元素、原子、分子和离子

世界上的物质种类千差万别，有坚硬的铁、流动的水、咸味的食盐、无色的空气、透明的玻璃、温暖的木头……从宏观来看，它们的形态、性质各不相同，有的可以导电，有的易溶于水，有的坚硬无比，有的轻盈飘浮。但令人惊奇的是，这所有丰富多彩、看似天差地别的物质，其实都是由极少数几种微观“构件”以不同方式组合而成的。

这些基本“构件”是元素、原子、分子和离子。它们分别承担着物质世界构成的不同层级与角色：元素是组成物质的“种类”或“家族”，原子是保持化学性质的最小单位，是化学变化中不可再分的粒子，分子则是那些由原子有序组合、能够独立存在并体现物质特性的微小团体，离子则是带电的原子或原子团，常见于溶液或晶体中，是很多反应和生命现象的主角。

理解了元素、原子、分子和离子的基本概念和它们之间的关系，我们就能揭开纷繁复杂的物质世界的底层秘密，真正明白一切物质的最根本来源。这也是化学最重要、最核心的起点。

元素：组成物质的基本种类

把水电解，可以得到氢气和氧气，不管用多少水来电解，最终只能得到这两种气体，再也无法把氢气或氧气分解出别的东西。这说明水是由两种“最基本的成分”构成的，化学把这种最基本的成分叫做元素。

元素是具有相同质子数的一类原子的总称。目前人类已知的元素共有118种，地球上天然存在的约有90多种。自然界中所有的物质，都是由这100多种元素以不同方式组合而成的。

元素是描述物质“由什么种类的成分构成”的概念，它回答的是“有哪些种类”的问题，而不涉及数量多少。

地壳中含量最多的四种元素依次是氧（O）、硅（Si）、铝（Al）、铁（Fe）。其中氧元素的含量约占地壳总质量的48.6%，几乎遍及所有岩石、矿物和水体中。

例题

水（ $\text{H}_2\text{O}$ ）、过氧化氢（ $\text{H}_2\text{O}_2$ ）和氧气（ $\text{O}_2$ ）中，含有相同元素的物质是哪些？它们是同一种物质吗？

水和过氧化氢都含有氢元素（H）和氧元素（O），氧气只含有氧元素（O）。尽管水和过氧化氢含有相同种类的元素，但两者中氢、氧的比例不同，性质完全不同，因此是两种不同的物质。元素的种类相同，不代表物质相同。

原子：物质中不可再分的最小微粒

把一小块铁切成两半，再切两半，如此不断切下去……这个过程能一直进行下去吗？答案是否定的。当达到某一极限时，就不能再切割了，这个极限微粒就是原子。

原子是化学变化中不可再分的最小微粒。这里“不可再分”的意思是：在化学变化中，原子不会被分裂，它是化学反应的基本单元。

原子的内部结构

原子并不是“实心小球”，它有自己的内部结构，由原子核和核外电子组成。

\text{原子} = \underbrace{\text{原子核}}_{\text{质子} + \text{中子}} + \text{核外电子}

原子核位于原子中心，体积极小但质量很大；核外电子绕原子核高速运动，占据了原子的大部分空间。

原子中，质子数 = 核外电子数，因此整个原子对外呈电中性（不带电）。

原子的质子数决定了它是哪种元素。氢原子有1个质子，碳原子有6个质子，铁原子有26个质子。质子数不同，元素种类就不同——这是元素的根本区别所在。

质量数与相对原子质量

由于原子的实际质量极小（氢原子质量约为 $1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ ），直接使用这个数字非常不便，化学上用相对原子质量来表示原子的质量。

相对原子质量的定义：以碳-12原子质量的 $\frac{1}{12}$ 作为标准，其他原子的质量与之相比所得的比值。

\text{相对原子质量} \approx \text{质子数} + \text{中子数}

例题

已知某原子的质子数为8，中子数为8，求该原子的相对原子质量，并判断它是哪种元素。

\text{相对原子质量} \approx \text{质子数} + \text{中子数} = 8 + 8 = 16

质子数为8，对应的元素是氧（O），相对原子质量为16，与表中数据一致。

分子：原子的有序组合

单个原子并不总是独立存在的，很多情况下，两个或更多个原子会结合在一起，形成一个更稳定的“整体”，这个整体就是分子。

分子是保持物质化学性质的最小微粒。水的化学性质由水分子（ $\text{H}_2\text{O}$ ）决定，氧气的化学性质由氧分子（ $\text{O}_2$ ）决定。

分子的组成

一个分子由固定数量和种类的原子按照特定方式连接而成。

分子和原子的区别在于：原子是化学变化中不可再分的最小微粒，而分子在化学变化中可以分解为原子，再由原子重新组合成新的分子。

分子的运动

分子并不是静止的，它们时刻都在做无规则运动，这种运动叫做分子的热运动，温度越高，运动越剧烈。

打开一瓶香水，整个房间很快就能闻到香味，这正是香水分子不断运动、向四周扩散的结果。将一滴墨水滴入清水中，墨水会慢慢扩散开来，也是同样的道理。

例题

一个水分子（ $\text{H}_2\text{O}$ ）中，氢原子和氧原子的个数比是多少？18 g水中约含有多少个水分子（已知水的相对分子质量为18，阿伏伽德罗常数 $N_A \approx 6.02 \times 10^{23}$ ）？

水分子中，氢原子与氧原子的个数比为 $2:1$ 。

18\ \text{g水的物质的量} = \frac{18\ \text{g}}{18\ \text{g/mol}} = 1\ \text{mol}

\text{水分子个数} = 1\ \text{mol} \times 6.02 \times 10^{23}\ \text{个/mol} = 6.02 \times 10^{23}\ \text{个}

这个数字说明，哪怕一小勺水中，水分子的数量也是天文数字级别的，单个分子的体积极其微小。

离子：带电的微粒

原子在正常情况下是电中性的，但当它得到或失去电子时，质子数和电子数就不再相等，原子就变成了带电的微粒，这种带电微粒叫做离子。

阳离子与阴离子

得失电子的方向不同，离子携带的电荷也不同：

当原子失去电子时，质子数 $>$ 电子数，原子带正电，变成阳离子（正离子）。

\text{Na} - e^- \rightarrow \text{Na}^+

当原子得到电子时，质子数 $<$ 电子数，原子带负电，变成阴离子（负离子）。

\text{Cl} + e^- \rightarrow \text{Cl}^-

离子带电的原因，是电子数发生了变化，而质子数始终不变。质子数改变意味着元素种类改变，这是两个完全不同的概念。 $\text{Na}^+$ 失去了一个电子，但它仍然是钠元素，不会变成别的元素。

离子化合物的形成：以食盐为例

食盐（氯化钠， $\text{NaCl}$ ）是最常见的离子化合物。当钠与氯气反应时：

钠原子（11个质子，11个电子）失去最外层1个电子，变成钠离子 $\text{Na}^+$ （11个质子，10个电子）；

氯原子（17个质子，17个电子）得到1个电子，变成氯离子 $\text{Cl}^-$ （17个质子，18个电子）；

$\text{Na}^+$ 和 $\text{Cl}^-$ 之间通过静电引力结合，形成氯化钠晶体。

2\text{Na} + \text{Cl}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2\text{NaCl}

例题

已知镁离子（ $\text{Mg}^{2+}$ ）中有12个质子，求：（1）镁原子的电子数；（2）镁离子的电子数；（3）判断镁是失去还是得到了电子。

（1）镁原子是电中性的，电子数 $=$ 质子数 $= 12$ 个。

（2） $\text{Mg}^{2+}$ 带 $+2$ 电荷，说明质子数比电子数多2，因此：

\text{电子数} = 12 - 2 = 10\ \text{个}

（3）镁原子（12个电子）变成镁离子（10个电子），电子数减少，说明镁失去了2个电子，变成阳离子。

原子、分子、离子的比较

学完原子、分子、离子三个概念之后，很多人容易混淆。用下面内容对比表来理清它们的关系：

三者的关系可以这样理解：

\text{元素} \xrightarrow{\text{组成}} \text{原子} \xrightarrow{\text{结合}} \text{分子（或离子化合物）}

分子由原子组成，离子由原子得失电子形成，元素是对原子“种类”的描述。

原子、分子、离子都属于构成物质的微粒，区别在于：原子是最基本的单元，分子是原子的组合，离子是原子失去或得到电子后的带电形式。三者共同构成了物质世界的微观基础。

例题

下列各组微粒中，哪些属于原子，哪些属于分子，哪些属于离子？

练习题

第1题　【元素与物质的关系】

下列说法中，正确的是：

A. 含有同种元素的物质一定是同一种物质

B. 由同种原子构成的物质一定是单质

C. 元素是具有相同中子数的一类原子的总称

D. 一种元素只能形成一种物质

答案：B

A错误：水（ $\text{H}_2\text{O}$ ）和过氧化氢（ $\text{H}_2\text{O}_2$ ）都含氢、氧两种元素，但是两种不同的物质。C错误：元素是具有相同质子数的一类原子的总称，中子数不同不影响元素种类（同位素）。D错误：碳元素既可以形成石墨，也可以形成金刚石，还可以形成 $\text{CO}_2$ 等多种物质。B正确：由同种原子构成的物质（如、、）只含一种元素，属于单质。

第2题　【原子的结构】

某原子的核内有11个质子、12个中子，下列说法正确的是：

A. 该原子的相对原子质量约为11

B. 该原子核外有12个电子

C. 该原子是钠（Na）原子，相对原子质量约为23

D. 该原子带 $+1$ 的电荷

答案：C

质子数为11，对应元素是钠（Na）。原子的相对原子质量 $\approx$ 质子数 + 中子数 $= 11 + 12 = 23$ ，所以A错误。原子是电中性的，核外电子数 $=$ 质子数 $= 11$ ，而不是12，所以B错误。原子整体不带电，所以D错误。C正确。

知识点：原子结构（质子数决定元素种类，相对原子质量 ≈ 质子数 + 中子数，原子整体电中性）。

第3题　【离子的判断】

下列微粒中，属于阴离子的是：

A. $\text{Na}^+$ 　　B. $\text{Ca}^{2+}$ 　　C. $\text{S}^{2-}$ 　　D. $\text{Al}^{3+}$

答案：C

阴离子是带负电荷的离子，即原子得到电子后形成的离子。 $\text{S}^{2-}$ 右上角标注 $2-$ ，表示带2个单位负电荷，是硫原子得到2个电子后形成的阴离子。A、B、D均带正电荷，属于阳离子。

知识点：阴离子（得到电子，带负电）与阳离子（失去电子，带正电）的区别。

第4题　【分子与原子的区别】

在化学变化中，下列说法正确的是：

A. 分子一定不会被破坏，只是重新排列

B. 原子可以再分为更小的微粒参与化学反应

C. 分子可以分解为原子，原子再重新组合形成新分子

D. 化学变化中，元素的种类会发生改变

答案：C

化学变化的实质是：旧化学键断裂，原子重新排列组合，形成新物质。因此分子在化学变化中会被分解为原子（或原子团），原子再重新组合生成新的分子。A错误：分子会被分解。B错误：化学变化中原子不可再分，不会分裂为质子、中子、电子等更小微粒（那是物理核反应范畴）。D错误：化学变化前后，元素的种类保持不变，只是原子的组合方式改变了。

知识点：化学变化的微观本质（分子分解→原子重组→新分子），原子在化学变化中不可再分。

第5题　【相对原子质量的计算应用】

已知铝（Al）的质子数为13，相对原子质量为27。

（1）求铝原子的中子数。

（2）铝原子失去3个电子后形成铝离子，写出铝离子的符号，并计算铝离子中的电子数。

（3）铝离子和铝原子，哪个的质量更大？为什么？

（1）由相对原子质量公式：

\text{中子数} = \text{相对原子质量} - \text{质子数} = 27 - 13 = 14\ \text{个}

（2）铝原子失去3个电子，带 $+3$ 电荷，铝离子符号为 $\text{Al}^{3+}$ 。

第6题　【分子组成的计算】

葡萄糖是人体重要的供能物质，其化学式为 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ 。

（1）一个葡萄糖分子由哪几种原子构成？各有多少个？

（2）计算葡萄糖的相对分子质量（碳的相对原子质量为12，氢为1，氧为16）。

（3）180 g葡萄糖中，碳、氢、氧三种元素的质量各是多少克？

（1）一个葡萄糖分子（ $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ ）由碳原子、氢原子和氧原子构成，其中：

碳原子（C）：6个；氢原子（H）：12个；氧原子（O）：6个。

（2）葡萄糖的相对分子质量：

M = 12 \times 6 + 1 \times 12 + 16 \times 6 = 72 + 12 + 96 = 180

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