無機化學/元素導論

元素導論

元素週期表

元素是一種有限的物質類別，完全由原子組成，這些原子具有不變的核電荷，並且不能透過一般的化學方法進一步分解。具有相同核電荷的原子具有相同的質子數。這個數字被稱為原子序數，表示為 Z，源自古希臘最偉大神的名字宙斯 (Zeus) 的第一個字母。截至 2011 年 5 月，已經發現了 118 種元素。

同位素是一組原子，它們具有相同的質子和中子數。例如，元素氫（表示為 H）是一組原子，它們在其原子核中具有一個質子。這組有 3 個子集（同位素）：氕或氫-1（第一個名字很少使用），氘和氚。氕是一個在其原子核中只有一個質子且沒有中子的原子，而氘不僅具有一個質子，而且還具有 1 箇中子。在氚的情況下，中子數是兩倍：原子核中有 2 箇中子。

在這本書的背景下，我使用小寫字母來指代一個集合的物體，並使用大寫字母來指代該集合。例如，當我想要指代一組在其原子核中具有一個質子和一箇中子的原子時，我使用“氘”，而當我想要指代該集合中的單個原子時，我使用“氘”。我使用“同位素”來指代同位素，而使用“同位素”來指代該同位素的原子。對“元素”和“元素”也是一樣的。雖然元素的名稱被認為是不可數的，但在本書的範圍內，我使用該名稱作為“元素的原子”的簡寫。例如，本書中“一個氫原子”可以寫成“一個氫”。

另一個注意的是：每次你想指代元素並且你不在乎它們中子數量的差異時，請使用元素的名稱，小寫字母。如果你想指代元素的特定集合中的一個原子，請使用同位素的名稱，小寫字母。例如

1) 水由氫和氧組成（我不在乎氫和氧的同位素）

2) 一個氚在其原子核中具有 1 個質子和 2 箇中子（現在我在乎！）

規則：大寫字母表示集合，小寫字母表示物體

元素表示

以下假設你已經瞭解了質子、中子和電子的質量和電荷。如果你不知道或忘記了，請複習第一課，亞原子粒子初探

每個元素都有一個符號，通常是其英文名稱的第一個字母，但有時來自元素的拉丁語或其他語言的名稱。氫是 H，氧是 O，氮是 N 等等。此符號也代表一個元素（元素的原子）。一個氫原子是 H，一個氧原子是 O，一個氮原子是 N 等等。這種約定（對元素和元素使用相同的字母）在化學方程式中特別受歡迎。由於科學中的許多其他約定並不總是對所有人方便，所以這一約定對我來說並不方便，因為它違反了我的規則。儘管如此，你可以使用任何你喜歡的符號，只要你理解這個概念。記住，你正在學習大自然的運作方式，而不是科學家如何表示事物:)

我在寫化學方程式時將所有字母都用小寫字母，以避免混淆。但是當我釋出它時，我使用 LibreOffice 將它們切換回大寫字母:)

好的，讓我們回到我們的學習。你可以分別用¹H、²H 和³H 來代替“氕”、“氘”或“氚”。H 左上角的“1”、“2”、“3”是質量數，表示為 A，它是在原子核中的質子和中子的總數。有時它可以更恰當地稱為核子數。我更喜歡第二個名稱，所以我會在整本書中使用它。這種表示在指代元素的同位素時特別有用

有時你會看到原子序數（原子核中質子的數量）寫在核子數的下面，就像在$_{1}^{1}{\text{H}}$、$_{1}^{2}{\text{H}}$、$_{1}^{3}{\text{H}}$。但是，這沒有必要，因為“H”已經告訴我們這是一組在其原子核中具有一個質子的原子。

再次提醒，當你在本書之外看到¹H 時，它可以表示一組原子或一個原子。

元素列表

如果我們將原子序數定義為原子在其原子核中擁有的質子數，那麼原子序數應該應用於特定的原子，而不是一組原子。因此，第一列被命名為“元素的原子序數”。

元素列表

原子 元素序數	元素	符號	族	週期	區	在 標準溫度和壓力 (STP) 下的狀態	丰度	描述
1	氫	H	1	1	s	氣體	原始	非金屬
2	氦	He	18	1	s	氣體	原始	稀有氣體
3	鋰	Li	1	2	s	固體	原始	鹼金屬
4	鈹	Be	2	2	s	固體	原始	鹼土金屬
5	硼	B	13	2	p	固體	原始	準金屬
6	碳	C	14	2	p	固體	原始	非金屬
7	氮	N	15	2	p	氣體	原始	非金屬
8	氧	O	16	2	p	氣體	原始	非金屬
9	氟	F	17	2	p	氣體	原始	鹵素
10	氖	Ne	18	2	p	氣體	原始	稀有氣體
11	鈉	Na	1	3	s	固體	原始	鹼金屬
12	鎂	Mg	2	3	s	固體	原始	鹼土金屬
13	鋁	Al	13	3	p	固體	原始	金屬
14	矽	Si	14	3	p	固體	原始	準金屬
15	磷	P	15	3	p	固體	原始	非金屬
16	硫	S	16	3	p	固體	原始	非金屬
17	氯	Cl	17	3	p	氣體	原始	鹵素
18	氬	Ar	18	3	p	氣體	原始	稀有氣體
19	鉀	K	1	4	s	固體	原始	鹼金屬
20	鈣	Ca	2	4	s	固體	原始	鹼土金屬
21	鈧	Sc	3	4	d	固體	原始	過渡金屬
22	鈦	Ti	4	4	d	固體	原始	過渡金屬
23	釩	V	5	4	d	固體	原始	過渡金屬
24	鉻	Cr	6	4	d	固體	原始	過渡金屬
25	錳	Mn	7	4	d	固體	原始	過渡金屬
26	鐵	Fe	8	4	d	固體	原始	過渡金屬
27	鈷	Co	9	4	d	固體	原始	過渡金屬
28	鎳	Ni	10	4	d	固體	原始	過渡金屬
29	銅	Cu	11	4	d	固體	原始	過渡金屬
30	鋅	Zn	12	4	d	固體	原始	過渡金屬
31	鎵	Ga	13	4	p	固體	原始	金屬
32	鍺	Ge	14	4	p	固體	原始	準金屬
33	砷	As	15	4	p	固體	原始	準金屬
34	硒	Se	16	4	p	固體	原始	非金屬
35	溴	Br	17	4	p	液態	原始	鹵素
36	氪	Kr	18	4	p	氣體	原始	稀有氣體
37	銣	Rb	1	5	s	固體	原始	鹼金屬
38	鍶	Sr	2	5	s	固體	原始	鹼土金屬
39	釔	Y	3	5	d	固體	原始	過渡金屬
40	鋯	Zr	4	5	d	固體	原始	過渡金屬
41	鈮	Nb	5	5	d	固體	原始	過渡金屬
42	鉬	Mo	6	5	d	固體	原始	過渡金屬
43	鎝	Tc	7	5	d	固體	瞬態	過渡金屬
44	釕	Ru	8	5	d	固體	原始	過渡金屬
45	銠	Rh	9	5	d	固體	原始	過渡金屬
46	鈀	Pd	10	5	d	固體	原始	過渡金屬
47	銀	Ag	11	5	d	固體	原始	過渡金屬
48	鎘	Cd	12	5	d	固體	原始	過渡金屬
49	銦	In	13	5	p	固體	原始	金屬
50	錫	Sn	14	5	p	固體	原始	金屬
51	銻	Sb	15	5	p	固體	原始	準金屬
52	碲	Te	16	5	p	固體	原始	準金屬
53	碘	I	17	5	p	固體	原始	鹵素
54	氙	Xe	18	5	p	氣體	原始	稀有氣體
55	銫	Cs	1	6	s	固體	原始	鹼金屬
56	鋇	Ba	2	6	s	固體	原始	鹼土金屬
57	鑭	La	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
58	鈰	Ce	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
59	鐠	Pr	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
60	釹	Nd	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
61	鉕	Pm	3	6	f	固體	瞬態	鑭系元素
62	釤	Sm	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
63	銪	Eu	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
64	釓	Gd	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
65	鋱	Tb	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
66	鏑	Dy	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
67	鈥	Ho	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
68	鉺	Er	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
69	銩	Tm	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
70	鐿	Yb	3	6	f	固體	原始	鑭系元素
71	鎦	Lu	3	6	d	固體	原始	鑭系元素
72	鉿	Hf	4	6	d	固體	原始	過渡金屬
73	鉭	Ta	5	6	d	固體	原始	過渡金屬
74	鎢	W	6	6	d	固體	原始	過渡金屬
75	錸	Re	7	6	d	固體	原始	過渡金屬
76	鋨	Os	8	6	d	固體	原始	過渡金屬
77	銥	Ir	9	6	d	固體	原始	過渡金屬
78	鉑	Pt	10	6	d	固體	原始	過渡金屬
79	金	Au	11	6	d	固體	原始	過渡金屬
80	汞	Hg	12	6	d	液態	原始	過渡金屬
81	鉈	Tl	13	6	p	固體	原始	金屬
82	鉛	Pb	14	6	p	固體	原始	金屬
83	鉍	Bi	15	6	p	固體	原始	金屬
84	釙	Po	16	6	p	固體	瞬態	準金屬
85	砈	At	17	6	p	固體	瞬態	鹵素
86	氡	Rn	18	6	p	氣體	瞬態	稀有氣體
87	鍅	Fr	1	7	s	固體	瞬態	鹼金屬
88	鐳	Ra	2	7	s	固體	瞬態	鹼土金屬
89	錒	Ac	3	7	f	固體	瞬態	錒系元素
90	釷	Th	3	7	f	固體	原始	錒系元素
91	鏷	Pa	3	7	f	固體	瞬態	錒系元素
92	鈾	U	3	7	f	固體	原始	錒系元素
93	錼	Np	3	7	f	固體	瞬態	錒系元素
94	鈽	Pu	3	7	f	固體	原始	錒系元素
95	鋂	Am	3	7	f	固體	合成	錒系元素
96	鋦	Cm	3	7	f	固體	合成	錒系元素
97	鉳	Bk	3	7	f	固體	合成	錒系元素
98	鉲	Cf	3	7	f	固體	合成	錒系元素
99	鑀	Es	3	7	f	固體	合成	錒系元素
100	鐨	Fm	3	7	f	固體	合成	錒系元素
101	鍆	Md	3	7	f	固體	合成	錒系元素
102	鍩	No	3	7	f	固體	合成	錒系元素
103	鐒	Lr	3	7	d	固體	合成	錒系元素
104	釒盧	Rf	4	7	d		合成	過渡金屬
105	釒杜	Db	5	7	d		合成	過渡金屬
106	釒喜	Sg	6	7	d		合成	過渡金屬
107	釒波	Bh	7	7	d		合成	過渡金屬
108	釒黑	Hs	8	7	d		合成	過渡金屬
109	釒麥	Mt	9	7	d		合成
110	釒達	Ds	10	7	d		合成
111	釒倫	Rg	11	7	d		合成
112	釒鎶	Cn	12	7	d		合成	過渡金屬
113	(Uut)	Uut	13	7	p		合成
114	(Uuq)	Uuq	14	7	p		合成
115	(Uup)	Uup	15	7	p		合成
116	(Uuh)	Uuh	16	7	p		合成
117	(Uus)	Uus	17	7	p		合成
118	(Uuo)	Uuo	18	7	p		合成

練習

以下練習幫助您運用所學知識。自己完成它們，嘗試想出一個解決問題的辦法。

1. 以下原子中各有幾個質子：h, fe, cu, al, n, o, c.
2. 以下原子中各有幾個中子：$^{4}{\text{he}}$, $^{31}{\text{p}}$, $^{130}{\text{ba}}$, $^{23}{\text{na}}$, $^{39}{\text{k}}$, $^{19}{\text{f}}$, $^{22}{\text{ne}}$.
3. 為以下每個原子畫一個示意圖：$^{9}{\text{be}}$, $^{24}{\text{mg}}$, $^{25}{\text{mg}}$, $^{26}{\text{mg}}$, $^{32}{\text{s}}$, $^{33}{\text{s}}$, $^{35}{\text{cl}}$, $^{37}{\text{cl}}$。假設電子都在同一個圓圈上。將每個質子、中子和電子畫成一個球體。
4. 指定以下每個原子的名稱。由於原子序數很大，我將所有質子（和中子）畫成一個大球體。

提示

1. 查閱元素週期表，找到原子序數，即元素的質子數。
2. 你會看到核子數作為左上角的上角標。查閱元素週期表，找到原子序數。由於核子數是原子核中粒子總數，用它減去原子序數，你就可以得到原子中中子的數量。
3. 首先，你需要查閱元素的原子序數。它表示原子中的質子數。用它減去核子數，你就得到了中子的數量。中子和質子構成原子核。在正常狀態下，原子中的質子數等於電子數。畫出圍繞原子核運動的電子。

解答

**1**

元素	質子數
h	1
fe	26
cu	29
al	13
n	7
o	8
c	6

**2**

元素	中子數
$^{4}{\text{He}}$	2
$^{31}{\text{P}}$	16
$^{130}{\text{Ba}}$	74
$^{23}{\text{Na}}$	12
$^{39}{\text{K}}$	20
$^{19}{\text{F}}$	10
$^{22}{\text{Ne}}$	12

**3**

元素	示意圖
$^{9}{\text{be}}$
$^{24}{\text{mg}}$
$^{25}{\text{mg}}$
$^{26}{\text{mg}}$
$^{32}{\text{s}}$
$^{33}{\text{s}}$
$^{35}{\text{cl}}$
$^{37}{\text{cl}}$

**4**

插圖	元素
	$^{7}{\text{li}}$
	$^{55}{\text{mn}}$
	$^{58}{\text{ni}}$
	$^{66}{\text{zn}}$
	$^{51}{\text{v}}$
	$^{42}{\text{ca}}$
	$^{40}{\text{ar}}$

思考

本節課將幫助你建立批判性思維。嘗試自己回答，並將其寫在一張紙上。這裡提供的答案僅供參考，可能還有其他答案。如果你有其他答案，請隨意新增 :)

1. 你知道原子序數用 Z 表示。你可能也知道科學家為什麼選擇那個字母。但是，為什麼核子數用 A 表示呢？
2. 為什麼質子、中子分別用 p 和 n 表示？
3. 為什麼電子用 e^- 表示？
4. 質子和中子可以分別用 p⁺ 和 n⁺ 表示嗎？
5. 在本教材的範圍內，元素和同位素分別指什麼？它們在哪些細節上有所不同？

思考的答案

1. 按照慣例，原子序數寫在元素名稱左下角的角標位置，例如 $_{1}{\text{H}}$。核子數寫在原子序數的上方，例如 $_{1}^{1}{\text{H}}$。核子數在上方，原子序數在下方，就像 A 是第一個字母，Z 是最後一個字母一樣。
2. 它們是根據它們的第一個字母來表示的。
3. 電子可以用字母 e 表示，就像質子和中子一樣。但後來科學家發現了它們的的反粒子，稱為正電子。正電子的特性與電子幾乎相同，除了電荷。正電子的電荷相對於基本電荷為 +1，而電子的電荷為 -1。正電子後來被稱為 e⁺，電子被稱為 e^-
4. 是的，我認為質子可以用 p⁺ 表示，而它們的反粒子可以用 p^- 表示。但中子不行。它們不帶電荷，所以 '+' 或 '-' 沒有任何意義。如果它們被這樣表示，則會有其他原因。
5. 元素是指元素的原子。同位素是指同位素的原子。當我們說氫時，我們指的是一個可能是氕、氘或氚的原子。當我們說氚時，我們只指的是氚的原子。