【种花家务·物理】4-8-09化学反应和化学能『数理化自学丛书6677版』
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第八章原子的结构
【山话|| 本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】
§8-9化学反应和化学能
【01】原子的结构和元素的化学性质有着密切的关系。早在1869年俄国科学家门捷列夫就发现元素的化学性质和原子量有关。他把元素按原子量由小而大的次序排列起来，指出元素的化学性质随着原子量的增加而有周期性的变化，从而创立了有名的元素周期律。图8·18就是原子序数 1~54 的元素周期表。现在我们已经知道，周期表上的元素实际上并不是按原子量而是按电荷数 Z 的顺序排列的。例如在第二周期的元素中，锂（Z＝3）的金属性很活泼，铍（Z＝4）就比锂差些，硼（Z＝5）的金属性就更差了，而碳（Z＝6）则有一种介于金属与非金属之间的过渡性质，氮（Z＝7）以后元素的非金属性又渐渐增强，直到氟（Z＝9）时就更强，但是氖（Z＝10）却突然成为一种最不活泼的所谓惰性气体。在第三周期里，这种情况又重复出现了。它们也是由金属性很活泼的钠（Z＝11）起渐渐减低到金属性不活泼的硅（Z＝14），然后又开始呈现非金属性，一直到非金属性最活泼的氯（Z＝17），而最后也是一种最不活泼的元素——氩（Z＝18）。
【02】各种元素的化学性质为什么具有周期性呢？根据玻尔的意见，元素化学性质的周期性可以用原子内的电子按一定壳层排列的观点来解释。因为随着原子序数的增多，原子的核外电子也在增多，而每一壳层所能容纳的电子数有一定的限制，所以某一壳层中的电子数增加到一定程度以后，就只好排到更外面一层上去，同样，最外面一层的电子数也是一个一个逐渐增加的。而实验表明，元素的化学性质和原子内壳层的电子没有多大关系，它基本上决定于最外层的电子个数。而最外层电子数总是从 1 个逐渐增加到 8 个，所以出现了化学性质相似的元素。图8·19是元素周期表前三个周期中元素的原子结构示意图。从这张图上可以看出锂原子和钠原子的最外层都只有一个电子，这个电子容易失去而使它们成为正离子，因此它们都具有很强的金属性；氟原子和氯原子的最外层都有 7 个电子，它们容易获得一个电子而成为负离子，因此它们都具有很强的非金属性。氖原子和氩原子的最外层都正好是 8 个电子，这就是它们的化学性质最不活泼的原因。由此可见，门捷列夫所发现的元素性质的周期性，正反映了原子中电子排列的周期性。
【03】从上面的分析可以推知：一切化学反应实质上就是原子最外层电子运动状态的改变。例如煤的燃烧就是一种化学反应，在这一化学反应中，煤里的碳和空气里的氧化合成二氧化碳。具体地说，在这一过程中碳原子和氧原子最外层电子的运动状态发生了改变，最后碳原子的两个外层电子和氧原子的两个外层电子聚积起来，便把一个碳原子和两个氧原子结合在一起，成为二氧化碳（图8·20）。
【04】大家都知道，当煤在燃烧时有能量释放出来，这是什么原因呢？原来不同元素的原子都具有一定的能级。原子最外层电子运动状态的改变就要引起原子能级的改变，因此在发生化学反应的过程中总是伴随有能量变化的过程。有的化学反应释放能量；有的化学反应吸收能量。例如每个碳分子和氧分子化合成二氧化碳时要放出能量 4.1 电子伏特；反过来，一个二氧化碳的分子必须消耗能量 4.1 电子伏特才能被分解成一个氧分子和一个碳分子。在化学反应中吸收或者释放的能量就叫做化学能，化学能的来源是在化学反应中由于原子最外层电子运动状态的改变和原子能级发生变化的结果。
