化学是什么？-第2章化学是研究原子和分子的科学(2)

发布时间：2021-10-23　　　来源:北达燕园微构分析测试中心

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2.3　元素周期表

2.3.1　元素周期表的建立和发展

早在19世纪，化学家和物理学家探索以原子量的大小顺序对元素进行排列，认识到元素的性质存在周期性，并以周期性为纲，制作出形式多样的元素周期表。此后，随着新元素的发现，原子结构认识不断深入和测定原子量准确度的提高，元素周期表不断完善。2016年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）公布了原子序数为113、115、117和118等元素的名称和性质。2017年5月，这4种元素的中文名称也正式公布。元素周期表的7个周期、18个族，包含的118种元素的周期表，完整地呈现。表2.3.1示出一种竖排的元素周期表。

表2.3.1　元素周期表

化学元素周期表以表格的形式标示出每种元素的名称、原子序数、元素符号、原子量，表达出这种元素在表中所处的周期、族次和区域，根据元素的周期性了解该元素应具有的特性，了解它和相邻元素的相似性和递变性，从中得到有关元素间的相互联系，从而得到有关元素的结构和性质的信息。

元素周期表已成为化学科学的一项重要内容和重要工具，用以启迪现代化学各个分支学科的发展。

2.3.2　周期表中周期的划分

原子由原子核和若干个核外电子组成。核外电子绕原子核运动，它的分布情况和能级高低不同，根据实验测定和理论推导的结果，原子轨道能级高低次序为：

1s；2s，2p；3s，3p；4s，3d，4p；5s，4d，5p；6s，4f，5d，6p；7s，5f，6d，7p。将它绘制成图形，如图2.3.1所示：每个能级组以ns开始，7个周期的情况列于表2.3.2中。

图2.3.1　原子轨道按能级高低分成7个能级组（即7个周期）的情况

表2.3.2　周期和能级组

2.3.3　元素的分族和分区

元素周期表共分7个周期，18个族。族的记号有两种：一是用1～18的阿拉伯数字标明，将元素分成18族的记号，它是IUPAC推荐使用的族次记号；二是按主族或副族进行分族，用阿拉伯数字加英文字母A和B标出，1A～8A为主族元素，1B～8B为副族元素，8B族对应着IUPAC分族法用阿拉伯数字标明的8、9、10三个族。每族元素的外层能级的电子组态相似，因此它们的化学性质也相似。

对元素的分族和分类还有一些通用名称，例如：

碱金属元素　指第1族或1A族元素，包括锂、钠、钾、铷、铯、钫。

碱土金属元素　指第2族或2A族元素，包括铍、镁、钙、锶、钡、镭。

镧系元素　指第3族或3B族中第6周期原子序数为57～71的15种元素，它们是：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥，有时用Ln记号代表镧系元素。

铂族金属元素　指8B族（或第8、9、10族）第5、6两个周期的6种元素：钌、铑、钯、锇、铱、铂。

货币金属元素　指第11族即1B族中第4、5、6周期的3种元素：铜、银、金。（不包括同一族第7周期的[插图]，因它是人工合成的元素，起不了货币作用。）

卤族元素　简称卤素，指第17族即7A族元素的总称，包括氟、氯、溴、碘、砹。

稀有气体元素（又称惰性气体元素）　指第18族或8A族元素：氦、氖、氩、氪、氙、氡。

稀土金属元素　简称稀土元素或稀土。它是包括钪、钇和镧系元素共17种元素的总称，有时用RE记号代表稀土金属元素。

2.4　分子和化合物

2.4.1　分子和化合物的含义

分子是物质中独立地、相对稳定地存在并保持其组成和特性的最小微粒，是参加化学反应的基本单元。分子由一个或几个原子通过化学键结合而成。

按照参与组成的原子的种类和数目，分子可分为单原子分子和多原子分子，前者只有He、Ne、Ar、Kr、Xe等几种，通常讨论化学问题时所指的分子不包括它们。多原子分子中，原子数目为2个或2个以上，其中少数分子由一种原子组成，如H2、O2、O3、N2、P4、S2、S6、S8、S20、C60、C70等，由这类分子组成的材料，通称单质，意指一种成分的物质。绝大多数分子是由两种或多种元素组成，即多种元素的原子通过化学键结合而成，这种分子通称化合物，如H2O、CO、CO2、NaCl、C2H5OH等。所以化合物的名称是指两种或两种以上元素的原子通过化学键组成的纯净物质。

化合物有恒定的组成、性质和分子量。分子量是指组成分子的原子的原子量的加和，例如CO2的分子量为：

12.01＋2×16.00＝44.01

虽然常见的元素种类仅数十种，数目极为有限，但化学发展到现在已分离和合成了4000多万种化合物。研究化合物的合成、性质和应用，已成为关系到自然科学和社会发展的主要基础。

由离子键和金属键两类强化学键将原子（或离子）结合形成的晶体或物相，由于它们常以固态晶体出现，不使用分子这个名称，直接以它的成分和它的物相名称表示。例如，氯化钠（NaCl，食盐）、碳酸钠（Na2CO3，纯碱）等。

2.4.2　高分子

高分子化合物又称聚合物、高聚物、大分子化合物，简称高分子。它是分子量在104～106甚至更高的一类化合物，由许多相同的（或不同的）单体（或称结构单元）以共价键重复连接而成。因化学结构单元组成是否相同分为均聚高分子（结构单元完全相同）和共聚高分子。前者如聚氯乙烯、聚苯乙烯等，后者如ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、丁腈橡胶、丁苯橡胶等。从来源又分为天然高分子（纤维素、蛋白质、核酸等）和合成高分子（聚乙烯、聚丙烯、聚酯等）。按分子结构单元之间的连接方式又可分为：线型高分子（即结构单元沿长的骨架线性延伸连接而成），如聚乙烯、聚酰胺等；支化高分子（即线型高分子主链中派生出一些支链，其组成的结构单元与主链相同）；交联型高分子（即分子主链之间产生化学结合，形成不溶的网状结构）。按性能用途分为：塑料（聚乙烯、聚氯乙烯、ABS、酚醛塑料等）、橡胶（顺丁、丁苯、氯丁橡胶等）、纤维（涤纶、锦纶、腈纶、维纶等）等类。组成与结构不同的高分子其形态有液态和固态，它多为无定形态，也有部分结晶态。其溶液的黏度，比相同浓度下的小分子的黏度高得多。其物理性能随结构不同而异，它可具有刚性、柔顺性、弹性、电绝缘性、力学强度、耐热、耐寒、耐光照、耐水等各种性能，其加工性能也各不相同，用途各异且极为广泛。

高分子化学是研究高分子化合物的分离、提取、结构、性能、合成方法、反应机理及溶液性质与成型加工等的一门科学，是在有机化学、物理化学、无机化学、生物化学、物理学和力学等学科基础上发展起来的一门新兴科学。自20世纪30年代以来，随着高分子科学体系的逐步建立与发展，已为人类的生产与生活提供了一类新材料，发展起塑料、橡胶、合成纤维、涂料、胶黏剂等合成材料工业。现在高分子合成材料已涉及国家经济建设和人类生活的各种领域。在此基础上发展起来的高分子化工，已成为不断发展的新兴工业部门。

2.4.3　超分子

超分子是由两种或两种以上的分子通过分子间的作用力结合而成，是一类具有特定的微观结构和宏观特征的聚集体。超分子内分子间的作用力包括氢键作用力、静电作用力、配位键作用力、电荷转移作用力和疏水性作用力等。通过这些作用力，将一类分子组成具有特定排列的管状通道、蜂窝状空穴、杯状容器或空心体结构的聚集体，适合另一类分子进入通道、空穴、容器或空心体结构的内部，稳定地结合形成超分子。前一类分子称为主体或受体，后一类分子称为客体或底物。

手指不慎擦破后涂抹一点碘酒消毒，避免发炎。当这擦过碘酒的手指皮肤碰到含淀粉的液体时，皮肤立即变成蓝黑色。这一现象的出现是一种超分子反应，即淀粉形成具有管状通道的环糊精，碘分子进入通道中，形成长链状结构的蓝黑色分子所出现的颜色。

水冷却到0℃以下，分子间通过氢键结晶成冰，冰中有很多笼状空隙使冰比水轻，冰总是浮在水面上。当水中含有甲烷（CH4）时，水和甲烷可生成可燃冰晶体，甲烷填充在冰的笼状空隙中。海洋底部冒出的天然气，主要成分是甲烷，它和海水结成可燃冰蕴藏在海底。2017年，我国宣布成功地掌握从海底开发可燃冰能源的技术。

2.5　太阳和地球中的原子和分子

元素周期表列出的118种元素中，氦是第一种在地球之外的宇宙中发现的元素。1868年，法国的詹森在日全食时观察到的太阳周边炽热气体的光谱中，除Na原子的D1和D2谱线外，还有一条D3线，波长为587.56纳米（nm，10-9米）。1895年，拉姆齐对沥青铀矿分出物气体进行光谱检验，证明和詹森发现的太阳光谱数据相同，取名为氦，表示它是太阳元素。

通过光谱检测方法得知，太阳表面主要由氢、氦、铁等元素组成。

天上降落在地球的陨石，经过大气层和氧气作用氧化燃烧，表面大多由氧化铁、硅酸盐组成，内部含铁较多。

划过天空的慧星，主要是大冰块，飞过地球表面层，会蒸发发光后湮灭。

登月的人，从月球表面带回土壤样品，经化学分析，其成分和地球相似。人们通过远距离的化学分析方法，测得月球上富含3He原子，经过估算它的蕴藏量达100万吨级。由于3He被认为是“完美的能源”，由它和2H进行核聚变，产生的能量大，效率高，几乎没有放射性副产品，无污染。而3He在地球上存量很少，大部分来自生产核武器的副产品。有人估计每吨3He价值超过40亿美元。登月开发月球，从月球上带回3He可能也是将来登月的一项设想工作。

地球化学家利用物理方法测定化学元素在地球中的分布，得到下面所列元素所占质量分数的数据：

（1）地核。指从地心作一半径为3440千米的内核球体，这层是密度很高的熔体，密度为10～15g·cm-3。这层主要由化学元素铁和镍组成，据估算铁占88％，镍占8.5％，这两种元素已达96.5％，其他还有钴、钛等金属元素。

（2）地幔。指由地核的外壳（离地心3440千米）到地壳的内层表面，厚度为2880千米区间的一层。地幔物质的密度为4～6 g·cm-3。组成它的主要元素如下：