元素的最小单位是原子，原子是肉眼看不见的微粒。人体中含有的各种元素的原子数目大约是7×1027个，这些元素的原子不是散乱地堆积在人体中。原子并非是一个简单的实心球，它是由更小的基本微粒构成，具有复杂的结构。原子还可以结合成分子，可以转变为带电的微粒——离子，原子以及由原子形成的分子、离子都是构成物质的微粒。原子在宇宙中大约已经存在70亿到120亿年。人体的主要组成成分，氢元素的原子早在137亿年前的宇宙大爆炸中就诞生了。碳和氧等更重的原子是在恒星的体内产生的，并在恒星爆炸时扩散到太空中。
把氢原子看成一个小圆球，放大1亿倍也只有直径1cm的小球那么大。把一粒直径13cm的水果，也放大1亿倍，那么它就和地球一样大了（图2-4）。
图2-4 原子的大小
原子的质量非常小，例如，氧原子的质量是2.657×10－26kg，用通常的质量单位来表示或是计算都非常不方便。国际上规定，以一个碳12原子（原子核中含6个质子和6个中子的碳原子）的质量的1/12（0.1661×10－26kg）作标准，用某种原子的质量和它的比值，来表示该原子的质量，称为该原子的相对原子质量。各种元素原子的相对原子质量都接近整数，便于记忆与使用。氧原子的相对原子质量是：（2.657×10－26）/（0.1661×10－26）≈16。从各种化学手册或者元素周期表中都可以查到各种元素的相对原子质量。
2.4.1 原子的构成
原子虽然非常微小，却是由更小的微粒构成的。原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子构成的。两者所带的电量大小相等，电性相反，整个原子呈电中性。原子核在原子中所占体积很小，核外电子在核外空间高速运动。原子核由称为质子和中子的微粒构成（相对质量为1的氢原子的原子核仅由一个质子构成）的。质子带一个正电荷，中子不带电荷。核外电子带一个负电荷，质量仅是质子质量的1/1847。原子中原子核内的质子数目和核外电子数相同，原子的质量几乎都集中在原子核。图2-5表示硅元素的原子结构。硅原子的原子核中含有14个质子和若干个中子（不同的硅原子核中含有的中子数，有14、15、16等几种），核外电子数和核内质子数相等，也是14。
图2-5 原子结构示意图（硅元素的原子）
元素原子的质量，决定于该原子核中质子和中子的总数，因为核外电子的质量太小，可以忽略不计。中子和质子的相对质量以1计，原子的质量在数值上就等于原子核中的质子数和中子数的总和。如原子核中有14个质子和14个中子的硅原子，其相对质量是28。科学家把一个原子中质子数和中子数的总和，称为该原子的质量数。
周期表中的118种元素，每一种元素的所有原子的原子核中，都有相同数目的质子。例如，排在最前面的1号氢元素的所有原子，原子核中都只有1个质子。8号元素氧，所有的氧原子，原子核内都有8个质子。表中末尾的一种元素，原子的原子核中有118个质子。
通常人们也用元素符号表示该元素的原子，如氧原子表示为O、氢原子表示为H。如果要表示原子的个数在前面加上数字就好，如5个氧原子写成5O。需要说明该原子的质子数、原子的质量数，可以分别在元素符号的左下角、左上角用数字标出，如：
Si。
元素原子的原子核外有若干个核外电子，这些电子在离核远近不同的区域运动。图2-5中硅原子的14个核外电子在离核远近不同的核外空间运转。图中所绘制的电子运动轨迹像行星绕着太阳转，这并不完全符合实际，电子在原子核外高速运转，其实并没有一定的轨道，只是在核外空间的一定区域内运动。原子核外电子在核外空间的运动遵循一定的规律。电子经常出现的区域，有的离原子核远些，有的离核近些，好似有几个电子层。能量高的电子在离核较远的电子层高速运转，原子核对它的束缚力小些，最外电子层上的电子受核的束缚力最小；能量较低的电子在离核近的电子层高速运转，原子核对它的束缚力大些，最内层（第一电子层）的电子，能量最低，受原子核的束缚力最大。各电子层上能容纳的电子，有一定数目。最外电子层上容纳的电子数达到最大数目时，原子不容易失去电子，也不容易从别的元素原子获得电子，这种元素原子处于比较稳定的状态。相反，最外层上的电子数目和所能容纳的最大电子数相差较大（或者较接近）的元素原子，倾向于失去电子（或获得电子），形成相对稳定的电子层结构，处于相对稳定的状态。
物质在发生化学变化时，各种元素原子的核外电子的运动状态或数目可能会发生变化，而原子核不会发生变化，原子核中的质子数保持不变。所以，在化学反应中一种元素不会变成另一种元素。只有原子弹、氢弹爆炸，太阳中氢的“燃烧”，元素的原子核会发生变化，发生核反应，元素才会变成另一种或几种元素。
2.4.2 揭穿水变油的骗局
1993年，一些媒体报道了一项“水变油”的技术发明，并把它誉为“中国第五大发明”。这项“技术”的发明者王洪成，从1984年开始，到处表演、宣传这项发明，说“只要把一种特殊的母液，按1∶100000的比例加到普通的水中，配制成‘水基燃料’，即可用这种燃料代替汽油用于发动汽车，成本仅为汽油的千分之一”。王洪成在长达10年的时间里四处进行诈骗活动，有十几个省、上百家单位上当受骗，诈骗金额达4亿元。1995年春，41位科技界的政协委员联名提案，委托国务院成立调查组，对有关事件进行调查。同年7月，中国化学会发布声明，强调“中国化学会从未组织任何人代表本会或分支机构支持和参与‘水变油’的测试、考察与见证”。此后，国务院与中央政法委等相关部委召开了座谈会，王洪成进行经济诈骗的真相终于大白。1997年10月，王洪成被判处有期徒刑10年，剥夺政治权利2年，“中国第五大发明”的闹剧才终于结束。
水是氢、氧元素组成的化合物，而油（燃油）是碳、氢元素组成的一种或多种液态化合物的混合物。只含有氢、氧元素的水要变成含碳元素、氢元素的碳氢化合物，根本是不可能的。化学变化的最基本粒子是元素的原子，原子在化学反应中不可再分割，一种元素的原子不可能通过机械的混合或化学反应变成另一种元素的原子。没有哪种试剂能通过化学变化，使水中的氧转化为碳。在现代科学技术的条件下，即使通过核反应，也无法实现这一变化。
化学科学是揭露伪科学、揭穿以科学名义进行诈骗行为的有力武器。
2.4.3 焰色反应
原子核外的电子，在不同的电子轨道上运转，有不同的能量，不仅不同电子层上的电子能量不同，在同一电子层上运转的电子能量还有差异，有不同的能级。在不同能级电子轨道上运转的电子，在一定条件下会吸收一定的能量从低能级跃迁到较高的能级上，在较高的能级上不稳定，又会释放出所吸收的能量回到原来的能级上。电子的这种跃迁，使某些金属或它的化合物呈现一定的焰色反应，通过实验可以观察到焰色反应。
用一根洁净的较不活泼的金属丝（例如铂或镍铬合金，也可以使用洁净的粉笔）在稀盐酸里蘸洗后，放在酒精灯（或煤气灯）的火焰上灼烧，火焰的颜色和原来一样。而后用它蘸取某些金属或金属化合物，放到无色的火焰中（如酒精灯的火焰）灼烧，就会观察到焰色反应。因为这些金属或它们的化合物在无色火焰中灼烧，原子中的电子吸收了能量，会从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道。处于较高能量轨道上的电子不稳定，会跃迁回能量较低的轨道，将多余的能量以光的形式放出。放出的光的波长在可见光范围（波长为400～760nm）内，能使火焰呈现颜色。由于金属的原子结构不同，电子跃迁时能量的变化不同，会发出不同波长的光，形成特征的谱线，呈现特征的焰色，这种变化称为焰色反应。不同的金属或它们的化合物发生焰色反应呈现的焰色不同。
利用焰色反应，人们在烟花中添加含有某些金属元素的盐，使焰火呈现绚丽的色彩（彩图3）。化学上，常用焰色反应来检验某种金属化合物（检验钾要透过蓝色钴玻璃观察，因为钾盐中经常含有少量钠盐，钠的焰色反应为黄色，会干扰紫色的观察）。
彩图3 某些金属的焰色反应
早在中国南北朝时期，著名的炼丹家和医药大师陶弘景（公元456—536年）在他的《本草经集注》中就记载着“以火烧之，紫青烟起，云是真硝石（硝酸钾）也”。德国人马格拉夫于1762年观察到草木灰（即碳酸钾）与矿物碱（碳酸钠）在火焰中灼烧能使火焰出现不同的焰色。后来不少人也发现很多的金属盐类、氧化物在火焰中灼烧也能使火焰呈现不同的颜色。19世纪中叶，德国著名化学家本生设计制造了使用煤气的本生灯，它能产生几乎无色的火焰，温度高达1000多摄氏度。他利用这种灯研究各种盐类在火焰中呈现不同焰色的现象，试图根据火焰中的彩色信号来检测各种元素。他发现钠的黄色火焰会把其他焰色掩盖，采用蓝色玻璃或靛蓝溶液作滤色镜来观察火焰可以消除黄色的干扰。