2.2　原子和元素

2.2.1　原子、元素和同位素

原子是由一个原子核和若干个核外电子组成的微粒，是进行化学变化的最小单元。原子核中包含带正电荷的质子和不带电荷的中子。质子的数目决定原子的种类，它在核中带正电荷，需要相同数量的核外电子共同组成中性的原子。在化学中，元素是化学元素的简称，是具有相同核电荷即质子数相同的原子的总称。原子核中的质子数决定原子属于哪一种元素或原子序数。质子数相同而中子数不同的原子互称为同位素。例如，氢原子的原子核中只有1个质子，原子序数为1。已知在不同的氢原子的原子核中，中子数为0个、1个和2个三种，分别形成氢元素的3种同位素，它们的名称和性能列于表2.2.1中。

表中氕音撇，同位素记号为¹H或H，它的原子核由1个质子组成，没有中子，它稳定地存在于自然界，是氢元素的主要成分，通常用元素记号H（来自英文名称hydrogen）表示。由于¹H核中没有中子，当¹H丢失核外的1个电子，剩余原子核即为质子，所以质子的记号常用H^＋表示。

氘音刀，同位素记号为²H或D（来自英文名称deuterium），它的原子核由1个质子和1个中子组成，它也稳定地存在于自然界。

氚音川，同位素记号为³H或T（来自英文名称tritium），它的原子核由1个质子和2个中子组成，它不稳定，会自发地进行衰变。自然界中氚的含量极少，计算氢元素的原子质量时可以忽略不计。

氢元素的原子质量按氢的同位素的丰度和质量计算所得的平均值表示，按表2.2.1的数值可得氢元素的平均质量（m_H），以原子质量单位u表示，其数值为：

氢的同位素氘和氚是制造氢弹的主要原料，氢弹是利用原子弹爆炸产生的极高温度使氘和氚的原子核发生核聚变反应，释放出巨大能量的核武器。

除氢元素外，其他元素的各种同位素的性质和应用，需要查阅一些专著，了解它们的存在情况。例如铀（U）有26种同位素，其中²³⁵U最为人们关注，它是制造原子弹的主要原料。¹⁴C是碳的放射性同位素，半衰期为5730年，可根据生物体中¹⁴C的残留量测得该生物体死去的时期或化石形成的年代。

当原子丢失一个核外电子形成带电的原子，它的化学名称为离子。丢失电子带正电荷的称为正离子，例如H^＋、Na^＋、Ca^2＋等。吸收电子成带负电荷的原子称为负离子，如Cl^-、O^2-、S^2-等。带电的多原子基团形成多原子离子，如等。

2.2.2　原子量

原子量是元素的相对原子质量的简称，是表示该元素的各种同位素的平均质量的物理量。由于原子很小、质量很轻，在实际应用时不可能一个一个地数原子的个数，求每个原子的质量，而采用“原子量”来表达参加化学反应物质的各种元素的原子数量和质量。

每种元素的原子量的数值由该元素天然存在的同位素的平均丰度和每种同位素的质量加权计算出平均原子质量后，再将它和¹²C原子质量的1/12相比，所得的比值为该元素的原子量。可见，原子量是一个没有单位，而和原子质量相关的数量。

原子量的测定始于200多年前，由化学家和物理学家提出原子和分子学说，精密地测定许多气体的单位体积中的质量而发展起来，后来用质谱等方法测定各种微观粒子的质量。现在对原子、分子、质子、中子、电子等微观粒子的质量都已有精确的数值。

单个原子的质量用原子质量单位（u）表示（过去用amu），它为碳的同位素¹²C单个原子质量的1/12，即

当用“物质的量”来计算化学物质的质量时，规定用摩尔（mol）作数量单位；表示物质的质量时，规定用克（g）作质量单位。摩尔数乘以原子量，即得化学物质以克为单位的质量。摩尔是用阿伏加德罗常数（N_A）的倍数表示的粒子数，它的数值非常大：

N_A＝6.0221367×10²³ mol^-1

例如，元素氢的原子量为1.00794，得1 mol氢原子的平均质量（m_H）为：