从水说起学化学之元素和原子

千喜娃：老师，我们几个同学讨论了你上次布置的作业，但有几个疑问：(1)您说也许早年人们以为水是最简单的物质，因而就认为水的三态变化没有变成别的物质是无需证明的。现在人们已经知道水不是最简单的物质，那么，怎么证明冰雪和水蒸气仍然是水呢?(2)您说氢和氧是元素，是不能再分解的最简单的物质。这又怎么证明呢?

牛老师：你们提的问题太好了!自然科学不同于迷信，从不盲从，不人云亦云，总是刨根究底，也就是不断地探求自然物质及其变化的实在的细节。自然科学就是在不断探究自然具体的因果关系过程中建立起来的一整套知识体系。自然科学知识体系有事实和理论两个方面。科学家们通过系统的观察和周密的科学实验，不断质疑事实，即便是习以为常的事实，也要不断质疑――是不是事实?在这个过程中，人们确认了许多经常出现的现象，总结出规律，形成概念，最后建立一套理论体系，并用理论解释事实。且在不断发现不j蛤已知理论的新事实的过程中修正、发展理论，用以解释更多的事实，如此循环反复，使人类对自然的认识不断深化，并创造新的自然界没有的事实，以科学家对水的认识为例。我上次提到，18世纪后半叶，以法国科学家拉瓦锡为代表的一批化学家通过实验从两个方面证明了水不是最简单的物质，一方面是氢气和氧气通过化合反应会生成水，另一方面是水分解会生成氢气和氧气。由此可见，水是氢和氧的化合物。水发生三态变化没有产生氢气和氧气，可见水的三态变化是物理变化――不产生新物质的变化。19世纪初，道尔顿创立了化学原子论，从理论上揭示了水发生的变化。用现代化学的语言来概括道尔顿以及后来形成的原子一分子论对水的认识，就是：水的最小微粒是水分子，1个水分子由2个氢原子和1个氧原子构成。水发生三态变化是物理变化，不管状态怎么变，水分子还是水分子，只是分子的聚集态变了。是水的三态变化示意图，

从而可见，按照原子一分子论的理论，冰雪、液态水和水蒸气都是由水分子组成的，但水分子的距离和运动方式不同。水蒸气里的水分子之间的距离很大(温度越高，压力越低，水分子间的距离越大)，水分子之间的作用力很小(分子间的距离越大，相互间的作用力越小)，因而气态的水分子运动起来相当自由，几乎不相互干涉。降低气态水的温度，水分子之间的距离越来越近，相互作用力越来越大。直至相互牵制，不能自由飞行，就凝聚成液态水了。液态水里的水分子间的距离很近，当然，温度越高，距离越大，但只要是液态，水分子之间的距离还是足够近的(向液态水加压，体积几乎不变的事实可证明这一点)。而且液态水里的水分子可以滑动、旋转，排列无序。降低温度，液态水里的水分子在近距的排列越来越整齐，最后凝固成冰雪，水分子几乎完全排列整齐了，只能在原地振动，不能移动了。冰雪里的水分子排列成连环套结构，每一个环由6个水分子构成。雪花的外形呈六角形，实在就是冰雪里水分子这种结构的宏观表现。

千喜娃：老师，我们在小学自然课里学过，冰比水轻。你能解释吗?

牛老师：能解释。冰比水轻，确切地说，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。冰的这一特异性质使天寒地冻时冰面下足够深的水的温度能够维持在水生动物生存的程度，从而使水生动物能够渡冬。这对地球上的生命得以延繁起了关键的作用。科学家已经根据冰的晶体结构证明了：冰的密度比水的小，是由于冰晶体中的水分子排列是有序的――每个水分子周围只能排列4个水分子(如图1左图所示)，使得冰晶体中有相当大的空腔不能容纳水分子，因而密度较小(约0.9∥cm3)。冰融化成水时，水分子的排列松动了，分子间的空腔被破坏，因而密度变大，随着水的温度上升，水分子的运动越来越激烈，距离逐渐加大，密度越来越小，而摄氏4℃恰巧是这两种影响密度的因素达到相对平衡，因而密度最大。

千喜娃：老师，我们学过。大多数固态物质的密度是大于其液态的密度的。为什么冰比水轻只是特异现象而不具有普遍性呢?

牛老师：这有两个原因。一是由于水分子是一个角型分子(如图3)而不是直线分子；二是由于冰中水分子的排列只允许1个水分子周围有4个水分子。

千喜娃：老师。请您解释一下，为什么水分子是角型分子而不是直线分子?为什么冰中的1个水分子周围只能容纳4个水分子?

牛老师：这两个问题解释起来都不太简单，涉及许多深层次的事实。你们要耐心点听我讲呵!先解释水分子为什么是角型分子。19世纪时人们以为原子是不可再分的。到了20世纪初发现了电子，进而又发现所有原子都有电子，电子带负电。而原子是电中性的，那么，原子的正电荷在哪里呢?为此科学家提出几种不同的假设，最终，英国人卢瑟福通过实验证明，原子由带正电荷的原子核和围绕原子核快速运动的电子构成。接着，年轻的英国物理学家莫斯莱又证明，不同原子的核电荷数决定了原子的种类，也就是不同的元素。举例说，氢原子的原子核只有1个正电荷，核外只有1个电子；氧原子的原子核有8个正电荷，核外有8个电子。其他元素的原子呢?有一张表叫做“元素周期表”，给出了所有元素的名称、元素符号、核电荷数(也就是周期表中元素的序号，叫做原子序数)。你们课下查查吧。当原子相互结合时。经常形成共用电子对，也就是说，2个原子共用1对电子。1个水分子和2个氢原子结合，就是氧原子分别和2个氢原子共用1对电子，这对电子是由氢原子和氧原子各提供1个电子形成的。于是，水分子的氧原子周围有8个电子，也就是4对电子，其中2对分别跟氢原子共用，另外2对没有跟氢原子共用，化学家把它们称为孤对电子，意思是没有跟其他原子共用的电子对。水分子里氧原子周围的这4对电子相互排斥，分别占据空间，正如同粽子的4个角各占空间，因此水分子里2个氢原子不在一条直线上，水分子是角型的。

再解释冰雪里的每个水分子为什么只结合4个水分子。科学家证明，水分子之间的结合力是水中的氢原子跟周围水分子的氧原子上的孤电子对之间的作用力，而这种吸引力顺着氢氧原子的轴向最大，你比划比划就明白了……对了，因此冰雪里的每个水分子周围有4个水分子。

做一做：从元素周期表里查一查，碳的原子序数是几，它的原子核里有几个核电荷?它的原子核外有几个电子?科学家证明了，当氧原子和碳原子周围都有8’个电子时，形成的分子是最稳定的分子――二氧化碳分子。请问：二氧化碳分子里每个氧原子和中心碳原子之间有几对共用电子?二氧化碳分子是直线分子还是角型分子?为什么?请从互联网上查找二氧化碳分子的结构示意图来证实你的结论。‘

小贴士：为了使不同语言的人能相互交流，化学家创造了一种通用的符号来表示原子和分子。例如，水的符号是H2O，二氧化碳的符号是CO2，其中的H、C、O分别表示氢原子、碳原子和氧原子，符号右下角的数字是原子数。查书或者互联网时用这些符号来查，方便得多了，如果你用“水”和“二氧化碳”为关键词则只能查到中文的，眼界窄多了。