從水說起學化學之元素和原子

千喜娃：老師，我們幾個同學討論了你上次布置的作業，但有幾個疑問：(1)您說也許早年人們以為水是最簡單的物質，因而就認為水的三態變化沒有變成別的物質是無需證明的。現在人們已經知道水不是最簡單的物質，那么，怎么證明冰雪和水蒸氣仍然是水呢?(2)您說氫和氧是元素，是不能再分解的最簡單的物質。這又怎么證明呢?

牛老師：你們提的問題太好了!自然科學不同于迷信，從不盲從，不人云亦云，總是刨根究底，也就是不斷地探求自然物質及其變化的實在的細節。自然科學就是在不斷探究自然具體的因果關系過程中建立起來的一整套知識體系。自然科學知識體系有事實和理論兩個方面。科學家們通過系統的觀察和周密的科學實驗，不斷質疑事實，即便是習以為常的事實，也要不斷質疑——是不是事實?在這個過程中，人們確認了許多經常出現的現象，總結出規律，形成概念，最后建立一套理論體系，并用理論解釋事實。且在不斷發現不j蛤已知理論的新事實的過程中修正、發展理論，用以解釋更多的事實，如此循環反復，使人類對自然的認識不斷深化，并創造新的自然界沒有的事實，以科學家對水的認識為例。我上次提到，18世紀后半葉，以法國科學家拉瓦錫為代表的一批化學家通過實驗從兩個方面證明了水不是最簡單的物質，一方面是氫氣和氧氣通過化合反應會生成水，另一方面是水分解會生成氫氣和氧氣。由此可見，水是氫和氧的化合物。水發生三態變化沒有產生氫氣和氧氣，可見水的三態變化是物理變化——不產生新物質的變化。19世紀初，道爾頓創立了化學原子論，從理論上揭示了水發生的變化。用現代化學的語言來概括道爾頓以及后來形成的原子一分子論對水的認識，就是：水的最小微粒是水分子，1個水分子由2個氫原子和1個氧原子構成。水發生三態變化是物理變化，不管狀態怎么變，水分子還是水分子，只是分子的聚集態變了。是水的三態變化示意圖，

從而可見，按照原子一分子論的理論，冰雪、液態水和水蒸氣都是由水分子組成的，但水分子的距離和運動方式不同。水蒸氣里的水分子之間的距離很大(溫度越高，壓力越低，水分子間的距離越大)，水分子之間的作用力很小(分子間的距離越大，相互間的作用力越小)，因而氣態的水分子運動起來相當自由，幾乎不相互干涉。降低氣態水的溫度，水分子之間的距離越來越近，相互作用力越來越大。直至相互牽制，不能自由飛行，就凝聚成液態水了。液態水里的水分子間的距離很近，當然，溫度越高，距離越大，但只要是液態，水分子之間的距離還是足夠近的(向液態水加壓，體積幾乎不變的事實可證明這一點)。而且液態水里的水分子可以滑動、旋轉，排列無序。降低溫度，液態水里的水分子在近距的排列越來越整齊，最后凝固成冰雪，水分子幾乎完全排列整齊了，只能在原地振動，不能移動了。冰雪里的水分子排列成連環套結構，每一個環由6個水分子構成。雪花的外形呈六角形，實在就是冰雪里水分子這種結構的宏觀表現。

千喜娃：老師，我們在小學自然課里學過，冰比水輕。你能解釋嗎?

牛老師：能解釋。冰比水輕，確切地說，冰的密度比水的密度小。因而冰漂浮在水面上而不沉到水底。冰的這一特異性質使天寒地凍時冰面下足夠深的水的溫度能夠維持在水生動物生存的程度，從而使水生動物能夠渡冬。這對地球上的生命得以延繁起了關鍵的作用。科學家已經根據冰的晶體結構證明了：冰的密度比水的小，是由于冰晶體中的水分子排列是有序的——每個水分子周圍只能排列4個水分子(如圖1左圖所示)，使得冰晶體中有相當大的空腔不能容納水分子，因而密度較小(約0.9∥cm³)。冰融化成水時，水分子的排列松動了，分子間的空腔被破壞，因而密度變大，隨著水的溫度上升，水分子的運動越來越激烈，距離逐漸加大，密度越來越小，而攝氏4℃恰巧是這兩種影響密度的因素達到相對平衡，因而密度最大。

千喜娃：老師，我們學過。大多數固態物質的密度是大于其液態的密度的。為什么冰比水輕只是特異現象而不具有普遍性呢?

牛老師：這有兩個原因。一是由于水分子是一個角型分子(如圖3)而不是直線分子；二是由于冰中水分子的排列只允許1個水分子周圍有4個水分子。

千喜娃：老師。請您解釋一下，為什么水分子是角型分子而不是直線分子?為什么冰中的1個水分子周圍只能容納4個水分子?

牛老師：這兩個問題解釋起來都不太簡單，涉及許多深層次的事實。你們要耐心點聽我講呵!先解釋水分子為什么是角型分子。19世紀時人們以為原子是不可再分的。到了20世紀初發現了電子，進而又發現所有原子都有電子，電子帶負電。而原子是電中性的，那么，原子的正電荷在哪里呢?為此科學家提出幾種不同的假設，最終，英國人盧瑟福通過實驗證明，原子由帶正電荷的原子核和圍繞原子核快速運動的電子構成。接著，年輕的英國物理學家莫斯萊又證明，不同原子的核電荷數決定了原子的種類，也就是不同的元素。舉例說，氫原子的原子核只有1個正電荷，核外只有1個電子；氧原子的原子核有8個正電荷，核外有8個電子。其他元素的原子呢?有一張表叫做“元素周期表”，給出了所有元素的名稱、元素符號、核電荷數(也就是周期表中元素的序號，叫做原子序數)。你們課下查查吧。當原子相互結合時。經常形成共用電子對，也就是說，2個原子共用1對電子。1個水分子和2個氫原子結合，就是氧原子分別和2個氫原子共用1對電子，這對電子是由氫原子和氧原子各提供1個電子形成的。于是，水分子的氧原子周圍有8個電子，也就是4對電子，其中2對分別跟氫原子共用，另外2對沒有跟氫原子共用，化學家把它們稱為孤對電子，意思是沒有跟其他原子共用的電子對。水分子里氧原子周圍的這4對電子相互排斥，分別占據空間，正如同粽子的4個角各占空間，因此水分子里2個氫原子不在一條直線上，水分子是角型的。

再解釋冰雪里的每個水分子為什么只結合4個水分子。科學家證明，水分子之間的結合力是水中的氫原子跟周圍水分子的氧原子上的孤電子對之間的作用力，而這種吸引力順著氫氧原子的軸向最大，你比劃比劃就明白了……對了，因此冰雪里的每個水分子周圍有4個水分子。

做一做：從元素周期表里查一查，碳的原子序數是幾，它的原子核里有幾個核電荷?它的原子核外有幾個電子?科學家證明了，當氧原子和碳原子周圍都有8’個電子時，形成的分子是最穩定的分子——二氧化碳分子。請問：二氧化碳分子里每個氧原子和中心碳原子之間有幾對共用電子?二氧化碳分子是直線分子還是角型分子?為什么?請從互聯網上查找二氧化碳分子的結構示意圖來證實你的結論。‘

小貼士：為了使不同語言的人能相互交流，化學家創造了一種通用的符號來表示原子和分子。例如，水的符號是H2O，二氧化碳的符號是CO2，其中的H、C、O分別表示氫原子、碳原子和氧原子，符號右下角的數字是原子數。查書或者互聯網時用這些符號來查，方便得多了，如果你用“水”和“二氧化碳”為關鍵詞則只能查到中文的，眼界窄多了。

責任編輯 侯秀姣