元素能组成各种单质或化合物，是由于元素的原子间可以通过核外电子的运动，例如原子核外最外电子层上电子的得、失（结合来自其他原子的电子或失去最外电子层上的若干个电子）等方式互相作用，按一定的原子数比而彼此结合的。

2.5.1　元素原子按一定的数量比相结合

自然界和人工制造的物质多数是由若干种不同元素组成的化合物。化学家研究了无数的化合物，发现不同元素结合形成化合物，总是按一定原子数比结合的。水中氧元素原子和氢元素原子，总是按原子数比1∶2结合；氧元素原子和硅元素原子，总是按原子数比2∶1结合形成二氧化硅；食盐是钠元素和氯元素按原子数比1∶1以一定方式结合形成的。

为了表示各种元素彼此结合形成化合物时以何种原子数比结合，化学家赋予各种元素一个称为“化合价”的数值。各种元素的化合价，有正价也有负价，数值可以是1、2、3、4、5、6、7、8等。在化合物中，彼此结合的元素，所呈现正化合价和负化合价的总数相等，代数和为0。例如，氧元素化合价为－2，氢元素化合价为＋1，水分子（H₂O）中，氢元素的化合价总数和氧元素的化合价总数的代数和：（＋1）×2＋（－2）×1＝0。二氧化硅（SiO₂）中，硅元素是＋4价，氧元素是－2价，二氧化硅（SiO₂）中元素化合价的代数和也是0：（＋4）×1＋（－2）×2＝0。

为了简洁而明确地表示单质和化合物是哪些元素结合而成的，各种元素以怎样的数量比（原子数比或元素的质量比）相结合，化学上用化学式表示物质的组成。如，水用H₂O表示，葡萄糖用C₆H₁₂O₆表示。分别说明，水中氢元素和氧元素的原子数比是2∶1，葡萄糖中碳元素原子、氢元素原子、氧元素原子的数目比是6∶12∶6。氯化钠用NaCl表示，说明氯化钠中钠离子和氯离子数目比为1∶1。石英（水晶）用SiO₂表示，说明石英是由硅元素和氧元素以原子数比1∶2组成的。

化学课本和化学资料在介绍、讲述某种物质的组成时，都会在介绍它的名称的同时，用化学式表示它是由哪些元素、以怎样的数量比相结合的。

2.5.2　原子可以结合形成分子

科学家研究发现，原子可以彼此结合形成分子。不同种类、不同数目的元素原子，可以以不同的方式、不同的顺序结合形成种类繁多的分子，形成多种多样的由分子组成的物质。

例如，两个氢原子可以结合形成氢分子，许多氢分子聚集形成氢气。氧气是由氧分子组成的，两个氧原子可以结合形成氧分子，许多氧分子聚集形成氧气。两个氢原子和1个氧原子可以结合形成水分子，水就是由无数这样的水分子聚集而成的。

图2-6是表示水分子结构的模型。从水分子的组成和结构，可以知道水是由氢元素、氧元素以原子数比2∶1结合形成的。

化学家用元素符号H表示氢原子、用O表示氧原子，用化学式H₂O表示水分子。化学式中的元素符号右下角的数字表示结合成分子的元素的原子数（原子数为1的，不必标注）。水分子由2个氢原子和1个氧原子结合而成。

1800年，两位科学家尼科尔森和卡莱尔在实验室内发现了电解水可以产生氢气和氧气。这是为什么呢？当时，他们并不明白，直流电通入水中，水分子吸收了电能，构成水分子的氧原子和氢原子之间的结合力被削弱、分开了，水分子就分解了，成为两个氢原子和一个氧原子。氢原子和氧原子难以独立存在，两个氢原子结合成氢分子，无数氢分子聚集成为氢气。同样，两个氧原子结合成氧分子，无数氧分子聚集成为氧气。电解水时，水分子转化成氢、氧分子的过程，可以简单地用图2-7说明。化学家通常用如下的式子（化学方程式）表示水电解生成氢气和氧气的变化：

2H₂O2H₂↑＋O₂↑

如果让氢气在氧气或空气中燃烧，氢分子中彼此结合的两个氢原子被分开，氧分子中彼此结合的两个氧原子也被分开，每两个氢原子和一个氧原子结合形成水分子，同时放出热和光。氢原子和氧原子结合放出的能量大于分解水分子需要的能量。

在自然界中以及我们生产生活中接触使用的物质，有许多是由分子形成的，这些物质的分子各自由不同种类、不同数目的原子构成。

例如，氢气分子由2个氢原子结合而成，氧气分子由2个氧原子结合形成，臭氧分子由3个氧原子结合形成，二氧化碳分子由两个氧原子和一个碳原子结合形成。许许多多的氢分子、氧分子、臭氧分子、二氧化碳分子，分别聚集成氢气、氧气、臭氧、二氧化碳气体。人们分别用化学式H₂、O₂、O₃、CO₂表示氢分子、氧分子、臭氧分子、二氧化碳分子，这些化学式中的元素符号右下角的数字表示结合成分子的各元素的原子数。分子的结构可以用结构模型来表示。彩图4是二氧化碳分子的结构模型（模型中绿色小球代表碳原子、蓝色小球代表氧原子）。

硫黄（某些温泉水中含有少量硫黄）是硫元素的原子结合形成的单质，硫黄分子可以是2个或8个硫原子结合而成，如S₂、S₈分子。

制造蜡烛的石蜡，它的分子是由若干碳原子和若干氢原子构成的。不同的石蜡，其分子中含有的碳原子和氢原子数目不同，用化学式C_xH_y表示石蜡分子的组成。x的数值为17～35，y的数值相应地为36～72。由不同的石蜡分子形成的石蜡，熔点、沸点有所差异。

葡萄糖则由许多葡萄糖分子集聚形成，每个葡萄糖分子由6个碳原子、12个氢原子和6个氧原子按一定顺序结合而成，可以用化学式C₆H₁₂O₆表示它的分子组成。葡萄糖分子的结构模型（彩图5）中蓝色小球代表碳原子、黑色小球代表氢原子、红色小球代表氧原子。

1985年，三位外国科学家发现了由60个碳原子结合形成的形似足球的C₆₀分子（图2-8）。他们的这一发现，获得了1996年诺贝尔化学奖。

分子的质量也是非常微小的，国际上也用相对分子质量来表示。分子的相对分子质量等于组成它的所有原子的相对原子质量的总和。所以，水的相对分子质量是18；二氧化碳的相对分子质量是44；葡萄糖的相对分子质量是180。

不同的分子组成了不同的物质，不同的物质有不同的性质。空气中的氧气、氮气和少量二氧化碳、稀有气体，它们的分子组成、结构不同，由它们组成的气体性质也不同。空气中氧气可以供我们呼吸，可以助燃，而氮气就不能供我们呼吸，也不助燃。在空气中，它们均匀地混合在一起，但各自保持自己特有的性质。

2.5.3　原子可以直接结合构成物质

科学家发现，原子并不一定要先结合成分子，再由分子聚集形成物质。许多同种元素或不同种元素的原子可以彼此结合构成物质。例如，金刚石和石墨，就是由碳原子直接构成的。

金刚石中每个碳原子都和其他四个碳原子连接，许多碳原子彼此结合形成空间“大分子”，成为肉眼可见的金刚石晶体（图2-9）。

我们使用的铅笔，它的笔芯是由石墨和黏土混合制成的，干电池的碳棒电极也是石墨制成的，自然界中有石墨矿。石墨晶体也是由碳原子按一定排列方式，彼此连接形成的。每个碳原子和其他三个碳原子连接，构成彼此连片、层状的平面六边形，许多片层重叠构成石墨晶体（图2-10）。

从金刚石和石墨的结构模型可以知道，石墨和金刚石中碳原子连接、结合的方式很不同，所以它们性质有很大不同。但是，一旦让它们在高温下和氧气发生化学反应，都一样生成二氧化碳气体，说明它们都是由碳原子构成的。随着现代科学技术的发展，人们已经可以在很高的压力和温度下把石墨转变成金刚石。

现代高新材料石墨烯、碳纳米管也都是由碳原子在空间中按一定的方式连接、排列构成的。从图2-11、图2-12可以观察到石墨烯、碳纳米管中碳原子结合和排列的方式和石墨、金刚石都不一样。

除了金刚石、石墨外，还有许多物质是由原子直接构成的。例如，制造晶体管的材料——硅，也是由硅元素的原子直接构成的，自然界中的石英晶体也是由硅原子和氧原子直接结合而成的。

2.5.4　原子能变成离子，形成离子化合物

食盐水会导电，汗水中含有溶解在水中的盐，用带有汗水或潮湿的手接触电器容易触电。这是因为食盐的主要成分氯化钠（NaCl）是由钠的阳离子和氯的阴离子构成的，食盐溶于水，构成食盐的阴、阳离子分散到水中，成为可以自由移动的离子，在电场中可以定向移动，所以食盐水能导电。

食盐中的钠离子和氯离子是怎么形成的？它们又是怎么结合成食盐的呢？

我们已经知道元素的原子是由带正电的原子核和在核外高速运转的带负电的电子构成的，核外电子按一定规律排布在离原子核远近不同的区域，这些离核远近不同的电子运转的区域，科学家称之为电子层。如果一个原子中，在离原子核较远的电子层上运转的电子较少（少于4），原子就处于不太稳定的状态，容易把这些电子转移给其他倾向结合电子的原子，原来的次外层成为最外电子层（多数情况下，这些次外层上有8个电子），成为相对稳定的阳离子；相反，如果一个原子中，在离原子核较远的电子层上运转的电子较多（多于4，少于8），原子也处于不太稳定的状态，容易接受别的原子转移的电子，也使最外层上的电子数达到8个，成为相对稳定的阴离子。钠原子最外电子层只有1个电子，

氯原子最外电子层上却有7个电子，这两种元素的原子，如果有机会使最外层上的电子失去或得到1个电子，就成为较为稳定的钠阳离子（用符号Na^＋表示，右上角的＋表示带一个单位正电荷）、氯阴离子（用符号Cl^－表示，右上角的－表示带一个单位负电荷）。食盐就是由许多钠离子（Na^＋）和氯离子（Cl^－）结合形成的。许多带异性电荷的钠离子和氯离子彼此靠静电作用结合起来，并在空间中有规则地排列，堆积成一个具有立方体结构的氯化钠晶体，图2-13为氯化钠形成的示意图。

氯化钠晶体中每个钠离子周围有6个氯离子包围着，相反，每个氯离子周围也有6个钠离子包围着。食盐中，阴离子、阳离子数量相等，阳离子所带的正电荷总数和阴离子所带的负电荷总数也是相等的，整体上不显电性。彩图6为氯化钠晶体及其结构模型图。彩图6右图中，紫色小球代表氯阴离子，绿色小球代表钠阳离子。

海洋中溶解的食盐，实际上在海水中以钠离子（Na^＋）和氯离子（Cl^－）存在。海水在日光下晒盐，就是让海水中的水分蒸发变干，

海水中的钠离子（Na^＋）和氯离子（Cl^－）就形成细小的晶体析出。在一定条件下，许多的钠离子（Na^＋）和氯离子（Cl^－）可以形成大的晶体。在我国青海、内蒙古的盐碱湖中就可以看到许多大颗的食盐晶体（图2-14）。

钠离子和氯离子当然也是肉眼无法看到的微粒。因此，食盐溶解在水中，钠离子和氯离子分散到水中，我们就觉得它们消失了。但是，喝盐水我们会感到咸，在食盐水中通电，它会导电。食盐水不带电，因为食盐水中钠离子和氯离子所带的电荷总量相等，电性相反。钠离子和氯离子总是均匀地分散在溶液中或者排列在晶体中，我们也不用担心会在含食盐的食物中摄入数量不等的阴阳离子。

自然界中存在的离子，有的是一种元素的原子失去或得到一个或若干个电子形成的，如钠离子（Na^＋）、氯离子（Cl^－）、钙离子（Ca^2＋）、氧离子（O^2－）。也有更多的离子是不同种元素原子形成的带正电荷或负电荷的原子团，如碳酸根离子（CO）、硫酸根离子（SO）、氢氧根离子（OH^－）。这些原子团带有电荷，也是因为原子团中各原子核外的电子总数比各原子核所带的正电荷数多或者少若干个。自然界中有很多由阴阳离子结合形成的化合物，这些化合物中，阴离子所带的负电荷总数总是和阳离子所带的正电荷总数相等，整个化合物不显电性。离子化合物溶解在水中，阴阳离子就各自均匀分散到水中，在水中可以自由移动，整个溶液也是不带电的。你也许会担心，从离子化合物的溶液中取出一勺来，其中阴离子、阳离子会不会不一样多？这是绝对不会发生的，因为阴阳离子间存在作用力，它们总是“结伴”而行的，除非把他们置于电场里，强迫它们向相反的方向移动。

在自然界和生产生活中我们经常会见到、用到甚至食用许多由阴阳离子构成的物质，科学家称他们为离子化合物。例如，生活中使用的洗涤碱（北方地区盐碱地或盐碱湖中也含有这种碱），化学上称为碳酸钠（Na₂CO₃），也是由离子构成的。其中的阳离子是钠离子（Na^＋），阴离子是碳酸根离子（CO）。钠离子带1个单位正电荷，碳酸根离子带2个单位负电荷。碳酸钠中，钠离子和碳酸根离子的个数比是2∶1，碳酸钠也不显电性。建筑材料使用的石灰石、消石灰，主要成分分别是碳酸钙（CaCO₃）、氢氧化钙[Ca（OH）₂]，它们都是离子化合物，含有的离子是钙离子（Ca^2＋）、碳酸根离子（CO）和氢氧根离子（OH^－）。