高中化學/物質
我們都熟悉物質。物質的定義是任何具有質量和體積（佔據空間）的東西。對於我們日常生活中處理的大多數常見物體，證明它們具有質量並佔據空間是相當簡單的。然而，你可能會想象幾百年前的人們證明空氣具有質量和體積的困難。空氣（以及所有其他氣體）對眼睛來說是無形的，與相同體積的固體和液體相比，它們的質量非常小，而且很容易壓縮（改變體積）。如果沒有靈敏的裝置，很難讓人相信氣體是物質。今天，我們可以測量一個氣球在放氣時的質量，然後吹氣，紮緊，然後再測量一次，以檢測由於內部空氣引起的額外質量。在室溫條件下，佔據一個一夸脫罐子的空氣質量約為0.0002磅。在秤沒有被設計用來精確測量非常小的質量的時代，如此小的質量將很難測量。後來，科學家能夠將氣體壓縮到非常小的體積，使氣體變成液體，這清楚地表明氣體是物質。
另一方面，當你給物體加熱時，物體的溫度會升高，但即使是最靈敏的秤也不能檢測到物體冷熱時的質量有任何差異。熱量不屬於物質。
- 定義物質並解釋它是如何由被稱為“原子”的積木構成的。
- 區分質量和重量。
知道行星、太陽系甚至星系都是由物質構成的，並不能讓我們更接近於理解物質是什麼。直到19世紀初，人們根本不理解物質。他們知道世界上有一些“東西”可以被拾起和使用，並且其中一些“東西”可以變成其他“東西”。例如，找到一塊銅的人可以把它做成項鍊，或者把它和鋅一起熔化來製作黃銅。然而，人們不知道所有這些“東西”是如何相互關聯的。如果他們知道了，鍊金術士可能就不會浪費那麼多時間試圖將普通金屬轉化為黃金。當你學完這一節時，你就會明白為什麼。儘管宇宙由像螞蟻和星系這樣迥然不同的“東西”組成，但構成所有這些“東西”的物質是由數量非常有限的積木組成的（圖1.18）。
這些積木被稱為原子，到目前為止，科學家已經發現了或創造了總共118種不同的原子。科學家給每種不同的原子都起了個名字。只由一種原子組成的物質被稱為元素。因此，每種元素都有自己的名稱；它也有自己的符號。“元素週期表”是總結所有科學家發現的不同原子的方式（圖1.19）。元素週期表中的每個方格都包含一種元素的符號（一個大寫字母或一個大寫字母后跟一個小寫字母）。
在這一點上，應該讓你驚奇的是，我們宇宙中所有形式的物質都只用118種不同的積木構成。在某種程度上，這就像用三種配料烹製一道五道菜的美味大餐一樣！這是如何做到的呢？要回答這個問題，你必須瞭解自然將不同的元素組合在一起形成物質的方式。
自然用來將原子組織成物質的最重要的方法是形成分子。分子是由兩個或多個透過化學鍵結合在一起的原子組成的基團。有數百萬種不同的將原子結合在一起的方式，這意味著有數百萬種不同的可能的分子。每種分子都具有自己的一組化學性質，而化學家最關心的是這些性質。你將在本書的後面學習更多關於原子和分子的知識，包括它們是如何被發現的。然而，圖1.20 預覽了一些你可能在日常生活中接觸到的常見分子。
現在回到鍊金術士為什麼難以將其他普通金屬轉化為黃金的問題。大多數天然存在的金屬，包括金、鐵、銅和銀，都是元素。仔細觀察圖1.19 中的元素週期表。你看到了符號Au嗎？Au是金的符號。金是118種不同原子型別之一——它是自然界的一種積木。再仔細看一看元素週期表。你看到了符號Fe嗎？Fe是鐵的符號。同樣，這意味著鐵是一種元素，或一種原子型別。事實上，銅 (Cu)、錫 (Sn) 和銀 (Ag) 都是元素。換句話說，鍊金術士試圖將一種型別的元素或積木轉化為另一種型別的元素，而這僅僅是透過化學手段無法做到的。
化學反應可以將元素轉化為分子，分子轉化為其他分子，以及分子轉化回元素。然而，化學反應不能將一種型別的元素轉化為另一種型別的元素。唯一能做到這一點的方法是透過所謂的核反應，而核反應需要鍊金術士時代沒有的先進技術裝置。這就像建造一座房子。你可以用水泥將磚塊、石頭和木材粘合在一起，就像你可以透過將不同型別的原子結合在一起來製造一個分子一樣。你也可以透過拆卸房子來獲得你的磚塊、石頭和木材，就像你也可以透過拆卸分子來獲得你的原子一樣。然而，無論你多麼努力，你都不能將磚塊變成木材。將像銅這樣的普通金屬轉化為金或將鐵轉化為金就像將磚塊變成木材一樣——這根本不可能。
到目前為止，我們已經決定整個宇宙都是由物質組成的，而物質又是由原子組成的。然而，化學家經常想知道他們實際有多少物質。為了弄清楚這一點，他們依賴物質的兩個基本性質。宇宙中所有物質，從一茶匙鹽到太平洋，都具有質量並佔據空間。當科學家測量一定數量的物質佔據了多少空間時，他們是在測量物體的體積。顯然，太平洋的體積比一茶匙鹽的體積要大得多。不幸的是，雖然體積是一個重要的屬性，並在許多不同的化學實驗中發揮著重要作用，但體積並不是確定物質數量的最佳方法。
我們通常認為，物體越大，它裡面的東西就越多。在我們的日常生活中，這當然在很多情況下都是正確的。如果你早上給自己倒了兩杯咖啡，你喝的咖啡將是隻給自己倒一杯咖啡的兩倍。不幸的是，每當我們以這種方式比較體積時，我們都會做出兩個不總是對的假設，尤其是在化學實驗中。首先，我們假設溫度恆定。這一點很重要，因為一定數量物質所佔據的空間取決於該物質的溫度。一般來說，加熱某物會導致它膨脹，冷卻某物會導致它收縮。其次，當你比較日常生活中的體積時，你幾乎總是比較相同材料的體積。你可以比較兩杯咖啡和一杯咖啡，但你如何比較兩杯咖啡和一杯冰淇淋？這真的沒有意義。體積不是一個好的方法來確定你所擁有的物質的數量。
如果你不能用體積來確定你擁有的物質數量，那麼你還能用什麼呢？事實證明，確定物質數量的最佳方法是使用一種稱為質量的度量。物體的質量不會隨溫度而改變，這使得它更容易確定你正在處理多少物質，尤其是在你不知道溫度是多少或溫度不斷變化的情況下。關於質量的另一個好處是，特定元素的原子總是具有相同的質量（嚴格來說，這並不完全正確，因為存在所謂的同位素，但現在你不必擔心這一點）。例如，一個金原子總是具有大約197個原子質量單位或道爾頓的質量。原子質量單位是我們用來測量質量的單位，就像英里是我們用來測量距離的單位，小時是我們用來測量時間的單位一樣。即使當原子結合在一起形成分子時，各個原子的質量也保持不變，這意味著透過將一個分子中所有原子的質量加起來，可以很容易地計算出分子的質量本身。你最終會學會如何做到這一點。
學習質量時，學生常犯的一個典型錯誤就是把質量和重量混淆。這種混淆很大程度上是因為在日常英語中，我們經常使用“重量”這個詞，而實際上指的是“質量”。例如，當你 說“我想減肥”的時候，你真正想表達的是“我想減輕體重”。在科學領域，“重量”一詞有一個非常具體的定義，與你可能期望的有所不同。不要把“重量”一詞的日常含義與“重量”一詞的科學含義混淆（圖 1.21）。
在科學領域，**質量**是物質的一種內在（“固有”）屬性。原子的質量無論溫度或與其鍵合的其他原子如何，都保持不變。
類似地，原子的質量不會因為位置而改變。原子的質量在地球上與在月球上、木星上或宇宙空間的中央是一樣的。另一方面，重量會隨位置而變化。在地球上重 240 磅的物體在月球上大約重 40 磅，而同一物體在遠離任何大型質量的宇宙飛船中則會失重（圖 1.22）。然而，在這三種情況下，物體的質量完全相同。
在科學領域，**重量**是衡量重力對物體吸引力大小的指標。重量取決於物體的質量和物體所受到的重力。這就是為什麼你的體重會根據你站立的位置而改變。在每種情況下，你的質量都是一樣的，但地球上的重力與月球或木星上的重力不同，因此你的體重也不同。然而，重力在地球表面並沒有顯著變化。換句話說，加州的重力與澳大利亞的重力大致相同。因此，只要你呆在地球表面，物體質量越大，重量就越大。
- 所有物理物體都是由物質構成的。
- 物質本身由稱為“原子”的微小建築塊組成。人類已知只有 118 種不同的原子。
- 原子經常會鍵合在一起形成“分子”。
- 所有物質都有質量並佔據空間。
- 體積是衡量物體佔據空間大小的指標。體積不是衡量任何給定物體中包含多少物質的良好指標。
- 質量是物質的一種內在屬性，不依賴於溫度、位置或物質的組織方式（原子如何鍵合）。因此，質量是衡量任何給定物體中包含多少物質的優秀指標。
- “質量”和“重量”具有兩個截然不同的科學含義。
- “質量”只取決於物體中包含多少物質。“重量”，另一方面，取決於重力對物體的吸引力大小。
- 什麼是物質？
- 重量是什麼意思？
- 在本章中，我們將學習原子，它們是宇宙中所有物質的建築塊。截至 2011 年，科學家只知道 118 種不同的原子。你認為如何才能僅用 118 種建築塊生成如此多種不同的物質形式？
- 你認為一杯水和一杯汞哪個包含的物質更多？解釋一下。
- 判斷以下每個陳述是正確還是錯誤。
- (a) 質量和重量是指同一個概念的兩個詞。
- (b) 分子鍵合在一起形成原子。
- (c) 鍊金術士無法將普通金屬變成黃金，因為黃金是一種元素。
- (d) 元素週期表中金的符號是 Gd。
- 你在月球上還是在地球上質量更大？
- 你在月球上還是在地球上重量更大？地球上的重力比月球上的重力更強。
- 將以下術語與它們的含義匹配。
(a) 質量 a. 衡量物體中物質總量的指標 (b) 體積 b. 衡量重力對物體吸引力大小的指標 (c) 重量 c. 衡量物體所佔據空間的指標
- 對於以下陳述，圈出所有適用的選項
- 質量取決於…
- (a) 物質總量
- (b) 溫度
- (c) 位置
- (d) 重力
- 體積取決於…
- (a) 物質總量
- (b) 溫度
- (c) 物體的形狀（與大小無關）
- (d) 物體的大小（與形狀無關）
- 重量取決於…
- (a) 物質總量
- (b) 溫度
- (c) 位置
- (d) 重力
- 質量取決於…
- 原子
- 所有物質的基本建築塊。已知有 118 種原子。雖然原子可以被分解成稱為電子、質子和中子的粒子，但這非常困難。
- 元素
- 一種原子。已知有 118 種元素。
- 物質
- 任何有質量並佔據空間的物質。
- 分子
- 兩個或多個原子鍵合在一起。特定的分子，如水，具有獨特的特徵。
- 質量
- 物質的一種內在屬性，可用於測量樣品中存在的物質數量。
- 元素週期表
- 總結科學家發現的所有不同原子的方法。元素週期表中的每個方格都包含一種元素的符號。
- 體積
- 衡量物質佔據空間大小的指標。
- 重量
- 衡量重力對物體吸引力大小的指標。
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