自然科学基础专题第七专题物质的构成我们生活在一个五彩缤纷的物质世界里，大自然养育了我们截至200年底，人类得到 3000多万种化合物，随着现代科技的发展，每天都有许多性能优良、功能齐全的新材料问 世自古以来，人们就在孜孜不倦地寻求物质性能改善的途径，揭示它们与物质的结构、组 成的关系，探索物质构成的奥秘本专题介绍人类对物质本源研究的光辉历史，化学元素与 生命的关系，分子结构与物质性能的关系物质本源探索究竟什么是物质的本源，也就是说构成万物的基本成分是什么，它们是如 何产生的，古代各民族的哲学家们提出了许多学说，有些到今天还有影响五行说 就元素即物质基本成分而言，古代我国有五行说，认为宇宙由水、火、木、金、土构成；四元素说 古希腊和古印度则有“火、气、水、土”及“地、水、风、火”等四元素说太极 就物质生成模式而言，我国有太极和八卦，这是古代关于物质本源的理论工 具，出自《易经》《易经》认为宇宙的本源是“太极”，太极就是天地未分前的混沌状态； 太极生“两仪”；“两仪”指天、地；两仪生“四象”，“四象”指春、夏、秋、冬四季， 又指太阳、太阴、少阳、少阴；四象生“八卦”，指由四者演变成阴阳成分不同的八种形 态。
八卦是一套有象征意义的符号：用 代表“阳”，用 代表“阴”，用三个这样的符号组成一卦，可分别组成八种形式即八卦现在，太极还被用作韩国的国徽、著 名原子科学家诺贝尔奖得主玻尔的家徽德谟克利特（前470-前380）在探索微观世界的奥秘时，我们介绍人类对原子、分子、 离子、电子及几种核子的认识的里程碑原子和分子 现实生活是智慧的源泉人们不能满足五行、四元素、太极、八卦的 一般议论，要求明确组成这些物质的构件人们从聚少成多，积土成山等生活经验中得到启 发，认为组成物质的原始东西是那些小到不能最小的粒子公元前5世纪，希腊学者德谟克 利特提出原子说，认为，万物是由极其微小的、不可分割的微粒，即原子组成的墨翟前480-前380) 与此同时，中国学者墨翟在他的著作《墨经》中也有类似的说 法，认为物质分割到最后的东西叫“端”或“莫破”到17世纪，由于航海、造船、纺织、 冶金业的迅速发展，迫切要求建立科学的物质本源理论，例如，为了提高燃烧效率，不能光 谈火与木的作用，而要弄清哪些燃料更有效、更经烧；为了提高金属强度，需要了解和比较 它们的性质等1650年法国科学家伽桑狄关于原子学说的论文，首创分子一词，澄清了原 子和分子的模糊认识，他指出，原子是不可分的终极粒子；而分子是独立存在的物质最小单 位，它是可分的。
他的观点得到了英国科学家玻意尔和牛顿的支持道尔顿1766-1844) 经过150多年的努力，1803年英国科学家道尔顿首次在实验 室的基础上提出科学的原子论他以玻意尔、拉瓦锡元素学说为依据指出：元素的确良最终 组成为原子，它在所有的变化中保持本性不变；每种元素以其原子的质量为基本特征，同种 元素的原子质量及各种性质均相同；不同元素的原子以简单整数比相结合他还通过实验确 定了37种原子如氢、氧、氮等的原子量他的主要论点沿用至今又过了 100年，在法国化学家盖吕萨克、意大利物理学家阿佛加德罗、化学家康尼查罗、 英国植物学家布朗、德国物理学家爱因斯坦和法国科学家佩兰的努力下，证实了分子的存在， 分子是保持物质化学性质的最小微粒20世纪，分子、原子的研究取得了光辉的成果：1955年，美国宾西法尼亚州立大学的 研究人员发明了能将针尖大的物体放大500万倍的场离子显微镜，第一次看到了单个原子的 形貌1983年IBM公司研制成功扫描隧道显微镜(STM)，它可以观察到单个原子在物质表 面的排列至此，人们不再怀疑任何物质都是由原子、分子组成的了离子和电子 1883年瑞典化学家阿仑尼乌斯首先提出电解质在水溶液中自动离解 成游离的带电离子即离子的概念。
电解质电离的研究，可以追溯到法拉弟时代1833年法拉弟发现了电解定律，他在研 究电解反应时，把电解以前未被分解的物质叫电解质，意思是这种物质可用电流使之分解； 他还认为，在通电以前，电解质就已经在水溶液中离解了阿仑尼乌斯根据他的电离理论进行了一系列关于溶液性质的计算，结果与荷兰化学家范 霍夫的一致，从而获得化学界的公认，并获得1903年的诺贝尔奖19世纪可以说是电大显身手的世纪，1800年，意大利物理学家伏特受到伽伐尼解剖青 蛙时产生电流现象的启发，发明了电池，这就是现代各种化学电源的老祖宗;1807年英国化学家戴维用电解法分离出两种元素---钠和钾，使电的名声大噪；1820年，法国科学家安培发现带电流的线圈可以产生磁场；1831年法拉弟发现电磁感应，从理 论和实践上支持了 19世纪半叶电机工业的发展阴极射线 由于电在生产和人们的生活中已得到很多应用，于是人们迫切需要了解电报本质，即电究竟是什么？ 1879年英国物理学家克鲁克斯研究电气放电现象，发现了 阴极射线是一种带电的粒子流1897年4月30日，英国物理学家汤姆逊公布了阴极射线管粒子的荷质比e/m他把这 种带电的微粒命名为“电子”，这是人类认识得最早的基本粒子，以此，他获得1906年度 诺贝尔物理学奖。
原子的核式结构 1897年电子的发现，是研究原子微观结构的一个重大突破，电子是一切原子的组成部分，又由电子荷质比的测定知道电子的质量比整个原子的质量小得 多1896-1898年居里夫妇发现了放射性，并认识到放射现象是由原子内部引起的根据这 些实验事实和过去的已有理论知识，于是对原子的结构进行了新的探索，英国科学家卢瑟福 提出了原子结构模型原子本身究竟有无结构？在道尔顿时代，以及后来许多有机化学的研究中，只须将原子 当作一个没有结构的小球就够了电子发现后，实验证明原子虽小，却别有天地放射性的 发现，推翻了原子不能再分裂的传统观念原子是中性的，其中若有带负电的电子就一定有 等量的正电原子结构的确良一个重要问题就是确定这些正负电荷的数值及其分布1898年，电子发现者英国物理学家汤姆逊提出原子的“西瓜模型”，也称为“海洋模 型”，认为电子浸透在带正电的海洋中，或者说西瓜的红瓢好比正电荷的分布，“嵌在”上 面的黑籽就像一个个带负电的电子1908年，汤姆逊的学生卢瑟福设计了非常巧妙的实验，原来放射性元素能放出aBY 三种射线，其中a射线是极短的光波，B射线是电子，Y射线是失去两个电子的氦离子， 他用能量比较高的a粒子作为炮弹去轰击原子，以检验汤姆逊模型的正确性。
卢瑟福和他的学生们用a粒子撞一个极薄的金叶，发现绝大部分的质点透过之后，其 飞行的方向和原来和差不多；但是偶尔有几个的方向改变了许多方向为什么会改变呢？卢 瑟福认为，那不是受了金原子中电子吸引的影响，而是受了金原子正电部分推斥的结果，因 为电子比a质点轻了 7000余倍，两个相撞之时，就像大象撞上小猫，一定是轻的被推斥， 而重的可以通行无阻只有撞着与它质量相仿的正电荷，而且斥力非常之大时，a质点的 方向才能改变那么多欲得很大斥力，则正电荷的体积一定很小这就是说原子有一个体积 很小，质量很大，带正电的核1911年卢瑟福受太阳系组成的启示，提出了原子的核式结构，即有一个原子核被称 为太阳系模型解读元素周期表 1869年俄罗斯化学家门捷列夫发现了当元素按原子量递增的顺序排列时，元素的性质显示周期性的变化，这就是元素周期律周期”一词的含义是“有 规则的重复”在此基础上，他排出了早期的周期表自此，周期表不断地得到深入地研究 其中，最重要的进展是1913年英国物理学家莫斯莱发现元素在周期表上的排列次序，原来 就是原子核带的单位电荷数，他将其命名为原子序数所谓元素就是质子数（即核电荷数） 相同的一类原子的总称。
当然，在每个元素原子的核外，也有同样数目的电子元素周期表中的原子 已经知道原子核带正电荷，而且也知道这个正电荷数就是原子序数，那么原子核的结构如何呢？它外面的电子是怎样排列的呢？1919年，卢瑟福的研究组用a-粒子轰击许多元素的原子核，都打出了高速的氢原子核， 被取名为质子1932年，英国物理学家查德威克利用卢瑟福所领导的英国剑桥卡文迪许实验室的优越 条件，重新进行了 a-粒子的轰击实验，发现了中子质子和中子能称为“核子”由于质子和中子的质量都是1单位，那么所有的元素的原子量应该是整数才对自从道 尔顿的原子论问世以来，科学家一向认为单质是最简单最纯的物质，其中只含一种原子但 对原子量的测定表明，各元素的原子量并不是氢原子量的整数倍在制备单质时，全是用化学方法，到了用一般化学方法不能将其简化时，就是说单质是 用一种元素所组成，但是一种元素事实上可以含两种或多种原子，它们有不同的原子量，它 们的化学性质基本相同，帮不能用一般化学方法将其分开，但这并不意味着用非化学方法也 不能将其分开这种化学性质基本相同而质量不同的几种原子叫做同位素，于1911年由英 国科学家索迪提出1919年卡迪文许实验室的英国物理学家阿斯顿制成了质谱仪，可以用来分离不同质量 的粒子，并测定它们的质量，他研究了71种元素，找到了 202种同位素。
至此，我们知道原子是由更简单的粒子组成的，在这些粒子中，与化学性质最密切的有 三种：电子，它是负电的单位；质子，带正电，其荷电量与电子相同，但符号相反；中子， 不带电，质量与质子相近它们的质量都很小：质子的质量为1.00728AMU，中子的质量为1.00867AMU,电子的质量为质子的1/1836AMU是原子质量单位atomic mass unit的缩写， 一个碳-12的原子质量的1/12，又称道尔顿）Fe铁 一个原子有两部分：原子核及其外围的电子原子核非常小，其半径的数量 级是10-12-10-13cm，由质子和中子组成核中质子的数目叫做原子序数，即各元素在元素 周期表中的座次原子核集中了原子的几乎全部质量核外电子的数目和核内质子的数目一样多，分若干层排布在原子核外，这些层按离核的 远近分为K、L……层，也称为1，2, 3,……（和s,p,d,f,……）层各层的电子数目不同： K层至多有2个电子；L层可有8个，M层可有18个……，化学反应只与原子最外一层或二 层的电子有关这种电子叫做价电子元素周期表由100多个方格组成，每个方格分别对应一种元素每个方格内通常标有元 素的原子序数、元素符号、元素名称以及相对原子质量。
原子周期表的基本结构：元素周期表明按元素的原子序数排列的整个表是以原子序数为1的氢元素从左上角开 始，然后按原子序数逐渐递增的顺序从左至右排列构成纵向的18列和横向的7行族（直的关系） 每一列中的所有元素组成一族（family），每族均标有序号，从最左的第1列到最右的第18列每一族的名称（除氢外）通常用该族中第一个元素的名称 来命名如第14族中的元素就称为碳族，而第15族称为氮族同族中的所有元素具有类似的特征，如第1族中的元素都是碱金属，能与水发生剧烈反 应；而第11族中的确良元素尽管都属于金属元素，但与水的反应都非常缓慢，有的甚至根 本不发生反应第17族的元素与第1族的元素发生强烈化学反应，而第18族中的元素几乎 不能和任何元素发生化学反应族有主、副之分，分别在列数上标以A、B主族的特点是它们具有所示族化学性质的 典型性及价电子结构的规范性（均为s电子或p电子）副族元素只出现于第4-7周期，它 们全是金属，其化学性质有异常，电子结构的特点是倒第二层的电子数未满额（均为d或 ds型）由于引入了主、副族的划分，所以按族只有0-伽共8族，更好地体现了外层电子 的结构价态特征此外IIA-OA之间的第3-12族元素（不包括镧以外的镧系元素和钢以外 的钢系元素）称为过渡元素，电子结构上属d区元素，它们都是金属，起着连接周期表左。