【定义】由两种或两种以上的简单盐类组成的同晶型化合物,叫做复盐。
【说明】
1.复盐又叫重盐。复盐中含有大小相近、适合相同晶格的一些离子。例如,明矾(硫酸铝钾)是KAl(S04)2·12H20,莫尔盐(硫酸亚铁铵)是(NH4)2Fe(S04)2·6H20,铁钾矾(硫酸铁钾)是KFe(S04)2·12H20。
2.复盐溶于水时,电离出的离子,跟组成它的简单盐电离出的离子相同。例如,KAl(S04)2=K++A13++2SO42-
3.使两种简单盐的混合饱和溶液结晶,可以制得复盐。例如,使CuS04和(NH4)2S04的溶液混合结晶,能制得硫酸铜铵[(NH4)2S04 ·CuS04 ·6H20]。
4.由两种不同的金属离子和一种酸根离子组成的盐。例如硫酸铝钾[KAl(SO4)2],十二水合硫酸铝钾[KAl(SO4)2·12H2O]俗称明矾。明矾也可用化学式K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O表示,是无色晶体,溶于水完全电离产生三种离子,Al3+水解形成Al(OH)3胶体,水溶液呈酸性。
Al(OH)3有很强的吸附能力,它吸附水中悬浮的杂质形成沉淀。因此,明矾可作净水剂,还可作收敛剂和媒染剂。
5.氯化镁钾[KMgCl3]也是复盐。自然界的KCl·MgCl2·6H2O,俗称光卤石,易溶于水。从光卤石可提取KCl和MgCl2。复盐和复盐的水合物都属于纯净物。
【定义】由一定数量的配体(阴离子或分子)通过配位键结合于中心离子(或中性原子)周围而形成的跟原来组分性质不同的分子 或离子,叫做配合物。
【说明】【结晶水合物】含有结晶水的固体物质,叫做结晶水合物。
说明
1.结晶水合物中的水分子是以确定量存在的,如FeCl3·6 H20、 FeS04·7 H2O、 Ba (OH) 2 · 8 H2O和ZnS04 ·7 H2O 等。因此,结晶水合物是纯净物。
2.水合物中的水分子有各种结合方式。一种是作为配位体,配位在金属离子上,叫配位结晶水。另一种结合在阴离子上,叫阴离子结晶水。例如,CuS04·5 H20加热到113℃,只失去4分子,加热到258℃才能脱去最后1分子水。由此推断,它的结构是[Cu(H2O)4]2+[S04(H20)]2-3.含有结晶水的物质叫做结晶水合物。又称水合物、水化物。如绿矾(FeSO4·7H2O)、二水合硫酸(H2SO4·2H2O)、六水合氯化铁(FeCl3·6H2O)等。除水合离子外,结晶水合物大多是晶态物质。结晶水合物在受热时会失去结晶水,并有显著的吸热效应。
【定义】主要以共价键结合形成的化合物,叫做共价化合物。
【说明】
1.不同种非金属元素的原子结合形成的化合物(如CO2、ClO2、B2H6、BF3、NCl3等)和大多数有机化合物,都属于共价化合物。在共价化合物中,一般有独立的分子(有名符其实的分子式)。通常共价化合物的熔点、沸点较低,难溶于水,熔融状态下不导电,硬度较小。
2.有些离子型化合物中也可能存在共价键结合。例如NaOH分子中既有离子键又有共价键。有些共价化合物中局部区域也可能包含离子键的成分,例如苯酚钠等。
3.以共价键结合的有限分子(即共价化合物分子),且靠分分子间范德华力作用而凝聚成的晶体,是典型的分子晶体,如CO2晶体、苯的晶体等。以共价键结合的无限分子形成的晶体属于共价型晶体或原子晶体,它是由处于阵点位置的原子通过共价键结合而成的晶体,如金刚石晶体、单晶硅和白硅石(SiO2)晶体。【定义】阳、阴离子之间通过离子键结合而形成的化合物为离子化合物。
【说明】
1. 离子化合物的形成可以用电子式表示:如氯化铵形成的电子式为:
2.离子化合物在室温下以离子晶体形式存在,不存在单个的离子化合物分子。NaCl、MgO、CaF2等实际上只是表示离子晶体中阳、阴离子个数的简单整数比和重量组成比的化学式,不是分子式。只有在气态时才有离子型分子。
3.离子化合物的熔点,与离子所带电荷、离子半径和离子的核外电子排布等结构特征有关。一般说来,阳、阴离子所带的电荷越多、离子半径越小,离子化合物的熔点越高。如果离子化合物的其他特征相同,则阳、阴离子的核间距越大,它们的熔点越低。
4.大多数离子化合物易溶于水,难溶于有机溶剂。离子化合物在水溶液中和在熔融状态下都有能自由移动的离子,因此能导电。
【定义】含有过氧基(一O一O一)的化合物叫做过氧化物。
【说明】
1.过氧化物中氧的氧化数是-l。过氧化物包括过氧化氢(H202)、金属过氧化物、过氧酸盐和有机过氧化物。过氧化物可以看作是过氧化氢的衍生物。
2.金属过氧化物只是碱金属和碱土金属中存在过氧化物,例如Na202、Ba02等。常见的过氧酸有过二硫酸及其盐、过二磷酸等。有机过氧化物有过氧乙酸、过氧化苯甲酰等。
3.过氧化物都是强氧化剂,加热时放出氧气,跟稀酸反应能生成过氧化氢。
Ba02+H2S04=H202+BaS04
【定义】氢跟其它元素组成的二元化合物。例如氢化钠、硫化氢、硼烷等。
【说明】
按其结构大致可分成三种类型:
1. 离子型氢化物(又叫盐型氢化物)碱金属和碱土金属中 的钙、锶、钡能跟氢气在高温下反应、,生成离子型氢化物,如NaH、 CaH2等,其中氢以H-离子形式存在。这类氢化物都是离子晶体,熔点较高,在熔融状态下能导电。它们都有强还原性,遇水分解,生成金属氢氧化物,并放出氢气。
2. 共价型氢化物(又叫分子型氢化物)氯化氢、氨、硫化氢、 甲烷等在常温下呈气态或液态,水在常温下呈液态。这类氢化物 性质差异较大,如HX、H2S溶于水时电离而显酸性,NH3溶于水 显碱性,CH4水不发生任何作用,SiH4发生反应:SiH4 + 4H20= H4Si04 + 4H2。
3. 金属型氢化物 铍、镁、铟、钛和d区、f区金属元素的单质都能跟氢生成金属氢化物,如BeH2、MgH2、FeH2、CuH等,还 有非整数比化合物,如VH0.56、ZrH1.92、PdH0.8等。金属型氢化 物保留金属的外观特征,有金属光泽,密度比相应金属小。据最新研究,金属型氢化物在有机合成及作储氢材料方面有重要用途。 例如,1体积钯可吸收700~900体积的氢气成为金属氢化物,加热后又释放出氢气。
【半金属】它是物理化学性质介于金属和非金属之间的元素,包括硼、硅、锗、砷、锑、硒、碲、钋、砹9种元素。半金属元素在元素周期表中部,介于金属和非金属的过渡位置。
半金属元素的电负性在1.8一2.4之间,一般是大于金属,小于非金属。它们的氧化物跟水作用生成弱酸性或弱碱性的溶液。半金属大多数是半导体材料,导电性能介于金属和非金属之间,而且导电性随温度的升高而增强(金属的导电性随温度的升高而减弱)。
【定义】由非金属元素组成的单质。非金属一般没有金属光泽,不是电和热的良导体,没有延性和展性。在通常情况下,非金属有的是固体,有的是气 体,只有溴是液体。非金属固体大多数是分子晶体,硬变小,熔点、沸点较低,但有的非金属固体属原子晶体,如金刚石、晶体硅等,它们的硬度大,熔点、沸点较 高。非金属元素的原子价电子较多,原子半径较小,在化学反应中倾向于得到电子。大多数非金属既具有氧化性,又具有还原性。金属与非金属没有严格界限,位于 周期表P区左上到右下对角线附近的元素,如硼、硅、锗、砷、锑、碲等既具有非金属的性质,又具有金属的性质,可把这些元素的单质称为准金属或半金属。
【说明】
1.非金属正好跟金属相反,一般无金属光泽,缺乏延展性,是电和热的不良导体。在通常状况下,非金属有的是固体,有的是气,只有溴是液体。非金属固体中金
刚石、晶体硅、晶体硼是原子晶体,熔点和沸点都很高:硬度也大。其他非金属固体属于分子晶体,熔点、沸点较低,硬度小。
2.非金属元素原子的价电子较多,在化学反应中倾向于得到电子,具有氧化性,容易跟金属化合。非金属元素之间相结合时,其中非金属性较弱的元素会部分失去电子,显示还原性,大多数非金属能跟氧结合成酸性氧化物。
3.非金属与金属之间没有严格的界限。例如硼、硅、锗、砷、锑、硒、碲等既有金属的性质,又有非金属的性质,有时把它们叫做半金属(也有叫做准金属)。
【定义】由金属元素组成的单质。具有金属光泽、不透明、有延性和展性、有良好的传热性和导电性的一类物质。在金属晶体中有中性原子、阳离子和自由电子,金 属具有上述性质,都与晶体中存在自由电子有关。常温下除汞外,都以固态形式存在。化学性质一般表现较强的还原性,由于金属元素原子的价电子较少,原子半径 较大,在反应中容易失去价电子成为阳离子的缘故。工业上通常把金属分为黑色金属和有色金属两大类。有色金属又可分成轻金属、重金属、贵金属和稀有金属等。
【分类】
1、黑色金属:通常是指铁、铬、锰和铁的合金(主要指钢铁)。在各种金属中,铁在地壳中分布较集中,储量较丰富,开采和冶炼较多,价格也较廉。铸铁和钢的品种和 规格很多,它们是工业上最广泛应用的金属材料,在国民经济中占有极重要的地位。铬与锰主要应用于制合金钢。铁、铬、锰及其合金都不是黑色的,而钢铁表面经 常覆盖着一层黑色的四氧化三铁。这样分类,主要是从钢铁在国民经济中的重要地位出发的。
2、有色金属:通常是指除铁、铬、锰和铁的合金以外的其它金属。可分为四类:(1)重金属,如铜、锌、铅、镍等。(2)轻金属,如钠、钙、镁、铝等。(3)贵金属,如金、银、铂、铱等。(4)稀有金属,如锗、铍、镧、铀等。
a、重金属:一般是指密度在4.5克/厘米3以上的金属。例如铜、锌、钴、镍、钨、钼、锑、铋、铅、锡、汞等,过渡元素大都属于重金属。也有把密度在5克/厘米3以上的金属称为重金属的。
b、轻金属:一般是指密度在4.5克/厘米3以下的金属。例如钠、钾、镁、钙、铝等。周期系中第一、二主族均为轻金属。也有把密度在5克/厘米3以下的金属称为轻金属的。
c、贵金属:通常是指金、银和铂族金属(包括钌、铑、钯、锇、铱、铂)。这些金属在地壳中含量较少,不易开采,价格较贵,所以叫贵金属。这些金属对氧和其它试剂较稳定,金和银常用来制造装饰品和硬币。
d、稀有金属:通常是指自然界中含量较少,比较分散的金属。它们难于从原料中提取,在工业上制备及应用较晚。稀有金属和普通金属没有严格界限,某些稀有金属比
铜、汞、镉等金属还多。稀有金属在现代工业中具有重要的意义,往往把黑色金属、有色金属和稀有金属并列为三大类。稀有金属根据其在地壳中的分布状况及冶炼
方法,可分为六类:(1)稀有轻金属,如锂、铷、铯、铍、钛等。(2)稀有难熔金属,如钨、钼、铌、钽、铪、钒等。(3)稀有分散金属(或称稀散金属),
如镓、铟、铊、锗等。(4)稀土金属,包括钪、钇和镧系元素。(5)稀有贵金属,指铂族元素。(6)稀有放射性金属:包括钋、钫、镭、锕、钍、镤、铀以及
从1940年以来陆续发现的十多种人造放射性元素。
【说明】
1.金属具有特殊的金属光泽(对可见光强烈反射)、富有延性和展性,是电和热的良导体等性质。
2.金属的上述特性都跟金属晶体里含有自由电子有关。在金属晶体中有中性原子、金属阳离子和自由电子。自由电子能在整个晶体中自由移动。
①当光线照射到金属表面时,自由电子吸收所有频率的可见光,然后很快发射出大部分所有频率的可见光,这就使绝大多数金属显出银白色或钢灰色的光泽。金属在
粉末状态时,晶体排列不规则,可见光吸收后难以发射出去,所以金属粉末一般呈暗灰色或黑色。少数金属如金、铝等,它们的粉末仍保持原有的颜色和光泽。
②自由电子在金属晶体里作不规则的运动,在外电场的作用下,自由电子会作定向移动,形成电流,这就是金属容易导电的原因。
⑧当金属的一部分受热时,受热部分的自由电子的能量增加,运动加剧,不断跟金属离子碰撞而交换能量,把热量从一部分传向整块金属,因而金属有良好的导热性。
④当金属受到外力作用时,金属晶体内某一层金属原子、离子跟另一层金属原子、离子发生相对滑动,由于自由电子的运动,各层间仍保持着金属键的作用力,所以金属具有良好的延展性。只有少数金属,如锑、铋、锰性质比较脆。
3.金属在通常状况下,除汞是液体外,其余都是固体。导电、导热性最好的是银,延性铂最突出,展性金最优越,密度最大的是锇(在25℃是22. 57 g/cm3),硬度铬最高,熔点最高的是钨(3410℃)。
4.金属元素原子的价电子较少,在化学反应中容易失去电子,所以金属一般表现还原性。
5.工业上常常把金属分为黑色金属和有色金属两大类。有又可分为轻金属、重金属、贵金属、稀有金属和半金属等类别。
6.金属除铜、金、铂和铋等以游离态存在外,极大多数以化合态存在于自然界中。金属的矿物通常以氧化物或硫化物的形式存在,较少的氯化物、硫酸盐、碳酸
盐、硅酸盐等形式存在于自然界。业上常在高温下用碳、一氧化碳或氢气还原、电解水溶液或熔融盐、用活泼金属(如Al、Ca、Mg、Na)热还原等方法提炼金属。
【稀有气体(惰性气体)】
它包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和放射性元素氡(Rn)等6种元素,属周期系零族。
它们主要存在于空气中。在空气中的含量(以体积计)是氦0.0005%、氖0.0018%、氩0.94%、氪0.00011%、氙0.000009%,氡
是镭衰变后的产物,平均寿命只有几天。它们在空气中的含量很低,又都是气体,所以叫稀有气体。液态空气是制取稀有气体的重要原料。
稀有气体都没有颜色、没有气味。它们原子的最外电子层具有稳定的结构,化学性质很不活泼,所以长期以来人们把它们叫饑它们叫做惰性气体。
自从1962年巴特利特(Neil Bartlett)首次合成Xe[ PtF6]以后,至今已合成数以百计的稀有气体化合物。这些事实表明,惰性气体并不“惰性”,因此改称稀有气体。
稀有气体主要用作冶炼、焊接稀有金属的保护气、制造各种电光源。氦气可制成供潜水员呼吸用的“人造空气”。稀有气体在激光上的应用也越来越受到重视。
【混和物】由几种不同的单质或化合物通过机械混和而成的物质。混和物没有固定的组成,混和物中各成分仍保持各自原有的性质,可以利用混和物中所含各成分的不同物理性质进行分离,例如空气中所含的氮气、氧气、惰性气体等可利用它们的沸点不同而分离开来。
说明
1.混合物跟化合物不一样,它没有固定的组成。混合物中各组分仍保持各自原有的性质。
2.混合物中各组分之间可以均匀地分散(如溶液)或非均匀地分散(如浊液或固体混合物),但互相不发生化学反应。由于不同组分之间相互吸引或排斥,可能影响混合物的整体特性。例如,由几种液体形成的混合物,总体积一般不等各种液体分体积的和。
3.混合物能根据它所含各组分的物理性质(如溶解度、沸点、密度、磁性等)的不同,用物理方法(如结晶、升华、蒸馏、萃取等操作)加以分离。
4.我国中学化学教材中长期把混合物写成混和物,把混合写成混和,现在已经改正。
【定义】由不同种元素组成的纯净物。化合物具有固定的组成并具有一定的性质。化合物从成分上可分为有机物和无机物两大类,从构成化合物的化学键又可分为离子化合物和共价化合物两大类。
【说明】【定义】由同种元素组成的纯净物。单质不可能再分解成两种或两种以上的不同物质。例如氧气(O2)、磷(P4)、铁(Fe)、银(Ag)等。单质和元素是两个不同的概念,元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称,元素以游离态存在时为单质,有些元素可以形成多种单质,例如碳元素可以形成金刚 石、石墨和无定形碳等多种单质。根据单质的不同性质,一般单质可分为金属和非金属两大类。
【定义】由一种单质或一种化合物组成的物质。
纯净物具有固定的组成、结构和性质,例如纯净的水无色透明、无味。密度是1克/毫升,熔点0℃, 沸点100℃。自然界里纯净物极少,根据生产和科学实验的要求,可按物质不同性质进行提纯。实际上绝对纯的物质是不存在的,凡含杂质的量不至于在生产和科 学实验过程中发生有害影响的物质,就当作纯净物,如作半导体材料的高纯硅,其纯度为99.999999999%,也不是完全纯净的。因此,纯净物一般是指 含杂质很少具有一定纯度的物质。
【说明】
1.纯净物都有固定的组成,可以用一定的化学式表示。纯净物不能用物理方法而只能用化学方法把各组成元素分开。
2.实际上完全纯的物质是没有的。一种物质,它所含杂质的量不至于在生产和科研中发生有害影响,这种物质可以看作纯净物。一般说的纯净物,它们的纯度有差
别。例如,化学试剂按纯度由低到高可分为工业纯、实验纯(L.R)、化学纯(C.P)、分析纯(A.R)、优级纯(G.R)和超纯等多种规格。
3.在实验中选用试剂的纯度等级过高,会因价格过高而造成不必要的浪费;选用试剂纯度等级过低,会因试剂中的杂质干扰而造成实验失败。应该根据用途不同,选用纯度相当的试剂或原料。
许多物质从水溶液中形成晶体析出时,晶体里常结合一定数目的水分子。这样的水分子叫做结晶水。如胆矾(CuSO4·5H2O)中就含有结晶水。
一般指中心原子获得电子显示氧化性的酸。如浓硫酸、硝酸、氯酸、高氯酸、高锰酸、重铬酸等,其中心原子在氧化-还原反应中容易获得电子而显示氧化性,可用作氧化剂。任何酸的水溶液中都不同程度地电离出H+,H+在一定条件下可获得电子而形成H2,这也是酸的氧化性的表现,实质上是H+的一种性质。应该与酸的中心原子获得电子所呈现的氧化性区别开来。通常把盐酸、稀硫酸等称作为非氧化性酸。
【定义】在氧化-还原反应中失去电子(或电子对偏离)的反应物。在反应中还原剂中元素的化合价(或氧化数)升高。还原剂能还原其它物质而自身在反应中被氧化。
【说明】
1、还原剂能还原其他物质而自身被氧化。它失去电子后,自身的化合价(或氧化数)升高。
2、还原剂通常是指容易失去电子的物质,常见的有:
(1)活泼金属,如钠、钾、镁、铝、铁等。
(2)具有低化合价(氧化数)的金属离子,如Fe2+、Sn2+等。
(3)非金属离子,如I-、S2-等。
(4)含有低化合价(氧化数)元素的含氧化合物,如CO、SO2、Na2SO3、Na2S2O3、NaNO2等。
3、根据还原剂失去电子的难易程度,可分为弱还原剂和强还原剂,定量地判断还原剂还原能力的大小,应根据该还原剂及其氧化产物所组成的氧化还原电对的标准电极电位E0值来确定,E0值越负,表明该还原剂的还原能力越强。
【定义】 盐是指一类金属离子或铵根离子与酸根离子或非金属离子结合的化合物。如NaCl、(NH4)2SO4、Cu2(OH)2CO3、KHCO3等。在常温时,盐一般为晶体。它们在水中的溶解性各不相同,钾盐、钠盐、硝酸盐和铵盐很容易溶解;有些盐很难溶解,如AgCl和BaSO4等。铵盐和碳酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐、重铬酸盐、高锰酸盐等含氧酸的盐稳定性较差,受热时可以分解。大多数盐是强电解质,其水溶液或熔液能够导电。但有些盐(如HgCl2)的水溶液几乎不导电,它在水溶液中主要以分子状态存在。根据组成的不同,盐可以分为无氧酸盐、含氧酸盐、正盐、酸式盐、碱式盐、复盐、络盐等。
【说明】
1.根据组成不同,盐可以分成正盐、酸式盐、碱式盐、复盐和 络盐等。既不含可以电离的氢原子,又不含氢氧根,这种盐叫正 盐。由金属离子和含有可以电离的氢原子的酸根所组成的盐,叫 做酸式盐,如NaHC03和NaH2P04。它们分别叫碳酸氢钠和磷 酸二氢钠。除金属离子和酸根以外,还含有一个或几个氢氧根, 这种盐叫碱式盐,如:Cu2(OH)2C03、Mg(OH)Cl、(BiO)Cl 和 (BiO)2C03。它们分别叫做碱式碳酸铜、碱式氯化镁、碱式氯化 铋(或氯化氧铋)和碱式碳酸铋(或碳酸氧化铋)。上述后面的f种 物质是碱式盐失水后的产物,如Bi(OH)2Cl失水后成(BiO)Cl。
2.在常温下,盐一般是晶体。大多数盐能溶于水,如钾盐、钠 盐、铵盐、硝酸盐等。
3.有些盐受热时容易分解,如铵盐、碳酸盐、硝酸盐、重铬酸 盐和高锰酸盐。但是盐都比相应的酸稳定,例如,就稳定性说, Na2C03>NaHC03>H2C03
4.大多数盐是电解质,它们的水溶液或在熔融状态下能够导 电。有些盐(如HgCl2)由于发生离子极化作用,键性从离子键转向共价键,它们的水溶液不导电。
【苛性碱】碱金属氢氧化物的总称。一般指的是苛性钠(NaOH)和苛性钾(KOH)。由于它们对皮肤、羊毛、纸张、木材等具有强烈的腐蚀性而得名。
【碱】电解质电离时所生成的阴离子全部是氢氧根离子(OH-)的化合物。例如NaOH、Ca(OH)2、NH3·H2O等。能跟酸性氧化物或酸反应生成盐和水,碱的水溶液有涩味,可使紫色石蕊试液变蓝。根据碱的电离程度,可以分为强碱(如NaOH、Ca(OH)2)和弱碱(如NH3·H2O)。根据碱电离时产生的氢氧根离子的数目可分为一元碱(如NaOH)、二元碱(如Ca(OH)2)、多元碱(如Fe(OH)3)等。此外,根据酸碱的质子理论和电子理论,还有质子碱和路易斯碱,因而使得“碱”这个概念包括的范围极为广泛,而且又赋予它新的含义。
【说明】
1.根据碱在水溶液中的电离程度,碱分成强碱和弱碱。能全 部电离的是强碱,包括碱金属和钙、锶、钡的氢氧化物;只能部分电离的是弱碱,其他的氢氧化物都是弱碱。
【过氧酸】简称过酸。分子中含有过氧基(-O—O-)的酸。例如过硫酸H2SO5和过二硫酸H2S2O8等。过氧酸可以看成是H2O2中的氢原子被酸根取代的产物。
【酸】电解质电离时所生成的阳离子全部是氢离子(H+)的化合物。它能和碱或碱性氧化物反应生成盐和水,能与某些金属反应生成盐和氢气,水溶液有酸味并能使指示剂变色,如紫色石蕊变红。根据酸分子中可被金属原子置换的氢原子数目,可分为一元酸(如HCl)、二元酸(如H2SO4)、多元酸(如H3PO4)等。根据酸在水溶液中产生氢离子程度的大小(即电离度的大小),可分为强酸(如HCl、H2SO4、HNO3、HClO4等)和弱酸(如H2CO3、H2S等)。根据酸根的组成成分又可分为含氧酸(如H2SO4)和无氧酸(如HCl)。此外,根据酸碱的质子理论和电子理论,还有质子酸和路易斯酸等,因而使得“酸”这个概念包括的范围极为广泛,而且又赋予它新的含义。
【说明】
1. H30+(水合氢离子)是H+和H20结合而成的。在书写电离方程式时,为了简便起见,通常仍以H+代替H30+ 。
2. 根据酸在水溶液中电离度的大小,酸分为强酸和弱酸。根据酸分子中可以电离的氢原子个数,酸分为一元酸(如HNO3)、 二元酸(如H2S04)和三元酸(如H3P04)。根据酸中是否含氧,酸分为含氧酸和无氧酸。
3. 无氧酸称氢某酸。如HF叫氢氟酸,H2S叫氢硫酸。在无氧酸中,HC1、HBr和HI是强酸,其余都是弱酸。简单含氧酸 通常叫某酸,如硫酸(H2S04)、碳酸(H2CO3)。某一成酸元素如果能形成多种含氧酸,就按成酸元素的氧化数高低命名,如高氯酸 (HClO4、氯酸(HC103)、亚氯酸(HC102)、次氯酸(HClO)。两个简单含氧酸缩去一分子水而形成的酸,叫做焦酸(或称一缩某酸、重酸),例如,2H2S04 = H2S207(焦硫酸)+H20;2H2Cr04=H2Cr207(重铬酸)+H2O
酸分子中的氢氧塞数等于成酸元素的氧化数,这种酸叫原某酸,如 原磷酸[P(OH)5 即 H5PO5],原硅酸[Si(OH)4,即 H4Si04]。一个正酸分子失去一分子水而形成的酸,叫做偏某酸,如偏磷酸 (HP03)、偏硅酸(H2Si03)。含有过氧键(一0—O—)的酸叫过酸,如过一硫酸(H2SO5),过二硫酸(H2S2O8)。
4. 把含氧酸的化学式写成MOm(OH)n(M是非金属),就 能根据m值判断常见含氧酸的强弱。
m=0,极弱酸,如硼酸(H3B03)。
m=1,弱酸,如亚硫酸(H2S03)。
m=2,强酸,如硫酸(H2S04)、硝酸(HN03)。
m=3,极强酸,如高氯酸(HC104)。
5. 强酸在水溶液中完全电离;弱酸在水溶液中存在电离平衡 HA H+ + A-。
K=[H+][A-]/[HA]
电离平衡常数K随弱酸的浓度和温度不同,变化不大。
6. 定义2是根据酸碱质子理论对酸下的定义。
A H+ +B
HC1= H++Cl-
H2PO4- H+ +HPO42-
NH4+ H+ +NH3
HC1、H2SO4叫分子酸,H2P04-、NH4+叫离子酸,A和B互为共轭酸碱对。
【定义】
氧元素跟其它元素形成的二元化合物。如氧化钙、二氧化硫、一氧化氮等。氧化物可分为不成盐氧化物(如一氧化碳、一氧化氮等)和成盐氧化物 两类,后者又分为碱性氧化物(如氧化钙)、两性氧化物(如氧化铝)和酸性氧化物(如二氧化碳)。此外还有过氧化物、超氧化物、臭氧化物等。同一种元素往往 有几种不同价态的氧化物,如SO2和SO3;FeO、Fe2O3和Fe3O4等。有时氧化物的含义更广泛,不限于含氧元素的二元化合物,如多元氧化物(如NiFe2O4)和有机氧化物(如氧化乙烯C2H4O2,即环氧乙烷)等。
【分类】
1、不成盐氧化物:又称惰性氧化物或中性氧化物。是既不能跟酸起反应,又不能跟碱起反应的氧化物,如CO和NO等。
2、碱性氧化物:能跟酸起反应,生成盐和水的氧化物。金属氧化物大多数是碱性氧化物,如氧化钙、氧化铜等。碱性氧化物对应的水化物是碱,例如CaO对应的水化物是Ca(OH)2,CuO对应的水化物是Cu(OH)2等,多数碱性氧化物不能直接跟水化合,有些碱性氧化物如CaO能跟水化合生成碱。CaO+H2O=Ca(OH)2,碱性氧化物一般由金属直接氧化或难溶性碱、含氧酸盐受热分解制得。
3、两性氧化物:既能跟酸起反应生成盐和水,又能跟碱起反应生成盐和水的氧化物。例如氧化铝、氧化锌等,某些过渡元素的中间价态的氧化物,如Cr2O3和Mn2O3等也是两性氧化物。两性氧化物对应的水化物是两性氢氧化物。
4、酸性氧化物:能跟碱起反应,生成盐和水的氧化物。非金属氧化物多数是酸性氧化物,某些过渡元素的高价氧化物(如CrO3、Mn2O7等)也是酸性氧化物。酸性氧化物也叫酸酐,例如SO3叫硫酐,CO2叫碳酐。酸性氧化物对应的水化物是含氧酸,如SO3对应的水化物是H2SO4,CO2对应的水化物是H2CO3,SiO2对应的水化物是H2SiO3等。酸性氧化物多数能跟水直接化合生成含氧酸,少数酸性氧化物(如SiO2)不能直接跟水反应。酸性氧化物一般由非金属直接氧化或含氧酸、含氧酸盐受热分解制得。
【说明】
1.除了有些稀有气体以外,实际上已制得所有元素的氧化物。根据不同的标准,氧化物有以下几种分类。
(1)按酸碱性分,一般分酸性氧化物(如三氧化硫)、碱性氧化物(如氧化钠)、两性氧化物(如氧化铝)和不成盐氧化物(如一氧化氮)。
(2)按价键特征分,有离子型氧化物(如氧化钠)和共价型氧化物(如二氧化碳)。
(3)按晶体结构分,有无限三维晶格氧化物(如二氧化钛)、层状晶格氧化物(如三氧化钼)、链状晶格氧化物(如三氧化铬)和分子结构氧化物(如二氧化碳)。
2.同种元素往往有几种不同价态的氧化物,如SO2和SO3,As2O3和As2O5,FeO、Fe2O3和Fe3O4等。在Fe3O4中,Fe有两种不同的价态,一般把Fe3O4看作是FeO·Fe2O3,经x射线研究证明,它是一种铁(Ⅲ)酸盐,化学式是FeⅡFeⅢ[Fe3Ⅲ4]。
3.有人认为氧化物是指氧跟电负性比氧小的元素所形成的二元化合物。从这个观点看,OF2不属于氧化物,而属于氟化物。
4.氧化物中还有过氧化物(如过氧化钠、过氧化氢)和超氧化物(如超氧化钾KO2)。过氧化物和超氧化物都具有强氧化性。
5.有时氧化物的含义比较广泛,如NiFe2O4、YVO4、 Y3Al5O12等叫混合氧化物或多元氧化物。还有一类叫有机氧化物,如C2H4O2叫环氧乙烷或氧化乙烯、C3H6O叫环氧丙烷或氧化丙烯。
6.同周期元素的氧化物,随着原子序数的递增,碱性减弱而酸性增强。同族元素的氧化物,随着原子序数的递增,碱性增强而酸性减弱。同种元素形成不同价态的氧化物时,随着价态的递增,氧化物的酸性增强。
【定义】简称酐。含氧酸脱水后生成的氧化物或羧酸的分子间和分子内脱水缩合而产生的有机物,都叫做酸酐。例如三氧化硫SO3为硫酐,可看作H2SO4分子缩去一个分子水而成;五氧化二磷(P2O5)为磷酐,可看作两个H3PO4分子缩去三个水分子而成;醋(酸)酐(CH3CO)2O,可以看作由两个醋酸CH3COOH分子缩去一个分子水而成。酸性氧化物也叫酸酐,但酸酐不一定是氧化物,例如醋酐。
【说明】
1.SO3、N2O5、P2O5分别是 H2SO4、HNO3、H3PO4的酸酐,叫做硫酸酐(简称硫酐)、硝酸酐、磷酸酐。酸酐中的成酸元素跟对应水化物(即含氧酸)中的成酸元素,如SO3和H2SO4,N2O5和HNO3,它们的化合价相同。
2.通常酸酐跟水化合而生成对应的酸。
SO3+H2O =H2SO4 N2O5+H2O=2HNO3
个别酸酐不能跟水反应,如SiO2不溶于水,但H2SiO3的酸酐仍是SiO2
3.有时候酸酐跟水结合能生成几种酸,则该酸酐同时成为几种酸的酸酐。例如,P2O5跟不同数目的水分子结合,能生成偏磷酸(HPO3)、磷酸(H3PO4)和焦磷酸(H4P2O7)等。
4.大多数含氧酸的酸酐是非金属氧化物,但也有一些是金属氧化物。例如高锰酸(HMnO4)的酸酐是Mn2O7,重铬酸(H2Cr2O7)的酸酐是CrO3。
5.有机酸酐不是氧化物,例如,乙酸酐是由乙酸分子间脱水而得到的。有的有机酸酐是由分子内缩水而得到的。通常用脱水剂(如P2O5、乙酸酐)跟羧酸共热而脱水来制有机酸酐。
【无机物】是无机化合物的简称,通常指不含碳元素的化合物。但少数含碳的化合物,如一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐、氰化物等也属无机物。无机物大致可以分为氧化物、碱、酸和盐四大类。
【定义】又称化学元素。具有相同核电荷数(即相同质子数)的同一类原子的总称。现在已经发现108种元素,其中包括22种非金属元素和86种金属元 素,金属元素与非金属元素的区分是相对的,一些非金属元素也具有类金属(半金属)的性质。元素的最小单位是原子。大多数元素都有同位素,这是由于原子核内 的中子数不同引起的,如氢由质量数为1、2和3的三种同位素组成。在1940年以前,元素周期表中铀以后的元素(超铀元素)是不存在的,都是以后由人工合成的放射性元素。在自然界里元素以游离态和化合态两种形式存在,但大部分是以化合态存在的。
化合态:元素以化合物存在的形态。如水中氢元素和氧元素都是化合态的。
游离态:元素以单质存在的形态。如氧气中的氧元素是游离态存在的。【定义】碱中的氢氧根离子部分被中和的产物,它是由金属阳离子、氢氧根离子和酸根阴离子组成的。例如碱式氯化镁[mg(OH)Cl]、碱式碳酸铜[Cu2(OH)2CO3]。
【说明】
1、Na2CO3溶液加入铜盐溶液得到绿色Cu2(OH)2CO3沉淀。自然界存在的Cu2(OH)2CO3俗称孔雀绿。
2、碱式盐的溶解度一般不大,但溶于强酸,受热的分解,例如:
Cu2(OH)2CO3==2CuO+CO2↑+H2O
【定义】酸中的氢离子部分被碱中和的产物,它是由金属阳离子(或铵根离子)和酸式酸根离子组成,例如KHSO4、NaHCO3、NH4HCO3等。
【说明】
1、大多数酸式盐的溶解度大于正盐,例如Ba(HCO3)2、Ca(H2PO4)2在水中易溶而BaCO3、Ca3(PO4)2难溶。NaHCO3在水中 的溶解度小于CO2,往饱和的Na2CO3溶液中通入足量CO2,便可析出NaHCO3晶体。
2、酸式盐的水溶液不一定显酸性。KHSO4在水中完全电离出 H+、K+、SO42-;NaHCO3溶液中,HCO3-离子既能电离产生H+,又能水解产生OH-,由于水解趋势大于电离趋势,溶液呈弱碱性;NaH2PO4溶液,水解趋势小于电离趋势,溶液呈弱酸性;
3、弱酸酸式盐有两性,既能跟酸反应,又能跟碱反应。例如:
Ca(H2PO4)2+2Ca(OH)2==Ca3(PO4)2↓+4H2O
NaHCO3+HCl==NaCl+H2O+CO2↑
4、含氧酸的酸式盐,其热稳定性一般小于正盐,大于相应的酸,例如:CaCO3> Ca(HCO3)2> H2CO3
5、常温酸式盐可由多元酸与适量的碱式盐反应生成,例如:
NaOH+CO2==NaHCO3
NaCl固+H2SO4浓==NaHSO4+HCl↑
Ca3(PO4)2+4H3PO4==3Ca(H2PO4)2
【定义】
1.原子核里质子数相同而中子数不同的同种元素的原子互称同位素。
2.多核素元素中的不同核素互称同位素。
3.同一元素中质量数不同的一些原子品种。
例如氢有三种同位素,1 H氕、2 H(或写作D)氘又叫重氢、3 H(或写作T)氚又叫超重氢;碳有多种同位素,例如12 C、13 C、14 C等。在19世纪末先发现了放射性同位素,随后又发现了天然存在的稳定同位素,并测定了同位素的丰度。大多数天然元素都存在几种稳定的同位素。同种元素的各种同位素质量不同,但化学性质几乎相同。许多同位素有重要的用途,例如12 C是作为确定原子量标准的原子;2 H、3 H是制造氢弹的材料;235 U是制造原子弹的材料和核反应堆的原料。同位素示踪法广泛应用于科学研究、工农业生产和医疗技术方面,例如用18 O标记化合物确证了酯化反应的历程,131 I用于甲状腺吸碘机能的实验等。
【说明】
1.同位素(isotope)一词来源于希腊文Iso(相同)τοποs(位置),因为同位素的核电荷数相同,即原子序数相同,在元素周期表中占有同一位置。
2. 同位素概念最早由英国放射化学家索迪(Frederick,Sod-dy,1877一1956)在1913年提出。目前已知的天然元素中:大多素有稳定的同位数。
3.在天然存在的某种元素里,不论是游离态还是化合态,各种同位素的原子百分比一般是不变的。元素实际上是各种稳定同位素的“混合物”。
4.到目前已发现的元素中,存在约300种射性同位素多达1500种以上。
5.同位素的化学性质相似。人们利用放射性同位素合成标记化合物,标记化合物的示踪原子在化学、生物学、医学、工业与农业中有广泛的应用。
【正盐】金属阳离子(或铵离子)和酸根阴离子组成的化合物。正盐是酸跟碱完全反应(中和完全)的产物。例如,磷酸与氢氧化钠完全反应:
H3PO4+3NaOHNa3PO4+3H2O
若多元酸未被碱完全中和,则生成酸式盐:
H3PO4+NaOHNaH2PO4+H2O
H3PO4+2NaOHNa2HPO4+2H2O
多元碱未被酸完全中和,则生成碱式盐:
Mg(OH)2+HClMg(OH)Cl+H2O
由此可见,多元酸(或碱)与碱(或酸)反应生成的盐,究竟是正盐、酸式盐,还是碱式盐,取决于反应物的物质的量之间的比值。参看酸式盐、碱式盐。
【两性氢氧化物】既能跟酸反应,又能跟碱反应,分别生成盐和水的氢氧化物,例如Al(OH)3和Zn(OH)2。两性金属氢氧化物都难溶于水。Al(OH)3 溶于盐酸生成铝盐,溶于NaOH溶液生成偏铝酸盐。
Al(OH)3+3HCl=AlCl3+3H2O
Al(OH)3+NaOH=NaAlO2+2H2O
氢氧化物的两性是由它既能进行酸式电离,又能进行碱式电离决定的,例如Al(OH)3在水中:
AlO2- +H+ +H2OAl(OH)3
Al3+ +3OH-
未溶的Al(OH)3与两种电离产生的离子建立动态平衡。当加入盐酸时,平衡向右移动,Al(OH)3继续溶解,发生碱式电离产生OHˉ,与盐酸中和生成AlCl3和H2O;当加入NaOH溶液时,平衡向左移动,Al(OH)3也继续溶解,发生酸式电离产生H+ 与NaOH中和生成NaAlO2和H2O。Al(OH)3是典型的两性氢氧化物,它的酸性和碱性都很弱。
两性氢氧化物表现酸性时,可写成酸的形式,例如H3AlO3、H2ZnO2。一些非金属氢氧化物以酸性为主,一般写酸的形式,例如亚砷酸(H3AsO3)。
【络合物】含有络离子的一类复杂化合物,例如冰晶石Na3[AlF6]、硫酸四氨合铜(II)[Cu(NH3)4]SO4、氢氧化二氨合银[Ag(NH3)2]OH等。上述络合物的化学式中,用方括号括起的部分叫络离子,是络合物的内界,方括号以外的部分是络合物的外界。络离子是由中心离子(或原子)和配位体以配位键结合而成。常见的中心离子是过渡元素离子如Fe2+、Fe3+、Cu2+、Ag+、Hg2+等;常见的配位体有F-、Cl-、Cn-、SCN-离子和NH3·H2O等分子。它们之间容易形成络离子如[Fe(SCN)]2+、[Ag(NH3)2]+、[Cu(H2O)4]2+等。络合物的内界与外界以离子键结合,络合物溶于水时,完全电离产生络离子:[Ag(NH3)2]OH[Ag(NH3)2]++2OH-
络离子比较稳定,在水溶液中部分电离。
[Ag(NH3)2]+Ag++2NH3
络合物普遍存在。例如人体中的血红素是Fe3+的络合物,植物体内的叶绿素是Mg2+的络合物。络合物广泛应用于工农业生产和科学技术,例如金的提取、电镀、照相技术,离子的鉴定和测定等。络合物,现称为配位化合物,简称配合物。
【同素异形体】(亦称同素异性体)同种元素组成的不同单质,例如石墨和金刚石、氧气和臭氧、白磷和红磷等。同素异形体的分子组成或晶体结构不同,它们的物理性质和化学性质有明显的区别,
例如金刚石是由碳原子以共价键连接形成的正四面体空间网状结构的原子晶体;石墨是一种层状结构的过渡型晶体,层内碳 原子以共价键结合形成正六边形网状结构,层与层之间距离较大,相当于分子间力的作用。金刚石是硬度最大的物质,不能导电;而石墨的硬度较小,层之间可以相 对滑动,导电性好,化学性质较金刚石活泼。
又如白磷和红磷,白磷是由正四面体结构的分子(P4)组成,为白色腊状固体,有剧毒,易溶于CS2,着火点低(40℃),在空气中可自燃;红磷是较复杂的层状晶体,红色粉末,无毒,不溶于CS2,着火点240℃。隔绝空气加热温度升至260℃时,白磷转变成红磷,红磷受热在416℃时先升华,蒸气冷却又变为白磷。
O2和O3的分子组成不同,O3是较O2更活泼的氧化剂。
【定义】正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积,叫做偶极矩μ=r×q,它是一个矢量,方向规定为从正电荷中心指向负电荷中心。偶极矩的单位是D(德拜)。
【说明】
1.根据讨论的对象不同,偶极矩可以指键偶极矩,也可以是分子偶极矩。分子偶极矩可由键偶极矩经矢量加法后得到。
2.实验测得的偶极矩可以用来判断分子的空间构型。例如,同属于AB2型分子,C02的μ=0,可以判断它是直线型的;H2S 的μ≠0,可判断它是折线型的。
3.可以用偶极矩表示极性大小。键偶极矩越大,表示键的极性越大;分子的偶极矩越大,表示分子的极性越大。
4.一些常见气态分子的偶极矩μ(D)
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偶极矩 |
【电子云】是一种形象化的比喻,电子在原子核外空间的某区域内出现,好象带负电荷的云笼罩在原子核的周围,人们形象地称它为“电子云”。电子是一种微观粒子,在原子如此小的空间(直径约10-10 米)内作高速运动,核外电子的运动与宏观物体运动不同,没有确定的方向和轨迹,只能用电子云描述它在原子核外空间某处出现机会的大小。下左图为氢原子的1s电子云,用小黑点表示氢原子外一个电子在核外某空间单位体积内出现机会的多少,离核近处,黑点密度大,电子出现机会多,离核远处,电子出现机会少。下右图为氢原子1s电子云的界面图,电子出现机会的90%在界面内。电子云有不同的形状,分别用符s、 p、 d、 f表示,s电子云呈球形,在半径相同的球面上,电子出现的机会相同,p电子云呈纺锤形(或亚铃形),d电子云是花瓣形,f电子云更为复杂。
补充:
电子云是近代对电子在核外空间分布方式的形象描绘,它区别于行星轨道式模型。
电子有波粒二象性,它不像宏观物体的运动那样有确定的轨道,因此画不出它的运动轨迹。我们不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方,只能知道宇在某处出现的机会有多少。为此,就以单位体积内电子出现几率,即几率密度大小,用小黑点的疏密来表示。小黑点密处表示电子出觊的几率密度大,小黑点疏处几率密度小,看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围,因此叫电子云。
在量子化学中,用一个波函数ψ(x,y,z)表征电子的运动状态,并耳用它的模的平方值|ψ|2 表示单位体积内电子在核外空间某处出现的几率,即几率密度,所以电子云实际上就是|ψ|2 在空间的分布。
研究电子云的空间分布主要包括它的径向分布和角度分布两个方面。径向分布探求电子出现的几率大小和离核远近的关系, 被看作在半径为r,厚度为dr的薄球壳内电子出现的几率。角度分布探究电子出现的几率和角度的关系。例如s态电子,角度分布呈球形对称,同一球面上不同角度方向上电子出现的几率密度相同。p态电子呈8字形,不同角度方向上几率密度不等。有了pz的角度分布,再有n =2时2p的径向分布,就可以综合两者得到2pz的电子云图形。由于2p和3p的径向分布不同,2pz和3px的电子云图形也不同。
2p、3p的径向分布和电子云图 |
【定义】又称离子有效半径,是通过实验测定的。一般认为的离子半径是:离子晶体中相邻的两个正负离子的核间距是正负离子的半径之和。若核间距为d,则d=r++r-(r+,r-分别代表正负离子的半径)。已知一个离子的半径和核间距,就可以求出另一离子的半径。原子失去电子形成的阳离子的半径比其原子半径小,如Na原子半径为 1.537×10-10米,而Na+离子半径为0.95×10-10米。原子得到电子形成的阴离子的半径比其原子半径大,如Cl原子半径为0.99×10-10米,而Cl-离子的半径为1.81×10-10米。
【说明】
1.由于电子的波动性,离子不可能有确切的界面,所以很难确定它的真正半径。又因离子具有(或近似具有)球对称电子云,通常把阳、阴离子不等径圆球相切时的核间距作为两个离子的离 子半径的和。因此,离子半径指离子在晶体中的“接触”半径。
2.离子并非钢性圆球。为了使阳、阴离子在晶体中各跟尽可能多的异号离子接触,从而使体系的能量尽可能低,阳、阴离子必须在不同晶体中采用不同的密堆积方式。同一种离子在不同晶型 中表现的“接触”半径也有不同。一般所说的离子半径,是以NaCl型离子晶体为标准的数值。
3.阳离子是由原子失去电子而形成的,它的半径总比相应原子半径小(rNa+=95pm, rNa=l57pm)。阴离子半径因最外层电子数增多,它比相应的原子半径大(如rCl- =181pm, rCl=99pm)。一般来说,阳离子半径较小,阴离子半径较大。
4.周期表中各元素的离子半径变化规律有:
(1)同一周期中阳离子半径随价数增加而减小,而阴离子半径随价数降低略有减小。
(2)同族元素的离子半径从上到下逐渐增大。
(3)周期表中左上方和右下方对角线上元素的相应价态离子 (如 Na+、Ca2+和 Y3+ ;Ti4+ 、Nb5+和 W6+;Li+ 和Mg 2+ 等)的离 子半径比较接近。 ,
(4)同种元素阳离子的价态越高,半径越小(rFe2+ = 76pm, rFe3+ = 64pm)
(5)同价镧系元素的离子半径随原子序数的增加而减小。因此,镧系后的元素跟前一周期的同族元素(如锆和铪、铌和钽、钼和钨)离子半径大致相等。这跟规律(2)所述有所不同
【合成洗涤剂】又称合成表面活性剂,是根据肥皂的分子结构和去污原理,人工合成的一系列与肥皂分子相类似结构的化合物,它们的分子中同时含有亲水基团和憎水基团,能降低水的表面张力,是一种表面活性剂,根据不同的用途,可作洗涤剂、乳化剂、分散剂、润滑剂和起泡剂(十二烷基磺酸钠就是牙膏中的起泡剂)。我国目前大量生产的合成洗涤剂是烷基苯磺酸钠或烷基磺酸钠,它们的结构如下:
其中的亲水基团是强极性的磺酸基-SO3Na,憎水基团是非极性的烃基,式中的R—一般是含十个碳以上的直链烷烃基。当R含碳原子太小时憎水亲油作用弱,去油污能力不强。当R含碳原子太多时,在水中的溶解度会下降。常用洗衣粉中的主要成分为十二烷基苯磺酸钠。合成洗涤剂比肥皂有更强的去污能力,而且浸润、乳化能力都很强,其钙盐、镁盐都可溶,不受硬水影响,在盐水和酸溶液中也不分解。因此,合成洗涤剂的生产发展迅速,除作家庭洗涤剂外,还广泛用于纺织、印染、制革、选矿、金属加工及化妆品等工业部门。它们以石油产品为原料,通过以下反应制备。
【定义】元素周期表是元素周期律用表格表达的具体形式,它反映元素原子的内部结构和它们之间相互联系的规律。元素周期表简称周期表。
【说明】
1.元素周期表有很多种表达形式,目前最常用的是维尔纳长式周期表(见图)。元素周期表有7个周期,有16个族和4 个区。
2.元素在周期表中的位置能反映该元素的原子结构。周期表中同一横列元素构成一个周期。同周期元素原子的电子层数等于该周期的序数。同一纵行(第Ⅷ族包括3个纵行)的元素称“族”。族是原子内部外电子层构型的反映。例如外电子构型,IA 族是ns1,IIIA族是ns2np1,O族是ns2np6,IIIB族是(n一l)d1ns2等。
3.元素周期表能形象地体现元素周期律。根据元素周期表以推测各种元素的原子结构以及元素及其化合物性质的递变规律。当年,门捷列夫根据元素周期表中未知元素的周围元素和化合物的性质,经过综合推测,成功地预言未知元素及其化合物的性质。现在科学家利用元素周期表,指导寻找制取半导体、催化剂、农药、新型材料的元素及化合物。
【电负性】 分子中原子对成键电子吸引能力的相对大小的量度。目前有三套电负性数据:鲍林(Linus Pauling)电负性,用xp表示;密立根(Mulliken)电负性,用xM表示;阿莱-罗周(Allred-Rochow)电负性,用xA表示。三套电负性数据,是在不同的基础上计算出来的,因此它们的数值不完全相同,但都能反映元素的原子在化合物中吸引电子的能力。
【说明】
1. 元素电负性的值是个相对的量,它没有单位。电负性大的元素吸引电子能力强,反之就弱。同周期主族元素电负性从左到右逐渐增大,同主族元素的电负性从上到下逐渐减小。
2. 元素电负性的概念最先是由鲍林(Linus Pauling, 1901— 1994)于1932年在研究化学键性质时提出来的。他指定电负性最大的氟的值为4. 0,然后根据键能推算其他元素的相对电负性的数值。后来又有人作了更精确的计算,对鲍林的电负性值作了修改。1934 年,马利肯(Robert. Sanderson Mulliken, 1896—)采用 电离能(I)和电子亲和势(EA)结合的方法求出电负。1957年, 阿莱-罗周(Allred-Rochow)又根据原子的有效核电荷(Z*)对成 键电子的静电引力算出一套电负性数据XAR。他们所用公式是 XAR=0. 359z*/r2 + 0. 744,式中r是原子的共价半径(10-10米)。
3. 现行中学课本上的元素电负性(XF=4.0, XCl = 3.0, XCs =0.7…)是鲍林最早的标度值。由于键能值已几经修改,现今书刊上的数据已不是原先的数据,已作适当的修正。
4. 元素的原子在不同分子中的价态、所带电荷量以及相应轨 道杂化方式等因素都会影响原子吸引电子的能力,因此每一元素的电负性实际表现不是一成不变的。
5. 根据元素电负性大小可判别化合物分子中键的性质。 两种元素的电负性差值(XA—XB)越大,形成键的极性越强。鲍林曾对A—B键的离子性大小提出如下经验方程式。
当键的离子性为50%时,相当于两元素电负性差值XA-XB =1.665。因此,习惯上就以电负性差值ΔX大于或小于1.7,作为判断该A—B键的离子性或共价性的依据。当ΔX>1.7时,多数属于离子键;当ΔX<1.7时,多数属于共价键。离子键和共价键没有严格的界限。
【定义】指基态的气态原子、离子或分子得到一个电子所释放的能量。元素的电子亲合能指元素的气态原子得到一个电子变为气态-1价阴离子所释放的能量。从电子亲合能数据可以判断元素的原子得电子的难易。非金属元素一般具有比较大的电子亲合能。因此,非金属元素的原子比金属元素的原子容易得电子。
【说明】
1. 电子亲和势的常用符号恰好同热力学惯用符号相反。热力学上把放出能量取为负值,例如,氟原子F(g) +e-→F-(g), ΔH= - 322kJ/mol。而氟的电子亲和势(EA)被定义为 322kJ/mol。为此,有人建议元素的电子亲和势是指从它的气态阴离子分离出一个电子所吸收的能量。于是,氟离子F-(g) -e-→F(g), ΔH= 322 kJ/mol。两者所用符号就趋于统一。可以认为,原子的电子亲和势在数值上跟它的阴离子的电离能相同。
2. 根据电子亲和势数据可以判断原子得失电子的难易。非金属元素一般具有较大的电子亲合势,它比金属元素容易得到电子。
3. 电子亲和势由实验测定,但目前还不能精确地测得大多数 元素的电子亲和势。
4. 元素的电子亲和势变化的一般规律是:在同一周期中,随着原子序数的增大,元素的电子亲和势一般趋于增大,即原子结合电子的倾向增强,或它的阴离子失去电子的能力减弱。在同一族中,元素的电子亲合势没有明显的变化规律。当元素原子的电子排布呈现稳定的s2、p3、p6构型时,EA值趋于减小,甚至ⅡA族和零族元素的EA都是负值,这表明它们结合电子十分困难。
5. 在常见氧化物和硫化物中含有一2价阴离子。从0-(g) 或S-(g)结合第二个电子而变成02-(g)或S2-(g)时,要受到明显的斥力,所以这类变化是吸热的。即0-(g) +e- → 02-(g),ΔH= 780kJ/mol;S-(g) +e- → S2-(g),ΔH= 590kJ/mol;这些能量能从形成氧化物或硫化物晶体时放出的晶格能得到补偿。
【高级脂肪酸】 通常以酯的形式广泛存在于油脂和蜡中。天然来源的高级脂肪酸大多数是含双数碳原子的直链羧酸,其中有饱和的,也有不饱和的,其熔点通常是饱和高级脂肪羧酸高于同碳原子数的不饱和羧酸。下页表为几种重要的高级脂肪酸:
【分子间作用力】又称范德华(Van der Waals)力。是物质分子间存在着的作用力, 无方向性, 无饱和性。是短程作用力, 其范围约3~5×10-10 米。分子间作用力比化学键的键能要弱得多, 比化学键的键能小一、二个数量级。分子间作用力有取向力、诱导力和色散力三种, 一般以色散力为主。分子间作用力是决定分子型物质的熔点、沸点、气化热、熔化热以及溶解度、表面张力、粘度等物理化学性质的主要因素。
【色散力】分子间作用力的主要成分。色散力普遍存在于各种分子之间。由于分子中电子不断运动和原子核的不断振动,经常发生电子云和原子核之间的瞬时相对位移, 因而产生了瞬时偶极。瞬时偶极虽然存在的时间极短, 但总是不断地出现。这种由瞬时偶极产生的分子间作用力叫色散力。色散力的大小和分子的变形性、电离势以及分子间的距离有关。
【取向力】分子间作用力的一种。存在于极性分子和极性分子之间。当两个极性分子相互接近时,一个分子带负电的一端要和另一个分子带正电的一端接近, 使极性分子有按一定方向排列的趋势。这种由极性分子的取向而产生的分子间作用力叫取向力。取向力的本质是静电引力,取向力的大小和分子的偶极矩(见偶极矩)的大小、温度及分子间的距离有关。
【诱导力】分子间作用力的一种。存在于极性分子与非极性分子之间以及极性分子和极性分子之间;离子和分子以及离子和离子之间。当极性分子和非极性分子接近时, 极性分子的偶极使非极性分子极化而产生诱导偶极, 这种由于诱导偶极而产生的作用力叫诱导力。极性分子之间, 离子和分子以及离子和离子之间也会产生诱导力。诱导力的大小和分子的偶极矩、变形性及分子间距离有关。
说明
1.分子间作用力首先是由荷兰物理学家范德华提出的,因此又叫范德华力。由于这种力的存在,常温下是气态的物质,在降温和加压时能够凝聚成液态,再能凝结成固态的分子晶体。在发生物态变化时分子的组成不变,只是分子间距离缩短(或伸长),分子的运动逐步由无序向有序(或者相反)过渡。
2.分子间作用力约比化学键的作用力小1一2个数量级。分子间作用力约为每摩尔几个到几十个千焦,作用力范围约为300 一500 pm。
3.分子间作用力来源于分子间的取向力、诱导力和色散力。取向力只存在于极性分子间,是极性分子间靠具有电性的永久偶极间的相互作用。诱导力存在于极性分子间和极性分子与非极性分子间。非极性分子受极性分子偶极电场的影响,能使正、负电荷中心发生位移,产生诱导偶极。诱导偶极和极性分子永久偶极间的作用力就是诱导力,又叫变形极化作用力。色散力又叫瞬时极化作用力,普遍存在于各种分子之间,因为非极性分子也会由于电子运动和原子核振动而发生瞬时相对位移而形成瞬时偶极,于是瞬时偶极间发生相互作用。
分子中三种作用力哪种占优势,取决于相互作用分子的极性和变形性。例如,在卤化氢(HF除外)分子中,HCl分子的极性最大,它的诱导力和取向力也最大;HI的变形性最大,它的色散力最大。极性小的分子间主要存在色散力,取向力和诱导力占的比重极小;极性大的分子之间,取向力和诱导力所占比重明显增大。
4.分子间作用力是决定物质物理性质(如熔点、熔化热、沸点、气化热、溶解度、表面张力和粘度等)的主要因素。因此,可以根据相似物质的分子间作用力大小来推断这些物质物理性质的递变规律。
【定义】氢键是特殊的分子间或分子内的作用。它是由极性很强的A一H键上的氢原子跟另F个键(可存在于同一种分子或另一种分子中)上电负性很强、原子半径较小的B原子(如F、O、N 等)的孤对电子之间相互吸引而成的一种键(A一H…B)。
【说明】
1.当电负性很大的F、O、N原子和H形成极性很强的F一H、0一H、N一H键时,它们中共用电子对基本上偏向于这些电负性大的原子一边,使H原子几乎成为“裸露”的氢核。氢核的半径很小,带δ+的氢核对另外的F、O、N原子有强烈的静电作用,这就形成氢键。
2.氢键可以用A一H…B表示。A和B可以是同种原子,也可以是不同种原子,但都是电负性较大、半径极小的非金属原子。表示式中的实线表示共价键,虚线表示氢键。H和B两原子中心的距离就是氢键的键长。氢键的键能一般小于40kJ/mol,共价键的键能小得多,比较接近分子间作用能。因此氢键不属于化学键,而属于一般分子间力范畴。
3-在A一H…B中,为了使A和B原子中电子云之间斥力最小,所成氢键较强,体系较稳定,A和B应尽量距离远一些,故A一H…B必须在同一直线上。这表明氢键有方向性。另外,H 的原子半径比A和B小得多。当形成A一H…B后,如再有另外的A或B靠近它们时,这个原子的电子云会受原先氢键中A、B 中电子云的排斥,因此一个H原子不能再形成第二个氢键。这表明氢键具有饱和性。
4.氢键的强弱跟A、B元素的电负性和原子半径大小有关。半径越小、电负性越大,形成的氢键越强。碳原子的电负性较小,一般不易形成氢键。氯原子的电负性虽大,但原子半径较大,因而形成的氢键也很弱。
5.用氢键的形成可以解释水、氢氟酸、氨等沸点的反常现象,解释醇、甲酸、乙酸沸点较高以及氨、低级醇易溶于水的原因。因此,氢键的形成会使化合物的性质(如熔点、沸点、溶解度)发生很大变化。由于一般的糖、蛋白质、脂肪中都含有氢键,因此氢键在生物化学中有特别重要的意义。
6. 当在苯酚的邻位军有一CHO、一COOH、一N02等基团时,酚羟基中的氢原子可能跟这些基团中的氧原子形成分子内氢键,生成螯合环。如硝酸分子内的氢键:
氨分子中的氮原子上有一对孤对电子,氢离子的1s是空轨道。NH3与H+ 反应时,N原子上的孤对电子进入H+ 的1s轨道,成为N与H两原子的共用电子对,形成了配位键。其中的4个共价键是完全等同的,它们的键长、键能和键角均相等,构成正四面体的空间结构。又如水合氢离子也是以配位键形成的。
水分子中的氧原子上有二对孤对电子,其中一对进入H+ 的1s空转道,形成了配位键。形成配位键必须具备两个条件:①一个原子要有能接受孤对电子的空轨道;②另一个原子要具有能提供的孤对电子。
3.在配合物形成过程中,主要是配位键在发生作用。习惯上,把配体向中心离子提供孤对电子的叫做正常配位键,由中心离子或原子向配位体提供电子的叫反配位键。例如,在羰基配合物中有反配位Π键。
【定义】由分子中正、负电荷重心是否重合,会引起分子有、无极性的现象。
【说明】
1. 当整个分子中正、负电荷重心不相重合时,就形成两个“极”。这正、负两极叫做偶极。这样的分子是有极性的。如果正、负电荷重心相重合,这样的分子没有极性。
2.分子极性的强弱可用分子偶极矩μ来度量。分子的偶极矩越大,分子的极性越大。
3.由同种原子组成的双原子分子没有极性,μ=0。
由典型的金属和典型的非金属组成的气态离子型分子,正、负电荷的重心的分离程度就足够大,这是极性分子的一种极端情况。
由不同原子组成的共价型双原子分子都有极性,μ≠0。分子极性的大小随两元素电负性差的减小而减小。例如,从HF到HI,μ不断减小。
在多原子分子中,如果各个键的偶极矩矢量和为0,分子没有极性,例如CO2是直线形分子(O=C=O),分子中两个C=O极性键对称地分布在碳原子的两边,两个键的极性互相抵消,CO2是非极性分子。三氟化硼分子为平面正三角形,甲烷分子是正四面体结构,这些分子由于结构对称,键的极性互相抵消,正、负电荷重心重合,均为非极性分子。
又如水分子是V形分子,两个H—O极性键偏向分子的一端,整个分子正、负电荷重心不重合,是极性分子。氨分子呈三角锥形,也是极性分子。
4. 由于分子有无极性和极性大小都会影响分子间的作用力,因而分子的极性也是决定物质熔点、沸点、溶解性以及分子的电、磁性质的重要因素。
分子的极性会影响物质的性质如溶解性,极性分子易溶于极性溶剂,非极性分子易溶于非极性有机溶剂。例如,NH3、HCl极易溶于水,难溶于有机溶剂。而Br2、I2难溶于水,易溶于CCl4,苯、汽油等。根据物质在不同溶剂中具有不同的溶解性,可用液-液萃取分离的方法分离提纯物质。
【定义】系在一定温度下,可逆反应达到化学平衡状态时,生成物浓度的反应系数次幂的乘积与反应物浓度的反应系数次幂的乘积之比值,这个比值在一定温度下是个定值。
用浓度表示的平衡常数为:
式中[A]、[B]、[C]、[D]代表平衡体系中各组分的浓度。
也可用各组分的摩尔分数计算平衡常数,以Kx表示(X代表组分的摩尔分数):
对于有气体参加和生成的反应,也可用各组分的分压计算平衡常数,以Kp表示:
以上三种平衡常数可以进行如下换算:
式中R为气体常数、T为绝对温度、p为体系总压、△n=(g+h)-(a+b)。
【说明】
1. 表达式中各物质的浓度必须是平衡状态下的值,不能用任一时刻的浓度值。所以平衡常数Kc不随反应物或生成物浓度而变,但随温度的改变而政变。
2. 有气体参加的反应,可用气体分压的指数幂表示,写成Kp
3. 有固体物质参加的反应,固体浓度可以不写,因为分子间碰撞只能发生在固体表面,固体浓度可视为常数。稀溶液中的水分子浓度也可以不写。因为水的摩尔浓度是1000/18 = 55.5mol/L (稀溶液的密度近似等于1g/cm3),也是一个常数。
4. 化学平衡常数表达式跟反应方程式的书写形式有关。
5. 平衡常数K值的大小,表明反应进行的程度。K值越大,表示平衡时生成物浓度对反应物浓度的比越大,即反应进行得越完全,反应物的转化率越高。
6. 使用催化剂能改变化学反应速率,但不会使平衡移动,因此不会改变平衡常数。
【元素符号】国际上统一采用的表示元素的化学符号,一般用元素拉丁文名称的第一个字母(大写)来表示,如:氢H、氧O。有些元素的拉丁文名称第一个字母相同,则在第一个字母后加上另一个字母(小写字)以示区别,例如:钙Ca、铜Cu、氯Cl。自人工合成104、105号元素后,由于元素的命名未取得国际上的公认,为统一起见,有关国际会议建议104号以后的新元素按原子序数的拉丁文数字命名,104、105、106、107号元素分别以Unq、Unp、Unh、Uns表示。元素符号除表示元素外,还有量的含义,即表示该元素的一个原子、表示该元素的原子量,例如O,表示氧元素,也表示氧元素的一个原子,又表示它的原子量为15.9994。
【说明】
1. 通常用元素的拉丁文名称的第一个字母(大写)来表示。 例如,碳(Carbonium)元素用C表示。如果几种元素名称的第一个字母相同,就在第一个字母(必须大写)后面加上元素名称中另 一个字母(必须小写)以示区别。例如,钙(Calcium)元素用Ca表示,铜(Cuprum)元素用Cu表示。
2. 1978年届际纯粹化学与应用化学联合会(IUPAC)所属 无机化学命名委员会通过“原子序数大于100的元素命名建议”。 它的命名法如下:
(1)用下列表示数目的词根,由元素的原子序数确定元素的名称。
0:nil 1 : un 2:bi
3:tri 4: quad 5:pent
6:hex 7:sept 8:oct
9:enn
(2)将表示数目的词根按原子序数相联,再加词尾ium,就得该元素的名称。例如,原子序数为104的元素名称是Unnil- quadium,即un.+ nil+quad
(3)元素符号由组成元素名称的代表数字中的三个词根的第一个字母表示,如104号元素的符号是Unq。
(4)下面列出一些元素的名称和符号。
原子序数 元素名称 元素符号
101 Unnilunium Unu (即 Md)
102 Unnilbium Unb(即 No)
103 Unniltrium Unt (即 Lr)
104 Unnilquadium Unq
105 Unnilpentium Unp
106 Unnilhexium Unh
107 Unnilseptium Uns
,108 Unniloctium Uno
.109 Unnilennium Une
110 Ununnilium Uun
注:当bi或tri出现在ium以前时,省去前二者中的那个i。当enn出现在nil以前时,省去enn中最后那个n。
3.元素符号表示一种元素,还可以表示这种元素的一个原 子。在热化学方程式中,元素符号还表示这种元素的1摩原子。 大多数固态单质也常用元素符号表示。
第一周期元素:1 氢(qīng) 2 氦(hài)
第二周期元素:3 锂(lǐ) 4 铍(pí) 5 硼(péng) 6 碳(tàn) 7 氮(dàn) 8 氧(yǎng) 9 氟(fú) 10 氖(nǎi)
第三周期元素:11 钠(nà) 12 镁(měi) 13 铝(lǚ) 14 硅(guī) 15 磷(lín) 16 硫(liú) 17 氯(lǜ) 18 氩(yà)
第四周期元素:19 钾(jiǎ) 20 钙(gài) 21 钪(kàng) 22 钛(tài) 23 钒(fán) 24 铬(gè) 25 锰(měng) 26 铁(tiě) 27 钴(gǔ) 28 镍(niè) 29 铜(tóng) 30 锌(xīn) 31 镓(jiā) 32 锗(zhě) 33 砷(shēn) 34 硒(xī) 35 溴(xiù) 36 氪(kè)
第五周期元素:37 铷(rú) 38 锶(sī) 39 钇(yǐ) 40 锆(gào) 41 铌(ní) 42 钼(mù) 43 锝(dé) 44 钌(liǎo) 45 铑(lǎo) 46 钯(bǎ) 47 银(yín) 48 镉(gé) 49 铟(yīn) 50 锡(xī) 51 锑(tī) 52 碲(dì) 53 碘(diǎn) 54 氙(xiān)
第六周期元素:55 铯(sè) 56 钡(bèi) 57 镧(lán) 58 铈(shì) 59 镨(pǔ) 60 钕(nǚ) 61 钷(pǒ) 62 钐(shān) 63 铕(yǒu) 64 钆(gá) 65 铽(tè) 66 镝(dī) 67 钬(huǒ) 68 铒(ěr) 69 铥(diū) 70 镱(yì) 71 镥(lǔ) 72 铪(hā) 73 钽(tǎn) 74 钨(wū) 75 铼(lái) 76 锇(é) 77 铱(yī) 78 铂(bó) 79 金(jīn) 80 汞(gǒng) 81 铊(tā) 82 铅(qiān) 83 铋(bì) 84 钋(pō) 85 砹(ài) 86 氡(dōng)
第七周期元素:87 钫(fāng) 88 镭(léi) 89 锕(ā) 90 钍(tǔ) 91 镤(pú) 92 铀(yóu) 93 镎(ná) 94 钚(bù) 95 镅(méi) 96 锔(jú) 97 锫(péi) 98 锎(kāi) 99 锿(āi) 100 镄(fèi) 101 钔(mén) 102 锘(nuò) 103 铹(láo) 104 鑪(lú) 105
【定义】
1.用价键表示分子各个直接相连原子的结合次序和电子的 共用情况,这种式子叫做结构式。
2.化学式的一种,用元素符号通过价键相互连接表示物质分子中原子的排列顺序和结合方式的式子。
【说明】
1.结构式是一种化学式。它用短线“一”代表一对共用电子, 该短线叫做价键。结构式是表示物质分子的化学结构的式子,并不表示分子的空间结构,例如甲烷分子的空间结构是正四面体。
2.结构式比电子式能更方便地表示原子间的连接顺序,因此 用结构式表示有机物分子就显得十分重要。
3.结构式在一定程度上反映分子的结构和性质。例如,下式既表示丙烯分子中电子的共用情况和C、H原子间的连接顺序, 又表示该分子内含有一个碳碳双键(>C=C<),因而具有烯烃的性质。 -
4.在有机化舍物中同分异构现象比较普遍D用分子式不能区别分子组成相同而结构相异的物质。例如,分子式是C2H4O2的化合物有以下两种:
【原子结构示意图】又叫原子结构简图。用以表示原子的核电荷数和核外电子在各电子层上的排布的图式。例如,钠的原子结构示意图是
圆圈及其中数字表示钠原子核及核内有11个质子,弧线表示电子层(钠有3个电子层),弧线上的数字表示该电子层的电子数(钠原子K层有2个电子,L层有8个电子,M层有1个电子)。原子结构示意图比较直观,易为初学者接受。但不能把弧线看作原子核外电子运行的固定轨道。
【当量】物质相互反应时,彼此所需相当的量。元素的当量是元素在化学反应中跟1.008份质量的氢或8.000份质量的氧相当的量。酸、碱、盐、氧化剂和还原剂的当量分别为:
一种物质在不同的反应中,往往有不同的当量。例如,H2SO4跟NaOH反应,生成Na2SO4时,H2SO4的当量为49,如果生成NaHSO4时,H2SO4的当量为98。
【环己烷】分子式C6H12,分子量84.16,无色流动性液体,有汽油气味。存在于某些石油中。熔点6.47℃,沸点80.7℃,易挥发,易燃烧,其蒸气与空气形成爆炸性混和物,爆炸极限1.3~8.4%,不溶于水,溶于乙醇、乙醚、丙酮、苯、四氯化碳等有机溶剂。环己烷有“椅式”和“船式”两种构象存在,在涂料工业中广泛地用作溶剂,也是树脂、脂肪、石蜡油类的良好溶剂。更重要的是环己烷经氧化可生成环己醇、环己酮和己二酸等生产尼龙-6或尼龙-66的原料。环己烷可由石油馏分中回收或苯经催化氢化而制得。
【苯磺酸】分子式C6H6O3S,分子量158.17。无色针状或片状晶体。含有1.5分子结晶水的苯磺酸易潮解,其熔点43~44℃。无水物的熔点50~51℃。是强酸,酸性近于硫酸,在分离和保存时常变为钠盐。加热会分解,易溶于水、乙醇,微溶于苯,不溶于乙醚和二硫化碳。与氢氧化钠混和加热熔融制取苯酚,也用来制取间苯二酚;用作酯化反应和脱水反应中的催化剂。可由苯与发烟硫酸发生磺化反应制备。
【粘胶纤维】亦称粘纤。人造纤维的主要品种,用木材、棉子绒等为原料,经稀氢氧化钠溶液浸渍处理,再与二硫化碳作用成纤维素黄原酸钠,再溶解于稀氢氧化钠溶液得到粘胶溶液,然后通过喷丝头的细孔进入由硫酸、硫酸钠、硫酸锌等组成的凝固浴中成为纤维。经洗涤、脱硫、漂白、干燥等工序制成成品。成品是乳白色或蓝白色,光泽好,密度1.52~1.53克/厘米3。有长纤维和短纤维两种。长纤维也称人造丝,可供纺织、针织等用;短纤维称为人造棉或人造毛。可供纯纺或混纺,还可制成强力粘胶纤维,用于制轮胎帘子线。
【丁苯橡胶】由1,3-丁二烯和苯乙烯通过乳液共聚合得到的一种无规聚合物。是产量最大、用途最广的一种合成橡胶。有很多品种,按聚合温度不同,有高温丁苯橡胶和低温丁苯橡胶。目前以低温为主,工艺性能较好,发展很快。按加入苯乙烯含量的多少,又可分为各种牌号的丁苯橡胶,目前生产的大都是含苯乙烯30%以下的一类低温丁苯橡胶。微红色或淡褐色,有苯乙烯的特殊气味,密度0.90~0.93克/厘米3。不完全溶于汽油、苯和氯仿。玻璃化温度(-60~75℃)随苯乙烯含量比例的增大而增大。粘性差。可用硫黄硫化,硫化速度较天然橡胶慢、耐磨性能和耐老化性能较好,其耐酸碱、介电性能和气密性等与天然橡胶相似。主要用于制造轮胎和其它橡胶制品。苯乙烯含量约10%的丁苯橡胶,玻璃化温度-75℃,用于制造耐寒橡胶制品。
【丁基橡胶】又称异丁橡胶。是异丁烯和异戊二烯经共聚而形成的线性聚合物,再经硫化交联成网状结构。其中,异戊二烯含量一般是1.5~4.5%,白色或淡灰色,无臭无味。密度0.91克/厘米3,玻璃化温度-67~-69℃。不溶于乙醇和丙酮,耐动植物油性、耐氧和臭氧性、耐酸碱性,耐寒性。气密性和电绝缘性均好。抗张强度和伸长率也较高。耐撕裂性和粘性较差。在常温下其弹性约为天然橡胶的1/4,但随温度的升高而显著增加。硫化速度较慢,需加入促进剂。由于其气密性很高;主要用于制造汽车内胎和无内胎轮胎及其它气密性密封材料。它的防水性能强,可用作水工建筑防水衬里和防水涂料。还可用作化工设备的衬里和其它防酸防腐蚀材料。可由异丁烯与异戊二烯在催化剂(三氯化铝)和低温(-98℃)下聚合制得。
【氯丁橡胶】由2-氯-1,3-丁二烯经加聚反应生成的一种合成橡胶。是氯丁二烯的α-聚合体。淡黄色,密度1.23~1.25克/厘米3。碎化点-35℃、软化点约80℃,230~260℃分解。溶于苯、氯仿等。有很高的抗张强度和气密性,耐无机酸碱的腐蚀性。特别是它既耐油又耐热,可用来制油箱、印刷胶滚、耐油胶管,也可用作涂料和胶粘剂。缺点是耐寒性和贮存稳定性差。
【丁腈橡胶】一种合成橡胶。是丁二烯与丙烯腈的共聚物。淡黄色。密度0.91~0.986克/厘米3。其特点是耐油(如矿物油和植物油)性好。耐芳香烃、酮和醚等溶剂性稍差。还具有耐磨、耐热、耐老化等性能。耐寒性比天然橡胶差。丙烯腈含量18~45%不等。随着丙烯腈含量的增加,比重的增大,耐油性和耐溶剂性增强,但耐寒性下降。无需塑炼,可用硫黄硫化。用于制造耐油胶管、飞机油箱、密封垫圈和粘合剂等。可由丁二烯和丙烯腈经乳液聚合制得。
【硅橡胶】含有硅原子的特种合成橡胶的总体。分子中主要是甲基、部分是乙基、乙烯基、苯基或其它特种有机基因,用以改进生胶的性能。由有机硅单体部分水解后缩聚而成。种类很多,具有不同的技术性能和用途。一般在-60℃~250℃,仍能保持良好的弹性,对热氧化和臭氧的稳定性很高,有优良的电绝缘性。用于制造火箭、导弹、飞机的零件和绝缘材料,也用于制造在高温和低温下使用的垫圈和密封零件等。
【有机玻璃】由甲基丙烯酸甲酯经加聚反应而生成的高分子化合物。由本体聚合而成的无色透明的固体,俗称有机玻璃。密度1.18克/厘米3,质轻不易碎,透光好,对酸碱较稳定。易溶于丙酮、乙酸乙酯、氯仿等。主要用于航空玻璃、光学玻璃和照明工具、着色后也可制装饰品和生活用品、由悬浮法聚合而成的树脂,可作牙科材料;由乳液法聚合而成的乳胶,用于制皮革制品、涂料及处理纺织品;由溶液聚合而成的树脂溶液用于涂料工业。
【核糖】分子式C5H10O5,分子量150.13。是单糖中最重要的醛戊糖之一。是核糖核酸的组成部分,存在于细胞中。熔点87℃。溶于水,微溶于乙醇,有吸湿性、在无水乙醇中结晶时是片状结晶。是合成维生素B2的原料。可由葡萄糖,经过阿拉伯糖,阿拉伯糖酸,核糖酸内酯来进行合成。
另一种重要的核糖是脱氧核糖,分子式C5H10O4,是分子中氢原子数和氧原子数不符合2∶1的一种戊醛糖,它是脱氧核糖核酸(DNA)的重要组成部分。
【苄基氯】分子式C7H7Cl,分子量126.58,结构简式为:
无色液体,有刺激性气味,有折光性。熔点-43℃,沸点179.4℃,密度(25/4℃)1.100克/厘米3。不溶于水,溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂。其蒸气具有催泪作用,能刺激皮肤和呼吸道,与水蒸气一起挥发。在有铁质存在下加热易分解。是制造染料、香料、药物、合成树脂的原料。在光照射下,将氯气通入沸甲苯中,再经减压分馏而制得。
【橡胶】橡胶有天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶是从橡胶树流出的乳液制成的。巴西橡胶树是世界上种植面积最广和产量最高的品种。巴西橡胶树从19世纪后期才逐渐移植到东南亚地区,后来我国在海南岛、云南等地也大量种植,除此之外。有希望种植的还有银胶菊和橡胶草。割开橡胶树皮流出的白色乳液含橡胶20~40%,经酸化凝固、压片、熏烟制得干胶片,这就是生橡胶。生橡胶虽有弹性,其使用性能受温度和其它因素影响较大。生橡胶经硫化(1839年发明)后,其使用性能得到大大改善,这就是硫化橡胶,为橡胶工业的发展奠定了基础。橡胶树的栽培虽得到很大发展,但产量仍不能满足军事及工农业的需要。1900年~1910年化学家C.D.哈里斯(Harris)测定了天然橡胶的结构是异戊二烯的高聚物,其结构简式为:
这就为人工合成橡胶开辟了途径。1910年俄国化学家S·V列别捷夫(Lebedev,1874—1934)以金属钠为引发剂使1,3—丁二烯聚合成丁钠橡胶,以后又陆续出现了许多新的合成橡胶品种,如顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶等等。合成橡胶的产量已大大超过天然橡胶,其中产量最大的是丁苯橡胶。
常见橡胶的性能和用途
(1)丁苯橡胶 丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯共聚而得到的弹性体。1937年先在德国投入工业生产。丁苯橡胶的外观呈逢黄褐色,微带苯乙烯气味。它的线型大分子整体结构呈无定形,不像天然橡胶那样有结晶化倾向。它的大分子链段中含有双键,可头用硫磺硫化。丁苯橡胶是能代替天然橡胶使用的通用橡胶。跟天然橡胶相比,『丁苯橡胶的抗撕裂强度较低、耐曲折性能也较荐、耐寒性和回弹性都欠佳,但耐热、耐油、耐老化、耐磨性能坩天然橡胶好。因此,在实际应用中,常使它与天然橡胶或顺丁橡胶共混,使制品达到理想的性能。它主要用作制造各种轮胎、胶管、胶鞋及其他多种橡胶制品。
(2)顺丁橡胶 顺丁橡胶以丁二烯为单体,在有机溶剂中用催化剂聚合而成。它在1960年实现工业化生产。它有高顺式顺丁橡胶和低顺式顺丁橡胶两种,高顺式占90%以上。高顺式聚丁二烯橡胶的大分子立体结构跟天然橡胶相似。这种橡胶的弹性、耐磨性优于天然橡胶。它还有良好的耐寒、耐老化、耐屈挠性能。缺点是抗湿滑、撕裂强度和加工性能欠佳。在实际应用中,它通常跟天然橡胶或丁苯橡胶共混,常用来制造轮胎、胶带、胶辊、胶鞋。
(3)异戊橡胶 异戊橡胶是聚异戊二烯橡胶的简称,于1960 年投入工业生产。它的结构和性能跟天然橡胶相同或相似,因此有“合成天然橡胶”的美称。它的弹性、耐热、耐磨、撕裂强度等都优于天然橡胶,而且吸水性小、含非橡胶成分少。缺点是加工性较差。它能代替天然橡胶应用于各方面,特别适合单独制造各种轮胎、胶管、胶带等产品。
(4)氯丁橡胶 氯丁橡胶是由氯丁二烯聚合而成的,在1931 年投入工业生产。它的大分子结构跟天然橡胶相似,只是因为有氯原子而使分子有极性,在通用橡胶中,它的极性仅低于丁腈橡胶。它以耐燃和自熄而著称。它的耐老化、耐油、耐化学腐蚀性能优于天然橡胶。缺点是在低温下有明显的结晶倾向,容易变硬而影响使用。它适用于制作消防器材、电线、电缆包皮、铁轨枕垫、耐油胶管及化工设备的防腐衬里等。
(s)丁基橡胶丁基橡胶是异丁烯和异戊二烯的共聚物,它在1943年投入工业生产。丁基橡胶的最大特点是气密性好。它耐臭氧、耐老化、耐化学药品,并有吸震、电绝缘性能。慢,加工性能较差。它的主要用途是制作各种轮胎的硼冶轮胎的气密层、各种密封垫圈,在化学工业中作盛放腐蚀性液体容器的衬里、管道和输送带,农业上用作防水材料。
(6) 乙丙橡胶 乙丙橡胶是乙烯和丙烯的共聚物,于1963年投入工业生产。乙烯和丙烯生成的聚合物中没有双键,所以乙丙完全饱和的橡胶。因此,它的化学性质稳定,耐寒、耐热、耐化性能好,被誉为“长寿橡胶”。它的使用温度范围宽,电绝缘性能突出。缺点是不能用硫磺硫化,加工性能较差。工业上用于制作耐热运输带、胶管、蒸汽导管、防腐衬里、电线和电缆包皮等,还可以作军用雨衣、石油添加剂、防水建材等。
(7)丁腈橡胶 丁腈橡胶由丁二烯和丙烯腈共聚而成,在1937年投入工业生产。丁腈橡胶的突出特点是耐油性能好,在各种油中不易溶胀。它的耐热、耐磨、耐辐射、物理机械性能都比较好。美中不足的是弹性、电绝缘性较差。它主要用作油管、油箱、油封、垫圈、衬里和各种耐油制品,还可作鞋跟、鞋底、防火涂层和屋顶覆盖材料。
(8)氟橡胶 氟橡胶是偏氟乙烯的共聚物,在1958年投入工业生产。氟橡胶有优良的耐热、耐油、耐氧化、耐化学药品(包括有机溶剂)等性能。它在200℃以下能长期使用,在315aC只能短期使用。它的气密性和电性能很好,是火箭、导弹、宇航等高新技术、】的重要材料,在化工、飞机、汽车、电气、机械、船舶等工业部门制作耐高温、耐腐蚀用的垫圈、轴封、隔膜、胶布、衬里、包覆涂层等。
(9)硅橡胶 硅橡胶是硅氧烷的聚合物,在40年代投入工业生产。硅橡胶有较宽的使用温度(一115一315℃),有良好的生理惰性、无毒、无味,能耐高温消毒,有优越的电绝缘性能和耐候性。硅橡胶在航空工业中用于飞机座舱的密封、制作各种软管、发动机.部件、垫圈等。它还能制作耐高温的电线、电缆包皮、封装材料、绝缘胶带等,作汽车的散热软管和各种密封件,还是制作医疗器械(如各种引流管等)和人造器官(如心脏瓣膜等)的理想材料。
【橡胶老化】一般橡胶制品只达到轻度交联。高分子链上还有双键,受氧气、臭氧、日光,特别是高能辐射的作用,还容易老化。贮存或使用日久的车胎发生龟裂。乳胶手套或乳胶管会发粘或变硬变脆,其它橡胶制品会出现弹性下降,变硬开裂或变软发粘等,都是老化现象。橡胶的老化主要是化学老化,即由于发生复杂的化学反应而老化。
化学老化可以分为降解和交联两种类型。降解是指高分子受紫外线、热、机械力等因素的作用而发生高分子链的断裂;交联是指高分子碳—氢键断裂,在高分子链间出现了新的结合而形成网状结构。降解和交联对橡胶的性能有很大影响。降解使高分子的分子量下降,材料变软、变粘,抗拉强度降低;交联使材料变硬、伸长率下降。空气中的氧气和日光照射是引起橡胶老化的主要因素。
1.合成纤维的主要品种如下:
(1)按主链结构可分碳链合成纤维,如聚丙烯纤维(丙纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚乙烯醇缩甲醛纤维(维尼纶);杂链合成纤维,如聚酰胺纤维(锦纶)、聚对苯二甲酸乙二酯(涤纶)等。
(2)按性能功用可分耐高温纤维,如聚苯咪唑纤维;耐高温腐蚀纤维,如聚四氟乙烯;高强度纤维,如聚对苯二甲酰对苯二胺;耐辐射纤维,如聚酰亚胺纤维;还有阻燃纤维、高分子光导纤维等。
2.合成纤维的生产有三大工序:合成聚合物制备、纺丝成型、后处理。
3.常见化学纤维的性能和用途
(1)粘胶纤维 它是人造纤维,在1891年发明,1905年投入工业生产。它吸湿性好,容易染色,干态时的强度接近棉纤维。它的缺点是湿态时强度较低,容易变形。它’一泛用作棉、毛、丝绸产的原料,常跟棉纤维、涤纶、锦纶等混纺。工业上用它作制造轮胎的帘子布。
(2)涤纶 它是最常见的合成纤维,在1941年发明,1953年投入工业生产。它的最大特点是弹性好,抗皱、保型,强度高,耐磨性比棉高1倍、比羊毛高3倍。热稳定性好,电绝缘性优良,不览霉,不怕虫蛀。缺点是吸湿性、染色性较差。它主要用于生产各种混纺或交织品,大量用作衣料。目前通过纺织加工,生产各种仿丝、仿毛、仿棉、仿麻织品。这类混纺织品的效果越来越近似于天然纤维织品,在工业上作绝缘材料,传送带、轮胎的帘子线等,在医疗上用于制造血管、角膜支架、心瓣膜、心血管等。最近,用针织涤纶和硅橡胶试制成人造头颅骨。
(3)锦纶 它在1935年发明,1939年投入工业生产。它的耐磨性比棉纤维高10倍,比羊毛高20倍。它强度高,弹性好,耐腐蚀,不霉、不蛀。缺点是耐光、耐热性较差。它主要用于生产长丝,是各种针织品和丝绸品的原料。短纤维主要跟羊毛或其他纤维混纺,增强织物的牢度。它在5业上制作渔网、降落伞,也是生产日用品牙刷、衣刷.绳索的材料
(4)腈纶 它在1942年发明,1950年年投入工业生产。腈纶质轻而柔软,弹性特别好,蓬松而保暖,性能胜过羊毛,还耐热、耐晒、耐酸腐蚀,不霉、不蛀。缺点是耐磨性差,吸湿、染色性能不够好。它主要用于生产短纤维,用以代替羊毛纯纺,或跟羊毛和其他化纤毛型产品混纺,如腈纶膨体纱、混纺毛线及各种混纺衣料。腈纶长丝能织成绸缎,还是生产工业用石墨纤维和碳纤维的原料。
(5)维纶 它在1939年发明,1950年投入工业生产。它的最灵优点是吸湿性好,在标准条件下的吸湿率是4- 5%一5%。它结实耐磨,比棉纤维高5倍多,还耐酸、耐腐蚀,不蛀。缺点是耐较差,不容易染色,织物不够挺括。它的短纤维主要跟棉纤维混纺,少量跟粘胶纤维混纺,制成隐条、隐格。工业上做帆布、过滤布、输送带、包装材料和劳动保护品,更宜做渔网、舰船绳缆等。
(6)丙纶 它在1954年研制成功,1957年投入工业化生产。丙纶强度商,耐磨性能仅次于锦纶,弹性好。它密度小,能浮在水面上,吸水率低,还耐酸、碱腐蚀,不霉不蛀。最大的缺点是难染色,容易老化。这一缺点限制它应用在服饰上。它主要用于生产机织、针织或编织等加工制成的无经、无纬之别的纺织品,广泛用于建筑、水利、装潢、医疗和服装等各个行业。丙纶经改性后能制成抗老化、着色和吸水性好的特色纤维。
(7)氯纶氯纶于1941年研制成功,1950年投入工业生产。它的主要特点是难燃,离火后自熄,能耐酸、碱、氧化剂和还原剂,稳定性极好,而且保暖性能好,耐晒、耐磨。利用氯纶的耐燃性,常作车厢中的座垫材料、沙发套、地毯、防火帘、消防队员和护林队员穿的工作服,氯纶在工业上作防腐蚀滤布和仓库用的复盖材料等。短纤维织品做内衣,对风湿性关节炎有一定的辅助疗效。
【键的极性】 两个原子形成共价键时,由于原子吸引电子的能力不同,共用电子对偏向原子的一方,吸引电子能力强的原子带部分负电荷,吸引电子能力弱的原子带部分正电荷,共价键有了极性,称为极性共价键,简称极性键。共价键的极性与两成键原子吸引电子的能力(即电负性)的差值有关。同种元素的原子成键时,两原子吸引电子的能力相同,电子对无偏向,形成非极性共价键;不同种元素的原子成键时,共用电子对偏向吸引电子能力强的原子,形成极性共价键。两原子吸引电子能力的差值越大,键的极性越强,当这种差值大到一定程度时,电子从一个原子转移到另一个原子,共价键转变成离子键。
H-H H-I H-Br H—Cl H-F Na+ F-
| C-C单健 | C=C双键 | C≡C叁键 |
---|---|---|---|
键长(10-10 米) | 1.54 | 1.34 | 1.20 |
| F—F | Cl-Cl | Br—Br | I—I |
---|---|---|---|---|
键长(10-10 米) | 1.418 | 1.988 | 2.284 | 2.666 |
| H—F | H-Cl | H—Br | H-I |
键长(10-10 米) | 0.918 | 1.274 | 1.408 | 1.608 |
键 型 | C-C | C=C | C☰C | N-N | N=N | N☰N |
---|---|---|---|---|---|---|
键长(pm) | 154 | 134 | 120 | 145 | 125 | 110 |
| C-C单健 | C=C双键 | C≡C叁键 |
---|---|---|---|
键长(10-10 米) | 1.54 | 1.34 | 1.20 |
【定义】表示原子或离子最外层电子结构的式子。原子的电子式是在元素符号的周围用小黑点(或×)表示原子的最外层电子,例如钠原子的电子式为Na·。离子的电子式与原子的电子式的写法略有不同,简单阳离子是由原子失去最外层电子后形成的,一般用离子符号表示,例如Na+ 、Mg2+ 。简单阴离子和带电的原子团的电子式必须加方括号,并在括号的右上角标出该离子所带电荷的电性和电量,
例如氢氧根离子的电子式为
运用电子式还可以表示共价化合物分子、离子化合物以及烃基和官能团等结构,例如NH3、C2H2、Na2O2、Na+ 、—C2H5、-OH的电子式分别为:
由多个原子组成的化合物或基团的电子式中,元素符号周围小黑点的总数应该等于电子式中所有原子最外层电子数之和。
【说明】
1.电子式是美国科学家路易斯(Gilbert Newton Lewis,1875~1946)首先提出的,所以又叫路易斯式。
2.电子式一般只适用于表示主族元素的原子或离子,以及由它们构成的离子化合物和共价化合物。
3.用电子式可以比较简便和形象地表示离子化合物和共价分子的形成过程。
【定义】表示电解质离解成自由离子的式子。
【说明】
1.强电解质(强碱、强酸和大部分盐类)在水溶液中完全电离。它的电离方程式用=或→表示。
NaOH=Na+ +OH- 或NaOH→Na+ +OH-
2.硫酸是强电解质,一级电离完全,而二级电离不完全(K2=1.2×10-2 ),所以硫酸的电离方程式是
H2SO4=H+ +HSO4-
HSO4- H+ +SO42-
在中学化学教学中简化为H2SO4=2H+ +SO42-
3. 弱电解质(弱酸、弱碱和个别盐类)在水溶液中仅部分电离,分子和离子之间存在电离平衡。所以电离方程式中常用表示。
例如,醋酸的电离方程式是:
CH3COOHCH3COO- +H+
4.在电离方程式中,阳离子带的正电荷总数和阴离子带的负电荷总数的绝对值相等。
5.电解质在水溶液中电离出的离子,都以水合离子的形式存在。例如,电离出的H+ 离子主要以H3O+ ([H·H2O]+ )等形式存在于水溶液中。由于不能确定水分子的数目,有时用符号H+ (aq)表不水合的氢离子。为了简便,在通常的电离方程式中仍然用简单离子符号书写,如H+ 、K+ 、Cl- 等。
6.在水溶液中,强电解质完全电离,用等号表示,例如:
弱电解质部分电离,存在电离平衡,用可逆号表示,例如:
多元弱酸的电离是分步进行的,以第一步为主,例如:
多元弱碱的电离也是分步进行的,一般简化为一步,例如:
注意区别:①强酸的酸式盐和弱酸的酸式盐表示方法不同,例如:
②复盐和络盐表示方法不同,例如:
多数离子化合物在熔化时也能发生电离,表示方法如下:
【电极反应式】在电化学装置中,表示原子或离子在电极上得失电子,发生氧化或还原反应的式子。例如,Zn、Cu、稀H2SO4组成的原电池,电极反应式如下:
负极:Zn—2e-=Zn2+ (氧化反应)
正极:2H+ +2e-=H2↑ (还原反应)
再如,用石墨做电极,电解硝酸银溶液的电极反应式如下:
阳极:4OH-—4e-=2H2O+O2↑ (氧化反应)
阴极:4Ag++4e-=4Ag (还原反应)注意:写电极反应式时,两个电极上得失电子总数必须相等。将两个电极反应式相加,可得到总反应式,例如,上述电解硝酸银溶液的总反应式如下:
【定义】
1.标明伴随化学反应放出或吸收热量的化学方程式,叫做热化学方程式。
2.表示化学反应和热效应关系的化学方程式,叫做热化学方程式。
例如:
2H2(气)+O2(气)=2H2O(气);ΔH=-483.6千焦/摩尔
2H2(气)+O2(气)=2H2O(液);ΔH=-517.6千焦/摩尔
【说明】
书写热化学方程式时应注意:
①热化学方程式的系数只表示各反应物和生成物的物质的量,不表示微粒数,必要时,系数可用分数表示。
②化学反应的热效应与反应物和生成物的状态有关(如上例),书写时必须将每种物质的状态注在化学式后面。
③ΔH为焓变,如果放热用“-”表示,吸热用“+”表示;数值的多少必须与化学方程式中所表示的物质的量对应。
④化学反应的热效应还与外界条件有关,应在方程式的等号上注明温度和压强。若不注明,则表示温度为298K、压强为1.013×105 帕。
【离子方程式】用实际参加反应的离子符号表示离子反应的式子。它不仅表示一定物质间的某个反应,而且表示了所有同一类型的离子反应。
书写离子方程式的基本步骤为:
①写出有关反应的化学方程式。
②可溶性的强电解质(强酸、强碱、可溶性盐)用离子符号表示,其它物质仍用分子式表示。微溶的强电解质应看其是否主要以自由离子形式存在,例如,石灰水中的Ca(OH)2写离子符号,石灰乳中的Ca(OH)2用分子式表示。
③删去两边未参加反应的离子。
④检查式子两边的各种原子的个数及电荷数是否相等。
各种类型的离子方程式可按下列方法书写:①络合反应、盐类的水解反应应直接写离子方程式。例如,氯化铁溶液跟硫氰化钾溶液反应:
Fe3+ +SCN- [Fe(SCN]2+
碳酸钠水解:
②简单的复分解反应可直接写出离子方程式。注意:当反应物一边或生成物一边有多种物质需用分子式表示时,应当写全,不可遗漏。例如,氢氧化钡与硫酸铵溶液共热:
可溶性酸式盐跟强碱的反应比较复杂,应按基本步骤书写,否则易出错误。例如,磷酸二氢钙溶液与足量烧碱溶液反应,以下离子方程式是错误的:
应先写出化学方程式:
3Ca(H2PO4)2+12NaOH=Ca3(PO4)2↓+12H2O+4Na3PO4
再删去Na+ :
③氧化还原类型的离子反应应按基本步骤书写,否则会出现多种错误。例如,铁跟氯化铁溶液反应,以下写法是错误的(两边电荷不等):
Fe+Fe3+ = 2Fe2+
应先写出化学方程式:Fe+2FeCl3= 3FeCl2
再删去未反应的Cl- :Fe+2Fe3+ = 3Fe2+
书写离子方程式时要注意以下几点:
(1)把易溶的强电解质写成离子形式,难溶物质、弱电解质以及气体、单质、氧化物都用化学式表示,再删去没有参加反应的离子。
(2)书写离子方程式时要遵循质量守恒定律和离子电荷守恒(即离子方程式两边离子的电荷总数相同)的原则。例如,Fe2+ +Cl2=Fe3+ +2Cl- 是错的,应改正为2Fe2+ +Cl2=2Fe3+ +2Cl-
(3)盐类水解是酸碱中和反应的逆反应,一般不能进行到底,所以盐类水解的离子方程式常用表示。
3.固体电解质之间的反应,如用固体Ca(OH)2和固体NH4Cl制取NH3的反应,一般不用离子方程式,而用化学方程式表系。
【核外电子排布式】表示原子核外电子在每个电子层中各个亚层排布情况的式子。书写电子排布式时,要从左向右按电子层能量递增的顺序排列;每个电子层中的亚层是按s p d f能量递增的顺序排列;各电子亚层上的电子数标在亚层符号的右上角。
例如氮原子的电子排布式为1s22s22p3,它表示氮原子核外7个电子的排布情况,第一电子层(1s2)2个、第二电子层(2s22p3)5个。铁原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,铁原子核外26个电子,第一电子层(1s2)2个、第二电子层(2s22p6)8个、第三电子层(3s23p63d6)14个、第四电子层(4s2)2个。
电子排布式的书写顺序与电子填入轨道的顺序不同,电子填入轨道的顺序是按能级递增的顺序,例如铁原子的8个价电子是先进入能量较低的4s能级,后进入能量较高的3d能级。铁原子的电子排布式是按电子层顺序先写3d6,后写4s2。
已知元素的核外电子排布式,便可推断元素的原子序数、核外电子总数、价电子构型以及它在周期表中的位置。元素所在的周期数等于电子排布式中最高的电子层数,元素所在的族数等于价电子数,例如氮元素处在第2周期、ⅤA族,铁元素处在第4周期、Ⅷ族。
【离子反应】电解质在溶液里所发生的离子间的反应。有两类情况:
(1)电解质在溶液里发生的离子互换反应,属于非氧化-还原反应,反应发生的条件是生成物之一是难溶物质,易挥发性物质或极难电离的物质,这类离子反应的特征一般是朝着减小离子浓度的方向进行。
例如:Ag++Cl- = AgCl↓
(2)属于氧化-还原反应的离子反应,
例如:Zn+2H+ =Zn2+ +H2↑
【定义】单原子分子或以共价键结合的有限分子靠范德华力凝聚而成的晶体,是典型的分子晶体。
【说明】
1.全部稀有元素单质、许多非金属单质、一些非极性氧化物和绝大部分有机化合物的晶体,都属于分子晶体。如果由同种非金属元素或由异种元素的“无限多”个原子以共价键结合而形成的是一个无限大分子的晶体,则属于原子晶体。
2.范德华力比化学键、氢键的结合力都弱,所以一般分子晶体的熔点低、硬度小。范德华力没有方向性和饱和性,所以分子晶体的内部微粒都有形成密堆积的趋势,特别是球形对称分子大都采取最密堆积形式。例如,Ne、Ar、Kr、Xe以及HCl、H2S等晶体都为立方最密堆积(A1型),而He和H2的晶体为六方最密堆积(A3型)。
3.很多有机化合物晶体,由于对称性较差,往往堆积得不太紧密。但它的致密程度尽量跟它们的不规则形状协调一致。例如,在苯的晶体结构中,每个苯分子的平面几乎跟晶胞的Z轴平行,但分子在差不多互成直角的两个方向上倾斜于该轴,分子的中心位于晶胞的顶点和面心,形成一种变形的立方密堆积排列,以容纳非球形分子。
氢键是一种分子间相互作用,但不是范德华力,所以由氢键形成的晶体不属分子晶体,而属于氢键型晶体。
4. 大多数非金属单质及其形成的化合物如干冰(CO2)、I2、大多数有机物,其固态均为分子晶体。分子晶体是由分子组成,可以是极性分子,也可以是非极性分子。分子间的作用力很弱,分子晶体具有较低的熔、沸点,硬度小、易挥发,许多物质在常温下呈气态或液态,例如O2、CO2是气体,乙醇、冰醋酸是液体。同类型分子的晶体,其熔、沸点随分子量的增加而升高,例如卤素单质的熔、沸点按F2、Cl2、Br2、I2顺序递增;非金属元素的氢化物,按周期系同主族由上而下熔沸点升高;有机物的同系物随碳原子数的增加,熔沸点升高。但HF、H2O、NH3、CH3CH2OH等分子间,除存在范德华力外,还有氢键的作用力,它们的熔沸点较高。
5.分子组成的物质,其溶解性遵守“相似相溶”原理,极性分子易溶于极性溶剂,非极性分子易溶于非极性的有机溶剂,例如NH3、HCl极易溶于水,难溶于CCl4和苯;而Br2、I2难溶于水,易溶于CCl4、苯等有机溶剂。根据此性质,可用CCl4、苯等溶剂将Br2和I2从它们的水溶液中萃取、分离出来。
【过渡晶体】指介于原子晶体、金属晶体、分子晶体之间的一种过渡型。例如,石墨晶体,在晶体内碳原子以sp2 杂化形成共价键,每个碳原子与另外三个碳原子以共价键相连,六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环,伸展形成层状结构,在同一平面的碳原子各剩一个p轨道,上有一个电子,这个电子比较自由,相当于金属中的自由电子。石墨晶体中层与层之间以范德华力结合。属于过渡型晶体的还有黑磷、云母(一种天然硅酸盐)等。
【等电子体】具有相同电子数的分子或离子称等电子体。例如,都含有14个电子的CO和N2两种分子,就是等电子体。在一般情况下,等电子体在分子轨道中的电子排布和成键情况是相似的,这一规律称作等电子原理。由于等电子体具有相似的结构,所以在性质上也有许多相似之处。如:
CO |
N2 |
|
分子量 | 28 |
28 |
熔点(K) | 73 |
63 |
沸点(K) | 83 |
77 |
液体密度(g·cm-3) | 0.793 |
0.796 |
另外,如NO3-和CO32-也是等电子体或称等电子离子,它们的几何构型都是平面三角形;PO43-、SO42-、ClO4-三种等电子离子的几何构型都是正四面体。
【定义】在反应物或催化剂里混有少量物质,使催化剂的催化能力急剧降低甚至丧失,这种现象叫催化剂中毒。例如,在合成氨原料气中含有CO、CO2以及H2S、PH3、水汽等杂质,能使铁触媒中毒;接触法制硫酸中,如果有砷和硒的氧化物(As203、Se02)等,能使钒触媒丧失活性。因此,必须净化原料气,防止催化剂中毒,还可以减轻对设备的腐蚀。
【说明】
催化剂中毒现象有两类:
(1)暂时性中毒(或称可逆性毒化),如合成氨生产中的O2、H2O(气)、CO、CO2等杂质引起的中毒。只要不断用纯净的原料气吹过中毒的催化剂表面,就可使毒物除去。
(2)永久性中毒(或称不可逆毒化),如合成氨生产中的含硫化合物及PH3等属于永久毒物。这主要是因为这类毒物与催化剂表面形成了牢固的表面化合物。
【定义】由原子、分子、离子等结构微粒在空间作有规则、周期性重复排列而成的具有一定几何多面体外形的固体,叫做晶体。
【说明】
1. 晶体所以有一定的外形,因为晶体内的结构粒子(原子、分 子、离子)之间靠一定的作用力紧密联系,并以确定的位置在空间作有规则的排列。按照结构粒子种类不同,它们作用力的性质也不同,于是晶体分成四个大类。第一类是离子晶体(如NaCl、 CsCl),晶体的结构粒子是金属正离子和卤素负离子,粒子间靠静电引力结合。第二类是原子晶体(如金刚石、Si02),晶体的结构粒子是原子,依靠共价键结合在一起。第彐类是金属晶体(如钨、 铜等),金属原子靠金属键结合。第四类是分子晶体(如干冰、苯晶体),结构粒子是分子,靠分子间力结合。
2. 晶体具有和无定形固体不同的特性。第一是晶体有均匀性和各向异性。各向异性是指在不同方向上有不同的光、电、热、 力学等性质,而晶体内各个部分的各向异性程度是完全均匀。 第二是晶体有对称性和对X-射线的衍射性。X射线的波长和晶体中原子间距属于同数量级。当用X-射线照射晶体时,会发生衍射现象。第三是晶体有自范性,即会自发地生长出由晶面、晶棱和顶点构成的完整几何多面体外形。第四是晶体有固定的熔点。晶体加热到一定温度便开始熔化。这时外界提供的能量全部用来熔化晶体,温度不再上升。直到晶体全部熔化后,温度才继续上升。
3.晶体的天然平面叫晶面,两个晶面的交线叫晶棱。晶体在 形成时可能产生缺陷或畸变,但晶面间夹角总是不变的。研究晶体结构所用的点阵理论可以近似地适用。
4.晶体结构的周期性包含两方面内容:一是重复周期的大小及变化规律;二是周期性变化的具体内容(即原子、离子或分子的种类、数目和连接方式等)。前者可用点阵表示,后者用结构基元表示。故晶体结构可概括为:
晶体结构==点阵+结构基元 ;一个结构基元可以抽象为几何学上一个点,即为一个阵点。这些阵点在空间按一定方式周期性排列形成空间点阵。
【定义】由同种分子结合成较复杂的分子,但又不引起化学性质改变,这种现象叫做分子缔合。
【说明】
1.HF、NH3、H2O等分子容易发生分子缔合,主要原因是形成了氢键。形成的分子叫缔合分子。分子发生缔合时放热。
2. 水分子发生缔合,xH2O(H2O)x十热量。在固态时,大量水分子以氢键互相连接成巨型缔合分子。其中每个氧原子跟两个氢原子紧靠,形成O-H键(键长为101 pm,键角为109°28',比原来104.5°稍稍扩张),而跟另外两个氢原子相距很远,形成键长276 pm 的氢键。这个结构向空间无限周期性地延伸,就形成冰晶体。冰的结构比较疏松,出现密度比水小的特殊性质。
当冰熔化成液态水时,部分氢键遭到破坏,部分缔合作用消除,但仍有许多运动自由的、以氢键结合的小集团(x=2,3,4,…),不断地变动、改组,且可堆积得较为紧密。因此冰熔化时体积反而缩小。
在气态时,缔合作用完全消失,水就以单个分子存在。
3.分子缔合作用除了形成氢键的原因外,还可以通过极性分子中偶极的相互作用,以及通过形成配位键(如AlCl3二聚体)而缔合。
【定义】在单原子分子或以共价键结含的分子中,分子和分子之间存在的一种比化学键弱的相互作用力,叫做分子作用力。
【说明】
1. 分子间作用力首先是由荷兰物理学家范德华提出的,因此又叫范德华力。由于这种力的存在,常温下是气态的物质,在降温和加压时能够凝聚成液态,再能凝结成固态的分子晶体。在发生物态变化时分子的组成不变,只是分子间距离缩短(或伸长),分子的运动逐步由无序向有序(或者相反)过渡。
2. 分子间作用力约比化学键的作用力小1〜2个数量级。分子间作用力约为每摩尔几个到几十个千焦,作用力范围约为300〜500 pm
3. 分子间作用力来源于分子间的取向力、诱导力和色散力。 取向力只存在于极性分子间,是极性分子间靠具有电性的永久偶 极间的相互作用。诱导力存在于极性分子间和极性分子与非极性分子间。非极性分子受极性分子偶极电场的影响,能使正、负电荷中心发生位移,产生诱导偶极。诱导偶极和极性分子永久偶极间的作用力就是诱导力,又叫变形极化作用力。色散力又叫瞬时极化作用力,普遍存在于各种分子之间,因为非极性分子也会由于电 子运动和原子核振动而发生瞬时相对位移而形成瞬时偶极,于是瞬时偶极间发生相互作用。
分子中三种作用力哪种占优势,取决于相互作用分子的极性和变形性。例如,在卤化氢(HF除外)分子中,HC1分子的极性最大,它的诱导力和取向力也最大;HI的变形性最大,它的色散力最大。极性小的分子间主要存在色散力,取向力和诱导力占的比重极小;极性大的分子之间,取向力和诱导力所占比重明显增大。
4. 分子间作用力是决定物质物理性质(如熔点、熔化热、沸 点、气化热、溶解度、表面张力和粘度等)的主要因素。因此,可以根据相似物质的分子间作用力大小来推断这些物质物理性质的递变规律。
【现代价键理论】又称电子配对理论或电子配对法,简称VB法(Valence Bond Theory)。基本要点如下:
(1)原子带有未成对且自旋相反的电子相互接近时,核间电子云密度较大,可形成稳定的化学键。
(2)共价键有饱和性,一个原子有几个未成对电子,就能和几个自旋相反的电子配对成键,未成对电子都配对成键就达到饱和。
(3)共价键有方向性,即共价键尽可能沿着原子轨道最大重叠的方向形成,这也叫做“最大重叠”原理。轨道重叠越多,电子在两核间出现的几率就越大,形成的共价键就越稳定。
现代价键理论模型直观,易于人们接受,但解释某些分子形成(如H2+,O2)等遇到了困难。这些问题由于分子轨道理论的建立才得以解决。
【离子的极化作用】电荷相反的离子相互接近时就有可能发生极化,即它们在相反电荷的电场的影响下电子云发生变形。离子使异号离子极化而变形的作用称为该离子的极化作用。
离子极化作用的大小跟离子所带电荷的多少、离子半径大小及离子构型有关。一般离子所带电荷数越大,半径越小,外层电子的屏蔽作用越小,离子的极化作用就越大。通常阳离子的极化作用较强,因此在多数情况下应考虑阳离子对阴离子的极化作用。有的阴离子对阳离子也有显著的极化作用,而阳离子被极化后又对阴离子产生更强的极化作用。这样反复作用叫做离子的相互极化作用或附加极化作用。
离子的极化对化合物的键型、溶解度、熔点、颜色及化学稳定性都有一定的影响。
【元素的丰度】各种元素在地壳中平均含量的百分数,叫做元素的丰度。
说明 :
1、美国化学家克拉克等在总结了世界各地5759个矿样的分析数据后,第一次提出元素在地壳中的平均含量值。为了纪念克拉克,人们把地壳中的元素丰度叫做克拉克值。
2、在88种天然元素中,12种元素(O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、H、Ti、C、Cl)占了地壳总重量的99.47%,其余66种元素共占0.53%。
3、克拉克值最初表示元素在地壳中质量百分比(叫质量克拉)。后来认为各种元素的原子所占的量对于在地壳中进行的化学作用来说显得更重要,这种元素原子的百分数叫原子克拉克值。地壳中原子数含量最多是O、Si、H、Al、Na、Ca、Fe、Mg等元素。
4、1917年哈金斯提出一个规律:偶数质子数元素的丰度大于邻近奇数质子数元素的丰度。例如,元素周期表的前28种元素中,偶数元素的质量占86.36%(原子数占73.86%),奇数元素仅占13.64%(原子数占25.14%)。上述规律也有少数例外,如稀有气体都是偶数元素,但它们的丰度值都很小。这可能因为它们是气体,容易离开地壳的缘故。
【孤对电子】也称孤对电子。指分子或离子中某原子的最外层未共用的电子对。例如,NH3分子中,N原子有一个孤电子对;H2O分子中,O原子上有两个孤电子对:
N、O原子都是多电子原子,H原子是等电子原子,因此在NH3分子和H2O分子中都有孤电子对。
注明:
等电子原子:在价电子层中,价轨道数等于价电子数的原子。例如,H、C、Si等原子。
多电子原子:在价电子层中,价电子数多于价轨道数的原子。例如,N、O、S、Cl等原子。
【电子排布式】表示原子核外电子在每个电子层中各个亚层排布情况的式子。可清楚地表明各亚层中的电子数目。例如17Cl的电子排布式是1s22s22p63s23p5。
【说明】
1.将K、L、M等电子层分别用1、2、3等数字表示。用s、p、d等符号表示各电子亚层,并在这些符号的右上角用数字表示各亚层上电子的数目。例如,氟原子的电子排布式是1s22s22p5。
2. 将电子排布式简化,还可以用来表示原子的特征电子构型 (或外围电子层排布),每种元素的原子只有一种特征电子构型,即 每种特征电子构型只表示一种元素的原子。例如,氟原子的特征电子构型是2s22p5,钙原子的特征电子构型是4s2,铁原子的特征电子构型是3d64s2。
3. 电于排布式书写比较简便,但不能像轨道表示式那样能体现洪特规则和电子的自旋状态。
4.书写电子排布式时,要从左向右按电子层能量递增的顺序排列;每个电子层中的亚层是按s p d f能量递增的顺序排列;各电子亚层上的电子数标在亚层符号的右上角。
例如氮原子的电子排布式为1s22s22p3,它表示氮原子核外7个电子的排布情况,第一电子层(1s2)2个、第二电子层(2s22p3)5个。
铁原子的电子排布式为1s22s22p63s23p63d64s2,铁原子核外26个电子,第一电子层(1s2)2个、第二电子层(2s22p6)8个、第三电子层(3s23p63d6)14个、第四电子层(4s2)2个。
5.电子排布式的书写顺序与电子填入轨道的顺序不同,电子填入轨道的顺序是按能级递增的顺序,例如铁原子的8个价电子是先进入能量较低的4s能级,后进入能量较高的3d能级。铁原子的电子排布式是按电子层顺序先写3d6,后写4s2。
6.已知元素的核外电子排布式,便可推断元素的原子序数、核外电子总数、价电子构型以及它在周期表中的位置。元素所在的周期数等于电子排布式中最高的电子层数,元素所在的族数等于价电子数,例如氮元素处在第2周期、ⅤA族,铁元素处在第4周期、Ⅷ族。
【能量最低原理】在不违背泡利原理的情况下,核外电子总是尽先排布在能量最低的轨道上,只有当这些轨道占满后,电子才依次进入能量较高的轨道。在多电子原子中,电子能量的高低与主量子数n和角量子数l有关。当n≥3时,出现能级交错现象。
【泡利不相容原理】1925年由奥地利物理学家泡利(Pauli)提出。原理指出, 在同一原子中不可能有四个量子数完全相同的电子, 即每个原子轨道最多只能容纳两个电子, 并且这两个电子的自旋必须相反。从而可得出, 第n层电子最多能容纳的电子数是2n2 个。
【干冰】化学式CO2,固态二氧化碳的俗称。白色冰雪状固体,分子型晶体。无毒无腐蚀性,密度1.56克/厘米3(-79℃)、熔点-56.6℃(226.89千帕——5.2大气压)。受热后,在-78.5℃时不经过液态直接变成气体(升华)。常压下气化时可得-80℃左右的低温,减压蒸发可得更低的温度。用作低温致冷剂,用于冷冻食品的运输箱、冷藏卡车。与乙醚、氯仿或丙酮等有机溶剂组成的冷膏在施工中用于低温冷浴,还可用于人工降雨、灭火和制汽水等。使液态二氧化碳减压膨胀可制得干冰。
【石墨】碳的一种同素异形体,是原子晶体、金属晶体和分子晶体之间的一种过渡型晶体。在晶体中同层碳原子间以sp2杂化形成共价键,每个碳原子与另外三个碳原子相联,六个碳原子在同一平面上形成正六边形的环,伸展形成片层结构。在同一平面的碳原子还各剩下一个p轨道,它们互相重叠,形成离域的π键电子在晶格中能自由移动,可以被激发,所以石墨有金属光泽,能导电、传热。由于层与层间距离大,结合力(范德华力)小,各层可以滑动,所以石墨的密度比金刚石小,质软并有滑腻感。灰黑,不透明固体,密度2.25克/厘米3,熔点3652℃,沸点4827℃,硬度1。化学性质稳定,耐腐蚀,同酸、碱等药剂不易发生反应。687℃在氧气中燃烧生成二氧化碳。可被强氧化剂如浓硝酸、高锰酸钾等氧化。可用作抗磨剂、润滑剂,高纯度石墨用作原子反应堆中的中子减速剂,还可用于制造坩埚、电极、电刷、干电池、石墨纤维、换热器、冷却器、电弧炉、弧光灯、铅笔的笔芯等。
【金刚石】碳的一种同素异形体,典型的原子晶体。碳原子形成4个sp3 杂化轨道,以共价键彼此相连,每个碳原子都处于与它相联的四个碳原子所组成的正四面体的中心,组成了晶体,整个晶体可以看成是一巨型分子。晶体属等轴晶系,常为八面体晶形。纯品无色透明、有强烈光泽,因含杂质呈蓝色、天蓝色、淡黄色、红色或黑色。密度3.15~3.53克/厘米3 ,熔点3550℃,沸点4827℃,硬度10,是最硬的物质。不导电。在紫外线下显淡青蓝色荧光。与各种化学试剂不起反应,777℃时能在氧气中燃烧生成二氧化碳。用作高级的研磨、钻孔、切割、拉丝工具。透明的经过琢磨称为钻石,是一种华贵的装饰品。自然界有少量金刚石矿。用人工方法可制造金刚石,如石墨在高温高压和催化剂作用下可转化成金刚石。
【硼】元素符号B,原子序数5,原子量10.81,外国电子排布式2s22p1,位于第二周期第ⅢA族。天然存在的硼由两种稳定的同位素硼-10(19.78%)和硼-11(80.22%)组成。硼有无定形和结晶形两种单质,无定形硼为棕黑色或黑色粉末;结晶形硼为乌黑色或银灰色有光泽,硬度与金刚石相近。共价半径82皮米,离子半径20皮米,电离势800.0千焦/摩尔,电负性2.0,主要氧化数+3。无定形硼密度2.3克/厘米3,晶形硼密度2.31克/厘米3,熔点2300℃,沸点2550℃。晶态硼已知有八种同素异形体。单质硼晶体是由B-12正二十面体的基本结构单元组成的。结晶硼属于原子晶体,因此,结晶硼的硬度大,熔点、沸点高,化学性质不够活泼。
无定形硼的化学性质比较活泼,室温时在空气中缓慢氧化,700℃以上能燃烧,生成氧化硼B2O3并放出大量的热,常温下跟氟化合生成三氟化硼BF3,加热时跟氯、溴、硫等化合,高温时还与碳、氮或氨反应,分别得到硬度很大的碳化硼B4C、氮化硼(BN);加热时跟水蒸气反应生成氢氧化硼并放出氢气。
硼和氧的亲和力很强,它能从许多金属氧化物或非金属氧化物中夺取氧,所以硼可做还原剂。硼跟某些金属化合生成金属硼化物。硼很难和氢化合。硼不跟盐酸和氢氟酸反应。但可被浓硫酸或浓硝酸氧化
B+3HNO3=H3BO3+3NO2↑
2B+3H2SO4=2H3BO3+3SO2↑
硼跟氢氧化钠溶液反应生成偏硼酸钠并放出氢气
2B+2NaOH+2H2O=2NaBO2+3H2↑
硼跟硅在2000℃以上时反应生成硼化硅。过氧化氢或过硫酸铵能缓慢氧化结晶硼,热浓硝酸和重铬酸钠与硫酸的混合物也能缓慢地氧化晶态硼。上述试剂跟无定形硼反应激烈。跟碱金属碳酸盐和氢氧化物混合共熔时,各种形态的硼都能被完全氧化。由于硼在高温时化性很活泼,因此被用做冶金时的除气剂,煅铁热处理时,硼能增加合金钢的高温强固性。因硼有吸收中子的特性,棒状或条状硼钠在原子反应堆中用做控制棒,由于硼有低密度、高强度和高熔点等特性,可用来制导弹和火箭的结构材料。制发动机启动装置和变压器热断电器。热电偶中也用到硼。用硼、钴、钛、镍可制成耐高温超硬质金属陶瓷。硼在自然界中丰度不大,没有游离态,主要矿物有硼砂和硼镁矿。1808年,英国戴维和法国的盖吕萨克、泰纳、用钾还原硼酸制得硼。通常将三氧化二硼及卤化硼用氢气或活泼金属还原:
将氢气和三溴化硼或三氯化硼的混合气体通过1200~1400℃的钨丝或钽丝可得到硼:
电解熔融的KBF4,可以得到更纯的硼。
黄褐色或黑色的块状固体,纯品为无色晶体(含CaC2较高的是紫色)。密度2.22克/厘米3,熔点447℃、沸点2300℃,遇水立即发生激烈反应,生成乙炔,并放出热量。
CaC2+2H2OCa(OH)2+C2H2↑
因电石中常含有砷化钙(Ca3As2)、磷化钙(Ca3P2)等杂质,与水作用时同时放出砷化氢(AsH3)、磷化氢(PH3)等有毒气体,因此使用由电石产生的乙炔有毒(须通过浓H2SO4和重铬酸钾洗液除去)。CaC2能导电,纯度越高,导电越易。焦炭和生石灰在电炉中反应制得。
用于制取乙炔气、氰氨化钙(CaCN2)和有机合成的重要原料,制造石灰氮肥料、金属切割焊接用乙炔气等。贮存在阴凉、通风、干燥处,严格防水、防潮(它极易吸收空气中水分),应与可燃物隔离存放。
【乙炔的结构】
乙炔分子里碳碳叁键的键能是812千焦/摩,比三个碳碳单键的键能之和要小得多(也比一个单键和一个双键键能之和小)。叁键的键长是1.20×10-10米,比单键或双键的键长都短。乙炔分子里C≡C键跟C——H键间的夹角是180°,即乙炔分子里的两个碳原子和两个氢原子处在一条直线上。乙炔分子里每个碳原子,是以一个2s轨道和一个2p轨道进行杂化,形成两个能量相等的sp杂化轨道。这两个sp杂化轨道的对称轴在同一条直线上。每个碳原子各以一个sp杂化轨道跟氢原子的一个1s轨道进行重叠而形成一个碳氢的σ键。同时又各以其另一个sp杂化轨道相互重叠形成一个碳碳的σ键。在两个碳原子里还各有另外两个p轨道没有参加杂化,它们的电子云互相垂直,同时也跟碳碳间σ键的对称轴垂直。这样就在4个p电子之间形成两个π键,这两个π键是互相垂直的。乙炔分子里的C≡C叁键是由一个σ键和两个相互垂直的π键所组成。已知π键的键能小于σ的键能,所以在一定条件下,π键容易断裂,容易发生氧化反应、加成反应等。
【乙炔的化学性质】
乙炔和其它类烃相比,稳定性较差,易分解成碳和氢。乙炔分子分解时放出大量热,其热量足以使乙炔发生连锁反应,故乙炔在加压、加热时可能发生爆炸。某些金属及其氧化物对乙炔的分解有明显催化作用,而且氧化物远比纯金属剧烈。乙炔与金属铜接触产生高爆炸性的乙炔钢。在过热或撞击下,少量乙炔铜爆炸会迅速引起大量乙炔发生爆炸,故在生产乙炔和乙炔加工装置中,通常不允许使用铜和铜合金材料制造管道、阀门等。乙炔燃烧时,火焰明亮有浓厚黑烟。乙炔与空气能形成爆炸混合物,其爆炸范围较其它可燃气体都大。乙炔与氯气混合,在光照下即发生爆炸。乙炔的性质活泼,容易跟许多物质发生化学反应,如受酸性KMnO4溶液氧化,容易发生加成反应(Br2、H2、HCl等)和加聚反应等。
【乙炔的用途】
乙炔的化学性质很活泼,可跟许多物出发生化学反应,衍生出上千种有机化学品。如与氯化氢发生加成反应生成氯乙烯,氯乙烯作为单体经加聚反应得到聚氯乙烯;乙炔跟乙酸反应得到乙酸乙烯酯,可进一步制得维尼纶;乙炔二聚得乙烯基乙炔,进而跟氯化氢加成得氯丁二烯,氯丁二烯经加聚反应制得氯丁橡胶;乙炔跟氰化氢加成得丙烯腈,丙烯腈经加聚反应制得聚丙烯腈等。乙炔在纯氧气中燃烧所产生的温度很高,用于气焊和气割。
【乙炔的实验室制法】
实验室中常用电石跟水反应制取乙炔。电石中因含有少量钙的硫化物和磷化物,致使生成的乙炔中因混有硫化氢、磷化氢等而呈难闻的气味。在常温下,电石跟水的反应是相当激烈的,可用分液漏斗控制加水量以调节出气速度。也可以用饱和食盐水代替水,这样,可以使反应较平稳。通常,乙炔发生装置用烧瓶(或广口瓶)和插有分液漏斗及直角导气管的双孔塞组成。检查装置的气密性良好后把几块电石放入烧瓶,从分液漏斗滴水(或饱和食盐水)即产生乙炔。如果把电石跟水的反应式写成:
CaC2+H2O→C2H2↑+CaO
是错误的。因为在有水存在的情况下,CaO不可能是钙的最终产物,而Ca(OH)2(CaO水化)是最终产物才是合理的。正确的化学式应是:
CaC2+2H2O→C2H2↑+Ca(OH)2
为了得到较纯净的乙炔,可以把从发生器出来的气体先经CuSO4溶液洗气再收集。乙炔只微溶于水,应排水收集。用电石跟水反应制乙炔不应使用启普发生器,块状电石和水在常温下即能发生反应,表面上似乎符合启普发生器的使用条件,但当关闭启普发生器的活塞时,乙炔气虽能把水压入球形漏斗以使电石跟水脱离接触,但集存在球体内的大量水蒸气(电石跟水反应放热)却仍在缓缓继续跟电石发生反应,就是说,关闭活塞后,乙炔不能完全停止发生。这样,乙炔将缓缓从球形漏斗的上口间断逸出。平时,我们总能闻到电石有难闻的气味,就是因为电石跟空气里的水蒸气反应的结果。如果小量制取乙炔时,也可以用试管配单孔塞作反应容器,但应在试管口内松松塞一团棉花,以阻止泡沫进入导气管。
【乙烯的结构】
实验表明,乙烯分子里的C=C双键的键长是1.33×10-10米,乙烯分子里的2个碳原子和4个氢原子都处在同一个平面上。它们彼此之间的键角约为120°。乙烯双键的键能是615千焦/摩,实验测得乙烷C—C单键的键长是1.54×10-10米,键能348千焦/摩。这表明C=C双键的键能并不是C—C单键键能的两倍,而是比两倍略少。因此,只需要较少的能量,就能使双键里的一个键断裂。这是乙烯的性质活泼,容易发生加成反应等的原因。
在形成乙烯分子的过程中,每个碳原子以1个2s轨道和2个2p轨道杂化形成3个等同的sp2杂化轨道而成键。这3个sp2杂化轨道在同一平面里,互成120°夹角。因此,在乙烯分子里形成5个σ键,其中4个是C—H键(sp2—s)1个是C—C键(sp2—sp2);两个碳原子剩下未参加杂化的2个平行的p轨道在侧面发生重叠,形成另一种化学键:π键,并和σ键所在的平面垂直。如:乙烯分子里的C=C双键是由一个σ键和一个π键形成的。这两种键的轨道重叠程度是不同的。π键是由p轨道从侧面重叠形成的,重叠程度比σ键从正面重叠要小,所以π键不如σ键牢固,比较容易断裂,断裂时需要的能量也较少。
【乙烯的物理性质】
乙烯在常温常压下为无色气体,稍有香甜气味,比空气稍轻,难溶于水。沸点(常压)-103.71℃,熔点—169.15℃。
【乙烯的化学性质】
乙烯可燃,燃烧时火焰明亮。与空气形成爆炸性混合物。爆炸极限:下限3~3.5%,上限16~29%。由于乙烯分子中存在双键,性质活泼,容易进行加成反应。氧化反应和加聚反应。如:
【乙烯的实验室制法】
实验室一般是在加热条件下,用浓硫酸使乙醇脱水制取。其中浓硫酸起脱水剂和催化剂作用。在约140℃时,乙醇脱水生成乙醚(C2H5)2O;在约170℃时,生成乙烯。
这是在有机化学反应中,反应物相同,反应条件不同而生成物不同的典型例之一。实验装置如图。检查装置气密性后,先在烧瓶中加入10毫升乙醇,然后分批缓缓加入浓硫酸共约30毫升。在乙醇中加入浓硫酸时,由于发生化学作用而放大量热,要冷却后再继续加浓硫酸,防止乙醇大量气化。再向烧瓶里加入几片碎瓷片。为了控制混合液受热温度在170℃左右,须把温度计的水银球浸入混合液中。加热时,要使混合液的温度迅速越过140℃温度区,这样,可以减少副产物乙醚的生成。混合液的温度达到170℃时,即有乙烯产生。在加热过程中,混合液的颜色会逐渐变棕色以至棕黑色。这是由于乙醇部分发生碳化的结果。在170℃时,生成的气体并非纯净的乙烯,其中常杂有少量SO2。由于在加热条件下,浓硫酸除使乙醇发生脱水反应外,还会使乙醇(或其它生成物)发生氧化反应,浓硫酸还原产生SO2。要获得较纯净的乙烯,可以把由烧瓶出来的气体先经10%NaOH溶液洗气,然后再收集。乙烯难熔于水,应该用排水法收集。收满乙烯的集气瓶,盖好毛玻璃片后倒放在实验桌上。停止加热时,要先把导管从水槽里撤出,防止因烧瓶冷却使水倒吸。实验后,应待烧瓶里的残粥状黑色混合物以及温度计冷却后再清洗。
【苯的结构】
苯分子具有平面的正六边形结构。各个键角都是120°,六角环上碳碳之间的键长都是1.40×10-10米。它既不同于一般的单键(C—C键键长是1.54×10-10米),也不同于一般的双键(C=C键键长是1.33×10-10米)。从苯跟高锰酸钾溶液和溴水都不起反应这一事实和测定的碳碳间键长的实验数据来看,充分说明苯环上碳碳间的键应是一种介于单键和双键之间的独特的键。
为了表示苯分子结构的这一特点,常用下式来表示苯的结构简式。直到现在,凯库勒式的表示方法仍被沿用,但在理解上绝不应认为苯是单、双键交替组成的环状结构。
苯分子里6个碳原子的电子都以sp2杂化轨道相互重叠,形成6个碳碳的σ键,又各以1个sp2杂化轨道分别跟氢原子的1s轨道进行重叠,形成6个碳氢的σ键。由于是sp2杂化,所以键角是120°,并且所有6个碳原子和6个氢原子都是在同一个平面上相互连接起来的。
苯环上6个碳原子各有1个未参加杂化的2p轨道,它们垂直于环的平面,并从侧面相互重叠而形成一个闭合的π键,并且均匀地对称分布在环平面的上方和下方。通常把苯的这种键型称为大π键。苯的大π键的形成使π键电子云为6个碳原子所共有,因而受到6个碳原子核的共同吸引,彼此结合得比较牢固。同时,苯的大π键是平均分布在6个碳原子上,所以苯分子中每个碳碳键的键长和键能是相等的。
【苯的物理性质】
苯在常温下为无色透明液体。密度(15℃)0.885克/厘米3,沸点80.10℃,熔点5.53℃,易挥发,有强烈芳香气味。有毒。难溶于水,易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。
【苯的化学性质】
苯的化学性质较稳定,对酸性KMnO4溶液和溴水均无反应。易燃,燃时有浓黑烟。苯的化学反应可分为三大类:取代反应,如硝化反应和磺化反应;加成反应,如在镍为催化剂作用下,苯跟H2反应生成环己烷;苯环破裂反应,如苯在V2O5催化剂作用和加热条件下,用空气氧化生成顺丁烯二酸酐:
通过这些反应,可由苯制成多种重要的化学中间体,它们是合成橡胶、塑料、纤维、洗涤剂、染料、医药、农药、炸药等的重要基础原料。
【苯的用途】
过去,苯的主要用途是作汽油的掺合物,以提高汽油的辛烷值。随着石油化学工业的发展,作为化工原料的苯的用量越来越大,其中制苯乙烯、环己烷和异丙苯所耗用的量最多,约占世界总产量的80%。我国70年代纯苯的产量为16.67万吨,1983年达42.5万吨。苯的主要用途见下表:
【烷 烃】
即饱和链烃。烷烃分子里的碳原子之间以单键结合成链状(直链或含支链)外,其余化合价全部为氢原子所饱和。烷烃包括一系列的化合物,有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)等。烷烃的通式为CnH2n+2。烷烃的物理性质,如沸点、熔点等随分子中碳原子数目依次增加而呈现有规律性的变化。烷烃几乎不溶于水,化学性质较稳定,不跟酸性KMnO4溶液反应;能燃烧;在一定条件能发生取代反应、裂解反应等。烷烃的主要工业来源是石油和天然气。天然气有干气、湿气之分,主要成分是甲烷。干气除用做燃料外,还可以生产碳黑以及生产合成氨、甲醇和其它有机化学工业品的原料气。湿气中含有较大量的乙烷、丙烷、丁烷等,除直接用作燃料外,也可经裂解生产乙烯做化工原料。石油经分馏,除获得大量燃料油、润滑油外,相当大的一部分进行化学加工,如C7—C9馏分经催化重整可得芳香烃,重质油经催化裂化再进行分离可得乙烯、丙烯、丁二烯等重要化工原料,用以生产塑料、橡胶等。
【烷烃的命名】
1892年日内瓦国际化学会议规定了一个命名原则,这个命名原则称为日内瓦命名法,也称国际命名法。我国的有机化合物命名原则是根据我国的文字特点,参照国际命名法制定的,称为系统命名法。烷烃的系统命名法如下:
1.从结构中选定最长的碳链为主链,根据这个碳链所含碳原子数称为“某”烷,并以它作母体。将主链以外的其它烷基看作取代基(或称支链)。但初学者容易出现的错误是习惯于把横向排列的碳链作为主链,其它作为支链。如:
误认为主链含4个碳原子,而实际是5个碳原子。
2.由距离支链最近的一端开始,将主链上的碳原子用1,2,3……,等数字依次编号,以确定支链的位置。如:
3.把取代基的名称写在烷烃名称前面,在取代基的前面用阿拉伯数字注明它在烷烃直链上的位置,并在号数后面连一短线。如:
4.如含有几个相同的取代基,则在取代基的前面用中文数字二、三、四等表明相同基的数目;如取代基不同,就把简单的写在前面,复杂的写在后面。如:
【环烷烃】组成烃分子的碳原子相互连接成环状的,叫环烃,在环烃分子中,碳原子之间全是单键相互结合的叫环烷烃,也叫饱和脂环烃。由三个、四个碳原子组成的环烷烃,环的稳定性较差,在一些试剂的作用下易发生开环反应。五个以上碳原子构成的环较稳定。这些环烷烃的性质与饱和链烃相似。以下是几种环烷烃的结构简式:
环烷烃的通式为CnH2n,它们与相应的烯烃属同分异构体。在环烷烃中,目前使用较多的是环己烷,常用为树脂的有机溶剂以及制尼龙—6的原料。
【不饱和烃】分子中含双键或叁键的烃。有双键的称烯烃(一个双键)或二烯烃(两个双键),有叁键的称炔烃。如:
不饱和烃的化学性质活泼,易受酸性KMnO4溶液氧化,易发生加成反应和加聚反应。
【定义】有机物分子中不饱和键跟其他原子或原子团结合,生成饱和(或较饱和)化合物,这种反应叫加成反应。。如
CH2CH2+Br2→CH2Br—CH2Br
CHCH+H2
CH2
CH2
【说明】
1、醛羰基和酮羰基的双键与烯烃的碳碳双键一样,其中一个键易断裂而发生加成反应,如:
如加成试剂为简单化合物时,分子中带正电性的原子加到羰基带负电性的氧原子上,带负电性的原子(或原子团)加到羰基的碳原子上,如:
2、加成反应主要有两种。一种是烯、炔烃等不饱和键上的加成反应。例如
【加聚反应】小分子的烯烃或烯烃的取代衍生物在加热和催化剂作用下,通过加成反应结合成高分子化合物的反应,叫做加成聚合反应,简称加聚反应。如:
单体可以是两种以上的不同物质,如:
在工业上,通过加聚反应制造合成塑料、合成橡胶等。
【高分子】高分子化合物的简称。亦称“大分子化合物”或“高聚物”。分子量可高达数千乃至数百万以上。可分为天然高分子化合物和合成高分子化合物两大类。天然高分子化合物如蛋白质、核酸、淀粉、纤维素、天然橡胶等。合成高分子化合物如合成橡胶、合成树脂、合成纤维、塑料等。
【说明】
①高分子的分子量从几千到几十万甚至几百万,所含原子数目一般在几万以上,而且这些原子是通过共价键连接起来的。
②高分子化合物由于分子量很大,分子间作用力的情况与小分子大不相同,从而具有特有的高强度、高韧性、高弹性等。
③高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时,叫线型高分子(如聚乙烯的分子)。这种高分子在加热时可以熔融,在适当的溶剂中可以溶解。高分子化合物中的原子连接成线状但带有较长分支时,也可以在加热时熔融,在适当溶剂中溶解。
④如果高分子化合物中的原子连接成网状时,这种高分子由于一般都不是平面结构而是立体结构,所以也叫体型高分子。体型高分子加热时不能熔融,只能变软;不能在任何溶剂中溶解,只能在某些溶剂中溶胀。
⑤高分子化合物在自然界中大量存在,这种高分子叫天然高分子。在生物界中,构成生物体的蛋白质,纤维素;携带生物遗传信息的核酸;食物中的淀粉,衣服原料的棉、毛、丝、麻以及木材、橡胶等等,都是天然高分子。非生物界中,如长石、石英、金刚石等,都是无机高分子。天然高分子可以通过化学加工成天然高分子的衍生物,从而改变其加工性能和使用性能。例如,硝酸纤维素、硫化橡胶等。
⑥完全由人工方法合成的高分子,在高分子科学中占有重要的地位。这种高分子是由一种或几种小分子作原料,通过加聚反应或缩聚反应生成的,故也叫聚合物。用做原料的小分子称为单体,如由乙烯(单体)经加聚反应得聚乙烯(聚合物);由乙二醇(单体)和对苯二甲酸(单体)经缩聚反应生成聚对苯二甲酸乙二酯(聚合物)。
【定义】分子中含有-个或多个碳碳三键的碳氢化合物叫炔烃。
【说明】
1. 由于炔烃分子中在碳链分支的地方不可能有三键,炔烃没有顺反异构体,因此,炔烃的异构体数比相同碳原子数的烯烃少。
2. 炔烃的命名跟烯烃相似。
3. 炔烃跟烯烃的性质相似,也能发生亲电加成、聚合和氧化 反应。炔烃还能发生亲核加成(烯烃不易发生)。跟三键碳原子连接的氢原子(一C≡C—H)比较活泼(叫做活泼氢或炔氢),它能跟某些试剂反应,被金属取代而生成金属炔化物。
4.炔烃的组成通式为CnH2n-2。炔烃与碳原子数目相同的二烯烃互为同分异构体。炔烃分子中的碳碳叁键是官能团,性质活泼,容易发生氧化反应、加成反应和加聚反应。炔烃里最简单的是乙炔。乙炔在氧气中燃烧产生高达3500℃高温,用于金属的焊接或切割,大量的乙炔用为化工原料制聚氯乙烯、氯丁橡胶及醋酸等。实验室小量制乙炔,常用电石跟水反应排水收集。工业上用天然气中甲烷的部分氧化或石油高温裂解而得。
【定义】
1. 芳香烃指含有苯环的碳氢化合物(狭义)。
2. 芳香烃指含有4n + 2(n = 0、l、2、3……)个π电子的平面环状的共轭烯烃(广义),即苯型芳烃和非苯芳烃的总称。
【说明】
1. 通常所说的芳烃,一般指苯型芳烃。
2. 根据结构,芳烃分单环芳烃、多环芳烃和稠环芳烃三类。
a.单环芳烃 分子中只含一个苯环的芳烃。如苯、甲苯、二甲苯等。
b.稠环芳烃 两个或两个以上的苯环分别共用两个相邻的碳原子而成的芳烃。如萘、蒽、菲
蒽和菲互为同分异构体。
c.多环芳烃 如:
3.芳香烃主要来源于煤焦油和石油。芳香烃不溶于水,溶于有机溶剂。芳香烃一般比水轻;沸点随分子量的增加而升高。芳香烃易起取代反应,在一定条件下也能起加成反应。如苯跟氯气在铁催化剂条件下生成氯苯和氯化氢,在光照下则发生加成反应生成六氯化苯(C6H6Cl6)。芳香烃主要用于制药、染料等工业。
【1,3-丁二烯】在常温和常压下,1,3-丁二烯是无色而略带大蒜味的可燃气体。沸点-4.41℃,熔点-108.9℃。有毒,空气中含低浓度时,对粘膜有刺激性,高浓度有麻醉作用。与空气能形成爆炸混合物,爆炸极限2.16-11.47%(体积)。1,3-丁二烯微溶于水,易溶于苯、乙醚、氯仿、四氯化碳、汽油等有机溶剂。1,3-丁二烯的化学性质活泼,可使酸性KMnO4溶液或溴水褪色,更重要的是能发生加聚反应(自身1,4加成),化学方程式为:
这是用共轭二烯烃及其衍生物制造合成橡胶的反应基础。
【定义】有机化合物分子里的某些原子或原子团被其它原子或原子团所代替的反应。例如:
此外,磺化、酯化、酯水解等也是取代反应。
【说明】
1、取代反应与置换反应是完全不同的两类反应。置换反应都有单质参加反应,一般都涉及电子得失,并且反应生成物一定有一种单质;而取代反应是因有机物分子里原子间都以共价键结合,发生反应时仅是原子间的代换,不涉及电子得失,生成物一定没有单质出现。如苯跟溴(Fe为催化剂)本是取代反应,反应方程式如下写法则是错误的:
当然,有机物并不是不能发生置换反应,如:
2C2H5OH+2Na→2C2H5ONa+H2↑
则是置换反应。
2、根据反应历程,取代反应分下列三类。
【甲烷的物理性质】
甲烷是烃类分子组成最简单的物质,化学式CH4。甲烷是无色、无味的气体,难溶于水,密度(标准状况)0.717克/升,沸点-161.5℃,熔点-182.48℃。沼气、坑气、天然气的主要成分是甲烷。天然气中的甲烷经低温和加压液化,可以用特殊船舶越洋运输。
【甲烷的化学性质】
甲烷的化学性质甲烷性质稳定,跟酸性KMnO4溶液或溴水均不发生反应。在一定条件下,甲烷能发生卤代反应(Cl2,Br2)和热分解(分解成C、H2、C2H2等)等反应。甲烷燃烧时火焰呈青白色。点燃甲烷和空气的混合气会发生爆炸。甲烷在空气里的爆炸极限是5.3~14.0%(体积),在氧气里的爆炸极限是5.4~59.2%(体积)。【甲烷的实验室制法】
实验室用无水醋酸钠与碱石灰(固体NaOH与Ca(OH)2的混合物)共熔(约300℃以上)而产生。
先检查装置的气密性。把无水醋酸钠与碱石灰的混合物装入干燥试管中,试管口稍向下倾斜并固定在铁架台上。先用酒精灯均匀加热,再从试管底部固定加热,并缓缓向前移动灯焰。待试管里的空气赶尽后,用大试管排水收集,除非要求制取干燥的甲烷时,才用向下排空气法收集。收满甲烷的集气瓶,盖好毛玻璃片后应倒放在实验桌上,这样可以减少比空气轻的甲烷的逸失。停止加热时,要先把导管从水槽里撤出。碱石灰是由粉状生石灰与NaOH溶液作用后,在200~250℃干燥而成,这样能使NaOH与Ca(OH)2混合很均匀。其中Ca(OH)2的作用,除使NaOH分散细而匀,因而增加了NaOH与无水醋酸钠的接触面外,在加热时,还能减少熔融的NaOH对试管内壁的腐蚀。碱石灰极易吸湿,故在用无水醋酸钠和碱石灰混合加热制甲烷时,常有冷凝水出现,试管口如不稍向下倾斜,冷凝水将回流至灼热的试管底部而使试管炸裂。试管口稍向下倾斜时,冷凝水都汇集在试管口附近,不会回流。
【定义】分子中含有两个碳碳双键的链状或环状的碳氢化合物叫二烯烃。按分子结构,有环状二烯烃(如1,3-环戊二烯)和链状二烯烃。通常,二烯烃是指分子中含两个双键的不饱和链烃。
【说明】二烯烃分子中,由于两个双键的位置不同,有三种情况:
1.聚集双键二烯烃 如丙二烯CH2=C=CH2。这是一种无色气体,加热时,异构化成丙炔。
2.共轭双键二烯烃 两个双键被一个单键隔开的二烯烃。如1,3-丁二烯,1,3-戊二烯和异戊二烯。共轭二烯烃除具有和烯烃相似的化学性质外,主要特点是能发生1,4加成、聚合反应。
3.隔离双键二烯烃 两个双键被两个以上单键隔开的二烯烃。如1,4-己二烯(CH2=CH-CH2-CH=CH—CH3)。在二烯烃中,共轭双键二烯烃是最重要的一类,其中丁二烯和异戊二烯是合成橡胶的重要原料。
聚集双键二烯烃很不稳定。隔离双键二烯烃的性质基本上跟单烯烃一样。 共轭二烯烃除了有单烯烃的性质外,还能发生1,4 —加成、1, 4- 加聚和双烯合成反应。
【定义】分子中含有一个或多个碳碳双键的碳氢化合物叫做烯烃。
【说明】
1. 根据分子中含有碳碳双键的数目,烯烃分成单烯烃、二烯 烃等。开链的单烯烃常简称为烯烃,通式是CnH2n。闭链的单烯烃常简称为环烯烃,通式是CnH2n-2。
2. 烯烃的命名跟烷烃相似,但选择的主链中必须含有双键, 编号从近双键的一端开始,并注明双键的位次。
3. 烯径有烧烃没有的位置异构和顺反异构,所以烯烃的同分异构体数比相同碳原子的烷烃多得多。
4. 碳碳双键是一个σ键和一个π键构成。π键比较活泼,所以烯烃能发生加成、聚合、氧化等反应。在双键的影响下,跟双键相邻碳原子上的氢原子(α-氢原子)比烷烃容易发生取代和氧化反应。
5.与碳原子数目相同的环烷烃互为同分异构体。C2—C4的烯烃在常温常压下是气体,C5—C15的烯烃是液体,分子中含碳原子数更多的烯烃是固体。都可燃,火焰明亮。它们的物理性质,一般地随分子中碳原子数目增加而有规律地变化。烯烃分子中因含有双键,化学性质比烷烃活泼,容易发生氧化反应、加成反应和加聚反应等。从工业生产角度说,重要的是乙烯和丙烯,它们是制造合成纤维、合成树脂等的基础原料,工业上是由石油裂解生产的。
【萘】结构最简单、工业上最重要的稠环芳香烃,分子式C10H8,结构式为:
0.9625克/厘米3(100℃),不溶于水,易溶于苯、乙醚和热乙醇,易升华,有特殊气味。
化学性质与苯相似,取代反应比加成反应容易进行。萘的取代
例如:
萘比苯容易氧化:
邻苯二甲酸酐是制染料、药物、塑料的重要原料。工业上的萘大部分用于生产邻苯二甲酸酐。煤焦油中含萘可达10%,可以从煤焦油的中油馏分或右油产品裂化所得的高沸点镏分用结晶法分离获得。
【聚氯乙烯】
5万到12万。无固定熔点,有较好机械性能和电绝缘性能,对光和热的稳定性差,长时间光照及140℃以上高温会分解产生氯化氢。实际应用中需加入稳定剂,以提高对光和热的稳定性。该树脂耐化学腐蚀,不易着火。注塑时加入适当稳定剂、增塑剂和润滑剂,经加工成型可制成硬质热塑性塑料,以代替金属制成各种工业型材、管材、机械零件、绝缘板、印刷板及防腐材料等;软质热塑性塑料主要用做包装材料和防雨材料;还可制作人造革、地板、录音材料、合成纤维(氯纶)、家具,运动器材等。聚氯乙烯通常是由乙炔在金属卤化物催化下与氯化氢加成制得氯乙烯单体,再经加聚而得:
【实验式】 定义用元素符号表示化合物中各元素的原子(或离子)比, 这种式子叫做实验式(又叫最简式)。
说明
1. 非分子型化合物只能用实验式表示它的组成。例如, CaCl2是氯化钙的实验式,它仅表示氯化钙晶体中钙离子和氯离 子的比是1:2。
2. 有机化合物中的不同化合物,往往会有相同的实验式。例 如,甲醛(HCHO)、乙酸(CH3COOH)和葡萄糖(CsHGOs)的实验式都是CH2O。实验式相同的不同化合物,具有相同的元素质量比。
3. 已知化合物的分子量和最简式,可设求出这种化合物的分子式。例如乙酸的最简式是:CH2O (式量为30),分子量是60。 (CH20)n=60,11=60/30=2,所以乙酸的分子式是 C2H402。
【定义】
1.用元素符号表示物质组成的式子,叫做化学式。
2.用化学符号表示物质组成的式子,叫做化学式。
【说明】
1.化学式包括实验式(又叫最简式)、分子式和结构式等,这 是化学式的广义含义。有时又把实验式叫做化学式,这是化学式 的狭义含义。
2.定义1是初中刚学化学式时的定义,定义2更确切。
3.分子式仅适用于分子型化合物。例如,氧气、二氧化碳、硫酸、乙烯等可用分子式02、C02、H2S04、C2H4等表示。非分子型化合物不宜用分子式表示,只能用实验式表示。例如,氯化钠、硫 酸钾、氢氧化钡等都是离子化合物,并不存在单个的分子,只能用实验式NaCl、K2S04、Ba(OH)2等表示。这时经常把这些实验式叫做化学式。
4.按分子式对各原子相对原子质量(旧称原子量)进行加和的结果,称为相对分子质量(过去称分子量)。按化学式对各原子 相对原子质量进行加和的结果,则称为式量。
5.在初中化学教学中,不能区别各种物质是分子型化合物还是非分子型化合物,所以常统称为化学式。
6.对磷、硫、铜、铁等的固体单质(除碘外),常用元素符号表 示它的化学式。
【定义】
1.用分子式表示化学反应的式子。
2.用化学式表示化学反应的式子。
【说明】
1.化学方程式也叫化学反应式。
2.书写化学方程式时,必须反映事实,不能臆造,并应遵循质量守恒定律。
3.有的物质是由原子构成的,有的物质由离子构成,这些物质只有化学式而没有分子式。所以上述定义的第二种表述比第一种表述更确切。为此,我国中学化学教材中已开始用第二种表述替代原教材的第一种表述。
4.化学方程式中左边的反应物和右边的生成物中间以→或=相连,两边各种元素原子的总数应该相等。用可逆符号表示可逆反应,在讨论化学平衡时使用。用可逆符号
表示双向反应。
5.化学方程式不仅表明反应物和生成物,还表明它们之间发生反应时的计量关系。例如,
CO+O2=2CO2
质量比:56: 32: 88
物质的量的比:2:1: 2
气体体积比:2: 1 :2(相同状况下)
6.化学方程式中还有热化学方程式、离子方程式等。
化学教学中应注意不宜把化学方程式简称为方程式。
【定义】一种元素的平均原子质量对核素12 C原子质量1/12 的比。也叫相对原子质量。一个原子的真实质量很小,例如一个 H原子的质量为 1. 6736×10-24 克、一个
O原子的质量为 2.6561×10-23 克,用克作单位使用很不方便。1960年,国际上统一以
C的1/12的质量(1.6606×10-24 克)作为质量的标准,得到统一的各原子的相对质量,例如同位素
H的原子量为1.007825、同位素
C的原子量为12.0000。
【说明】
1.相对原子质量旧称原子量。相对原子质量是无量纲的,常用符号Ar表示。Ar(Cl) =35. 4527,表示氯元素的相对原子质量为 35.4527。
2.定义中的“平均原子质量”是对多核素元素而言的。平均原子质量是该元素的各种核素原子质量和丰度的乘积的和。例如,
l H 1.007825U 99.985%
2 H 2.0140u 0.015%
氢的平均原子质量=1. 007825uX99. 985%+ 2.0140uX0. 015%=1.00794u
氢的相对原子质量=1.00794u/12u=l. 00794
3.相对原子质量是相对数值,比较的基准在历史上几经变更。1803年道尔顿以H的原子量1作为基准,发表第一张原子 量表。1826年柏齐利乌斯建议以O的原子量的1/100为基准。 后来以O的原子量的1/16为基准,这在化学史上沿用了较长时 间。1929年发现氧有三种同位素(16 O、17 O、18 O),看来以O原子 量的1/16为基准就不妥当了。这时,物理学界改用16 0的1/16 为基准。1959年马陶赫建议以12 C的1/12为基准的新标准。 1960年国际纯粹物理与应用物理学联合会,1961年国际纯粹化学 与应用化学联合会相继同意这一新标准,一直应用至今。
【定义】原子核内质子数(Z)和中子数(N)的总和。
【说明】
1.质量数用符号A表示。质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N),
按规定,质量数写在元素符号的左上方,如12C、35C1、180等表示不同的核素。
2.质量数也是跟同位素质量(或称同位素量)接近的整数。 例如,35C1的同位素质量是34. 96885u, 37C1的同位素质量是 36. 96590u,它们的近似值分别是35和37。所以它们的质量数分别是35和37。
3.原子核内的中子和质子统称核子,所以原子核内核子数的和就是该原子的质量数。对于放射性元素,用不同的质量数来表明不同的词位素,在放射化学和原子核物理学中既重要又简明可靠。
【定义】
1.分子式中各原子的相对原子质量的总和就是相对分子质量。
2.物质的分子或特定单元的平均质量跟核素12 C原子质量 的1/12的比,叫做相对分子质量。
【说明】
1.相对分子质量旧称分子量。相对分子质量没有量纲,常用符号Mr表示。例如,氯分子的相对分子质量Mr(C12) =35.4527X2=70.9054。
2.相对分子质量一般适用于以分子存在的物质。以离子或巨型分子(原子晶体)存在的物质常以化学式表示。化学式中各原子的相对原子质量的总和称为式量。
【定义】化学式中各原子的相对原子质量的总和叫做式量。例如,NaCl仅代表氯化钠晶体的化学式,根据NaCl计算得到氯化钠的式量是58.5。
【说明】式量可适用于以分子形式存在或不是以分子形式存在的所有物质,只要它有确切的化学式。相对分子质量只适用于以分子形式存在的物质。
【定义】1摩物质具有的质量叫做摩尔质量。
【说明】
1.摩尔质量的符号是M,它的单位是千克每摩(kg/md)、克 每摩(g/mol)。
2.有确定化学组成的物质,它的摩尔质量是 M =10—3 Mkg/mol=Mr g/mol
式中Mr是有确定化学组成的物质的相对分子质量(或式量)。例 如,氯气的摩尔质量是M(C12) =70. 9054X10—3 kg/mol = 70. 9054g/mol 氢氧化钠的摩尔质量是M(NaOH) =40g/mol 非金属固体和金属的单质常用元素符号表示,所以它们的摩 尔质量在数值上等于相对原子质量(Ar)。例如,铁的摩尔质量是M(Fe) =56g/mol 同理,氢氧根离子的摩尔质量是M(OH-)=17g/mol
3.物质的量(n )、物质的质量(m)和摩尔质量( M )三者之间的关系是:M=m/n
4.假如在某一混合系统中,含有a、b、c …物质(化学式),各 物质的量是n(a)、n(b), n(c)…,各自的摩尔质量是M(a)、M (b)、M(c)…,混合系统中的总质量是m,那么该混合系统中的物质的量(n)是
n=n(a) + n(b) +n(c) + …(mol),
其中,m=n(a) • M(a) + n(b)• M(b) + n(c)•M(c)+ …
(g)
则该混合系统中的摩尔质量(M)是
M=m/n=[n(a) • M(a) + n(b)• M(b) + n(c)•M(c)+ …] (g)÷[n(a) + n(b) +n(c) + …](mol),
例如,空气中02和N2的物质的量的比是21: 79,求空气的摩尔质量M
解: M(空气)=(32×21+28×79)÷(21+79)= 29 (g/mol)
【定义】摩尔是一系统的物质的量,该系统中包含的基本单 元数等于0. 012kg12C的原子数,该数量就叫1摩尔。
【说明】
1.1971年第十四届国际计量大会决定;物质的量的单位摩尔是国际单位制的第七个基本单位。
2.摩尔的符号是mol。摩尔简称摩,一般情况下使用简称。 使用摩尔时,基本单元必须指明,如原子、分子、离子、电子等,或这些粒子的特定组合。对基本单元能用化学式表示的,一定要注明化学式,否则会造成混淆。例如lmol N2、lmolN、lmol OH-、 lmol Na2C03、lmolNa2C03 • 10H20,还可以指 lmol C—H 键 等。
3.0.012kg12C中含有的碳原子数是阿佛加德罗常数。阿佛加德罗常数经实验测得,随着科学技术的发展,测得的数值会不断趋于精确,所以给摩尔下定义时不采用具体数值。一般情况下,阿佛加德罗常数取6.02×1023/mol。
4.lmol 12C的质量是12g,所以lmol任何原子的质量,以克为单位,在数值上等于该元素原子的相对原子质量。例如, lmol O的质量是16g, lmol Fe的质量是56g。同样,lmol任何分子的质量,以克为单位,在数值上等于该物质分子的相对分子质量。例如,lmol H2O的质量是1.8g, lmol CO2的质量是44g。依此类推,lmol OH—的质量是17g,lmol NaCl的质量是58.5g。
【定义】
1.在标准状况下,1摩任何气体所占的体积都约是22.4升, 这叫做气体的摩尔体积。
2.在标准状况下(0°C和lOlkPa),1摩理想气体的体积叫做 气体摩尔体积。它的符号是Vm,数值是(0. 02241410 ±0.00000019)m3/mol 或(22.41410 士 0.00019)L/mol
【说明】
1. 1摩固态或液态物质的体积是各不相同的。摩尔体积的大小决定于微粒的大小和微粒间的距离。固体或液体的不同微粒,大小不一样,当然它们的摩尔体积不同。
2.气体分子的直径约是气体分子间平均距离的1/10,所以 气体分子的体积跟整个气体体积相比,可以忽略不计。在标准状 况下,不同气体分子间的平均距离几乎是相等的,所以1摩的任何气体(即分子数目相同的任何气体)在标准状况下所占的体积几乎相等。
3.只有理想气体(指分子本身的体积和分子间的作用力可忽略不计的气体)在标准状况下的气体体积才是(22. 41410 士0.00019) L/mol。通常的气体,它的气体摩尔体积只是接近 22. 4 L/mol。
【定义】在相同的温度和相同的压强下,同体积的任何气体都 含有同数的分子,这就叫阿伏加德罗定律。
【说明】
1.这是意大利科学家阿伏加德罗(Amedeo Avogadro, 1776 一1856)在1811年提出的假说,后来为许多实验所证实,所以叫做阿伏加德罗定律。它在原子、分子学说的形成和原子量测定等方面都起过重要的历史作用。
2.在0℃、101KPa时,1mol氢气、氧气或氮气等都含有6.02 ×1023个分子(阿伏加德罗常数)。
3.根据阿伏加德罗的假说,结合道尔顿的原子学说,就可以解释盖•吕萨克的气体化合体积比定律。例如,在同温同压下,2 体积氢气跟1体积氧气完全化合生成2体积的水蒸气,
根据阿伏加德罗的假说,可推知每个氢分子和氧分子都是由两个原子构成的。
【定义】
1.lmol物质中所含的微粒数。
2.0. 012kg12C中所含的碳原子数。
【说明】
1.阿伏加德罗常数的符号是NA,单位是每摩(mol-1),数值是NA= (6. 0221367±0.0000036)×1023/mol
2.阿伏加德罗常数由实验测定。它的测定精确度随着实验技术的发展而不断提髙。测定方法有电化学当量法、布朗运动法、 油滴法、X射线衍射法、黑体辐射法、光散射法等。这些方法的理论依据不同,但测定结果几乎一样,可见阿伏加德罗常数是客观存在的重要常数。例如,用含Ag+的溶液电解析出lmol的银,需 要通过96485.3C (库仑)的电量(此个值叫做法拉第常数F)。
已知每个电子的电荷是1.60217733×10—19 C,则NA= ( 96485.3C/mol)/(1.60217733×10-19C)=6.022136×1023/mol
【定义】由两种或几种不同的单质或化合物机械混合而成的物质,叫做混合物。
【说明】【定义】冶金工业上习惯把铁、铬、锰以及它们的合金(主要指合金钢 及钢铁)叫做黑色金属。实际上纯净的铁与铬都是银白色的,而锰是银灰色的。之所以把它们叫做黑色金属,是因为钢铁表面常覆 盖一层黑色的四氧化三铁,而锰和铬又主要应用于冶炼合金钢,所 以人们把铁、铬、锰以及它们的合金叫做黑色金属。另外,人们专门把这三种金属及其合金归成一类,而把其余所 有的金属及合金归成有色金属,这是因为钢铁在国民经济中占有极其重要的地位,是衡量一个国家国力的重要标志之一;它的产量 约占世界上金属总产量的95%。铬是所有金属中最硬的,又是难腐蚀的金属。人们常把铬接 进钢里,制成又硬又耐腐蚀的铬钢。铬钢是建造机械、枪炮筒、坦克和装甲、车等的好材料。在炼钢时掺人12%以上的铬,再掺进一定量的镍,可以炼成不锈钢。铬还是电镀时(俗称克罗米)的必用金属。在炼钢时掺人约13%的锰,可炼出坚硬、强軔的锰钢。人们用锰钢制造钢磨、滚珠轴承、推土机与掘土机的铲斗等易磨损部件。高锰钢还用来制造钢盔、坦克钢甲和穿甲弹的弹头等。近年来,大洋底下的锰结核引起人们的广泛兴趣。锰结核中 含锰高达50%,铁为27%。据估计,太平洋底约有1000亿吨猛结 核。我国是世界上取得锰结核开采资格的国家之一。新中国成立以后,我国的钢铁工业得到了飞速的发展,到 1993年为止我国的钢产量已超过8868万吨,是新中国成立以前 最高年产量(1943年90万吨)的近89倍,年产量已跃居为世界第二位。
【有色金属】除黑色金属以外的所有金属叫做有色金属。有色金属及其合金是现代材料的重要组成部分,它跟能源、信息技术关系密切,是发展国民经济,实现四个现代化必不可少的基础材料。据估计, 铜、铝、铅、锌、镍、锡、金和银8种有色金属的世界年产量仅为钢产量的5%,而其产值达到钢昀50%。
在冶金工业中,通常按密度的大小、矿物原料的富集程度以及 用途和价格,把有色金属分成轻金属、重金属、贵金属、半金属和稀有金属5大类。【重金属】它一般指密度大于4.5 g/cm3的金属,包括铜、铅、锌、镍、钴、 锡、锑、汞、镉、铋。如果把金属分成铁和非铁金属两大类,锰、铬也可归人重金属。
按冶金工业的有色金属分类法,密度大于4.5g/cm3的金属并不都归入重金属,如金、银、铂等归人贵金属,钨、钼、铌等归人稀有金属。【轻金属】它一般指密度小于4.5 g/cm3的金属,包括铝、镁、钠、钾、钙、 锶、钡。按冶金工业中有色金属的分类法,密度小于4.5 g/cm3的金属并不都归入轻金属,如锂、铷、铯、铍归入稀有金属(分属稀有轻金属),钛归入稀有金属中的难熔金属。
【贵金属】贵金属是有色金属中的一类,包括金、银和铂族金属(钼、钌、 铑、钯、锇、铱)共8种。这些金属在地壳里的丰度低,分布稀散,彼此互溶共生,富集、分离和提纯都较困难,价格较贵,所以得名为贵金属。
大量的银从冶炼铜、铅、锌的阳极泥中回收,金和铂族金属主 要从处理砂矿和矿脉中获得。我国的铂族金属主要从铜、镍、硫化共生矿中回收获得。
金、银常用来制造装饰品和钱币。从19世纪末开始,贵金属和贵金属合金应用于工业和科学研究,现广泛用于航空、航天、原子能、化工、电子工业、冶金工业等部门。【稀有金属】稀有金属通常指在地壳中含量较少或分布稀散的金属。它们 难以从原料中经济地提取,制取和使用得很少,因此得名为稀有金 属。近半个世纪以来,稀有金属的研究、生产和应用迅速发展,有 些稀有金属已经不“稀”,如钛在现代技术中的应用日益广泛、产量增多,所以有人也把它列人轻金属。
我国稀有金属资源丰富,例如,钨、钛、稀土、钒、锆、钽、铌、锂、 铍等已探明的储量都居于世界前列。我国内蒙的包头市境内稀土 储量占全国的97%,占世界储量的77%,是闻名世界的“稀土之 都”。包头稀土高新技术产业是国家级的,预计到本世纪末将成为全球最大的稀土工业之城。【不成盐氧化物】不能跟酸起反应,又不能跟碱起反应而生成盐和水,这类氧化 物叫做不成盐氧化物。例如,NO、CO属于不成盐氧化物。一氧化碳能跟氢氧化钠起反应,生成甲酸的钠盐。
CO+NaOH→HCOONa,但是在生成盐时没有生成水,所以一氧化碳仍属于不成盐氧化物。【定义】能跟碱起反应而生成盐和水,这种氧化物叫做酸性氧化物。
【说明】【定义】能跟酸起反应,生成盐和水,这种氧化物叫碱性氧化物。
【说明】【定义】能跟酸反应生成盐和水,又能跟碱反应生成盐和水,这种氧化物叫做两性氧化物。
【说明】【定义】
1.元素的性质随着原子序数(即核电荷数或质子数)的递增而呈周期性变化,这种规律叫做元素周期律。【定义】它是元素在周期表中的序号,等于该元素原子的核内质子数。
【说明】【定义】零族元素包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和 氡(Rn) 6种元素,因位于周期表的零族而得名。
【说明】零族元素的原子最外层结构是ns2np6具有8电子的稳定结构(氦只有2个电子),所以化学性质极不活泼。它们的单质都是以单原子形式存在的气体,无色、无嗅、无味,微溶于水,熔 点和沸点都很低。【定义】以IIIB族镧为首的一系列元素叫镧系元素。它包括从原子 序数57到71共15种元素。这15种元素是镧(La)、铈(Ce)、镨 (Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Td)、镝 (Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。通常以Ln代表镧系元素(所有的或各个的)。
【说明】【定义】以IIIB族锏为首的一系列元素叫锕系元素。它包括原子序数从89到103共15种元素。这15种元素是锕(Ac)、钍(Th)、 镤(Pa)、铀(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)、锎 (Cf) 、 锿(Es)、镄(Fm)、钔(Md)、锘(No)和镑(Lr)。通常以An代表锕系元素(所有的或各个的)。
【说明】【定义】由核电荷数相同的放射性同位素组成的元素叫放射性元素。
【说明】【定义】原子序数大于92 (即铀元素)的元素统称铀后元素。 铀后元素又叫超铀元素。
【说明】【定义】 在自然界中未发现的只由人工核反应制取的元素,叫做人造元素。
【说明】电子是构成原子的基本粒子,带有1. 60218×10-19库仑负电荷,是电量的最小单位,在原子单位中被定义为一个原子单位电荷,叫做电子电荷。电子的静止质量是9.110×10-3Okg,这个数 值也被定义为1个原子单位质量。电子常用符号e表示。
电子是1897年由英国物理学家汤姆孙(Joseph John Thom¬son, 1856—1940)在研究阴极射线时发现的,它是最先知道的基本粒子。1927年由他的儿子汤姆孙(George Poget Thomson, 1895—1975)和戴维逊(Clinton Joseph Davisson, 1881一1958) 分别独立地发现电子的晶体衍射现象,从而证明电子有波动性。 电子的波粒两象性构成现代量子化学的基础。质子是构成原子的基本粒子,常用符号P表示。它和中子一起构成原子核,质子数+中子数=原子的质量数。质子带1个单位正电荷,它带的电量等于电子带的电量,只是电性相反。氢的原 子核就是质子,它的质量是1.6726×10-27kg。约为电子质量的1836.2倍。原子中所有质子的质量和所有中子的质量之和,近似地等于原子的质量。
原子核内的质子数决定元素的名称,也决定该元素在周期表中的原子序数和核外的电子总数。中子也是构成原子的基本粒子,常用符号n表示。它和质子一起构成原子核。中子是不带电的中性粒子,它的质量是1. 675×10-27kg,比质子的质量略大,约为电子质量的1838.7倍。
中子单独存在时不稳定,平均寿命约为15.3分,很快衰变成质子、电子和反中微子。中子是电中性的,故易进入原子核内部,常用作轰击粒子以引起核反应。【原子核外电子排布】当原子处在基态时,原子核外电子的排布遵循三个原则:
1. 泡利不相容原理 :一个原子轨道最多只能容纳两个电子,并且自旋方向相反。或者说,在同一原子里,不会出现电子层、 电子亚层、电子云伸展方向和电子自旋状态完全相同的电子。各电子层最多能容纳2n2个电子,n是电子层标号。【定义】
1. 它是带电的原子或原子团。
2. 它是由原子(包括原子团)或分子失去或得到电子后形成 的带电粒子。
【说明】
1. 原子失去电子后带正电荷,变成阳离子(或正离子);得到电子后带负电荷,变成阴离子(或负离子)。带电的原子团如高锰 酸根离子(Mn04-)、铜氨络离子{[Cu(NH3)2+}等,后者用定义2就难以说明。
2. 简单离子有三个重要特征,它们对离子的性质有决定性的影响。
(1) 离子电荷 简单离子所带的电荷数,就是该元素的化合价。例如,Fe-2e-→Fe2+ , Fe2+带2个单位正电荷,铁的化合价是+ 2。Fe2+有还原性,而Fe3+有氧化性。
(2) 离子半径 测定离子化合物的核间距,可以算出离子的半径,如rI-=216pm, rBr-=195pm。I-和Br-有相同的最外电子层结构,但因rI->rBr- ,I—容易失去电子,表现较强的还原性。
(3) 离子的电子层结构 离子的电子层结构有惰性气体构型 [如Na+ (2s22p6), F-(2s22p6) ]、18电子构型[如Zn2+ (3s23p6Sd10)、 Ag+ (4s24p64d10)]和不饱和构型[如 Pb2+ (6s2)、Fe2+ (3s23p63d6)] 三类
3. 离子一般存在于电解质溶液和离子化合物的熔融状态中。 在电弧、火焰或气体放电管中也能发现有简单离子或简单分子的离子。例如,在放电管或阴极射线中可以证明有H2+
【定义】由不同种元素的原子间形成的共价键,叫做极性键。
【说明】
1.不同种原子,它们的电负性必然不同,因此对成键电子的吸引能力不同,共用电子对必然偏向吸引电子能力强(即电负性大)的原子一方,使该原子带部分负电荷(δ- ),而另一原子带部分正电荷(δ+ )。这样,两个原子在成键后电荷分布不均匀,形成有极性的共价键。
2.极性键的表示方式可在原子的上方写δ+和δ-,键的极性大小用键偶极矩定量表示。 它是一个矢量,规定它的方向由带δ+的原子指向带δ-的原子, 其数值为所带电量δ和核间距(d)的乘积,单位为德拜(D)。例如,C-H键的0.4D; N—H键的5D; 0-H键的1.6D;H —F键1.91D。显然,H—F键的极性大大地强于C—H键。
3. 键的极性大小取决于两个原子吸引成键电子能力的差异程度。根据两种元素电负性差值△X可大体估计共价键的极性大小。一般认为:0<△X<1. 7,形成极性键;△X>1.7形成离子键;△X=0形成非极性键。由此看来,非极性键、极性键、离子键之间是个渐变过程。可以把离子键看作极性最强的极性键,两者既有本质差别,又没有严格的界限。
4. 由极性键形成的分子可以是极性分子,也可以是非极性分子,取决于分子本身结构的对称性。
【定义】由同种元素的原子间形成的共价键,叫做非极性键。
【说明】
1.同种原子吸引共用电子对的能力相等,成键电子云对称地分布在两核之间,不偏向任何一个原子,成键的原子都不显电性。
2.非极性键可存在于单质分子中(如H2中H—H键、02中 0=0键、N2中N☰N键),也可以存在于化合物分子中(如C2H2中的C—C键)。
3.非极性键的键偶极矩为0。以非极性键结合形成的分子都是非极性分子。存在于非极性分子中的键并非都是非极性键。
4.由非极性键结合形成的晶体可以是原子晶体,也可以是混合型晶体或分子晶体。例如,碳单质有三类同素异形体:依靠C一C非极性键可以形成正四面体骨架型金刚石(原子晶体)、层型石墨(混合型晶体),也可以形成球型碳分子富勒烯C60(分子晶体)。
【定义】在以极性共价键结合的分子中,正、负电荷中心不重合而形成偶极,这样的分子叫做极性分子。
【说明】
1.分子的极性和分子类型以及空间构型的关系见下表。
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极性分子 |
2. 以极性键结合的双原子分子或骨架结构不对称的多原子分子都形成极性分子。多原子分子的极性通常由键的极性和分子的空间构型两方面综合起来考虑。
3. 分子极性的大小能直接影响范德华力的大小,间接影响物质熔点、沸点的高低和物质的溶解度。
4. 极性分子的极性大小用分子偶极矩来度量。
【定义】以共价键结合,正、负电荷中心重合的分子,整不分子不显极性。这种分子叫非极性分子。
【说明】
1. 在非极性分子中,整个分子的电子云分布是对称的。
2. 同种原子组成的双原子分子是非极性分子。多原子分子中,如果各极性键的空间取向对称,极性互相抵消,也会形成非极性分子。
3. 以非极性键结合形成的单质分子都是非极性分子。
4. 分子类型和空间构型对分子极性的影响,参见下表。
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非极性分子 |
【定义】在配合物中,跟配合物形成体(中心原子或离子)直接结合的配位原子总数,叫配位数。
【说明】
1. 直接结合的配位原子总数,就是各配位体配位原子数的总和。对单齿配体(即一个配体只有一个被结合的配位原子)来说, 配位数就是配体数。如果是双齿或多齿配体,一个配体上被结合的配位原子数不止一个,则配位数就不是配体数,但仍然是直接结合的配位原子数目。
2. 配位数跟中心原子、配体的大小和它们的氧化态有关。 一般说来,随中心原子(或离子)的半径增大,氧化态升高而配位数增大。同一种中心原子(或离子)在不同配合物中的配位数不是固定不变的,例如[CoCl4]2-和[Co(NH3)6]2+ ; [Ni(CN)4]2- 和[Ni(CN)5]3-
3. 除了中心原子和配位体的结构因素外,配合物形成的条件,如温度、浓度等对配位数也有影响。一般说,低温、高浓度有利于形成高配位数配离子。此外,配位数还跟化合物的物理状态、有没有聚合作用等因素有关。例如,固态的MoC15是双聚分子,Mo的配位数不是5而是6。
4. 目前发现的配合物中,配位数的范围从2〜12都有。其中以4、6为最多、最普遍;配位数为8的正在多起来,2、3、5、7较少见,9~12的更少见。五配位的在过渡金属为中心原子的配合物中也经常遇到,它可以形成双三角锥或四方锥形两种结构。
5. 在讨论各种类型晶体结构时,也常借用配位数这个名词, 系指一个原子(或离子)周围连接的其他原子(或异号离子)的数目。
【定义】在金属晶体里,金属离子和自由电子之间有较强的相 互作用,依靠这种作用把许多金属离子结合在一起,以这种方式结合的化学键叫做金属键。
【说明】
1. 金属自由电子模型可以解释金属的导电、导热、延展性和 有金属光泽等性质。但对金属比热、不同金属导电性差别以及导体、半导体和绝缘体之间的区别难以圆满解释。近代发展起来的金属键能带理论能够解释上述问题。
2. 金属键没有方向性和饱和性。
【定义】原子在成键时受到其他原子的作用,原有一些能量较近的原子轨道重新组合成新的原子轨道,使轨道发挥更高的成键效能,这叫做轨道杂化。形成的新原子轨道叫做杂化轨道。
【说明】
1. 轨道杂化概念,是由美国化学家鲍林在1931年首先提出的,经过不断深化和完善,现已成为当今化学键理论的重要内容之一。 '
2. 杂化轨道的成键能力比原轨道的成键能力大大提高。因此由杂化轨道成键时给体系带来的稳定能,远远超过杂化时需要能量。
3. 由n个原子轨道参加杂化而形成n个能量相等、成分和形状完全相同,仅空间方位不同的杂化轨道,这样的杂化方式叫等性杂化。不同的等性杂化方式会形成不同几何构型的分子结构。例如,1s个轨道,3个p轨道发生sp3杂化,形成4个sp3杂化轨道,这样形成的分子呈正四面体构型。由sp2杂化形成的分子呈平面三角形,由sp杂化形成的分子呈线型。过渡元素常有d轨道参与杂化,如由d2sp3杂化形成的正八面体分子,由d2sp2杂化形成的平面正方形分子,由dsp3杂化形成的三角双锥分子。
4. 当原有能量较近的原子轨道没有全部参加杂化时,如 sp2、sp杂化,就会有多余的p轨道留下来进行侧面重叠,形成Π型轨道或多中心离域大Π轨道。
5.如果原有的价电子层上有富余的价电子(如N、0、C1 等),则常形成不完全等同的杂化轨道。这些轨道除了空间方位不同外,能量、成分、形状都不完全相同。其中有的用以成键,有的被自已的孤对电子占用,如H2O、NH3分子等。H2O分子中氧原子 采取不等性作sp3杂化,形成四个不完全等同的杂化轨道,其中两两 等价,分别和两个氢原子成键及被氧原子的两对孤对电子占有。 这些被孤对电子占用的杂化轨道,在合适的条件下也能再跟另一 原子的空轨道形成配位键,如H30+、NH4+等。
【定义】由金属键形成的晶体,叫做金属晶体。
【说明】
1. 金属键没有方向性。因此在靠金属键结合的金属晶体中, 原子(或离子)总是趋向于形成相互配位数高,又能充分利用空间的密堆积方式。由于每个原子的电子云分布基本上呈球形对称, 因此可把同一种金属原子看成是半径相等的圆球,每个圆球周围可依几何原理排列尽可能多的邻近圆球(一般是6个,连自己共7个),然后无限延伸出去构成一个密置层。在这个密置层上还可以再叠第二层,……,这样形成等径球的空间密堆积结构。
2. 根据金属原子半径大小和密置层的不同堆积方式,可以有 以下4种密堆积结构。
(1) 配位数为12的立方面心最密堆积(A1型,即重复ABC 三层的堆积,见下图左),空间利用率为74. 06%,如Cu副族、 Pb、Al、Tl、Ni副族、Sr 等。
(2) 配位数为12的六方最密堆积(A3型,即重复AB两层的堆积,见下图中),空间利用率为74. 06%,如钪副族、Be、Mg、 Hf、Tc、Re、Co 等。
(3) 配位数为8 (或14)的立方体心密堆积(A2型,见下图右),空间利用率为68. 02%,如碱金属、Ⅴ副族、Cr副族、Ti、Zr、 Zn、Cd、Ca、Sr、Ba 等。
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金属晶体 |
(4)配位数为4的金刚石型四面体 堆积(A4型),空间利用率为34.01 %, 如 Si、Ge、Sn 等。
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金属晶体 |
3. 金属晶体大多数熔点、沸点高, 硬度较大,有金属光泽,有良好的导电性、导热性和机械加工性能。
4. 大多数金属在温度降低时电阻减小,但即使温度接近绝对零度仍有电阻。目前发现少数金属或合金,当冷到一定的低温时,电阻几乎完全消失,出现超导性能。例如,当温度降到一371°C时,金属汞的电阻完全消失。
5.金属单质及一些金属合金都属于金属晶体,例如镁、铝、铁和铜等。金属晶体中存在金属离子(或金属原子)和自由电子,金属离子(或金属原子)总是紧密地堆积在一起,金属离子和自由电子之间存在较强烈的金属键,自由电子在整个晶体中自由运动,金属具有共同的特性,如金属有光泽、不透明,是热和电的良导体,有良好的延展性和机械强度。大多数金属具有较高的熔点和硬度,金属晶体中,金属离子排列越紧密,金属离子的半径越小、离子电荷越高,金属键越强,金属的熔、沸点越高。例如周期系IA族金属由上而下,随着金属离子半径的增大,熔、沸点递减。第三周期金属按Na、Mg、Al顺序,熔沸点递增。
【定义】含有结晶水的固体物质,叫做水合物(曾用名:结晶水合物)。
【说明】
1. 结晶水合物中的水分子是以确定量存在的,如FeCl3•6H20、FeS04•7H20、Ba(OH)2•8H20 和 ZnS04•7 H20等。 因此,结晶水合物是纯净物。
2. 水合物中的水分子有各种结合方式。一种是作为配位体, 配位在金属离子上,叫配位结晶水。另一种结合在阴离子上,叫阴离子结晶水。例如,CuSO4•5H20加热到113°C,只失去4分子水,加热到258°C才能脱去最后1分子水。由此推断,它的结构是 [Cu(H2O)4]2+ [SO4(H2O)]2- 。
【定义】一定量的溶液里所含溶质的量,叫做这种溶液的浓度。
【说明】
1. 溶液的浓度是表达溶液中溶质跟溶剂相对存在量的数量标记。人们根据不同的需要和使用方便规定不同的标准,就有不同的溶液浓度。因此,同一种溶液,使用不同的标准,它的浓度就有不同的表示方法。
2. 表示溶液的浓度有多种方法,可归纳成两大类。一类是质量浓度,表示一定质量的溶液里溶质和溶剂的相对量,如质量百分比浓度、质量摩尔浓度、ppm浓度等。另一类是体积浓度,表示—定量体积溶液中所含溶质的量,如物质的量浓度、体积比浓度、克/ 升浓度等。质量浓度的值不因温度变化而变化,而体积浓度的值随温度的变化而相应变化。
3. 有些浓度的表示方法已被淘汰,如当量浓度已废弃不用, 克分子浓度已被物质的量浓度代替。还有些浓度正在被新的法定计量单位替代,如质量百分比浓度和ppm浓度将被质量数替代。
【定义】用溶质的质量占全部溶液的质量的百分比来表示的浓度,叫做质量百分比浓度(简称百分比浓度)。
【说明】
1. 百分比浓度计算公式是
质量百分比浓度=溶质的质量÷溶液质量 ×100%
2. 质量百分比浓度是日常生活和生产中常用的浓度,它没有量纲。以后它将被法定计量单位质量分数(W)代替。物质B的质量分数WB是物质B的质量与混合物的质量之比。例如,5g氯化钠溶于95g水配成100g溶液,它的质量首分比浓度是5%,质量分数是0.05或5×10—2。
3. 医疗用0. 9%的生理盐水,0. 9%是质量体积百分浓度。 它的含义是将0.9g氯化钠溶于水配成100 mL的溶液。
【定义】用溶质(液态)的体积占全部溶液体积的百分比来表示的浓度,叫做体积耳分比浓度。
【说明】
1.体积百分比浓度是60%的乙醇溶液,表示100mL溶液里含有乙醇60mL,也可以说将60mL乙醇溶于水配成100mL乙醇溶液。
2. 乙醇的体积百分比浓度是商业上表示酒类浓度的方法。 白酒、黄酒、葡萄酒等酒类的“度”(以°标示),就是指酒精的体积百 分比浓度。例如,60% (V/V)的酒写成60°。
3. 体积百分比浓度属非法定单位,将被法定计量单位体积分数(ψ)代替。物质B的体积分数ψB是物质B的体积跟混合物的体积的比。例如,把60mL酒精溶于水,配制成100mL酒精溶液, 该溶液的体积分数是0. 60或60×10—2。
【定义】用两种液体配制溶液时,为了操作方便,有时用两种液体的体积比表示浓度,叫做体积比浓度。例如配制1: 4的硫酸溶液,就是指1体积硫酸(一般指98%,密度是1. 848/cm3的H2S04)跟4体积水配制成的溶液。
【说明】
1、体积比浓度只在对浓度要求不太精确时使用。
2、体积比浓度属于非法定单位,将被法定计量单位体积分数代替。
3、物质B的积积分数是纯物质B跟混合物在相同温度和压强下的体积的比,它没有量纲。
【定义】溶液的浓度用物质B的物质的量除以混合物的体积来表示的浓度,叫做物质的量浓度。
【说明 】
1. 物质的量浓度简称浓度,它的符号是c,单位是摩/立方米 (mol/m3)、摩/升(mol/L)、毫摩/升(mmol/L)和微摩/升 (μmol/L)。该浓度的表示方法,如lmol/L的硫酸溶液可表示为 c(H2S04) = lmol/L,或 l·moL-1。
2. 该量以前叫克分子浓度(巳被淘汰),目前在教材中称摩尔浓度。该名称是非法定的量,也在淘汰之中。原来用M表示摩尔浓度,也应改用c。
3. 物质的量浓度跟质量百分比浓度可以通过溶液的密度跟溶质的摩尔质量换算。
c=1000ρw%/M
其中c的单位是mol/L,ρ的单位是g/cm3,M的单位是g/mol。
【定义】用来衡量化学反应进行的快慢程度,常用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加来表示,单位是摩/升•分 或摩/升•秒。
【说明】
1. 对同一反应,选甩不同物质的浓度变化来表示反应速率时,数值可能不同,因此必须标明物种。例如,反应2N205 = 4N02 + 02,可以用v(N2O5)或v(N02)、v(02)等来表示。反应时各反应物和生成物的浓度有一定的比,所以只需要选用任一物质的浓度变化来表示,因为各种物质表示的反应速率彼此之间可以换算,例如 v(NO2) =2v(N2O5)。
2. 在反应时反应物和生成物的浓度都在不断变化,反应速度也随着改变,所以必须指明某一时刻的速率才有意义,这叫瞬时速率。实际上用的都是在一段时间内的平均速率。
3.化学反应速率的大小、取决于反应物本身的性质。例如,燃烧、爆炸、离子反应等都能在短时间内完成;而有机反应,特别是高分子化学反应,所需时间往往很长。它还跟物质的浓度、压强、反应温度、催化剂、光、介质、反应物表面状态、扩散等很多因素有关。 在化工生产中常用控制反应条件来增大反应速率。
【定义】在一定条件下,基元反应的速率跟反应物浓度的指数幂的乘积成正比。
【说明】
1. 有元反应(曾用名:基元反应)aA + bB ==gG + hH,它的 反应速率公式可表示为
v =k[A]m[B]n
上式中[A]、[B]分别表示反应物A和B的浓度,m + n是反应的级数,k是反应速率常数,它在数值上等于单位浓度时的反应速率。不同反应的k值不同。同一反应的k值,跟反应温度、催化剂等因素有关,而跟反应物浓度、压强无关。
2. 由反应物分子(或离子、原子、自由基等)直接作用而生成新产物的反应,叫做元反应。简单反应只包含一种元反应,因此可直接应用质量作用定律。在复合反应中,不是所有反应物分子都直接作用,所以质量作用定律不能直接应用于复合反应,然而对于组成复合反应的任何一步元反应,质量作用定律依然适用。
3. 由质量作用定律可知,简单反应的反应级数跟它相应的元反应的反应分子数相同。但对复杂反应来说则不同。例如,反应 2H2(气)+2NO (气)=2H20+N2 (气),实验证明它是分两步进行的。
2NO + H2 = H202+N2 (慢反应)
H2O2 + H2 = 2H2O (快反应)
整个反应的速率由最慢的一步决定,它的质量作用定律表示式是 V =k[H2][NO]2,可见这是一个三级反应,而不是四级反应。
【定义】反应中能量较高的、能发生有效碰撞的分子,叫做活化分子。
【说明】
1. 不是反应物分子之间的任何一次直接作用都能发生反应, 只有那些能量相当高的分子之间的直接作用才能发生反应。在一 定温度下,某反应具有的活化分子数由该反应的活化能Ea决定。 根据玻耳兹曼能量分布定律可知,能量大于Ea的分子占总分子数中的分数可用估算。例如,在25°C发生的某反应,活化能Ea是83. 68kJ/mol,则
= 2. 15 × 10 一15 = Ni/N 这就是说,在4. 65×1014(=l/2.15×10—15)个分子中只有一个是活化分子。
2. 活化分子数(或浓度)是决定化学反应速率的重要因素。 对某一给定的化学反应,当温度(T)升高时,的值增大,活化分子所占的比例增大,反应速率也就增大。
3. 使用催化剂能,低反应活化能,使得具有平均能量的反应物分子只要吸收较少的能量就能变成活化分子,有利于增大化学反应速率。
【定义】
1.对元反应来说,阿伦尼乌斯公式中的活化能(Ea)是活化分子的平均能量跟所有分子的平均能量的差。
2.碰撞理论认为,分子碰撞的剧烈程度不取决于A、B两个分子的总移动能,而取决于它们在质心连线方向上的相对移动能。 只有这个能量超过某一数值(叫临界能)时反应才能发生,碰撞理论就把临界能×NA=Ec做反应活化能(NA是阿佛加德罗常数)。
【说明】
1. 关于活化能定义目前还没有完全统一的提法,随着反应速 率理论的发展,人们对这概念的理解在不断深化。
2. 反应活化能的大小由反应物分子性质所决定,也就跟分子的内部结构密切相关。
3. 不同反应有不同的活化能(Ea),Ea越低,反应进行得越快。在通常反应温度下,大多数反应的活化能在40〜400kJ/mol 范围内。一般的中和反应Ea<40kJ/mol,所以中和反应速率很大,用通常的方法难以测定。
4. 活化能的实验测定常用阿伦尼乌斯公式的不定积分形式求得
lnk=—Ea/RT+B ,
只要测得几个不同温度下的反应速率常数k,以lnk对1/T作图,得到一条直线,由它的斜率一Ea/R就可求得活化能Ea=-(斜率)×R(R是气体常数)。
【定义】能改变化学反应速率而它本身的化学组成和质量在反应前后保持不变,这种物质叫做催化剂。催化剂在反应中所起的作用叫催化作用。
【说明】
1.催化剂能增大或减小化学反应的速率。能增大反应速率的叫正催化剂,例如,接触法制造硫酸使用V2O5,合成氨工业中使用铁触媒等。减小反应速率的叫负催化剂(或叫抑制剂),例如橡胶、塑料制品中的防老剂。食用油脂里加入没食子酸正丙酯,能防止酸败,这是负催化剂的一个例。
2. 催化剂只能改变反应的速率,不能使原来不能发生的反应得以进行。在可逆反应中催化剂只能缩短反应达到平衡的时间, 而不能使化学平衡发生移动。
3. 催化剂一般有选择性,不同的化学反应要选用不同的催化剂。同样的反应物选用不同的催化剂,可以发生不同的反应,从而得到不同的产物。
4. 催化剂有一定的活化温度,在这个温度范围内使用,催化剂的活性最高。
5. 使用催化剂能增大反应速率的机理主要是形成中间产物, 或在催化剂表面的活性中心发生反应,从而改变反应的途径,使反应活化能降低。
【定义】在同一条件下,既能向正反应方向进行,又能向逆反应方向进行,这种反应叫做可逆反应。
【说明】
1. 严格说来,几乎所有的化学反应都是可逆的,但各种化学 反应的可逆程度有很大差别。例如,由H2和F2合成HF,由Ag+ 和Cl-生成氯化银沉淀,这些反应的可逆程度较小,可看作是不可逆或单向反应。
2. 可逆反应在密闭,容器中进行,任何一向反应都不能进行到底,最后达到化学平衡状态。
3. 可逆反应AB的动力学特征是物质A的浓度随反应时间的增长不可能降低到零,而物质B的浓度亦不可能增加到A的起始浓度。分子重排和异构化反应是这类可逆反应的最简单例子。
【定义】在可逆反应中,正逆反应的速率相等,反应物和生成物的浓度不再随时间而改变,这种状态叫做化学平衡。
【说明】
1. 在一定条件下,可逆反应无论从正反应开始,或是从逆反应开始,最后都能达到平衡状态。
2. 在一定条件下,平衡状态是在该条件下化学反应进行的最大限度。这时,表面看来,反应似乎已经停止,但实际上正、逆反应仍在继续进行,只不过两者的速率相等,所以化学平衡是动态平衡,反应物和生成物浓度保持相对恒定。
3.化学平衡是可逆反应体系中的一种特殊状态,是暂时的。
当外加条件(如温度、压强、浓度等)改变时,平衡就会相应改变,发生平衡移动,直到建立新的平衡状态。
【定义】可逆反应达到平衡状态时,指定反应物消耗掉的量跟反应开始时投入的量的比,用百分数表示,叫做该原料反应物的转化率。或写成
某指定反应物的转化率==(该反应物起始浓度一该反应物的平衡浓度)÷ 该反应物的起始浓度
【说明 】
1. 反应转化率跟化学平衡常数一样,也能表示反应进行的程度。转化率越大,表示反应进行得越完全。
2. 在同一反应中,各种反应物的转化率不同,即使同一反应物,如果各反应物浓度配比不同,它的转化率也不同。
3.工业生产上常用改变反应物浓度、压强、温度等措施提高反应物的转化率。
【定义】一个可逆反应在达到平衡状态后,当温度、压强、浓度 等外界条件改变时,会使反应由该平衡状态向另一个新的平衡状态转化,这种变化叫做化学平衡的移动。
【说明】
1. 改变外界条件对正、逆反应速度的影响不同,从而使化学 平衡发生移动。当v正>v逆时,平衡向正反应方向移动,否则向逆反应方向移动。
2. 影响化学平衡的主要外界条件是浓度、压强和温度。
(1) 浓度当其他条件不变时,增大反应物浓度或减小生成物的浓度,都使反应向正方向移动,否则向逆反应方向移动。
(2) 压强反应前后气态物质总体积(或物质的量)发生变化的反应,在恒温下增大压强,会使平衡向气态物质体积缩小的方向 移动。反应前后总体积不变的可逆反应,或平衡混合物中各组分 都是固体或液体的,改变压强,不会使平衡移动。
(3) 温度升高温度,平衡向吸热反应方向移动;降低温度, 向放热方向移动。
3. 催化剂以同样程度影响V正和V逆,它只能缩短达到平衡所需的时间,并不影响平衡的移动。
【定义】可逆反应只有在一定条件下保持相对的、暂时的平衡状态。当改变一种外界条作(如浓度、压强、或温度等)时,平衡就被打破,并向能够减弱这种改变的方向移动,这就是勒夏特列 (Henry Louis Le Chatelier, 1850—1936)原理。
【说明】
1.勒夏特列原理(曾用名:平衡移动原理)是自然界的普遍规律。它可以解释各类化学平衡的移动(如沉淀-溶解平衡、电离平衡、络合平衡等),也适用于物理平衡。例如水的三态变化,升高温度,平衡向吸热方向移动,有利于水蒸发为气态;降低温度,平衡向放热方向移动,有利于水凝固成冰。
2.这个原理只能应用于平衡系统,不适用于非平衡系统。
【概述】两个原子轨道沿键轴方向重叠而形成的一种以两个原子核之间的直线为对称轴的共价键叫σ键。构成σ键的电子叫σ电子。σ键是原子轨道沿轴向重叠的, 具有较大的重叠程度, 因而比较稳定。σ键可以自由旋转, 而不影响电子云的分布。
【定义】由两个相同或不相同的原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠而形成的共价键,叫做σ键。下面是它的形成示意图。
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σ键 |
【说明】
1. σ键是原子轨道沿轴方向重叠而形成的,具有较大的重叠程度,因此σ键比较稳定。σ键是能围绕对称轴旋转,而不影响键的强度以及键跟键之间的角度(键角)。
2. 根据分子轨道理论,两个原子轨道充分接近后,能通过原子轨道的线性组合,形成两个分子轨道。其中,能量低于原来原子轨道的分子轨道叫成键轨道, 能量高于原来原子轨道的分子轨道叫反键轨道。以核间轴为对称轴的成键轨道叫σ轨道, 相应的键叫σ键。以核间轴为对称轴的反键轨道叫σ* 轨道, 相应的键叫σ* 键。分子在基态时,构成化学键的电子通常处在成键轨道中,而让反键轨道空着。
【概述】成键原子的未杂化的p轨道, 通过平行侧向重叠所形成的共价键叫π键。两个p轨道侧向重叠, 其重叠程度比轴向重叠的σ键小, 稳定性不如σ键, 两个p轨道在平行时才能较大地重叠, 当形成π键的两个原子以核间轴为轴相对旋转时, 会使p轨道重叠程度减小, 导致π键的破坏, π键电子云密集在核间轴平面的上面和下面两部分, 受两核的吸引力较弱, 有较大的流动性。
【定义】成键原子的未杂化p轨道,通过平行、侧面重叠而形成的共价键,叫做π键。它的示意图如下。
【说明】
1. π键是由两个p轨道从侧面重叠而形成的,重叠程度比σ键小,所以π键不如σ键稳定。当形成π键的两个原子以核间轴为轴作相对旋转时,会减少p轨道的重叠程度,最后导致π键的断裂。
2. 根据分子轨道理论,两个原子的p轨道线性组合能形成两个分子轨道。能量低于原来原子轨道的成键轨道π和能量高于原来原子轨道的反键轨道π* ,相应的键分别叫π键和π* 键。分子在基态时,两个P电子(π电子)处于成键轨道中,而让反键轨道空着。
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π键 |
【定义】是由6个sp2杂化碳原子通过σ键和π键构成平面正六边形的碳环。
【说明】
1.苯分子中6个碳原子各以3个sp2杂化轨道分别跟相邻的两个碳原子的sp2杂化轨道和氢原子的s轨道重叠,形成6个碳碳σ键和6个碳氢σ键。两个sp2杂化轨道的夹角是120°,正适合6个碳原子处于一个平面上,形成一个正六边形的苯环。苯环上6个碳原子各有一个未杂化的2p轨道,6个2p轨道的对称轴都垂直于环的平面,并从侧面相互重叠,形成一个闭合的π键。它均匀地对称分布在环平面的上方和下方。通常把苯的这种键型叫做大兀键。苯分子中π键电子云完全平均化,使苯环中每个碳碳键的键长和键能都是相等的。这就说明苯分子的对称性和稳定性。
2.苯环的主要化学特性是环平面上下的π键电子容易受到亲电试剂的进攻,结果通常发生环上的取代反应。由于苯环较稳定,较难发生环上的加成反应。
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苯环 |
【定义】在单键和双键相互交替的共轭体系或其他共轭体系中,由于π电子的离域作用使分子更稳定、内能降低、键长趋于平均化,这种效应叫做共轭效应。
【说明 】
1. 诱导效应和共轭效应都能使体系的电荷分散、能量降低、 稳定性增加。但是两者的区别是诱导效应主要通过σ键传递,而且传递二三个原子后就迅速减弱到可以忽略不计。共轭效应主要i通过π键传递,能从共轭体系的一端传递到较远的一端。
2. 共轭效应分静态共辄效应和动态共扼效应。静态共轭效应是在没有外界的影响下表现的一种内在性质。例如,苯分子中各碳原子共平面,相邻π键交叠而成共轭,使6个碳碳键的键长平均化,使体系趋于稳定。动态共轭效应是在外界条件(如试剂)影响下使分子中的电子云密度重新分配,分子的极性增大。例如: 1,3-丁二烯跟卤化氢反应时,由于动态共轭效应使加成反应主要发生1,4-加成。
3. 如果共轭体系中的取代基能降低体系的电子云密度,则这些基团有吸电子共轭效应,如-NO2、—CN、一COOH、一CHO、一COR 等。如果取代基能增加共轭体系的电子云密度,则这些基团有给电子的共轭效应。这类取代基如—NH2、—Cl、-OH。
【定义】苯环上原有取代基对新引入取代基位置的影响,叫做定位效应。
【说明】
1.苯环上新引人的取代基所占的位置决定于原有取代基的性质,按它们的定位效应分成两类:
第一类叫邻、对位定位基。这类取代基在苯环上能使新引入的取代基主要定位于它的邻、对位(邻+对>60%)。除卤原子外, 其他基团都能使苯环活化,使取代反应容易发生。这些基团的结构特点是跟苯环连接的原子一般只有单键,多数具有未共用的电子对。属这类取代基的有(按定位效能从强到弱排列):一O- (氧负离子)、一N(CH3)2 (二甲胺基)、一NH2 (氨基)、一OH (羟基)、—OCH3(甲氧基)、—NHCOCH3 (乙酰胺基)、一CH3 (甲 基)、—OCOCH3 (乙酰氧基)、一Cl (氯)、一Br (溴)、一I(碘)、 —C6H5(苯基)等。
第二类叫间位定位基。这类取代基在苯环上能使新引人的取代基主要定位在它的间位,而且都会使苯环钝化。这些基团的结构特点是跟苯环连接的原子一般都有不饱和键(双键或三键)或正电荷。属于这类取代基的有(按定位效能从强到弱排列): 一N+(CH3)3 (三甲胺基正离子)、一N02(硝基)、一CN (氰基)、 —S03H (磺基)、一CHO (醛基)、一COCH3 (乙酰基)、一COOH (羧基)、—COOCH3 (甲氧羰基)、一CONH2 (氨基甲酰基)、 一N+H3(胺基正离子)等。
2. 除取代基的定位效应(起决定作用的)外,温度、溶剂、催化剂等反应条件以及苯环原有取代基的体积大小等因素,对反应生成各种异构体的比也有影响,但一般不会改变苯环上原有取代基的定位效应。
3. 当苯环上已有两个取代基时,第三个取代基引人的位置, 一般可根据原有两个取代基的性质来判断。当两个取代基的定位效应一致时,仍由上述的定位规则来决定。 当原有两个取代基的定位效应不一致时,如果取代基属于同一类,则第三个取代基引入的位置主要决定于定位作用强的取代基。如果两个取代基分属两类,则第三个取代基引入的位置,一般 由邻、对位定位基起主要作用,因为邻、对位定位基(除卤原子外) 能使苯环活化。
【定义】硝酸分子(H0—N02)中去掉一个羟基(一0H)后剩余的一价原子团(一NO2),叫做硝基。
【说明】
1. 硝基是硝酸的酰基,因此硝基又叫硝酰基。
2. 硝基是硝基化合物的官能团。硝基是发色团,能加深有机物(染料等)的颜色。有些药物分子中引入硝基能增强抗菌性。分子中引入多个硝基会使它的氧化性增强,成为强爆炸性的物质(如 TNT、苦味酸)。
【定义】硫酸分子(H0—S02—OH)中去掉一个羟基后剩余的一价原子团(一S02—0H或一S03H),叫做磺基。
【说明】
1. 磺基是硫酸的酰基,因此磺基又叫做磺酰基。
2. 磺基跟烃基的碳原子直接相连形成磺酸(R—S03H)。磺酸是很强的有机酸,它的酸性同一般无机酸相似。有机物分子中引入磺基后会增强它的酸性和水溶性,因此多数合成染料含有磺基。
【定义】氨分子(NH3)中去掉一个氢原子后剩余的一价原子团 (一NH2)叫做氨基。
【说明】
1. 伯胺(R—NH2)、氨基酸、酰胺(R-CO-NH2)等有机物分子都含有氨基。引人氨基,会增加化合物的碱性。
2.氨分子中去掉两个和三个氢原子后剩余的两价原子团
(一NH一)和二价原子团(-N一)分别叫亚氨基和次氨基。仲胺 (R2NH)和叔胺(R3N)分子中分别含有这两种基团。
【定义】自由基参与的反应叫自由基反应。
【说明】
1. 自由基是在光照、辐射、过氧化物或高温作用下,由分子中原子间的共价键的均裂产生的,有不成对价电子的原子或原子团, 叫做自由基(曾用名:游离基),例如H• (氢自由基)、Cl•(氯自由基)、•CH3(甲基自由基)。
2. 自由基反应具有链反应的特点,反应历程经链引发(产生活性中间体——自由基)、链增长(自由基向反应物进攻,生成新的自由基)和链的终止(自由基老化丧失活性)三个阶段。例如,
链引发:
Cl•┆•Cl → •Cl+ •Cl
链增长:
Cl•+H•┆•CH3 → •CH3+ HCl
•CH3+Cl••Cl→CH3Cl+ •Cl
链终止:
Cl• + •Cl→Cl2
•CH3+•CH3→CH3-CH3
•CH3+ • Cl → CH3Cl
自由基反应是通过共价键的均裂进行的,酸、碱的存在或溶剂极性的改变对自由基反应的影响很小,但非极性溶剂有利于自由基反应。
3. 自由基反应主要有两大类。一类是自由基取代反应,如烷烃的氯代反应。另一类是自由基加成反应,如氯跟四氯乙烯的加成反应。
【定义】在有机物分子中的碳原子上引入卤素原子,这种反应叫卤化。
【说明】
1. 按引入卤素的不同,可分为氟化、氯化、溴化、碘化。工业上氯化反应用得最多,碘化反应一般很难发生,氟化反应很难控制。通常通过间接的方法把氟原子引入有机物中。
2. 通常用取代反应(如饱烃、芳香烃跟X2的取代反应)和加成反应(如不饱和烃跟X2、HX的加成反应)使有机物卤化。
【定义】在有机物分子中的碳原子上引人硝基(一NO2)的反应 叫硝化。
【说明】
1.芳香族化合物通常用浓硝酸或混酸(浓硝酸和浓硫酸的混合物)作硝化剂硝化(亲电取代反应)。在没有硫酸存在下,硝酸按下式离解,N02+(硝酰正离子)是有效的硝化剂(亲电试剂):
2HN03 → N02+ +H20 + N03-
当硫酸存在时,能生成更多的NO2+ ,更容易发生硝化反应。
【定义】在有机物分子中引入磺基(一SO3H)的反应叫磺化。
【说明】
1. 脂肪族化合物通常用间接的方法磺化。
2. 芳香族化合物主要用直接磺化(亲电取代反应)。常用的磺化剂有浓硫酸、发烟硫酸等。磺化反应一般按下列历程进行。
【定义】有机物在适当条件下,从分子中相邻的两个碳原子上去掉H20、HX、H2、NH3等小分子而生成不饱和(双键或三键)化合物的反应叫消除反应(曾用名:消除反应)。
【说明】消除反应主要有卤代烃脱商化氢和醇分子内脱水反应。
例如
卤代烃在脱去HX时,氢原子主要从卤原子相邻含氢较少的碳原子上脱去。醇分子内脱水时,氢原子主要从羟基相邻常氢较少的碳原子上脱去。例如,
【定义】酯在碱性水溶液中水解而生成盐和醇,这种反应叫皂化。
【说明】油脂(高级脂肪酸的甘油酯)跟氢氧化钠溶液共热,生成肥皂(高级脂肪酸钠盐)和甘油。所以通常把酯的碱性水解反应叫皂化。酯的碱性水解历程如下:
【定义】由分子量较小的化合物(单体)而结合成分子量较大的化合物,这种反应叫聚合反应。
【说明】根据分子的元素组成和结构形式的变化分为两类。
1.加聚反应由一种或多种单体相互加成而生成高分子化合物,这种反应叫加聚反应。一种单体发生的加聚反应叫做均聚反应。由两种或两种以上单体发生的加聚反应叫共聚合反应。
2.缩聚反应有两个或两个以上官能团的单体相互缩合,生 成高分子化合物,同时生成小分子(如水、卤化氢、氨和醇等),这种反应叫缩聚反应。
【定义】分子中的碳原子间全部以单键连接,碳原子余下的价键被氢原子饱和的碳氢化合物,叫做饱和烃。
【说明】
1. 根据碳架结构,饱和烃分开链的烷烃(也称石蜡烃)和闭链 的环烷烃。它们的通式分别是CnH2n+2和CnH2n。
2. 烷烃命名的基本原则:(1)选择最长的碳链为主链,根据 主链上的碳原子数写出主链为某烷,支链当作取代基。(2)从靠近 取代基的一端给主链上碳原子依次编号,把取代基的位次和名称写在母体名称前面。(3)同一碳原子上有两个相同的取代基,取代 基的位次号应重复写两次;不同碳原子上有相同的取代基应分别写出它们的位次。书写时把简单的取代基写在前,复杂取代基写在后。(4)取代基的应次用阿拉伯数字表示,取代基的数目用汉字二、三、四等数字表示。、阿拉伯数字间用“,”号分开,阿拉伯数字和汉字之间或和基团名称之间用短线分开。(5)有两种以上选 择主链的可能性时,应选择含支链数较多的碳连为主链。如果支链数目也相同,应选择支链位次总和最小的碳链为主链。
3. 环上带有支链的环烷烃命名时,龜号从环上连有支链的碳 原子开始。如果有两个或两个以上的支链,常使较小的支链位次较小。如果支链所含的碳原子数超过环上的碳原子数,或同一碳 链上连有几个环时,就以碳链作母体,环作取代基来命名。
4. 由于C一C键和C—H键的键能较大,C—H键的极性较小,所以饱和烃的性质比较稳定,通常条件下很难跟强酸、强碱和强氧化剂反应。但在适当条件下会发生氧化、燃烧、取代、异构化 和裂解等反应。小环的环烷烃(如环丙烷、环丁烷)的环不稳定,环 易破裂,在适当条件下能跟H2、X2、HX等发生加成反应,生成相应的开链有机物。
【定义】烃分子中的一个或多个氢原子被卤原子取代,生成的化合物叫做卤代烃。
【说明】
1. 卤代烃简称卤烃。氟代烃虽然属于卤代烃,但是它的制法和性质比较特殊,一般把它分开讨论。通常所说的卤代烃指氯代烃、溴代烃和碘代烃。根据烃基的不同,卤代烃分脂肪族卤代烃和 芳香族卤代烃。根据分子中所含的卤素原子数又把它们分成一卤 代烃、二卤代烃、三卤代烃等。含有两个或两个以上卤原子的卤代 烃统称多卤代烃。
2. 卤代烃命名时以烃为母体,卤素作取代基,再按烃的卤化物命名。如果分子里有双键等官能团,这些官能团的位次先于卤素。不太复杂的卤代烃也常用根基官能团命名法,就是在有机基团名称后加上相应卤化物的词尾来命名。例如,CH3Br和CH2=CHC1分别命名为甲基溴和乙烯基氯
3. 卤代烃分子中的C-X键是极性键,其中的卤原子很活泼,容易被其他原子或原子团取代。不同卤代烃发生化学反应的相对速度,除了决定于X原子的种类(活泼性顺序是RI>RBr>RCl)外,还决定于C—X键中跟碳原子结合的基团。卤代烃还能发生消去反应。
【硬脂酸】分子式C18H36O2, 分子量284.47。学名十八烷酸。纯品为带有光泽的白色柔软小片。以甘油酯的形式存在于牛脂、羊脂或其它动物脂中。熔点70~71℃, 沸点383℃。密度(20/4℃)0.9408克/厘米3 。工业品可分为一级、二级、三级, 是以硬脂酸为主要成分, 并含有软脂酸等的混和酸。不溶于水, 溶于乙醇、丙酮和苯, 易溶于乙醚、氯仿、四氯化碳和二硫化碳等。可用于制化妆品、表面活性剂、橡胶配合剂、软化剂、防水剂等。可由硬化油、牛脂或羊脂水解后经蒸馏制得。
【油酸】分子式C18H34O2分子量:282.45。学名顺式-9-十八烯酸, 系分子中含有一个碳碳双键的不饱和脂肪酸。双键两端的碳链呈顺式结构。室温下为无色液体。长期暴露在空气中会变为黄至棕色, 有味。熔点13.2℃, 沸点286℃(13.3千帕——100mmHg)。密度(20/4℃)0.8905克/厘米3 。不溶于水, 溶于乙醇、乙醚、氯仿、苯等。以氮的氧化物、硝酸亚汞、亚硫酸等处理时, 可转化为反式油酸, 催化加氢可生成硬脂酸;氧化油酸可生成壬酸和壬二酸。油酸是其它油类、脂肪酸等的良好溶剂。可用于制取肥皂、润滑剂、浮选剂、油膏及油酸盐等。可由油脂水解后再行分离制得。
【软脂酸】分子式C16H32O2分子量:256.42。俗称棕榈酸, 学名十六烷酸、白色带有珠光的鳞片, 在许多油和脂肪中以甘油酯的形式存在。熔点63~64℃、沸点271.5℃(13.3千帕——1000mmHg), 密度(62/4℃)0.853克/厘米3 。不溶于水, 微溶于乙醇, 溶于热乙醇、乙醚和氯仿等。用于制取蜡烛、肥皂、润滑剂、合成洗涤剂、软化剂等。可由棕榈油水解制得。
【丙烯腈】分子式C3H3N, 分子量53.05, 结构简式CH2=CH-CN。无色易流动的液体, 蒸气有毒!熔点-83~-84℃, 沸点77.3~77.4℃。密度(20/4℃)0.8060克/厘米3 。稍溶于水, 易溶于一般有机溶剂。其蒸气与空气形成爆炸性混和物, 爆炸极限3.05~17.0%(体积)。水解生成丙烯酸, 加氢还原生成丙腈。易聚合, 也能与氯乙烯等单体共聚。主要用于制取聚丙烯腈、丁腈橡胶和其它合成树脂等。由丙烯经氨化、氧化制得, 或由乙炔和氢氰酸直接化合制得。
【高分子溶液】高分子化合物溶于适当的溶剂中可形成高分子溶液。高分子溶液具有双重性质, 一方面由于这种分散相微粒大小与溶胶粒子相近, 表现出溶胶的某些特性;另一方面高分子溶液是分子分散体系, 又有某些真溶液的特点。
高分子溶液和胶体溶液有许多不同之处:
(1)高分子溶液是单相体系, 胶体是多相体系。
(2)高分子溶液分散相极易溶剂化, 这是因为高分子化合物组成中, 常含有大量亲水基团, 如—OH、-COOH、-NH2等, 而胶体微粒的溶剂化能力比高分子化合物弱得多。
(3)高分子溶液中分散相微粒一般不带电荷, 胶体微粒则是带电的, 高分子溶液的稳定性是它的高度溶剂化起了决定性作用。
(4)高分子化合物溶解的过程就是溶剂化过程, 当用蒸发的方法除去溶剂后再加入溶剂仍能自动溶解, 它的溶解过程是可逆的, 而胶体中的胶粒一旦凝聚, 一般很难或者不能用简单加入溶剂的方法使之复原。高分子溶液还有一项与真溶液和溶胶都不同的特性, 就是有较大的粘度。
【玻恩-哈伯循环法】由玻恩(Born)和哈伯(Haber)提出的求某一过程能量变化的方法。此法建立在热力学第一定律的基础上, 根据某过程总的能量变化等于各个分过程能量变化的总和的原理, 把某个变化过程设计成由若干个分过成组成的热力学循环, 即玻恩—哈伯循环。这样, 就可以根据已知的一些能量变化求出其中某一过程的能量变化。以求NaCl的晶格能为例, 设计出生成氯化钠晶体的热力学循环:
其中各个过程的能量变化是:ΔH生成=411.0KJ·mol-1 , 为NaCl晶体的生成热;S=108.8KJ·mol-1 为晶体钠的升华热;I=493.29KJ·mol-1 为钠原子的第一电离能,D=119.7KJ·mol-1 为
mol Cl2的解离能。E=-361.9KJ·mol-1 为氯原子的电子亲和能;U晶格能为NaCl的晶格能是未知量。根据热力学第一定律可得出关系式:
=-411.0-(108.8+493.29+119.7-361.9)
=-770.9KJ·mol-1
【果糖】分子式C6H12O6,是己酮糖,存在于水果和蜂蜜中,纯净果糖是白色晶体,易溶于水,是最甜的糖。它和葡萄糖互为同分异构体。果糖分子中没有醛基,但酮羰基邻位有羟基存在,其水溶液也能发生银镜反应,也能被新制氢氧化铜氧化,生成氧化亚铜红色沉淀,具有还原性。果糖是一种重要的营养剂,还可作药用。蔗糖水解可得果糖和葡萄糖。
【基元反应】能代表反应机理的, 由反应物微粒(分子、原子、离子、自由基等)一步直接实现的变化, 称为基元反应或基元步骤。例如 NO2+CO→NO+CO2
大多数化学反应不是基元反应, 有不少是由多个基元反应组成的, 例如H2(气)与I2(气)化合的反应是由两个基元步骤完成的:
I2=2I H2+2I→2HI
【说明】:
1、从微观上看,反应物分子一般总是经过若干的简单反应步骤,才最后转化为产物分子的。每一个简单的反应步骤,就是一个基元反应。基元反应步骤要求反应物一步变成生成物,没有任何中间产物。按照基元反应定义,所有的可逆反应均为非基元反应
2、基元反应的动力学规律符合质量作用定律,即:基元反应的化学反应速率与反应物的浓度数值相应方次乘积成正比;其方次即为各物质前面系数,均取正值。
3、基元反应方程式中各反应物分子数之和称为反应分子数,按照反应分子个数可将基元反应划分为单分子反应、双分子反应和三分子反应,具体如下:
(1)单分子反应
方程式:A→产物
(2)双分子反应
方程式:A+B→产物或者 2A→产物
(3)三分子反应
方程式:A+B+C→产物或者2A+B→产物或者A+2B→产物
【化学反应速率常数】反应速率方程式中的比例常数k叫做化学反应速率常数。例如有以下简单反应:aA+bB→gG+hH,其中a、b为反应级数,取决于反应机理,可由实验测得。
用A物质浓度变化率表示反应速度时: νA=kA[A]a [B]b
用B物质浓度变化率表示反应速度时: νB=kB[A]a [B]b
kA与kB有如下关系:kA/kB=a/b。
如果上述反应是气相反应, 则反应速度方程式中各物质的浓度可以换成分压, 那么式中的k值也要相应地改变。
对不同的反应, k值是不同的。对某指定的反应, k值与反应物的浓度无关而与反应温度及使用的催化剂有关。
【说明】
1、1889年,阿伦尼乌斯通过大量实验与理论的论证揭开了反应速率常数对温度的依赖关系。
阿伦尼乌斯公式(Arrhenius equation )是由瑞典的阿伦尼乌斯所创立的化学反应速率常数随温度变化关系的经验公式。公式写作 k=Ae-Ea/RT (指数式)。k为速率常数,R为摩尔气体常量,T为热力学温度,Ea为表观活化能,A为指前因子(也称频率因子)。
2、K值的大小反映出反应的本性,因为它是表示单位浓度的反应速度,所以在相同条件下,K的大小反映反应速率的快慢。
3、K值的大小与浓度无关,浓度的大小能影响化学反应速率的大小,但对速率常数没有影响。
4、K值随温度升高而增大,这与平衡常数不同,速率常数对温度非常敏感,每升高10度,速率会增加2-4倍。