定義公斤、安培、摩爾和開爾文。公斤的重新定義取決於這種確定質量的新方法的持續改進。NIST等國家計量實驗室合作促成了公斤的重新定義。

體積是衡量物體所佔空間大小的一種指標。體積可以使用刻度標記或間接使用長度測量來直接測量，具體取決於材料的狀態（氣體、液體或固體）。例如，量筒是一個可以容納液體的管子，該管子在規則間隔處進行標記和標記，通常每隔1或10毫升。將液體放入量筒後，可以讀取刻度標記並記錄體積測量值。由於體積隨溫度變化，因此刻度儀器的精度有限。具有規則形狀的固體物體可以透過測量其尺寸來計算其體積。對於一個盒子來說，它的體積等於長度乘以寬度乘以高度。

需要注意的是，測量與計算特定值不同。雖然質量和體積都可以直接相對於定義的標準或玻璃上的刻度線進行確定，但從測量值中計算其他值並不被認為是測量。例如，一旦你直接測量了液體的質量和體積，就可以透過將質量除以體積來計算物質的密度。這被認為是間接確定密度。有趣的是，如果設定了允許將密度與標準進行比較的實驗，也可以直接測量密度。

物質的另一個直接或間接確定的量是物質的量。它可以表示物體計數的數量（例如，三隻老鼠或一打百吉餅），也可以表示間接確定的物質中粒子的數量，例如純物質樣品中包含多少原子。後一種量用摩爾來描述。一摩爾過去專門定義為12克碳-12同位素中粒子的數量。這個數字是6.02214078(18)x 10²³個粒子。摩爾現在被定義為阿伏伽德羅常數N_A的值為6.022 140 76乘以10的23次方倒數摩爾。

常見的測量單位

• 質量：公斤（kg）。還有克（g）和毫克（mg）。
  • 1 kg = 1000 g
  • 1000 mg = 1 g。
• 體積：升（L）、毫升（mL）。還有立方厘米（cc）和立方米（m³）。
  • 1 cc = 1 mL
  • 1000 mL = 1 L
  • 1000 L = 1 m³
• 物質的量：摩爾（mol）。
  • 1 mol = 6.02214078(18)x 10²³個粒子

原子、元素和化合物

物質的基本構成單元是原子。原子由質子、電子和中子構成。質子和中子由夸克和膠子構成。

紅點是質子，黑點是中子，藍點是電子。

任何原子都由一個小的原子核和一個圍繞原子核的電子“雲”組成。在原子核中存在質子和中子。

然而，術語“原子”只是指物質的構成單元，它沒有指定原子的身份。它可以是碳原子，也可以是氫原子，或任何其他型別的原子。

這就是術語“元素”的作用所在。當原子透過其原子核中所含質子的數量來定義時，化學家將其稱為元素。所有元素都有一個非常明確的身份，使它們與其他元素區別開來。例如，原子核中含有6個質子的原子被稱為碳元素。當談到氟元素時，化學家是指原子核中含有9個質子的原子。

• 原子：物質的基本構成單元，由質子、中子和電子構成。
• 元素：由原子核中質子的數量識別的一種獨特的可識別原子。

儘管我們將元素定義為一個獨特的可識別原子，但當我們說例如5種元素時，我們通常並不意味著這5個原子是相同型別的（在它們的原子核中具有相同的質子數量）。我們指的是5種類型的原子。它們不一定是隻有5個原子。可能有10個或100個，等等原子，但這些原子屬於5種類型的原子中的一種。我更願意將“元素”定義為“原子型別”。我認為這樣更精確。如果我們想指代5個原子在它們的原子核中具有相同的6個質子，我會說“5個碳原子”或“5個碳原子”。

需要注意的是，如果原子核中質子的數量發生變化，則該元素的身份也會隨之變化。如果我們能從氮（7個質子）中去除一個質子，它就不再是氮了。事實上，我們將不得不將該原子識別為碳（6個質子）。記住，元素是唯一的，並且始終由原子核中質子的數量來定義。元素週期表顯示了所有已知的元素，按它們擁有的質子數量排列。

元素由相同型別的原子構成；元素碳包含任意數量的原子，所有原子核中都含有 6 個質子。 相反，化合物由不同型別的原子構成。更確切地說，化合物是由兩種或多種元素組成的化學物質。碳化合物包含一些碳原子（每個碳原子含有 6 個質子）以及一些其他含有不同數量質子的原子。

化合物的性質與構成它們的元素不同。例如，水是由氫和氧組成的。氫是一種易爆氣體，氧是一種助燃氣體。而水則具有完全不同的性質，是一種用於滅火的液體。

化合物的最小代表（保留化合物特徵）被稱為分子。分子由透過“鍵”連線在一起的原子構成。例如，水分子式為“H₂O”：兩個氫原子和一個氧原子。

物質的性質

物質的性質可以從兩個方面進行分類：廣延性質/強度性質，或物理性質/化學性質。

根據國際純粹與應用化學聯合會 (IUPAC) 的定義，強度性質或強度量是一個其大小與體系大小無關的量（體系是指所研究的環境的一部分）。強度性質包括溫度、折射率（例如，空氣的折射率為 1.000293）和質量密度。質量密度的倒數或乘積的倒數，即比容，也是一個強度性質。沸點是一個強度性質。以下是一些強度性質的列表：

• 電荷密度
  • 線電荷密度是指單位長度上的電荷量，通常用$\lambda$表示，單位為${\mathsf {C*{m}^{-1}}}$。
  • 表面電荷密度是指單位面積上的電荷量，用$\sigma$表示，單位為${\mathsf {C*{m}^{-2}}}$。
  • 體積電荷密度是指單位體積上的電荷量，通常用ρ表示，$\rho$，單位為${\mathsf {C*{m}^{-3}}}$。
• 顏色
• 濃度
  • 質量濃度，單位為${\mathsf {{m}^{-3}*{kg}^{+1}}}$。
  • 摩爾濃度，單位為${\mathsf {{m}^{-3}*{mol}^{+1}}}$。
  • 數濃度，單位為${\mathsf {{m}^{-3}}}$。
• 能量密度，單位為${\mathsf {{J}^{+1}*{m}^{-3}}}$。
• 磁導率是衡量材料在施加磁場作用下所產生的磁化強度的指標，通常用 μ 表示，$\mu$，並使用 ${\mathsf {{m}^{-1}*{H}^{+1}}}$ 或 ${\mathsf {{N}^{+1}*{A}^{-2}}}$ 進行測量。
• 比重
• 熔點
• 沸點
• 摩爾濃度，使用 ${\mathsf {{kg}^{-1}*{mol}^{+1}}}$ 進行測量。
• 壓力
• 折射率
• 電阻率，使用 ${\mathsf {\Omega *m}}$ 進行測量。
• 電導率，使用 ${\mathsf {S^{+1}*{m}^{-1}}}$ 進行測量。

強性質不依賴於物質的數量。這些性質包括沸點和顏色。 廣性質依賴於所測量物質的數量。這些性質包括質量和體積。

物理性質可以在不改變化學物質身份的情況下進行測量。物質的凝固點是物理性質。當水結冰時，它仍然是 H2O。 化學性質與一種化學物質如何與另一種化學物質反應有關。我們知道木材是可燃的，因為它在氧氣存在的情況下加熱時會變成熱量、灰燼和二氧化碳。

物質狀態

一個重要的物理性質是物質狀態。在日常生活中，常見的有三種：固態、液態和氣態。第四種是等離子體，它是在特殊條件下觀察到的，比如太陽和熒光燈中的條件。物質可以存在於任何狀態。水是一種可以是液態、固態（冰）或氣態（蒸汽）的化合物。

圖中的冰是固態。圖中的水是液態。空氣中含有水蒸氣，它是氣態。

物質狀態取決於分子之間的鍵合。

固體

固體具有確定的形狀和體積。大多數日常物體都是固體：岩石、椅子、冰，以及任何具有特定形狀和尺寸的物體。固體中的分子彼此靠近，並透過分子間鍵連線在一起。固體可以是無定形的，這意味著它們沒有特定的結構，或者它們可以排列成晶體結構或網路。例如，煤煙、石墨和金剛石都是由元素碳製成的，它們都是固體。是什麼讓它們如此不同？煤煙是無定形的，因此原子是隨機地粘在一起的。石墨形成平行層，這些層可以相互滑動。然而，金剛石形成一種晶體結構，使其非常堅固。

液體

液體具有確定的體積，但沒有確定的形狀。相反，它們會根據容器的形狀而改變形狀，只要它們確實被某種東西所“包含”，比如燒杯、手捧或甚至水坑。如果沒有正式或非正式的容器“包含”，形狀將由其他內部（例如，分子間）和外部（例如，重力、風、慣性）力決定。分子彼此靠近，但不像固體那樣靠近。分子間鍵很弱，因此分子可以彼此自由滑動，平滑流動。液體的性質是粘度，即流動時的“稠度”的量度。例如，水不像糖蜜那樣粘稠。

氣體

氣體沒有確定的體積和形狀。它們會膨脹以填滿容器的尺寸和形狀。我們呼吸的氧氣和鍋裡的蒸汽都是氣體的例子。氣體中的分子相距很遠，並且分子間力很小。每個原子都可以自由地向任何方向移動。氣體發生逸出和擴散。逸出是指氣體透過一個小孔滲出的現象，擴散是指氣體在整個房間內散開的現象。如果有人將一瓶氨水放在桌子上，並且瓶子上有一個洞，最終整個房間都會散發氨氣味。這是由於擴散和逸出。氣體具有這些性質，因為分子之間沒有相互鍵合。氣體中的分子是自由的，它們可以四處移動，不像固體分子。

• 在氣體中，分子間力非常弱，因此分子隨機移動，相互碰撞，並與容器壁碰撞，從而對容器施加壓力。當氣體放出熱量時，內部分子能量會降低；最終，氣體液化的點就會達到。