3.1構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子我們知道，世界是由物質(zhì)組成的。那么，物質(zhì)又是由什么構(gòu)成的呢？我們已經(jīng)知道，自然界是由物質(zhì)組成的，而物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成的。這節(jié)我們將從化學的視角，更深人地研究構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子。?目標預(yù)覽?能結(jié)合有關(guān)實例認識構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子及其特征；能利用科學家的研究成果認識原子的構(gòu)成；能用比較等方法說明分子、原子、離子的區(qū)別與聯(lián)系；能從原子或分子的視角對一些物質(zhì)的變化進行簡單分析與解釋?？茖W家經(jīng)過長期研究證實，構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子有分子(molecule)、原子(atom)和離子(ion)。有些物質(zhì)由分子構(gòu)成，如干冰是由二氧化碳分子構(gòu)成的；有些物質(zhì)由原子構(gòu)成，如金剛石是由碳原子構(gòu)成的，銅是由銅原子構(gòu)成的；還有些物質(zhì)由離子構(gòu)成，如氯化鈉是由鈉離子和氯離子構(gòu)成的(圖3-1)。圖3-1不同微觀粒子構(gòu)成的物質(zhì)干冰由二氧化碳分子構(gòu)成金剛石由碳原子構(gòu)成圖3-1不同微觀粒子構(gòu)成的物質(zhì)銅由銅原子構(gòu)成氯化鈉由鈉離子和氯離子構(gòu)成一、分子電解水可以產(chǎn)生氧氣和氫氣。氧氣能助燃，氫氣能燃燒，而水能滅火，它們各有獨特的性質(zhì)。為什么水不具有氧氣、氫氣的性質(zhì)?氧氣是由氧分子構(gòu)成的，氫氣是由氫分子構(gòu)成的，水是由水分子構(gòu)成的。因為構(gòu)成它們的分子不同，所以它們具有不同的化學性質(zhì)。不同的物質(zhì)具有不同的性質(zhì)，這是由于構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子不同。如氧氣是由大量的氧分子聚集而成的，氫氣是由大量的氫分子聚集而成的(圖3-2)，水是由大量的水分子聚集而成的(圖3-3)。圖3-2氫氣球中聚集有大量的氫分子圖3-3水滴中聚集有大量的水分子大量的分子聚集在一起，形成了我們能感知到的物質(zhì)(圖3-4)。圖3-4分子聚集形成物質(zhì)當氫氣在氧氣中燃燒時，氫分子和氧分子反應(yīng)形成了組成、結(jié)構(gòu)均不同于氧分子和氫分子的水分子，水分子不再具有氫分子和氧分子的性質(zhì)。我們無法用肉眼看見分子，也不能用一般方法來稱分子的質(zhì)量。1滴水(約0.05g)中約有1.7×1021個水分子，1個水分子的質(zhì)量大約是3×10－26kg。大量科學研究證明，分子是構(gòu)成物質(zhì)的一種微觀粒子。分子的體積和質(zhì)量都很小，分子在不停地運動，分子之間有空隙。二、原子大量的研究結(jié)果表明，分子是由原子結(jié)合而成的。例如，每個水分子由兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成。水的分解過程中，水分子分解成氫原子和氧原子，每兩個氫原子結(jié)合成一個氫分子，每兩個氧原子結(jié)合成一個氧分子(圖3-5)。圖3-5水分解成氫氣和氧氣示意圖分析圖3-5，你認為在水的分解過程中，哪些微觀粒子發(fā)生了變化，哪些微觀粒子保持不變?把你的想法與同學交流、討論。水是由大量水分子構(gòu)成的。定條件下，水分子首先分解成氫原子和氧原子，每兩個氫原子結(jié)合成個氫分子，每兩個氧原子結(jié)合成個氧分子。在這個過程中發(fā)生變化的是水分子，不變的是構(gòu)成水分子的氫、氧原子，即在化學變化中，分子可以再分，而原子不能再分。上述水分解過程的示意圖能幫助我們更好地理解化學變化的本質(zhì)。物質(zhì)的微觀特征是理解其宏觀變化的依據(jù)物質(zhì)的性質(zhì)體現(xiàn)在宏觀變化上，物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)等微觀特征則是理解物質(zhì)性質(zhì)、把握變化本質(zhì)的依據(jù)。水發(fā)生氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)“三態(tài)”變化，主要是水分子的運動和分子間的距離大小發(fā)生變化所導(dǎo)致的。氫氣在氧氣中燃燒生成水，是構(gòu)成氫分子的氫原子和構(gòu)成氧分子的氧原子重新組合成水分子的結(jié)果。原子不但可以結(jié)合成分子，還能直接構(gòu)成物質(zhì)。原子也是構(gòu)成物質(zhì)的一種微觀粒子。常見的金屬(如鐵、銅、鋁、汞等)和某些非金屬(如金剛石等)就是由原子直接構(gòu)成的。原子很小，1個氧原子的直徑大約為1.48×10－10m，如果把氧原子緊密地排成1.48cm長的一列，大約需要1億個氧原子。圖3-6原子直徑大小的比較如果將氫原子與直徑為1cm的小球相比，相當于將一個蘋果與地球相比。圖3-6原子直徑大小的比較人類對原子的認識公元前5世紀的古希臘學者曾指出：萬物是由極其微小的、不可分割的微觀粒子“原子”構(gòu)成的；中國古代思想家墨子(約公元前468-公元前376)在他的著作中也有類似的說法。圖3-7墨子1803年，英國科學家道爾頓借用“原子”概念提出了原子學說。科學家后來沿用“原子”這個名稱來表示構(gòu)成物質(zhì)的一種微觀粒子。圖3-8道爾頓20世紀80年代中期，人們已能夠借助當時最先進的儀器“觀察”到原子在物質(zhì)表面的排列狀況。近幾十年來，這一技術(shù)更是得到迅猛發(fā)展。例如我國科學家利用超高真空掃描隧道顯微鏡，在硅晶體表面移動原子，“寫出”了“中國”兩個字(圖3-9)。圖3-9在硅品體表面“寫出”的“中國”兩個字2021年科學家用X射線照射鈧酸錯晶體，通過計算得到了高分辨率的原子圖像(圖3-10)。圖3-10高分辨率的原子圖像1.原子的構(gòu)成原子的質(zhì)量、體積都很小。原子能不能再分?科學家為了揭示原子結(jié)構(gòu)的奧秘，經(jīng)歷了漫長的探究過程。其中，英國科學家湯姆孫(JosephJohnThomson，1856-1940)和盧瑟福(ErnestRutherford，1871-1937)等為認識原子結(jié)構(gòu)作出了巨大貢獻。1897年，英國科學家湯姆孫確認了所有原子都含有帶負電荷的電子，這表明原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，原子并不是構(gòu)成物質(zhì)的最小的微觀粒子。圖3-11湯姆孫1911年，英國科學家盧瑟福用一束帶正電荷的α粒子轟擊金箔時，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)α粒子能穿透金箔，而且不改變原來的前進方向，但也有一小部分α粒子運動路徑發(fā)生了改變，甚至有極少數(shù)的α粒子好像碰到了不可穿透的堅硬的物質(zhì)而被彈了回來(圖3-13)。圖3-12盧瑟福圖3-13用α粒子轟擊金箔你能試著解釋上述實驗現(xiàn)象嗎?將你的看法與同學交流、討論?，F(xiàn)象1：大多數(shù)α粒子能穿透金箔，而且不改變原來的前進方向。解釋：金的原子核的體積很小，金的原子內(nèi)部空間很大?，F(xiàn)象2：一小部分α粒子運動路徑發(fā)生了改變。解釋：金的原子核帶正電荷，當帶正電荷的α粒子經(jīng)過金的原子核附近時受到排斥而改變運動路徑。現(xiàn)象3：極少數(shù)的α粒子被彈了回來。解釋：金的原子核的體積很小，金的原子核的質(zhì)量比α粒子的大得多，當α粒子正面撞擊金的原子核時，α粒子被反彈回來?？茖W家研究發(fā)現(xiàn)，原子是由帶正電荷的原子核(atomicnucleus)和帶負電荷的核外電子(electron)構(gòu)成的。兩者所帶的電量大小相等，電性相反，因而原子呈電中性?？茖W實驗發(fā)現(xiàn)，原子核帶正電，核外電子帶負電。為什么電子不會“掉”到原子核中?依據(jù)盧瑟福實驗提出的原子結(jié)構(gòu)模型，你能解釋上述問題嗎?原子核的半徑大約是原子半徑的十萬分之一。原子核在原子中所占的體積極小，核外電子在核外空間做高速運動。原子核的體積雖然很小，但幾乎集中了原子的全部質(zhì)量，電子的質(zhì)量相對要小得多。原子核內(nèi)有什么?1919年，盧瑟福和助手又用α

粒子“轟擊”了氮原子核等，發(fā)現(xiàn)原子核里面有質(zhì)子(proton)，1個質(zhì)子帶1個單位正電荷。1920年，盧瑟福又預(yù)言：原子核中有不帶電荷的中性粒子。圖3-14原子的結(jié)構(gòu)模型1932年，經(jīng)過不少科學家的反復(fù)實驗后發(fā)現(xiàn)，α粒子打在鈹原子核上，產(chǎn)生了一種高速的不顯電性的中性粒子，他們將其命名為中子(neutron)。中子的質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量幾乎相等。盧瑟福的預(yù)言被證實。在盧瑟福之后，又經(jīng)過幾代科學家的努力，在原子核內(nèi)部不斷發(fā)現(xiàn)新的粒子，原子深層次的奧秘正在被逐漸揭示。研究發(fā)現(xiàn)，原子核內(nèi)，1個質(zhì)子帶1個單位正電荷，中子不帶電；原子核外1個電子帶1個單位負電荷。核電荷數(shù)＝質(zhì)子數(shù)＝核外電子數(shù)有一種氫原子的核內(nèi)只有1個質(zhì)子，沒有中子，核外有1個電子；有一種碳原子的核內(nèi)有6個質(zhì)子、6個中子，核外有6個電子核電荷數(shù)(原子核所帶的電荷數(shù))等于核內(nèi)質(zhì)子數(shù)，也等于原子核外電子數(shù)，即：2.相對原子質(zhì)量原子有一定的質(zhì)量。1個碳原子的質(zhì)量約為1.993×10－26kg，1個氧原子的質(zhì)量約為2.657×10－26kg，1個鈉原子的質(zhì)量約為3.819×10－26kg。原子的質(zhì)量如此之小，使用起來極不方便。為此，國際上引人相對原子質(zhì)量來表示原子的質(zhì)量。以一種碳原子質(zhì)量的1/12作為基準，其他原子的質(zhì)量與這一基準的比，稱為這種原子的相對原子質(zhì)量

(relativeatomicmass)。常見元素的相對原子質(zhì)量見表3-2。圖3-15對原子質(zhì)量的計算

張青蓮(1908-2006)，著名無機化學家。1983年當選為國際原子量委員會委員，分別在1991年、1993年精確測定了銦(In)和銻(Sb)的相對原子質(zhì)量，1995年精確測定了鈰(Ce)和銪(Eu)的相對原子質(zhì)量，并被審定為取代舊值的新標準。圖3-16張青蓮分子是由原子結(jié)合而成的，我們可以用相對分子質(zhì)量(relativemolecularmass)表示分子質(zhì)量的相對大小。相對分子質(zhì)量(Mr)等于構(gòu)成分子的各原子的相對原子質(zhì)量(Ar)的總和根據(jù)元素周期表中相對原子質(zhì)量的數(shù)據(jù)和以下實例，計算氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)、碳酸氫銨(NH4HCO3)的相對分子質(zhì)量。例：計算水的相對分子質(zhì)量。解：水的相對分子質(zhì)量Mr(H2O)＝1×2＋16＝18答：水的相對分子質(zhì)量為18。解：氧氣(O2)的相對分子質(zhì)量Mr(O2)＝16×2＝32；二氧化碳(CO2)的相對分子質(zhì)量Mr(CO2)＝12＋16×2＝44；碳酸氫銨(NH4HCO3)的相對分子質(zhì)量Mr(NH4HCO3)＝14＋1×5＋12＋16×3＝79。答：氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)和碳酸氫銨(NH4HCO3)的相對分子質(zhì)量分別是32、44和79。三、離子在某些化學變化中，電中性的原子會因得到或失去電子而成為帶電荷的微觀粒子，這種帶電荷的微觀粒子稱為離子。例如，金屬鈉與氯氣反應(yīng)，每個鈉原子失去1個電子形成帶1個單位正電荷的鈉離子(Na＋)，每個氯原子得到1個電子形成帶1個單位負電荷的氯離子(Cl－)。帶有相反電荷的鈉離子和氯離子之間相互作用，構(gòu)成了氯化鈉(NaCl)，如圖3-17所示。圖3-17氯化鈉的形成鈉與氯氣反應(yīng)氯化鈉的形成氯化鈉晶體離子也是構(gòu)成物質(zhì)的一種微觀粒子。原子失去或得到電子形成離子。在化學反應(yīng)中，原子核外電子經(jīng)常作為重要的角色。在后續(xù)的學習中，我們將逐漸認識到這一點。分子、原子和離子都是構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子。在化學反應(yīng)中，原子可以通過得到或失去電子形成離子，離子也可以通過失去或得到電子轉(zhuǎn)變成原子。分子、原子和離子在化學變化中的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖3-18所示。圖3-18分子、原子、離子間的轉(zhuǎn)化原子核外電子排布原子核外的電子在核外空間做高速運動。在含有多個電子的原子中，根據(jù)核外電子運動區(qū)域離核遠近不同，可以分為不同的電子層如氧原子核外有8個電子，分為兩個電子層，2個電子在第一電子層，6個電子在第二電子層可以用圖3-19所示的原子結(jié)構(gòu)示意圖表示。鈉原子、氯原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-20所示。在化學反應(yīng)中鈉原子容易失去最外電子層上的1個電子，形成帶1個單位正電荷的陽離子(Na＋)；氯原子最外電子層上有7個電子，不容易失去，在化學反應(yīng)中氯原子傾向于獲得1個電子，形成帶1個單位負電荷的陰離子(Cl－)。因此，在化學反應(yīng)中，鈉原子和氯原子能通過電子的轉(zhuǎn)移，分別形成鈉離子和氯離子(圖3-21)。1.判斷下列說法是否正確(正確的在括號內(nèi)打“?”，錯誤的打“?”)。(1)原子的質(zhì)量幾乎都集中在原子核中。()(2)原子核內(nèi)部有帶正電荷的質(zhì)子，所以原子顯電性。()??(3)原子通過得失電子形成離子，但離子不能轉(zhuǎn)化為原子。()(4)金剛石是由碳原子構(gòu)成的，干冰是由水分子構(gòu)成的，氯化鈉是由氯離子和鈉離子構(gòu)成的。()??2.一壺水燒開后，壺蓋被頂開，這是由于()。A.水分子變大，頂開壺蓋B.水分解成氫氣和氧氣C.水由液態(tài)變成氣態(tài)，水分子間空隙增大，體積膨脹D.水分子分解成氫原子和氧原子后微觀粒子數(shù)量增多C3.氫氣燃燒生成水的反應(yīng)，發(fā)生改變的是__________分子和_______分子，沒有改變的是_______原子和________原子。生成的水分子不再具有________分子和_________分子的化學性質(zhì)。氫氧氫氧氫氧4.查閱相對原子質(zhì)量的數(shù)據(jù)，計算下列物質(zhì)的相對分子質(zhì)量。Cl2P2O5CO2H2O2KMnO4Mr(Cl2)＝35.5×2＝71Mr(P2O5)＝31×2＋16×5＝142Mr(CO2)＝12＋16×2＝44Mr(H2O)＝1×2＋16×2＝34Mr(KMnO4)＝39＋55＋16×4＝1585.作為相對原子質(zhì)量基準的1個碳原子的質(zhì)量為1.993×10－26kg。已知1個氫原子的質(zhì)量為1.674×10－27kg，求氫的相對原子質(zhì)量。

6.盧瑟福通過“α粒子轟擊金箔”實驗(見第87頁圖3-13)發(fā)現(xiàn)了原子核試解釋盧瑟?！唉亮Ｗ愚Z擊金箔”實驗的現(xiàn)象：(1)大多數(shù)α粒子能穿透金箔而不改變原來的運動方向，說明了什么?說明原子內(nèi)有很大的空間，而且原子核體積很小，原子核外大部分空間是“空”的。(2)小部分α粒子改變了原來的運動方向，說明了什么?(3)極少數(shù)α粒子被彈了