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概念辨析:原子、元素、單質(zhì)

本文發(fā)表于《高中數(shù)理化》,也是即將由山東科技出版社出版的《用原子的眼睛看世界——中學(xué)化學(xué)關(guān)鍵知識解讀》的一篇。

原子、元素、單質(zhì)這三個不同概念,在化學(xué)發(fā)展的早期使用得比較混亂,導(dǎo)致了基礎(chǔ)化學(xué)中的一些模糊說法。

要學(xué)好化學(xué),有必要把這些概念辨析清楚。

1. 原子究竟是不是化學(xué)變化中的最小微粒?在鈉跟水的反應(yīng)中,鈉原子失去了電子變?yōu)殁c離子,這個事實說明,原子在化學(xué)變化中是可以破裂的,怎么能說原子是化學(xué)變化中的最小微粒呢?

此類問題的產(chǎn)生,源于化學(xué)發(fā)展的早期“原子”概念的模糊使用。

原子在化學(xué)變化中種類和數(shù)目不變,是運用原子論解釋質(zhì)量守恒現(xiàn)象時的粗略說法,是一種歷史沿用。

這里所用的“原子”實際上說的是原子核(或者原子實)。

如果把離子看做是帶電荷的原子或原子團(tuán),鈉離子(Na+)就是帶1個單位正電荷的鈉原子。

而現(xiàn)在不加前綴的“原子”一般被理解為中性原子。

類似的問題還有:“元素是具有相同核電荷數(shù)(質(zhì)子數(shù))的一類原子的總稱。那么,氯化鈉中并沒有中性的鈉原子,它含不含鈉元素呢?”

顯然,在元素定義里的“原子”也是一個廣義的概念,指的是核素,包含了得、失電子后變?yōu)殛庩栯x子的“原子”。

要想學(xué)好化學(xué),需要對概念加以認(rèn)真辨析和理解,而不去死摳概念。

2.能不能說鈉元素有強(qiáng)還原性?

不能。

元素有游離態(tài)跟化合態(tài)兩類不同的存在形態(tài)。

鈉單質(zhì)是鈉元素的游離態(tài),而處于化合態(tài)的Na+ 也屬于鈉元素。前者具有強(qiáng)還原性,而后者不具備絲毫的還原性,卻有一定的弱氧化性。

所以,籠統(tǒng)地說“鈉元素具有強(qiáng)還原性”是不對的。

3. 氮氣跟氫氣化合需要高溫、高壓、催化劑的反應(yīng)條件,氮元素的非金屬性弱嗎?如果弱,那怎樣理解氮的最高價氧化物水化物硝酸是強(qiáng)酸?

教科書給出的那些判斷元素金屬性、非金屬性強(qiáng)弱的實驗判據(jù),都是很久以前的經(jīng)驗總結(jié),并不嚴(yán)謹(jǐn)。

嚴(yán)格地講,元素的性質(zhì)跟其單質(zhì)的性質(zhì)不完全是一回事。

從氮元素的電負(fù)性為3.0看,其非金屬性是很強(qiáng)的,跟氯元素(電負(fù)性同樣是3.0)十分接近。

所以我們說氮元素的非金屬性很強(qiáng),故其最高價氧化物的水化物硝酸是強(qiáng)酸。

那么,為什么氮氣跟氫氣的化合反應(yīng)條件卻如此苛刻(高溫、高壓、催化劑)呢?原因在于N2單質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)太過牢固,不易拆開參與化學(xué)反應(yīng)。

N2分子中,兩個N原子之間通過3對共用電子(3條共價鍵)結(jié)合在一起,而一般的化學(xué)反應(yīng)過程中,分子要先行吸收能量拆開為原子,原子之間再結(jié)合形成產(chǎn)物。

破壞氮氣分子太難了,所以合成氨反應(yīng)的活化能很高,需要高溫、高壓、催化劑這樣苛刻的條件。

同樣道理,單純根據(jù)氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性比較元素的非金屬性,也不是絕對正確的。

比如我們知道碳元素的非金屬性明顯弱于氮元素(碳的電負(fù)性2.5),但是,碳的簡單氣態(tài)氫化物甲烷(CH4)因分子呈正四面體結(jié)構(gòu),具有高度的空間對稱性,十分穩(wěn)定,其分解溫度要高于氮的簡單氣態(tài)氫化物NH3

4. CSP等單質(zhì)用元素符號直接表示,它們都不是單原子分子,這如何理解?

自然界中,除稀有氣體元素外,沒有元素能夠以單原子狀態(tài)穩(wěn)定存在,它們的原子都處于各種結(jié)合態(tài),要么呈化合態(tài),要么在單質(zhì)中通過共價鍵、金屬鍵等彼此結(jié)合在一起。

氮元素的單質(zhì)主要是N2,氧元素的單質(zhì)有O2O3等,這些人們很久以前就有所認(rèn)識。

而碳、硫、磷的單質(zhì)構(gòu)成,是很晚人們才認(rèn)識清楚的,所以科學(xué)上沿用了元素符號直接表示它們單質(zhì)的習(xí)慣。

碳有金剛石(一塊金剛石可認(rèn)為就是一個巨大無比的碳分子)、石墨(層狀結(jié)構(gòu))、各種球碳(C60C70等)、碳納米管、石墨烯(單層的石墨)等多種同素異形體,很難寫出一個統(tǒng)一的單質(zhì)分子式;

硫的穩(wěn)定單質(zhì)主要是S8分子,其結(jié)晶方式不同構(gòu)成了單斜硫、斜方硫等不同外觀的單質(zhì),在硫的蒸氣內(nèi)也存在類似于O2S2分子;

磷的單質(zhì)有P4(白磷)和紅磷等,紅磷從微觀上看就是若干個P4單元彼此連接而成。

所以我們說,一般情況下,原子不能夠等同于單質(zhì),這也是為什么在討論元素性質(zhì)的電離能、電子親合能等概念中強(qiáng)調(diào)“氣態(tài)原子”的原因。

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