原子、分子分不清？別怕！國二理化微觀世界與化學式，一篇全搞懂

綜合同學們先前所學，物質可以分為固液氣三種狀態，又可細分為純物質、混合物，並從日常所見去理解這些性質。我們即將進入更細微的世界，也開始變得不容易想像。所以這篇文章要幫大家建立一個想像的框架，讓你們更好入手跟理解這個肉眼不一定看的到，但是卻真實存在的世界。

讀完這篇文章，你將能夠：

• 清楚分辨原子、分子、元素與化合物的差別，不再混淆。

• 掌握物質的分類方式，理解純物質與混合物的不同。

• 學會閱讀化學式，看懂分子的比例與數量。

 

一、萬物的基礎：什麼是原子 (Atom)？

科學家們透過不斷的分解與觀察，發現並定義了化學反應中不可再分割的最小單位，也就是原子。我們可以把原子當作是一個一個的樂高積木。樂高積木有形形色色超多種，不同的大小、形狀、性質、互相搭配組合的方式。原子也是如此！以下會利用將原子比喻成樂高積木的方式來幫助大家理解。

一開始科學家了解了有不同大小的積木原子，高矮胖瘦圓扁的很多樣式，且無法再將其分割。同樣性質的積木原子便被視為同一種，包含大小、重量、甚至化學反應都相同。並且這些積木原子在化學反應時，只是重新進行排列組合，並不會突然增加、消失、甚至變成別種積木原子。(這就是道耳頓原子說)

然而科學家在做實驗的過程中慢慢發現，這些積木並不是實心的喔！才開始陸續的窺探到了原子的內部。

 

原子的三種基本粒子

一開始先發現了電子，它們只散佈在這些積木的表面上，積木有多大顆，電子移動的範圍就越大。而且這些電子身上帶著負電，也幫助我們觀察到它。

再來發現了積木的中間，有一個很小且質量很大的區域，他就是我們知道的”原子核”。原子核中觀察到了帶正電的粒子，科學家們把它稱作質子。後來才又發現，原來原子核不是只有質子，還有一種不帶電且跟質子一樣重的粒子存在，名為中子。

有趣的是，小小的原子核中雖然包含了質子跟中子，但是它們佔了幾乎整顆原子的重量。

整體來說，一個積木(原子)的大小，取決於它的外圍表面上有多少電子、電子移動的範圍有多大；而一個積木(原子)的重量，取決於它的中心有多少質子跟中子。

將整個足球場視為一個原子，你會看到電子在最外圍跑，而足球場的中央有顆雞蛋大小的原子核，裡面裝了質子跟中子，但是它卻代表了整個原子的重量。

在這裡我們為了方便同學於後續理解，將積木的外層看作是電子的分佈區域；積木上方的圓凸點視為質子；積木的裡面則是中子，要翻過來我們才能看到。

這裡我們舉例一個積木鈹原子Be，它有四個電子、四個質子、以及五個中子。

 

同位素

 

科學家在慢慢挖掘各式各樣的積木原子時，發現了有些積木的表面看起來是一樣的(質子數、電子數相同)，但是重量卻不同! 仔細確認後才知道，原來是內部的中子數量不一樣! 我們把這種，僅只有中子數不同，質子數、電子數相同的原子積木，稱為同位素。

就以積木鈹原子Be來說，曾被發現過的其中一種同位素，只有3個中子。

這些同位素積木除了中子數量不同(因此重量也不同)，他們的化學性質跟原本的原子一樣。

 

以下幾個原子的資訊要記得：

• 原子的質子數與電子數一樣多 (質子數 = 電子數)，因此是電中性的。

• 原子的重量為質子+中子 (質量數 = 質子數+中子數)。

• 表面的電子可以自由移動(拿到別人的或是給別人)，當質子數與電子數不同時，此時稱此積木為 “離子”。如果電子比質子少，就是正離子；如果電子比質子多，就是負離子。

 

元素週期表

在發現這些形形色色的積木原子後，從門德列夫開始，經過科學家們陸續的努力，以原子中的質子數量進行排序，並且考量了他們的化學性質後，完成了如今我們所看到的元素週期表。前面所介紹的鈹原子，因為具有4個質子，原子序為4，所以在元素週期表上的第4個位置。

圖片出處: 桌遊設計融入化學課程–以元素週期表概念為例

週期表的元素依原子序由小到大，由左至右，由上而下排列，每一縱行稱為族，共分為1∼18族，週期表左側及中間是金屬元素，同族的元素通常具有相似的化學性質。每一橫列稱為週期，共有七個週期，每一週期的元素，性質由左而右呈現出規律性的變化。

例如，在週期表最左側的1A族、又稱為鹼金族，質地柔軟且有很高的活性，喜歡跟水或氧氣反應結合，所以通常會被保存在能與空氣隔絕的油當中。而在週期表最右側的18族、又被稱為惰性氣體，他們則喜歡自己一個人待著。

冷知識：你會觀察到元素週期表上的原子重量有小數點，其原因是同位素的存在，所以重量會以自然界分布的比例進行加權計算。

 

二、如何幫物質分類？純物質與混合物

自然界中有些原子會獨立存在(如氦氣He單原子)，有些喜歡兩兩牽手(如氧氣O2分子)，甚至有些喜歡抱團取暖(如金屬鋁Al)。但總地來講，他們都是單一種原子組成的“元素”。

當原子獨立存在時，我們會稱呼為單原子；當有一顆以上的原子牽手時(就像積木可以互相組合)，便稱為分子。比較特殊的是，金屬常喜歡抱團取暖(你會看到一大塊的積木群)，由於其數量眾多、我們便只會以單原子的方式示意。

當有不同種類的原子以固定的比例組合成分子時，就是所謂的 “化合物”，如我們常見的水分子H2O，它就是氫原子與氧原子，以2:1的比例組合而成的。這樣的比例是不會改變的，也因如此，在任何地方、任何人，只要以同樣的比例組合，就能取得同樣的化合物。若以遊戲來比喻這件事情，在麥塊裡面，如果你要做甜菜湯，那就要有八個甜菜根加一個木碗；如果你要做蛋糕，那就要有三個鮮奶桶、兩個糖、一個雞蛋、再加三個小麥。如果沒有正確的比例，你就無法獲得正確的東西。

 

以上的元素跟化合物，皆屬於我們所知道的純物質。而混合物則是由兩種以上的純物質混合而成的，其成分比例不固定。例如食鹽水，其為水(H2O)跟食鹽(NaCl)的混合。

 

三、怎麼看懂化學式？

那麼化合物的比例應該如何表達呢? 科學家們約定了統一的傳達方式 — 化學式。

以水分子為例，一個水分子包含兩個氫原子與一個氧原子，原子個數以下標的方式呈現；如果原子數量只有1個，可以省略1。若想要表示水分子的個數，如三個水分子，則標示在分子的前面。

我們再來練習以下的葡萄糖分子化學式的解讀：這裡有五個葡萄糖分子，每個分子是由六個碳原子、十二個氫原子，以及六個氧原子所組成的。

那麼我們再進一步想想，如果想要組合出這五個葡萄糖分子，我們應該準備多少種積木，各幾個呢? 沒錯，我們總共會需要三種積木，分別為碳(C)、氫(H)、氧(O)。其中，碳積木需要56=30 個；同理氫積木需要60個、氧積木需要30個。

當原子以不同的比例組合成化合物後，這些化合物可能會有完全不一樣的狀態，可能有各種的顏色、三態變化、甚至不同的氣味，也因此造就了這麼多樣的世界。

在此僅簡易的介紹了原子、分子、化合物的概念，還有很多概念跟介紹，會再慢慢地分享唷！

 

重點總結：

●  名詞整理：

名詞	說明	範例
原子	化學反應的最小單位，由質子、中子、電子組成。為電中性。	H、O、Na
分子	由兩個或以上原子組成的單位。	O₂、H₂O、CO₂
元素	屬於純物質，由相同種類原子組成。	He、O₂、Al
化合物	屬於純物質，不同種類原子以固定比例組成。	H₂O、CO₂、NaCl
純物質	成分固定，只含一種元素或一種化合物	O₂、H₂O
混合物	由兩種以上純物質混合，比例不固定	空氣、食鹽水

 

●  重點回顧： 

1. 原子是化學反應的最小單位。在進行反應時只會重新排列組合，不會無中生有。

2. 同位素是中子數不同的同一元素原子。

3. 化合物的比例與個數透過化學式表達。比例以下標呈現，個數寫在最前面。

 

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國中理化學習常見問題 (FAQ)

Q1：只有一個原子也可以算是分子嗎？

不算，分子必須由兩個或以上原子組成。單原子(如 He) 是元素的一種，但不是分子。

Q2： 元素和化合物都是純物質，到底差在哪？

元素由一種原子組成；化合物則由兩種(含)以上的原子組成，且比例固定。

Q3： 空氣為什麼是混合物，不是化合物？

空氣是多種氣體混合，且比例不固定、會改變，所以是混合物。世界上各個地方的空氣組成比例也略有不同，比如說高山上的氧氣比較稀薄。所以不符合我們前面所說的 “化合物的比例是不會改變的”這件事情。