封面图：纯金(100)面的表面重建结构，使用扫描隧道显微镜(STM)进行可视化。两千年前就有哲学家提出物质由原子构成，但近几十年才开发出使单个原子可见的技术。表面重建导致表面原子偏离大块晶体结构，并排列成几个原子宽的列，它们之间有规则间隔的凹坑。/©Erwin Rossen, public domain
本章从早期化学发展的简要概述开始，到道尔顿原子理论的形成。随后我们将了解现代原子结构及物理证据：质子和中子结合为原子核，而电子在原子核周围运动。我们还将了解元素根据相似特征排列为元素周期表。最后我们会学习摩尔和阿伏伽德罗常量，它们是计算原子及分子，以及测量物质数量的主要工具。
人们对化学的探索从远古时间便已开始，但早期人类对化学的应用远大于其原理。人类很早就学会了通过铁矿石炼铁，干馏绿矾（水合硫酸亚铁）获得硫酸。人们分离并纯化了很多化学物质，如升汞（氯化亚汞），芒硝（水合硫酸钠）。十八世纪中后期就已分离出了空气中的两种主要气体——氮气和氧气，并提出了描述气体物理行为的自然定律。但在人们解释燃烧过程之前，不能说化学进入了现代。本节将讨论燃烧过程和道尔顿原子理论之间的直接联系。
燃烧是我们如此熟悉的过程，以至于很难理解早期科学家在初步探索时有多艰辛。1774年，安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier, 1743~1794)进行了一项实验，他加热了一个密封的玻璃容器，容器内是空气及一些锡。他发现加热前和加热后重量是一样的。通过进一步的实验，他发现产物锡灰（氧化锡）由锡和一部分空气组成。这样的实验证明空气中的氧气对燃烧至关重要，并促使他提出了质量守恒定律(law of conservation of mass)：
化学反应后物质总质量与反应前物质的总质量相同。
也就是说，质量既不会在化学反应中产生，也不会在化学反应中消失。
例题 质量守恒定律的应用
0.455 g 镁在2.315 g氧气中燃烧，镁在反应中被完全消耗。反应结束后，还剩2.015 g氧。产生了多少质量的氧化镁？
解答
根据质量守恒定律，氧化镁的质量等于镁的质量（金属镁完全转化为氧化镁）和反应消耗的氧气质量之和。反应前后，氧气减少了0.300 g，故氧化镁质量为0.755 g。
练习
7.12 g镁与1.80 g溴混合加热，所有的溴都被反应掉了，产物是2.07 g溴化镁。还有多少质量的镁未反应？
1799年，约瑟夫·普鲁斯特(Joseph Proust, 1754~1826)报告说：『100磅铜，溶解在硫酸和硝酸中，并被钠或钾的碳酸盐沉淀，总能产生180磅的绿色碳酸盐』。当然实际产生的物质是碱式碳酸铜，类似的现象成为恒定组成定律(law of constant composition)的基础：
一种化合物的所有样品都具有相同的成分——组成元素的质量比例相同。
考虑水，水由一个氧原子(O)和两个氢原子(H)组成，这一事实可以用化学式表示，即熟悉的H2O。现在有两个样品，它们的质量不同，测量样品中氧或氢的质量百分数。例如要获得氢的质量百分数，只需用氢的质量除以水的质量并乘以100%。两个样品的结果相同：11.19% H和88.81% O。
| 样品A | 质量百分数 | 样品B | 质量百分数 |
|---|---|---|---|
| 10.00 g | 27.00 g | ||
| 1.119 g H | %H = 11.19 | 3.021 g H | %H = 11.19 |
| 8.881 g O | %O = 88.81 | 23.979 g O | %O = 88.81 |
例题 恒定组成定律的应用
上一个例题中我们了解到，0.455 g镁和过量氧气反生成0.755 g氧化镁。那么多少质量的镁反应产生0.500 g氧化镁？
解答
0.755 g氧化镁中含0.455 g镁，镁的质量分数是60.3%。那么0.500 g氧化镁中含0.301 g镁。
练习
10.00 g镁和10.00 g氧气反应，产物质量是多少？何种原料过量？过量多少？
1803至1808年，英国教师约翰·道尔顿(John Dalton)利用上述的两个基本定理作为原子理论的基础。他的理论涉及三个假设：
约翰·道尔顿(1766-1844)，英国化学家、物理学家。他自身患有色盲，于1798年出版了论述色盲问题的专著，因此色盲被很多人称为道尔顿症。他在1800年开始研究气体的行为，于1801年提出了道尔顿分压定律。/public domain
若原子坚不可摧（假设1），化学反应前后原子种类及数量均不变，总质量也保持不变。道尔顿原子理论可以解释质量守恒定律。若相同元素的原子质量相同（假设2），且以固定比例结合（假设3），则化合物的百分组成必然唯一确定，而与样品来源无关。道尔顿原子理论也解释了恒定组成定律。和所有好的理论一样，道尔顿原子理论提供了一个预测——倍数比例定律(law of multiple proportions)。
如果两个元素形成一个以上的化合物，固定多个化合物中某一元素的质量，另一元素的质量为小整数之比。
考虑碳的两种氧化物，一种氧化物中，每1 g碳与1.333 g氧结合；而另一种氧化物中，每1 g碳与2.667 g氧结合。显然第二种氧化物的含氧量更高，且是第一种化合物的两倍：2.667/1.333 = 2.00。第一种氧化物对应化学式CO，而第二种氧化物对应化学式CO2。
各种元素的原子的特征相对质量称为原子量，19世纪的化学家致力于建立可靠的相对原子质量。此外化学家也将注意力集中在发现新元素、合成新化合物以及开发分析材料的技术，并由此建立大量的化学知识。正如接下来几节所示，物理学家的焦点在于原子的结构。
我们无需系统性地学习物理学，即只需极少量物理知识，就可以定性理解原子的物理结构。这里面的关键想法在于电和磁相互作用，我们简要的讨论一下物理学中的电和磁。
某些物体表现出一种称为电荷的性质，它可以是正电荷(+)也可以是负电荷(−)。正负电荷相互吸引，而相同电荷相互排斥。所有物体都是由带电粒子组成的，而具有等量正电粒子和负电粒子的物质不带净电荷，表现为电中性。如果正电荷数大于负电荷数，则物体带净正电荷；而若负电荷数大于正电荷数，则物体带净负电荷。有时，一种物质和另一种物质摩擦时，例如梳头时梳子上会累计净电荷，表明摩擦会分开一些正电荷和负电荷。此时一些正电荷在某个区域聚集，必定使得负电荷在另一些地方出现——电荷是守恒的。
猫的运动使得毛发上由于摩擦生电而积聚电荷，从而吸引聚苯乙烯泡沫塑料。静电感应使得聚苯乙烯分子极化，导致塑料泡沫与带电毛皮间的轻微吸引力/©Sean McGrath CC BY 2.0
电荷在磁场中会发生偏转，我们可以这样想象：有些看不见的线从磁铁的N极延伸到S极，带电物质穿过这些线会导致偏转。这些线被称为磁场线，磁场线只是对空间中磁场方向的具象化表述，并不存在实际的物理意义。
带电粒子在U形磁铁所形成的磁场中运动，磁场线的方向为从N极到S极。若运动方向垂直于磁场线，则会受到洛伦兹力的作用，且正负电荷受力方向相反。
带电粒子在U形磁铁所形成的磁场中运动，磁场线的方向为从N极到S极。若运动方向垂直于磁场线，则会受到洛伦兹力的作用，且正负电荷受力方向相反。
现在市场上的显示器以液晶显示器(LCD, liquid crystal display)为主，但过去最常见的显示器是CRT显示器——阴极射线管(cathode-ray tube)显示器。CRT显示器最显著的特征是巨大的厚度，因为显示器内部包含一个抽真空的玻璃管。阴极射线(cathode ray)是迈克尔·法拉第(1791-1867)发现的，他对已抽出大多数空气的玻璃管通电，发现阴极（在这是连接电源负极的那端）发出某种辐射，该辐射穿过真空管到达阳极（在这是连接电源正极的那端）。后来的科学家发现阴极射线沿直线传播，且与阴极材料的具体组成无关——无论阴极是铁、铂还是其他金属，阴极射线的性质都是相同的。阴极射线是不可见的，只能通过射线撞击某些材料（如硫化锌）发出的荧光(fluorescence)来检测。这些材料被称为磷光体(phosphors)，被放置在CRT的末端。
20世纪70年代产的东芝彩色CRT电视机，阴极射线激发三种不同的荧光材料发出红绿蓝三种颜色的光，从而组成彩色图像。/©dailyinvention CC BY 2.0
阴极射线管的结构如下：
高压电源在左侧产生负电荷的粒子，在电场的作用下向右加速。阳极上有一小孔，阴极射线从小孔中穿过。阴极射线是不可见的，只能通过末端的硫化锌屏观察。
高压电源在左侧产生负电荷的粒子，在电场的作用下向右加速。阳极上有一小孔，阴极射线从小孔中穿过。阴极射线是不可见的，只能通过末端的硫化锌屏观察。
阴极射线的重要性质是，它们在磁场和电场中的偏转方式与带负电的粒子相同。1897年约瑟夫·汤姆孙(Joseph John Thomson, 1856-1940)通过下图所概述的方法确定了阴极射线的质量与电荷之比。阴极射线的质荷比与材料无关，因此他认为阴极射线是基本粒子，在所有原子中都存在。阴极射线随后被称为电子(electrons)，这是乔治·斯通尼(George Stoney)在1881年创造的词。
阴极射线在电场和磁场中的行为：当阴极射线同时穿过电场和磁场，且电场强度$E$、磁场强度$B$以及粒子速度$v$满足关系$E=vB$时，粒子将不发生偏转。粒子速度与阴极和阳极间的电压$U$有关:$mv^2=2qU$，通过这一实验我们可以获得阴极射线的质荷比$m/q$。精确的测量结果表明质荷比为−5.6857×10−9 g/C。
阴极射线在电场和磁场中的行为：当阴极射线同时穿过电场和磁场，且电场强度$E$、磁场强度$B$以及粒子速度$v$满足关系$E=vB$时，粒子将不发生偏转。粒子速度与阴极和阳极间的电压$U$有关:$mv^2=2qU$，通过这一实验我们可以获得阴极射线的质荷比$m/q$。精确的测量结果表明质荷比为−5.6857×10−9 g/C。
汤姆孙在1899年给出了电子电量和质量的估计值，精确结果则是罗伯特·密利根(Robert Millikan, 1868-1953)通过油滴实验确定的。实验结果表明存在最小的电荷量$e$，被称为元电荷（基本电荷, elementary charge），其电量为1.6022×10−19 C。电子的电量为$-e$，电子质量为9.1094×10−28 g。
密立根油滴实验：油装在雾化器中，以非常小的液滴喷出，油滴被X射线(X)电离从而带有负电荷。电极之间加有数千伏特的电压，而显微镜用于观测油滴的大小以及运动速度。通过大量观测，密立根发现油滴所带的电荷量$q$是某一电荷量$e$的整数倍，也就是说$q=ne,\,n=1,2,3\cdots$。
密立根油滴实验：油装在雾化器中，以非常小的液滴喷出，油滴被X射线(X)电离从而带有负电荷。电极之间加有数千伏特的电压，而显微镜用于观测油滴的大小以及运动速度。通过大量观测，密立根发现油滴所带的电荷量$q$是某一电荷量$e$的整数倍，也就是说$q=ne,\,n=1,2,3\cdots$。
既然电子是存在于所有原子中的基本粒子，科学家开始思考原子的结构是什么样的。汤姆孙认为因为原子是电中性的，因此原子必须包含一些正电荷以抵消电子的负电荷。他提出：『元素的原子由许多带负电荷的粒子组成，这些粒子被包围在一个均匀带正电的球体中』。这一模型被称为葡萄干布丁模型(plum pudding model)：电子（葡萄干）分布在带正电的球体（布丁）中。
对阴极射线研究过程中，人们发现了一些其他的物理现象。最重要的两个现象是X射线以及放射性。1895年，威廉姆·伦琴(Wilhelm Röntgen, 1845-1923)发现阴极射线管外的物质发出了微弱的荧光，进一步研究发现荧光不是阴极射线引起的，而源于阴极射线撞击阳极或管璧所产生的某种未知的辐射。他将这种辐射称为X射线，我们现在知道X射线是一种电磁波——能量非常高的光。
伦琴的发现引起了亨利·贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel, 1852–1908)的兴趣，他想知道X射线与磷光现象有什么联系。他推测某些磷光铀矿石在光照后能发出X射线，为验证这一想法，他用黑纸包裹照相底片，将一枚硬币放在纸上，用含铀材料覆盖硬币，然后将整个组件暴露在阳光下。胶片冲洗后硬币所在部分没有曝光，获得了硬币的清晰图像，说明铀矿发出的辐射（可能是 X 射线）穿透了黑色纸张并使胶片曝光。有一次因为天气多云，贝克勒尔将实验装置放在书桌抽屉里几天，等天气转晴再进行实验。重新开始实验时，他决定先冲洗先前的胶片，预计胶片可能会轻微曝光。但实际得到了非常清晰的图像，说明含铀材料即使没有被阳光照射，也能发出某种让胶卷曝光的射线。贝克勒尔发现了放射性(radioactivity)。
钙铀云母(autunite)是一种黄绿色的荧光磷酸盐矿物，在紫外光下发出亮绿色的荧光。/©Yaiba Sakaguchi
贝克勒尔进一步实验表明，放射性物质产生的辐射在磁场中会朝不同方向偏转或完全不偏转。表明存在三类放射性粒子：正电性、负电性和电中性。欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871-1937)确定了放射性物质的两种辐射类型：阿尔法(alpha, α)和贝塔(beta, β)。α粒子(alpha particle)带两基本单位的正电荷，其质量和氦原子基本相同。事实上α粒子就是He2+离子。β粒子是放射性原子核内部变化而产生的带负电荷的粒子，具有与电子相同的性质。第三种类型的辐射不受电场和磁场的影响，由保罗·维拉德(Paul Villard)于1900年发现，称为伽马射线(gamma, γ)。γ射线不是由微粒组成的，它是能量非常高的电磁辐射，穿透力极强。
20世纪初期，新的放射性元素主要是由玛丽·居里(Marry Curie)和皮埃尔·居里(Pierre Curie)发现的。 卢瑟福和弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy)则发现了另一项重要的现象：放射性元素的化学性质在经历放射性衰变后发生变化。放射性现象发生了亚原子水平下的变化——在放射性衰变中，一种元素变成另一种元素，这一过程称为嬗变(transmutation)。
1909年汉斯·盖格(Hans Geiger)和欧内斯特·马斯登(Ernest Marsden)在卢瑟福的指导下进行了一项非常著名的实验。他们用α粒子作为『炮弹』撞击金箔，根据汤姆森的葡萄干布丁模型，卢瑟福预计大多数α粒子将通过金箔而不发生偏转，少部分α粒子在遇到电子时会略微散射或偏转。通过研究散射的模式，可以获得有关原子内部结构的信息。实验仪器的结构如图所示，α粒子通过硫化锌屏观察，每个α粒子撞击到屏上就会产生一次闪光。
盖格-马斯登实验：镭作为α粒子源被放置在有小孔的铅盒中，探测器在环形轨道上移动，从而获得α粒子数量与角度的关系。大多数α粒子直接穿过金箔，但有少部分粒子发生了较大角度的偏转。
盖格-马斯登实验：镭作为α粒子源被放置在有小孔的铅盒中，探测器在环形轨道上移动，从而获得α粒子数量与角度的关系。大多数α粒子直接穿过金箔，但有少部分粒子发生了较大角度的偏转。
实验现象表明：
部分α粒子被反弹回来的现象让卢瑟福感到迷惑，几年后他评论道：『这就像你用15英寸的炮弹射击一张薄纸然后反弹回来击中你一样可信』。1911年卢瑟福有了一个解释，他提出了一个新的模型，现在被称为卢瑟福模型：
这一模型可以解释盖格-马斯登实验的结果：绝大多数α粒子与金原子核相距较远地穿过金箔，部分α粒子受到原子核的轻微斥力，发生小角度偏转。少数α粒子与核距离较近，轨迹发生较大偏转。少数α粒子直接撞上金原子核，由于金原子核的质量远大于α粒子（氦原子核），α粒子被反弹回去。
卢瑟福模型表明原子核中存在带正电的基本粒子，该粒子被卢瑟福于1919年发现，被称为质子(proton)。当α粒子撞击空气中氮原子时，会散射出质子。大约同一时间，卢瑟福预言原子核中还存在一种电中性的基本粒子。1932年詹姆斯·查德威克(James Chadwick)发现一种新的穿透性辐射，其由不带电粒子组成。这些粒子源于原子核，被称为中子(neutron)。自此，人们已经清楚了原子的组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子组成（氢-1除外）。三种粒子的电荷和质量见下表，其中u是原子单位。
| 性质 | 电量/C | 电量/e | 质量/g | 质量/u |
|---|---|---|---|---|
| 质子 | +1.6022×10−19 | +1 | 1.6726×10−24 | 1.0073 |
| 中子 | 0 | 0 | 1.6749×10−24 | 1.0087 |
| 电子 | −1.6022×10−19 | −1 | 9.1094×10−28 | 0.00054858 |
原子中质子的数量被称为原子序数(atomic number)，或质子数(proton number)，符号为$Z$。原子中的电子数与质子数相等。原子中质子数和中子数之和为质量数(mass number)，符号为$A$。那么中子数(neutron number)是$A-Z$。
原子质量单位(atomic mass unit)被定义为碳-12原子质量的1/12，原子质量单位缩写为amu，并用符号u表示。质子和中子的质量比1 u稍微大一点点，而电子的质量只有中子或质子的约1/2000。本章只涉及三个亚原子粒子，其中电子是真正的基本粒子。而现代粒子物理学认为质子和中子是由其他更基本的粒子组成的。
上一节我们学习了原子的基本结构，我们把具有相同质子数的原子称为某个元素(element)。例如具有2个质子2个中子的原子，以及具有2个质子1个中子的原子都是氦元素。而具有1个质子2个中子的原子是氢元素。已发现的元素的原子序数范围是1~118，每个元素都有相应的名称以及独特的化学符号(chemical symbol)。化学符号是元素名称（通常是英语）的一个或两个字母的缩写，化学符号的第一个字母大写，第二个字母（如有）小写。例如碳(carbon)的符号为C；氧(oxygen)的符号为O；氖(neon)的符号为Ne；硅(silicon)的符号为Si。有一些元素的符号来源于其他语言，例如铁(iron)的符号Fe源于拉丁语ferrum，铅(lead)的符号Pb源于拉丁语plumbum，钠(sodium)符号Na源于碳酸钠的拉丁语natrium，钾(potassium)符号K源于碳酸钾的拉丁语kalium，钨(tungsten)的符号W源于德语wolfram。
超铀元素是原子序数大于铀($Z=92$)的元素，它们在自然界中不存在，必须通过粒子加速器人工合成。目前人工合成的原子序数最大的元素是oganesson，$Z=118$。
我们用『AZE』符号来表示特定的原子，对于原子序数（质子数）为$Z$、质量数为$A$、元素符号为E的原子，其可表示为ZAE。例如1327Al表示原子核由13个质子、14个中子组成，核外有13个电子的铝原子。其读作『铝二十七』，而不是『二十七十三铝』。元素符号确定时，可忽略原子序数，直接写作AE，例如27Al。
与道尔顿原子论不同，某元素的原子质量可以不同。汤姆孙在1912年测量了氖离子的质荷比，发现氖离子有两种不同的质荷比。1919年弗朗西斯·阿斯顿(Francis William Aston, 1877-1945)研制出了质谱仪，能够精确地测量离子的质荷比，他发现大约9%的氖质量相比其他氖更重约10%。现在我们知道大部分的氖以1020Ne存在，原子核中含10个中子。少部分氖核含12个中子，符号为1022Ne。另外有极少量1021Ne核内含11个中子。
这些氖核具有相同的原子序数和不同的质量数，它们被称为同位素(isotope)。地球上90.51%的氖是1020Ne，1021Ne和1022Ne的百分数分别为0.27%和9.22%。同位素在元素中的比例被称为同位素丰度(isotopic abundance)，同位素丰度基于原子数量而不是质量。也就是说每10000个Ne原子中就有9051个20Ne、27个21Ne以及922个22Ne。自然界中某些元素仅由一种核素（nuclide，特定的同位素）组成，没有天然存在的其他同位素。例如自然界中的氟全都是19F。
原子在化学反应中失去或获得电子得到离子(ion)，离子带有净电荷。因为电子带负电荷，因此原子失去电子将得到阳离子(cation)，原子获得电子得到阴离子(anion)。原子变成离子不会改变质子数和质量数，但核外电子数量发生变化。20Ne+有10个质子、10个中子以及9个电子，相比中性原子少一个电子。而16O2−有8个质子、8个中子以及10个电子。
例题 原子或离子中的质子数、中子数以及电子数
用AZE符号表示：硒-80的二价阴离子（带两个负电荷的阴离子）、含79个中子的钡原子。
解答
查元素周期表得知硒的原子序数是34，因此原子的符号为3480Se。该离子带两个负电荷，因此符号为3480Se2−。钡是第56号元素，符号为56135Ba。
练习
用AZE符号表示与镉-112具有相同电子数，且中子数为68的锡离子。
碳-12原子由6个质子、6个中子组成，其质量是12 u（原子质量单位的定义），质子和中子的质量均略大于1 u。这说明原子的质量不能简单的用基本粒子质量和来计算，因为质子和中子结合形成原子核的时候，一小部分的质量会转化为能量并释放出来。质谱(mass spectrum)是用来确定离子质荷比的方法。在质谱仪中，穿过电场和磁场的离子依据质荷比被分成不同的部分，并被检测器检测以确定它们的数量。早期的质谱仪结构和原理如下图所示：
质谱仪和质谱谱图：汞在离子源中被电子轰击而离子化，特定速度的离子能通过速度选择板进入质谱仪。质谱仪内部抽真空，并存在磁场使离子发生偏转，不同质荷比的离子在质谱仪中飞行的轨迹不同，最终撞击检测器的不同区域（此处的检测器为胶片）。某种质荷比的离子越多，检测器的响应越大（胶片曝光越强）。在质谱谱图中，最强的离子峰的相对强度定为100，结果如图所示。
质谱仪和质谱谱图：汞在离子源中被电子轰击而离子化，特定速度的离子能通过速度选择板进入质谱仪。质谱仪内部抽真空，并存在磁场使离子发生偏转，不同质荷比的离子在质谱仪中飞行的轨迹不同，最终撞击检测器的不同区域（此处的检测器为胶片）。某种质荷比的离子越多，检测器的响应越大（胶片曝光越强）。在质谱谱图中，最强的离子峰的相对强度定为100，结果如图所示。
原子的质量数是整数，但原子的实际质量不会是整数（除了碳-12原子，其质量定义为12 u），而是与整数非常接近。例如16O与12C的质量比为1.33291，因此16O的质量为15.9949 u，其结果非常接近质量数16。
例题
质谱数据表明氧-16的质量是氮-15的1.06632倍。已知氧-16的质量是15.9949 u，那么氮-15的质量是多少？
解答
显然氮-15的质量为15.9949 ÷ 1.06632 = 15.0001 u。
练习
原子序数为64，质量数为158的某同位素，其质量为碳-12的13.16034倍，那么它的质量相当于氧-16的多少倍？
带有原子量的元素周期表中，碳的原子量约为12.01 u，而原子质量的定义——碳-12的原子量精确等于12 u。这两个数字存在微小的差异，因为天然存在的碳元素不仅包含碳-12，也包含一些碳-13原子（还有极微量的碳-14）。多种同位素的存在使得观察到的天然碳的质量在12和13之间。元素的标准原子量(standard atomic mass)是同位素质量的平均值，根据同位素的天然丰度加权。因为碳-12比碳-13多得多，因此加权平均值更接近12而不是13。某一元素的原子量$M=\sum m_i x_i$，其中$m_i$是同位素的原子质量，而$x_i$是同位素的丰度。
碳-12的丰度为98.93%，原子量为12 u。碳-13的丰度为1.07%，原子量为13.003355 u。忽略极少量碳-14的影响，碳的原子量是：0.9893 × 12 + 0.0107 × 13.003355 = 12.011 u。
质谱技术的发展使得科学家能够非常精确地确定原子质量和同位素丰度。科学家发现某些元素不同样品中的同位素丰度并不相同的，例如13C的同位素丰度最高值为1.1466%（来自深海孔隙水），而最低值是0.9629%（来自北太平洋海底的藏花烯(crocetene)样品）。因此天然碳样品的标准原子量在上限为12.0116 u和下限为12.0096 u的区间中。出于这一原因，IUPAC建议将碳和其他几个元素的标准原子量报告为原子量区间(atomic mass intervals)而不是某个特定值。氢的原子量区间为[1.00784, 1.00811]，表明任何天然样品中氢的平均原子量不超过1.00811，也不低于1.00784。
注意这并不意味着地球上氢的平均原子量是(1.00811+1.00784)/2，也不表明天然样品中氢的原子量随机分布在这一区间中。IUPAC还提供了常规原子量(conventional atomic mass)，在精密度不那么高的场合可以使用常规原子量。
| 原子序数 | 元素符号 | 常规原子量 | 原子量区间 |
|---|---|---|---|
| 1 | H | 1.008 | [1.00784, 1.00811] |
| 3 | Li | 6.94 | [6.938, 6.997] |
| 5 | B | 10.81 | [10.806, 10.821] |
| 6 | C | 12.011 | [12.0096, 12.0116] |
| 7 | N | 14.007 | [14.00643, 14.00728] |
| 8 | O | 15.999 | [15.99903, 15.99977] |
| 12 | Mg | 24.305 | [24.304, 24.307] |
| 14 | Si | 28.085 | [28.084, 28.086] |
| 16 | S | 32.06 | [32.059, 32.076] |
| 17 | Cl | 35.45 | [35.446, 35.457] |
| 18 | Ar | 39.95 | [39.792, 39.963] |
| 35 | Br | 79.904 | [79.901, 79.907] |
| 81 | Tl | 204.38 | [204.382, 204.385] |
| 82 | Pb | 207.2±1.1 | [206.14, 207.94] |
如果你认真翻阅书后附录里的原子量表（例如人教版新版化学必修一书后附录），会发现不同元素原子量小数点后的位数不同。氟的原子量是18.998 403 163(6)，最后括号中的6表示最后一位的误差是±6，也就是说氟的原子量是18.998 403 163 ± 0.000 000 006。而Kr的原子量是83.798(2)，即83.798 ± 0.002。为何氟的原子量比氪要精确得多？因为自然界中氟只有一种同位素——氟-19。而氪有六种天然同位素，氪同位素百分比因样品而异，因此氪的标准原子量无法做到和氟一样精确。
例题
锂在自然界中以两种同位素存在，为锂-6和锂-7。它们的质量分别为6.01512 u和7.01600 u，哪种同位素具有更高的丰度？
解答
原子量会更加接近于具有更高丰度的同位素的质量。查表可知锂的原子量为6.94 u，故锂-7丰度更高。
练习
铟的原子量为114.818 u，已知铟-113是两种天然铟同位素中的一种，质量为112.904058 u。那么下列何种核素一定是另一个天然铟同位素：111In、112In、114In、115In？。哪种天然同位素丰度更高？
例题
溴有两种天然同位素：溴-79和溴-81，其质量分别为78.918338 u和80.916291 u。溴的原子质量区间为[79.901, 79.907]。估计天然溴样品中79Br的最低和最高丰度。
解答
假定样品中79Br的丰度为$x$，而81Br的丰度为$1-x$，那么原子质量为：$78.918338x+80.916291(1-x)$。代入79.901和79.907的数据，解得$x$ = 0.50516和0.50817，因此最低和最高丰度为50.516%和50.817%。
练习
自然界中硅的同位素质量和丰度为：28Si，27.9769265325 u，92.223%；29Si，28.976494700 u，4.685%；30Si，29.973377017 u，3.092%。计算硅的原子量。
十八世纪以来科学家发现了很多元素，但由于原子质量未能准确测定，以及部分元素未被发现，当时的科学家未能发现元素的周期性。直到一个世纪之后，1817年德国科学家约翰·沃尔夫冈·德贝赖纳(Johann Wolfgang Döbereiner, 1780-1849)才提出某些元素之间具有相似的性质，他称之为『三元组(triad)』。例如氯、溴、碘形成三元组，钙、锶、钡也是如此。其他的三元组还包括锂、钠、钾，以及硫、硒、碲。以钠、钾为例，金属钠具有较低的密度(0.971 g cm−3)，较低的熔点(97.81 °C)，和金属钾性质接近(0.862 g cm−3, 63.64 °C)。它们都是热和电的良导体，且都能和水剧烈反应放出氢气。而金的熔点和密度非常高(19.32 g cm−3, 1064 °C)，化学性质比较惰性，也是热和电的良导体。硫单质的熔点、密度适中(2.07 g cm−3, 115.2 °C)，但不是热和电的良导体。
随着对元素及化合物性质的进一步了解，科学家将越来越多的元素划分为同一组。现代的分类系统被称为元素周期表(periodic table of elements)，我们会在第9章进一步学习元素周期表，现在我们只需了解周期表的几个基本特征。
元素周期表的特征：在元素周期表中，元素按照原子序数递增的顺序从左上角开始排列成数行。性质接近的元素放在垂直的族(group)或系(family)里面。例如性质接近的锂、钠、钾都在第1族中，而氯、溴、碘都在第17族。某些族具有特定的名称，例如第1族被称为碱金属，第17族被称为卤素。原子序数在每个格子的左上角，元素符号在右上角。一些更加复杂的元素周期表还包含原子量、核素信息等。
元素周期表按行可分为第一至第七周期，按列可分为第1至第18族。砖红色的元素为碱金属，属于第1族。橙黄色的元素为碱土金属，属第2族。暗粉色的元素为过渡金属，它们处于过渡系内。过渡金属包括紫色的镧系元素和紫红色的锕系元素。深灰色的元素为贫金属，即13~16族的金属。暗黄色的元素为类金属，其性质介于金属和非金属之间。绿色、黄绿色以及蓝色的元素为非金属，特别的，我们称黄绿色的第17族元素为卤素（包括砹），而蓝色的第18族元素为稀有气体（或惰性气体）。浅灰色的元素是性质暂不明确的人造元素。/©Siriudie
元素周期表按行可分为第一至第七周期，按列可分为第1至第18族。红色的元素为碱金属，属于第1族。橙色的元素为碱土金属，属第2族。浅粉色的元素为过渡金属，它们处于过渡系内。过渡金属包括紫色的镧系元素和紫红色的锕系元素。深灰色的元素为贫金属，即13~16族的金属。灰黄色的元素为类金属，其性质介于金属和非金属之间。绿色、黄色以及蓝色的元素为非金属，特别的，我们称黄色的第17族元素为卤素（包括砹），而蓝色的第18族元素为稀有气体（或惰性气体）。浅灰色的元素是性质暂不明确的人造元素。/©Siriudie
我们可以将元素分为两大类——金属(metal)和非金属(nonmetal)。它们很好区分，所有带『钅』部首的都是金属（除了汞和金），而其他为非金属。除了汞以外其他金属在室温下都是固体，它们通常具有延展性，是热和电的良导体，具有金属光泽。而『气』部首的非金属在常温下为气体，带『氵』部首的非金属在常温下为液体（只有溴这一个元素），带『石』部首的非金属在常温下为固体。有的时候我们会将元素分为三类：金属、非金属和准金属(metalloid)。准金属在图中用灰黄色表示，它们是性质介于典型的金属和典型的非金属之间的元素。
周期表中的水平行被称为周期(period)，第一周期仅含两种元素：氢和氦。第二和第三周期含8个元素，从锂到氖以及钠到氩。第四和第五周期含18个元素，从钾到氪以及从铷到氙。第六和第七周期含32个元素，为了防止周期表过长，每个周期各有14个元素处于底部，称为镧系元素(lanthanide)和锕系元素(actinide)。因为它们以镧($Z=57$)和锕($Z=89$)开头。
元素周期表各族如何表示一直有些争议，我们将1、2、13~18族称为主族（main-group，可用A表示），而3~12族称为副族（即过渡金属，可用B表示）。在国内，第4族可记为IVB族（第四副族），第11族记为IB族。而第1族记为IA族，第13族记为IIIA族。特殊的，国内将第8~10族记为VIII族（没有B），而第18族记为0族（不是VIIIA族）。这类方法如今并不建议使用，因为部分国家使用数字而不是罗马数字标记，而且不同地方的习惯非常混乱。例如美国通常用8B表示第8~10族，也有使用VIIIB的。很多地方用8A或VIIIA表示第18族而不是0族。过去欧洲甚至用A表示周期表左侧元素，B表示右侧的元素！不同的用法带来了使用上的混乱，IUPAC推荐使用1至18编号以避免可能的混淆。要注意这两个编号方式仍然都在使用，多数元素周期表也同时使用两套编号系统。如果没有特别标明，本文此后都使用IUPAC推荐的表示方法。
周期表可帮助化学家描述和预测化合物的性质。我们现在先掌握周期表的一些简单用途——用来预测单原子离子的电荷。当1、2、3、13族的金属元素失去电子形成阳离子时，将失去与族数相同的电子。例如Na原子将失去一个电子形成Na+，Ca原子失去两个电子形成Ca2+，而Al原子失去三个电子形成Al3+。其他族的元素形成阳离子有多种可能性，我们将在第9章学习。15~17族的元素形成阴离子则得到18−族数的电子，例如O原子得到18 − 16 = 2个电子，形成O2−，而Cl形成Cl−。显然，第18族的元素将既不得到也不失去电子，它们被称为惰性气体(noble gas)或稀有气体(rare gas)，因为它们得失电子的趋势很弱，基本不参与化学反应。
第3~12族的元素称为过渡元素(transition element)或过渡金属(transition metal)，过渡金属形成金属离子所失去的电子数量与族数没有什么关系，且过渡金属通常可以形成多种不同电荷的离子。
例题
查阅元素周期表，回答如下问题：第14族第4周期的元素是什么？和钼(Mo)性质相近的两个元素是什么？锶元素最容易形成何种离子？
解答
第14族的元素包括碳、硅、锗、锡、铅以及鈇。第4周期的元素是锗（碳是第2周期的）。钼属于第6族，与其性质类似的元素是Cr和W。锶是第2族的元素，易形成Sr2+离子。
练习
下面这些元素在周期表的什么位置？它属于金属、非金属还是类金属：Na、Re、S、I、Kr、Mg、U、Si、B、Al、As、H。
从道尔顿原子论开始，化学家就知道原子的相对数量是非常重要的。每一个水分子都是一个氧原子和两个氢原子组成的，因此一个氧气分子需要和两个氢气分子才能恰好完全反应。显然对于宏观量的氢气和氧气之间的反应我们不能用几个分子来描述，我们需要一个联系宏观与微观之间的桥梁。就好比你是个拥有百亩油菜田的农民，你需要购买一些油菜种子。你不会直接说我要买一百万颗油菜种子，而是论斤购买。
用来描述微粒物质的量的SI单位是摩尔(mol)，1摩尔是一种物质的数量，其含有阿伏伽德罗常量(Avogadro constant)$N_\text{A}$个对应的微粒，$N_\text{A}$ = 6.022 140 76×1023 mol−1。例如1 mol水意味着其中含6.022 140 76×1023个水分子。
过去阿伏伽德罗常量定义为12 g纯碳-12中所含的原子数量，这一定义依赖于特定的物质。如今阿伏伽德罗常量直接定义为某一数值，因此1 mol纯的碳-12的质量不再精确等于12 g，但在通常的精度下可以认为其仍然是12 g。我们知道地球上的元素通常包含多个同位素，对于这些元素，1 mol原子的质量（以克计）和原子量数值相等，例如铁的标准原子量是55.845 u，那么1 mol铁的质量是55.845 g。
阿伏伽德罗常量是一个非常大的数，1 mol个人的体重和地球的质量(5.97×1024 kg)差不多。人体大约含50万亿个细胞，该数量远小于阿伏伽德罗常量，因此mol不用于宏观物体的计量。
摩尔是联系宏观和微观的桥梁，在解题中要灵活使用摩尔这一概念。最简单的，我们需要将原子数和物质的量以及质量联系起来，例如1 mol S = 6.022×1023 S原子 = 32.07 g硫。对于硫而言，转换因子为 32.07 g S / 1 mol S。阿伏伽德罗常量是一个巨大的数，因此何时乘以$N_\text{A}$是显而易见的：计算原子数时，我们期望的是一个巨大的结果，因此应当乘以$N_\text{A}$。而物质的量通常是一个适中的大小，一般小于1。
例题
4.07 g硫磺中含有多少个硫原子？以摩尔计呢？
解答
硫的原子量是32.07 u，故4.07 g硫磺含0.127 mol的硫原子，或7.64×1022个硫原子。
练习
铅-206的丰度是24.1%，铅的原子量通常取207.2 u。那么22.6 g金属铅中含有多少个铅-206原子？
阿伏伽德罗常量拥有无限多的有效数字，在实际计算中应当选择6.02还是6.022或者是6.02214×1023？通常来说，物理常数的有效数字应该比其他测量量多一位，因此在保留四位有效数字的计算中应当使用6.0221×1023。很多科学计算器内置了常用的物理常数，所带的有效数字位数足以满足我们的要求，具体使用方法可参阅说明书。
例题
钾-40是少数天然存在的低原子序数元素放射性同位素之一。它在K同位素中的同位素丰度百分比为0.012%。牛奶中钾含量是1.65 mg/mL，一瓶225 mL的牛奶含有多少个40K原子？
解答
钾的原子量是39.10 u，一瓶牛奶含钾0.371 g，即9.49×10−3 mol K，或5.71×1021个K原子。由于40K的丰度是0.012%，故40K的数量为6.9×1017个。
练习
铼-187是一种放射性同位素，可用于测定地质年代。有0.100 mg Re样品，含有2.02×1017个187Re原子。铼-187的同位素丰度是多少？
