图解中学化学（超清全彩文字版）_初中全科目同步习题+精品试卷（7-9年级）_25秋初中化学《同步习题+精品试卷》_初中化学（人教版）试卷_《图解中学化学》

Newton
图解中学化学
辅助理解课堂中学到的化学知识图解中学化学
辅助理解课堂中学到的化学知识
〔日〕牛顿出版社 编
《科学世界》杂志社 译图字：01-2021-6750号
内 容 简 介
“我和化学没有缘分”——也许有人会这样想。不过，毫不夸张地说，在某些方面，化
学离我们的生活最近、最不可缺少。化学的成果让我们的生活更加便利、更加舒适。如果
我们关注食品、日用品或智能手机等身边的物品，就能发现化学是如何支撑着我们每天的
生活的。
本书列举了很多我们身边的事例，介绍中学时期要学习的化学基础。
第一部分着眼于厨房、家电产品和环境等，重点介绍“隐藏”在我们身边的化学机
制。第二部分对物质在化学上的基本单元之一（原子）的结构、化学性质的“导览图”——
元素周期表进行详细的解读，并对物质的化学反应的机制进行讲解。
无论是即将开始学习化学的学生，还是想重新学习化学的人，如果大家通过阅读本书
切实感受到化学的乐趣，我们将不胜荣幸。
NEWTON BESSATSU MANABINAOSHI CHUGAKU KOKO KAGAKU KAITEI DAI 2 HAN
©Newton Press 2020
Chinese translation rights in simplified characters arranged with Newton Press
Through Japan UNI Agency, Inc, Tokyo
www.newtonpress.co.jp
图书在版编目（CIP）数据
图解中学化学/日本牛顿出版社编; 《科学世界》杂志社译. —北京：科学出版社，
2023.4
ISBN 978-7-03-074772-3
I . ①图… Ⅱ. ①日… ②科… Ⅲ. ①中学化学课－教学参考资料 Ⅳ.①G634.83
中国国家版本馆 CIP 数据核字（2023）第 022589 号
责任编辑：王亚萍 / 责任校对：张小霞
责任印制：李 晴 / 封面设计：楠竹文化
出版
北京东黄城根北街16号
邮政编码：100717
http://www.sciencep.com
北京盛通印刷股份有限公司 印刷
科学出版社发行 各地新华书店经销
*
2023 年 4 月第 一 版 开本：889×1194 1/16
2023 年 4 月第一次印刷 印张：11
字数：280 000
定价：88.00元
（如有印装质量问题，我社负责调换）辅助理解课堂中学到的化学知识
图解
中学化学
化学是身边的科学
序言 4
专访 樱井弘博士
10
1
“看的教科书”化学
绪论①～②
18
PART 1 厨房中的化学 PART 2 家电产品中的化学
阿伏伽德罗常数 稀有金属
24 44
渗透压 锂与电池
26 46
酸与碱 氧化与还原
28 48
中和与盐 玻璃
30 50
有机化合物 液晶
32 52
官能团 卤素
34 54
同分异构体 汽化热
36 56
苯环
38
油脂
40
PART 3 生活中的化学 资料篇
超临界流体 元素周期表
60 74
燃料电池 无机化合物的反应
62 76
催化剂 有机化合物的反应
64 78
塑料 在学校里要学习的化学
66 80
生物降解塑料
68
焰色反应
70
同素异形体
722
想了解更多！
中学化学
PART 1 原子的结构与元素周期表 PART 2 了解元素的性质
物质的探索 碱金属
86 104
现在的元素周期表 碳与硅
88 106
元素周期表与电子排布 稀有气体与氢
90 108
过渡元素 金属的性质与焰色反应
92 110
原子量与同位素 稀土元素（稀土类）
94 112
原子的半径 构成人体的元素
96 114
离子定律 宇宙的元素丰度
98 116
形成离子的难易程度
100
PART 3 物质是怎样结合在一起的？ PART 4 学习化学反应
原子之间的结合 什么是化学反应
120 136
分子之间的结合①～② 什么是溶于水
122 138
物质的状态变化①～② 酸、碱与中和
126 140
气体的状态方程式 中和与盐的性质
130 142
固体的结构 氧化与还原
132 144
火焰与燃烧
146
PART 5 生成碳的有机化学 离子与电池
148
无机化学与有机化学
152
用元素周期表观察碳的“优势”
154
有机化合物的“骨架”
156
官能团的机制
158
同分异构体
160
自然界中的有机化合物
162
细胞的“零件”
164
人造有机物
166
石油化学
168
药物学与有机化合物
170
有机化学的未来
172序言
化学是身边的科学
智能手机、纸张、铅笔等物品都是化学的结晶！
也许有人会认为，化学是在某个遥远的实验室里进行研究的复杂学
问。这是不太正确的。智能手机自不必说，纸张和铅笔等，还有生活在
这个世界上的我们自己，其实都是化学的结晶，化学是我们身边的科学。
让我们回顾一下日常生活，重新寻找身边那些不经意间容易被忽视的化
学吧！
樱井弘
执笔
日本京都药科大学名誉教授
生活 在 21 世纪，并且还 能手机设置为“静音振动模式”， 如果我们打开智能手机的外
处在学生时期的读者 接到朋友的电话或邮件后，智能手 壳，就会看到非常复杂的小零件和
朋友，以及打算重新学习化学的读 机会振动以提醒查看，这是因为安 电路。在这些零件和电路中，除构
者朋友，让我们一起来思考一下身 装在智能手机中的微型马达会振 成框架的塑料、铁和钛之外，还使
边的化学吧！ 动。马达内部的钕磁铁中，添加了 用了钨、镍、钯、钽、锆、镓、锂
想必你每天都在使用智能手 钕和硼等元素，以便让马达能够强 等元素。如果没有这些元素，就不
机。智能手机上最常见的显示文字 烈振动。 会有智能手机，也不会产生其卓越
和图像的屏幕是用液晶制成的。液 的功能。
晶是由碳、氢、氮、氧等构成的有 智能手机中还需要镓和锂 不只是智能手机，就连近些年
机化合物连接而成的大分子。为了 新出现的超薄电视※、电脑、混合
使画面看上去更加美观，液晶中还 虽然只是简单地聊了几句智能 动力汽车等，全都需要这样多种的
添加了多种物质，其中最常用的元 手机的话题，但提到了我们平时不
素是铟。 太熟悉的铟和钕等元素。不过，请 ※ 超薄电视是指采用平板显示，使用液晶屏、等离子显
示屏、有机EL显示屏等的电视机，厚度薄、画面大，
乘坐电车时，我们通常会把智 大家不要因此而感到惊讶。
便于观看。
4列举智能手机所使用的元素
图片是把苹果公司生产的iPhone6手机拆解后的 逻辑板：
结构，图中列举了通常使用的一些元素。
塞满了大规模
主摄像头
集成电路（LSI）
外壳玻璃 耳机扬声器
等电子元件，含
有铜、金、银、
硅、镓、砷、锡、
铅等元素。
钕磁铁：
扬声器、摄像头及振
动器中使用了钕磁
铁。钕磁铁中除铁和
硼之外，还含有钕、
镝等稀土元素。
从10万台iPhone手机中可以
回收的部分金属
铝 1500千克
金 1.1千克
振动器 银 6.3千克
稀土元素 32千克
扬声器 后盖 钨83千克
铜1000千克
液晶显示器：
锡 29千克
内藏触摸屏功能，
电池： 钴 790千克
透明导电膜含有 钢铁 14000千克
锂离子二次电池，
铟、锡、氧等元 含有锂、钴等元素。 用iPhone手机拆解机器人
素，彩色滤光片含 “Daisy”可以回收的量来源于
Apple公司的环境报告（2019
有铕等稀土元素。
年发展报告）
元素。也就是说，精密器械和交通 些元素，人类是无法存活下去的。 冰的水分子整齐排列
工具都离不开如此多的元素。 如果没有铁、锌、锰、铜、硒、 形成了空洞
虽然这里使用了精密器械这个 钼、铬、钴、硅、碘、硼等微量元
词，但实际上，你自己才是一个 素的话，人类就不能生成生存所需 我们要再次强调一下，不止你
活生生的“精密器械”。亲爱的读 的能量，甚至不能利用空气中的氧 本人，就连每天都在使用的身边的
者，你认为自己体内含有多少种元 来呼吸。 物质，全都是由元素构成的。我们
素呢？ 就像很多稀有元素对于发挥智 身边的物质及自然界中的物质大约
人体内含量较多的元素有氧、 能手机的功能不可或缺那样，我 由90种元素构成，每种元素都是具
碳、氢、氮、钙、磷等，其次是 们要想存活下去，也需要很多种的 有相同核电荷数（质子数）的同一
硫、钾、钠、氯、镁等。但仅靠这 元素。 类原子的总称。
5构成智能手机和我们身体的元 例如，早上起床后，我们会刷 子中的氢原子“搭桥”连成长链，
素（原子）并不都是各自独立存在 牙漱口，然后吃早餐。牙膏的主要 或形成较大的团簇（分子团）。不
的，有很多是由几种元素（原子） 成分是碳酸钙、磷酸氢钙、氢氧化 过，科学家并不清楚水分子究竟能
结合在一起，以分子的形式存在。 铝等分子，而且添加了清新的香味 聚合成多大的分子团。由此可见，
水、酒精或氨基酸等全都是分子。 剂，或防止蛀牙的氟化钠，或某种 水分子也是一种不可思议的物质。
你能想象我们生活的地球到底 杀菌剂。 我们应该知道冰和石油能浮在
有多少种分子吗？迄今为止发现的 用来漱口的水很常见。众所周 水面上，由于这两种物质的密度都
存在于自然界的分子，以及人类在 知，水是由无数个水分子（H O） 小于水的密度，所以它们才能浮在
2
历史中经过漫长时间创造的分子加 构成的，水分子则是由1个氧原子 水面上，但冰和石油是完全不同的
在一起（到 2020 年为止），大约 （O）和2个氢原子（H）构成的。 两种物质。
有2亿多种，而且这个数字每天都 水分子按照“H—O—H”的顺序结 水在常温下可以流动，水分子
在增长。我们每天都生活在无数元 合在一起。这个“H—O—H”并不 可以自由移动，但当温度降到零度
素和分子的组合中，也就是说，身 是直线，而是以104.5度的角度结 以下后，水分子就会有规则地整齐
边的物质和现象全都是化学研究的 合在一起。 排列，变成晶体（冰）。水和冰都
对象。 研究发现，水分子之间以水分 由相同的水分子构成，但由于分子
水分子的形态 形成水蒸气、水和冰的水分子
水蒸气（气态的水） 水（液态的水）
氢原子
水分子是由2个
氢原子和1个氧原子，
氢键结合
以104.5度的角度结
合而成的分子。水分
氧原子
子的氢原子带正电，
氧原子带负电。在 冰（固态的水） 水蒸气是每个水分子处
水和冰中，水分子因 于分散的状态。水是水分子
正电荷与负电荷的引 通过氢键不规则地结合而成
力而相互结合在一起 的。冰是水分子通过氢键有
（氢键）。 规则地整齐排列结合而成
的。与水相比，冰有许多空
氢原子 洞，因此，冰的密度较小。
氢键结合
6的排列方式不同，结果就变成性质 炼出来的。亲爱的读者朋友，你 1 年平均有 1 吨的食品
完全不同的物质。 有时也会买塑料瓶装的天然水或 “穿过”我们的身体
由于冰的水分子之间有许多空 果汁吧？塑料瓶（PET bottle）的
洞，所以冰的密度小于水。相同体 “PET”的正式名称是“聚对苯二甲 我们每天吃的食品是由数量惊
积下，若水的质量为1，冰的质量 酸乙二酯”，英文是“polyethylene 人的原子和分子构成的。概括来
只有0.92，因此，冰能浮在水面上。 terephthalate”，简称“PET”，因此， 说，包括碳水化合物、蛋白质和
石油是由10～15个碳原子连 塑料瓶被称为“PET bottle”。 脂肪（油），它们统称为“三大营
在一起，且每个碳原子都是和氢原 PET 是由大约 160 个对苯二 养素”。
子结合在一起的分子。在相同体积 甲酸乙二酯（一种小分子）以直线 淀粉是碳水化合物之一，包括
下，若水的质量为1，石油的质量 方式连接而成的大分子。除塑料瓶 “直链淀粉”和“支链淀粉”这两
为0.8～0.9，这是石油能浮在水面 外，PET也可用来制作拍照用的底 类物质。直链淀粉由几十个到几千
上的原因所在。请大家顺便思考一 片、磁性胶带及衣服的纤维等，我 个葡萄糖以直线方式连接而成，支
下，如果把冰放入石油中会怎样 们身边实际上有很多这样的产品。 链淀粉则是由数万个葡萄糖以分支
呢？答案见本页下方。 方式连接而成。
塑料瓶的原料是从石油中提 蛋白质是由氨基酸以不同的组
淀粉的结构
直链淀粉
大米和薯类等所含的淀粉颗粒是由 α-葡萄糖
支链淀粉和直链淀粉构成的。这两种淀
粉都是由α-葡萄糖（CH O）连接而
6 12 6
成的。
淀粉的模式图
注： 图中支链淀粉的
分支和直链淀粉
的螺旋形都有所
简化。
α-葡萄糖
支链淀粉
直链淀粉
支链淀粉
（答案）把冰放入石油中，由于冰的密度大于石油，所以，冰会沉到石油下面。
7合“串连”而成的物质。参与蛋白 人体必不可少的。例如，如果人缺
石墨从铅笔芯到纸张，
质合成的常见的氨基酸共有20种， 乏维生素A和维生素B ，分别易患
1 从纸张到橡皮
其中有些含有硫元素。血液中的红 夜盲症和脚气；缺乏铁和锌的话，
色素是一种被称作“血红蛋白”的 就易导致贫血和味觉异常。 吃完早餐后，我们要赶忙去上
大分子蛋白质，在肺部与氧结合在 平均下来，我们每年要吃掉约 学或上班，或许有些读者已经退休
一起，把氧输送到全身各处。脂肪 1吨（1000千克）的食品。假设人 了吧，而作为学生的读者则要在学
由脂肪酸和丙三醇（俗称甘油）这 的平均寿命是84岁，一个人一生中 校里学习很多知识。
两种物质组成，具有很高的能量。 要吃掉84吨的食品。思考一下，这 学习用的书本是用纸做的。据
仅靠这三大营养素，我们还无 些食品全都是以元素或分子的形式 说，公元前2世纪前后，纸诞生于
法保持健康。维生素、矿物质等无 “穿过”我们的身体，而且它们每 中国。东汉时，一位叫蔡伦的人将
机元素虽然在食品中含量较少，但 时每刻都在我们体内进行着化学反 其付诸实际应用（编者注：蔡伦改
不可或缺。另外，膳食纤维等也是 应，这远远超出我们的想象。 进造纸术，使纸变得廉价易得）。
铅笔芯是由碳膜层叠的石墨
和黏土混合而成的
碳原子
石墨：
碳原子构成正六角形
的网眼结构，形成一
铅笔
层膜，多层膜叠在一
起。膜与膜之间靠微
弱的电性作用力（范
德瓦尔斯力）连接在
一起。
纸张是由纤维素构成的
纸张
β-葡萄糖 纤维素
8纸是由“纤维素”构成的。纤维素 销售，很快便传遍了全世界。1774 最近，人们用“塑料消字擦”
是由葡萄糖直线形连接而成的大分 年，普里斯特利因发现空气中的氧 ［（用聚氯乙烯及其固化物（塑化剂）
子，也是一种碳水化合物。 分子而闻名于世。那么，为什么铅 制成］取代了橡皮。你可能正在使
在课堂上，你会把黑板上的文 笔字能用橡皮擦掉呢？ 用这种塑料消字擦。请大家注意，
字抄写到笔记本上，或者在笔记本 铅笔芯是用石墨（仅由碳构 由于这种消字擦不含橡胶，所以不
上解答教科书上的问题。如果一不 成）和黏土，经 1000～2000℃高 能再称作“橡皮”了。这种塑料消
留神写错了，还可以用橡皮轻而易 温烧制而成的。如果我们把铅笔芯 字擦是由日本人发明的。
举地擦掉铅笔写的文字。 按在纸上，石墨就会转移到纸的表 至此，我们介绍了一些身边的
1770年，英国化学家约瑟夫· 面，通过书写可形成文字。这时， 化学。我想，大家已经了解了人类
普里斯特利（Joseph Priestley， 由于铅笔芯较硬，石墨不太会进入 自身及我们的日常生活都是历史和
1733～1804）发现用天然橡胶可 纸的凹凸中，用橡皮擦的话，石墨 化学的“结晶”。大家是不是比以
以擦掉用铅笔写的文字。两年后 就会附在橡皮上，不用撕下纸就能 前更喜欢化学了呢？
的1772年，橡皮在伦敦首次上市 把文字擦掉。
塑料消字擦的主要成分是聚氯乙烯
氯原子
氯乙烯分子
（CHCl）
2 3
柔软的聚氯乙烯结构
聚氯乙烯分子
塑料消字擦
是在聚氯乙烯中
加入塑化剂固化
而成的。
塑化剂
聚氯乙烯分子
9专访 樱井弘 博士
就像在白纸上作画一样
创造物质
“我在中学时代对化学课一点儿都不感兴趣，甚至有些讨厌。”——这样的樱井弘
博士却在大学学习了药学，走上化学研究之路。在他还是一位在职研究人员时，就创
造出作为新药来源的化合物，并出版了好几本有关元素的书籍。如今，樱井弘博士致
力于向从孩子到成人的不同年龄层广泛宣传元素和化学的趣味知识。我们采访了樱井
弘博士，听他介绍有关化学的乐趣。
很荣幸在日本京都大学综合博
物馆采访您。现在，您作为志愿者
每个周六都在这里参加“儿童博物
馆”活动。
樱井：我在给孩子们介绍一种叫作
“元素扑克牌”的纸牌游戏。这原
本是京都一位高中老师的创意，后
来化学同人株式会社将其做成扑克
牌售卖，我作为监督人提供了一些
帮助。
118种元素，每个元素是一张
牌，还有基本粒子的纸牌，是一种
有趣的游戏。孩子们玩得非常入
迷，有的孩子甚至记住了所有的元
素，连我都自叹不如。
孩子的记忆力有时真是惊人
的好。您在小时候是一个怎样的
孩子？
樱井：我是一个非常喜欢画画的少
年，曾用蜡笔和水彩笔画了各种各
样的画，当时曾想将来要成为一名
樱井弘
日本京都药科大学名誉教授，药学博士。1942年出生于日本京都，毕业于京都大学药学部制药 画家。即使现在，我还是很喜欢画
化学科，后又完成京都大学药学研究科博士课程。研究领域为生物无机化学、代谢分析学。著有《为
什么人体需要金属》《元素检测》《118种元素的新知识》《宫泽贤治的元素图鉴》等。
1100画，最近经常在木板上画画。 艳的颜色立刻在整个试管里扩散开
看见“络合物”的那一天，
您是什么时候决定走上化学之路 来，简直就像魔术一样。因为惊讶
我激动地失眠了
的呢？ 和激动，我那天晚上还失眠了，感
樱井：大学期间。上高中的时候， 后来，您进入日本京都大学药学 觉就像在做梦，化学领域居然有
我对上化学课一点儿都不感兴趣， 部，您是一开始就立志成为一名研 如此广阔的世界。这是我和“络合
甚至有些讨厌化学。不过，我喜欢 究学者吗？ 物”的第一次相遇。
立体地描绘淀粉、脂肪等的化学结 樱井：不是，我当时是打算就职上 后来，您作为研究者在近半个
构。在大纸上反复画的过程中，我 班的。 世纪的时间里，一直都在和“络合
被它的构造之美和独特性深深地吸 您为什么走上了化学研究的 物”打交道。什么是络合物呢？
引了。 道路？ 樱井：络合物是金属主要与有机化
高中毕业后，我想进入美术类 樱井：为什么呢？大概是后来开始 合物结合而成的化合物，也称为
的大学或文学部，但听从父亲的建 慢慢地这么想吧。 “配合物”。
议，最后进入了药学部。我记得父 有一件事给我的印象特别深 我们身边的物质，如血液中的
亲曾对我说“今后是化学的时代”。 刻。进入药学部后，第三年实习 红细胞所含的血红蛋白就是络合
时，一位助教让我看他刚刚合成的 物，金属铁离子附着在蛋白质（一
新化合物与金属离子发生反应的实 种有机化合物）上。
验。在这两种物质混合的瞬间，鲜 大家知道“顺铂”这种化合物
“元素扑克牌2.0”的玩法：从玩家中央的“牌库”中翻开一张牌，大家要出相关的牌。如果无牌可出的话，就要再从牌库里摸一张。最先把手中的牌
出光的人获胜。手里还剩一张牌时，需要喊一声“元素”，这是游戏规则。
1111吗？这是一种治疗癌症的药物，是 您从事哪些药物的研究呢？ 樱井：制成络合物本身很简单。但
由氨与铂结合而成的络合物，是在 樱井：我做了不同的研究，含锌和 困难的是，如何作为药物来制成有
我读研究生时由美国人研发的一种 钒的络合物是我在退休前十年左 效的络合物。
药物。 右的时间里所取得的研究成果，其 首先，要设计化合物的形状，
当时，欧洲和美国正在努力 “骨架”是从大蒜中提取的“大蒜 并以此为基础来合成。合成后，还
创建一门新的学科——处理金属 吡喃酮”这种有机化合物。 需要利用细胞或实验动物来检验它
和生物关系的“生物无机化学 据我调查，这种络合物可以促 起什么作用。我在京都药科大学有
（bioinorganic chemistry）”。 我 觉 进能降低血糖的胰岛素的分泌。通 自己的实验室，我的学生和研究生
得生物无机化学才是未来药学必不 过细胞和小鼠实验表明，它能够改 都在按照这种流程做实验。
可少的学问，从而下定决心要从事 善糖尿病和代谢综合征的病情。一 我们要做大量的实验，从中找
生物无机化学的研究。尤其是，我 些制药公司想让我把这种络合物做 出几种有效的化合物，但失败的时
想把络合物变成药。 成药物，但我希望退休后能悠闲 候居多。
现在，络合物成为药物是很常见 地生活，并不打算把它投入实际
从元素故事中，
的吧？ 应用。
学习“活生生的历史”
樱井：不是的，现有99%的药物是 把有机化合物和金属“拉拢”在
有机化合物。可以说，源自络合物 一起制成络合物，是一件很困难的 您在1997年编辑出版的《111
的药物还非常罕见。 事情吗？ 种元素的新知识》是一本向普通读
促进胰岛素的分泌 “锌-大蒜吡喃酮络合物”的结构图
朗格汉斯岛（胰岛）
患糖尿病的小鼠 投喂
胰脏
图片是樱井弘博士创造的“锌-大蒜吡喃酮络合物”及其作用的示意图。研究发现，给患糖尿病的小鼠投喂这种络合物，会对胰脏起作用，促进胰岛
素的分泌。胰岛素是由胰脏的“朗格汉斯岛”分泌的。
1122者介绍元素性质及其发现历史的书
籍。2016 年，元素周期表的第 7
周期之前的所有元素名称都确定下
来，在2017年再版时，您把这本
书改成了《118种元素的新知识》。
樱井：这本书详细介绍了每种元素
的发现及背后的研究故事，在修订
版的开头，还收录了日本发现的元
素“Nihonium”获得正式命名时的
新闻发布会照片，以及多种矿物的
照片。
您是如何看待元素的？
樱井：宇宙的起源、地球的起源、
生命的起源，现在全都是从元素说
点燃钻石的实验，据说是用两个大型透镜聚集太阳光而点燃钻石的。
起。就像常说的“人类是星体的碎
片”那样，人类的存在可以追溯到
星体的起源，生命进入了从元素开
始思考的时代。
构成宇宙的元素、构成人体的
快的地方。 对待化学态度的轶事。
元素、构成我们身边所有物质的元
另外，重要的是，通过了解这 关于锂，也有一段非常有
素等，深入了解和亲身感知万物的
些历史，可以磨炼对科学的思考方 趣的故事。锂的发现者是瑞典
基础“元素”，可能是我喜欢上化
式，而且也能获得自己应该如何生 化学家约翰·阿韦德松（Johan
学的原点。
存的启示。 Arfwedson）。阿韦德松向老师贝
每种元素都有不同的故事，读起
具体来说，都有什么故事呢？ 采里乌斯（Berzelius）报告说，自
来是否让人提起对化学的兴趣？
樱井：有很多故事，但钻石的故事 己发现了一种新的元素。由于新元
樱井：是的。如果调查每种元素的
也许更有趣。 素是在“石头”中首次发现的，因
发现经过和历史背景，就可以了解
钻石是由碳构成的。今天的我 此贝采里乌斯建议，用希腊语中表
发现这种元素当时的社会结构、文
们是知道这一点的，但在几个世纪 示“石头”的“litos”为其命名为
化艺术及社会生活水平、科学技术
前，谁也不知道这些。那么，怎样 lithium（锂）。
的发展程度，以及参与元素发现工
才能验证呢？那就是点燃看一看。 如果是现在的话，在这种情况
作的人们的行为方法等。也就是
法国著名化学家安托万·拉瓦 下，锂的发现者大概会是“阿韦德
说，我认为可以从元素的世界学习
锡就真的点燃了一块钻石。为了验 松和贝采里乌斯”，因为阿韦德松
鲜活的历史。
证钻石是由碳构成的，而烧掉了昂 是在贝采里乌斯的手下做研究。但
鲜活的历史？
贵的钻石，那位化学家该是怎样一 是，贝采里乌斯并没有这样做，他
樱井：是的。我觉得这是最令人愉
种心情？我觉得这是一则考验人们 宣称，是阿韦德松发现的元素，不
1133用把自己的名字加进去。 樱井：就像在一张白纸上画画，或 樱井：炼金术可谓化学的鼻祖。在
听到如此暖心的师生情谊故 者在蓝天下建造一栋房子那样，让 所有元素中，只有一种元素是炼
事，我觉得也应该好好思考一下自 元素与元素、化合物与化合物，或 金术士发现的，你知道是哪种元素
己的生活方式。 者元素与化合物结合到一起，创造 吗？这种元素是磷。伟大的科学家
对孩子们来说，也许元素是他们 出前所未有的新物质，我觉得这就 牛顿也是炼金术士，我们现在使用
了解化学的最佳入口。 是化学的乐趣所在。 的化学器具，很多都源自炼金术士
樱井：通过元素周期表和“元素扑 虽然查阅文献、思考并确定合 制作的器具。
克牌2.0”，也许就能体验到学习化 成方法、反复失败的工作有时会 现代化学也属于炼金术的范畴
学元素的乐趣，可以利用这些道具 觉得很痛苦，但也充满了对未知的 吗？您提到了实验器具，实验也是
和孩子们一起玩。我希望孩子们能 憧憬。合成成功，发表论文，受到 化学的乐趣之一吧。
踏入元素的世界和化学的世界，能 世人的关注、评价时的喜悦和充 樱井：我也很喜欢做实验。例如，
认识到化学的趣味。 实感是任何事情都无法取代的珍贵 开始蒸馏时，我就特别开心。以
体验。 前，我还曾经买玻璃，用燃烧炉烧
创造出前所未有的新物质
听您说要创造前所未有的新物 化后自己做过器具呢。
我想再问一下，您觉得化学的乐 质，我脑海里浮现出了提炼金子的 挺有意思的吧？
趣在哪里呢？ 炼金术和长生不老药。 樱井：如今，所有的化学领域都在
《寻找哲人石的炼金术士》这幅画描绘了炼金术士亨尼格·布兰德（右侧人物，1630～1692）发现磷的场面。虽然布兰德煮沸人的尿液是为了提炼金
子，但他是唯一一位发现了元素的炼金术士。
1144蓬勃发展，我们可以获得大量的信
息。但是，也许还隐藏着人类未知
的化学。想要找到隐藏的秘密，这
种态度不正是化学的乐趣吗？
可以用化学描述我们身边
的事情
听说您还在中小学做讲座，您会
给孩子们讲些什么内容呢？
樱井：英国化学家迈克尔·法拉第
在1860～1861年期间为少年儿童
所做的“圣诞科学讲座”的内容，
后来取名《蜡烛的科学》出版了，
在世界各地广为流传，深受欢迎。
我上大学的时候，也读过这本书，
知道了蜡烛为什么会持续燃烧，让
我很感动。只要一有机会，我就推
荐孩子们去读这本书。
在演讲的最后，法拉第殷切地 樱井弘在日本京都大学博物馆的大厅里接受采访，并展示元素扑克牌。
对孩子们说“在即将到来的你们
的时代，希望大家也能像蜡烛那样
发光发热”。希望大家像蜡烛那样， 退休后，我买了整套图书，开 人体也是由其中一些元素构成的，
有一分热，发一分光，燃烧自己， 始调查和汇总哪里出现过哪种元 有些人会感到惊讶。
照亮世界。这句话太了不起了，是 素。出现的次数非常多，特别有 在一次讲座中，我以文艺和化
我特别珍视的一句话。我想把蜡烛 趣。以这样的视角，再次阅读宫泽 学为主题，还介绍了宫泽贤治与元
替换为化学的力量，希望用化学的 贤治的作品，会有不同的感悟，真 素的相关话题。
力量让世界变得更加光明。 的很开心。 可以从化学的视角介绍各种
2018年6月，您亲自执笔的《宫 以前曾经接触过宫泽贤治的那一 内容。
泽贤治的元素图鉴》正式出版了。 代人说不定想再读一遍呢。 樱井：我们身边的一切，几乎都可
樱井：其实是这样的，我从小就喜 樱井：我现在恰好主要以那一代人 以用化学来形容。很多读者表示，
欢宫泽贤治，认真读过他写的诗集 为对象开设了讲座。 能够理解报纸上或新闻中出现的词
等。上学后，在教科书上看到元素 从“食品是化学的对象吗”之 汇含义及其背后的故事，是一件非
名称后，就觉得“咦，好像在哪里 类的提问开始，引申出有关元素、 常愉快的事情。
听说过”，原来它们在宫泽贤治的 药物历史、日本的香等不同话题。 谢谢您今天和我聊了这么多。
著作中出现过。 当我告诉大家，总共有118种元素，
1155“看的教科书”
1
化学
如果我们把目光转向厨房、家电、街头的话，就
会发现生活中随处可见化学的“身影”。毫不夸
张地说，在所有学问中，化学离我们的生活最近、最
不可缺少。我们在生活中感受到的各种味道、气味、
光线及色彩也都与化学有着密不可分的关系。中学时
代学到的化学精髓，就像空气一样，时刻陪伴在我们
身边。
PART 1 厨房中的化学
22.
PART 2 家电产品中的化学
42.
PART 3 生活中的化学
58.
1617绪论
依靠化学之力绽放绚丽光芒的荧光棒
①
你肯定看到过或亲身经历过这样 嘣一声轻轻一折，就能绽放出绚丽 酸二苯酯与过氧化氢——就会混合
的感人场景吧：在演唱会的现 光芒。这种化学之光是体现“化学 到一起（右页图）。草酸二苯酯在
场，全场观众挥舞着荧光棒，合着 就在我们身边”的一个绝佳例子。 过氧化氢的作用下不断分解，最后
音乐节拍，为喜爱的歌手加油。小 荧光棒弯折之后，里面的容器 生成名字很长的分子——1，2-二
小荧光棒里根本没有电池，只需嘎 会裂开，容器里的两种溶液——草 氧杂环丁烷二酮。
发光机制与萤火虫相似
如照片所示，荧光棒能散发出各种颜色的光。尽管荧光棒的颜色因
里面所含的发光物质而异，但它们的发光机制是相同的（右页图）。以
化学反应所产生的能量为基础而释放出光的现象称为“化学发光”。萤
火虫的发光（右页右下图）也是化学发光的例子。
18这个名字很长的分子正是荧光 学式为C O ，相当于“强迫”两 吸收的能量。这就是荧光棒弯折后
2 4
棒绽放美丽光辉的关键所在。不 个二氧化碳（CO ）分子结合在一 几秒钟开始发光这一过程中发生的
2
过，这个分子本身并不发光，但它 起，因此它处于极不稳定的状态， “美丽故事”。
里面蕴含的能量可以让溶液中的其 很快就会分解为两个二氧化碳分
他发光物质发光。 子，并释放出能量。
于是，溶液中的发光物质就自
能量“接力赛”的最后， 然而然地吸收了这一能量，但是把
绽放出绚丽光芒 自身推向了一个不稳定的状态。结
果，发光物质在重新回到稳定状态
1，2-二氧杂环丁烷二酮的化 时，会以光的形式释放出之前所
1， 2-二氧杂环丁烷二酮
草酸二苯酯 过氧化氢
+ +
苯酚
（2个分子）
1，2-二氧杂环丁烷二酮 二氧化碳（2个分子）
+ 发 + 发
光 光
物 物
质 质
接收能量后发光
（化学发光）
萤火虫
萤火虫的发光也属于化学发光
萤火虫携带一种名为“荧光素酶”的酶（一
种促进化学反应的蛋白质）。在荧光素酶的作用
下，荧光素（一种发光物质）通过接受ATP（腺
苷三磷酸）分子所携带的能量而发光。
19绪论
化学就在我们的生活中，简直魔力无穷！
②
让我们想象一下，如果生活在 表、重要的化学反应等在中学时代 虽然试图“点石为金”的炼金
好几个世纪前的人看到轻轻 会学到的化学精髓。 术本身并没有成功，但它通过实验
一折就开始绽放出绚丽光芒的荧 孕育了古人的探索精神。因此，历
光棒，他们肯定会感到震惊，不知 化学起源于炼金术 经无数次的实验和纠错后，炼金术
道这是怎么一回事。随着化学的进 最终发展成了以阐明各种物质成分
步，世界上出现了很多古人无法想 化学的英文是“Chemistry”， 与性质为主要目的的化学。
象的非常便利的事物，生活在现代 源自Alchemy（炼金术）一词。
社会的我们，身边梦幻般地充满了 在中世纪之前，炼金术的主要目
大量便利产品。 的是把常见金属转变为黄金等贵
[关于本文中的分子模型]
本部分将着眼于厨房（PART 重金属。发现了万有引力的艾萨
分子模型主要参考以下数据绘制。不过，为了
1）、家电产品（PART 2）及城市 克·牛顿（1642～1727），以及元 让分子结构简单易懂，因此某些分子中原子的
结合角度（键角）和实际存在一定的差别。
和环境（PART 3），详细介绍隐藏 素“磷”(P）的发现者亨尼格·布
• PubChem（https://pubchem.ncbi.nlm.nih.
在我们身边的化学机制。在本部分 兰德（1630～1692）都因热衷于
gov/）
的最后，我们还汇总了元素周期 研究炼金术而广为人知。 • PDB（https://www.rcsb.org/）
厨房中的化学
PART 1
烤鱼之前，为什么先在鱼身
上撒点盐？黄油与橄榄油都是脂
肪，但为什么黄油通常是固体，
橄榄油是液体？
厨房里的瓶瓶罐罐及烹饪所
用的各种食材中，蕴藏着许多化
学的奥秘与乐趣。PART 1将介
绍中学与大学化学要学习的“酸
与碱”“中和”“有机物”等内容。
→ 第22页
20家电产品中的化学
PART 2
智能手机使用了什么化学元
素？冰箱与空调的工作机制是
什么？
以智能手机为代表的家电产
品充分利用了不同元素与物质
的化学性质。PART 2将着眼于
“稀有金属”“锂”“液晶”“卤素”
等，与你一起了解支撑家电产品
的化学机制。
→ 第42页
生活中的化学
PART 3
脱咖啡因咖啡是怎样制成的？
如何有效解决塑料垃圾问题？
琳琅满目的商品、新闻报道
中的环境问题，也都与化学密切
相关。PART 3 将介绍给我们生
活带来巨大变化的非常有趣的化
学成果。
→ 第58页
211
“看的教科书”化学
PART 1
厨房中的化学
厨房是一个化学宝库，柠檬的酸味、奶酪的芳香、
咖啡的香气……为我们带来丰富多彩的味道与
芳香的“背后功臣”正是各种化学物质。形形色色的
美食小窍门指导我们如何做出一顿色香味俱佳的美食。
大家或许想不到，在这些小窍门中，很多是可以用化
学原理来解释的。PART 1 将通过厨房中常见的食品
与现象，剖析化学的重要机制。
24. 阿伏伽德罗常数
26. 渗透压
28. 酸与碱
30. 中和与盐
32. 有机化合物
34. 官能团
36. 同分异构体
38. 苯环
40. 油脂
2223数量庞大的分子在厨房
阿伏伽德罗
常数 里“相遇”又“离别”
吃咖喱饭用的勺子大概能装下15毫升的水，
换算为重量的话，大约是15克。可是大家
知道吗，这么少的一点儿水竟然聚集了大概5000
万亿亿个水分子（H O）。
“1 摩尔”到底是多少？
2
在化学的世界里，科学家通常以超过5000万亿
图片描绘了1摩尔，也就是6.02×1023个
分子或原子聚集在一起的大概质量与体积。
亿的数，也就是大约602000000000000000000000
（大约6020万亿亿）为基准来考虑分子量，并
将其称为“阿伏伽德罗常数”，也可以写成大约
6.02×1023。1023是23个10的乘积。阿伏伽德
罗常数※是以12克碳（C）所含的碳原子数为基
础的。
阿伏伽德罗常数是一个极其巨大的数。例如，
假设把6.02×1023元的钱，平均分给全世界70亿
人，每个人能分到86万亿元。我们在厨房中做饭
时，各种物质会发生化学反应。这时，阿伏伽德 大约27克铝（Al）
铝箔几乎是铝的单质。一块4米长的家
罗常数级别的数量惊人的分子与原子在不断结合
用铝箔（厚约0.01毫米，宽25厘米）大约
或分离。
是27克。
摩尔——集中计数的方便方法 铝的晶体结构
想象一下，如果每次都不得不写6.02×1023，
会是一件多么麻烦的事情。因此，科学家规定，
在化学世界里用1摩尔（mol）表示6.02×1023。
就像人们常说的一打铅笔是指12支铅笔那样，
6.02×1023个分子或原子那样多的粒子被称为“1
摩尔”。在化学反应中，除分子种类之外，分子的
个数也非常重要。因此，不用克或升，而是以摩
碳（石墨）的晶体结构
尔为基本单位来表示分子的量，这样更便于理解 大约12克木炭
化学反应。 木炭是碳中混有微量杂
质的物质。木炭中，一部分
碳形成与石墨（铅笔芯的成
分）相同的晶体结构。
※ 2019年5月20日修订的国际单位制，把阿伏伽德罗常数定义为
“6.02214076×1023”。
24大约18克水（H O）
2
烹饪用的1大勺水加上3/5
小勺水大约是18克。
盐的晶体结构
大约58.5克盐（NaCl）
58.5克的盐相当于50杯味噌汤
的含盐量。
水的分子结构
大约22.4升气体
甲烷的
图片描绘的气体是煤气的主要成分——
分子结构
甲烷（CH）。1摩尔的气体分子在0℃、1
4
个大气压下大约是22.4升，与直径约35厘
米的球的体积相同。
注： 这里是指理想气体。实际上，也有1摩
尔气体的体积偏离22.4升的气体分子。
25鱼身上撒盐
渗透压
不单是为了调味
烤鱼时，首先要在生鱼上撒一 膜，但水（H O）能穿过细胞膜。 一般来说，如果含盐浓度不同
2
些盐。尽管撒盐可以让鱼带 这种性质的膜被称作“半透膜”（右 的水之间有半透膜（这个例子中是
一些咸味，但撒盐的目的并不仅局 页上图）。 指细胞膜），水会向含盐浓度高的
限于此。 虽然水分子能够穿过半透膜， 一侧移动，这就是在生鱼上撒盐，
但如果水中溶有大量盐的话，水分 表面会有水渗出的机制。鱼身则因
鱼腥味随着水一起渗出来 子就会难以移动，所以，穿过半透 渗出水而收缩，而且，鱼腥味也会
膜的水分子会逐渐减少。因此，不 随着水一同渗出。
在鱼身上撒盐后，鱼身表面会 仅盐无法从盐水移动到鱼细胞中， 这种通过半透膜而使水移动的
形成浓盐水层。这个盐水层与鱼的 连水分子也很难移动。与此相反， 压力称作“渗透压”。不只盐水，
细胞相接触。虽然食盐（氯化钠， 水分子却不断地从鱼的细胞中转移 溶有大分子的液体（如糖水）中也
NaCl）不能穿过包裹细胞的细胞 到盐水中。 会产生渗透压。
钠离子
盐水 半透膜 氯离子
鱼身上撒盐，会出现什么结果？
烤鱼前，通常会在鱼身上撒一些盐。这时，鱼会
因渗透压而渗出一些水，图片描绘了这一情景。
鱼身
盐水与鱼身相接触
浓盐水与鱼身隔着一层半透膜。
26如果存在大量离子的话，
变成大结构的
水分子会变得难以移动
氯离子
右图描绘了盐水（上）与鱼 变成大结构
的细胞（下）中间隔着一层半透 的钠离子
膜的情景。盐（氯化钠）在水中
溶解后，会分解为钠离子（Na＋）
与氯离子（Cl－），并且分别会被
水分子“缠绕”上，变成一个大
结构。变为大结构的钠离子与氯
水分子变得
离子是无法穿过半透膜的。
难以移动
而且，在大量存在这种离子
的地方，水分子会很难移动。因
大结构不能
此，水分子也很难从盐水向细胞
穿过“小洞”
内移动。与此相反，水分子则会
不断地从细胞内转移到盐水中。
就这样，从鱼的细胞中会渗出水。
细胞膜
半透膜
的结构
水分子
水的移动
鱼身渗出水
从鱼身向外渗出水，因此，鱼身收缩。
去除水和腥味后，鱼身收缩
鱼身上撒盐后，鱼腥味（三甲胺等）会随着水一同渗
出。如果想进一步去除鱼腥味，则可以在用盐腌过的鱼开
始烤之前仔细擦干水。此外，鱼身向外渗水也有让鱼身收
缩的效果。
27呈酸性还是碱性， 食物中的酸与碱
柠檬是显示酸性的食物代表，小苏打（碳酸氢钠）
酸与碱
取决于离子 则是显示碱性的食物代表。绝大多数的食材都显示酸性。
味道酸的食物中含有“酸”。例如，柠檬中含
有柠檬酸[C(OH)(CH COOH) COOH]。柠
2 2
檬酸分子在水中可分离出氢离子（H＋）。当舌头
的感受器“捕获”氢离子后，我们就会感觉到酸
味。就像这种酸味一样，酸的水溶液所具有的性
质称作“酸性”※。
与酸相对应的则是“碱”。碱溶解到水中后，
会生成氢氧根离子（OH-）。碱的水溶液所具有的
性质称作“碱性”。
实际上，几乎不存在碱性食材，绝大多数食
材都是酸性的。蛋白与小苏打是为数不多的碱性
食材。不过，这里所说的碱性与营养学所说的
“碱性食品”不同（右页上方文字框）。
表示酸碱性强弱程度的 pH
酸性与碱性的强弱程度用“pH”表示。pH
与水溶液中的氢离子浓度相对应。例如，在1升
水溶液中，氢离子的浓度为10-2（=0.01）摩尔
时，从10的指数去除掉“-”后的数值为pH。在
上述例子中，表示为“pH2”。
pH值通常介于0到14之间，从7起，越接
近0则酸性越强，越接近14则碱性越强。既不
呈酸性也不呈碱性的状态称为“中性”，pH为7。
柠檬的pH大约是2，由此可见，柠檬是酸性的。
食材几乎都是酸性的
pH值通常介于0至14，右图为常见物品的pH。
以醋与柠檬等酸性食材为首，肉与鱼等也是酸性的
（pH5～7）。虽然几乎所有的食材都是酸性的，但蛋白
※ 这里是“阿伦尼乌斯提出的酸碱定义”。此外，也有“布朗斯特提出的酸碱 与小苏打是为数不多的弱碱性食材。
定义”（参见第140页）。
28酸会产生氢离子 什么是“碱性食品”？
柠檬中所含的柠檬酸可分离氢离子，这是酸 在营养学中，根据食品中所含矿物质（无机物）的种
性的“根源”。柠檬的pH为2，是食材中酸性最 类，可把食品分为“酸性食品”与“碱性食品”。到底是
强的食物之一。 酸性食品还是碱性食品，其判断依据是食品燃烧后生成的
灰烬的水溶液呈酸性还是碱性，并不是指食品本身是酸性
的还是碱性的，这一点务必要注意。
根据这一标准分类，谷物、肉类、鱼类、蛋类属于酸
性食品，蔬菜、海藻、水果、大豆、薯类则属于碱性食
品。也就是说，柠檬也属于碱性食品。
小苏打溶于水后，呈碱性
柠檬酸
小苏打（碳酸氢钠，NaHCO）可用来去除涩味或除臭。
3
发酵粉中也含有小苏打。小苏打是一种碱，溶于水后，会生
成氢氧根离子，呈弱碱性。
溶于水 氢离子
小苏打
（碳酸氢钠）
溶于水
柠檬酸中，从“羧基”（—COOH）
中分离出氢离子。
碳酸氢根离子
水 钠离子
水
除了柠檬酸，食物中所含的酸还包括酸奶
中的乳酸[CH
3
CH(OH)COOH)]、醋中的
碳酸
醋酸（CH
3
COOH）等。
二氧化碳
以溶于水的碳酸根离
氢氧根离子
子(CO2—)的形式存在。
3
柠檬 蜜柑 牛奶 血液 泪水
肥皂
醋
苹果 咖啡
小苏打
胃液
酱油 西瓜
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
(pH)
29利用中和反应，
中和与盐
试着制作汽水吧
酸酸的葡萄柚是很多人喜爱的 所有的中和反应都会生成水 小苏打与食用柠檬酸会发生中和反
水果。柠檬酸 [C(OH)(CH （H O）。这是因为来自酸的氢离 应，在生成水的同时，也生成了二
2 2
COOH) COOH] 则 是 葡 萄 柚 带 子（H＋）与来自碱的氢氧根离子 氧化碳气体，所以就形成了美味的
2
酸味的原因所在。虽然撒上糖后 （OH－）结合在一起，形成了水分 汽水。
葡萄柚更加酸甜可口，但也可 子的缘故。 不过，在这个反应中也生成
以撒上食用小苏打（碳酸氢钠， 了柠檬酸钠[Na (C H O(COO) )]，
3 3 5 3
NaHCO ）吃。 亲手制作汽水，实际体验 味道可不是太好，所以可加入柠
3
小苏打是弱碱性的碱，与柠檬 中和反应！ 檬等带酸味的食物，味道会好喝一
酸发生反应后，碱性与酸性相互抵 些。像柠檬酸钠这种来自酸的阴离
消，酸味会变得更加柔和。这种酸 在柠檬酸与小苏打的中和反应 子与来自碱的阳离子结合到一起所
和碱作用生成盐和水的反应称为 中，除了水，实际上还生成了二 形成的物质称为“盐”。
“中和”。 氧化碳（CO ）。在水中加入食用
2
酸性与碱性相互抵消的“中和反应”
小苏打（碳酸氢钠） 碳酸氢根离子
图片为中和反应的例子。本页是用小苏打缓解葡萄柚
酸度的反应。右页描绘了在水中加入柠檬酸和小苏打制作
汽水的情景。柠檬酸与小苏打中和时，来自小苏打的碳酸
根离子生成了二氧化碳。
柠檬酸
氢离子 氢氧根离子 水
通过中和反应来缓和酸度
在含有大量柠檬酸等的酸性食品中撒上一些
小苏打等碱的话，可以去除产生酸性的原因——
氢离子，从而缓解酸度。这时，氢离子与氢氧根
离子结合在一起，可以形成水。
30利用中和反应来制作汽水
在500毫升的水中，加入1小勺食用柠檬酸与1小勺食用小苏打
（注意：不是清洁用的柠檬酸与小苏打）。如果水温高的话，很快就会
冒出二氧化碳气体并进入空气中，所以，告诉你一个小窍门：一定要
用冷水。为了“封住”二氧化碳，也可以在塑料瓶中把柠檬酸与小苏
打溶在水里。不过，用来装茶饮料的塑料瓶可能会裂开，所以，一定
要使用装碳酸饮料的塑料瓶。为了制作更好喝的汽水，也可以加入砂
糖或果汁。
小苏打
柠檬酸 （碳酸氢钠）
二氧化碳
（汽水的气泡）
氢离子 氢氧根离子 水
31碳的“四只手”
我们身边的有机物
孕育了种类繁多 照片中拍摄的物体有食品、塑料制品等，它们全
有机化合物
都是以碳原子为“骨架”的有机物。碳原子拥有能够
与其他原子结合到一起的“四只手”，从而孕育了种
的有机物
类繁多的有机物。
右边的照片中有不同的物体。它们的共同点是
什么呢？答案是它们全都是“有机物”。食
品及其气味成分、塑料、纸张、木制桌子等，都
是有机物。有机物这个词本来是指“来自生物的
物品”，但现在也可以通过工业制造。
有机物是各种有机化合物的集合体。有机化
合物是指以碳原子（C）为骨架，上面结合有氢
（H）或氧（O）的分子。有时也会结合上氮（N）、
硫（S）与磷（P）等原子。据说有机化合物的种
类高达7000万种，但使用的元素几乎都是刚才提
及的C、H、O、N、S、P元素。区区几种元素竟
然孕育出种类如此繁多的有机化合物。
利用“四只手”形成多种多样的分子 果糖
苹果及香蕉等水果
中含有果糖。由4个碳
碳原子是有机化合物种类繁多的关键所在。
原子与1个氧原子构成
碳原子拥有4只能够与其他原子结合在一起的 五边形，这些碳原子继
“手”。例如，每只“手”上结合1个氢原子的话， 而又与其他碳原子及氧
原子结合到一起。
则能形成有机化合物中最简单的分子——甲烷
（CH ）。除了碳，硅（Si）、铅（Pb）等元素的原
4
子也拥有“四只手”，但碳原子的“四只手”与其
他原子结合的能力远远超过了上述原子，所以，
可以形成非常稳定的分子。 “手”
碳原子不断结合在一起，可以形成许多类似
长链的有机化合物。此外，也有一些有机化合物
是由4个、5个或6个碳原子环形结合在一起而
形成的。除了食品，纤维、药品、洗涤剂等也是
由这样的有机化合物形成的，它们在我们的日常
生活中应用也很广泛。
如何使用“四只手”？
碳原子的“四只手”可以自由而灵活地使用，它
们不仅能与氢、氧及氮等结合在一起，而且碳原子之
间也可以相互结合在一起。此外，还可以用“两只手”
或“三只手”手拉手地结合在一起，这称为“双键”或
“三键”。
32聚丙烯
制作塑料饭盒的材料，由丙烯（CH=CH-CH）像长链
2 3
一样连接而成。丙烯分子中的双键转化为2个单键结合在一起
（详见第66页）。
纤维素
纸张或木材中含有植
物细胞壁的成分——纤维
素。纤维素是由大量葡萄
糖连接而成的。
33变更分子的“部件”，
官能团
其性质会急剧改变
好闻的香气、难闻的臭味……绝大多数散发气
如果碳原子的数量或官能团发生变化
味的物质都是有机化合物。飘散在空气中的
的话……
微小有机化合物就是气味的根源所在。
图片以戊烯醛为例，展现了当碳原子的数量或官能团
气味是有机化合物所具有的性质之一。粗略 发生变化时，气味是如何随之改变的。我们对气味的感受
地说，以气味为代表的有机化合物的性质取决于 因人而异，这里所展现的只是一个例子。尽管图片中描绘
了散发出与不同分子相似气味的食品，但实际在食品中所
该化合物的分子中“碳的数量”与“官能团”的
含的气味成分是多种多样的。
种类。官能团是指构成有机化合物分子的部件，
意思是“提供功能的部分”，也称为“取代基”。
具有相同官能团的有机化合物则拥有共同的特征
（本页右下方表格）。
下面，我们以气味分子为例，一起了解一下
碳的数量与官能团。
改变碳的数量或官能团的话，芳香也会
【醛基】
变化！
戊烯醛（C H —CHO）分子（右图）拥有把
4 7
碳原子、氧原子和氢原子聚集在一起的官能团——
醛基（—CHO）。戊烯醛散发出类似苹果的芳香。
戊烯醛
即使有机化合物拥有与戊烯醛相同的醛基， 散发出类似苹果的芳香
但如果改变碳的数量的话，其气味也会随之变化。
戊烯醛有5个碳原子，如果增加到8个的话，则
会变成名为“辛烯醛”的有机化合物，散发出类
似核桃的坚果类芳香。
另外，就算有机分子像戊烯醛那样，同样有5
个碳原子，但如果官能团改变的话，其气味也会
官能团 结构 特征
随之改变。例如，戊烯酸的官能团不是“醛基”，
羟基 醇类分子所拥有的官能团，易
而是“羧基”，因此散发出类似奶酪的芳香。像这 -O-H
【—OH】 溶于水。例如，乙醇、甲醇。
样，通过改变碳原子的数量或官能团，可以改变
有机化合物的性质。 醛基 具有还原（详见第48页）其
【—CHO】 他物质的性质。例如，乙醛。
-
-C=O
羧基 生成有机酸。例如，醋酸、柠
【—COOH】 檬酸、乳酸。
硝基 分子中有多个硝基的话，容易
【—NO】 发生爆炸。例如，硝化甘油。
2
O
-S-O-H
O
-C-N
-O-
- -C=O
=
=
--
-N-C-
H O
- =
-O-H
-H
-C=O
-
-C=O
-O-H
-C=O
-O
-N=O
-H -N- H
O
-S-O-H
O
-C-N
-O-
-O-
-C=O
- -C=O
=
=
--
-N-C-
H O
- =
-O-H
-H
-C=O
-
-C=O
-O-H
-C=O
-O
-N=O
-H -N- H
O
-S-O-H
O
-C-N
-O-
-O-
-C=O
- -C=O
=
=
--
-N-C-
H O
- =
-O-H
-H
-C=O
-
-C=O
-O-H
-C=O
-O
-N=O
-H
-N- H
O
-S-O-H
O
-C-N
-O-
-O-
-C=O
- -C=O
=
=
--
-N-C-
H O
- =
代表性的官能团
拥有相同官能团的有机化合物具有共同的特征。
-H -C=O
-O-H
-C=O
-O
-N=O
-H
34
-N-
H
-O-
-C=O气味因“碳原子的数量”而改变
戊烯醛有5个碳原子，如果增加到8个就会变成
壬烯醛
辛烯醛。在辛烯醛中，双键位置不同的同分异构体（详
散发“老人臭”的根源物质
见下页）中，有些散发出类似核桃等坚果类的芳香。壬
烯醛有9个碳原子，是散发“老人臭”的根源分子。
辛烯醛
散发类似核桃等坚果类的芳香
【醛基】
【醛基】
【羧基】
戊烯酸
散发类似奶酪的芳香
气味因官能团而变化
戊烯醛的官能团是醛基（—CHO）。如果把戊烯醛的官能团改为羧基
（—COOH）的话，则会形成一种名叫“戊烯酸”的有机化合物。在戊烯酸
没有官能团与双键
中，双键位置不同的同分异构体中，有的散发出类似奶酪的芳香。
与戊烯醛一样，同样拥有5个碳原子，既没有官能团也没有双键的话，
则会形成戊烷，散发出类似煤油的气味。戊烷中带有巯基（—SH）官能团
的话，则会形成戊硫醇，散发出类似大蒜的气味。
戊烷 【巯基】
散发类似煤油的气味
戊硫醇
散发出类似大蒜的气味
35虽然化学式相同，
同分异构体
但性质因分子的连接方式而异
众所周知，大米和土豆中都含 葡萄糖，它是全身能量的来源。 葡萄糖和果糖的化学式完全相
有淀粉。淀粉是由带甜味的 另外，蜂蜜及水果中含有果糖 同，都是C H O 。虽然它们的原
6 12 6
葡萄糖（C H O ）分子连成长链 （C H O ），也能带来甜味。不过， 子种类与数目都相同，但连接方式
6 12 6 6 12 6
聚合而成的。我们的血液中也含有 果糖并不能形成淀粉。 不同，所以两者的性质不同。具
只是连接方式不同
图片描绘了几个同分异构体的例子。每组的化学式都相
同，但分子结构不同。
“镜子里的分子”没有鲜味
赋予海带鲜味的L-谷氨酸（下图左）与D—谷氨酸（下图右）的结构就像镜子照
出的两个面对面的影像（对映体）。虽然它们的形状一模一样，但无论怎样移动，它们
都不可能重叠在一起。D—谷氨酸不是天然形成的，且没有鲜味。
D-谷氨酸
CHNO
5 9 4 没有鲜味
L-谷氨酸
海带的鲜味成分
36有这种关系的化合物互为“同分异 酸是这种有机化合物的同分异构 反式茉莉酮（trans-jasmon）是茉
构体”。 体。L-谷氨酸与D-谷氨酸就像镜 莉酮的同分异构体。茉莉花中的茉
子照出的两个面对面的影像，这种 莉酮全部是顺式茉莉酮。反式茉莉
尽管外表一模一样，却是 同分异构体称为“对映体”(或对 酮则散发出类似蘑菇的味道。
完全不同的东西 映异构体）。但是，D-谷氨酸一点
儿鲜味都没有。
海 带 中 所 含 的 L- 谷 氨 酸 茉莉酮（C H O）是一种有
11 16
（C H NO ）可谓赋予食物鲜味的 机化合物，赋予了茉莉花甜美的芳
5 9 4
有机化合物的典型代表。D-谷氨 香。顺式茉莉酮（cis-jasmon）与
葡萄糖与果糖
图片描绘了葡萄糖与果糖的结构。
虽然两者的化学式都是CH O，但
6 12 6
分子结构不同。琼脂中所含的半乳糖
与魔芋中所含的甘露糖的化学式也是
CH O。
6 12 6
葡萄糖 CH O 果糖
6 12 6
存在于淀粉等中 存在于蜂蜜等中
茉莉花与蘑菇的芳香
茉莉酮的分子结构中有双键。单
键可以旋转，但双键通常不能旋转。
因此，因双键的连接方式不同而生成
了同分异构体。位于双键两侧的碳在
同一侧连着取代基的称为“顺式”，两
侧分别连着取代基的则称为“反式”。
顺式茉莉酮 C H O 反式茉莉酮
11 16
茉莉花的甜美芳香 类似蘑菇的味道
牛至与百里香的芳香
西餐常用的调料牛至与百里香的
芳香分别源自有机化合物香芹酚与百
【羟基】
里酚。香芹酚与百里酚是同分异构体。
由于羟基（—OH）的连接位置不同，
所以它们的芳香也不同。
【羟基】
香芹酚 百里酚
C H O
牛至的芳香 10 14 百里香的芳香
37碳的六边形—— 苯和它的“伙伴”
本页图片为具有苯环的苯与苯酚，右页图片为苯
苯环
带来苦味与香味 酚的“伙伴”。
木材碎屑不完全燃烧时会产生烟。用烟加工食
品的方法称为“熏制”。经过熏制的食品带 苯
有一种独特的芳香。熏制的香气来自烟中的苯酚
类有机化合物。
苯酚类是指苯酚（C H OH）及具有与苯酚相
6 5
同结构的有机化合物。苯酚是在苯环（由6个碳
原子组成的环）上连接1个羟基（—OH）。
此外，葡萄酒、咖啡、茶等中含有多酚。多
酚是指苯酚类中，苯环上连着2个以上羟基的
化合物。植物产生的色素或苦味分子中大多含有
多酚。
苯环的通常画法是碳原子以单键与双键连在一起，
但实际上苯环上碳原子之间形成的是一种介于单双键
具有“碳的六边形”的分子非常活跃
之间的特殊的化学键，它们都是同等的。苯环结构的
简略画法如下。
以苯酚类为首的、分子中含有苯环的有机化
合物称为“芳香族化合物”。由于小尺寸的芳香族
化合物散发出独具魅力的芳香气味，所以被命名
为芳香族化合物。芳香族化合物不仅散发着芳香，
而且作为生产药品、染料、纤维等的原料，在许
多领域都有广泛应用。
由于碳原子之间“势均力敌”地相互结合在
一起，所以苯环非常稳定。尽管苯环的分子结构
很难改变，但科学家通过孜孜不倦的努力，成功
攻克了这一难题，从而制造出不同的有机化合物。
苯酚
【羟基】
38【羟基】
咖啡
【羟基】
绿原酸
（多酚的一种）
咖啡中所含的多酚
苯环上有两个以上羟基的化合物称为“多酚
（polyphenol）”。“poly”是“多”的意思。咖啡
所含的绿原酸是一种多酚。
熏肉
熏制食品独特芳香的根源
邻甲酚
熏制食品的独特芳香之中有超过 （又称邻甲苯酚，苯酚类的一种）
400种的成分，其中也包含苯酚的“伙
伴”。这些成分是因木材碎屑不完全燃
烧，由构成木材的纤维素、半纤维素及
木质素等所生成的。除了苯酚类，还生
成了各种酸和醇，赋予食品独特的颜色
与芳香。
苯酚
邻甲氧基苯酚
（苯酚类的一种）
木材所含的纤维素
（没有苯环）
39同样都是油脂，
黄油与橄榄油的区别
为什么黄油通常 黄油中含有大量的饱和脂肪酸，橄榄油中含有大量的不
油脂
饱和脂肪酸，图片显示了两者的分子结构。脂肪酸的分子形
状是否弯折，决定了该油脂是否容易凝固（凝固点/熔点）。
是固体，橄榄油
右页圆饼图表示黄油与橄榄油中所含脂肪酸的比例。
却是液体呢？
丙三醇
黄油一般是固体，橄榄油却是液体。虽然两者
在化学分类上都是油脂，但为什么一个是固
体，另一个是液体？
分子是直线形，还是弯折的？
简而言之，油脂是指在丙三醇上结合有3个
脂肪酸的有机化合物（右图）。脂肪酸的骨架由长
碳链构成，其末端结合着羧基（—COOH）。这个
羧基与丙三醇结合在一起。
根据构成脂肪酸的碳原子之间是否存在双
键，脂肪酸可分为两大类：没有双键的脂肪酸称
为“饱和脂肪酸”，有双键的则称为“不饱和脂
肪酸”。
软脂酸与硬脂酸是饱和脂肪酸的代表，它们
没有双键，分子形状是直线形的。因此，油脂分
子可以非常紧密地相互挨在一起。紧挨在一起的
分子之间有很强的分子间力（把分子聚集在一
起），从而赋予了油脂在常温下不易熔化（分子难
以运动）的性质。黄油含有大量这种类型的饱和
脂肪酸 脂肪酸
脂肪酸，因此在常温下是固体。
脂肪酸
油酸与亚油酸则是不饱和脂肪酸的代表，它
们的分子中有双键。分子在双键所在之处弯折，
什么是反式脂肪酸？
所以，油脂分子很难紧密挨在一起，分子间力也
大多数的植物油都是液体。但有时为了使其凝固而方
较弱。因此，油脂分子之间可以比较自由地运动。
便使用，可以在不饱和脂肪酸的双键处添加氢而使双键断
橄榄油中含有大量这种类型的不饱和脂肪酸，所
裂。不过，人为添加的氢有时会脱落，重新恢复为双键。
以在常温下是液体。 油分子原本是顺式，但这时会生成反式的同分异构体，这
就是“反式脂肪酸”。
有报告称，反式脂肪酸有增大心肌梗死发生率的风
险，因此，世界卫生组织（WHO）建议将反式脂肪酸的
摄入量控制在总摄入能量的1%以下。不过，研究认为，
中国、日本等国居民的反式脂肪酸平均摄入量为总摄入能
量的0.3%左右或更低，在日常饮食中对健康的影响较小。
40黄油含的饱和脂肪酸较多
有盐黄油的成分
黄油中的饱和脂肪酸相对较多，因此在常 （每100克）
温下是固体。这种特征的油脂称为“脂肪”。
大多数的动物性油脂都是脂肪。
其他
29.44克
饱和脂肪酸 直线形的“饱和脂肪酸”
50.45克
软脂酸等饱和脂肪酸的碳链中没有
双键，因此，碳链笔直伸展。
不饱和脂肪酸
20.11克
黄油
软脂酸
【羧基】
橄榄油含的不饱和脂肪酸较多
橄榄油中的不饱和脂肪酸较多，因此在常温下是
弯折的不饱和脂肪酸
液体。这种特征的油脂称为“油”。香油和大豆油等大
油酸等不饱和脂肪酸的碳链中有1
多数的植物性油脂都是油。
个以上的双键，因此碳链上有弯折。
橄榄油的成分
（每100克）
其他 饱和脂肪酸
5.43克 13.29克
不饱和脂肪酸
81.28克
橄榄油
油酸
【羧基】
双键
411
“看的教科书”化学
PART 2
家电产品中
的化学
在PART 2，我们将走出厨房，着眼于身边的物
品。如今，智能手机是现代生活必不可少的一
部分，以手机为代表的家电产品中满是化学元素。我
们的生活正因为巧妙地利用了化学才获得可持续发展。
44. 稀有金属
46. 锂与电池
48. 氧化与还原
50. 玻璃
52. 液晶
54. 卤素
56. 汽化热
4243智能手机中
智能手机使用的金属
稀有金属
蕴藏着宝藏 图片为智能手机中的零部件及它们所使用的
一些元素。从常见的碳、铝等元素，到贵重的稀
有金属，智能手机中使用了大量的元素。
电话、电视、相机、钱包、地图、书籍……当
下，这些物品的功能全都被一个小小的智
能手机取而代之了。实际上，智能手机之所以拥
有如此多的功能和强大性能，都是因为稀有金属
（稀有元素）的缘故。稀有金属是因在地壳中存储
量少或难以开采等原因而被认为极度稀缺的金属
元素的总称。稀有金属中，镧系元素以及钪（Sc）
和钇（Y）共17种元素合称为“稀土”。
稀有金属的“矿脉”存在于智能手机中 集成电路芯片
集成电路（IC）芯片可谓智
能手机的大脑，主要成分是硅
众所周知，智能手机应用了多种稀有金属。
（Si）等半导体以及金（Au）、银
例如，移动设备中必不可少的锂电池的原材料锂 （Ag）、铜（Cu）等导电性良好
（Li）、智能手机或移动电话的扬声器等所使用的 的材料。
相机镜头
钕（Nd）、液晶显示屏不可或缺的透明金属的原
有些智能手机的相机镜
材料铟（In）等。毫不夸张地说，除智能手机之
头使用了塑料。也就是说，
外，家电产品中也肯定含有稀有金属。稀有金属 这种智能手机的镜头主要由
可谓现代产业的生命线。 碳（C）与氢（H）构成。
然而，以日本为例，不光稀有金属，甚至连
普通金属也几乎全部依赖进口。因此，近年来，
智能手机、数码相机、音频播放器等废旧家电所
使用的金属与微量的稀有金属被赋予了一个新的
名字——“城市矿山”，以期实现资源的循环再
利用。
例如，从一台智能手机中可以提取大约0.05
克的金（Au)。也许大家会说，“只有这么一点点
啊，太少了”。但计算结果表明，如果把全日本
的旧手机都收集到一起的话，那将是一个无比庞
大的量，甚至称得上是一个新的矿脉。2021年在
日本东京举办的奥运会与残奥会大约会产生大约
5000枚金牌、银牌与铜牌，它们都是使用从“城
市矿山”中提取的金属制作的。
44金
6800
吨
6
万
吨
3800
万 吨 12
亿
吨
560
万
吨
66
万 吨
13
万 吨
2500
吨
14
万 吨
1700
吨
4400
吨
银 铜 铁 铅 锡 钴 铂 钒
族
元
素
“沉睡”的资源
如果从日本的城市矿山中提取出可以实现资源循环再利用的普通金属与主
要稀有金属（黄色文字）的话，它们可以满足多长时间的全球金属消耗量？图
表所示的计算结果表明，无论哪种元素，“沉睡”在日本城市矿山中的金属含
量都超过了全球年消耗量［铂族元素包括铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）等］。
6年的量
残留在城市矿山中的金属量
来源：日本物质·材料研究机构元素战略信息
日
本 5年的量
的
城
市
矿 4年的量
山
可
供
全
3年的量 球
金
属
消
耗 2年的量
量 液晶显示屏 的
年 以智能手机为代表的液晶显示
数
1年的量
屏使用了由铟（In）或锡（Sn）制
成的透明电极。也有一些机型使用
了用镓（Ga）等制成的透明电极。
铟 钽
耳机插孔
接触到空气后容易生锈的耳机插孔的接
线部位，使用了不易生锈的金（Au）。
锂离子电池
扬声器 除产生电的关键要素——锂
LED
扬声器内部有小型电动机。 （Li）元素之外，锂离子电池还使
智能手机的照明采用的是 电动机中使用了含有钕（Nd） 用了钴（Co）或碳（C）作电极。
LED。制作LED的半导体材料 的钕磁铁。
则使用了铟（In）或镓（Ga）
等。
45元素界的“淘气鬼”，
锂与电池
锂是充电池不可或缺的元素
为了维持屏幕亮度，或通过互 耗尽。之所以能使用这么长时间， 序数是3。锂原子是排在氢与氦之
联网接收视频与图像等数 可以说是托了锂离子电池的福。 后、质量非常小的原子。
据，智能手机经常要消耗电力。不 锂原子原本有3个电子，但其
过，尽管因使用方法而异，但最新 不断失去电子，形成电流 中1个电子很容易脱离原子。在锂
型号的智能手机在充满电的状态 离子电池的内部，锂失去电子，变
下，即使使用一整天，电量也不会 锂是一种稀有金属，它的原子 成锂离子，从负极移向正极（下
遇水会“燃烧”的锂
照片所示为把锂的单质放入水中的情景。锂遇水发
生化学反应，向水分子输送电子，最后会起火燃烧。钠
遇到水后，不仅会起火燃烧，有时也会爆炸。锂离子电
池巧妙地利用了锂的高反应活性。
锂与水的化学反应
2Li + 2H O 2LiOH + H
2 2
46图）。这时，因脱离锂的电子发生 应活性，遇水会燃烧或爆炸（左页
移动而生成了大量电流。电池中的 图），因此，需要保存在反应活性
锂含量越多，电流量越大，因此， 低的石油或煤油等里面。
原子小且质量轻是锂适合制作体积 实验室发生火灾的话，有时灭
小、重量轻的电池的重要特点与 火会遇到一些麻烦。这是因为如果
优势。 在钠或锂等燃烧时泼水灭火，可能
此外，元素周期表第1族中 会发生爆炸而导致火情更加严重。
的钠和钾等也像锂那样容易失去 总的来看，如果能巧妙地利用碱金属
电子。这些元素统称为“碱金属元 元素的反应活性高这一特点，它们
素”。碱金属元素的单质（只由该 就是非常有用的物质；但如果使用
元素构成的物质）具有非常高的反 不当，它们则是异常危险的物质。
锂离子电池的工作机制
下图描绘了智能手机等使用的普通锂离子电池的结
构。锂在负极释放出电子变成离子，移动到正极后获得电
子。在这一过程中，电子发生移动，所以才形成了电流。
而充电时，则出现相反的现象。
LED灯
电子
电子的流动
正极与负极之间的隔板
释放出电子
获得电子
锂离子从负
极移向正极
负极（石墨） 正极（钴酸锂）
电解液（离子可以在其中移动的液体）
47铝既容易生锈， 智能手机亮丽外表的秘密在于加厚的
氧化膜
氧化与还原
也不容易生锈 铝一旦暴露在空气中，自然而然地就会生成数纳米（1
纳米为100万分之1毫米）厚的氧化膜。不过，如果氧化膜
上有缝隙或厚度不均匀，铝就会逐渐变得暗淡或被腐蚀。
另外，某些手机厂商用智能手机等专用的铝制成的外壳
使用了特殊的化学试剂，在表面形成了几微米厚的均匀氧化
以苹果公司的iPhone为代表的一些智能手机 膜（阳极氧化）。正是这一层没有缝隙、厚度均匀且结实的
氧化膜赋予了智能手机亮丽的光泽感，并能长时间保持手机
采用了铝合金外壳，洋溢着一种高级感，受
不会生锈。
到广大用户的好评。然而，同样用铝（Al）制成
的硬币却灰不溜秋的，很不显眼。为什么智能手
机的外壳能拥有如此漂亮的表面呢？
氧化后的铝保护表面
铝是一种很容易发生化学反应的物质，即使
只放置在空气中，也会与氧发生反应，在表面形
成氧化铝（Al O ）层。这种与氧发生反应、被
2 3
其他物质夺走电子的化学反应称为“氧化”。与
此相反，从其他物质夺取电子的化学反应则称为
“还原”。
普通金属与氧发生反应后会生锈（氧化物等
化合物）而被腐蚀。但是，如果像铝那样整个表
面很快就覆盖上一层膜的话，膜下面的铝就不能
再与氧发生反应。也就是说，多亏了铝具有容易
发生化学反应（易被氧化）这一性质，所以才能
防止下层的铝继续被氧化（生锈）。
这种在金属表面生成的薄膜状氧化物称为
“氧化膜”。而且，金属表面形成氧化膜后，处于
被保护的状态，这称为“钝化”。智能手机的外壳
通过特意增厚氧化膜并进行均匀处理，才得以保
持亮丽光泽。这种加工称为“阳极氧化处理”。
除了铝，铬与钛等金属也可进行钝化处理。
众所周知，不锈钢很难生锈，这是因为在铁中加
入了铬的缘故。在铬的作用下，整个不锈钢的表
面生成了一层氧化膜，因此很难生锈。
48自然生成的氧化铝层
（氧化膜）
没有进行阳极氧化处理
的铝表面
因表面有缝隙而进一步氧化
铝
特意增厚的氧化铝层
（氧化膜）
进行了阳极氧化处理的
铝表面
铝
49玻璃的秘密
玻璃的“满身瑕疵”超乎想象
包裹智能手机显示屏的玻璃主要由氧原子与硅原子
玻璃 ——既非液体，
构成，它们不规则地排列成“无定形”（右下图）。
玻璃表面存在许多肉眼看不到的细微瑕疵。受到强
亦非固体
烈撞击后，小瑕疵会迅速扩展，导致整个玻璃裂开。
一不小心，手机从手里滑落，掉到地面后屏幕
可能会摔碎。为什么手机屏幕表层的玻璃易
碎呢？
普通玻璃（钠钙玻璃）是由二氧化硅（SiO ）
2
和碳酸钠（Na CO ）等混合而成的固体。玻璃之
2 3
所以易碎，是因为制造过程中因急剧冷却而生成
了肉眼看不到的细微瑕疵。受到强烈撞击后，玻
璃表面的瑕疵会急速扩展，从而导致手机屏幕出
现裂缝。
最近，一些智能手机使用了不易碎的“化学
钢化玻璃”。化学钢化玻璃通过在玻璃表面的二氧
化硅缝隙中加入大离子而提高表面压力。借助这
样的处理，就能“堵住”玻璃表面的小瑕疵，使
玻璃的瑕疵不易扩散。
玻璃是凝固的液体
固体中原子或分子按照一定规则有序排列的
结构称为“晶体”。由玻璃的主要成分二氧化硅形
成的晶体称为“水晶”或“石英”。虽然玻璃猛一
看是非常普通的固体，但在其内部，原子与分子
像液体那样呈不规则排列。这种状态称为“无定
表面瑕疵受到撞击后导致玻璃碎裂
形”（非晶质）。可以说，玻璃是凝固的液体。
玻璃表面
就像冰在0℃会融化为水那样，固体变成液
体的温度通常是固定不变的。而玻璃却与众不
同——加热后，并不像冰那样在一定的温度下融
化，而是一点点地慢慢变软。这是因为玻璃成分
撞击时表面产
的原子或分子之间的连接方式不均匀的缘故。这 生的作用力 表面的瑕疵
一性质使玻璃在加热后非常容易加工。
图片是玻璃的剖面图。如图所示，玻璃表面
有许多细微瑕疵。受到强烈撞击后，以表面瑕疵
为起点，沿着玻璃破碎的方向会产生作用力。结
果在玻璃表面会形成蜘蛛网状的裂纹并不断扩展。
50硅与氧有序排列的
“水晶”
右图是以玻璃的主
要成分二氧化硅的晶体
构成的“水晶”的原子
排列示意图。
“水晶”中，硅原
子（Si）与周围的4个
氧原子有规律地连接在
一起。
玻璃的原子排列示意图
51液晶显示屏是由“流动的晶体”
液晶
制成的
现在，智能手机或电视机都使 液晶是指虽然具有液体的易流 移动分子，控制液晶的光
用了液晶显示屏。液晶显示 动性，但分子排列像晶体那样相对
屏通过瞬间调整色彩和亮度给我们 有序，形成一种兼具固体与液体性 右页图是液晶电视机的结构示
带来了缤纷绚丽的影像，其工作原 质的中间态。基于这一特点，液晶 意图。在液晶电视中，通过控制加
理的关键在于液晶。 在发现之初被称为“流动的晶体”。 在液晶上的电压而让光通过或不通
研发出薄而轻的液晶电视
20世纪80年代前后，液晶电视第一次登上历史舞台。以此为契机，电视机开始
显著变薄——当然是与以前的“显像管电视”相比而言。
此外，随着计算机与智能手机的普及，构成液晶显示屏的零件不断进化，液晶电
视也更薄、更轻、更先进。如今，为了实现更薄的显示屏，研究人员正在致力于开发
有机电致发光显示屏等取代液晶的新一代显示屏。
52过，从而调节显示屏上的光量。 扭转。 电子计算器的屏幕及颜色随着
在液晶内部，大量液晶分子呈 液晶显示屏上安装有偏振片 温度高低而变化的温度计等也使用
螺旋状扭转排列。背光源发的光在 （只有在特定方向上振动的光才能 了液晶。如今，几乎所有的液晶分
通过液晶时，作为波的振动方向会 穿过）。正因为这两个偏振片，背 子都使用了化学合成的物质，但以
顺着这个分子发生扭转。当液晶上 光源发出的光只有在液晶中扭转着 前也曾以从乌贼肝脏中提取的成分
加一个电压时，螺旋状排列的液 行进时，看上去才非常亮。也就是 为基础来制作液晶分子。
晶分子会朝向同一个方向。这时， 说，通过控制液晶上的电压来调整
通过液晶的光的振动方向不发生 光的扭转，就能控制光的强度。
螺旋状排列
没有加电压时
光扭转
的液晶分子
偏振片 彩色滤光片 晶体管层 偏振片
光通过偏振片
背
光
源
纵向与横向振动 一
混杂的光 侧
只有横向振动的
加电压时 光通过
光不能通
过偏振片
光直线行进 直线排列的液晶分子
负电荷偏向
氮原子一侧
+ -
液晶分子
联苯基
显
示
屏
的
表
面
一
侧
液晶电视的工作机制
上图是液晶电视的结构简图。液晶电视中，背光源
发出的光穿过红（R）、绿（G）、蓝（B）三色的彩色滤
光片，从而实现彩色画面。施加电压后，液晶分子的排
列方式发生改变，就可以调整各种色光的亮度。
右边的分子是液晶材料分子的一个例子。两个苯环
连在一起的部分称为“联苯基”，是液晶具有类似晶体性
质的根源所在。在碳原子与氮原子结合的部位，由于电
子（负电荷）略微偏向氮原子一侧，所以，施加电压后，
分子会移动。
53借助卤素，研发出亮度更高的
卤素
灯泡
给我们的生活带来光明的电灯 右，并发出颜色（波长）和强度与 升华出来的钨会像煤烟那样凝华在
泡也与化学有着非常密切的 该温度相应的光。 灯泡内壁而使电灯发暗。
关系。以前的白炽灯通过在灯丝 白炽灯的灯丝主要由钨（W） 1959年的一项发明借助于化学
（一种金属线）中通上电而发光。 构成。由于钨在高温下会逐渐升 的力量弥补了白炽灯的这一不足。
通电后，灯丝温度可达到2500℃左 华，所以灯丝会慢慢变细。而且， 美国通用电气公司（GE）的技术人
借助卤素来延长使用
寿命并增大亮度
白炽灯
在白炽灯中，灯丝会因钨
（W）不断升华而逐渐消耗，并
导致灯泡内壁发黑（本页图）。
在卤钨灯中，从灯丝升华出来的
钨与填充到灯泡内的卤素（碘）
结合后，又会重新回到灯丝上继
续工作（右页图）。有时卤钨灯
也使用溴（Br）等其他卤素。
用钨制成的灯丝
钨升华
钨
沉积在灯泡内壁上
54员发现，如果在白炽灯泡内加入碘 长，灯丝的工作温度更高，因此亮 金属结合到一起。
（I）或溴（Br）等第17族元素（卤 度也更高。卤钨灯可应用于汽车前 在卤钨灯中，灯泡内的卤素与
素）的话，升华出来的钨会重新回 灯等照明器具及卤素加热器等取暖 升华出来的钨相结合，形成气态的
到灯丝上继续工作。通过这种方法 器具。 卤化钨。当灯泡内充满这种卤化钨
诞生的就是“卤钨灯”。 氯（Cl）也属于卤族元素，与 后，升华出来的钨又会重新回到灯
金属钠（Na）结合后形成氯化钠 丝上。
活用卤素易与金属结合的 （NaCl），也就是我们常说的食盐的
性质 主要成分。由于卤素容易通过从金
属原子等夺走电子而处于稳定状态
卤钨灯比白炽灯的使用寿命更 （电子亲和力强），所以，很容易与
卤钨灯
用钨制成的灯丝
钨升华
钨在高温下分离，
但之后又重新回
到灯丝上
结合
二碘化钨（WI）
2
重新回到碘
碘（卤素）
55热泵的工作机制
冰箱与空调利用
图片描绘了热泵的工作机制。压缩制冷剂
汽化热
（1）、液化（2）、减压（3）、蒸发（4）这一
“汽化热”来制冷
过程不断循环，就能在温度低的地方（右页图
浅蓝色）吸收热，并把热量带到温度高的地方
（右页图粉红色）。
金属等通电后，大多数会产生热。与此相反，
冰箱与空调等家电产品却能利用电来冷却
物品或降低室内温度。仔细想一下，大家是不是
觉得非常不可思议呢？这也是灵活利用了化学的
性质。
冰箱与空调都是利用热泵机制，从温度低的
地方向温度高的地方转移热的装置。制冷剂在热
泵中发挥着极其重要的作用。由于氟利昂会破坏
地球的臭氧层，因此，最近，人们用异丁烷等取
代氟利昂来制冷（无氟化）。
制冷剂的汽化热是制冷的关键
制冷剂异丁烷（一种无氟气体）
我们在打针前通常会擦点酒精来消毒，这时， 在1个大气压下的沸点为－11.7℃。
我们会感觉到皮肤凉凉的。这是因为酒精蒸发为
气体时，会带走周围的热量。当物质从液体蒸发
为气体，状态发生变化时，从周边带走的热称为
低温 空调
“汽化热”(蒸发热）。冰箱或空调制冷的工作机制
（制冷时）
正是伴随制冷剂的蒸发所产生的汽化热。
那么，它们是在哪个步骤使用电的呢？热泵
带有压缩机，以压缩蒸发后的制冷剂（参考右页
图片）。这个压缩机需消耗电力。
压缩后的制冷剂（气体）处于高温高压状态
（1）。制冷剂在逐渐液化的过程中释放出来的热 低温
“逃逸”到空气中（2）。变成液体的制冷剂通过
“膨胀阀”后，压力降低，温度下降（3）。制冷 高
温
剂慢慢从周围吸收热量（汽化热）并蒸发为气体
（4）。结果，周围的空气变冷。之后，制冷剂再次
被压缩机压缩为高温高压气体。这一循环就是冰
高温
箱与空调的制冷机制。
冰箱
561.压缩制冷剂，变热
低温制冷剂 用压缩机压缩制冷剂，温度升高
（气体）
高温制冷剂
（气体）
压缩机
热量 热量
消耗电力
2. 制冷剂液化，向周围释
放热量
在高压下，制冷剂进一步液
化。这时，向周围释放热量。
4. 制冷剂蒸发，从周围吸
收热量
在低压下，制冷剂进一步蒸发。
这时，从周围吸收热量（汽化
热），产生冷气。
膨胀阀
低温制冷剂 高温制冷剂
（雾状） （液体）
3. 制冷剂的压力降低，制冷
通过膨胀阀后，液态的制冷剂呈雾状喷射，压
力降低，结果变成易蒸发状态，温度下降。
571
“看的教科书”化学
PART 3
生活中的化学
我们每天都在使用的塑料可谓化学制品的典型代
表。不只塑料，脱咖啡因咖啡、夜空中绽放的
绚丽烟花等，都应用了化学原理。本部分将介绍应用
于琳琅满目的商品中的化学机制，以及有望解决现代
社会所面临的不同问题的化学研究成果。
60. 超临界流体
62. 燃料电池
64. 催化剂
66. 塑料
68. 生物降解塑料
70. 焰色反应
72. 同素异形体
5859固体CO
2
固体CO 称为干冰，主要通
2
过冷却液体CO 而制成。
2
液体CO
2
在温度低于-56.6℃、气压高于 超临界CO
2
大约5.1个大气压（标准大气
压的约5.1倍）的条件下，CO
2
会变为液体。液体CO 封装在
压 2
力 液化气钢瓶中，应用于扎啤机
（ （将二氧化碳充入生啤）等。
大
气
压
）
脱咖啡因咖啡是用二氧化碳
超临界
流体
加工而成的
液态的水（H O）冷却后会凝 态，这称为“物质三态”。 但实际上并非如此。虽然CO 在
2 2
结为固态的冰，加热后会蒸 干 冰 是 固 态 的 二 氧 化 碳 常压下不会变成液体，但在高压下
发成气态的水蒸气。不光水，几乎 （CO ），不经过液态可直接变成气 及一定的温度范围内是可以变成液
2
所有的物质都会随着温度与压力变 态（称为“升华”）。猛一看，大 态的。
化而出现固态、液态和气态三种状 家可能会认为CO 不会变成液体， 那么，进一步提高CO 的温
2 2
二氧化碳咖啡因萃取法
下图是二氧化碳（CO）为固体、液体、气体及 超临界CO
2 2
超临界流体时的温度（横轴）与压力（纵轴）条件。 在高于31.1℃、大于约73个大气压的条件下，CO 会变成既
2
右页是利用超临界CO 从咖啡豆中去除和萃取咖啡 非液体也非气体的“超临界流体”，可用作溶解咖啡因等各种物质
2
因的方法。 的溶剂。水在温度高于374℃时才能出现超临界状态，但CO 在较
2
为温和的温度下——即温度高于31.1℃时，就能出现超临界状态，
因此，具有不易改变食品成分的优点。
10000
1000
100
注
： 10
对
数
坐
标
轴
气体CO
2
1
CO 在常温常压下是气体，
2
属于温室气体，是导致全
球变暖的温室气体之一。
0.1
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60
温度（℃）
60度与压力，当超过“临界点”的温 溶解咖啡因的“溶剂”是从咖啡豆 提取出的咖啡因可用来生产消
度与压力后，令人不可思议的是， 萃取咖啡因的技术之一。利用超 除困意的口香糖与功能饮料等。此
CO 会变成既非液体也非气体的超 临界CO 萃取咖啡因的技术发明 外，超临界CO 不仅用来提取咖
2 2 2
临界流体。超临界CO 被广泛应 于1978年，被美国咖啡连锁店星 啡因，还可用来提取木鱼花的鲜味
2
用于制造各种食品，其中最具代表 巴克等广泛采用。超临界CO 可 成分等。
2
性的就是脱咖啡因咖啡。 以像气体那样扩散和渗透到咖啡豆
内的各个角落，更妙的是，它能有
像气体那样扩散，像液体 选择性地只把咖啡因快速溶解掉。
那样溶解物质 即使咖啡豆中残留有微量的超临
界CO ，它在常温常压下也无毒无
2
以水或有机化合物等液体作为 味，因此不必担心。
含咖啡因的
咖啡豆（生）
咖啡因（C H N O ）
8 10 4 2
与产生睡意有关的腺苷分子的结构
超临界CO
2
非常相似，具有消除睡意等效果。
超临界CO 渗
2
透到咖啡豆中
脱咖啡因咖啡
去除了咖啡因的
咖啡豆（生）
61利用水电解的逆反应来制造产生电能的
燃料电池
燃料电池
水的电解是中学理科课程中会 生 活 于 19 世 纪 的 英 国 物 应生成水，反应所产生的能量高效
涉及的实验之一。正如文字 理学家、化学家威廉·格罗夫 转换成了电能。
所显示的那样，这个实验是利用电 （1811～1896）首次用实验证实了
把水（H O）分解为氢气（H ）和 这一疑问——切断水电解实验装置 家用、车用燃料电池越来
2 2
氧气（O ）。那么，借助逆向的化 的电源后，格罗夫发现了逆向电流。 越多地走进我们的生活
2
学反应，也就是说，如果发生“用 这就是燃料电池利用水电解反
氢与氧生成水的化学反应”，会产 应的“逆反应”来发电的发明过 长期以来，燃料电池的应用领
生电吗？ 程。在燃料电池中，氢与氧发生反 域一直非常有限，如美国国家航空
氢与燃料电池
氢气（H）有望作为清洁社会的能量之源。本页展现
2
了氢的供应方法，右页描绘了以氢为燃料的燃料电池的发
电机制。
电解
水（HO）
2
电解水
利用借助于自然能源发的电来电解自然界中的水
（HO）而获得氢（H）。
2 2
加热
甲烷 加热化石燃料 氢气（H）
2
（CH）
4 通过加热城市煤气等化石 氢气（H）具有很高的反应活
2
燃料而获得氢气（H）。 性，遇火会发生爆炸并剧烈燃烧。自
2
然界中一般不存在天然氢气。
62航天局（NASA）发射的阿波罗宇 用之不竭的水，从而得到氢气并将 是燃料电池的成本居高不下的一
宙飞船曾采用燃料电池作电源。但 其用作燃料——这就是我们努力实 大原因。可以说，开发出能取代铂
为了摆脱对石油等化石燃料的依 现的“理想氢社会”。 的价格低廉的催化剂、建立顺畅的
赖，全球各国都在致力于燃料电池 铂（Pt）等贵金属常用作燃料 氢气供应渠道等是实现“理想氢社
的开发。如今，利用从城市煤气中 电池的催化剂（详见下页），这也 会”的关键所在。
提取的氢作为能源的家用燃料电池
已经面世，利用燃料电池行驶的汽
车和公交车也出现在街头。
燃料电池既不依赖化石燃料，
也不排放导致气候变暖的二氧化 采用燃料电池的公交车
碳等温室气体，是实现绿色“氢社 图片是日本东京交通局在
会”必不可少的能源。利用风或太 2019年引进的批量生产的燃料
电池公交车。车顶上载有燃料
阳光等自然能源来电解取之不尽、
电池与氢气罐。
电极 电解质 电极
氧（O）
2
氧分解为氧原子
氢离子（H＋）
的移动
氢分解为氢
离子（H＋）
与电子 氧原子与氢离
子及电子结合，
形成水（HO）。
2
电子的移动（产生电流）
发电
燃料电池的工作机制
燃料电池由含铂（Pt）的2个电极及电极之间的电解质（离子可以通过，但电子
无法通过）组成。向一个电极（左）供给氢（H），另一个电极（右）供给氧（O），
2 2
氢离子在电解质中移动，在生成水（HO）的同时产生电流。
2
63遇光后可净化空气
改变化学反应
二氧化钛（TiO）是有名的光催化剂。图片以二
催化剂 2
氧化氮的分解反应为例，描绘了二氧化钛表面所发生
速度的神奇物
的化学反应。二氧化钛广泛应用于许多领域——例如，
在水泥中加入二氧化钛后，可用来铺设能够净化空气
质——催化剂 的道路，或在医院病床及天花板涂上二氧化钛，可提
高杀菌效果。
二氧化钛表面遇到紫外线后，会向空气中的氧提
供电子，或反过来从水分子中夺取电子。通过这种方
式形成的超氧阴离子（O2－）及羟基自由基（·OH）
众所周知，光催化剂遇光后可去除污渍或净化
等反应活性极强的物质，能把汽车尾气中的二氧化氮
空气。尽管光催化剂可以引发在通常环境下 及导致污染的有机物等转化为易溶于水的危害较小的
难以发生的化学反应或加快化学反应的速度，但 分子。之后，在降雨或清扫时，可以冲洗掉分解后的
分子。
作为光催化剂的物质本身在化学反应的前后并没
有任何变化。像这样，虽然与化学反应密切相关，
但在反应前后没有任何变化的物质称为“催化
剂”。光催化剂是指只在照射到光的地方发挥催化
剂作用的特殊物质。
隐藏在我们身边的催化剂的“力量”
催化剂与我们的日常生活息息相关。例如，
汽车尾气中所含的一氧化碳与二氧化氮等有害物
质就是通过催化剂被分解排放出来的。而且，厨
房常用的烧烤滤网中也有用来分解烤鱼所产生的
烟雾或气味成分的催化剂。 水分子
氧分子
任何一种化学反应都需要热或电等能量才能
发生。这一能量被称为“活化能”。催化剂具有
减小特定化学反应所需活化能的效果。分解汽车
尾气时，原本需要大量的能量（热），但在催化剂
的帮助下，在不太高的温度下也能充分进行化学
反应。
实际上，在以化学产品制造为首的产业中，
催化剂对产品质量、产量及成本等有很大的影响。
因此，研究者正在对催化剂表面发生的化学反应
的详细情况进行认真研究，同时也在致力于新型
催化剂的研发。
64硝酸被雨水等冲洗掉
硝酸（易溶于水）
二氧化氮与具有不稳定电子的
高反应活性分子发生反应
光（紫外线） 不稳定的电子
（不成对电子）
不稳定的电子
羟基自由基 （不成对电子） 二氧化氮
（空气中的污染物）
因光催化剂的作用
而得到电子
因光催化剂的作用 超氧阴离子
而失去电子
二氧化钛的晶体结构
二氧化钛的6个氧离子（O2-）围在钛离子
（Ti4+）周边形成八面体（配位），这些八面体共边
连接成晶体结构（四方晶系）。用作光催化剂的二氧
化钛的结构称为“锐钛矿相”，每个八面体与其他八
面体共有4个边。
65无法自然降解的塑料带来了严重的
塑料
环境污染问题
“塑料”可谓化学的代名词之 艰难的一件事情啊！ 吸管等所使用的聚丙烯。
一。牙刷、塑料瓶、购物 塑料是指由有机化合物人工连 聚乙烯由有机化合物乙烯聚合
袋、吸管……种类繁多的塑料制品 接而成的“合成高分子”，通过加 而成。乙烯分子的两个碳原子以
已经成为我们生活中必不可少的东 热、加压很容易成形和加工。尽管 双键连接在一起。通过打开这个
西。想象一下，我们从清晨睁开眼 都称为塑料，但从化学角度来说， 双键，可以把相邻的乙烯分子聚合
睛到晚上上床睡觉，一点儿也不接 塑料的种类繁多。其中，最具代表 到一起。这样一来，大量重复单元
触塑料制品而度过一整天会是多么 性的是购物袋等所使用的聚乙烯及 —CH —CH —就会像锁链那样
2 2
乙烯（CH）
2 4
两个碳原子以双
键连接在一起。
乙烯的聚合
通过打开碳碳双键，与相邻的乙烯分子的
碳“手拉手”连在一起而不断聚合。通过打开
双键而聚合称为“加成聚合”。
丙烯（CH）
3 6
与乙烯相同，两
个碳原子以双键连接
在一起。
丙烯的聚合
与乙烯相同，通过打开碳-碳双键，与相邻
的丙烯分子的碳“手拉手”连在一起而不断聚
合（加成聚合）。
66一个接一个地连在一起而形成聚 塑料随着水流入河流或海洋后，会
乙烯。 对生活在那里的生物造成危害。目
聚丙烯则是由丙烯连接而成， 前，很多国家通过购物袋收费、倡
通过解开双键而把相邻的丙烯连接 导不使用塑料吸管等活动来减少塑
到一起的机制与聚乙烯完全相同。 料垃圾的排放量，与此同时也在致
这类反应在化学上称为“聚合”。 力于寻求更根本的解决对策。
传统塑料不能自然降解
塑料几乎不能自然降解，“难
生活中常见的两种塑料
以自然降解”这一性质正是塑料造
图中上面是用来制作购物袋的聚乙
成环境污染问题的罪魁祸首。废弃
烯的分子结构，下面是用来制作吸管的
聚丙烯的分子结构。
聚乙烯
由多个乙烯聚合而成。除超市与便利店常
用的购物袋之外，包装用的薄膜等也是由聚乙
烯制成的。比聚丙烯更柔软，可用来制作透明
度高的塑料制品。
聚丙烯
由多个丙烯聚合而成。除了吸管，还可用
来制作一次性塑料刀叉、塑料容器等。比聚乙
烯更耐热，可用于微波炉加热。
67生物降
可以在海洋中自然降解的塑料面世了
解塑料
防止前文介绍的塑料造成的环 生物降解塑料是指可以被微生 为乳酸，并使其聚合而成的塑料。
境污染，是很多化学家的奋 物等生物分解的塑料。其中，最具 聚乳酸也属于由生物制成的“生物
斗目标。近年来，这些化学家把研 代表性的是“聚乳酸”。 塑料”。生物降解塑料与生物塑料
究重点转向“生物降解塑料”。 聚乳酸是把玉米等的淀粉转化 很容易混淆，但它们是两个完全不
主要的“生物降解塑料”
聚乳酸（本页）与聚羟基丁酸（右页）是最具代表性的生物
降解塑料，它们也是由生物制成的“生物塑料”。
玉米
乳酸（CHO）
3 6 3
通过分解玉米等的淀粉可得到葡萄糖，利
用乳酸菌使葡萄糖发酵，可生成乳酸。乳酸有
1个羟基（—OH）和1个羧基（—COOH）。
聚乳酸
聚乳酸是一种生物降
解塑料，由多个乳酸聚合
而成。
乳酸的聚合
通过从相邻的羟基（—OH）及羧基（—COOH）脱出水（HO），
2
乳酸分子相互结合到一起。通过析出水分子等而发生的聚合称为“缩
合聚合”。其中，失去水分子时，称为“脱水缩合”。蛋白质是氨基酸
脱水缩合的产物。
水（HO）
2
68同的概念。 致力于研发更好的生物降 基础开发的部分制品在一定的条件
聚乳酸可以被生活在土壤等中 解塑料 下在海洋中可以更好地自然降解，
的一部分微生物分解。但是，只有 这就是下面的照片所示的“生物降
在特殊条件下，如60℃左右的高 目前，研究人员正在致力于研 解聚合物”。聚合物是指聚合而成
温，才能快速降解。研究认为，如 发在海洋中更容易自然降解的新一 的高分子有机化合物。
果只是简单地埋在土里或扔到大海 代生物降解塑料。其中，在微生物
中，即使经过几个月或几年，聚乳 细胞内生成的“聚羟基丁酸”备受
酸可能也无法完全降解。 瞩目。研究发现，以聚羟基丁酸为
微生物
可在海洋中降解的“生物降解聚合物”
照片是使用了“生物降解聚合物”的产品例子。它们用
的原料就是下图所示的3-羟基丁酸与其他物质聚合而成的独
特聚合物。最大厚度66微米、宽2厘米的薄膜，在30℃的
海水中，6个月内可以降解90%以上，并在2017年获得海
洋生物降解国际认证“OK Biodegradable MARINE”。
照片来源：钟化公司
3-羟基丁酸（CHO）
4 8 3
除植物以外，在人体内也可形成3-羟基丁酸。
与乳酸相同，带有1个羟基（—OH）与1个羧基
（—COOH）。
聚羟基丁酸
聚羟基丁酸是一种生物降解塑料，
由多个3-羟基丁酸聚合而成。研究人员
还开发出由聚羟基丁酸派生出的不同生
物降解塑料。
水（HO）
2
69五颜六色的烟花色彩是通过化学反应产生的
焰色反应
蜡烛的火焰看上去是黄色或橙 足，燃烧不充分，因此，生成的黑 少，发出蓝色光。
色的，而煤气的火焰看上去 烟等微粒释放出黄色或橙色的光。 一束束烟花在寂静的夜空中腾
却是蓝色的。两者的区别在于燃烧 另外，煤气燃烧时，因煤气炉中混 空而起，绽放出七彩光芒，把夜空
时的氧气含量不同。蜡烛（尤其是 合了充分的氧（含氧的空气），所 装点得分外美丽。实际上，我们能
火焰上方）燃烧时的氧气含量不充 以燃烧非常充分，生成的黑烟较 看到绿、黄绿、红、紫等很多种烟
70花的颜色。烟花之所以能产生不 己特有的色光（波长）。例如，钡 是以由硝石［主要成分为硝酸钾
同的颜色，是因为发光的金属元素 （Ba）会发出黄绿色光，钙（Ca） （KNO ）］、硫黄（S）、木炭等混合
3
不同。 会发出橙色光，钾（K）会发出紫 而成的黑火药燃烧所生成的暗橙色
色光。这在化学上称为“焰色反 光为主。
钡发黄绿光，钙发橙色光， 应”。色彩差异与金属原子中的电
钾发紫色光 子轨道密切相关。
烟花设计师通过把含有这些金
金属原子吸收热量后，会暂时 属元素的各种“发色剂”调配在一
处于不稳定状态。当其恢复到稳 起而生成五彩缤纷的颜色。古代的
定状态时，每种元素都会发出自 烟花并不像今天这样绚丽多彩，而
五彩缤纷的焰色反应
下图是各种金属展现的焰色反应的例子。通过调制含
这些金属的“发色剂”，烟花得以绽放出绚丽缤纷的色彩
（照片）。
红色 紫色
锂（Li） 钾（K）
橙色 深红色
钙（Ca） 锶（Sr）
黄绿色 蓝绿色
钡（Ba） 铜（Cu）
71从铅笔到飞机，碳广泛应用于现代社会的
同素异形体
许多领域
闪耀着美丽光芒的钻石与铅笔 除了钻石与石墨，碳的同素异 高涨。碳纤维与石墨及碳纳米管相
芯的主要成分——乌黑的石 形体还包括分子呈足球形的C 、 同，都是充满了由碳原子构成的六
60
墨看上去截然不同，但它们都是由 分子呈筒状的“碳纳米管”等。除 边形的结构。含碳量在90%以上
同一种元素——碳——构成的。尽 碳元素以外，其他一些元素也有同 的纤维称为碳纤维。
管从知识上来说我们知道这一点， 素异形体。例如，氧气（O ）与 碳纤维的优点在于质量轻、强
2
但很多人依然会觉得这简直太不可 臭氧（O ）是氧（O）的同素异形 度高。碳纤维的强度是铁（Fe）的
3
思议了。 体，红磷与黄磷是磷（P）的同素 10倍，但比重只是铁的1/4。碳纤
像钻石与石墨那样，仅由碳一 异形体。 维广泛应用于网球拍、自行车架、
种元素组成的纯粹物质称为“（碳 飞机机身等对强度和重量有严格要
的）单质”。虽然都是同一元素的 强度为铁的10倍，质量轻、 求的制造领域。
单质，但因原子的排列方式不同， 强度高的“碳纤维”
性质也是不同的，称为“同素异
形体”。 近年来，碳纤维的需求量日益
它们都是碳
图片描绘了碳的单质（同素异形体）——钻石、石墨、C 、碳纳米管及含碳量超
60
过90%的碳纤维。它们在结构上都是由1个碳原子通过4只“手”与相邻的碳原子结
合在一起。
钻石 石墨
碳原子按正四面体结构多次重复所形成的极其坚 碳原子组成正六边形，进而构成片层，多个片层
硬的物质。 堆积在一起。石墨是铅笔芯的主要成分。
72C （富勒烯中的一种） 碳纳米管
60
结构类似由正五边形与正六边形拼接而成的足 把石墨的片层结构（这里称为石墨烯）卷成筒形结构。
球，由60个碳原子组成。科学家正致力于将其用作 科学家正致力于用其制作高强度线缆、新型半导体等材料。
超导体及蓄电池等的材料。
碳纤维
由丙烯酸纤维等有机高分子经高温热处理与碳化
（去除碳以外的分子）处理而成。碳化部分的碳与石
墨的片层具有相同的结构。
73资料篇：
查看元素周期表，了解化学的基础
元素周期表
本部分介绍的内容只是化学中 的化学基础内容及比较有名的化学
118种元素。按照原子序数从小到
大排序的表称为“元素周期表”。
极其微小的一部分。从本页 反应。
元素周期表的纵列称为“族”，横
开始，我们将介绍前文没有涉及 截至目前，人类已经发现了
碱金属元素
除氢以外的第1族元素， 族
容易形成1价的阳离子。以锂 原子序数
（Li）为代表，大多数元素的 周期
元素符号
反应活性较高，必须把碱金属 金属
元素的化合物溶解并电解才能 非金属 元素名称
氢
得到其单质物质。 性质不明
过渡元素
第3～11族的元素。可以说，过渡元素
中横向排列的元素（同一周期的元素）大多
具有相似的性质。
碱土金属元素
除铍（Be）与镁（Mg）
之外的第2族元素，容易形
成2价的阳离子。原子序数越
大，这一倾向越明显。
锕系元素
原子序数89～103的元素。只有到铀（U）为
止的前4种元素（89～92号元素）少量存在于自然
界中。原子序数93～103的锕系元素都是利用加速
器或核反应堆实验而人工合成的。
74排称为“周期”。在第1族、第2 时发现的元素数量较少，所以最早 验。如果发现了新的元素，元素周
族、第12～18族中，同族元素的 的元素周期表并不是现在的样子。 期表也将继续扩展。
性质非常相似。另外，在第3～11 后来，随着新元素的不断发现，元 2019年是门捷列夫发明元素
族的元素中，与同族元素相比，同 素周期表也得以不断完善，最终固 周期表150周年。在国际上，联
周期元素的性质更相似。 定为今天的样子。 合国教育、科学及文化组织（简称
元素周期表是俄国科学家德 但是，元素周期表并没有最终 “联合国教科文组织”）把2019年
米特里·门捷列夫（1834～1907） 完成。如今，科学家正在为了合成 定为“国际元素周期表年”。
在1869年发明的。但是，由于当 第119号及以后的元素而进行实
卤族元素
第17族的元素，易形成1
价的阴离子，从其他物质夺取电
子的能力（氧化性）较强。但
是，随着原子序数变大，氧化性
逐渐变弱。
稀有气体元素
第18族的元素，几乎不与
其他原子形成化合物，原子非常
稳定。在一般情况下，以单原子
（单原子分子）气体的形态存在。
氮
镧系元素
原子序数57～71的元素。
包括镧系元素再加上钪（Sc）
与钇（Y）在内的17种元素也
被称为稀土元素。
75资料篇：
无机化合物的反应可平缓，也可剧烈
无机化合物
的反应
我们在中学化学课上学到的知 化学则与其他化合物和所有元素及 成方法、从矿物中提取特定金属的
识中，有机化学与无机化学 其化学反应相关。 方法等。
是非常重要的内容。有机化学与有 本页汇总了前文未能介绍的无
机化合物及其化学反应相关，无机 机物的基本化学反应，如气体的生
生成气体的反应的例子
2H O 2H + O
2 2 2
电解水，生成氢气与氧气。
2H O 2H O + O
2 2 2 2
在过氧化氢（HO）中加入催化剂二氧化锰（MnO），生成氧气。
2 2 2
CaCO CaO + CO
3 2
加热碳酸钙（CaCO），生成二氧化碳。
3
FeS + H SO FeSO + H S
2 4 4 2
在硫化铁（FeS）中加入硫酸（HSO），生成散发浓烈臭鸡蛋味
2 4
的硫化氢（HS）。
2
N + 3H 2NH 用双氧水生成氧
2 2 3
在主要由氧化铁（FeO）构成的催化剂中，加入高温高压的氮与 用来生成氧的反应所使用的过氧化氢（双氧水，
2 3
氢，生成氨（NH
3
）。这一方法称为“哈伯-博施制氨法”，它是工 H
2
O
2
）由于反应活性非常高，可用作消毒液。
业上生产氨的重要方法。氨是制造工业所需的非常重要的各种无
机化合物时必不可少的物质。
钙的化学反应的例子
CaCO + 2HCl CaCl + CO + H O
3 2 2 2
在碳酸钙（CaCO）中加入盐酸（HCl）等酸性液体，可生成钙
3
的化合物、水及二氧化碳。
Ca + 2H O Ca(OH) + H
2 2 2
把钙溶于水，可生成氢氧化钙［Ca(OH)］与氢。氢氧化钙也被
2
称为“熟石灰”。
Ca(OH) + CO CaCO + H O
2 2 3 2
熟石灰的水溶液称为“石灰水”。向石灰水中吹气（二氧化碳），
碳酸钙溶解所形成的溶洞
石灰水会变浑浊，生成白色沉淀物——碳酸钙（CaCO）。
3 溶洞是由于含碳酸钙（CaCO）的岩石当遇到含有
3
CaCO + CO + H O Ca(HCO ) CO 的水时溶解所形成的。在地下形成的空洞中，溶有碳酸
3 2 2 3 2 2
向发白变浊的石灰水中继续吹气，可生成碳酸氢钙［Ca(HCO)］。氢钙的水遇热或当压强突然变小时，溶解在水里的碳酸氢钙
32
碳酸氢钙易溶于水，因此，之前发白变浊的石灰水重新变得澄清。就会分解重新生成碳酸钙，水从洞顶不断滴落，水中的碳酸
钙一点点地析出，会形成各种各样的钟乳石。
76王水与金的化学反应 铁的化学反应的例子
3HCl + HNO 3 3Fe + 2O 2 Fe 3 O 4
Cl + NOCl + 2H O 铁燃烧时，会生成黑锈——四氧化三铁（Fe 3 O 4 ）。
2 2
浓盐酸（HCl）与浓硝酸（HNO 3 ）按照3∶1的比例混合， 4Fe + 2H 2 O + 3O 2
可生成腐蚀性极强的溶液——王水。
4FeO(OH) 2Fe O + 2H O
2 3 2
Au + Cl 2 + NOCl + HCl 铁在潮湿的环境中会生成红锈（Fe 2 O 3 ）。
H(AuCl 4 ) + NO Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2
王水能够溶解金属中极难溶解的金（Au）或铂（Pt）。 氧化铁与一氧化碳（CO）在高温下可生成铁。
黏稠的铁水
金也慢慢开始溶解 图片是炼铁厂提炼铁的情形。在炼铁厂中，燃烧焦炭
图片显示了涂有王水的金一点点地被溶解的情景。王水 （C）所生成的一氧化碳（CO）与铁矿石中的氧化铁发生
常用于从电子零件中回收金等。 反应，从而提炼出铁。
铜的化学反应的例子 铝的化学反应的例子
2Cu + O 2CuO 4Al + 3O 2Al O
2 2 2 3
铜燃烧时，会生成黑色的氧化铜（CuO）。 铝遇火后会生成大量的热与光，与氧发生反应，形成氧化
铝（AlO）。
4CuO 2Cu O + O 2 3
2 2
继续提高温度，加热氧化铜（CuO），则生成红色的氧化亚 2Al + Fe O 2Fe + Al O
2 3 2 3
铜（CuO）。 铝与氧化铁（FeO）等其他金属的氧化物混在一起，遇
2 2 3
火后，铝会夺走金属氧化物的氧，从而得到纯粹的金属。
2Cu + CO + H O + O CuCO ·Cu(OH)
2 2 2 3 2 这个反应称为“铝热反应”，反应时会产生巨大的热量。
铜在湿度高的环境中会与二氧化碳及水慢慢发生反应，生成
CuCO 3 ·Cu(OH) 2 ，这就是青绿色的锈——铜绿。 Photo by Salvador Escalante on Unsplash
用铝热剂修复断开的轨道
“自由女神”的颜色是生锈的铜的颜色 铝热剂可用来修复（焊接）断开的轨道。氧化铁薄片
据说，位于美国纽约海港内自由岛的铜像——自由女神 与铝粉的混合物发生化学反应，温度高达几千度，可把铁熔
像，在建造当初散发着铜特有的古铜色。不过，现在由于外表 化为铁水。把铁水浇灌到轨道断裂的部位，可把轨道焊接起
面的铜发生氧化生锈，形成了铜绿，所以看上去才是绿色的。 来，这种方法称为“铝热焊”。
77资料篇： 有机化学：完全取决于原子的“手”的
有机化合物
的反应 连接方式
本页汇总了前文未介绍的基本 正如其名称所显示的那样，化 体会到化学与我们的生活是多么息
的有机化合物及有机化学的 学是研究原子或分子变化的学问。 息相关！
反应。 亲爱的读者，通过本书，你是不是
有机化合物的燃烧
燃烧
＋
甲烷 氧气 二氧化碳 水
甲烷与氧气发生反应，在生成二氧化碳与水的同时，产生热与光。物质进行剧烈的氧化—还原反
应，伴随发热发光的现象称为“燃烧”。煤气炉或蜡烛在燃烧时，煤气或蜡的成分一直与氧发生反应。
基本的有机化合物
烷烃 烯烃 炔烃
图片描绘了只由碳和氢构
甲烷（CH） 乙烯（CH） 乙炔（CH）
4 2 4 2 2
成的有机化合物——烃（又称
碳氢化合物）的基本结构。
链状烃大致分为3类，它
们分别是全部以单键连在一起
的烷烃、带有双键的烯烃及带
有三键的炔烃。 乙烷（C 2 H 6 ） 丙烯（C 3 H 6 ） 丙炔（C 3 H 4 ）
当碳为n个时，烷烃有
2n+2个氢，单烯烃有2n个氢，
单炔烃则有2n-2个氢。
有机化合物的化学反应
消除反应
与有机化合物相关的化学反应的数量极其庞大。这里介绍与
烃有关的最基本的3个反应。
烃的双键或三键部分断裂，与其他原子或分子相结合的反应
属于“加成反应”。与此相反，烃分子上形成新的双键或三键的反
应属于“消除反应”。部分氢原子被其他原子或原子因替代的反应
乙烷 乙烯 氢
属于“取代反应”。
加成反应 取代反应 氯甲烷
＋
＋
乙烯 溴 二溴乙烷 甲烷 氯 氯化氢
78乙醇的分解反应
烃的氢原子被由氧和氢构成的羟基（—OH）替代的分子称为“醇”。啤酒
乙醇 或葡萄酒等酒类中含有醇类之一的乙醇。人体吸收乙醇后，首先会转化为导致
宿醉的乙醛，之后转化为乙酸（醋酸），最后被分解。
氧化 乙醛 乙酸
氧化
大量分子连在一起的聚合反应 坚硬的聚氯乙烯
氯乙烯分子的双键断裂，分子相互连在一起，形成聚氯乙烯。
这种由大量小分子作为重复单元连接而成的大分子称为“高分子化
合物”。生成类似聚氯乙烯的高分子化合物的反应称为“加成聚合”。
水管
利用增塑剂可以增加聚氯乙烯的柔软性，因此，聚氯乙烯被广
泛应用于日常生活的很多方面。
氯乙烯分子
柔软的聚氯乙烯
（CHCl）
2 3
加成 电源线
聚合
聚氯乙烯分子（ CHCl）
2 3 n
增塑剂
脱去水分子，分子相连的缩合聚合
尼龙66分子
尼龙66
己二酸分子与己二胺分子分别在分子两端不断脱去水分子并
(C H NO)
12 22 2 2n 纤维
结合到一起，这种形成高分子化合物的反应称为“缩合聚合”。
己二酸与己二胺通过缩合聚合形成尼龙66。尼龙66是用来
制造长筒袜等的尼龙纤维的来源。
氢键
己二酸分子（CH O）
6 10 4
缩合聚合
氢键
尼龙66
尼龙66
分子
己二胺分子（C 6 H 16 N 2 ） 分子
79中学化学的学习
资料编：
本页是中学化学的学习指导要领中与本书有关
在学校里要 指导要领与本书
的内容。在阅读本书的过程中如有不明白的
学习的化学
用语，或者想了解更详细的内容时，可以灵活使
有关的内容
用下表。
绿色：第一部分的页码 紫色：第二部分的页码
粒子（化学领域）
粒子的存在 粒子的结合 粒子的守恒 粒子携带的能量
物质的形态 状态变化 p126
年 1 •身边的物质及其性质 水溶液 •状态变化与热
•水溶液 p138
级 •气体的制取与性质 •物质的熔点与沸点
（2）身边的物质 （2）身边的物质 （2）身边的物质
化学变化 p136
物质的成分
•化学变化
•物质的分解
•化学变化的氧化与还原 p48 p144
•原子·分子 p120
•化学变化与热
2
年 （4）化学变化与原子·分子 （4）化学变化与原子·分子
级
化学变化与物质的质量
•化学变化与质量守恒
•质量变化的规律
（4）化学变化与原子·分子
水溶液与离子
•原子的成分与离子 p98 p100
初 •酸与碱 p28 p140
中
•中和与盐 p30 p140
（6）化学变化与离子
化学变化与电池 p46，p62 p148
•金属离子
•化学变化与电池
（6）化学变化与离子
能量与物质
•能量与能源
3 （ 包括放射线） p62
年 •不同物质及其应用
级
（ 包括塑料） p66 p168
•科学技术的发展 p172
（ 与能量（物理领域）通用）
（7）科学技术与人类
自然环境的保护与科学
技术的应用
• 自然环境的保护与科学技
术的应用 p62 p68
［ 与能量（物理领域）、生
命（生物领域）、地球（地
学领域）及环境通用］
（7）科学技术与人类
80化学基础
粒子的存在 粒子的结合 粒子守恒 粒子携带的能量
化学与物质
•化学的特点 p 5 0 p 6 6 p 6 8 •物质的分离与提炼
•单质与化合物 p 7 0 p 7 2 •热运动与物质的三态 p126
（1）化学与人类生活
构成物质的粒子 物质与化学键 p120
•原子的结构 p86 p94 •离子与离子键 p54 p98 p100
•电子排布与元素周期表 p46 •分子与共价键 p66 p106 p154
p54 p70 p74 p88 •金属与金属键 p110
p90 p92
（2）物质的构成
（2）物质的构成
物质的量与化学反应式
•物质的量 p24
•化学反应式 p76 p78 p136
（3）物质的变化及其应用
化学反应
•酸、碱与中和 p28 p30 p140 p142
•氧化与还原 p48 p62
（3）物质的变化及其应用
化学开拓的世界
•化学开拓的世界
（3）物质的变化及其应用
高
中 化学
物质的状态及其变化 化学反应与能量
•状态变化 p56 p60 p126 p128 •化学反应与热、光 p136
•气体的性质 p130 •电池 p46 p62 p148
•固体的结构 p50 p132 •电解 p62
化学反应与化学平衡
溶液与平衡
反应速度 p64
•溶解平衡
化学平衡及其移动
•溶液及其性质 p26
电离平衡
（1）物质的状态与平衡 （2）物质的变化与平衡
有机化合物 p32 p36 p152 p154 p160 p170
无机物
•碳氢化合物 p156
•主族元素p46 p54 p70 p104 p106 p108
•带有官能团的化合物 p34 p40 p158
•过渡元素p44 p112
•芳香族化合物 p38 p157
（3）无机物的性质
高分子化合物
•合成高分子化合物 p66 p68 p166 p168
•天然高分子化合物 p162 p164
人类生活中的化学
•不同物质与人类生活 p48 p50 p52 （4）有机化合物的性质
•化学构筑的未来 p172
（5）化学发挥的作用
81想了解更多！
2
中学化学
第一部分着眼于日常生活场景，介绍了隐藏在我
们身边的化学机制。在第二部分中，让我们一
起深入理解物质在化学上的基本单元“原子”的结构、
化学“导览图”——元素周期表——的详细解读方法、
化学键及化学反应的机制等化学主题吧！
PART 1 原子的结构与元素周期表
84.
PART 2 了解元素的性质
102.
PART 3 物质是怎样结合在一起的？
118.
PART 4 学习化学反应
134.
PART 5 生成碳的有机化学
150.
82832
想了解更多！中学化学
PART 1
原子的结构与
元素周期表
一切物质都是由原子构成的。20 世纪，科学家了
解了原子的结构，进而发现元素的种类由质子
数决定，而元素的化学性质是由该元素原子的最外层
电子数决定的。现在的元素周期表就是以此为基础，
按照基于电子排布的“原子序数”的顺序排列的。在
PART 1 中，让我们共同学习原子的结构、作为化学
“导览图”起着重要作用的元素周期表的基本机制吧！
86. 物质的探索
88. 现在的元素周期表
90. 元素周期表与电子排布
92. 过渡元素
94. 原子量与同位素
96. 原子的半径
98. 离子定律
100. 形成离子的难易程度
8485原子符号的发明
在化学诞生之前，
物质的探索
把新的元素观点与原子论联系
只有四种元素
到一起的是英国物理学家兼化学家
约翰·道尔顿（1766～1844）。
如果把物质不断分割下去的 素是粒子。 道尔顿认为，每种元素都有自
话，最后会是什么样的呢？ 己固有的原子，化合物是原子按
在距今大约 2500 年前，希腊的 “元素”的观点 照一定比例结合而成的，并基于
哲学家就深入思考了世界万物的 这一前提，推算出不同原子的质量
本源。 16 世纪后，元素被定义为 比率。
其中，德谟克利特（约公元前 “不可再分割为两个物质的物质”。 道尔顿当时使用的证据是法国
460年～约公元前370年）认为万 而且，人们也开始意识到只有四种 化学家兼药学家约瑟夫·普劳斯特
物是由微小的粒子构成的，并把这 元素是远远不够的。 （1754～1826）在1799年发表的
种粒子称为“atom（原子）”。在 什么是元素？对这一争论产 “定比定律”。定比定律是指每一种
希腊语中，atom的意思是“不可 生决定性影响的是法国化学家安托 化合物的组成元素的质量都有一定
再分割的物质”。据说，他还认为 万-洛朗·拉瓦锡（1743～1794）。 的比例关系，总是恒定不变的。
每种物质都有不同的原子，甚至存 拉瓦锡认为，水是由氢和氧结合而 例如，相对于重量为1的氢，
在“人类灵魂的原子”。 成的，水本身并不是元素。 总会有重量为8的氧与其发生反
不过，也有观点反对这种“原 这样一来，从希腊时代开始， 应，生成水。如果氢的重量为2.5，
子论”，其代表是亚里士多德（公 人们一直相信的亚里士多德的“四 则氧的重量则为20，氢与氧的质
元前384年～公元前322年）等 元素论”就被否定了。而且，作 量比总是1∶8。
人支持的“四元素论”，即认为 为替代，拉瓦锡在 1789 年发表 根据这一定律，道尔顿提出
“万物由空气、水、土、火四大元 了由33种元素组成的元素表。除 “每种元素都是具有固定质量的粒
素组成”，一切物质都是这四种元 氢、氧之外，这个元素表还把 子的集合体，我们把这种粒子称
素的组合，并且他们不认为这些元 “光”“热”当作元素包括在内。 为原子，化合物是由原子结合而
公元前5世纪——四元素论 1785年前后——元素的概念、质量守恒定律
氧 碳
火素
空气
火
亚里士多德
土 金 汞
拉瓦锡
亚里士多德提出
水 磷
的四种元素
金
亚里士多德认为，世间万物是由“火、空气、水、 安托万-洛朗· 拉瓦锡认为，“如果把我们身边的
土”这四种元素组成的。在之后的2000多年里，这种物 物质进行分解的话，最后全都会归结为构成物质的‘元
质观一直被人信服。例如，在中世纪，人们认为“用四种 素’”，并发表了“金、汞、碳、氧、磷、热素、火素”等
元素就能炼出金子”，炼金术得到发展。 32种“候补元素”。
86成的”。 阐明元素与原子本质的主要科学家①
1803年，道尔顿率先发表了 年代 人名 主要成就
1785年
原子符号，而且把氢原子的质量 安托万-洛朗·拉瓦锡（1743～1794） .....元素的概念、质量守恒定律
前后
为1时的各种原子的相对质量称为 1799年 约瑟夫·普劳斯特（1754～1826）............定比定律
“原子量”，并计算出其数值。这种 1803年 约翰·道尔顿（1766～1844） ..................原子论、倍比定律（1804）
原子量的观点一直流传到今天（现 1811年 阿莫迪欧·阿伏伽德罗（1776～1856） .....分子的概念、阿伏伽德罗定律
在的原子量定义是碳原子的某个同 1869年 德米特里·门捷列夫（1834～1907） ........元素周期表（1868年发现，1869年发表）
位素的质量为12时的各种原子的 元素与原子的现代定义
原子：构成物质的基本单元 元素：表示原子种类的名称
相对质量。关于同位素，请参考第
94页内容）。
不过，道尔顿自身仅考虑了原 一起。 相似的元素分为一组，按照从小到
子这种粒子的存在。直到100年 门捷列夫在撰写化学教科书的 大的顺序对原子量进行排列。经过
后，研究者才真正证实了原子的存 过程中，仔细思考了应该如何介 多次排序，最后终于制作出“元素
在。物理学家阿尔伯特·爱因斯坦 绍元素。当时，已知的元素共有 周期表”。
（1879～1955）创建相关理论，法 63种。 最了不起的是，当时，门捷列
国物理化学家让·巴蒂斯特·皮兰 虽然当时有63种已知元素， 夫把没有合适元素的地方空着，并
（1870～1942）通过实验证实了原 并发现一些元素的性质非常相 预言了那里应该加入的元素的原子
子的存在。 似，但尚未有人进行过明确的归纳 量和性质。后来，研究者陆续发现
整理。 了镓（1875 年）、钪（1879 年）、
元素周期表 有一天，门捷列夫突然把元素 锗（1886年）等元素，它们的性
的重量与自己喜欢的纸牌游戏联想 质与门捷列夫的预言完全一致。因
19世纪，科学家陆续发现了 到一起。这种纸牌游戏是把红桃、 预言成真，门捷列夫发明的元素周
多种新元素。俄国化学家德米特 黑桃等每一组牌按照从小到大的顺 期表的正确性得以证明。
里·门捷列夫（1834～1907）把 序排列。门捷列夫在空卡片上写下
当时发现的新元素全都归纳到 元素名称与原子量等，然后把性质
1804年——原子论、倍比定律 1869年——元素周期表的发表
氢…1 铁…38 左列是道尔顿提出
的原子符号和原子量。
道尔顿是把氢原子的重
氮…5 锌…56
量设为1进行计算的，
与此相对，现在则是以
碳…5 铜…56
质量数是12的碳原子 门捷列夫
的重量为12来计算不
氧…7 铅…95
同元素的原子量。
左下方是道尔顿描
磷…9 银…100 述的酒精（乙醇）的
结构。从图中可以看
硫…13 出，他认为，酒精是 由于德米特里·门捷列夫发明了元素周期表，“元素定律”才
由1个氢原子与3个碳 得以确立（1868年发现，1869年发表）。门捷列夫在元素周期表
钾…42 原子组成的（实际上是 上留出空栏，并预言了未知元素的原子量和性质。后来，正如他预
CHO）。 言的那样，研究者发现了更多元素。
2 6
87使科学家感到十分困惑。有人甚至
周期表为何能够延续 150
现在的 认为门捷列夫周期表也许错了。
元素周期表
但科学家不久之后便发现，无
多年而作用不减
须改变门捷列夫周期表的基本框
架，只要在周期表上新添加一列
现在的元素周期表应该说并不 采用一种叫作“光谱分析”的新方 （新族），就可以把这些元素也“吸
是门捷列夫原来编制的那个 法陆续发现了一批新的元素，诸如 收”到周期表中。自那以后，每当
周期表，自它诞生以来，随着新元 氖(Ne)和氩（Ar）。这些元素不与 有新元素被发现，大家争议的不过
素不断被发现，已经作过许多修改。 氢或氧发生化学反应，具有同当时 是把新元素放在周期表内什么位置
在 19 世纪 90 年代，科学家 已知的其他元素完全不同的性质， 合适而已。
门捷列夫编制的周期表
左图为1870年门捷列夫发
表的周期表。表内用罗马数字I～
VIII把元素分为8类，每一类排
列在同一纵列内，叫作一“族”。
同族内元素的原子与氧或氢原子
具有相同的结合方式。同一族元 族
素又分为两个“亚族”。
周期
稀有气体
氢
改进后的周期表（短周期表） 锂 铍
此表比门捷列夫周期表多了一组
“稀有气体”。稀有气体的原子基本上
不与其他任何原子发生化学反应，原 钠 镁
子价等于0。因此，有时也把它们安
排在原子价为1的碱金属的左侧。不
过，进入20世纪以后编制的这种短
钾 钙 钪
周期表，都是根据稀有气体原子的
“电子壳层”结构，把它们放在最右侧
（详细情况见第90页）。短周期表表
现了元素每8种一组的周期（八族）。 铷 锶 钇
阐明元素与原子本质的主要科学家②
铯 钡 镧系
年代 人名 主要成就
1897年 约瑟夫·约翰·汤姆逊（1856～1940） ......... 证实电子的存在
1905年 阿尔伯特·爱因斯坦（1879～1955） ............ 理论上证明原子的存在 钫 镭 锕系
1908年 让·皮兰（1870～1942） ............................ 用实验证明原子的存在
1911年 欧内斯特·卢瑟福（1871～1937） ............... 发现原子核
1911年 弗雷德里克·索迪（1877～1956） ............... 发现同位素
1913年 尼尔斯·玻尔（1885～1962） ..................... 提出有关电子轨道的假说
1924年 路易·德布罗意（1892～1987） .................. 提出电子的波动说
1926年 埃尔温·薛定谔（1887～1961） .................. 提出电子的波动方程
1932年 詹姆斯·查德威克（1891～1974） ............... 发现中子
88事情到此，周期表仍然留下了 都源自原子内的“电子”。 只是比它诞生之初时增添了近一倍
一些难题。有些元素无法根据其性 现在的周期表就是按照这个思 数量的元素。所以，即使在今天，
质按照原子量大小的顺序排列，而 路，按照原子内电子排布所决定的 周期表仍然能够反映关于元素的最
且周期表上还留下有不少空位置没 “原子序数”的顺序来排列元素的。 新研究成果，是化学的一张“导览
有元素，这是怎么回事？这些问题 在门捷列夫当初编制周期表 图”，发挥着非常重要的作用。
在进入20世纪以后才找到答案。 时，已经发现的元素只有63种，
原来，这可以用原子核的结构和电 到如今，已经增加至118种。在
子在原子内部的排布方式（组态） 这150多年间，随着科学的进步，
来加以说明，门捷列夫在编制周期 周期表的形式虽然在一点一点地变 ※ 原子序数由荷兰的范·登·布罗克
（1870～1926）于1911年提出，英国的
表时所考虑的元素的那些性质，全 化，但其基本框架始终未有改动，
亨利·莫斯莱(1887～1915)在1913年
赋予其物理意义。
现在的周期表（长周期表）
最早的长周期表是由瑞士的化学家贝尔纳（1866～1919）编制的。下图是现在作为国际标准的元素周期表，分为第1～18族和
第1～7周期。
原子有一个由质子和中子所组成的原子核，周围有若干个电子。元素在周期表内根据其原子序数（质子数）按顺序排列。同一
纵列（族）的元素，它们的“原子位于最外壳层的电子数目”相等。周期编号通常对应原子的电子壳层数。
具有专门名称的“元素组”
非金属：气态 碱金属：除H之外的第1族 氦
液态
碱土金属：除Be和Mg之外的第2族
固态
金属：液态 卤素：第17族
固态 稀有气体：第18族 硼 碳 氮 氧 氟 氖
镧系元素 稀土类：Sc、Y和镧系元素
锕系元素
铝 硅 磷 硫 氯 氩
钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
锆 铌 钼 锝 钌 铑 钯 银 镉 铟 锡 锑 碲 碘 氙
铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 氡
镆 钿
镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥
锕 钍 镤 铀 镎 钚 镅 锔 锫 锎 锿 镄 钔 锘 铹
89最外壳层的电子数目
元素周期表
与电子排布
决定元素化学性质
门捷列夫的元素周期表基本上是按照原子量的顺序来排列所
有的元素。但是，在考虑氧和氢的结合方式等化学性质
时，他注意到，有时只有换一种方式排列，才能够使具有相似
性质的元素在表内显示出一定的联系。他正式发表的元素周期
表，其中有一部分就改变了排列方式。
进入19世纪以后，科学家搞清楚了元素的化学性质原来 1族
取决于原子内电子的排布方式。原子有一个由质子和中子所构
成的“原子核”，原子核的周围则分布着电子。原子核周围的
这些电子只能位于一层一层的“电子壳层”上。每一个电子壳
层上能够容纳电子的“席位”数目是有限的，而且对于不同壳 氢
层这个“席位”的数目有所不同。电子先占据内层，填满一层
再依次占据外面一层。
电子带负电，而质子带正电。因此，原子核内有多少个质
子，原子核周围就有多少个电子，质子的正电荷与电子的负电
荷相互抵消，于是整个原子呈现为中性，这就是原子的基本结
构。一个原子在与其他原子结合时，如与氧或氢发生反应，就 2族
是位于原子最外层的电子在起作用，也就是说，位于最外壳层
上的电子的数目决定了元素的化学性质。
化学反应的结果取决于最外层电子在原子之间的交换情
况。在发生化学反应时参与这种交换的电子叫作“价电子”。 锂 铍
在门捷列夫生活的时代，科学家并不知道原子的结构。尽
管如此，门捷列夫却凭借他敏锐的洞察力把当时已经知道的元
素井然有序地做出了正确排列。
现在的周期表是按照元素原子所具有的质子数目（原子序
数）排列的。如果把各种元素的原子结构绘制成图形，则可以
看到随着原子序数的递增，质子的数目增加，电子数目也随之
增加。在周期表上，最外壳层有相同数目电子的那些元素被排
在了同一纵列。这样，哪些元素具有相似的性质，一看周期表
便一目了然了。
钠 镁
想了解更多！更准确地描述原子……
根据“量子力学”这一物理学理论，实际上，电子并不是在有明确界
线的区域内运动，也并不是粒子的形状。研究认为，电子像一片云状物分
散在确定的区域内。1个电子在该区域内可以出现在无数个地方。“云”厚
的地方表示电子“存在概率”高的地方。在整个原子中，多个电子“云”
相互重叠，形成了一个大的球状云。
原子核 1族的性质 2族的性质
整个原子
价电子数：1 价电子数：2
d轨道的例子
最外层只有1个电 最外层有2个电子。
s轨道的例子 p轨道的例子 子。这个电子容易 这两个电子容易失
失去，使原子成为 去，使原子成为2
1价正离子。 价正离子。
※：轨道名称请参照第92页。 电子云
90电子的排布方式
电子
壳层 电子分别位于原子核周围
的不同壳层（电子壳层）上。
从内侧起，各电子壳层依次叫
原子核
作K壳层、L壳层和M壳层
K壳层 等，而每一壳层能容纳的最大
L壳层
电子数目分别是2个、8个和
M壳层
18个。左侧图解仅为示意图，
真实的原子，其原子核的大小
只有原子大小的10万分之1。
Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og 18族
最外层电子决定元素的性质
氦
位于同一纵列（族）的元素，它们的最外壳层具有相同数目的电子（价电子）。
这些价电子参与化学反应，是把分开的原子结合在一起的“黏合剂”。因此，价电
子数相等的元素，化学性质大多相似。第1～17族的元素，它们原子的最外壳层
尚有“空位”，因此能够发生各种化学反应。然而第18族的元素（稀有气体），最
外壳层的所有“席位”均有电子，因此难以同其他原子发生反应。
13族 14族 15族 16族 17族
硼 碳 氮 氧 氟 氖
铝 硅 磷 硫 氯 氩
13族的性质 14族的性质 15族的性质 16族的性质 17族的性质 18族的性质
价电子数：3 价电子数：4 价电子数：5 价电子数：6 价电子数：7 价电子数：8
最外层有3个电子。 最外层有4个电子， 最外壳层尚缺少3 最外壳层尚缺少2 最外壳层尚缺少1 最外壳层全部“席
这3个电子容易失 因此能够与其他原 个电子，因此容易 个电子，因此容易 个电子，因此容易 位”都被电子占
去，使原子成为3 子形成4个共价键。 从外部夺得电子而 从外部夺得电子而 从外部夺得电子而 据，难以同其他原
价正离子。 成为3价负离子。 成为2价负离子。 成为1价负离子。 子发生反应。
91铁和铜性质相同，好像和我们的常
让门捷列夫困惑的
识不同。其实，两者都有很高的熔
过渡元素
点，能够同氧形成好几种化合物，
一群元素
它们的确具有相似的化学性质。
可是，门捷列夫在当时并不知
在一般情况下，电子总是先占 事实是，有时候内侧电子壳层 道有电子的存在，他对于今天被称
据原子内侧的电子壳层。因 还没有被填满，电子就进入了外侧 为过渡元素这一群元素感到十分难
此，随着原子序数递增，最外壳层 壳层。在这种情况下，原子序数不 办。于是，他其实是把这些原子量
的电子数目应该随之增加。前两页 同，电子的数目也不同，然而在最 增加而性质却不改变的元素看作特
所介绍的那些元素，它们在周期表 外壳层上却始终只有一个或两个电 殊的一组，另列为一类。
上的排列遵循的就是这个规律。但 子，几乎不发生变化。这样一批元 现在的周期表，则是把这一批
也有一群元素，原子序数增大，电 素被排列在周期表的中间区域（第 性质相似的元素安排在中间位置，
子数诚然是随之增加，可最外层 3～11族），它们的化学性质大致 仍然按照原子序数（质子数）增加
的电子数目却保持不变。这是为 相同，被称为“过渡元素”。 的顺序排列。
什么？ 例如，铁和铜就是过渡元素。
M壳层有9个空位 M壳层有8个空位 M壳层有7个空位 M壳层有5个空位 M壳层有5个空位
钪 钛 钒 铬 锰
M壳层
N壳层
电子壳层再分为不同的轨道
K壳层（额定电子为2）
电子存在于原子核周围分隔开来的各个
…1s轨道（额定电子为2）
电子壳层上。这些电子壳层又有不同的“电
L壳层（额定电子为8） 子轨道”。K壳层有一条1s轨道；L壳层有
…2s轨道（额定电子为2） 2s和2p两条轨道。越向外，电子壳层上的
K壳层 L M N 2p轨道（额定电子为6） 轨道数目越多。加在轨道名称前面的数字，
壳层 壳层 壳层
M壳层（额定电子为18） 表示所在壳层的从最内层开始的序号。左侧
…3s轨道（额定电子为2） 图解标出了这种表示法。
原子核
3p轨道（额定电子为6） 电子的排布方式，如对于氦，则用
3d轨道（额定电子为10）
“1s2”表示。这里的右上角数字，表示在
N壳层（额定电子为32） 1s轨道上有两个电子。根据如此表示的各
…4s轨道（额定电子为2） 种元素的电子排布，可以知道有电子的最外
4p轨道（额定电子为6） 电子壳层是哪一个壳层，并由此推测该元素
4d轨道（额定电子为10）
的性质。
4f轨道（额定电子为14）
92想了解更多！
4f 电子究竟如何排布
4d 作为一个例子，左侧图解绘出
了钪（Sc）原子内电子排布的示
4p
意图，以说明电子是如何占据“电
子轨道”上的“席位”的。电子先
3d 4s N壳层
（第4电子壳层）
占据K壳层的1s轨道，接着依次
3p M壳层 占据L壳层的2s轨道和2p轨道。
3s （第3电子壳层） 但是，在接下来的M壳层，电子
在占满了3p轨道之后却不去占据
2p 同壳层的3d轨道，而是径直进入
下一个N壳层的4s轨道。这种内
2s L壳层（第2电子壳层）
侧轨道尚未填满，电子就占据外侧
钪（Sc）的电子排布： 轨道的电子排布方式是过渡元素的
1s K壳层（第1电子壳层）
1s22s22p63s23p63d14s2 特征。
M壳层有4个空位 M壳层有3个空位 M壳层有2个空位 M壳层没有空位 M壳层没有空位
铁 钴 镍 铜 锌
注： 锌元素（Zn）的内侧各层已
经被电子填满，不能算作过渡元
素。为做比较，也在这里绘出。
最外壳层上的电子数目基本相
同的一组元素
一般说来，电子总是从内向外，先占据靠近
原子核的电子壳层上的可占据“席位”，然而过
渡元素却是例外。跨页图解绘出了原子序数为
21～30的元素（从钪到锌）的电子排布图（示
意图）。随着原子序数的增加，尽管内侧电子壳
层（M壳层：黄色）还有空位（白线圆圈），电
子却已经开始占据外侧的电子壳层（N壳层：红
色）。这些元素最外壳层（N壳层：红色）上的
电子数目基本相同，因此它们虽然不属于同一
Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
族，却具有相似的性质。
93原子序数大了一个，原子量反而减小的
原子量
与同位素
“逆转现象”
原则上来说，元素的原子序数 1912年，索迪宣布，即使是 大多数碘原子的原子核都是“质子
（质子数）越大，原子量也越 相同的元素，也有重量不同的原 53+中子74（合计为127）”。
大。不过，现在的元素周期表中， 子，并把这种原子称作“同位素 发明了元素周期表的门捷列夫
却有4个地方出现了原子序数大 （isotope）”，意思是尽管重量不 也为这种逆转现象感到苦恼。当时
了一个，原子量却减小的“逆转现 同，但位于元素周期表的同一个位 （19世纪后半叶），人们还不知道
象”。这就是氩（Ar）与钾（K）、 置（是同一种元素）。 同位素的存在，也没有原子序数的
钴（Co）与镍（Ni）、碲（Te）与 20世纪30年代，研究发现原 想法，因此，门捷列夫就按照原子
碘（I）、钍（Th）与镤（Pa）。 子核是由质子和中子构成的，进而 量的顺序进行排列。如果在纵列排
发现同位素的重量差源自中子数的 布性质相似的元素，原子量重的碲
即使是相同的元素，也有 不同。例如，如右页图所示，天然 在周期表中的顺序总是排在前面。
重量不同的原子 氖（Ne）是由3种同位素按照一 门捷列夫对自己的元素周期表的正
定的比例（丰度，又称天然存在 确性深信不疑，因此，他认为原子
出现这种逆转现象的原因在于 比）混合而成的。在反映天然丰度 量是错误的，要求重新测定碲和碘
“同位素”。同位素是由英国化学家 的基础上，测定氖的原子量，其数 的原子量。
弗雷德里克·索迪（1877～1956） 值是20.18（计算方法请参照右页
发现的。他发现铀（U）的原子核 下方）。
不稳定，可以裂变为其他元素（放 在元素周期表上出现逆转现
射性裂变）。在持续的研究过程中， 象的碲（原子序数52）的原子量
索迪发现了与铀裂变生成的新元素 是127.6，碘（原子序数53）的原
非常相像的元素。虽然这种元素与 子量是126.9。这是因为碲的重同
已知元素的重量不同，但性质几乎 位素[质子52+中子78（合计为
相同。 130）]等所占的比例很大，而绝
原子量的逆转
在按照原子序数（质子数）的顺列排列的元素周期表的4个地方，原子序数大了一个，原子量却减小了。
Ar K Co Ni Te I Th Pa
18 19 27 28 52 53 90 91
原子量…39.95 39.10 58.93 58.69 127.6 126.9 232.0 231.0
同位素的表示方法
表示同位素时，要在元素名称的 质量数
后面加上质量数。例如，由1个质子 =质子数+中子数
和2个中子构成的氚表示为“氢- 3”。 3H
用符号表示时，要在左上方加上质量
1
数，写成“3H”。不过，同位素中丰
Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og 度最高的原子（以氢为例，是氢- 1） 原子序数
通常都会省略数字。 =质子数
94质子 10个
中子 10个
氖的同位素1
质量数：20
天然丰度：90.48%
质子 10个
中子 11个
氖的同位素2
质量数：21
天然丰度：0.27%
质子 10个
中子 12个
氖的同位素3
质量数：22
天然丰度：9.25%
氖的原子量计算方法
同位素1 同位素2 同位素3
原子量
（20×90.48%） + （21×0.27%） + （22×9.25%）
＝ 20.18
100%
95原子序数增加，电子的数目也
原子半径是否随原子序数
随之增加。想来，原子的半径好像
原子的半径
也应该随之变大。实际情况并非如
增加而变大？
此。原子序数增加，也就是原子核
内的质子数目增加了，原子核有了
不同元素的原子的大小如何？ 式绘制的两个周期表（下图和右页 更多的正电荷。这样，原子核对电
周期表上的元素是按照原子 上图）。这两个周期表都形象地表 子的引力也相应增大，其作用是使
序数（质子数目）做顺序排列，想 现了各种元素的原子的相对大小， 整个原子的体积变小。
来会有读者猜测，原子的大小大概 可以清楚地看出原子的半径并不随 电子怎样排布，取决于原子核
应该是越来越大。事实并非如此。 原子序数而增大。 正电荷对它们的影响。比如，第1族
如果把周期表上位于同一横行（周 那么，为什么会是这样？原子 元素，除了氢，原子半径都比较大，
期）的元素作一比较，那么，原子 核的大小只有整个原子的10万分 而其他各族元素的原子则各有不同的
序数大的元素，原子并不是更大。 之1，原子的大小基本上只取决于 大小，这就是原子核周围的电子受到
这两页的图解给出了用特殊形 原子核周围的电子。 的引力影响各不相同的缘故。
族
周期
1
各元素符号右下角数字表示
同氢原子比较，该元素原子
的大小是氢原子的多少倍。
原子的大小取决于原子序数吗？
5.07 3.70 在这个元素周期表上用电子的排布图（圆形图）
显示了原子的大小。各元素的原子大小是依据同一元
素的原子彼此结合在一起时其中一个原子所显示的半
径绘制的。电子的排布图还绘出了电子的轨道。在周
期表上位于同一横行的元素，随着原子序数的增加，
6.20 5.33 即使电子壳层的数目增加了，原子的半径也未必变大。
7.70 6.57 5.43 4.83 4.37 4.17 3.73 4.13 4.17
8.23 7.17 5.93 5.30 4.77 4.53 4.50 4.43 4.50
8.87 7.23 5.20 4.77 4.57 4.57 4.47 4.53
96各元素的大小
一目了然
在右侧的图解中，各
立柱的高低代表原子的半
径。看这个立体周期表，
可以对所有原子的相对大
小一目了然。显然，不同
元素的原子大小是不相同
的。例如，氢（H，右下
角），它的原子半径比其他
元素的原子都要小，所以
用氢气填充气球，氢气容
易渗出气球壁跑掉，使气
球缩小变瘪。
4.67
2.70 2.57 2.47 2.47 2.40 5.13
4.77 3.90 3.67 3.47 3.30 6.27
4.17 4.17 4.27 4.43 4.07 4.10 4.03 3.90 3.80 6.73
4.50 4.60 4.80 4.97 5.43 4.70 4.83 4.57 4.43 7.20
4.53 4.63 4.80 5.00 5.67 5.83 5.2 5.57
97各种不同离子背后的规律性
离子定律
我们现在再来看更多的离子。 子。从这些结构示意图上也可以看 么规律呢？
这里的图解绘出了不同元素 出，所有的离子，它们的质子数和 这里的关键是“电子壳层”。
的原子和离子的结构示意图，在各 电子数都不相等。那么，当原子变 电子分布在原子核周围的各个电子
个小图中，上侧为原子，下侧为离 为离子时，电子数的增减是否有什 壳层上。我们可以认为每一个电子
离原子核最近的电子壳层
（K壳层）上有2个电子席位
1族 电子
氢 成为阳离子 离原子核第二近的电子壳层
（L壳层）上有8个电子席位
原子核 电子壳层 成为阴离子
离原子核第三近的电子壳
质子数
电子 能够成为阳离子 层（M壳层）上有8个电
电子数1 或阴离子，但比较困难 子席位（M壳层虽然有8 原子核
氢离子 个电子就很稳定，但最多
不能成为离子 可以容纳18个电子）。第
四壳层及更外壳层另有不
+ 注：表列小图只是用来解释原理，
同数目的电子席位。
其中有的元素的原子实际上很难
成为离子。
电子数0
2族 13族 14族
锂 铍 硼 碳
电子数3 电子数4 电子数5 电子数6
锂离子 铍离子 硼离子 碳离子
4-
4+
+
2+ 3+
电子数2 电子数2 电子数2
钠 镁 铝 硅
电子数11 电子数12 电子数13 电子数14
钠离子 镁离子 铝离子 硅离子
4-
+ 2+ 3+ 4+
电子数10 电子数10 电子数10
※ 实际上几乎不会形成这两种离子
98壳层上有数目固定的若干能够被电 离子，它才是稳定的。 变成离子。
子占据的“席位”。我们知道，只 钠原子则与此相反，它的最外 原子的最外壳层上空位的数目
有最外侧电子壳层（最外壳层）上 壳层只有一个电子，还剩有7个空 决定了该原子增、减几个电子会变
的那些席位全部被电子占满，这种 位。在这种场合，去掉这个电子， 成离子。在周期表上，位于同一纵
结构才是稳定的。 使钠原子变成阳离子，它才是稳定 列的元素，它们原子的最外壳层上
例如，氯原子，它的最外壳层 的。而与氖原子类似的那些原子， 大致有相同数目的空位，因此，这
还剩余一个空位，因此，只有添加 它们的最外壳层上的全部席位已经 些元素的原子在变成离子时增减的
一个电子占据这个空位使它变成阴 被电子占满，没有空位，因而很难 电子数目也大致相同。
多一个电子 18族
阳离子 阴离子
+ - 氦
质子数目 电子数目
多于电子数目， 多于质子数目，
离子带正电荷。 离子带负电荷。
如图所示用黄 如图所示用粉 电子数2
色光表示。 红色光表示。
最外壳层（这里为K壳
层）没有空位，难以形
少一个电子
成离子。
15族 16族 17族
氮 氧 氟 氖
电子数7 电子数8 电子数9
电子数10
氮离子 氧离子 氟离子
3- 2- -
最外壳层（这里为L壳
层）没有空位，难以形
成离子。
电子数10 电子数10 电子数10
磷 硫 氯 氩
电子数15 电子数16 电子数17
电子数18
磷离子 硫离子 氯离子
3- 2- -
最外壳层（这里为M壳
层）没有空位，难以形
成离子。
电子数18 电子数18 电子数18
99各种元素“形成离子的难易程度”也可以用
形成离子的
难易程度
立体周期表形象地加以表现
利用立体周期表可以形象地表现元 “正离子”（又称阳离子）。 本页下侧给出的立体周期表显示
素的许多性质。这两页的图解给 一种元素是否容易成为离子（电 的是各种元素的电离能，右页的立体周
出的两个立体周期表，形象地表现了 离）同什么有关呢？例如，一个正离 期表则显示的是元素的电子亲和力。比
各种元素形成离子的难易程度。 子和一个负离子结合在一起（离子 如，从这两个立体周期表立即可以知道
一个原子若在同其他原子的接触中 键），就成为化合物。盐类的化合物 氯（Cl）的电子亲和力比较大（容易获
或获得电子，或者失去电子，使自己的 就是通过“离子键”结合的。由此可 取电子），容易成为负离子。钠（Na）
外壳层上可以占据电子的“席位”全都 见，知道了各种元素成为离子的难易 则是电离能比较小（容易被夺走电子），
被电子占满，那么，这个原子就进入了 程度，便可以大致判断什么元素容易 容易成为正离子。知道了氯和钠两方各
稳定状态。因此，若原子从外部获得带 结合（离子键）而形成化合物。 具有这样的性质，也就不难推断这两种
负电荷的额外电子，它就变成整体带负 元素是否容易成为离子，可以用 元素会如何结合。氯原子从钠原子那里
电荷的粒子，即成为“负离子”（又称 两个指标来表示。一个是交出一个电子 得到一个电子而成为氯负离子（Cl-），
阴离子）。与此相反，若原子将自己的 成为正离子时所必需的能量大小，叫作 钠原子被氯原子夺走一个电子而成为正
电子交给了其他原子，即失去电子，它 “电离能”；另一个是得到一个电子时所 钠离子（Na+），两者之间形成离子键，
就变成了整体带正电荷的粒子，而成为 释放的能量大小，叫作“电子亲和力”。 于是成为化合物氯化钠（食盐）。
表现“电离能”的立体周期表
放出电子
原子核
电子
左下方的元素容易被夺走电子
下图是表现各种元素被夺走一个电子时所需要
的能量大小（电离能）的立体周期表。可以看出，
在此周期表上，从左到右，元素的电离能大致有增
大的趋势。这是因为原子序数越大，原子核所带的
正电荷就越多，最外层电子受到原子核的约束力也
越大，所以电子就不容易被夺走。
100从两个性质可以
了解什么？
容易得到电子
Na Cl
钠原子 氯原子
盐的晶体
容易失去电子
离子键
若知道原子变成离子
的难易程度，就能知道原
Na+ Cl-
子之间是怎样结合到一起
钠离子 氯离子
的。氯得到钠的电子，生
成氯离子和钠离子，从而
形成离子键，生成氯化钠
NaCl （盐）。
氯化钠
得到电子
原子核
电子 表现“电子亲和力”的立体周期表
右上方的元素容易获得电子
下图是表现各种元素获得一个电子时所释放的
能量大小（电子亲和力）的立体周期表。位于此周
期表右侧的元素容易获得电子（容易夺得电子）而
成为负离子。
1012
想了解更多！中学化学
PART 2
了解元素的
性质
在元素周期表中，性质相似的元素是纵向排列的。
纵向排列的同一组元素称为“族”。在 PART 2
中，我们将了解每组元素的特征，以及占元素周期表
五分之四的金属的性质。此外，PART 2 也将介绍构
成人体的元素及元素在宇宙中是如何诞生的。
104. 碱金属
106. 碳与硅
108. 稀有气体与氢
110. 金属的性质与焰色反应
112. 稀土元素（稀土类）
114. 构成人体的元素
116. 宇宙的元素丰度
102103不能在空气中保存、反应活性特别高的
碱金属
碱金属
在前文概略介绍了周期表的全 钾都是属于这一族的金属，它们质 那么，它们的化学活性究竟高
面情况，接下来，将分别介 地柔软，而且很轻。锂和钠虽然是 到什么程度呢？比如，它们甚至能
绍周期表上各族元素的性质。 金属，但用小刀就能切割。这些碱 够与水发生爆炸反应。在用水打湿
首先来看在周期表最左侧的这 金属的一个特点就是化学活性都非 的纸上放一点钠或钾，马上便会噗
一族（碱金属）的性质。锂、钠和 常高。 地冒起猛烈的火焰。
碱金属能够与水发生剧烈反应
在一张浸湿的纸上放一点碱金属，观察所发生的反应。碱
金属中原子序数越大的元素，反应越剧烈。铷或铯甚至会发生
钠（Na）
爆炸（有危险，不要进行这种实验）。
放在浸湿的纸上，与少量的水反应，马上就
如爆炸一般冒出猛烈的火焰，生成氢气。钠原子
被加热，火焰发出特有的黄色光。
锂（Li）
与水发生稳定反应，没有火焰。
锂（Li） 钠（Na）
能够与空气中 能够与空气中
的水气发生反应， 的水汽发生反应，
必须放在煤油中保 必须放在煤油中保
存。比煤油轻，悬 存。比煤油重。
浮在其中。
铷（Rb）
反应活性非常高，必须保存在密闭容器中。
104既然是要有水才会发生反应， 反应。因此，甚至不能把它们保存 侧已经被电子填满的那个电子壳层
也许有人觉得它们没有什么危险。 在煤油中，而必须保存在抽净了空 就暴露在外面，成了实际上的最外
其实不然。它们甚至能够与空气中 气的密封管内，与空气隔绝。保存 层，这时的原子才处在稳定状态。
的水汽发生反应，所以处理碱金属 这两种碱金属的密封管必须妥善保 化学反应是通过电子的获得或失去
时务必要十分小心。我们不能像其 管好。碱金属就是如此容易发生反 进行的。因为电子容易被其他原子
他大多数化学药品那样把它们直接 应的元素。 夺走，所以化学反应进行得非常
保存在瓶子中。保存锂、钠或钾， 碱金属为什么有这种性质呢？ 快，于是一些碱金属会出现激烈的
必须要把它们浸泡在煤油中。 属于碱金属的元素，其原子的最外 爆炸现象。
原子序数更大的铷和 ，甚至 层只有一个电子。这个电子在被
能够与空气中的水汽和氧发生爆炸 其他原子夺走而失去以后，原子内
钾（K）
在空气中就能发生剧烈
反应，生成氢气。在此过程
中钾原子被加热，发出特有
的紫色光。
Nh Mc Ts Og
3 原子核
Li
锂
电子
11
Na
钠
19
K
碱金属的最外层只有一
钾
个电子，这个电子很容易被
其他原子夺去，因而是非常
容易发生化学反应的一组
37
钾（K） 元素。
Rb
能够与空气中 同是碱金属，原子半径 铷
的水汽发生剧烈反 越大，也就是原子序数越大
应，必须放在煤油 的元素，化学活性越高。这
中保存。 是因为半径越大，外层电子
离原子核越远，越容易被夺 55
Cs
走的缘故。
铯
87
Fr
钫
铯（Cs）
碱金属中化学活性最高的元素。常温下在空气中就能够与氧和水汽发
生爆炸反应，必须放在密闭容器中保存。
105有“四只手”，
能够形成丰富
碳与硅
多彩化合物的
碳和硅
C
有一个在我们周围的物质中发挥着非常重要作
用的元素族，这就是第14族。第14族中
包括有碳和硅，它们所构成的丰富多彩的化合物
遍布整个地球。
第14族元素的最大特点是有4个价电子，也
就是说，它们可以用“四只手”去牵拉各种各样
的原子，与它们结合成化合物。这个特性，使它
们能够形成许许多多有用的物质，生成种类繁多 碳构成了1亿种以上化合物
的晶体。例如，碳可以与氧结合构成二氧化碳， 碳元素有4个价电子，这样它就可以用“四只手”
又可以与氮等元素结合构成氨基酸等有机物质。 来构成各种各样的化合物。碳的化合物，其数量估计超
过了1亿种。不仅如此，碳本身还能够形成多种类型的
许多构成生命的不可缺少的重要物质，其中都是
晶体，如金刚石、制作铅笔芯的石墨等。
以碳为主要成分。
硅同样也可以用它的“四只手”与其他原子
相结合。但是，硅并不是构成生命体的主要成分。
这是为什么？原因之一是硅的氧化物与碳的氧化
物性质不同。生物摄取氧，排放出碳的氧化物
（二氧化碳）。可是二氧化硅作为硅的氧化物，却
是固体。显然，要生物排出这种固体，那是十分
困难的。有研究人员认为，正是由于这种性质上
的差异，结果生命选择了碳，而没有选择硅。
不过，硅却是地球上大量存在的一种元素。 Si
利用它的性质，人们制成了各种各样的工业产品。
我们常见的玻璃，自不用说，我们使用的半导体
产品，如移动电话、太阳电池，甚至日常离不开
的陶瓷用品，无不含有大量的硅。
元素的“手”（化学键）的数目因元素族不同而不同
硅在地壳中大量存在，所占比例位于第二位
硅的价电子数为4，同碳一样也有“四只
手”，能够与其他原子结合为化合物。硅元素在
“手”
第16族（氧等） 第17族（氯等）
地壳中所占的比例大约是27.7％。以硅化合物为
第15族（氮等）
主要成分的矿物也非常多，其中以水晶矿和石英
一种元素的原子与其他原子相结合的方式取决于最外层电 矿最为著名。硅也是作为硅的氧化物的硅胶和石
子。除了第14族，其他元素族能够参与结合的“手”都比较少，
棉的主要成分。以硅为主要成分的玻璃、陶瓷和
因而可以与之结合的原子数目也较少，而且自身能够形成的晶体
半导体，更是我们广泛使用的物质。
结构类型也不多。
106Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
氨基酸
碳
二氧化碳
6
C
碳
氧 实际的分子构造请
碳，生命的重要元素 碳 ＊ 详见第164页。 14
Si
如果没有碳，就不会有生物。首先，构成身体的蛋白质就是以碳为 硅
主要成分的氨基酸组成的。氨基酸不仅组成蛋白质，还直接参与调节生
物体内的各种生命过程。而且，二氧化碳还在植物获取能量的过程中发
32
挥着重要作用。
Ge
锗
硅是制造许多工业产品用到的元素之一 50
高纯度的硅具有半导体的性质。利用这种性质，在其中掺入 Sn
砷或硼则可以制造出半导体太阳电池，把太阳光的能量转化成电 锡
能。在移动电话等电器中也大量使用了硅制成的半导体。此外，
高层楼房的窗户，为了保证气密性，也要用到大量的含硅密封胶。
总之，现代社会离不开硅元素。
82
Pb
铅
硅
氧
二氧化硅
107难以同其他任何
稀有气体
元素发生反应的
与氢
“稀有气体”
周期表上位于最右侧的元素族是“稀有气体”，
这个元素族内元素的特点是难以同其他元素
发生化学反应。之所以如此，是因为这些元素具
有特殊的电子排布方式。稀有气体的电子壳层没
有“空位”，电子已经填满了电子壳层上的所有“席
吸入稀有气体对人
位”。因此，原子无须交出电子或获得电子就已经十
体无害
分稳定，不必与其他原子发生反应。 氦或氩这样的稀有
气体，即使被吸入人
氢气是由两个氢原子结合而成的分子。稀有气
体，由于不会与体内物
体的一个原子就已经很稳定，因此，它的气体分子
质发生反应，基本上不
也就是一个一个独立的原子。稀有气体把分子相互 会产生危害。
结合在一起的那种力（分子间力）非常小，所以难
以成为固体或液体。也就是说，它们的沸点和熔
点都非常低。例如，氦的熔点是-272.2℃，沸点 深海潜水用的氧气瓶
是-268.9℃，是所有元素中最低的。
稀有气体的这种难以参与化学反应的性质有许
多的应用。例如，氦气比空气轻，接触火也不会燃
烧，常常就被用作飞艇和热气球的充气气体。在深
海潜水作业中，为了增大体内的压力，通常是在供
潜水时用来保护身体
潜水员呼吸的氧气中混入一般说来对人体无害的氮
潜水时用高浓度氧供人呼吸会有危害，因此通常都要在
气，但是，氮气一旦溶解进血液中，也会对人体造 氧气瓶中加入氮气。但是，当潜水深度超过10米，水的压
力非常大时，氮会溶解到血液中。在这种情况下，如果潜水
成伤害（潜水病）。稀有气体进入人体不会与体内的
员快速上升到水面，溶解在血液中的氮就会逸出变成气泡，
物质结合，因而不会产生不利影响。在深海潜水所
这将损害人的大脑。如果在深海潜水所使用的氧气瓶中，不
使用的氧气瓶中混入氦或氩，则可以避免潜水员患 用氮，而是混入不容易溶入血液中的氦或氩这类稀有气体，
则可以避免患潜水病。
潜水病。
改变声音的气体
有一种叫作“变声气体”
的有趣气体，先吐气，再吸入
变声气体
这种气体，发出的声音便会改
变。这种气体的主要成分就是
氦。人发声，是靠声带振动带
动空气振动的结果。若声带附
近充满了变声气体，当声带振
动时，这种气体的振动会同空
气的振动不一样，从口中传出
的声波也会不同，于是听到的
就是另一种嗓音。氦气不会与
体内物质发生反应，因此使用
变声气体是安全的。
108延长电灯泡寿命
白炽灯灯泡的发光原理，是电
流通过钨丝产生大约2000℃的高温
而发光。钨丝与氧结合，会使熔点
降低而挥发，寿命自然就不会长。
实际的灯泡内充满了氩气，防止钨
与氧结合，这样就延长了灯泡的使
Nh Mc Ts Og
用寿命。
荧光灯
氦接触火也 2 电子
He
不会燃烧
氦
原子核
10
Ne
氖
18
Ar
氩
36
白炽灯灯泡
氦不会燃烧 Kr
氪
氦的反应活性非常低，接触火也不会燃
烧。由于不与其他原子结合，根本就不存在
氦的化合物。它比空气轻，所以被用作为飞
艇和热气球充气。
54
Xe
与稀有气体性质正相反的氢
氙
爆炸的氢气
86
Rn
氢分子
氡
各壳层均填满了电子
稀有气体的各电子壳层
都填满了电子，不必夺取电
氨 水 子或丢失电子就十分稳定，
所以基本上不与其他原子发
氢的爆炸式燃烧 生反应。
氢比氦要轻，反应活性却非常高，平时以分子（H）形式存在。氢气在
2
空气中接触到火，立即就会爆炸式燃烧。氢既容易夺得一个电子，也容易失
去一个电子，与电子壳层被填满的氦正相反，非常容易与其他原子结合。因
此，氢可以与氧结合形成水，与氮结合形成氨，实际上，几乎可以与稀有气
体之外的所有元素结合而形成不同化合物。
109金属的性质
金属为什么具有那些独特的性质？
与焰色反应
仔细查看周期表，会发现有五 到锤打时所显示的延展性质。锤打 现这种现象？
分之四的元素都是金属。那 金属，在原子层面上，金属原子被 事实上，把溶解有金属的水溶
么，什么是金属呢？ 强制移位，离开了原来的位置，但 液滴洒在火中，溶液中的金属元素
金属是许多原子通过“自由电 由于存在自由电子，这些电子也立 就会发出该元素所特有的光线。这
子”结合在一起，显示出某些特 即移动，结果仍然能够把已经错移 种现象叫作金属的“焰色反应”。
殊性质的物质。这里所说的自由电 了位置的原子连接为一个整体。对 用实验引起焰色反应是辨别金属元
子，顾名思义，是指能够在许多金 金属施力，能够使其中的许多原子 素的方法之一。例如，根据这个
属原子之间自由运动的电子。金属 都发生移位，这就是金属的形变。 原理，还可以查明太阳含有哪些
原子结合在一起，其电子壳层互相 总之，由于存在着自由电子，金属 元素。
交叠，使得所有原子的电子壳层都 受力之后并不碎裂开来，只是延展 焰色反应最明显的例子是锂、
连接在一起。 变形而已。 钠和钾等这些“碱金属”元素。它
通常存在于一个特定原子核周 们在普通喷灯的火焰温度就可以出
围的电子，其中有一部分会在连接 现焰色反应，而且发出的分别是红
焰色反应与金属元素
在一起的电子壳层之间转移，从而 色光、黄色光和紫色光等，都在可
能够在整个金属块内自由运动。分 见光波长范围。
散的金属原子就是通过这些电子的 燃烧天然气烹饪时，如果有汤 五颜六色的节日焰火，利用的
自由运动而结合成金属块。 汁溢出流到火里，火焰立即就变为 就是焰色反应。在烟花火药中掺进
自由电子的存在如何使金属具 黄色。这是因为锅中汤汁加入了食 钠，就得到黄色光；掺进锶得到红
有那些特殊性质呢？比如，金属受 盐（氯化钠）的缘故。为什么会出 色光；掺进铜得到绿色光；等等。
钠发出黄色光
钠原子只有一个价电子，位于原子最外侧的轨道（3s轨道）上。钠被加
产生焰色反应的原理
电子无论得到能量还是失去能量， 热，这个价电子获得能量，跃迁到相隔最近的上（外侧）一条轨道（3p轨道）。
都会改变电子轨道。在焰色反应中， 处在这个位置的电子的状态是不稳定的，不久就又回到原来的轨道。这时，钠
先是电子获得热能，从内侧轨道迁移 原子就发出很亮的黄色光。黄色光所具有的能量正好等于价电子原来轨道与它
（跃迁）到外侧的另一条轨道。跃迁到 一度跃迁到的新轨道之间的能量差。有时，价电子也能跃迁到更外侧的一条轨
新轨道的电子是处在一种不稳定的状 道（4p轨道），在这种场合，电子回到原来轨道时发出的就是紫外线。不过紫
态，它随即就会跳回原来的轨道。电 外线不是可见光，我们的眼睛看不见。
子在回到原来轨道时，就会以光的形
式向外释放出同它原来获得的大小一
样的能量。这种以光的形式释放的能
2
量的大小随元素不同而不同，于是检 黄色的光
测放出光的波长，就可以知道引起焰
色反应的发光物质是哪一种元素。 1
1'
3s轨道
用白金（铂）丝蘸上金属的氯化物或
其他化合物的水溶液，插入喷灯的火
3p轨道 2'
苗中，就能够看到金属固有的颜色。
紫外线
铂 4s轨道
110 4p轨道金属的性质是由自由电子决定的
下面图解用示意方式绘出了许多金属原子的
电子壳层互相交叠，把原子连接在一起的情形。
自由电子在连接起来的电子壳层之间移动，从而
能够在原子之间自由运动。正是有这些自由电
子，金属才显示出那些金属特有的性质。
Nh Mc Ts Og
自由电子
自由电子
电流
金属为什么能够导电？
原子核
电流是电荷的流动。金属中带负电荷的自由电
子能够移动，把电荷从负极运送到正极。因此，即
使是固体的金属也能够通过电流。
自由电子
发出的光
光 锤打
变形
自由电子
锤打使金属延展变薄
金属为什么有光泽？ 金属受力，原子移动位置，自由电子也同时移
动，因而原子之间的联系不会被切断，只是发生了
金属具有特有的光泽，这是自由电子把入射的
错移。所以金属受力后不会破碎，只是变形而已。
可见光几乎全部反射回去的结果。实际的过程是受
到照射的自由电子各自吸收不同波长的光，然后再
金的延展性最好，金可以被锤打成厚度仅有0.0001
自己发光。在外部看来，就是整块金属在反射光。
毫米的薄片。把1克金拉丝，甚至可以得到长3000
米的金丝。
111高科技产品中不可或
稀土元素
（稀土类）
缺的稀土元素
在天文学中也用到了第3族
稀土元素（Rare Earth：稀土类）是17种元素
的统称，是指原子序数21的钪（Sc）和原子
序数39的钇（Y），再加上从原子序数57的镧（La）
到71号元素镥（Lu）的15种镧系元素。
稀土元素中的15种镧系元素经常从周期表中
分离出来单独列出，这是因为它们的内部结构非常
奇妙。
电子从离原子核近的电子层开始依次排列。不
过，有些元素“反其道而行之”——尽管靠内的电
子层尚未填充满，依然有“空位”，电子却先填充到
外侧的电子层（n），之后才填充到次外层（n-1）。
望远镜中的“高性能透镜”
这就是第92页介绍的“过渡元素”。
镧被用来制造望远镜中的透镜。含有镧的透
镧系元素的特殊之处在于，电子不仅会进入次 镜能够减少波长不同的光波通过透镜时折射率不
外层（n-1），还会进入更靠内的电子层的“空位”。 同的现象。
电子从最外层（n）进入从外向内第三层（n-2）的
电子层的元素就是周期表的“脱离者”——镧系元
素※。虽然各种镧系元素内部的电子数不同，但与
很多化学反应相关的“最外层的电子数”是相同的， 利用了稀土元素的日常用品
因此，它们的化学性质非常相似。
这样的原子内部结构造就了镧系元素特有的性
质。例如，钕（Nd）和镝（Dy）之所以能成为强磁
铁材料，是因为其内部的电子层有“空位”。这样的
话，电子云（第90页）就会变形，铁原子的方向变
化会被“封锁”，原子的方向不容易分散。此外，镧
系元素还具有发光性质。如果位于从外向内第三层
（n-2）的电子层中的电子接收到来自外部的强大能
量的话，就会“跳跃”到同一电子层的空位上。之
后，当其返回原来的位置时，就会发光（荧光）。利
用这一性质，镧系元素可用作彩色电视机或荧光灯
的变色材料。
※ 镧系元素下面的锕系元素的电子也会填充
到从外向内第三层（n-2）的电子层中。
112Nh Mc Ts Og
高音质“扬声器”
目前磁性最强的磁体是
钕磁体。在扬声器内，是依
靠通过音圈的声频电流产生
的交变磁场推动磁体振动而
发出声音。磁体磁性越强，
发出的声音才会越好。
磁体 线圈
混合动力汽车的发动机
声音 混合动力汽车的发动机
中，加入了镝（Dy），使用了
可提高耐热性的内燃机磁铁。
吸引或排斥
发动机
钕的内部构造
O壳层 P壳层
在N壳层的
4f轨道中，电子
先进入O壳层、
彩色电视机的“显示器”
P壳层后，才进
彩色电视机能够通过红、蓝、绿 入该轨道，其中
三原色的组合而显示丰富的颜色。这 有4个电子。
其中的红光，就是由铕（Eu）发出
的；绿光是由铽（Tb）发出的。
N壳层的其
他轨道的情况
113我们的身体是由不同
构成人体
的元素
元素构成的
人体的98.5%是由区区6种元 人体也含有极其微量的汞 标摄入会对人体有害的元素（体
素（氧、碳、氢、氮、钙、 重60千克的人，其体内含量约为
磷）构成的。我们体内的氨基酸、 1745年，金属元素是人体不 几毫克至几十毫克）。虽然现在尚
蛋白质、核酸（DNA等）、脂肪等 可或缺的元素首次得到确认。一位 没有证据证明这些元素是人体不可
几乎都是由这6种元素组成的。 叫作门吉尼的意大利医生发现，血 或缺的（如负责某项功能），但也
水（H O）约占人体的70%。 液燃烧后的残余物能被磁铁吸附， 有研究者认为它们是人体必需的
2
氧是水的构成要素之一，构成身体 这是第一次注意到人体内含有金属 元素。
的蛋白质与核酸也需要氧。此外， 元素。
肺吸入的氧可溶到血液中，供给全 此外，人体内也含有极其微量
身的细胞。 的汞（Hg）和砷（As）等这样超
接下来，依次是碳（C）、氢
（H）、氮（N），它们也是人体构
成物质（如蛋白质与核酸等）的
重要材料。钙（Ca）主要用作骨
构成人体的
元素名称 体重60千克的
骼的成分，磷（P）主要用作核酸 元素一览表 分类 占比
（黄色为人体必需的元素） 人体中的含量
的成分。这6种元素约占人体的 包括微量元素在
O 氧 65 % 39 kg
内，表格展示了更详 C 碳 18 % 11 kg
98.5%。构成人体的元素和构成地
细的内容，根据含量 多量 H 氢 10 % 6.0 kg
球的元素一样，追根溯源，都是在 元素 N 氮 3 % 1.8 kg
多少，分为多量、少
Ca 钙 1.5 % 900 g
宇宙空间或恒星的诞生与死亡（爆 量、微量、超微量元 P 磷 1 % 600 g
发）过程中产生的元素（详见第 素。右表中用黄色标 S 硫 0.25 % 150 g
K 钾 0.2 % 120 g
注的元素是指人体必 少量
116页）。 元素 Na 钠 0.15 % 90 g
需的元素。从图中可 Cl 氯 0.15 % 90 g
人 体 也 含 有 铁（Fe）、 锌 以看出，尽管有些元 Mg 镁 0.05 % 30 g
Fe 铁 ─ 5.1 g
（Zn）等金属元素。而且，研究发 素的含量极小，但也
F 氟 ─ 2.6 g
是人体不可或缺的。 Si 硅 ─ 1.7 g
现，某些特定的金属元素是维持人
Zn 锌 ─ 1.7 g
体正常功能所不可或缺的元素（参 微量 Sr 锶 ─ 0.27 g
元素 Rb 铷 ─ 0.27 g
照本页表格）。 Br 溴 ─ 0.17 g
Pb 铅 ─ 0.10 g
例如，成人体内大约含有5克
Mn 锰 ─ 86 mg
铁，主要包含在红细胞中能与氧结 Cu 铜 ─ 68 mg
Al 铝 ─ 51 mg
合的蛋白质（血红蛋白）中。众所 Cd 镉 ─ 43 mg
Sn 锡 ─ 17 mg
周知，如果缺铁，血液输送氧气的
Ba 钡 ─ 15 mg
Hg 汞 ─ 11 mg
能力就会下降，易导致贫血。
Se 硒 ─ 10 mg
此外，铜与细胞内生成能量的 超微量 I 碘 ─ 9.4 mg
元素 Mp 钼 ─ 8.6 mg
反应密切相关，铬可以增强胰岛素 Ni 镍 ─ 8.6 mg
B 硼 ─ 8.6 mg
（调节血糖值）的作用。
Cr 铬 ─ 1.7 mg
As 砷 ─ 1.7 mg
Co 钴 ─ 1.3 mg
V 钒 ─ 0.17 mg
备注：1mg = 0.001g
114人体内必需的微量元素
含量仅在0.01%以下，尽管如此，许多微量元素也
是人体所必需的。周边的框图将对它们分别加以介绍。
锌（Zn）
Nh Mc Ts Og
乙醇 乙醛
锰（Mn）和硒（Se）
消除有害的活性氧积累，参与解毒反应。
肝脏内含有锌的“乙醇脱氢酶”能够分解酒精。 钴（Co）
维生素B 的成分之一，参与体内的制糖活动。
2
碘（I）
甲状腺激素
包含在甲状腺分泌的甲状腺激素中，调节体温。
铜（Cu） 线粒体
细胞色素氧化酶
能量
电子
包含在“细胞色素氧化酶”中，参与产生能量的反应。
铬（Cr）
脂肪细胞
包含在“低
胰岛素 分子铬聚合物”
中，协同胰岛
素发挥作用，以
促进细胞对糖的
胰岛素 吸收。
受体
低分子铬聚合物
钼（Mo） 关节
铁（Fe）
黄嘌呤 尿酸
红细胞
包含在红
细胞的“血色
黄嘌呤氧化酶 素”中，参与
体内氧的输送。
包含在“黄嘌呤氧化酶”中，产生活性氧和尿
酸。后者会导致患退化性关节炎和痛风。
115宇宙的 宇宙中 99.9% 的元素都是氢和氦
元素丰度
宇宙中元素的存在比例统称为 高达99.9%。 分散的原子核与电子结合到一起，
“宇宙的元素丰度”。下图汇 宇宙中存在如此多的氢和氦， 从而诞生了原子。
总了以地球上存在的元素为首的、 被视为宇宙始于温度极高、密度 元素丰度呈Z字形。质子数为
包括坠落到地球上的陨石中所含的 极大的炽热宇宙——宇宙大爆炸 偶数的元素比相邻的质子数为奇数
元素，以及太阳和其他恒星上的元 （big bang）——的证据之一。研 的元素多。这是因为质子成对的元
素的种类和丰度（相对个数）。19 究认为，电子、质子（氢核）和中 素更稳定，如果有不完整的核子就
世纪之后，科学家借助光谱分析确 子是在大爆炸发生后的大约10万 容易发生变化。质子的性质影响着
定了太阳和恒星中的元素丰度。 分之1秒内诞生的。大约3分钟后， 宇宙中的元素量。
图表的横轴是原子序数，纵轴 宇宙的温度降低到大约10亿℃，
是丰度。从图中主要可以了解到： 四处分散的质子和中子结合到一
氢和氦格外多，随着原子序数的增 起，从而诞生了氦和锂等较轻的原
大，元素的丰度越来越小。实际 子核。接下来，大约38万年后，
上，在宇宙中，氢和氦的整体占比 宇宙的温度降低到大约3000℃，
丰度
（相对个数）
H（氢）
1
1010 He（氦）
2
（100亿）
109
（10亿）
O（氧）
108 6 C（碳） 8 Mg（镁）
（1亿）
10
Ne（氖） 12
107 14 Si（硅） 26 Fe（铁）
（1000万） 16S
N（氮）
（100
1
万
0
）
6 7 18Ar 20Ca 28Ni
105 13Al
24Cr
（10万） 22Ti
104 11 Na（钠） 15P 25Mn 30Zn
（1万） 17Cl 19K
（10
1
1
0
0
0
0）
3
2
3Li
5B
9F
23V
27Co
29Cu
32Ge
34Se 36Kr
38Sr
40Zr
46Pd
（100） 21Sc 31Ga 42Mo 44Ru
10 33As
35Br
37Rb 39Y
1 4Be 41Nb
元素符号左下角的数字表示原 45Rh
10-1
子序数。
（0.1）
10-2 ※ 原子序数43的Tc（锝）很容易衰变，因此
（0.01） 几乎不存在。
10 20 30 40 50
116氦核
夸克
氚核
氦原子
电子
中子
Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
质子 氘核 氢原子
质子
正在变成巨星的恒星
中子
红巨星
各种元素是如何诞生的？
形成了碳等
在宇宙诞生初期，形成了氢和氦等轻元素，后来，由
于恒星的诞生与死亡（超新星爆发）形成了更重的元素。
恒星内部发生的核聚变反应孕育了到铁（原子序数
26）为止的元素（通过s过程这一反应，有时恒星内部 碳·氧 硅
也会形成更重的元素。这种情况下形成的最重的元素是原 氧·氖·镁 铁
子序数82的铅）。之后，恒星走到生命的尽头，发生爆 氦
炸（超新星爆发）时，爆炸的能量合成了比铁更重的元 氢
素。就这样，利用散布在宇宙中的元素，形成了下一代的
恒星。
太阳作为某一代的恒星诞生于大约46亿年前。太
阳诞生时，在原始太阳的周围形成了由气体和尘埃组成
的“圆盘”，包括地球在内的行星都是由这个“圆盘”形
成的。
超新星爆发
丰度图呈Z 字形
想了解更多！原子核的幻数
下图表现的是宇宙的元素丰度。各种元素的丰度是指
硅的个数为106（100万）时的相对个数。图表的纵轴每增
研究发现，质子或中子数为2、8、20、28、50、82、
126、184的原子丰度有高于周围原子的倾向。这些数字称
加一个刻度就会增大10倍，因此，即使图上的差距看起来
为“幻数（魔数）”。具有“幻数”数目的质子或中子的原子
很小，实际上也会出现极其悬殊的差异。从图中可以看出，
核的结团非常紧密和稳定。实际上，这种性质与“电子数
原子序数为偶数的元素的丰度普遍比序数为奇数的元素大。
为2、10、18、36、54的稀有气体元素很稳定”非常相似。
由此可以推断，被认为只是粒子集合的原子核可能也存在类
似电子云的群子结构。
48Cd
50Sn 52Te 54Xe 56Ba
82
Pb（铅）
58Ce
60Nd
62Sm 64Gd 66Dy 68Er 70Yb
72Hf 74W
76Os
78Pt
80Hg
47
4
A
9I
g
n
（银
51
）
Sb
53I
55Cs 57La 59Pr
63Eu 65Tb 67Ho
69Tm 71Lu 73Ta
75Re
77Ir
（
79
金
Au
）
81Tl 83Bi 90 Th（钍）
92
U（铀）
※ 原子序数为61的Pm（钷）容易衰变， ※ 原子序数为84～89及91的元素容易
因此几乎不存在。 衰变，因此几乎不存在。
原子序数（质子数）
50 60 70 80 90
1172
想了解更多！中学化学
PART 3
物质是怎样
结合在一起的？
世界上充满了各种各样的物质，如流动的水、坚
硬的岩石等。而且，即使是同一物质，若改变
温度和压力，其状态也会发生变化。物质是由原子和
分子等粒子组合而成的，物质状态的不同到底取决于
什么呢？接下来，让我们一起探索化学键的机制，了
解物质的构成与性质吧！
120. 原子之间的结合
122. 分子之间的结合①～②
126. 物质的状态变化①～②
130. 气体的状态方程式
132. 固体的结构
118119原子之间的 原子间有三种
离子键
结合
结合方式
盐（氯化钠）
原子间的结合键大致分为离子键、共价键和金
属键三种。原子由原子核与核外电子构成，
电子分层排布在不同的电子层上，而且每个电子
层能容纳的电子数都是固定的。因此，当最外侧
的电子层（最外层）填满电子，处于“闭壳”状
态时，原子最为稳定。
离子键是由失去电子的带正电的阳离子与得
到电子带负电的阴离子通过电性吸引结合而成的
金属键
化学键。由离子键构成的物质大多是金属和非金
属的化合物。例如，我们在生活中经常使用的盐
就是由离子键构成的。
金属键是把金属原子结合到一起，形成金属
晶体的化学键，是由金属原子最外侧的电子在多
个原子之间自由移动而结合到一起的。金属原子
容易释放出电子，变成阳离子。在金属晶体中自
由移动，肩负把金属原子结合到一起重任的电子
称为“自由电子”。
共价键是原子间通过共用电子而结合到一起
的化学键。通过共用电子，确保恰好没有空位。
金
由其中一个原子独自提供电子所形成的共价键称
为“配位键”。
固定种类的原子以固定数量结合到一起，如
果再分割将无法展现该物质特有化学性质的最小
粒子称为分子。稀有气体之外的非金属元素的原
共价键
子通常是通过共价键结合到一起的，大多以分子
的形式存在。在通常情况下，分子是由多个原子
H
1
构成的，但最外层填满电子的稀有气体在一个原
氢原子
氢分子
子状态下作为稳定的粒子运动，可以说是最简单
的分子。
氢分子等很多分子都是通过共价键结合到一起的。
120在离子键中，正负离子相互吸
引，但彼此的电子壳相互排斥，不
会重合。
容易释放 容易得到
11 Na 出电子 电子 17 Cl Na+ Cl-
钠原子 氯离子
氯原子 钠离子
离子键
NaCl
氯化钠
Au
自由电子 79
金原子
最外层的电子在多个原子间自由移动
C
6
碳原子
钻石 钻石中，1个碳原子与其他4个碳原子共用电子。
121水分子靠“氢键”结合在一起
把分子结合到 气态下，水分子是一个一个分开的，但在液态的水和固
分子之间的
态的冰中，水分子依靠氢键相互结合在一起。
结合①
一起的氢键
吸引电子的能力——电负性
原子结合到一起时，原子自身吸引电子的能
原子结合时，一个原子自身吸引电
力（称为“电负性”）因原子的种类不同而
子的能力（电负性）因元素不同而不同。
不同。
下图用柱状的高度表示电负性。
通过离子键结合到一起的两个原子，由于它
们吸引电子的能力有很大差别，因此原子之间会
转移电子，两个原子都变成离子。不过，在彼此
共用电子的共价键中，不同种类的原子结合到一
起时，共用的电子会向其中一个原子偏移，略微
带正电或负电，这种性质称为“极性”。
例如，水分子（H O）是由一个氧原子（O）
2
共价键部分
与两个氢原子（H）通过共价键结合形成的。在氧
的电子云
氢原子 共价键
与氢的结合键中，由于氧原子吸引电子的能力大
共用电子
于氢原子，因此，氧原子略带负电，氢原子略带 电子
δ+
正电。另外，水分子呈“く”形弯曲，从整个分
子来看，也是具有极性的“极性分子”※。
在水分子的集合体（如水和冰）中，水分子 δ− 104.5度
通过负电与正电之间的静电吸引力而结合在一起，
这称为水分子的“氢键”。
能形成氢键的，不只是水分子。氧原子 δ+ 氧原子
（O）、氮原子（N）、氟原子（F）等电吸引力强的
氢原子
原子与氢原子（H）之间有共价键的话，其分子
水分子有“极性”
就会形成氢键。例如，氨（NH ）和氟化氢（HF）
3
水分子是由1个氧原子与2个氢原子通过共享电子
等也是靠氢键结合到一起的。
（共价键）结合而成的。由于两个共价键部分的电子云
掌管生物遗传的分子“DNA（脱氧核糖核
（存在电子的区域，参照第90页）最稳定的角度是104.5
酸）”由结构相同的两条链平行结合在一起，盘绕 度，所以，水分子的角度是104.5度。此外，氧原子会从
成螺旋状的结构。这两条链也是通过氢键连在一
氢原子吸引电子，因此，氧原子略带负电（δ-：德尔塔
负），氢原子略带正电（δ+）。所以，从整体上看，水分子
起的。
是有电荷偏移的极性分子。
※ 如果水分子不呈“く”形，而是呈直线形的话，极性
就会相互抵消，从整个分子来看，就会变成没有极性
的“无极性分子”，就像二氧化碳分子（CO）。
2
122固态水（冰）靠氢键构成了多间隙的六角形框架
一个水分子与四个水分子通过氢键结合在一起，形成正四面体形的结构。而且，正四面体上
的结构连在一起，形成具有六角形框架的晶体。与水相比，冰的空隙较多，可漂浮在水面上。
氢键
液态的水时而形成氢键，
氢键
时而氢键断裂
液态水中，水分子时而与其
他水分子形成氢键，时而氢键断
裂，总在运动。纯净水在4℃时
的密度最大。
123范德瓦耳斯力
范德瓦耳斯力
分子之间的
与分子极性
结合②
作用于所有分子的引力之谜
无论是氧还是氮，其气体在冷 原子对电子的吸引能力相同，所以
却之后都会变成液体或固 基本不存在极性。但如果我们在某
体。这是因为分子冷却之后运动减 个瞬间让时间停止来观察的话，那 氧原子
弱，通过在分子之间发挥作用的引 两个电子位置有可能向一侧偏移
氢原子
力聚集到一起。 （1）。所有分子都会发生这种瞬间
这个引力主要来自在正电荷与 的电子偏移，即产生瞬时极性。于
负电荷之间发挥作用的“静电引 是，就在分子间产生了范德瓦耳
力”。例如，在冰内，形成水分子 斯力。
静电引力
（H O）的氧原子能从氢原子处把 还有一些分子，整体来看不存 （氢键）
2
带负电的电子吸引过来，所以氧原 在极性，但其中的某一部分存在着 冰（水）
子带负电、氢原子带正电，从而产 极性。
生了“极性”。于是静电引力便能 例如，在二氧化碳（CO ）中，
2
在水分子之间发挥作用。 两个氧原子都吸引中间碳原子的电 氢原子
那么，看上去没有极性的氢分 子，于是氧原子带负电，碳原子带
子和二氧化碳又是怎样的呢？冷却 正电。然而与弯折的水分子不同，
之后，这两种物质会分别变为液氢 二氧化碳分子呈直线状，电子同时
范德瓦耳斯力
和干冰，此时发挥作用的引力又是 为两个完全相反的方向吸引。所以
液态氢
什么呢？这种“作用于任何分子 从宏观来看，可以把二氧化碳视作
（氢分子）
的谜之引力”由荷兰物理学家范德 不存在极性的分子。
瓦耳斯（1873～1923）提出的理 但在分子距离很近时，局部的
碳原子
论所揭示，所以被称为“范德瓦耳 极性也能产生分子之间的静电引
氧原子
斯力”。 力，这也属于范德瓦耳斯力。
极性分子还会引起周围分子的
瞬间的极性与局部的极性 极化作用，让原本非极性分子中
的电子发生偏移，从而产生极性
范德瓦耳斯力
现在，我们了解到范德瓦耳斯 （2）。也就是说，极性一旦出现，
干冰（二氧化碳）
力存在的原因是静电引力。那么， 便会不断“传染”，于是就产生了
那些一眼看上去好像不存在极性的 分子间的静电引力。 作用于分子的引力
分子，为何分子间也会产生静电引 由电子偏移所产生的分子瞬时 构成固体或液体的分子相互之间是
力呢？ 极性、局部极性、诱导极性，便是 通过引力结合在一起的。这些引力可以
分为两类，像冰那样的就是静电引力，
以氢分子（H ）为例，两个氢 范德瓦耳斯力的真正成因。
2 如果像氢分子或二氧化碳那样，就是范
德瓦耳斯力。但究其根源，范德瓦耳斯
力也是因极性而产生的静电引力。
124在原子核周围飞来飞
去的电子
原子核
1.氢分子内的瞬时极性
氢原子带有一个电子。两个氢原子结合形成氢分子。
氢原子 氢原子 氢分子中两个原子吸引电子的能力相同，所以看上去不存
在极性。
但实际上，这两个电子在共有的区域内也会在某种程
度上自由地飞来飞去。当两个电子向左侧偏移时，氢分子
的左侧带有负电；两个电子向右侧偏移时，氢分子的右侧
带有负电。像这种电子运动产生的瞬时极性，发生在所有
原子和分子中。
在这里，为了说明起来更简单易懂，我们采用不考虑
量子力学的经典场景来思考原子和分子。
氢分子
电子向左侧偏移的氢分子 电子向右侧偏移的氢分子
2.瞬时极性会“传染”
假设三个氢分子横向排成一行，如果中间的氢
分子出现了瞬时极性（左图上部）。那么，受其极性
的影响，相邻的氢分子也会同样出现瞬时极性（左
图下部）。
这是由正电吸引负电、负电吸引正电的静电引
力性质所致。于是，瞬时极性引发了范德瓦耳斯力，
使分子之间相互吸引。
范德瓦耳斯力
125物质的三态
物质从气态变成
物质的状态 若原子间或分子间适当靠近，会相互吸
变化① 引。原子或分子剧烈运动（温度高）时，就会
液态和固态
摆脱引力，原子或分子会自由地四处纷飞（气
体）。当原子或分子的运动变得平缓（温度降
低）后，原子或分子就会靠引力而聚集在一起
通常，我们表示物体冷热程度的物理量称为 （液体）。当原子或分子的运动进一步变慢后，
原子或分子会因引力而结合在一起，只在原地
“温度”。也就是说，温度越高，分子的运
振动（固体）。
动越剧烈；温度越低，分子的运动越缓慢。不过，
物质的状态发生变化时，会有热量变化。
即便在同一温度下，也不是所有的分子都以同样 例如，冰溶于水时，需要吸收热量。
的速度在运动。同样是20℃的空气，分子的运动
速度也参差不齐。 固体：
原子或分子在原
一般来说，按照温度从高到低的顺序，物质
地振动的状态。
依次处于气态、液态、固态这三种状态（物质的
三态）。
气体是分子以极快的速度飞行的状态。分子
自身可旋转或伸缩振动。根据分子的密度不同，
气体分子之间频繁地碰撞。尽管我们平时不会注
意到，但在我们面前的空气中，氧分子和氮分子
在以每秒几百米的速度四处纷飞，相互不断碰撞。
两次碰撞之间的直线飞行距离大约为1万分之1
毫米。
原子或分子之间适当靠近时，会相互吸引。
当气体的温度降低，也就是说分子的运动速度变
慢，分子间相互接近时，它们会因引力而聚集到
一起。这样，分子聚集在一起就是液体。不过，
分子在液体中还能自由移动。分子自身的旋转和
伸缩与气体相同。
若温度进一步下降，引力将占据上风，分子
不再能自由移动，而是停留在一个地方，这就是
固体。不过，在固体中，原子和分子也并不是静
止不动的。原子和分子一直都在原地振动。温度
越高，振动越剧烈。即便是冰箱中的冻冰，如果
从原子水平来看，水分子依然在颤巍巍地抖动。
原子间和分子间的引力大小因物质而异，引
力越小，即使在低温情况下也越难以变成液体或
固体（沸点和凝固点※低）。我们眼前的物体是固
体，还是液体，或是气体，都是由构成它们的原
子和分子的性质所决定的。
※ 沸点是指液体沸腾时的温度。凝固点是指晶体
物质从液相向固相转变时的相变温度。
分 低温
子
的
数
量
（ 中等温度
存
在
比 高温
率
）
分子的速度
即便在相同温度下，分子的运动速度也
参差不齐
图形表示某一温度的气体中分子运动速度的分
布。温度越高，分子运动速度的平均值越大。此外，
温度越高，运动速度的分布幅度（图形的横向宽度）
也越广。从图中可以看出，即使在高温下，也有运动
速度相当缓慢的分子。
126注： 图片描绘的是一般的气体、液体和固体，不只限于
水。因此，没有用水分子，而是用简单的圆球来表
示原子或分子。
气体：
原子或分子自由飞行的状态
碰撞
升华
白色蒸汽是微小的水
凝华 滴，不是水蒸气。水
蒸气是无色透明的。
物质的状态改变时，会伴随
热量变化。例如，某个物质
升华所需要的热量与该物质
凝华所释放的热量相同。 液化
凝固
熔化 汽化
不同物质的熔点与沸点（标准大气压下）
原子间或分子间作用力的大小，根据结合键的种类，其关
系为：共价键≥离子键·金属键≥分子间作用力（氢键＞范德瓦
尔斯力）。结合力越大，物质的熔点或沸点越高。
氦（分子间作用力） 液态氦在-271℃
熔点：无（在标准大气压 会出现黏滞性为
下不能变成固体） 零的“超流动性”
沸点：-268.928℃ 现象。
氢（分子间作用力） 氯化钠（离子键）
熔点：-259.16℃ 熔点：801℃
沸点：-252.879℃ 沸点：1485℃
铁（金属键）
熔点：1538℃
沸点：2862℃
石墨（共价键）
液体：
升华点：3825℃（在标准
原子或分子聚集在
大气压下不能变成液体）
一起，可以自由运
动的状态。
熔点和沸点的数值引用于2020年的数据。
127水的不同状态
温度和压力会改
物质的状态 纯物质的状态取决于温度与压力。右页中间图片是水的
变化②
状态图。请大家注意，纵轴是对数刻度。
变物质的状态
图片是按照冰、水、水蒸气这三种状态进行涂色的。在
它们的分界线上，夹着的线段是指两种状态共存。在三条线
相交的“三相点”，是指三种状态共存。
18世纪中期，科学家才开始研究物质的状 在与日常相差悬殊的温度和压力下，也会出现我们不熟
悉的状态。就像本节内容介绍的那样，数百摄氏度的冰、具
态变化。当时，人们在常温常压下把液
有液体和气体双重性质的“超临界流体”等的状态。
体加热，使之汽化的物质称为蒸气。而且，把在
常温常压下以气体的形式存在的氯等称为气体
1. 水的气体、液体和固体三种状态共
（Gas）。 存的“三相点”
1823年，英国化学家兼物理学家迈克尔·法 水在0.01℃、大约0.006个标准大气压下，
处于气体（水蒸气）、液体（水）和固体（冰）
拉第（1791～1867）发现，如果用很大的压力压
共存的三相点。纯物质三相点的温度和压力是固
缩，氯气就会变成液体。由此，科学家发现，过
定的。因此，在国际单位制（SI，单位的国际性
去一直被认为总是以气体形式存在的气体也会在 规定）中，温度的单位开尔文（用符号K表示）
压力的作用下变成液体。
是把水的三相点的温度定义为273.16K，把绝对
零度定义为0K（2019年5月20日，修订国际
后来，英国科学家托马斯·安德鲁斯（1813～
单位制，1开尔文被准确定义为“对应玻尔兹曼
1885）在1861年发现了“临界温度”的存在， 常数为1.380649×10-23J/K的温度”）。
成功开辟了把法拉第的压力实验中无法液化的氢
2. 也有数百摄氏度的“热冰”
和氦等化为液体的道路，并阐明了当温度高于某
根据压力与温度不同，冰中的水分子可以形
一温度时，无论施加多大的压力，气体都不能液
成16种不同的排列方式（其中13种为稳定结
化。反过来说，这意味着当温度低于某一温度时， 构）。右侧的相图为其中的一部分。此外，下图
通过改变压力，气体可以变成液体。这个温度就 是冰的各种晶体结构（图像提供：樋本和大）。
在高压下，也存在温度超过100℃的冰。地
是临界温度，每种物质都有自己固有的临界温度。
球环境中不存在高温高压的冰，但研究推测宇宙
1873 年， 荷 兰 物 理 学 家 范 德 瓦 耳 斯 中存在冰态巨行星。如果水分子的排列方式不
（1837～1923）发表了表示分子间作用力的“状态 同，即便是同样的冰，密度和体积等物体的性质
也不同。
方程”（详见第130页）。由此，可以用数学公式
冰的状态发生变化的界限条件、不同状态下
来表示把气体压缩成液体时的压力、体积及温度
的性质等，尚有不明之处。对我们来说，作为常
的关系。这样一来，就成功地奠定了阐明物质状 见物质的水也有很多不明之处。
态的基础。
不过，这个数学公式说到底只是近似的。实
际上，各种物质在什么条件下处于怎样的状态，
需要通过实验来获悉。在某一温度和压力下，表
冰1
示物质处于何种状态的图称为“相图”。
本节内容展示了通过实验获得的水的相图。
请大家解读一下水在不同条件下是如何变化的。
1283. 既不是液体也不是气体的“超临界流体”
在下面的相图中，当超过某一温度（临界温度）后，区 1 2
分气体与液体的蒸汽压曲线会中断。这个中断点称为“临界
点”，处于超过临界点状态的物质称为“超临界流体”。
气体CO
超临界流体的密度像液体那样小，但分子像气体那样剧 2
烈运动。因此，它同时具备液体那样的易溶物质，又具备气 液体CO 2
体那样易扩散的性质。当温度和压力改变时，这些性质会发
搅拌装置
生很大变化。
所有的物质都有临界点，其中，水与二氧化碳被广泛应
3 4
用于许多产业。
水在374℃、220.6个标准大气压下会达到超临界点。
在超临界状态下，水的氧化性非常高，可用来分解焚烧灰烬
中的有毒物质——聚氯联苯（PCB）和二恶英等。
二氧化碳的临界点为31.0℃、73.7个标准大气压，比
水的临界点更接近于常温常压，因此，在工业上的应用非常
广泛。例如，当温度和压力改变时，二氧化碳的溶解度也会
随之发生很大变化，利用这一性质，可用来提取咖啡中的咖 二氧化碳的超临界流体
啡因、食品中的萃取物等。
上图（供图：日本产综研化学
过程研究部门）是把二氧化碳从气
水的相图
体与液体共存的状态（1）加热到接
近超临界流体状态的情形（温度上
2
冰8 冰7 3 升时，分子的运动越发剧烈，因此
超
压力也随之升高）。接近临界点时，
10,000大气压 冰15 冰6 临
冰2 冰5 界 由于产生了大量气泡，所有的光都
d 冰3 流 发生漫反射，变得一片漆黑（2之
冰9 水 体
后）。
100大气压 c
熔化曲线（bd） 接下来，达到临界点，液面消
临界点 失，液体与气体不再有区别。这一
临界气压：大约220个标准大气压 瞬间，形成了多个分子聚集的“集
1大气压 冰1 临界温度：374℃ 群（cluster）”。这是临界点特有的
现象。由于集群，光发生漫反射，
冰11 1 三相点 蒸气压曲线（bc） 与晚霞的原理相似，只有波长长的
0.01大气压 红光能通过（3）。上图3中虽然看
b
水蒸气
上去是红色的，但在这一状态下，从
前方射入光线的反射光看上去是乳浊
0.0001大气压 升华压曲线（ab） 的，所以称为“乳白光（蛋白色光）”。
之后，变成超临界流体，红色、
a
蓝色和绿色等光都能通过，颜色变
-200℃ -100℃ 0℃ 100℃ 200℃ 300℃ 400℃
透明（4）。
冰2 冰6 冰7
129装零食的袋子在飞机
气体的状态
方程式
机舱内为什么会鼓起来？
亲爱的读者，你是否看过这样 确的，但在低温或高压等特殊条件
的情景：在飞机机舱内或高 下，会出现偏差。之所以出现偏
山山顶，装零食的袋子会砰砰地鼓 差，是因为该方程成立的前提条件
起来。这是因为越往高空，空气越 是视“气体为理想气体”。
稀薄，气压越低。尽管航空公司已 “理想气体”是指忽略了实际
经调整了飞机机舱内的气压，但也 气体中的分子大小及作用于分子间
飞机舱内装零食的
只有地面气压的0.7倍左右。作用 引力的虚构气体。因为简化了这一
袋子会鼓起来
于零食袋子的大气压力变小，也意 要素，所以才能够把状态方程总结
如果我们把装零食的袋子拿到飞
味着从外面“摁住”袋内气体的力 为简单的形式。
机机舱内，有时袋子在高空中会砰砰
变弱了。这样一来，袋内的气体向 当然，实际的分子不仅有大 地鼓起来。这是因周围气压降低，袋
中的空气膨胀所导致的现象。
外“挤压”的力就会变强，袋子就 小，而且分子间也有引力。在
会膨胀。 不能忽略这些影响的条件下，
有一个方程可以描述当压力等 “PV=nRT”的计算值与实际值之
条件改变时气体是如何变化的，这 间的偏差就会变大。例如，当压力
就是“状态方程：PV=nRT”。状 极高时，分子之间的距离会变近；
态方程是描述气体压力（P）与体 低温时，分子之间容易相互吸引，
积（V）及温度（T）之间关系的 这时就不能忽略由此产生的偏差。
方程（n是物质的量，R是气体常 19世纪后半叶，物理学家范
数），密闭气体适用于该方程。 德瓦耳斯提出了能够计算出更接近
以装零食的袋子为例，假设起 实际气体值的新公式，这就是“范
飞前的地面温度与起飞后飞机机舱 德瓦尔斯方程”。
内的温度（T）相同，则方程的右 比较一下右页图片中公式的左
侧是固定不变的。飞机升空后，机 右两侧，我们可以发现，这一公式
舱内的气压变小，零食袋就会膨 是在理想气体的状态方程上追加了 起飞前的零食袋
胀，体积（V）变大。这样的话， 修正压力和体积的计算。在实际气
袋内的气体压力（P）会变小，从 体中，还考虑了分子间吸引力导致
而满足状态方程。如上所述，若一 的压力减小，以及分子大小导致的
个数值改变，其他数值也会随之改 气体体积增大。在进行更精确的模
变以满足状态方程。 拟时，需要使用这样的公式。
能准确描述实际气体的状
态吗？
袋内压力（P）：大
用这个方程得到的计算值在日
袋子体积（V）：小
常生活中的大部分条件下是非常准
130在高空中鼓起来的零食袋
袋内压力（P）：小
袋子体积（V）：大
理想气体的状态方程： 结合气体定律：
描述气体的压力、体积及温度之间关系的方程。 在一定量（n是一定的）的理想气体中，“体积与压力成反比，与
绝对温度成正比”这一定律成立，称为“结合气体定律”。在实际气体
P：压力 [Pa]
中，在低温、高压状态下，这个定律就不能正确地成比例（反比）。下
V：体积 [L]
PV = nRT n：物质的量 [mol] 图曲面的偏差变大。
R：气体常数 [Pa·L/(K·mol)]
T：绝对温度 [K] 表示结合气体定律的曲面
范德瓦尔斯方程：
a, b：范德瓦尔斯系数（因气体种类而异的常数）
表示查理定律的直线
n
{ P+a ( - )2} (V-bn)=nRT 表示波义耳定律的曲线
体
V
积
修正体积的减除 （
修正压力的减除
V ）
）
（T
度
温
对
绝 压力（P）
131钻石
岩石、铁等金属
固体的
结构
是由晶体构成的
电子
在原子水平上看固体的话，大多数固体的原子
或分子等都是有方向性地规则排列，这称为
碳原子
“晶体”。
水晶是由多角形面包围的透明晶体。无论什
么晶体，对应的面与面的角度总是相同的。晶体
之所以呈现如此规则的形状，这是因为晶体内的
原子或分子的排列在整个晶体中都具有规律的方
向性。像这样，固体为连续的晶体时，称为“单 由共价键结合而成的晶体
钻石是只由碳原子共价结合而成的共价晶体，间
晶体”。
隙较多，具有独特的结构。碳原子有4个与结合有关
实际的固体大多不透明，就像凝固的粉末。
的电子，结合的方向朝向正四面体的顶点方向。像这
在显微镜下观察，我们可以发现，一个一个的粉
样，由于结合的方向是确定的，因此，由大量碳原子
末都是微小的单晶体。像这样，由单晶体聚集而 结合而成的晶体呈立体网状结构。
成的晶体称为“多晶体”。
由方解石聚集而成的大理石、长石和云母，
以及石英（水晶）等的集合体——花岗岩，也都
单晶体与多晶体
是多晶体。通常被认为是单晶体的铁与铜等金属
这个黄铁矿的单晶体由12
也是由微小的单晶体聚集而成的多晶体。 个面包围，外形很有特点。虽
把构成晶体的原子和分子连在一起的化学键 然大多数的多晶体都没有保留
单晶体时的形状，但黄铁矿的
有离子键、金属键、共价键，以及分子间作用力。
多晶体很好地保留了单晶体的
根据结合键的种类，晶体也称为离子晶体、金属 形状。
晶体、共价晶体和分子晶体。
单晶体的黄铁矿
多晶体的黄铁矿
132氯化钠 金
体心立方
填充结构
（体心立方结构）
密排立方
填充结构
（面心立方结构）
密排六方
结构
从钠转移到 金原子 金属晶体的结构
阴离子 阳离子 自由电子
（Cl-） （Na+） 氯的电子
晶体是由粒子聚集在一
由金属键结合而成的晶体
由离子键结合而成的晶体 起，稳定排列而成的。假设
金呈“面心立方结构”。由于是由大小相 粒子是大小相同的圆球，尽
食盐是离子晶体，阳离子Na+吸引相邻的阴离
同的金属原子构成的，再加上肩负结合重任的 可能密集排列的话，会形成
子Cl-，Cl-吸引Na+。这种电引力没有方向性。一
电子没有被特定的金属阳离子束缚，结合没有 “密排六方结构”和“密排
般来说，阳离子与阴离子的大小不同。食盐中，阳
方向性等因素，所以，金属晶体会尽可能密集 立方填充结构”。此外，也
离子Na+进入由阴离子Cl-构成的“面心立方结构”
地填满。因此，金属呈“体心立方结构”“密 会形成间隙略多的“体心立
的空隙中，Cl-与Na+交叉规则排列。
排六方结构”或“面心立方结构”。 方填充结构”。
乙酰胆碱 氯离子 乙酰胆碱的分子结构
碳原子
氧原子
氢原子
氮原子
由分子结合而成的晶体
乙酰胆碱是脊椎动物的交感神经和运
动神经中传递刺激的物质。分子由碳原子、
氧原子、氮原子、氢原子构成，加入氯原
子的晶体是“氯乙酰胆碱”。观察这种有
机化合物的晶体，可以发现，相邻分子的
上下或左右会各旋转180°。因此，每隔一
个分子朝同一方向排列。此外，在垂直于
图书纸面的方向上，分子分别朝同一方向
排列。
1332
想了解更多！中学化学
PART 4
学习化学反应
化学反应是物质发生变化而产生新物质的过程。
我们身边经常发生各种各样的化学反应，如物
质燃烧、电池放电等。在本部分中，让我们一起了解
诸如溶解与中和反应、燃烧等发生在我们身边的化学
反应的机制吧！
136. 什么是化学反应
138. 什么是溶于水
140. 酸、碱与中和
142. 中和与盐的性质
144. 氧化与还原
146. 火焰与燃烧
148. 离子与电池
134135化学反应是改变
什么是
化学反应
原子的排列
化学反应是分子与分子碰撞，因撞击而释放
原子，或与其他原子结合到一起的反应。
赋予能量
氢分子（H）
因此，构成分子的原子组合会改变，形成与反 2
应前的性质不同的其他分子。冰融化成水，只
是分子的结合能力改变了，水分子并没有变化，
所以不能称作化学反应。 变得不稳定，分裂成
而氧分子与氢分子混合后，加热或加入 氢原子（H）
H
电能，就会发生爆炸性反应，生成性质不同
H
的分子——水。用化学式表示的话※，就是
2H +O 2H O。原子重新排列组合生成新
2 2 2
物质的过程称作化学反应。
化学反应在日常生活中很常见，如物质燃
烧、物质与氧结合等都属于化学反应。我们的
H
呼吸过程也是吸入氧，燃烧体内葡萄糖等营养 氧分子（O）
2
物质的化学反应。 O
由于化学反应是因分子碰撞而发生的，所
以，加热后分子运动会变剧烈，开始反应或加 H
快进行反应。
此外，发生化学反应时，根据原子的结合
方式，分子中蓄积的能量会变化，因此，必然
伴随着热量的变化。释放热，反应物质的温度
升高的反应称为“放热反应”；吸收热，反应物
质的温度降低的反应称为“吸热反应”。 O 撞击到H，形
2
成OH和O
因为物质具有能量越低、状态越稳定的性
质，因此，在自然界中，放热反应比吸热反应
更为常见。
OH
※ 氢气与氧气反应生成水的实际情形相当复杂（右侧
图片）。例如，在高温下或着火时，氢分子吸收能 生成水分子
量后会分裂成两个原子。由此， 虽然氧与氢是容易发生化学反应的元素，但在分
H + O 2 HO + O 子状态下，它们只是接触并不会发生反应。给与光能
O + H 2 HO + H 或热能来提高分子动能的话，分子会裂变成原子或分
HO + H 2 H 2 O + H 子间相互碰撞，很快就会开始反应，生成水分子。
之类的反应会连锁性重复。化学反应通常是两个以
上的基元反应的连续。
136化学反应式的读法
下面的化学反应式表示2个氢分子与1
个氧分子可以生成2个水分子。由此可见，
如果2n个氢分子与n个氧分子反应，会生
成2n个水分子。也就是说，2摩尔氢分子
与1摩尔氧分子发生反应，会生成2摩尔的
水分子。此外，反应式也表示，物质的总质
稳定的水分子
（HO）
量在反应前后保持不变（1774年，法国化学
2
家拉瓦锡通过实验说明了“质量守恒定律”）。
尤其在气体的反应中，分子式与成分公式的
系数表示其体积比。
H
H 化学反应式 2H ＋ O → 2H O
2 2 2 2
分子数 2个分子 1个分子 2个分子
摩尔数 2n个分子 n个分子 2n个分子
=2摩尔 =1摩尔 =2摩尔
H
2 质量 2g×2 32g 18g×2
体积 22.4 L×2 22.4 L 22.4 L×2
OH
（这里假定氢与氧的原子量分别为1和16）
OH
H 撞击到OH，生成
2
水分子（HO）与H
2
H 撞击到O，变
2
成OH和H
H
2
OH
稳定的水分子
（HO）
2
H 撞击到OH，生成水分子（HO）与H
2 2
137什么是
晶体因被水分子“带走”而溶解
溶于水
把一点食盐（氯化钠：NaCl） 电的钠离子与水分子的负电部分、 结而导致汽车打滑，有时会在道路
放入水中，刚开始肉眼可见 带负电的氯离子与水分子的正电部 上喷撒防冻剂※，有时也会把盐用
的颗粒会慢慢溶解，最后一点儿也 分相互吸引。然后，通过多个水分 作防冻剂。
看不到了。这时，水里面发生了什 子的“包围”，就会从固体食盐中 这是利用了盐水不易冻结的性
么呢？ 剥离出离子。 质。例如，只需把盐溶入水中，盐
物质溶于水是指与水分子均 能在一定条件下离解成正负离 水的冻结温度（凝固点）就会降低
匀地混合在一起。食盐由钠离子 子的物质称为“电解质”。反过来， 到-21℃。这种现象称为“凝固点
（Na+）和氯离子（Cl-）交错排列 不能离解成离子的物质称为“非电 降低”。
而成，正负两种离子相互吸引结合 解质”。虽然非电解质在水中不会 砂糖溶入水后，凝固点也会降
在一起（离子键）。但是，把食盐 解离成离子，但并不是不溶于水。 低。不过，把相同分子数的盐和砂
放入水中后，本应结合在一起的两 葡萄糖、砂糖等像水分子那样具有 糖溶入水中时，盐水的凝固点会大
种离子就会分散开。 极性的分子，基于与离子溶于水时 幅降低，这是因为盐溶在水中的粒
为什么离子会分散开呢？这是 相同的机制而能溶于水。 子数量较多。溶在水中的粒子数量
水的“极性”这一性质所导致的 越多，越能阻碍水的冻结，因此，
（详见第122页）。1个水分子有带 溶有物质后，就不易冻结 盐水在更低的温度下才能冻结。
微弱正电的部分和带微弱负电的部
分。因此，把盐放入水中后，带正 冬天，为了防止道路上的水冻
※：氯化钙（CaCl）经常被用作防冻剂。
2
溶解的粒子数量越多，凝固点
越低 盐（氯化钠）
与食盐不同，砂糖是砂糖分子原封
不动地溶入水中。1个砂糖分子溶于水
冻结温度：
的话，溶在水中的粒子就只有1个。与
盐水的冻结温度
此相对，1个氯化钠分子溶于水的话，
（凝固点）比葡萄
纯水 盐水
会分解为钠离子和氯离子，溶在水中的
糖水低。
粒子为2个。溶有大量粒子的盐水（氯
化钠溶液）在更低的温度下才会冻结。
也就是说，凝固点降低与溶于水（溶剂）
纯水中只溶有相同分子数的盐（氯化钠）和葡
的物质（溶质）种类无关，而与溶质的
萄糖。例如，从质量上来说，58.5克氯化钠和180
浓度（摩尔浓度）成正比。需要说明的 克葡萄糖的分子数量相同（为6×1023个）。
是，凝固点降低的分子性机制现在依然
是无法完全解释的一个谜。
糖（葡萄糖）
冻结温度：
冻结温度（凝固
纯水 葡萄糖水 点）只比未溶解
任何物质的水低，
但不低于盐水。
138钠离子
带正电荷的钠离子
被水分子的负电部
分包围，从固体上
拉扯下来。
水分子 带负电荷的氯离子
被水分子的正电部
氯离子 分包围，从固体上
拉扯下来。
食盐被分解为单个离子
食盐中的钠离子和氯离子被具
有极性的水分子拉扯下来分散溶解
在水中。
食盐被分解为离子，而砂糖没有被分解为离子
食盐（氯化钠）溶于水
时，氯化钠分子被分解为离
子，而砂糖或葡萄糖的分子则
保持不变，直接与水分子混合
并溶解在水中。因此，砂糖原
来有多少个分子，溶解在水中
就有多少个粒子。食盐溶解在
水中，粒子数则是原来分子数 葡萄糖分子
的两倍。 由氧原子（红色）、氢 葡萄糖分子被水分
原子（蓝色）和碳原 子包围，整个拉扯
子（灰色）组成。 下来溶解在水中。
水分子
葡萄糖以分子形式溶解
葡萄糖的分子没有被分解，以分子形
式直接溶解在水中。
139酸、碱
酸与碱 由离子产生的化学性质
与中和
柠檬尝起来是酸的，这是因为 是因为从酸中产生的氢离子刺激了 酸”(如下图所示）。
它含有名为柠檬酸的“酸”。酸具 舌头上的味觉感受器。 “碱”是一种具有苦味、能与
有酸味，能和一些活泼金属发生反 如果某种酸溶于水时，几乎所 酸发生反应的物质。碱溶于水时，
应并产生氢气。 有的分子都电离出了氢离子，则称 会生成氢氧根离子（OH-，如下图
酸的这种性质（即酸性）是由 之为“强酸”。盐酸与硫酸即为强 所示）。碱的水溶液所具有的性质，
氢离子（H+）造成的。酸溶于水 酸。与之相对，若像醋酸、柠檬 即是由氢氧根离子造成的。与酸
时，氢离子会从酸的分子中分离 酸这样，在溶于水时只有一部分分 类似，碱也能分为强碱（如氢氧化
出来（即电离）。酸之所以有酸味， 子电离出氢离子，则称之为“弱 钠、氢氧化钾）与弱碱（如氨水、
酸与碱是什么？
本页图中，我们根据“阿伦尼乌斯的定义”呈现了酸与碱是什么。除以氢离子与氢氧根离子来定义之
外，我们还可以根据化学反应发生之时电子的交换情况来定义酸与碱（美国化学家路易斯的定义，电子对的
接受体为酸，电子对的提供者为碱）。所谓离子，即其中的原子或原子团在释放或接受电子后形成的带正电
或负电的粒子。右页图说明了中和反应的原理及pH的定义。
强酸 弱酸
碱
氯化氢 醋酸
（HCl） （ CH 3 COOH） 氨（NH 3 ）
水（HO）
2
氯离子 铵离子 氢氧根离子
氢离子
（Cl-）
（H+） （
醋
C
酸
H
根
CO
离
O
子
-）（
氢
H
离
+）
子 （NH
4
+） （OH-）
3
碱会产生氢氧根离子
强酸与弱酸的差异，在于氢离子浓度的差异
所谓碱，是溶于水时会产生氢氧根离子的
所谓酸，是溶于水时会产生氢离子的物质。像在氯化氢水溶液
物质。举个例子，把氢氧化钠（NaOH）溶入水
（即盐酸）这样的强酸中（上图左侧)，几乎所有的分子都会电离，
中，它便会电离出氢氧根离子，显出碱性。不
故而生成较多的氢离子。与之相对，在醋酸这样的弱酸中（上图右
过，也存在像氨这样的物质，其分子中虽然不含
侧)，只有一部分的分子会电离，故而氢离子数量较少。酸性强弱的 氢氧根离子（OH-），却也呈碱性。如上图所示，
差异，就源自氢离子浓度的差异。
这是由于氨与水分子发生反应时，水分子会失去
1个氢离子、变成氢氧根离子的缘故。
140如上所述，酸与碱的性质可以 示酸碱性的强弱（范围在0～14）。
氢氧化镁）。
通过氢离子与氢氧根离子来进行说 pH=7为中性，小于这个值为酸性，
碱与酸发生反应，会生成盐。
明（阿伦尼乌斯的定义）。但是， 大于则为碱性（如下图所示）。其
盐是酸与碱所生成的化合物的总
这种定义仅适用于水溶液。 中，p代表指数（power），H是氢
称。比如，当硫酸（酸）与氢氧化
在水溶液以外的情况，则需要 离子（hydrogen ion）的首字母。
钡（碱）发生反应，便能够生成硫
使用其他定义：当两种物质发生反 用pH表示氢离子的浓度时，
酸钡这种盐（如下图所示）。在此
应时，我们把释放出氢离子的物质 所谓的pH为1，指的是1升水溶
过程中，酸里的氢离子与碱里的氢
称为酸，接受氢离子的物质称为 液中含有0.1（10-1）摩尔的氢离
氧根离子相结合，生成了水。像这
碱（布朗斯特和劳里的定义，也称 子。摩尔是表示物质的量的单位，
样酸与碱发生反应产生盐的过程
为酸碱质子理论）。这种定义适用 1摩尔=6.02×1023个（阿伏伽德
叫作“中和反应”。中和反应发生
于气体之间的中和反应（如下图所 罗常数）。pH每相差1，氢离子的
后，氢离子与氢氧根离子均消失，
示），也适用于水之外的溶剂里。 浓度则相差10倍。
故而物质的酸性与碱性也就随之消
我们使用“pH”这一量来表
除了。
氢离子浓度 溶液举例
硫酸（酸）
氢氧化钡（碱） pH
SO2- H+
硫酸根离
4
子 氢离子
Ba2+ OH-
1.0（100） 0 酸
钡离子 氢氧根离子 性 胃酸
0.1（10-1） 1
硫酸钡（盐）与水
0.01（10-2） 2
BaSO 4 H 2 O 氯化铵（NH 4 Cl）的 0.001（10-3） 3 柠檬
硫酸钡 水 微晶（盐）
0.0001（10-4） 4
酱油
0.00001（10-5） 5
0.000001（10-6） 6 西瓜
氢离子（H+）
中
0.0000001（10-7） 7
性 血液
氯离子（Cl-）
氨（NH
3
）
0.00000001（10-8） 8
眼泪
0.000000001（10-9） 9
硫酸钡的
沉淀物
0.0000000001（10-10） 10 肥皂水
0.00000000001（10-11） 11
盐酸（酸） 0.000000000001（10-12） 12
氨水（碱）
溶解了草木灰
0.0000000000001（10-13） 13
碱 的水（碱水）
酸与碱发生中和反应，产生盐 性
0.00000000000001（10-14） 14
上图是两个中和反应的例子。
向盛有氢氧化钡（碱）水溶液的试管中加入硫酸（酸），则会
pH表示氢离子的浓度
生成白色的絮状物，该絮状物即为硫酸钡（盐）。稍后，这种絮状
在pH的左侧标出的是所对应的氢离子浓度（即每1
物会变成白色的沉淀物。除了盐，中和反应还会产生水（上图）。
升水溶液中含有多少摩尔的氢离子）。右侧标出的是生活
也有不生成水的中和反应，如把氨气与氯化氢气体相混合，
中常见的例子。pH的值为X，即表示氢离子的浓度是“10
则会生成白烟。这种白烟即为盐，是氯化铵的微晶。它之所以产
的负X次幂”。
生，是由于氨（碱）接受了氯化氢（酸）中的氢离子。
141中和与盐
为什么把不同的洗涤剂混合使用有危险？
的性质
酸与碱相遇，会形成与两者性 （氯离子）与烧碱的阳离子（钠离 种情况，那会发生一种相当危险的
质截然不同的“盐”。“盐” 子）以离子键结合，生成盐。 反应。
这个名称，其实就是来自酸（盐 那么，在酸和碱发生反应所生 有不少洗涤剂属于氯系洗涤
酸）与烧碱（氢氧化钠）混合而形 成的盐中再加入酸，结果会如何？ 剂，其中含有一种被称为“次氯酸
成的盐（氢化钠）。盐酸的阴离子 把不同的洗涤剂混合使用就属于这 钠”的物质。次氯酸钠具有很强的
酸与碱相遇
酸与碱相遇将生成与两者性质都
酸 碱
不相同的盐。在右侧图解例子中，盐
（盐酸） （氢氧化钠）
酸与氢氧化钠混合，生成了氯化钠和
水。像这种酸和碱发生的反应，叫作
中和反应。
氢离子 氢氧根离子
钠离子
氯离子 钠离子
水分子
氯离子
弱酸与碱相遇
弱酸与碱相遇也生成盐。不过，如果向这种盐中再加入强酸，
弱酸 碱
就会使弱酸分离出来，强酸与碱反应而生成一种新盐。在下面图解
（醋酸） （氢氧化钠）
例子中，作为弱酸的醋酸与氢氧化钠混合，生成的是一种叫作“醋
醋酸
酸钠”的盐。向这种盐中加入盐酸，醋酸被分离出来，盐酸与氢氧
化钠发生反应生成一种新盐，也就是氯化钠。
醋酸根离子 水分子
氯离子
氯离子
钠离子
氢离子 钠离子
盐（醋酸钠） 强酸（盐酸） 盐（氯化钠）
142氧化作用，常常被当作漂白剂使 化钠等）再形成盐（次氯酸钠等）， 害的氯气。一个人吸入过量氯气会
用。次氯酸钠是由一种叫作次氯酸 在这种盐中加入强酸（在这里指盐 很快失去知觉，抢救不及时就会丧
（由次氯酸根离子和氢离子组成） 酸），弱酸就会被分离出来，而产 失生命。
的酸同一种叫作氢氧化钠的碱发生 生出由强酸和碱反应所生成的盐 需要提醒的是，酸性比次氯酸
反应所生成的一种盐。因此，在其 （氯化钠）。 更强的酸，也会发生这种反应。比
中加入主要成分为盐酸的酸性洗涤 被分离出来的次氯酸非常容易 如，连食醋也可能对人有危害。不
剂将发生激烈的化学反应。 被分解。于是，次氯酸会被盐酸的 小心把醋抛洒在厨房的水池里，再
把氯系洗涤剂与酸性洗涤剂混 氢离子分解而生成水和氯气。 如刚用酸性洗涤剂洗刷过厕所，如
合，将生成氯化钠和次氯酸。弱 这种反应进行得非常快，在一 果使用氯系洗涤剂清洗的话，甚至
酸（在这里指次氯酸）与碱（氢氧 瞬间就会产生出大量对我们身体有 有可能发生导致死亡的事故！
危险！不同洗涤剂混合可能产生氯气
氯系洗涤剂与酸性洗涤剂发生的危险反应
把含有次氯酸钠的氯系洗涤剂与含有盐酸的酸性洗
涤剂混合，将产生大量氯气。次氯酸钠与盐酸混合，从 NaClO + HCl NaCl + HClO
次氯酸钠 盐酸 氯化钠 次氯酸
中将分离出作为弱酸的次氯酸（1）。次氯酸再受到盐酸
(氯系洗涤剂)(酸性洗涤剂)
的作用（2），将分解为氯气和水（3）。这种反应十分激
HClO + HCl H O + Cl
烈，大量氯气形成气泡如沸腾般释放到空气中。
2 2
次氯酸 盐酸 水 氯气
(酸性洗涤剂)
非常危险，千万
不要尝试。
次氯酸钠
氯系洗涤剂
生成氯气
酸性洗涤剂
盐酸 氯气具有很强的毒性。
它能溶解在人体黏膜的水
分中成为盐酸而破坏黏膜。
次氯酸根离子
氢离子
3.生成水分子和氯
分子（气体）
1.次氯酸根离子与氢离子结
合，形成次氯酸 水分子 氯分子（气体）
氯离子
次氯酸
钠离子
次氯酸 盐酸
2.次氯酸根与盐酸中的
氢离子发生反应
143氧化与还原 金属生锈是与氧结合的氧化反应
我们身边常见的金属生锈全都 （提供）电子”和“得到电子”的 复杂的反应。
与“氧化”现象密切相关。 反应。 铁被雨水等淋湿后，首先会
那么，什么是氧化呢？ 下面，我们通过刚才介绍的铜 溶出铁离子（Fe2+）。与此同时，
我们周围发生的氧化大多是指 与氧发生反应，铜被氧化的现象， 水分子（H O）和溶在水中的氧
2
物质与氧原子结合到一起。例如， 来看一下如何交换电子（右页下 分子（O ）得到电子，与铁离
2
将铜（Cu）在氧气（O ）中加热， 图）。在这一反应中生成的氧化铜 子结合后生成红色的“氢氧化铁
2
就会生成氧化铜（CuO）。 （CuO）是由失去两个电子的铜离 （Fe(OH) ）”。这就是流经生锈铁管
3
“还原”是与氧化相反的现 子（Cu2+）与得到两个电子的氧离 的水为什么会变红的原因之一。
象。例如，用氢气（H ）加热氧化 子（O2-）构成的物质。铜失去电 另外，铁离子会与水中的氧分
2
铜（CuO），氧化铜会失去氧，重 子，广义上来说，也是被氧化了。 子反应，变成“氧化铁（Fe O ）”，
2 3
新变回铜。这时，氧化铜被还原为 此外，我们看一下氧，氧得到电子 附在金属表面，这就是红锈的本
铜了。 被还原了。 质。铁生锈后，表面会变得凹凸不
即便是没有氧参与的反应，有 像这样，这是氧化与还原同时 平，这是因为铁离子溶出，再加上
时也称为氧化还原反应。例如，加 发生的现象。下图的氧化铜还原反 红锈附在表面的缘故。
热的铜（Cu）与氯气（Cl ）发生 应中，氢同时也被氧化了。 我们身边的很多场合都发生过
2
反应——生成氯化铜（CuCl ）的 铁的氧化反应，如暖贴（俗称“暖
2
反应，也被称为氧化还原反应。这 离子流出后，铁开始生锈 宝宝”）就是通过铁急剧氧化产生
是怎么一回事儿呢？ 的热来取暖的。
实际上，广义上来说，氧化 不过，与加热实验不同，我们
反应和还原反应分别是指“失去 身边发生的生锈则是发生了一些更
金属与氧的氧化还原反应
氧
氢
水
1.铜的氧化 2.氧化铜的还原
铜 氧化铜 铜
一面向铜吹氧气，一面加热，铜被氧化变成氧化
铜。一面向氧化铜吹氢气，一面加热，氧化铜被还原
成铜。这后一种反应就是“还原”（此图解为示意图，
实际上是把铜和氧气或氢气放在试管中进行实验）。
144铁生锈是一种非常复杂的反应
水分子和溶解在水中的氧分子从铁上“拉扯”下电子，
形成铁离子（Fe2+）和氢氧根离子（OH-）（1）。刚形成的 1.铁先变成离子
铁被溶解，留下电子，脱落下来成为铁离子。水分子和氧分子
铁离子立即与氢氧根离子发生反应，形成红色的氢氧化铁
得到电子形成氢氧根离子。
（Fe(OH)）。氢氧化铁一部分附着在铁板上，其余部分再与氧
3
发生反应，成为氧化铁（FeO）（2）。这就是我们看到的铁锈。 氢氧根离子
2 3
氧分子
Fe + H O + O → Fe(OH) → FeOOH → Fe O
2 2 3 2 3 水分子
(以上化学反应式只是生成产物的顺序，并非完整化学反应式） 铁离子
铁板
铁离子
氢氧化铁 氧分子
氧化铁
（铁锈）
2.与氧原子结合变为铁锈
铁离子和氢氧根离子结合形成氢氧化铁，使水带有红色。
氢氧化铁再与氧发生反应，变成氧化铁，成为铁锈。
广义的氧化还原反应是指交换电子
广义上来说，氧化是指“失去电子（提供）”，还原是指“得到电子”。
一方面，在铜生成氧化铜的反应中，铜原子失去两个电子被氧化了。另一方面，获得两个电子的氧原子则被还原了。
这些反应可以用下面的公式表示。
铜原子的氧化： 2Cu → 2Cu+ + 4e-
2
氧原子的还原： O + 4e- → 2O2-（e-是电子）
2
整体反应： 2Cu + O → 2CuO
2
铜与氯气的反应，也是像下面的公式那样发生了氧化还原反应，即铜原子失去两个电子，两个氯原子分别得到一个电子。
铜原子的氧化： Cu → Cu2+ + 2e-
氯原子的还原： Cl + 2e-→ 2Cl-
2
整体反应： Cu + Cl → CuCl
2 2 铜的氧化 2+ 2−
2+ 2−
氧
铜 氧化铜
氧的还原
145火焰的结构
火焰源自碳元素微
图像展现了蜡烛的火焰作为
火焰与燃烧
“扩散燃烧”（右页上表）的火焰
粒的明亮光芒
的例子。
虽然在日常生活当中，我们经 后会发出强烈的光。这和白炽灯中
常见到蜡烛、燃气灶等产生 的灯丝升温后发光一样，都是“热
的火焰，但火焰的结构超出我们想 辐射”光源。蜡烛在燃烧时，火焰
象的复杂。 发出明亮的黄色或橙色的光，正是
来自于这些碳元素微粒的热辐射。
很明亮的火焰
燃烧的其实只是火焰的 但是，目前尚未完全探明气态的蜡
高温下，碳元素微粒
表面 是如何产生碳元素微粒的。
放出很明亮的光芒，比表
面的蓝色光明亮得多。
让我们以蜡烛的火焰为例，详 火焰的表面发着蓝光
细介绍火焰的结构。
蜡，是由碳元素（C）和氢元 目前已经知道，气态的蜡在与
碳元素微粒
素（H）组成的分子构成、在常温 氧气发生化学反应时，会在瞬间产
在火焰内部逐渐变大。
下呈固态的物质。蜡加热之后会融 生各种各样的物质，这些物质又会
有时多个微粒会像葡萄串
化，并且通过烛芯向上运动，继而 很快转变成二氧化碳和水蒸气。这
一样结合在一起。绝大部
进一步加热成为气体。 些物质里，含有诸如CH、C 等不 分微粒最终会在火焰内部
2
燃尽。
气态的蜡会与空气中的氧 稳定的分子，它们在高温的气体中
气（O ）发生剧烈的化学反应， 会发出蓝色或绿色的光。在碳元素
2
产生二氧化碳（CO
2
）和水蒸气 微粒相对较少、氧气又很充足的火
烛芯的周围很暗
（H O），同时产生热和光，这就是 焰底部，就能很容易看见由这些不 因为烛芯的周围有很
2
所谓的“燃烧”现象。 稳定分子产生的蓝绿或蓝色光。实 多气态的蜡，所以看起来
很暗。
蜡烛燃烧的化学反应其实只发 际上，虽然整个蜡烛火焰的四周都
生在火焰表面很薄的区域，在这 有这种蓝色光存在，但在碳元素微
火焰底部的蓝色
里，气态的蜡和氧气相结合（右侧 粒很多的火焰中上部，由于碳元
由于从火焰下方会有
示意图）。于是，这薄薄的一层区 素微粒产生的黄色或橙色的光太强
充足的氧气进入，所以燃
域里产生了大量的热量，随之释放 烈，所以很难明显地看到蓝色光。
烧很充分，此处基本没有
到周围的空间，这就是火焰灼热的 这种蓝色光和燃气灶火焰的颜 碳元素微粒，只能看到不
稳定分子发出的蓝色光。
由来。 色是一样的（右页上表）。由于燃
由于火焰周围空气中的氧气会 气灶的结构使得氧气和燃料能够
烛芯
在火焰表面的燃烧中反应殆尽，基 在充分混合的情况下燃烧，同时燃
由于毛细现象，液态
本不能到达火焰的内部。同时，火 气灶燃料的主要成分是“甲烷”等 的蜡会通过烛芯往上运动。
焰表面产生的热量也会传递到火焰 分子较小的气体，碳元素微粒相对
的内部。因此，火焰内部气态的蜡 更加难以生成。所以燃气灶的火焰
会在缺少氧气的情况下被高温“蒸 颜色主要是不稳定的分子所发出的
烤”，结果产生“碳元素微粒”。 蓝色。
在火焰内部，碳元素微粒会越
变越大，接受到大量的热变为高温
146产生火焰的燃烧类型
虽然火焰的表面 碳烟
都有蓝色光层，但通 扩散燃烧 预混合燃烧
碳元素微粒较多
常会被碳元素微粒产
时，它们会升到火焰
生的明亮光芒掩盖，
顶端并冷却，形成黑
很难看见。
色的烟。
燃烧所需的燃料和 燃料和氧气预先混
氧气分别来自不同 合后再燃烧。碳元
的地方。火焰内部 素微粒很难生成，所
因能够产生碳元素 以火焰主要呈蓝色。
碳元素微粒 微粒而特别明亮。
发出的光
例：蜡烛、篝火 例：燃气灶、喷灯
火焰内部 火焰外侧
热量 热量
蓝
色
光
氧气
气态的蜡
（燃料）
化学反应只发生在火焰的表面
空气的流向
图像为火焰表面放大后的示例。气态的蜡和氧
气的化学反应（燃烧），只在火焰表面很薄的区域
发生。在这里，化学反应中产生的不稳定分子发出
蓝色光。另外，这一区域产生的热量会同时向火焰
内部和火焰外侧扩散。
液态的蜡
固态的蜡
147释放电子，变成阳离子，不同金属
在电池中，离子
变成阳离子的难易度也不同（左页
离子与电池
形成了电流
图上方的柱状图）。因此，用导线
连接锌板与铜板放入稀硫酸中，容
易变成阳离子的锌会释放出电子，
在干电池或用作手机电源的电 电流。例如，用导线连接锌（Zn） 变成锌离子（Zn2+）溶到电解液
池中，离子形成了电流。 板和铜（Cu）板，放入稀硫酸 中。然后，锌板释放出的电子流向
在电解液（溶有离子的液体） （H SO ）中，导线中会产生电流 铜板。
2 4
中放入用导线连接两种金属，以 （下图）。这是电池的基本机制。 但是，把用导线连接的两种金
金属为正负电极，导线中会产生 把金属放入电解液中，金属会 属放入未溶有离子的液体中，导
线中却不会产生电流。这是因为
电池的基本机制与锰干电池 金属的离子化序列 容易变成阳离子
（右页） 右图是按照容易变成阳
离子的金属顺序排列的。越
右侧的柱状图是按照容易变成阳离子的顺
序排列的“金属的离子化序列”。下面是意大 靠左的金属越容易变成阳离 氢 铜 汞 银铂 金
子。金属变成阳离子的难易 （ （ （ （（ （
在
利物
18
理
00
学
年
家
发
亚
明
历
的
山
“
德
伏
罗
打
·
电
伏特
池
（
”。
17
右
45
页
～
是
18
最
27
先
） 度是以氢气变成阳离子的难 H ）2 C ） uH ） gA ） g ） PtA ） u
易度为基准进行测定的。因
普及的“锰干电池”。 此，金属的离子化序列中包 锂 （ 钾 （ 钙 （ 钠 （ 镁 （ 铝 （ 锌 （ 铁 （ 镍 （ 锡 （ 铅 （
含氢。 ） Li ） K C ） aN ） aM ） g ） Al Z ） nF ） e ） Ni S ） nP ） b
伏打电池
不容易变成阳离子
伏打电池是以锌（Zn）板为负
极，以铜（Cu）板为正极，以稀硫
负极 正极
酸（HSO）为电解液的电池。
2 4 锌板 铜板
用导线连接锌板与铜板放入电解
（Zn） （Cu）
液中，在负极的锌板上，锌原子会释
放出电子，变成锌离子
（Zn2+），溶到电解液
中。负极释放的电
子向正极移动。
另外，在正极的
铜板上，氢离子（H+）
得到电子变成氢（H）
原子，氢原子相互结
合，形成气体的氢分
子（H）。
2 硫酸离子 氢分子
在电解液中，氢离 （SO2-） （H）
4 2
子向正极移动，硫酸离
子（SO2-）向负极移
4
动。结果，导线中就会
产生电流。 锌离子
而且，“离子（ion）” 电子 （Zn2+） 氢离子
（H+）
这个词来源于希腊语的
氢离子
“前往”。因为要向电极
（H+）
移动（前往），因此被命
名为“离子”。
稀硫酸
148带负电的电子要想沿着导线向正极 化，就可以做成很少漏液的“干” ※ 在 由锌板、铜板和稀硫酸构成
的电池中，锌板产生的电子沿
移动，与此同时，需要液体中带负 电池。用导线把负极的锌与正极的
着导线移动，在铜板表面把电
电的阴离子向负极、带正电的阳离 二氧化锰连在一起后，锌离子溶
子传递给氢离子。这是因为铜
子向正极移动，从而保持液体的电 出到电解液中，导线中就会产生
板表面把电子传递给氢离子的
中性※。 电流。 力比锌板表面强的缘故。如果
锌板产生的电子全部都在锌板
“锰干电池”（下图）是最先 综上所述，电池的基本机制是
表面传递给氢离子，导线内就
普及的电池，它以锌和二氧化 共通的，离子造就了电流。
不会产生电流。导线中是否产
锰（MnO ）为电极，以氯化锌
2 生电流，与金属表面的性质也
（ZnCl ）和氯化铵（NH Cl）的水 有关。
2 4
溶液为电解液。用胶水把电解液调
成糊状，和二氧化锰的粉末一起固
正极
锰干电池
二氧化锰
锰干电池是以锌（Zn）为负 （MnO）
2
极，以二氧化锰（MnO）为正
2
负极
极，以氯化锌（ZnCl）和氯化铵
2 锌容器
（NHCl）的水溶液为电解液的电
4 （Zn） 碳棒
池。负极是锌的容器，在该容器
中加入正极的二氧化锰和电解液。
用导线连接锰干电池的正极
电子
与负极，在负极上，锌原子（Zn）
释放出电子，变成锌离子（Zn2+）
溶到电解液中。负极释放出的电
铵离子（NH+）
子向正极移动，溶在电解液中的 4
锌离子与水分子（H
2
O）反应，
锌离子
形成氢氧化锌[Zn(OH) 2 ]和氢离子 （Zn2+） 氢氧化锌
（H+）。 （Zn(OH)）
2
另外，在正极，电子与二氧
氢离子（H+）
水分子
化锰（MnO）及氢离
2 （HO）
子反应，生成氢氧化 2
氧锰[MnO(OH)]。
在电解液中，锌
离子与铵离子（NH4+）
氯离子
向正极移动，氯离子
（Cl-）向负极移动。
（Cl-）
就这样，用导线
连接锰干电池的正极
与负极，导线中就会产生电流。
而且，如果全部用氢氧化氧
锰代替正极的二氧化锰的话，正
极就没有可以接收电子的物质，
因此，导线中就不会产生电流，
二氧化锰
电池就会走到“生命的终点”。 氢氧化氧锰（MnO）
2
[MnO(OH)]
隔膜：
为了不让负极的锌容器与
正极的二氧化锰直接接触的一
种特殊的纸，但电解液和离子
能穿过。
1492
想了解更多！中学化学
PART 5
生成碳的
有机化学
化学分为“无机化学”与“有机化学”等类别。
无机化学对半导体等精密仪器的发展作出了巨
大贡献，而有机化学则在石油化学、药物研发等方面
发挥着重要作用。据说，有机物的种类远远大于无机
物，其关键在于“碳”。接下来，让我们一起了解有机
化学的机制吧！
152. 无机化学与有机化学 164. 细胞的“零件”
154. 用元素周期表观察碳的“优势” 166. 人造有机物
156. 有机化合物的“骨架” 168. 石油化学
158. 官能团的机制 170. 药物学与有机化合物
160. 同分异构体 172. 有机化学的未来
162. 自然界中的有机化合物
150151有机化合物实例
有机化学的
无机化学与
有机化学
“钥匙”是碳原子
肥皂
（十二烷基硫酸钠）
氢
化学被划分为“无机化学”和“有机化学”等 碳
大类。这种划分是从18世纪后半叶开始的。 氧
当时的化学家把动植物自身产生的物质及利用这些
物质生产的酒和染料等“由生物得到的物质”统称
为“有机化合物”（Organic Compound），并把有
机化合物之外的其他物质，如岩石、水、铁、金等 钠
统称为“无机化合物”（Inorganic Compound）。
现在已知的118种元素几乎全都能够在无机
化合物中找到。无机物，由于其中包含的元素种
类和它们的比例不同而具有不同的性质。例如，
红色素（天竺葵素）
一种物质是否导电，是否溶于水，就是由其中所
含的元素种类和比例决定的。因此，无机化学研
究者所做的事情就是尝试把不同元素以新的方式
组合起来而得到新的物质，并研究如此得到的物
质的性质。
然而，有机化合物的性质却不是由其中所包
含的元素种类决定的。早在18世纪末，当时的
化学家就已经知道有机化合物是由碳、氢、氧和
氮等少数几种元素构成的。有机化合物表现出来
的千差万别的性质不是由于所含有的元素的种类
不同，而是由于把这些元素结合起来的方式各有
不同。
有机化合物尽管是由少数几种元素构成的，
但有机化合物的种类要比无机化合物多得多。之
所以如此，原因在于碳原子。因此有人认为，研
究由这种碳原子所形成的种种物质的化学就是 无机化合物实例
氧
“有机化学”。 钠 硅
氯
有机化合物不是“生物活动所产生的物质”吗？
过去，有机化合物是指生命活动所产生的特殊化合
物。不过，德国科学家弗里德里希·沃勒（1800～1882)
食盐 水晶
于1828年在制备假设的物质“氰化铵（CHNO）”的
4 2 （氯化钠） （二氧化硅）
实验中，偶然制造出具有相同元素成分的有机物——尿
氧
素（CHNO）。也就是说，有机化合物不单是生命活动所
4 2
产生的物质。现在，有人把有机物（有机化合物）定义为
※ 本文中的分子图形是在日本新潟县国立大学本间善夫
“以碳原子为骨架的化合物”。
准教授的协助下绘制的。
152色拉油（亚油酸）
砂糖（蔗糖）
DNA
磷
碱基 糖
质子 中子
原子核
电子
轮胎（异戊橡胶）
碳原子
布（尼龙6）
铁
血液成分
（血红素）
氮
153用元素周期
只有碳才能形成无数种物质
表观察碳的
“优势”
碳为什么能够形成无数种物质 最高。除碳之外，硅（Si）、锗 与其他原子结合。这种结合的强弱
呢？这是由碳所具有的两个 （Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）也具 取决于电子和原子核相互间吸引力
优势决定的。我们可以用碳在周期 有“4只手”。 的大小。电子和原子核之间的距离
表上所处的位置来加以解释。 我们可以把碳与位于它下方的 越远，这种吸引力越小。在铅原子
碳，在具有“4 只手”的元 铅做一个比较。这两种元素的原子 中，位于外侧轨道的电子距离原子
素中，它在周期表上所处的位置 都是用它们最外侧轨道上的电子 核较远，容易逃逸，因而结合比较
锂 铍 硼 碳 氮 氧 氟 氖
释放出电子，只剩下 轨道难以填满的元素 轨道能够填满的元素 轨道已经填满的稳定
第1条轨道上的元素 硼的原子，第2条轨 氮、氧和氟这3种元素的 元素
锂或铍的原子，第2 道上有5个空位，但其他 原子，第2条轨道上分别有5、 氖原子的第2条轨道
条轨道上只有1个或2个 硼原子至多只能提供3个 6、7个电子，即分别有3、2、 上有8个电子，已经填
电子，留下的空位较多。 电子。余下的2个空位必 1个空位。因而它们分别有3 满，因而是非常稳定的元
例如，锂失去1个电子只 须从其他特定的元素获得 只、2只和1只“手”。这些空 素。它没有“手”，无法
剩下内侧的2个电子就会 电子（参见下页“想了解 位填入电子后，第2条轨道便 形成分子，只能以单个原
变得十分稳定。 更多”的说明）。 被填满，成为像氖原子那样的 子的状态存在。
稳定状态。
电子可以进入
的空白部分
电子
L壳
质子 中子 K壳 甲烷（CH）
4
“4只手”互相离得
碳有 4 只手的原因 最远，如右图所示正四
碳原子的第2条轨道上有4个 面体的顶点。
原子核
电子和4个空位。碳倾向于要填满
这4个空位，因此有可以实现连接
的“4只手”。
乙烯分子（CH）
2 4
154松散。但是，碳原子的外侧轨道距 （Sn）、铅（Pb）等元素也有“4 由于结合能力很强，因此，碳
离原子核较近，电子难以逃逸，因 只手”。 原子之间也可以形成双键和三键。
而结合比较牢固。 碳元素通过最外侧轨道中的电 双键形成了分子的三叉结构，三键
子与其他原子结合在一起的。结合 形成了直线形结构，由此产生了分
碳原子之间形成双键、 能力取决于电子与原子核相互吸引 子的多样性。
三键 的力，原子核与电子的距离越近，
相互吸引的力就越大。因此，从原
在拥有“4只手”的元素中， 子核到外侧轨道距离较近的碳原子
碳位于元素周期表的最高位置。除 中，电子不会逃逸，可以牢固地结
碳以外，硅（Si）、锗（Ge）、锡 合在一起。
在周期表上纵向看，碳的“4 只手”特别强大有力
排列在周期表上同一纵列的元素大多有一些
共同的性质。例如，排在碳下方的元素硅（Si）、
锗（Ge）、锡（Sn）和铅（Pb）也都具有“4只
手”。碳能够形成不同结合（键）的第一个原因，
是在这些元素中，碳所形成的结合最为牢固。比
较碳原子和铅原子的电子结构，就可以看出为何
碳形成的结合最强。
Nh Mc Ts Og
铅
碳 吸住外侧电子
的吸引力较弱
排列在碳下方第
4个位置的铅原子总
吸住外侧电子 共有82个电子。最
外侧的电子离原子核
的吸引力较强
较远，它们被原子核
在碳原子中，电子
吸住的力较弱，因而
距离原子核较近，两者
容易脱离。
之间的吸引力较大。
想了解更多！硅和官能团形成的不同物质
在周期表中，位于碳下方的“硅”（Si）是岩石中含有的主要元素，也是地壳中含量位居第二的元素。从20世纪40年代开始，
化学家使硅与有机物结合，合成出许多不同的新物质。例如，比有机橡胶更耐高热和低温的硅橡胶、特别耐久而不会变质的油类
和树脂等，已经被广泛当作电化学制品使用。这一类物质有一个专门的名称，叫作“硅胶材料”。
硅胶材料耐久而不易变质，原因在于分子中的结合十分牢固。硅可以同氧以各种不同的方式结合而形成具有“…Si-O-Si-
O-Si-…”结构的分子。这种结构比碳与碳的结合更牢固。以硅和氧结合形成的长分子作为“骨架”，再附着上不同的元素和有机
物官能团作为“装饰物”，所形成的分子就是各种各样的“硅胶材料”。硅胶材料中的“装饰物”不同，得到的就是油类、橡胶和
树脂等不同物质。硅胶材料具有比有机物更坚固的骨架，却像有机物那样具有各种各样的功能。
155有机化合物
碳的连接方式决定了是何种有机物
的“骨架”
19世纪的化学家研究了不同 典型的链状分子是碳原子彼此 中的碳链可以说就是有机化合物的
的有机化合物，他们注意 以单键连接起来的长分子。在这种 “骨架”。
到，这些化合物的分子有一个共同 分子中，每一个碳原子都借助它 化学家通过研究不同有机化合
的特点。那就是，大多数分子要么 的“两只手”分别同前后相邻的碳 物了解到，这条碳链上连接的碳
是有一种由碳原子连接起来像一条 原子相连，而剩余的“两只手”则 原子的多少直接影响着化合物的性
长链状的结构，要么是有一种由碳 分别同氢原子相连。氢原子的部 质。比如，碳链上只连接有1～4
原子连接起来像一个环状的结构。 分也可以更换为其他的原子。分子 个碳原子的有机化合物在常温常压
蜡分子 具有碳“骨架”的不同分子
碳原子连接成为链状分子。 有机化合物分子就像是由碳原子连接成的“骨架”和附着在
碳原子的数目为15～20个，就 此骨架上的不同“装饰物”两部分组成。这里跨页图解介绍的是
是容易燃烧的固体蜡。 具有典型碳骨架的几种分子，后面两页再介绍不同“装饰物”。
氢
碳
蜡烛
脂肪族
碳和氢结合而形成的最简单的有机物。由
于脂肪分子都具有这种由碳原子连接而成的长
链，因而这类分子被统称为“脂肪族”。附着在
碳链上的氢可以更换成其他“装饰物”。脂肪族
分子的碳链骨架不仅可以是单键连接，也可以
是双键或三键连接，而且还可以形成环状分子
（不包括苯等芳香族分子）。
脂肪族包括了从气体到
固体的不同物质
属于脂肪族的物质，当分
子中碳链上的数目为1～4时，
是室温下的气体；碳更多，则
是固体。比如，制作普通塑料 甲烷（CH） 乙烷（CHCH）
4 3 3 丙烷（CHCHCH）
袋的那种聚乙烯，其中的长分 天然气的主 从石油分离出来的一种气体， 3 2 3
冷却成液体贮存，用
子链作规则排列，分子之间有 要成分 也是天然气的一种成分。即使
作燃料。
很强的作用力，因而袋子虽 多个分子聚集在一起，碳的4
薄，却很结实。 只手也保持原有方向不变。
156下是气体，连接有15～20个碳原 们并不知道它的分子具有怎样的结 后来制造出来的染料和药品等
子的化合物包括制造蜡烛的蜡。随 构。为此，研究者曾做过不同猜测。 有机化合物差不多都含有苯，并得
着碳链上连接的碳原子的数目增多， 最后还是由认识到碳原子有“4只 到一个总称，即“芳香族化合物”。
相应的化合物变得越来越不容易燃 手”的凯库勒阐明了苯的结构。※ 李比希的一位学生，德国化学家霍
烧。当碳链上连接的碳原子数目多 凯库勒指出，苯是一种由6个 夫曼（1818～1892）对这种现象有
到数万和数十万时，典型代表就是 碳原子同时以单键和双键连接成环 非常生动的比喻：“在苯这棵美妙的
做普通塑料袋的材料“聚乙烯”。 状的分子。分子中的每一个碳原 树上，处处都开放出美丽的花朵。”
具有环状结构的分子的代表是 子再以剩下的那只手同一个氢原子
在19世纪普遍用来点燃煤气灯的煤 相连。他认为，同碳链一样，这些
※ 凯库勒还发现，1个碳原子最多可以
气中发现的一种叫作“苯”的物质。 氢原子也可以为其他种类的原子所
和4个原子结合，碳原子之间可以像
在苯被发现以后，有一段时间，人 取代。 链锁那样结合在一起。
凯库勒阐明的苯分子结构
在19世纪普遍使用的煤气灯中发现
的一种物质。据说，凯库勒做梦看见一
条咬着自己尾巴的蛇，而受到启发，想
到碳也可以有连接成环状的结构。他那
时就已经用单键和双键来表示苯的结构。
芳香族
包括很大一部分以单键和双键连接成环状分子的物质。苯环不变，但氢可
以替换成其他“装饰物”。这类物质大多具有香味，因而统称为“芳香族”。除
了苯，凡是碳环上有2n+2（n=1，2，3…）个双键※的那些分子也都具有“芳 苯的现在结构式
香族”的性质。 现在认为苯分子中
※ 将碳原子结合在一起的电子可以有多种状态，即有双键和三键等，包括双键在内的多键叫作“π 的碳原子是被“1.5键”
键”。一种有机化合物是否属于芳香族，严格说来，取决于这种环状分子是否具有2n+2（n=1， 结合在一起，因而具有
2，3…）个这种π键。
上图所示的结构。
苯甲醛（CHO）
7 6
大量存在于桃核、
杏核中的芳香有机化合
物，可工业合成，用作
糕点、香皂等的香料。
煤气灯
萘（C H） 苯乙烯（CH）
10 8 8 8
用作制备染料等 发泡苯乙烯的原料
157官能团
改变有机物性质的“要素”
的机制
家庭使用的那种罐装液化气， 氢原子更换成由一个氧原子和一个 丙烷不溶于水，而丙醇却溶于
主要成分是“丙烷”和“丁 氢原子所组成的“羟基”，则可以得 水。这是因为羟基具有同水分子相
烷”等。丙烷分子由3个碳原子和 到液体状的“丙醇”。丙醇是制造化 似的“—O—H”结构。然而，丙醇
8个氢原子构成。如果把其中一个 妆品、墨水等所使用的一种原料。 仍然同丙烷一样具有易燃性质。
氢（H）
碳（C） 丙醇分子 “装饰物”
赋予不同功能
左侧图解绘出的是丙醇分子。丙
醇易燃，溶于水。丙醇具有溶于水的
羟基
性质是由于它的分子包含有羟基。
氢（H） 附着在碳链上的官能团可以使新
（带正电） 的有机物具有完全不同于原来有机物
的性质。不同官能团赋予有机物不同
的性质，这取决于官能团内原子和原
子之间的“电荷偏移”情况。
氧（O）
（带负电）
想了解更多！
“骨架”和“装饰物”是由什么
水分子 吸引电子
决定的？
有机化合物分子的一部分起到分子“骨架”
的作用，那些就像是骨架上的“装饰物”的官
氧吸引电子的能力比碳强，
能团则决定了参与什么化学反应。“骨架”和
因而会出现右图所示的电荷偏 氧
“装饰物”为什么会有不同的作用呢？
移。原子吸引电子的能力叫
事实上，大多数化学反应都是由于分子中
的“电荷偏移”引起的。出现这种电荷偏移则 作“电负性”。氧的电负性值为 碳
是由于分子内的各个原子吸引电子的能力存在 3.5，碳的电负性值为2.5，所
差异。例如，在碳和氧以共有电子结合时，氧 以氧吸引电子的能力强于碳。
吸引电子的能力要强于碳，于是出现电荷偏
移，因此碳和氧的结合容易形成“官能团”。
但是，在碳和氢结合时，两者吸引电子的
能力相差不大，因此碳和氢的结合不容易形成
官能团。
如果是碳和锂结合，在这种情况是碳吸引
电子的能力较强，把电子拉过来，电荷偏移
的结果是碳带负电。由此可见，因结合对象不 此图上小立柱的高度
同，碳的性质会有很大变化。 代表元素吸引电子的能力
（电负性）。
158这个例子说明，一种有机化 基其中的一个氧原子和一个氢原子 予了含有羟基的有机物具有能够溶
合物的性质取决于该化合物分子具 通过共用电子结合在一起，电子同 于水并进行化学反应的那种性质。
有怎样的“装饰物”。这些“装饰 时受到两个原子的吸引。但是，电 除了羟基，其他官能团也会由
物”被看成是赋予了有机化合物 子受到氧原子吸引的力要大于受到 于电荷偏移而赋予有机物以不同的
功能的部分，因而叫作“官能团” 氢原子吸引的力，这样，羟基偏向 功能。
（Functional Group）。 氧原子的一侧就会略微带负电，偏
那么，羟基为什么具有这种能 向氢原子的一侧就会略微带正电。
力呢？这是因为不同种类的原子吸 正是羟基的这种不对称电荷分布赋
引电子的力的大小不同。例如，羟
8种具有代表性的官能团
形成酒精的【羟基】 能溶解不溶于水的 形成对人体有害的 溶于水中显示强酸性的
有机物的【醚键】 物质的【羰基】 【磺基】
氢（H） 硫黄（S）
氧（O）
碳（C） 醛基 酮基
形成酒精（乙醇）分 形成麻醉剂，人们最 酒精（乙醇）在人体内 形状类似硫酸分子的一
子的官能团。“OH”部分 熟悉的含有醚键物质的是 分解后的产物“乙醛”就含 种官能团。具有磺基的分子
与水分子（HO）相似， “乙醚”。常被作为溶解许 有这种官能团，是引起醉酒 易溶于水，具有强酸性（化
2
因而具有羟基的酒精易溶 多试样的溶剂使用。是一 症状的一种物质。制作生物 学式【—SO(OH)】）。
2
入水。糖的分子也有若干 种非常稳定的物质，对于 标本所使用的福尔马林（甲
羟基，所以糖也易溶于水 绝大多数的试剂都无反应 醛）也是一种醛（化学式
（化学式【—OH】）。 （化学式【—O—】）。 【—COH】，【—CO—）】）。
形成醋等有机酸的 产生各种香味的 进行激烈反应引起爆炸的 吸引氢原子，显示碱性的
【羧基】 【酯键】 【硝基】 【氨基】
氮（N）
形成醋一类有机酸。 具有酯键的小分子 常 见 的 一 种 炸 药 氮带负电，倾向于再吸
可以由醛类变成。例如， 大量存在于花果的香气 “TNT”（三硝基甲苯）就含 引来氢离子等其他离子（呈
引起宿醉的乙醛分解后会 中。制造纤维的聚酯就是 有许多硝基。含有硝基比较 碱性）。形成蛋白质的氨基
变成醋酸（化学式【— 具有酯键的分子连接成 多的分子都具有能够爆炸的 酸就是附着有氨基和羧基的
COOH】）。 的高分子（化学式【— 性质（化学式【—NO】）。 分子(化学式【—NH】）。
2 2
COO—】）。
上面图解集中给出了一些常见的官能团。连接“骨架”和“骨架”的官能团有时也叫作“键”。图
解上原子周围的红色表示该原子从结合对象拉来电子，带有负电。当有机化合物中有多个官能团时，官
能团之间会相互作用，影响到“骨架”的形状，从而导致化合物的性质发生非常复杂的变化。
159有机化合物
有机化合物 C H 的 6 种分子
4 8
同分 在图片所示的6种有机化合物中，除1-丁烯以外，其余5
“C H ”
异构体 种的碳原子排列全都不同。反式- 2-丁烯与1-丁烯的碳原子
4 8
排列方式相同，但双键的位置不同。
有 6 种 顺式- 2-丁烯与反式- 2-丁烯则是结合在双键两端的“零
件”（由1个碳原子和3个氢原子构成，CH）分布不同。顺
3
式- 2-丁烯的“顺式-”是指“零件”位于同一侧，反式- 2-
丁烯的“反式-”是指“零件”位于另一侧。
正如本部分开头所介绍的那样，有机化合物的
最大特征在于尽管仅由数种元素构成，但种
类非常多。其原因在于，1个碳原子最多可以和4
个原子结合在一起，形成正四面体结构、三叉结
构、直线形结构等不同结构。
例如，由4个碳原子和8个氢原子构成的有
机化合物的化学式为“C H ”。用“C H ”表示的
4 8 4 8
有机化合物不止1种，而有6种（右图）。虽然它
们全都由4个碳原子和8个氢原子构成，但碳原
子的排列方式和双键的位置等并不同，化学性质
也不同。
C H 有 75 种，
10 22
C H 有 36.6319 万种
20 42
就像有6种C H 那样，用相同化学式表示的
4 8
2-甲基丙烯
不同种类的化合物分别称为“同分异构体”。有机
（CH）
4 8
化合物的同分异构体的数量会随着有机化合物中
碳原子的数量增多而爆炸性地增加。
例如，由10个碳原子和22个氢原子构成的
有机化合物（C H ）的同分异构体有75种※；
10 22
由20个碳原子和42个氢原子构成的有机化合
物（C H ）的同分异构体的数量为36.6319万
20 42
种；由30个碳原子和62个氢原子构成的有机
化合物（C H ）的同分异构体的数量甚至高达
30 62 甲基环丙烯
41.11846763亿种。 （CH）
4 8
1-丁烯
（CH）
4 8
※ C H 是碳链全部由单键构成的“烷烃”（详见第78
10 22
页）。烷烃的同分异构体的数量可以通过计算得出。不
过，由于这种计算方法非常复杂，因此无法简单地解
释清楚。C H 与C H 也是烷烃。
20 42 30 62
160顺式-二氯乙烯
立体异构体
丁烷
构成分子的原子数量相同，
氢 氯
连接方式也相同，但连接“方
碳 向”不同的分子的组合称为“立
体异构体”。有因不能旋转的碳
的双键所导致的“顺式·反式异
构造异构体 构体”（右图），以及左右对称的
“镜像异构体”（下图）。
构成分子的
原子数量相同，
异丁烷
连接方式不同的
物质的组合称为 反式-二氯乙烯
构造异构体。
L-薄荷醇
散发薄荷香气，是薄荷植物
中所含的天然成分，遇到光后可 D-薄荷醇
以区分，称作“L体”“左手型”。 虽说是“薄荷醇”，但未必散
发薄荷的香气。D-薄荷醇是L-薄
荷醇的镜像异构体，散发出类似
消毒水的气味，遇光后可以区分，
同分异构体的种类
称作“D体”“右手型”。
根据“分子连接方式不同”，异构体 镜像异构体
的模式图
有不同的种类。
镜像异构体导致的药害事件
镜像异构体的沸点和熔点等性质
不发生改变。但是，由于其立体结构
不同，因此，有时对其他物质造成的
影响等也不同。其中，尤其要注意的
顺式-2-丁烯
是镜像异构体对生物的影响。即使是
（CH）
4 8 存在镜像异构体的有机化合物，也有
在自然界中几乎只存在单个镜像异构
体的物质。例如，氨基酸和糖等。如
果生物摄入自然界中几乎不存在的另
一种镜像异构体的话，有时会受到极
大影响。
1957年，作为安眠药上市的“酞
胺哌啶酮”（C H NO）中含有R-
反式-2-丁烯 13 10 2 4
酞胺哌啶酮和S-酞胺哌啶酮这两种镜
（CH）
4 8
像异构体。人类摄入前者后，会引起
睡意；孕妇摄入后者后，会导致胎儿
的四肢和耳朵受损或残疾。但当时在
没有阐明这两种镜像异构体性质的情
况下就作为安眠药上市销售，结果发
生了导致一些胎儿受损的药害事件。
环丁烷
（CH）
4 8
161自然界存在着
自然界中的
千变万化的有
有机化合物
机物
有机物在发生不同化学反应时，它们的分子会
每次改变一点而不断地变化。因此，有机物
的种类总是在增加，不可胜数。在自然界中，有
机物的分子稍有改变，结果就变成完全不同的另 氧气
一种物质的现象也不少见。 碳
蜂蜜、马铃薯和树木的枝干就是这样的例子。 氧气
乍一看，这三种东西风马牛不相及，其实它们都
是同一种分子形成的物质。马铃薯含有的淀粉和
支撑大树的结实主干都具有同蜂蜜所含有的糖分
子类似的分子。
蜂蜜中含有的糖分子叫作“葡萄糖”。化学
家早就知道，葡萄糖其实包括两种形状并不相同
的分子。这两种分子乍看起来样子相同，仔细查 淀粉（直链淀粉）
由许多个α-葡萄糖按照
看，才发现有一处羟基的位置有所不同，两者互
“正、正、正、正……”的顺序
为“立体异构体”。在马铃薯的淀粉中和在树木枝
连接起来，卷曲成螺旋状的长
干的纤维中也有与这两种分子形状相似的分子。 链分子。马铃薯等所含的淀粉
马铃薯淀粉属于“直链淀粉”，是一种卷曲成 就是这种分子。 蜂蜜
蜂蜜含有一种叫作葡萄
不规则螺旋状的长链分子。直链淀粉的分子看起
糖的糖分子。葡萄糖分子中
来就像是由许多个两种葡萄糖之一的α-葡萄糖连
α-葡萄糖
的环不停地断开和连接。每
接起来的长分子。 次重新连接成环，形成的可
树木的枝干是由大量叫作“纤维素”的一种
以是“α-葡萄糖”，也可以
是“β-葡萄糖”。
直线状的分子聚集而成。仔细查看纤维素的分子，
可以发现它就像是由许多个蜂蜜所包含的两种葡
萄糖之一的β-葡萄糖连接而成的长分子。
许多这样的纤维素长分子整齐地沿着同样的
方向排列成一束便是纤维。纤维素分子之间的弱
引力能够使它们形成结实的纤维，这样大量的纤
维聚集起来便成为支撑起树木的主干。
直链淀粉和纤维素的区别仅在于两种长分子
内的葡萄糖分子的连接方式稍有不同。正是分子
β-葡萄糖
的这种不大的差别形成了种类如此繁多的有机物。
162树干和淀粉是由非常
相似的分子组成
从此跨页图解绘出的分子立体模型不难看
出，树木的枝干和马铃薯的淀粉都具有与蜂蜜相
似的分子单元。两者的区别仅在于葡萄糖分子的
连接方式略有不同。
树木枝干（纤维素）
由许多个β-葡萄糖按照“正、反、
正、反……”的顺序连接起来，呈直线
状的长链分子。相邻分子之间借助氢
（—H）和羟基（—OH）以弱引力结合
在一起。这种结合叫作“氢键”。氢键
把纤维素分子聚集成束而形成纤维，构
成树木的枝干，支撑起树木。
纤维素集束排列
树木的导管部分 成纤维的方向
导管是从根部向枝叶输送
水分和无机盐的部分。导管壁
导管
是由纤维素组成的很细的纤维
所形成的多层结构。这种纤维
素构成的纤维壁能够支撑树木
几十、上百年不倒。
* 像银杏那样的 子植物和杉树、
祼
丝柏等针叶形树木被称为“临时
导管”，在栗树、栎树等阔叶形
树木中被称为“导管”或“纤维
状临时导管”。
想了解更多！日常应用实例
纤维素和直链淀粉在我们的日常生活中有广泛的应用。例如，那种从 银杏树
木薯植物根部提取的食用木薯粉，可以制作呈透明的圆球，木薯粉就是一
种直链淀粉。还有一种新型的叫作“（高纤维）椰果”的天然食品原料，利
用椰子水发酵制成，加到各种甜食和冷饮中有一种独特的风味。椰果中含
有大量的纤维素，可以帮助消化，但本身不能被消化。
163细胞的
生命“零件”是以碳为中心组装的
“零件”
包括人类在内的所有生命体都 这些细胞的是具有复杂立体结构的 结构的DNA、宛如精密机械的蛋
是由“细胞”构成的。构成 不同“零件”。磷脂、具有双螺旋 白质等“材料”组合在一起，构成
构成生命零件的主要元素
磷脂（磷脂酰丝氨酸）
氧（O）
氢（H） 硫（S） 形成细胞膜的途径
碳（C）
氮（N）
磷（P）
氨基酸
形成蛋白质的途径
形成核酸（DNA及
氨基酸
RNA）的途径
碱基（胸腺嘧啶）
氨基酸
碱基（胞嘧啶） 糖（脱氧核糖）
氨基酸
碱基（腺嘌呤）
碱基
（四种碱基中的任何一种）
碱基（鸟嘌呤）
形成DNA的途径
磷酸 磷酸
糖（脱氧核糖）
脱氧核糖核苷酸※2
糖（核糖）
碱基（尿嘧啶※1，U）
碱基
形成RNA的途径
（四种碱基中的任何一种）
※1 尿嘧啶是RNA特有 ※2 在实际生物中，
磷酸
的碱基。在DNA的 会经由核苷酸而
转录时取代DNA中 合成脱氧核糖核 核苷酸
的胸腺嘧啶，与腺 苷酸。
糖（核糖）
嘌呤配对。
164了细胞。 蛋白质是造就各种生命活动， ※ 据说，自然界中有数百种氨基酸，但
构成绝大多数蛋白质的基础性氨基酸
DNA有4种“碱基”，携带着 构成生命体的“万能选手”。而磷
的只有20多种。但是，科学家发现
遗传信息。DNA的遗传信息转录到 脂在“水”中整齐排列，构成了细
了与这20多种氨基酸不同的可合成
RNA上，成为蛋白质的“设计图”。 胞膜。 部分蛋白质的另外两种氨基酸，在人
据说，人体内大约有10万种蛋白质 这些复杂的生命零件全都是以 体上也发现了其中的一种。
在起作用。令人吃惊的是，这些蛋 碳为中心，是在氢、氧、氮等寥寥
白质仅由二十几种氨基酸构成※。 数种元素的基础上组装而成的。
亲水基 细胞膜的主要材料——磷脂
一个分子中既有容易与水亲和的部分（亲水基），
疏水基 也有很难与水亲和的部分（疏水基）。难与水亲和的
部分在内侧呈三明治形整齐排列，形成细胞膜。
氨基酸 蛋白质
由作为基本单元的20多种氨基酸
串连而成的分子。每种蛋白质都有不
同的立体结构。在细胞内外，作为促
多个氨基酸串
进生命体各种化学反应的装置起作用。
连在一起
细胞膜
蛋白质
DNA（脱氧核糖核酸）
由作为基本单元的“脱
氧核糖核苷酸”连接而成的
双螺旋结构的分子，具有4
种碱基，其排列方式可携带
遗传信息。DNA的遗传信息
转录到RNA，成为蛋白质的
DNA 细胞核
“设计图”。
RNA
RNA（核糖核酸）
由作为基本单元的“核苷酸”连
接而成的分子。与DNA一样，也有4
种碱基，可携带遗传信息，主要在合
成蛋白质时发挥作用。但最近的研究 细胞
发现，它还具有调节基因表达等多种
作用。与DNA和蛋白质相比，RNA
不稳定，容易受损。
165我们日常使用的聚乙烯塑
意思。世界上最早出现的人造聚合
人造
料袋、聚酯饮料瓶和尼龙 物，是在1931年由美国化学家卡
有机物
罗瑟斯（1896～1937）首次成功
织物等都是有机物 合成的人造橡胶“氯丁橡胶”（聚
氯丁烯）。接着在1935年，他又
我们今天大量使用着聚乙烯塑料 机物。对于19世纪初期的化学家来 首次成功合成出人造纤维“尼龙”。
袋和聚酯饮料瓶，商店里出售 说，有机物还只是指“由生命制造 这些聚合物虽然同砂糖和植物
的衣物，其标签上也常标示有“聚 的物质”。然而，100年后，这类物 一样也是有机化合物，但它们大多
酯”或“尼龙”等字样。这些物品 质便也可以由人工制造出来了。 在自然界中难以降解，而会长期遗
所使用的材料都属于有机物，它们 制造聚合物的方法，是先制造 留下来。这是因为自然界中没有分
的分子全都是被称为“聚合物”（高 出单体，然后把数万或数十万个这 解这些人工物质的生物的缘故。近
分子）的长链状分子。此外，常见 样的单体分子连接起来而形成长链 年来，化学家正在积极开发也能在
的黏接剂，还有那种能够耐受高压 状的分子（聚合物）。这里“单” 自然界中被分解的聚合物材料，或
的水箱等，也是聚合物制造的。 的意思是“一个”，而“聚”的意 者研究循环利用这些合成材料的技
合成聚合物是人类在进入20世 思是“多个”。“聚合物”则是“大 术，以减轻它们长期残留对环境造
纪以后人工制造出来的一类新型有 量分子连接起来所形成的物质”的 成的压力。
华莱士·卡罗瑟斯
（1896～1937）
1931年，在世界
上首次成功合成出人
造橡胶“氯丁橡胶”。
4年后，又开发出人
造纤维“尼龙”。
拉长的橡胶内部的分子 松弛的橡胶内部的分子
（浅蓝色线）
碳原子
氢原子
氯原子
氯丁橡胶的分子结构
高分子的形成过程 长链上连接着大的氯原子，分子呈现为弯扭的形状。
1. 2. 3. 4.
乙烯分子 聚乙烯
利用空出“一只手” 重新出现一个空出有 再次出现一个空出有“一只 继续上述步骤，在形成许多具有一定长度
的分子拆解开乙烯分子的 “一只手”的新分子，它靠 手”的新分子，它再靠近另一个乙 的空出有“一只手”的分子之后，这些分子彼此
双键，与乙烯分子结合。 近另一个乙烯分子，拆解 烯分子，拆解开后者的双键，与之 再连接起来，反应结束。结果得到有数万乃至数
开后者的双键，与之结合。 结合。 十万原子连接在一起的长链状分子。
166我们周围的各种聚合物制品
除最常见的尼龙和塑料瓶之外，我们周围的许多物品都使用了聚合物，下表中列出的仅是一些例子。
用途 名称 性质
塑料袋 聚乙烯 最简单的聚合物，标记为PE，可循环利用。
水族馆的水箱壁 聚甲基丙烯酸甲酯 透明，非常坚固，用作制造抗高压水箱的材料，俗称有机玻璃。
泡沫塑料 聚苯乙烯 可在熔融状态成型时在内部产生无数气泡，其98%的体积为空气。
黏接剂 环氧树脂 将两种物质混合，发生化学反应而成为坚硬的树脂。
橡塑玩具 聚氨乙烯 燃烧后会产生有毒气体二恶英，现在已经很少使用。
CD-ROM 聚碳酸酯 比其他塑料更透明，更耐受冲击。
不粘锅涂层 聚四氟乙烯 制成耐化学腐蚀和耐高温的薄膜，商品名为“特氟龙”。
车轮内胎和外胎 聚异丁烯 可以和从橡胶树采得的天然橡胶混合使用。
尼龙 运动服
1935年由卡罗瑟斯发明的一种人造 因为又轻又结实，所以非
纤维。那以前的人造纤维性能很差，远 常适合制成运动服。
比不上天然蚕丝，然而尼龙的强度却超
过了蚕丝。1940年，尼龙被制成织物出
售，广告宣传称尼龙是“由石油和水制
成的纤维，比蜘蛛丝还细，比钢丝还结
实”，受到消费者的喜爱。尼龙是把“己
二酸”和“己二胺”两种物质一起加热，
使两者交互排列而形成的长分子。
氢原子
氮原子
气球的球皮材料
耐损伤，适宜制成热气球。
碳原子
氧原子
聚酯饮料瓶的分子 聚对苯二甲酸乙二酯
聚酯饮料瓶
长分子作规则折叠。
（PET）
制作饮料瓶的高分子材料。分子中包含
有苯环，难弯曲，可以直线伸长。不易弯曲
的可伸长部分较多，因而不易变形。把聚乙
烯和对苯二甲酸一起加热，使两者交互排列
而形成的长分子。
167制造塑料袋为什么要用石油作为原料？
石油化学
有机化学的发展极大地改变了 有的物质。今天，缺少了这其中的 氢等元素构成的有机化合物。因
20世纪以来的人类生活。利 任何一种，我们的生活都会变得不 此，从原理上说，它们也应该是
用石油，我们可生产汽油、塑料、 可想象。 可以利用水和二氧化碳合成出来
尼龙、沥青、橡胶等自然界原本没 这些物质全都是由碳、氧和 的。那么，在工业生产中为什么要
这里所说的“石油”是指提炼“原油”制成的产品的总称。
利用石油生产聚乙烯的过程
跨页图解绘出了利用石油生产聚乙烯，直到将它燃烧
变成二氧化碳和水的过程。我们常见的塑料袋等有机化合
物全都是从石油中得到的。例如，如果用二氧化碳来生产
聚乙烯的话，那就必须反过来向它注入与聚乙烯燃烧时所
释放的热和光同样多的能量。 燃气
可用作家庭燃料。
石脑油
一些比较小的分子的混合物，
在步骤2中被进一步分解为更
小的分子。
2.
石油
将石脑油变为乙烯
按照现在的理论，石油是 煤油
可用作煤油灯和煤油炉等的燃料。 将石脑油加热到高
远古时代海洋和湖泊中死去的
温，分解为小分子。然
微生物的沉积物在地下受到高
后慢慢冷却，使这些小
温高压的作用而形成的。
分子按照不同种类分离
柴油 开来。右页列出的就是
可用作一部分使用柴油机的汽
分离后的不同物质，大
车的燃料。
致按照分子从小到大的
顺序上下排列。除氢以
1.
外，所有这些物质的分
从石油中分离出各种 常压残油 子都有碳和碳的结合
分子 分离出不同物质后的残余油， （碳-碳键）。
原油中包含许多不同 又叫“渣油”，可以进一步分解
的有机物，可以把它们分
得到沥青。
别分离出来。把石油加
热，在所有的气体都挥发
出来之后，再慢慢冷却，
便依次得到各种液体有机
物。从石油可以得到煤
油、石脑油、燃气等有用
物质。
168把石油作为原料来生产它们呢？研 放出二氧化碳和水，还会产生热和 塑料的分子也具有同石油分子
究石油化学的日本新潟大学工学部 光。具体说来，石油燃烧时，碳 差不多相等的高能量。所以，利用
的伊东章教授说，“这是由于，同 和碳的结合被拆散，碳原子重新再 二氧化碳来生产塑料将需要很大的
二氧化碳相比，石油具有‘更高的 形成其他结合，那多余的能量便以 能量。利用本来就具有高能量的石
能量’”。 热和光的形式被释放出来。由此可 油作为原料，生产塑料等物质所需
这里所说的“更高的能量”是 见，如果利用二氧化碳和水来生产 要的能量自然就会少得多。
什么意思呢？石油的能量储存在石 塑料，我们就不得不反过来向这两 这里所说的“石油”是指提炼
油分子的碳和碳的结合（碳-碳键） 种物质注入同上述释放的热和光相 “原油”制成的产品的总称。
之中。例如，石油燃烧时不仅会释 等的能量。
氢气
3. 4.
除了用作石化产品的原料，还
是一种很有可能有利于环境保
利用乙烯合成聚乙烯 燃烧聚乙烯
护的清洁能源。
把乙烯分子连接起来便 聚乙烯燃烧后分解为二氧化碳和
得到聚乙烯（参见第166页 水。燃烧时，聚乙烯分子的碳-碳键
甲烷 “高分子的形成过程”）。聚 和碳-氢键被切断，重新形成碳-氧
天然气的主要成分，没有气味，
乙烯分子上连接有数万到数 键和氢-氧键。在此过程中会以光和
易燃。为了预防泄漏，供应时
十万个乙烯分子。 热的形式释放出巨大的能量。
会混入有气味的气体。
乙烯 二氧化碳、水
聚乙烯
除了用来合成聚乙烯，还是制 燃烧时产生的气体，释放到空
用作制造塑料袋等的材料。
造酒精和醋酸等的原料。 气中。
乙烷 5. 能够用二氧化碳和水制造塑料吗？
可直接用作燃料，也是制造乙
如果向二氧化碳和水注入巨大的能量，是可以用
烯的原料。
它们制成塑料的。但是，同利用石油作原料相比，效
率太低。
丙烯
可用作制造塑料和其他许多石
化产品的原料。 什么是分子的能量？以蜡烛燃烧为例加以说明
蜡烛点着后，灯芯不断燃出火苗，蜡烛则逐渐变短。火苗发出的光和热是从哪里
来的呢？
液化石油气 左图表示在
可用作家庭和汽车的燃料。通 二氧化碳
蜡烛燃烧的过程
2.
常会冷却为液体储存和运输。 氧气 3. 氧气 中，蜡分子所具
有的能量如何变
丁烷、丁烯 水蒸气 蜡 成了光和热。
可用作燃料和用作制造石化产
1.
热
品的原料。
光
蜡
蒸馏汽油
可用作汽车等的燃料。分解重
1. 蜡烛点着后，被加热融化的蜡分子不断被蜡烛芯吸收。
油得到的汽油叫作裂解汽油。 水蒸气
2. 蜡烛芯吸收的液体蜡受热变成气体，与空气中的氧发生反应
而燃烧。
3. 燃烧时生成的二氧化碳和水蒸气散失在空气中，同时，蜡分
重油
子所具有的能量以光和热的形式被释放出来。这释放的热量
可以分解得到汽油等物质。
二氧化碳
再将附近的蜡融化为液体，被蜡烛芯吸收（回到1）。
169取莽草酸分子，再将它们重组为新
许多药物已经可以在
药物学与 的分子而得到的。事实上，有机化
有机化合物 学在20世纪的发展已经可以使人
实验室合成出来
类用人工合成的方法来得到自然界
存在的各种有机物，或者把这些天
人类至迟在3500年前就已经 许多天然有机化合物的结构，为在 然有机物的分子进行重组而得到疗
知道采来各种草药治疗疾 实验室里人工合成这些有机化合物 效更好的药物。
病。到19世纪末，人类已经在有 提供了可能。 20世纪的药物学，就是这样
意识地种植各种药用植物。然而， 关于人工合成药物的早期著名 通过研究生物所产生的药物的分子
如果能够用人工方法合成药物中的 例子，一个是镇痛药阿司匹林，另 结构，然后加以改进或在实验室进
有效成分的话，那么比起种植来， 一个是治疗疟疾的特效药奎宁。最 行合成制造而发展起来的。
显然能够更快和更方便地获得所需 近的具有代表性的例子则可以举出 近年来又出现一种很有希望的
要的药物。进入20世纪以后，随 抗流感的新药“泰米弗氯”（达菲）。 研制新药的方法，那就是，先在计
着有机化学的发展，化学家掌握了 达菲是从一种叫作八角的香料中提 算机上分析已有的那些药品的资
阿司匹林（乙酰水杨酸）※1
在1897年把水杨苷（下）加
以改进而制成的一种药品，其导
致胃肠功能紊乱的副作用比水杨
苷小，很快就被普遍使用。阿司
匹林镇痛作用的机制直到近些年
才了解清楚。
柳树
水杨苷
树皮很早就被当作
1828年从柳树树皮中
镇痛药使用。图上绘出
提取到的一种具有镇痛作
的是垂柳，从其他柳树
用的成分。在19世纪就已
中也可以提取水杨苷。
经当作药品使用，但有较
大的刺激胃肠的副作用。
170各种天然有机化合物
进入20世纪，有机化学家对世界各地动植物所产生的有机化合物进行调查研究，扩大了有机化学的研究领域。这些化合
物，有的比较普遍，有的则只是少数地方的“特产”。
用途 名称 性质等
从茜草属植物提取的一种染料。1863年，由德国的利伯曼和英国的帕琴分
红色染料 茜素
别合成成功。
海带等海产品中所含有的一种“鲜味”物质。1908年，由日本的池田苗在
味精※3 谷氨酸钠
海带中发现，并在后来合成成功，当作调味品出售。
油漆的主要成分，凝固后形成一层非常坚固的膜。1906年，由日本的三山
漆 漆酚
喜三和真岛利行发现，现在已经可以合成。
河鲀豚含有的一种剧毒物质。1964年，由平田义正、津田恭介和伍德沃德
毒药、药品 河鲀毒素
等查明分子结构，目前还不能人工合成，但也可被当作镇痛剂使用。
料，尝试设计出对于某种疾病有较 从数百万种这些候选分子中筛选出 验，以制出新药。
好疗效的新的化合物分子，然后再 最有希望的结构，进行实际合成实
达菲※2
一种据说能够减轻
流感症状的药品。使莽
草酸经过10次化学反应
制成。近年正在开发不
需要八角作原料，直接
合成这种药品的新方法。
八角
八角茴香属的一种，八角树的果
实，中国的一种传统调味品。从中提
取到的一种叫作莽草酸的成分是合成
抗流感药泰米弗氯（达菲）的原料。
金鸡纳树
一种茜草科的常绿小
乔木。树皮中含有治疗疟
疾的特效成分奎宁。
奎宁
治疗疟疾的特效
药。当时，欧洲患疟
疾的人很多，因而很
早就研究出了不依靠
只生长在热带的金鸡
纳树的合成奎宁的方
法。
※1 “阿司匹林”是拜尔医药保健公司的注册商标。
※2 “达菲”是瑞士罗氏公司的注册商标。
※3 “味の素”是日本味之素株式会社生产的味精的注册商标。
171有机场致发光显示器、超
现实。
有机化学 今后的有机化学不仅可以造出
分子……有机化学跨入一
的未来 新的分子，还有可能把若干人工制
造的分子组装起来形成“超分子”。
个新时代
有机化学的其他应用，如有可能制
造出能够探测到某种特定分子的感
拉瓦锡在18世纪末提出新的元 人体造成危害的问题。现在，应对 应器、开发出一种能够把微量药物
素概念，此后经过19世纪， 垃圾问题，要积极开发“生物可降 运送到病灶处再释放出来的特殊智
在100年间便建立起一门相当成熟 解塑料”，并推广循环再利用的技 能胶囊，等等。
的有机化学学科。正是在这种背景 术。至于药品的异构体问题，则是 截至目前，化学家已经发现并
下，进入20世纪，人类应用有机 研究把不同的异构体分离开的方法。 报告的有机化合物已经超过4500万
化学生产出塑料等不同石油制品、 那么，有机化学今后还会如何 种，这个数字今后肯定还会增加。
有机化合物药品、液晶显示器等新 发展？目前的情况是，利用计算机 这样多的化合物，其中大多数都
型产品。 设计分子，并根据分子的结构来预 是主要由4种元素构成的有机化
另外，在20世纪又出现了大 测所设计的分子应该具有哪些性 合物。显然，有机化学大有用武之
量生产的塑料变成难以处理的垃圾 质，然后再实际制造出按照特定需 地，未来还会不断发展。
而造成环境污染的困惑，同时还有 要所设计的这种分子，这种开发新
人工合成的药品混杂有异构体等对 的有机化合物的方法正在逐渐变成
得到广泛应用的 20 世纪有机化学
在整个20世纪，有机化学渗透到医药品、石油
制品和电化制品等许多领域，得到了广泛应用。这里
介绍的只是其中的几个例子。
DNA
药品
起生命设计图作
不必种植药用植物，在实验
用的DNA是一种具
室里也能够合成出具有药物作用
有双螺旋结构的长分
的分子，让更多的人都能在患病
子，因而有可能比较
时得到所需要的药品。
同一药品对于基因不
同的患者的药效。
碳原子
玻尔在1913年发表
包括碳在内的原子的基
本结构模型。
蒸馏塔
石油工业化学
完善大量合成有机物的技术，同时，
也产生了大量废弃的不能被降解的有机物
垃圾，会污染海洋和土壤等。研究者正在
推广燃料和塑料的循环利用方法。右图是
把石油分离成不同物质的蒸馏塔。
172同分异构体
同分异构体是指具有相同种类和相同数目
的原子，但原子连接的方式不同，因而具有不
同性质的那些分子。如果药品含有异构体可能
超分子
会对人体产生预想不到的影响。为此，研究者
为了获得单个分子无法实现
正在积极研究只制造出所需要的药物分子，而
的复杂功能，研究者正在积极开
不会同时产生药物分子异构体的方法。
发把单个分子组装起来形成“超
分子”的技术。比如，有可能通
过组装分子来得到可以捕获到目
标原子的超分子感应器。下图所
示是一种车轮形超分子“轮烷”
的模型图。
生物可降解塑料
研究者正在开发可以任意加工，
而废弃后又可以自然降解的新型塑
料，也在研究对废弃塑料进行再利用
的方法。
有机场致发光显示器
作为下一代的显示技术，将在移动电话等设
备上开始使用“有机场致发光显示器”。这种显
示器是用通过电流时能够自行发光的有机物分子
制成，显示的图像更亮丽，其厚度更薄。
翻译/魏俊霞
173原版图书编辑人员
主 编 木村直之
设计总监 米仓英弘（细山田设计事务所）
编 辑 疋田朗子
撰 稿 小野寺佑纪（24～41页，140～141页，146～147页）
图片版权说明
2 Newton Press 69 カネカ公司
10〜11 TACT 木本俊晴/Newton Press 70〜71 角田展章/PPS 通信社
13 Bridgeman Images/PPS 通信社 76 [消毒液]Robert Przybysz/Shutterstock.com[钟乳洞]Terry W
14 AKG Images/PPS 通信社 Ryder/Shutterstock.com
15 TACT 木本俊晴/Newton Press 77 [金被王水溶解]Alamy/PPS 通信社 [钢铁厂]Omegafoto/
18-19 Newton Press Shutterstock.com
32-33 279photo Studio/Shutterstock.com [自由女神]Delpixel/Shutterstock.com [铝热剂]峰制作所
46 Science Source/PPS 通信社 128〜129 樋本和大
52 Andrey_Popov/Shutterstock.com 129 产综研 化学研究部门
63 Newton Press 153 Protein Data Bank 1BNA,Viewer Li（t AccelrysInc.）
插图版权说明
封面设计 宫川爱理 （插图：Newton Press ） 66-67 Newton Press（ 分子模型：①，②）
1 Newton Press 68-69 Newton Press（ ②）
2 Newton Press（ ②） 71 Newton Press
3 Newton Press，浅野仁、矢田明 72-73 Newton Press（ ②）
5 大岛笃 74-75 Newton Press
6 Newton Press 78 79 Newton Press（ 分子模型：PDB ID EOH，①，②）
〜
7 8 NewtonPress（ 葡萄糖的三维模型：①），（淀粉 83 Newton Press（ 蔗糖三维模型：日本蛋白质结构数据库 （PDBj））
〜
示意图） 佐藤兰名 84-85 Newton Press
9 NewtonPress（ 氯乙烯三维模型：①） 86 Newton Press，小﨑哲太郎
12 NewtonPress 87 91 Newton Press
〜
16-17 Newton Press 92 加藤爱一
19 Newton Press（ ②） 92 111 Newton Press
〜
20 Newton Press（ 分子模型：①，②） 112 115 富﨑NORI，Newton Press
〜
21 Newton Press（ 分子模型：PDB ID CFF，② ） 116 129 Newton Press
〜
22 32 Newton Press（ ②） 130-131 力 治，Newton Press
〜 サネ
33 Newton Press（ 分子模型：①，②） 132 小谷晃司
34-35 Newton Press（ 分子模型：PDB ID LNK，②） 132 133 矢田明
〜
36-37 Newton Press（ 分子模型：PDB ID GGL, 134-135 Newton Press
FGA,BGC, FRU, IPB，② ） 136-137 浅野仁
38-39 Newton Press（ 分子模型：PDB ID CGG, 138 147 Newton Press
〜
JZ0,JZ3，②） 148 149 吉原成行，[硫酸根离子的三维模型] 日本蛋白质结构数据
〜
40-41 Newton Press（ 分子模型：①，②） 库 （PDBj），[铵离子的三维模型] 日本蛋白质结构数据库 （PDBj）
42-43 Newton Press（ ②） 160-161 Newton Press（ 1-丁烯，2-甲基丙烯，环丁烷，甲基环丙烷，顺
44-45 Newton Press -2-丁烯，反-2-丁烯的三维模型：①）
47 49 Newton Press 162 173 Newton Press
〜 〜
50-51 Newton Press（ ②）
53 吉原成行，[液晶分子]Newton Press（ ②） ①： 日本国立研究开发法人科学技术振兴机构提供的J-GLOBAL （日本化学
54-55 Newton Press 物质辞典）
56 59 Newton Press（ ②） ②：ePMV [Johnson, G.T. and Autin, L., Goodsell, D.S., Sanner, M.F., Olson,
〜
60-61 Newton Press（ 分子模型：PDB ID CFF，②） A.J. (2011). ePMV Embeds Molecular Modeling into Professional
62-63 Newton Press（ ②） Animation Software Environments. Structure 19, 293-303]
64-65 Newton PressNewton
图解中学化学
辅助理解课堂中学到的化学知识