叶永烈科普经典阅读系列·元素的故事

世界上房子的形状、式样、颜色各式各样，有圆的、有方的、有尖的，有平房、有楼房、有茅草房、有板屋、有窑洞，有白的、有灰的、有红的、有黄的……但是，世界上并没有成千上万种建筑材料。各式各样的房子，无非是由木头、砖头、石灰、水泥、黄沙、玻璃、钢材、塑料等若干建筑材料建成的。

同样的，尽管我们周围有成千上万种物质。但是，从本质上讲，它们只不过是由94种化学元素构成的。氧、氢、金、银、铜、铁等，都是化学元素，简称元素。

正如26个汉语拼音字母可以拼出上千个文字，7个音符可以谱写成千歌万曲，红、黄、蓝三色可以组成万紫千红各种颜色，118种化学元素，也可以形成千千万万种化合物。据统计，现在已发现的天然存在的化合物和人工合成的化合物，大约有3000万种。这些化合物，有的是由两种化学元素组成的，例如水就是由氧和氢两种元素组成，食盐则是由氯和钠两种元素组成。有的化合物是由三种化学元素组成的，例如硫酸是由氧、硫、氢三种元素组成，葡萄糖是由氧、碳、氢三种元素组成。也有的化合物是由四种化学元素组成的，例如小苏打便是由碳、氢、氧、钠四种元素组成。还有的化合物更加复杂，是由五种、六种甚至更多的化学元素组成的。至于单由一种化学元素组成的物质，就不叫化合物了，而叫作单质。例如，纯净的金刚石、氢气、氧气、金、银等，都是单质。

自然界中纯净的单质和化合物并不多，绝大部分都是由各种化合物混合组成的“大杂拌”。例如，海水的主要成分是水，占百分之九十六左右，并含有百分之三左右的食盐以及少量的氯化镁、硫酸镁、硫酸钾、碳酸氢钙、溴化镁，还有微量的铁、金、铝、碘、硅、锌的化合物等。据分析，海水中竟包含80多种元素。其他像植物体、动物体、空气、泥土等，也都是“杂货铺”。就拿人体的组成元素来说，百分之六十五是氧、百分之十八是碳、百分之十是氢、千分之二十七是氮、千分之十四是钙，此外还含有少量的磷、钾、钠、氯、硫、镁、铁，以及微量的锌、硅、溴、铜、氟、碘、铝、锰、砷、铅、硼、钛等。

尽管如此，世界上任何物质—哪怕是化学成分非常复杂的物质，都是由118种化学元素组成。若是天然的物质，则都由94种化学元素组成。

我们再深入一步，从现代化学理论的基础—原子-分子论的观点，来剖析化学元素的实质。

先从分子谈起。高楼大厦，是由一块块砖头砌成的。分子就是构成物质的最小的“砖头”。物质是可分的。打开一瓶香水，整个房间就香气氤氲，这是香水挥发了无数个香料的分子，扩散到空气中去，使得房间的每个角落都馨香扑鼻。同样，在水中放一块糖，整杯水都变甜了，也是因为糖块—糖的“大厦”在水中被拆散了，变成一块块“砖头”—糖的分子，遍布于水的各个部分。

分子又轻又小，根据人们测定，水分子只有0.00000000000000000000003克重。水分子很小，一滴水里的分子个数就非常惊人。有一个有趣的估算，如果一个人每秒钟数一个水分子，一秒钟也不停地数下去，数1000年，也只不过才数了一滴水里全部分子的二十亿分之一！

分子是能够独立存在的物质的最小微粒，它保持原物质的成分和一切化学性质。

分子是不是最小的微粒了呢？不，人们发现，分子是由更小的微粒—原子组成的。组成1个分子的原子数目并不一样。拿银分子、氦气分子来说，都是由1个原子组成的。但有的分子是由2个原子或由3个原子组成的，如1个水分子是由1个氧原子和两2个氢原子组成的。还有的分子是由4个原子组成的，如1个三氧化硫分子，是由1个硫原子和3个氧原子组成的。有的分子甚至是由5个、6个乃至几十个原子组成的，如一个硫酸分子便由7个原子组成。最大的分子要算是蛋白质、淀粉、塑料、纤维、橡胶这些高分子的化合物，它们是分子中的巨人，一个高分子化合物常常是由上千、上万个原子组成的。

由于不同分子中所含的原子数目多少不一，因此，不同的分子大小相差悬殊。不同的原子虽然大小也不尽相同，但是相差不大，如果分子中只含有1个原子，则分子和原子的大小一样。

原子是构成分子的最小微粒。世界上的分子虽然有3000多万种，然而，原子却只有118种。一种化学元素只有一种原子—此处只是广义地讲，即同一种元素的各种同位素的原子都算作是一种原子。各种原子，组成各种不同的分子。

事情就是这样：118种不同的原子，组成3000多万种不同的分子；这3000多万种分子，又组成成千上万种不同的物质。

那么，化学元素的实质是什么呢？从原子－分子论的观点来看：具有相同的化学性质的一定种类的原子，就叫作化学元素。118种不同的化学元素，实质上就是118类不同的原子。我们还可以再继续深入一步揭示化学元素的最小微粒，原子仍是可分的。原子是由原子核和不断绕核旋转的电子组成的。原子核又是由质子和中子组合而成的。质子带正电荷，电子带负电荷。人们通过科学实验发现，同一种化学元素原子的原子核中，所含的质子数是一样的。例如，凡是氧原子，它的原子核中都含有8个质子。同一元素的原子核中的中子数却可能不同。如自然界中的氧原子的原子核，其中绝大部分是由8个质子和8个中子组成的，但也有少量是由8个质子和10个中子或者由8个质子和9个中子组成的。这些质子数相同、中子数不同的原子，叫作同位素。几乎所有天然的化学元素，都有好几种同位素。就这个意义上讲，几乎所有天然的化学元素，都是由几种同位素组成的混合物。

既然同一种化学元素的不同原子的原子量可以不同，这就是说，决定原子性质的主要因素不是原子量，而是质子数，亦即核电荷数。一种化学元素的化学性质，主要取决于原子核外的电子数。因此进一步了解了化学元素的本质，就可以看作化学元素是以核电荷数为标准对原子进行分类的一种方法—核电荷数相同的一类原子就叫作一种化学元素。也就是说，原子的核电荷数是决定化学元素种类的关键。

现在，人们对118种化学元素的看法，就是原子核中的质子数从1、2、3……一直逐渐增加到118，而形成的118类原子。例如，氢原子核中含有1个质子，氦原子核中含有2个质子，锂原子核中含有3个质子……第105号元素原子核中含有105个质子。这就是说，化学元素的不同，原子的不同，归根结底，在于它们原子核中所含质子的数目不同，亦即它们原子核外电子数的不同。

这种现代的化学元素概念，不仅能正确解释过去无法解释的同位素现象，而且发现和正确解释了同质异位素现象。所谓同质异位素，就是指质量相同但性质不同的原子。例如S1636与Ar1836，S为硫的化学元素符号，Ar为氩的化学元素符号，右上角数字表示原子量，右下角数字表示质子数。虽然原子量都是36，但由于它们的质子数不同，因此分属于不同元素—硫和氩。同样的，Cu2965与Zn3065，Cu为铜的化学元素符号，Zn为锌的化学元素符号。虽然原子量都是65，但是由于它们的质子数不同，也分属于不同的元素—铜和锌。同质异位素的发现，正说明以核电荷数作为划分化学元素的标准符合客观规律，抓住了事物的本质。

再重复讲一下，化学元素的现代概念，即原子核中的质子数相同的一类原子叫作一种化学元素。