JCHX.s10

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2 高等教育 十一五 规划教材 高职高专环保类专业教材系列 基础化学 司文会黎春秀主编 北京

3 内容简介全书主要包括分散系与溶液, 物质结构, 化学反应速率和化学平衡, 单质及无机化合物, 常见离子的检验, 烃, 烃的衍生物, 含氮有机化合物, 杂环化合物, 三大有机营养物质, 定量分析基础, 酸碱滴定法, 氧化还原滴定法, 沉淀滴定法, 配位滴定法, 吸光光度法和常用的富集分离方法等主要内容 系统介绍了基础化学所必须掌握的基础理论和基本技能, 把基础化学的理论方法与热点论题研究结合起来, 有利于全面提高学生素质, 解决一线实际问题, 培养具有知识 能力 素质的高级专门应用型人才 本书可作为高职高专院校相关专业的教材, 也可供成人教育使用和自学人员参考 图书在版编目 (CIP) 数据基础化学 / 司文会, 黎春秀主编. 北京 : 科学出版社, 2010 ( 高等教育 十一五 规划教材 高职高专环保类专业教材系列 ) ISBN 978 唱 7 唱 03 唱 唱 2 Ⅰ 畅 1 基 Ⅱ 畅 1 司 Ⅳ 畅 1 O6 2 黎 Ⅲ 畅 1 化学高等学校 : 技术学校教材 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2010) 第 号责任编辑 : 张斌 / 责任校对 : 耿耘责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 东方人华平面设计部 出版 北京东黄城根北街 16 号邮政编码 : ht tp :// w w w.sciencep.co m 中国科学院印刷厂印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 倡 2010 年 月第一版开本 : / 年 月第一次印刷印张 : 28 1/2 插页 : 1 印数 : 字数 : 定价 : 46 畅 00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换枙科印枛 ) 销售部电话 010 唱 编辑部电话 010 唱 唱 8212 版权所有, 侵权必究 举报电话 : 010 唱 ; 010 唱 ; 科学出版社职教技术出版中心

4 高职高专环保类专业系列教材专家委员会 顾问邓泽民主任胥树凡副主任李倦生耿世刚委员 ( 按姓氏笔画为序 ) 关荐伊张宝军相会强郭正高红武薛巧英 主任孙蕾 副主任姚运先谷群广 委员 ( 按姓氏笔画为序 ) 高职高专环保类专业系列教材编写委员会 马占青王先华王怀宇王虎王春梅冯雨峰 司文会刘妙丽刘颖辉安红莹朱庚申何红娟 沈力匀沈华吴国旭吴烨张宝安张惠燕 李庄李克国杨广华杨保华邹序安邹润莉 陈建华陈剑虹陈战军陈喜红周凤霞林筱华 金文胡娜妮凌昌都袁秋生袁德奎郭淑华 税永红熊素玉黎良财黎春秀 秘书张斌唐小艳

5 本书编写人员名单 主编司文会 ( 苏州农业职业技术学院 ) 黎春秀 ( 长沙环境保护职业技术学院 ) 副主编梁建军 ( 滁州职业技术学院 ) 杨广华 ( 包头轻工职业技术学院 ) 孙怡 ( 河南农业职业学院 ) 李赞忠 ( 内蒙古化工职业学院 ) 李承林 ( 青海畜牧兽医职业技术学院 ) 陈忠 ( 长沙环境保护职业技术学院 ) 参编 ( 按姓氏笔画排序 ) 于淑兰 ( 潍坊职业学院 ) 方志成 ( 苏州泰事达检测技术有限公司 ) 王丽 ( 保定职业技术学院 ) 李克俭 ( 苏州农业职业技术学院 ) 杨巍 ( 苏州农业职业技术学院 ) 郑晓红 ( 上海商学院 ) 赵甘林 ( 长沙环境保护职业技术学院 ) 徐良 ( 苏州农业职业技术学院 ) 黄洁琼 ( 苏州农业职业技术学院 ) 韩德红 ( 山东科技职业学院 ) 阙小峰 ( 苏州农业职业技术学院 ) 主审訾言勤 ( 淮北师范大学 ) 吴守国 ( 中国科学技术大学 ) 科学出版社职教技术出版中心

6 序 环境保护是我国的一项基本国策, 而环境保护教育又是环保工作的重要基础 因此必须加强环境学科相关知识在实践中的应用, 提高我国环保类专业学生的环境科研 监管能力, 注重学生实践操作能力的培养, 努力提高环保专业课程体系的整体性 系统性 实用性 环境管理作为人类自身行为管理的一种活动, 是在 20 世纪 60 年代末开始随着全球环境问题的日益严重而逐步形成 发展的, 它揭示了人类社会活动与人类生存环境的对立统一关系 在人类社会中, 环境 社会 经济组成了一个复杂的系统, 作为这个系统核心的人类为了生存发展, 需要不断地开发利用各种自然资源和环境资源, 而无序无节制的开发利用, 导致地球资源急剧消耗, 环境失调, 从而影响人类的生存和发展 为遏制这种趋势及其蔓延, 人类开始研究并采取措施推动资源的合理开发利用, 推进环境保护及其自我修复能力的提高, 努力实现人类的可持续发展 环境 社会 经济系统能否实现良性循环, 关键在于人类约束以及影响这一系统的方法和手段是否有效, 这种方法和手段就是环境管理 环境管理随着人类环保实践活动的推进而不断演变 相当长的时期内, 人们直接感受到的环境问题主要是局部地区的环境污染 人类沿袭工业文明的思维定式, 把环境问题作为一个单纯的技术问题, 其环境管理实质上只是污染治理, 主要的管理原则是 污染者治理 和末端治理模式 随着末端治理走到环境污染治理的尽头, 加之生态破坏 资源枯竭其他环境问题的进一步凸显, 人们开始从经济学的角度去探寻环境问题的根源与对策, 通过 环境经济一体化 使 环境成本内部化, 将环境管理原则变为 污染者负担, 利用者补偿, 从而推进了源头削减 预防为主和全过程控制的管理模式的形成 人们在科学发展 保护环境的长期追求与探索中, 逐步认识到环境问题是人类社会在传统自然观和发展观支配下导致的必然结果, 其管理和技术手段都是 治标不治本 的, 只有在改变传统的发展观基础上产生的财富观 消费观 价值观和道德观, 才能从根本上解决环境问题 因而环境管理不是单纯的技术问题, 也不是单纯的经济问题和社会问题, 而是人与自然和谐 经济发展与环境保护相协调的全方位综合管理 加强课题研究, 通过课程设计和构建, 着力解决高等职业教育环保类专

7 ii 基础化学 业人才培养和社会需求, 以就业为导向, 坚持改革创新, 努力提高学生的职业能力, 使学生将课堂与工作现场直接对接, 进一步理解目前的学习如何为将来的职业服务, 从而提高学生学习的积极性 针对性, 提高教学质量, 这是我国环保职业教育必须坚持的方向 非常高兴的是, 2009 年 4 月, 由长沙环境保护职业技术学院牵头, 集合全国与环境保护相关的本科及职业院校 企业 科研机构等近百家单位共同组建的环境保护职业教育集团正式成立, 这是我国目前环保职教领域阵容最大的产学研联合体 该集团的成立, 在打造环保职业教育品牌和提升环保职业教育综合实力上, 将产生深远影响 本套教材的作者都是长期从事环保高职教育的一线教师, 具有丰富的教学经验, 在相关领域又有比较丰富的环保实践经验, 在承担相关环保科研与技术服务中, 将潜心研究的科研成果与最新技术 方法 政策 标准等体现于职业教育的教材之中, 使本套教材具有鲜明的职业性 实践性, 对环保职业教育具有较好的指导与示范作用 衷心希望这套教材的出版发行, 能为我国环保教育事业的发展发挥积极的推动作用 2010 年 3 月 10 日 科学出版社职教技术出版中心 祝光耀 : 中国环境与发展国际合作委员会秘书长, 原国家环保总局副局长

8 前 言 本书根据高职教育教学改革对化学类课程的实际需求, 结合作者多年的教学经验和高职教育的特色, 同时汲取了近年来国内外基础化学教材的特点, 在枟无机化学枠 枟有机化学枠 枟分析化学枠 枟仪器分析枠课程整合 创新的基础上编著而成 教材紧密结合教育部教高 [2006] 16 号文件精神, 着力贴近 以服务为宗旨, 就业为导向, 能力为本位, 培养生产 建设 管理 服务第一线实用型 技术型 应用型 复合型人才 的需要, 集中体现了我国高职高专教育化学类基础课程改革的最新成果, 科学地解决了化学类基础课程体系完整 门类齐全与教学时数少的突出矛盾, 以新颖 实用 适度为原则, 将多门课程进行有机整合, 体系完整, 同时, 减少了验证性实验, 增加了设计性实验和实训内容, 凸显基本理论 够用 实践能力 强化 的教学目标 教材的出版, 填补了我国高职高专教育同类课程的空白 本书系江苏省高校 青蓝工程 基金资助出版教材, 可作为普通高职院校环保类专业教材, 也可供其他相近专业参考使用 本书是国家社会科学基金 十一五 规划 ( 教育学科 ) 一般课题 ( 批准号 : BJ A060049) 以就业为导向的职业教育教学理论与实践研究 的子课题 ( 编号 : BJ A 唱 ZKT028) 以就业为导向的高等职业教育环保类专业教学整体解决方案研究 所确定的高职高专环保类专业系列教材之一 本书除绪论外, 共分 18 章, 主要包括分散系与溶液, 物质结构, 化学反应速率和化学平衡, 单质及无机化合物, 常见离子的检验, 烃, 烃的衍生物, 含氮有机化合物, 杂环化合物, 三大有机营养物质, 定量分析基础, 酸碱滴定法, 氧化还原滴定法, 沉淀滴定法, 配位滴定法, 吸光光度法和常用的富集分离方法, 实验实训等内容, 尽力做到选材面广, 内容新颖, 始终渗透着 以学生为本 的教学思想, 突出对学生基础化学素质的培养, 着重介绍基础化学的基础理论和基本方法, 同时注意反映基础化学中的新理论和新方法, 尤其注重理论与实践结合, 收集了基础化学在各有关专业的应用实例, 便于学生了解本门课程在实际工作中的具体价值, 丰富了教材内容 全书内容丰富 覆盖面广, 教师可从不同院校教学计划的整体优化出发, 结合实验 实训条件, 根据需要进行相应的选择, 挑选出最需要的部分组织教学, 其余内容可作为学生拓宽知识的阅读材料 本教材建议教学时数 100 ~ 120 学时 本书由司文会教授 黎春秀副教授主编 参加编写的人员具体分工如下 : 司文会编写第 4 章 ( 第 3 节 ), 第 17 章 ( 第 1 ~ 5 节 ) 及实验 ; 黎春秀编写第 2 6 章及实验 9 ~ 11 ; 梁建军编写第 4 章 ( 第 1 2 节 ) ; 杨广华编写绪论 第 9 章 ( 与孙怡合作 ) ; 孙怡编写第 9 章 ( 与杨广华合作 ) 第 10 章 ; 李赞忠编写第 章 ; 李承林编写第 章 ; 陈忠编写第 15 章及实验 ; 李克俭编写实验 ; 于淑兰编写实验 ; 方志成编写实验 ; 王丽编写第 1 章及实验 8 ; 杨巍编写第 8 章 ; 郑晓红编写实验 14 ~ 16 ; 赵甘林编写第 3 章及实验 ; 徐良编写实

9 iv 基础化学验 ; 黄洁琼编写第 7 章 ; 韩德红编写第 5 章 ; 阙小峰编写实验 全书承蒙訾言勤 吴守国教授审阅, 并提出许多宝贵的建设性意见, 特致谢忱 本教材所引用的资料和图表的原著均已一一列入参考文献, 在此向原著作者致谢 全书由主编通读 定稿 限于作者水平, 本书难免存在缺点 疏漏和错误, 谨请专家和读者批评指正 科学出版社职教技术出版中心

10 目 录 序 前言 绪论 1 第 1 章分散系与溶液 3 1 畅 1 概述 3 1 畅 2 溶液浓度的表示方法 5 1 畅 3 稀溶液的依数性 6 第 2 章物质结构 12 2 畅 1 原子核外电子的运动状态 13 2 畅 2 原子核外电子排布 15 2 畅 3 原子结构与元素周期律 16 2 畅 4 化学键 18 2 畅 5 分子的极性 22 2 畅 6 分子间作用力 23 第 3 章化学反应速率和化学平衡 29 3 畅 1 化学反应速率 30 3 畅 2 化学平衡 31 第 4 章单质及无机化合物 42 4 畅 1 金属及其化合物 43 4 畅 2 非金属及其化合物 50 4 畅 3 常见营养元素与有害元素及其化合物 61 第 5 章常见离子的检验 70 5 畅 1 常见阴离子的检验 71 5 畅 2 常见阳离子的检验 78 5 畅 3 常见阳离子的系统分析法 103 第 6 章烃 畅 1 有机化合物的结构 特点 分类 畅 2 烷烃 畅 3 烯烃和炔烃 畅 4 环烃 畅 5 卤代烃 133 第 7 章烃的衍生物 畅 1 醇 140

11 vi 基础化学 7 畅 2 酚 畅 3 醚 畅 4 醛酮 畅 5 羧酸及其衍生物 158 第 8 章含氮有机化合物 畅 1 硝基化合物 畅 2 胺 畅 3 芳香族重氮化合物和偶氮化合物 畅 4 腈 畅 5 分子重排 189 第 9 章杂环化合物 畅 1 杂环化合物的分类和命名 畅 2 杂环化合物的结构 畅 3 杂环化合物的化学性质 畅 4 重要的杂环化合物及其衍生物 199 第 10 章三大有机营养物质 畅 1 糖类 畅 2 油脂 畅 3 蛋白质 221 第 11 章定量分析基础 畅 1 定量分析法概述 畅 2 定量分析的一般步骤 畅 3 定量分析误差和数据的处理 畅 4 分析结果的数据处理 242 第 12 章酸碱滴定法 畅 1 酸碱质子理论 249 科学出版社职教技术出版中心 12 畅 2 酸碱水溶液 ph 的计算 畅 3 同离子效应 盐效应 畅 4 缓冲溶液 畅 5 酸碱指示剂 畅 6 酸碱滴定曲线及指示剂的选择 畅 7 酸碱滴定法的应用 267 第 13 章氧化还原滴定法 畅 1 氧化还原反应 畅 2 氧化还原滴定的基本原理 畅 3 氧化还原滴定法及其应用 287 第 14 章沉淀滴定法 畅 1 概述 302

12 目录 vii 14 畅 2 沉淀滴定法的分类 303 第 15 章配位滴定法 畅 1 EDTA 及其配合物 畅 2 配位平衡及稳定常数 畅 3 配位滴定曲线与金属指示剂的选择 畅 4 配位滴定法的应用 318 第 16 章吸光光度法 畅 1 吸光光度法的基本原理 畅 2 比色法和分光光度法 畅 3 显色反应与条件优化 显色剂 畅 4 吸光光度法的应用 336 第 17 章常用的富集分离方法 畅 1 富集分离的效果评价 畅 2 沉淀与共沉淀富集分离法 畅 3 萃取富集分离法 畅 4 离子交换分离法 畅 5 薄层色谱分离法 畅 6 超临界流体萃取 358 第 18 章实验与实训 364 实验 1 基础化学实验常用仪器的认领与洗涤 364 实验 2 分析天平的称量练习 371 实验 3 常见阴离子的定性分析 372 实验 4 常见阳离子的定性分析 375 实验 5 酸碱溶液的配制和比较滴定 379 实验 6 熔点的测定 381 实验 7 用重结晶法提纯硫酸铜 383 实验 8 乙酸乙酯的制备 384 实验 9 烃的性质 386 实验 10 醇 酚 醛 酮 羧酸的性质 389 实验 11 糖 蛋白质的性质与鉴定 394 实验 12 铵盐中氮的测定 ( 甲醛法 ) 397 实验 13 化学需氧量的测定 ( 重铬酸钾法 ) 399 实验 14 过氧化氢含量的测定 401 实验 15 药用硼砂含量的测定 402 实验 16 亚铁盐中铁的测定 403 实验 17 酱油中氯化钠含量的测定 404 实验 18 自来水中 Ca Mg Fe 的测定 ( 综合实验 ) 406 实验 19 电导滴定法测盐酸的浓度 ( 设计实验 ) 408

13 viii 基础化学 实验 20 茶叶中咖啡因的提取 ( 设计实验 ) 411 实验 21 土壤中磷的比色测定 ( 设计实验 ) 413 实验 22 紫外分光光度法同时测定维生素 C 和维生素 E 415 实验 23 自动电位滴定法测定腐败食品总酸度 ( 设计实验 ) 417 实验 24 组分分析及测定 ( 设计实验 ) 混合碱中 Na2 CO3 和 NaHCO3 含量的 测定 ( 双指示剂法 ) 418 实验 25 污水处理厂进出水口样品采集与分析 ( 实训 ) 420 实验 26 稀醋酸的电离度和电离平衡常数的测定 ( 设计实验 ) 421 实验 27 碘量法测定维生素 C 423 实验 28 铁的比色测定 ( 设计实验 ) 424 附录 427 附录一部分习题参考答案 427 附录二常见弱酸和弱碱的解离常数 (25, I = 0) 434 附录三配合物的稳定常数 (18 ~ 25 ) 436 附录四常用酸碱溶液的密度 浓度及配制方法 441 参考文献 442 元素周期表 科学出版社职教技术出版中心

14 绪 论 1 畅基础化学的任务化学是自然科学中一门重要的基础学科, 它是在分子 原子或离子水平上研究物质的组成 结构 性质及化学变化的规律 现代化的科学文明和生活几乎都不能缺少化学这块 基石 以一门基础学科来命名的工业, 迄今为止只有 化学工业 倘若用化学的眼光来观察周围的物质世界, 自然界沉睡万年的煤 石油和矿藏, 钢铁 水泥的生产, 人类的衣食住行, 空间技术及环境工程等, 无不与化学学科息息相关 从学科的角度看, 化学学科为一级学科, 它的分支有无机化学 有机化学 分析化学 物理化学 高分子化学等二级学科 本书是根据环境 生态 食品 工业分析与检验等专业的特点和需要, 扼要介绍无机化学和有机化学中的基本理论和基本知识 2 畅基础化学的发展基础化学的发展大致经历了如下三个阶段 : 萌芽阶段 (17 世纪中叶以前 ), 人类的化学知识来源于以实用为目的的具体工艺过程的体验, 如炼金术 炼丹术 医药学等 ; 近代化学时期 (17 世纪后半叶到 19 世纪末 ), 形成了无机化学 有机化学 分析化学 物理化学这几个化学学科的分支 ; 现代化学时期从 20 世纪开始 化学与其他学科之间相互渗透, 相互融合, 化学学科内部各分支学科之间也相互交叉, 又不断形成许多新的边缘学科和应用学科, 如医学化学 生物化学 环境化学 食品化学 药物化学 农业化学 结构化学 量子化学 生物无机化学 高分子化学等 化学进入了一个崭新的发展阶段, 主要表现为从描述性的科学向推理性的科学过渡, 从静态向动态, 从定性向定量发展, 从宏观向微观深入, 成为了一门中心科学 3 畅基础化学的作用基础化学在人类生存 生存质量和安全方面发挥核心科学的作用, 对人类社会发展做出的贡献是多方面的和全方位的, 从人类的衣 食 住 行到高科技发展的各个领域, 到处留下了化学研究的足迹, 人类享受着化学发展的成果, 特别是进入 21 世纪以来, 人类社会面临着资源 能源 材料 环境等众多问题的挑战, 给化学的发展提供了广阔的天地 在新材料学 环保型能源与可再生能源科学技术 生命科学技术 信息科学技术及有益于环境的高新技术中, 化学将能发挥十分重要的作用 (1) 基础化学是解决食物短缺问题的主要科学之一 (2) 基础化学在能源和资源方面的合理开发和高效安全利用中起着关键作用 (3) 基础化学将继续推动材料科学的发展 总之, 基础化学与国民经济的各个部门 尖端科学技术的各个领域及人民生活的各个方面都有着密切的联系 在整个自然科学中, 成为了与社会发展各方面的需要都有密

15 2 基础化学 切关系的中心学科 4 畅如何学好基础化学 基础化学具有以下的特点 : 1 复杂性 : 世界是由无数种不断变化的物质组成的, 问 题非常复杂, 涉及面广, 而基础化学是研究不断变化的物质, 所以基础化学涉及的问题 也十分复杂 ; 2 实验性 : 基础化学的理论还不完善, 只能预测少数分子的结构 性质及 反应的规律, 也就是说基础化学仍然是一门以实验为主的学科 ; 3 独特性 : 基础化学学 科有自己独特 严谨的概念 符号和语言, 因此学习化学, 首先要掌握这些独特的概 念 符号和语言 ; 4 创新性 : 基础化学可以改变物质并创造新的物质, 这是其他学科所 办不到的 针对基础化学的学科特点, 学好基础化学, 应做到以下几个方面 : (1) 有重点的听课 : 即对每堂课的内容, 要分清主次 哪些内容是该掌握的, 哪些 内容是该了解 熟悉的必须清楚, 这样才能在最短的时间内掌握最有用 最实用的 知识 (2) 课前预习 : 课前提前预习, 找到自己的薄弱环节 (3) 做好课堂笔记 课后小结及阶段性总结 : 只有做到这些才能使学习内容前后连 贯, 做到循序渐进 一环紧扣一环 (4) 做好作业 : 作业其实是对每次学习内容的一次巩固与复习 良好的学习成绩, 往往是在做好作业的基础上才会得到 (5) 认真做好实验 : 基础化学是以实验为基础的学科, 所以必须重视实在在基础化 学中的重要地位, 学生必须具备相当的实验技能, 而实验技能只能通过大量细致 耐心 的实验才能得以形成 科学出版社职教技术出版中心

16 第 1 章分散系与溶液 学习目标 (1) 分散系的基本概念和分类 (2) 几种常用溶液浓度的表示方法和计算 (3) 稀溶液的依数性及其应用 必备知识 (1) 溶液浓度的计算 (2) 稀溶液依数性的应用 选修知识 (1) 分散系的基本概念和分类 (2) 稀溶液依数性的科学应用 案例导入 什么是溶液? 溶液有什么性质? 课前思考题 (1) 在高原地区, 水的沸点是 100 吗? (2) 如何避免作物的烧苗现象? 1 畅 1 概述 溶液和胶体是物质在不同条件下形成的不同存在形式, 在自然界普遍存在, 与日常 生活和工农业生产有着密切联系 河流湖泊就是很大的水溶液, 生物体和土壤中的液态

17 4 基础化学 部分大部分是溶液或胶体, 而黏土分散到水中则成为泥浆, 并且与溶液和胶体有所不 同, 但是它们都是把一些物质分散到另一种物质中形成几种物质的混合体系 1 畅 1 畅 1 分散系的概念 分散系是把一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的体系 例如氯化钠分散到 水中成为氯化钠的水溶液, 水滴分散在空气中成为云雾等都是分散系 在分散系中, 被 分散的物质称为分散质 ( 或分散相 ), 容纳分散质的物质称为分散剂 在氯化钠溶液中, 氯化钠是分散质 ( 或分散相 ), 水是分散剂, 而在云雾这一分散系中, 水是分散质, 空 气是分散剂 1 畅 1 畅 2 分散系的分类 根据分散质和分散剂的聚集状态进行分类, 可以把分散系分为 9 类 ( 表 1 畅 1) 表 1 畅 1 分散系分类 ( 一 ) 分散剂分散质实例 固体固体矿石 合金 固体液体珍珠 毛发 固体气体泡沫塑料 海绵 液体固体盐水 泥浆 液体液体白酒 石油 液体气体汽水 泡沫 气体固体灰尘 烟 气体液体云 雾 气体气体空气 煤气 对于分散剂是液体的分散系, 按分散质粒子直径的大小进行分类, 可以分为 3 类 ( 表 1 畅 2) 表 1 畅 2 分散系分类 ( 二 ) 类型分散系名称粒子直径 /nm 主要特征实例 分子 离子分散系溶液 < 1 最稳定, 能透过滤纸和半透膜食盐水 胶体分散系胶体 1 ~ 100 稳定, 能透过滤纸, 不能透过半透膜淀粉溶液 粗分散系 乳浊液 悬浊液 科学出版社职教技术出版中心 > 100 不稳定, 不能透过滤纸和半透膜牛奶 泥浆 在粗分散系中, 分散质是由巨大数量的分子 ( 或原子等 ) 集合而成的固体颗粒或不溶性小液滴 悬浊液和乳浊液统称为浊液, 具有浑浊 不稳定等特征 浊液也有很多用途, 例如, 人们用石灰和水配制成悬浊液来粉刷墙壁 ; 为了防治病虫害, 常把一些不溶于水的固体或液体农药, 配制成悬浊液或乳浊液喷洒在农作物上 ; 医院里用 X 射线检

18 第 1 章分散系与溶液 5 查肠胃病时, 钡餐就是硫酸钡的悬浊液 在胶体分散系中, 分散质粒子直径在 1 ~ 100nm 之间, 由微小的粒子或液滴所组成 胶体包括溶胶和高分子化合物溶液两种类型 溶胶 ( 或称为胶体 ) 是指分散质粒子由许多一般的分子组成的聚集体, 是难溶于分散剂的固体分散质高度分散在液体分散剂中形成的胶体分散体系 如氢氧化铁胶体 碘化银胶体等 高分子化合物溶液, 如淀粉溶液 蛋白质溶液, 其分散质粒子是单个的高分子, 是高度分散 稳定的分散系 一种或几种物质以离子或分子形式均匀地分散在另一种物质中所形成的分散系统称为溶液 量少的称为溶质, 量多的称为溶剂 水是最常见的溶剂, 水溶液也简称溶液 如在氯化钠溶液中, 氯化钠以氯离子和钠离子的形式分散在水中 ; 蔗糖溶液中, 蔗糖以单个分子的形式分散在水中 对于这两种溶液, 氯化钠 蔗糖是溶质, 水是溶剂 对于溶液来说, 溶质就是分散质, 溶剂就是分散剂, 溶液就是分散系 以上三类分散系之间没有明显的界线, 三者之间是逐渐过渡的 也就是说, 以分散质粒子的直径作为分散系分类的依据是相对的 1 畅 2 溶液浓度的表示方法 溶液的浓度是指一定量溶液或溶剂中所含溶质的量 溶质的量可以是物质的量 质量 体积等, 溶液的量可取体积 质量, 溶剂的量可取质量 体积, 因此, 溶液浓度的表示方法有多种 1 畅 2 畅 1 常用浓度的表示方法 1 畅质量分数 ( w) 溶液中溶质的质量占溶液总质量的百分数, 叫做该溶质的质量分数, 用符号 w 表示 式中 : wb 溶质的质量分数 ; mb 溶质的质量, g ; m 溶液的质量, g wb = mb m 100 % (1 畅 1) 2 畅物质的量浓度 (cb ) 物质的量浓度指单位体积溶液中物质的量的多少的一个物理量, 用符号 cb 表示 cb = mb V 式中 : cb 溶质 B 的物质的量浓度, mol dm - 3 ; mb 溶液中溶质的物质的量, mol ; V 溶液的体积, dm 3 (1 畅 2)

19 6 基础化学 1 畅 2 畅 2 有关计算 1 畅物质的量浓度和质量分数的换算 进行计算时, 常用到下式 : 式中 : cb 物质的量浓度, mol dm - 3 ; ρ 溶液的密度, g cm - 3 ; w 溶质的质量分数 ; MB 溶质的摩尔质量, g mol - 1 cb = 1000 ρ w 例 1 畅 1 溶质的质量分数为 98 % 的浓硫酸, 其密度为 1 畅 84g cm - 3 H2 SO4 的物质的量浓度 解根据式 (1 畅 3), 代入数据, 得 : MB cb = 畅 % 98g mol - 1 = 18 畅 4(mol dm - 3 ) (1 畅 3), 计算该浓 2 畅溶液的稀释 稀释前后, 溶液所含溶质的物质的量 ( 或质量 ) 不变 式中 : c1 c2 稀释前后溶质 B 的浓度, mol dm - 3 ; V1 V2 稀释前后溶液的体积, dm 3 c1 V1 = c2 V2 (1 畅 4) 例 1 畅 2 配制 3mol dm - 3 HCl 溶液 1dm 3, 需要 12mol dm - 3 HCl 溶液多少 cm 3? 解根据式 (1 畅 4), 得 V1 = c2 V2 /c1, 代入数据, 得 V1 = /12 = 250 (cm 3 ) 1 畅 3 稀溶液的依数性 溶液的某些性质与溶质的本性有关, 如颜色 气味 酸碱性等, 但是溶液的另一类 性质却只与溶质 溶剂微粒 ( 分子 离子 ) 数的比值有关, 而与溶质的本质无关, 这类 性质包括难挥发 非电解质稀溶液中溶剂的蒸气压下降 沸点升高 凝固点降低及溶液 的渗透压等, 这类性质统称为稀溶液的依数性 1 畅 3 畅 1 溶液的蒸气压下降 1 畅蒸气压的概念 科学出版社职教技术出版中心 分子是不断运动的 向空的密闭容器内注入液体, 在一定温度下, 液面上一部分动 能较高的分子逸出液面, 扩散到液面上部的空间, 形成气相, 这一过程称为蒸发, 又称 气化 同时, 气相的分子也会接触到液面并重新回到液相中, 这一过程称为凝聚 开始

20 第 1 章分散系与溶液 7 阶段, 空间内没有蒸气分子, 蒸发速度较快, 但随着蒸发的进行, 液面上方的蒸气分子逐渐增多, 凝聚的速率随之加快, 当蒸发和凝聚的速率相等时, 气 液两相处于平衡状态 这时产生的蒸气的压力称为此温度下该液体的饱和蒸气压, 简称蒸气压 蒸气压的单位为 Pa 或 kpa 在相同温度下, 不同液体有不同的饱和蒸气压 ( 表 1 畅 3) 表 1 畅 3 一些液体的饱和蒸气压 (20 ) 液体 水 乙醇 乙醚 苯 汞 蒸气压 /kpa 2 畅 34 5 畅 畅 74 9 畅 96 1 畅 通常把常温下蒸气压较高的物质称为易挥发性物质, 如乙醚 苯 ; 把蒸气压较低的物质称为难挥发性物质, 如甘油 纯液体在一定温度下具有一定的蒸气压 由于蒸发是吸热过程, 所以温度升高时, 将使液体和它的蒸气之间的平衡向生成蒸气的方向移动, 使单位时间内变成蒸气的分子数目增多, 因此液体的蒸气压随着温度的升高而增大 表 1 畅 4 是不同温度时水的蒸汽压 表 1 畅 4 不同温度时水的蒸汽压 温度 / 蒸气压 / kpa 0 畅 61 2 畅 33 7 畅 畅 畅 畅 畅 65 与液体相似, 固体也可以蒸发, 因而也有一定的蒸气压, 但一般都很小 2 畅溶液的蒸气压下降当液体中溶有难挥发的溶质时, 在一定温度下, 稀溶液的蒸气压总是低于纯溶剂的蒸气压 ( 此时的蒸气压实际是溶液中溶剂的蒸气压 ) 纯溶剂蒸气压与溶液的蒸气压之间的差称为溶液的蒸气压下降 溶液蒸气压下降的原因在于溶剂中加入难挥发的溶质后, 溶液的一部分液面被溶质分子占据, 使得单位面积上的溶剂分子数减少, 同时溶质分子和溶剂分子的相互作用, 也阻碍了溶剂的挥发 因此, 在单位时间内从溶液中蒸发出来的溶剂分子数目要比纯溶剂少, 当蒸发和凝聚达到平衡时, 溶液的蒸气压必定比纯溶剂的蒸气压低 显然, 溶液浓度越大, 溶液的蒸气压下降就越多 溶液的蒸气压下降对植物抗旱抗寒具有重要意义 当外界温度升高或降低时, 植物细胞内可溶物 ( 主要是糖类等小分子 ) 强烈溶解, 增大了细胞液的浓度, 从而降低了细胞液的蒸气压, 使植物中水的蒸发作用减慢 因此, 植物在较高温度下仍能保持必要的水分而表现出一定的抗旱抗寒性 1 畅 3 畅 2 溶液的沸点升高 液体的蒸气压随着温度的升高而增大, 增大到与外界大气压相等时, 液体就开始沸

21 8 基础化学腾 液体的蒸气压等于外界大气压 ( 通常为 101 畅 325kPa) 时的温度称为该液体的沸点 例如, 水在 100 时的蒸汽压恰好是 101 畅 325kPa, 所以水的沸点是 100 高原地区气压较低, 水的沸点低于 100 在一定压强下, 液体的沸点是固定的 当往纯溶剂中加入难挥发的溶质时, 溶液的蒸气压会下降, 要使溶液的蒸气压和外界大气压相等, 就必须升高溶液的温度, 所以, 溶液的沸点总是高于纯溶剂的沸点, 此现象称为溶液的沸点升高 例如在常压下, 海水的沸点高于 畅 3 畅 3 溶液的凝固点降低 能蒸发的固体也有蒸气压, 在一定温度下, 固体的蒸气压也是一定的 固体蒸发也要吸热, 所以固体的蒸气压随温度的升高而增大 表 1 畅 5 是冰在不同温度下的蒸气压 表 1 畅 5 冰在不同温度下的蒸气压 温度 / 蒸气压 /kpa 0 畅 11 0 畅 16 0 畅 25 0 畅 40 0 畅 61 0 时, 水和冰的蒸气压相等, 此时冰水共存 物质的液态和固态共存时的温度为 该物质的凝固点 在常压下, 水的凝固点时 0 水的凝固点又叫做水的冰点 当在 0 的冰水共存体系中加入难挥发的溶质后, 势必引起液相水的蒸气压下降, 而固态物质冰的蒸气压不会改变 致使冰的蒸气压高于水的蒸气压, 冰会融化成水, 只 有在比 0 低的温度时, 冰的蒸气压和水溶液的蒸气压才会相等, 此时冰和溶液才能共 存, 所以溶液的凝固点总是低于纯溶剂的凝固点 溶液凝固点降低的性质, 在日常生活和工农业生产中有广泛应用 例如在严寒的冬 天, 往汽车水箱中加入甘油或防冻液, 可以防止水冻结 ; 冬季建筑施工的混凝土中添加 氯化钙 ; 撒盐可将道路上的积雪融化 ; 常青树的树叶因富含糖分在严寒的冬天长青不 冻等 1 畅 3 畅 4 溶液的渗透压 施过化肥的农作物需要立即浇水, 否则化肥会 烧死 植物 ; 淡水鱼和海水鱼不能 互换生活环境 ; 因失水而发蔫的花草, 浇水后可重新复原等, 这些现象都和细胞膜的渗 透有关 如图 1 畅 1 所示的连通器, 中间装有半透膜, 半透膜是只允许溶剂分子透过而不允许 溶质透过的物质 ( 如动物的膀胱膜 肠膜 植物细胞原生质膜或人造羊皮纸等 ) 在膜 的两边分别放入纯水和蔗糖溶液, 并使两边液面高度相等 [ 图 1 畅 1 (a)] 水分子可以 通过半透膜, 而蔗糖分子不能透过半透膜, 由于单位体积内蔗糖溶液中含水分子比较 少, 因而在单位时间内从纯水向蔗糖溶液方向扩散的水分子数比蔗糖溶液向纯水方向扩 散的水分子数目多 结果表现为水不断透过半透膜渗入蔗糖溶液, 使蔗糖溶液的浓度逐 渐减小而体积逐渐增大 像这样溶剂分子通过半透膜由纯溶剂扩散到溶液中的现象称为 渗透 科学出版社职教技术出版中心

22 第 1 章分散系与溶液 9 随着渗透作用的进行, 蔗糖溶液的液面逐渐升高, 两侧液面产生液面差, 容器内液柱的压力使溶液中水分子向纯水中扩散的速度逐渐加快, 同时使纯水中的水分子进入溶液的速度逐渐减慢, 当蔗糖溶液的液面上升到一定高度时, 水分子向两个方向的渗透速率相等, 体系建立起一个动态平衡, 称为渗透平衡 [ 图 1 畅 1 (b)] 为了使渗透现象不发生, 必须在溶液液面上施加一定的压力 [ 图 1 畅 1 (c)] 在蔗糖溶液上面加一重物施加压力恰好阻止水分子的渗透, 这个压力就是该溶液的渗透压 因此, 为阻止渗透作用的进行而施加于溶液的最小压力称为溶液的渗透压 图 1 畅 1 渗透和渗透压示意图 (a) 开始时 ; (b) 水分子由纯水向蔗糖溶液渗透 ; (c) 施加最小压力阻止渗透作用进行 凡是溶液都有渗透压 半透膜的存在和膜两侧单位体积内溶剂分子数不相等是产生渗透现象的两个必要条件 如果半透膜两侧溶液的浓度相等, 则渗透压相等, 这种溶液称为等渗溶液 ; 如果半透膜两侧溶液浓度不等, 则渗透压不相等, 浓度高的溶液渗透压高, 称为高渗溶液, 浓度低的溶液渗透压低, 称为低渗溶液 渗透作用对于动植物的生活具有重大意义 细胞膜是一种很容易透水而几乎不能透过溶解于细胞液中的物质的薄膜 水进入细胞后产生相当大的压力, 能使细胞膨胀, 这就是植物茎 叶 花瓣等具有一定弹性的原因, 它使植物能够伸展枝叶, 更好地吸收二氧化碳并接受太阳光 植物的生长发育和土壤溶液的渗透压有关, 只有土壤溶液的渗透压低于细胞液的渗透压时, 植物才能不断从土壤中吸收水分和养分进行正常生长发育, 如果土壤溶液的渗透压高于植物细胞的渗透压, 植物细胞内的水分就会向外渗透导致植物枯萎 人和动物体内的血液都要维持等渗关系, 因此, 静脉输液时, 注射液应与血液是等渗溶液, 如果是高渗溶液, 则血液细胞中的水分将向外渗透, 造成红细胞干瘪 ; 输入低渗溶液, 则水分向细胞内渗透, 使红细胞膨胀甚至破裂, 产生溶血现象 因此, 应输入 0 畅 9 % 的生理盐水或 5 畅 0 % 葡萄糖溶液 血浆 胃液 肠液等的渗透压大致相同, 饮水后水渗入血液, 使血浆渗透压降低, 水分就可以由血液渗透到组织细胞, 并可进入肾脏随尿液排出 眼药水必须和眼球组织中的液体具有相同的渗透压, 否则会引起疼痛 如果外加在溶液上的压力超过来自溶液的渗透压, 则溶液中的溶剂分子可以通过半透膜向纯溶剂方向扩散, 纯溶剂的液面上升, 这一过程称为反渗透 反渗透广泛应用于海水淡化 工业废水处理和溶液的浓缩等方面

23 10 基础化学 本章小结 1 畅分散系 分散系是把一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的体系 根据分散质颗粒的大小, 分散系可分为溶液 浊液和胶体 2 畅溶液浓度的表示方法 常用的溶液浓度表示方法有溶质的质量分数和物质的量浓度, 其计算公式 以及彼此之间的换算关系如下 : (1) 质量分数 : wb = mb m 100 % (2) 物质的量浓度 : cb = mb V (3) 物质的量浓度和质量分数的换算 : cb = 1000 ρ w (4) 溶液的稀释 : c1 Vl = c2 V2 3 畅稀溶液的依数性 稀溶液具有一些共同的性质 : 蒸气压下降 沸点升高 凝固点降低和渗透 压等, 这些性质只与溶质 溶剂微粒 ( 分子 离子 ) 数的比值有关, 而与溶质 的本质无关, 叫做稀溶液的依数性 稀溶液的依数性与生活实际和工农业生产 有着密切的联系 复习思考题 1 畅植物为什么具有一定的抗旱抗寒能力? 2 畅淡水鱼为什么不能生活在海水中? 3 畅稀溶液的依数性包括哪几个方面? 4 畅把 49gH2 SO4 配成 2dm 3 稀 H2 SO4 溶液, 该溶液物质的量浓度为多少? 5 畅质量分数为 37 % 的盐酸, 密度为 1 畅 19 g cm - 3, 求其物质的量浓度? 6 畅计算要配制 1mol dm - 3 的硫酸溶液 500 dm 3, 需要密度为 1 畅 84 g cm - 3, 质量 分数为 98 % 的浓硫酸多少 dm 3? MB 科学出版社职教技术出版中心 知识链接 反渗透指的是沿与溶液自然渗透方向相反的方向进行的渗透, 即溶剂从高浓度向低 浓度溶液进行渗透 假设半透膜只允许淡水通过, 把它放在淡水和盐水中间, 在自然状

24 第 1 章分散系与溶液 11 态下, 淡水会透过半透膜稀释盐水来减小浓度差, 当高度相差一定程度时, 渗透会自动停止 如果在盐水一边施加压强, 使它大于渗透压, 盐水中的水分子就被迫渗入淡水一方, 这就是反渗现象 只要保持足够的压强, 并及时取走淡水, 盐水中的水分子源源不断地透过半透膜进入淡水中, 盐分就被 过滤 掉了 反渗透法是目前海水淡化中最有效 最节能的技术 反渗透膜的膜孔径非常小, 孔的大小只允许水分子通过, 盐类和杂质分子都比孔大而无法通过 因此能够有效地去除水中的溶解盐类 胶体 微生物 有机物等

25 第 2 章物质结构 学习目标 (1) 物质的结构与核外电子的运动状态 (2) 元素周期律和元素周期表 (3) 分子的结构与组成 必备知识 (1) 原子的基本结构 (2) 核外电子的分层排布 选修知识 (1) 物质的组成 (2) 物质在化学变化中原子结合方式的变化形式 案例导入 物质的化学性质和它本身具有的结构有关 例如要讨论有机化合物的主要性 质, 就必须了解有机化合物官能团的结构, 官能团中碳原子的成键方式与碳原子中 电子的运动状态有着直接的关系 课前思考题 (1) 物质是由什么组成的? (2) 组成原子的微粒之间有什么关系? 科学出版社职教技术出版中心

26 第 2 章物质结构 13 2 畅 1 原子核外电子的运动状态 2 畅 1 畅 1 电子云 由于电子并不像宏观物体那样沿着固定的轨道运动, 因此, 不可能准确测定一个核外电子在某一时刻所处的空间位置和运动状态 然而, 用统计学的方法可以判断电子在核外空间某一区域出现的机会是多少 电子在空间出现的机会称为概率, 在某单位体积内出现的概率称为概率密度 电子云也可以表示电子在原子空间的某点附近出现的概率密度 如图 2 畅 1 所示, 小黑点密集的地方, 则表示电子在那里出现的概率密度大 所以, 图 2 畅 1 氢原子的电子云图电子云就是概率密度的形象化表示 处于不同运动状态的电子, 其电子云也各不相同, 图 2 畅 2 为各种状态电子云的分布形状 图 2 畅 2 电子云的分布形状 2 畅 1 畅 2 核外电子运动状态的描述 电子的运动状态, 需要从电子层 电子亚层 电子云的空间伸展方向和电子的自旋 方式四个方面来描述 引入量子化条件后, 这四个方面分别对应主量子数 n 角量子数 l 磁量子数 m 和自旋磁量子数 ms 1 畅主量子数 n = 1, 2, 3, 4,, 7 在多电子原子里, 主量子数 n 决定电子的能量高低 E = - 13 畅 6ev n 2 (2 畅 1)

27 14 基础化学 能量低的, 通常在离核较近的区域运动 ; 能量高的, 通常在离核较远的区域运动 根据电子能量的高低和通常运动区域离核远近的不同, 将核外电子分成不同的电子层, 并按照它们的能量由低到高 ( 即由里向外 ) 的顺序, 把电子层的序数依次用等数字表 示, 分别对应主量子数 n = , 即离核最近的为第 1 层, 主量子数 n = 1, 依此类推, 相应地也可用大写的英文字母 K L M N O P 等符号表示对应的电子 层, 即离核最近的为 K 层, 依此类推, n 值越大, 电子能量越高 2 畅角量子数 l l = 0, 1, 2, 3,, (n - 1) ; 相应能级符号 : s p d f 角量子数 l 确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数 n 一起决定电子的能 级 电子在同一电子层中运动, 原子轨道的形状也不相同, 能量也稍有差别 根据这个 差别, 可以把一个电子层分成一个或几个亚层, 表示由几种不同类型的原子轨道, 用光 谱学符号即小写的英文字母 s p d f 等符号表示, 对应的角量子数 l = 0, 1, 2, 3, 分别代表 s p d f 轨道 K 层只有一个 s 亚层, 即一种 s 轨道 ; L 层有 s p 两个亚 层, 即 s p 两种轨道 ; M 层有 s p d 三个亚层, 即 s p d 三种轨道 ; N 层有 s p d f 四个亚层, 即 s p d f 四种轨道 当主量子数 n 不大于 4 时, 每一电子层中亚层的种类数等于原子轨道的种类数等于 主量子数 不同电子亚层的电子云形状不同 : s 亚层电子云形状呈球形对称 ; p 亚层电子云形 状呈哑铃形 ; d 亚层电子云形状呈梅花瓣形 ; f 亚层电子云形状比较复杂, 本节不做 介绍 为了清楚表示出某个电子处于核外哪个电子层和亚层, 可将电子层的序号 n 标在亚 层符号的前面 如处于 L 层的 s p 亚层的电子标为 2s 2p 3 畅磁量子数 m m = 0, ± 1, ± 2, ± 3,, ± l 磁量子数 m 决定原子轨道的空间伸展方向 不同的电子亚层由不同的角量子数 l 的值决定, 每一个不同的 l 值, 共有 (2 l + 1) 个不同的 m 取值, 即 (2 l + 1) 个不同的 轨道空间伸展方向 了解 n l m 三个量子数之后, 可以对原子轨道这样理解 : 在一定的电子层上, 具有一定的形状和伸展方向的电子云所占据的空间 电子云是电子在原子轨道上的几率 密度分布, 电子云的形状实际上是轨道的形状, 电子云的一种伸展方向就是一个轨道 例如, s 电子云是球形对称的, 在空间各个方向上伸展程度相同, 有一个伸展方向, p 电子云在空间有 3 个互相垂直的伸展方向, d 电子云有 5 个伸展方向, f 电子云有 7 个 伸展方向 各电子层可能有的轨道数如下 : 科学出版社职教技术出版中心

28 第 2 章物质结构 15 电子层 (n) 亚层 轨道数 n = 1 s 1 = 1 2 n = 2 s p = 4 = 2 2 n = 3 s p d = 9 = 3 2 n = 4 s p d f = 16 = 4 2 n n 2 即每个电子层可能有的最多轨道数为 n 2 4 畅自旋磁量子数 ms 电子在核外空间不停地绕核运动, 同时还作自旋运动 电子自旋有两种状态, 相当于顺时针和逆时针两种方向, 对应的自旋磁量子数 ms = + 1/2 和 - 1/2, 用向上箭头 和向下箭头 来表示不同的自旋状态 则表示自旋方向相反的两个电子 综上所述, 电子在原子核外的运动状态是相当复杂的, 由其所处的电子层 电子亚层 电子云的空间伸展方向和电子自旋状态四个方面来决定, 必须由四个量子数来描述, 这四个方面是相互联系 相互制约的 因此, 说明一个电子的运动状态, 必须同时从这四个方面说明 2 畅 2 畅 1 能级三角形图及电子分布 2 畅 2 原子核外电子排布 1939 年, 鲍林 (Pauling) 根据光谱实验数据及计算结果, 总结出多电子原子的近 似能级图, 能量相近的划成一组, 称为能级组 1s 第一能级组 2s 2p 第二能级组 3s 3p 第三能级组 4s 3d 4p 第四能级组 5s 4d 5p 第五能级组 6s 4f 5d 6p 第六能级组 7s 5f 6d 7p 第七能级组 2 畅 2 畅 2 核外电子排布规则 核外电子排布有如下三个基本原则 : 1 畅能量最低原理多电子原子在基态时, 电子总是优先占据能量较低的轨道 图 2 畅 3 表示电子的填充顺序

29 16 基础化学 图 2 畅 3 电子填入轨道次序 2 畅泡利 (Pauli) 不相容原理 泡利不相容原理是指在同一原子中不可能有四个量子数完全相同的电子存在, 各电 子层中电子的最大容量是 2n 2 个 如 4 Be 和 11 Na 的电子排布式分别为 4 Be 1s 2 2s 2 11 Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3 畅洪特 (Hund) 规则 洪特原则是指电子在能量相同的等价轨道上排布时, 总是尽可能地以自旋方向相同 的运动状态分布不同的轨道 例如 : 碳原子 6 C 的电子排布为 1s 2 2s 2 2p 2, 此时轨道上的电子排布为 科学出版社职教技术出版中心 2 畅 3 原子结构与元素周期律 2 畅 3 畅 1 原子的电子层结构和元素周期表 元素周期表共有 7 个横排, 每一横排称为一个周期, 共 7 个周期, 每一纵行称为一族, 共有 18 个纵行, 包括主族元素的 Ⅰ A ~ Ⅶ A Ⅷ 族元素 ( 三个纵行 ) Ⅰ B ~ Ⅶ B 元

30 第 2 章物质结构 17 素 0 族元素 1 畅原子的电子层结构和周期原子的电子层结构与周期的关系实际上就是能级组与周期的关系 2 畅元素的分区价电子是指原子参加化学反应时, 能用于成键的电子 价电子所在的亚层称为价电子层, 或称为价层 价层电子构型能反映该元素原子在电子层构型上的特征 根据原子的电子层结构和周期, 可以将元素周期表划分为 5 个区域 ( 图 2 畅 4) s 区 : Ⅰ A ~ Ⅱ A 元素, 最后一个电子填充在 ns 轨道上, 价层电子构型 ns 1 或 ns 2, 位于长式元素周期表的左侧 p 区 : Ⅲ A ~ Ⅶ A 元素和稀有气体元素, 最后一个电子填充在 np 轨道上, 价层电子构型为 ns 2 np 1 ~ 6, 位于长式元素周期表的右侧 s 区元素与 p 区元素的共同特点是最后一个电子处于最外层, 最外层电子总数等于其族数 图 2 畅 4 周期表中元素的分区 d 区元素 : Ⅲ B ~ Ⅶ B 元素和 Ⅷ 族元素, 最后一个电子填充在 ( n - 1) d 亚层上, 价层电子构型为 (n - 1) d 1 ~ 9 ns 1 ~ 2, 有可变的氧化态 ds 区元素 : Ⅰ B ~ Ⅱ B 元素, 最后一个电子填充在 ns 1 ~ 2, 价层电子构型为 ( n - 1) d 10 ns 1 ~ 2, 与 s 区元素和 d 区元素不同, 在长式元素周期表中的 d 区和 p 区之间 f 区元素 : 镧系和锕系元素, 也称为内过渡元素, 其最后一个电子填充在 f 轨道上, 价层电子构型为 (n - 2) f 1 ~ 14 ns 2 或 ( n - 2) f 1 ~ 14 ( n - 1) d 0 ~ 2 ns 2, 通常将其位列于元素周期表之下 2 畅 3 畅 2 元素性质的周期性变化 元素的基本性质, 如原子半径 电离能 电子亲和能 电负性等呈现周期性的变化

31 18 基础化学 1 畅原子半径原子半径是指两相邻原子之间的平均核间距 常见的原子半径分为金属半径 共价半径和范德华半径 范德华半径是指在分子晶体中当分子间以范德华力也就是分子间作用力相互吸引时, 它们的核间距离的一半为范德华半径 决定原子半径大小的因素有核外电子层数以及核电荷数 同周期元素, 原子半径随原子序数的增加而递减 同周期主族元素, 随原子序数增加原子半径递减 同周期过渡元素, 从左到右原子半径逐渐缩小但趋势减缓, 这种现象称为镧系收缩 主族元素从上到下原子半径逐渐增大 2 畅电离能基态的气态原子失去一个电子成为 + 1 价的气态离子时所需要的能量称为该元素原子的第一电离能 I1, 单位为 kj mol - 1 从 + 1 价气态的阳离子再失去一个电子成为 + 2 价阳离子所需要的电离能为第二电离能 I2 < I2 < I3 <, 依此类推, 各级电离能的大小通常为 I1 3 畅电子亲和能 基态的气态原子得到一个电子形成 - 1 价气态负离子所放出的能量为该元素的电子 亲和能, 用 Y 表示, 单位为 kj mol - 1 电子亲和能也有 Y1, Y2, Y3, 通常指第一 电子亲和能 Y1 4 畅电负性 1932 年鲍林提出了电负性的概念 元素的电负性是指在分子中原子吸引成键电子 的能力的相对大小, 较全面地反映了元素金属性和非金属性的强弱 最活泼的非金属元素氟的电负性为 4 畅 0, 然后可计算得到其他元素的电负性的相对 大小 一般说来, 金属的电负性在 2 畅 0 以下, 非金属的电负性在 2 畅 0 以上 2 畅 4 化学键 原子与原子如何构成了分子? 分子与分子又如何结合成宏观物体? 前者是化学键的 问题, 后者是分子间的作用力的问题 分子或晶体中两相邻原子或离子之间强烈的相互吸引作用, 称为化学键 化学键分 为离子键 共价键和金属键三种基本类型 2 畅 4 畅 1 离子键 1916 年, 柯塞尔 (Kos sel) 根据稀有气体具有稳定结构的事实提出了离子键理论 1 畅离子键理论的基本要点 以 NaCl 的形成为例 : 科学出版社职教技术出版中心

32 Na(3s 1 ) - e Na + (2s 2 2p 6 ) Cl(3s 2 3p 5 ) Cl - (3s 2 3p 6 ) 第 2 章物质结构 19 静电引力 Na + Cl - 活泼金属原子 Na(1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 ) 失去一个电子成为正离子 Na + (1s 2 2s 2 2p 6 ), 活泼的非金属原子 Cl(1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 ) 得到一个电子形成负离子 Cl - (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ), 它们都达到了稀有气体的稳定结构 正负离子通过静电引力相互吸引形成离子晶体, 这种由正负离子的静电作用而形成的化学键叫离子键 2 畅离子键的主要特征离子键的本质是静电引力 由于离子键没有饱和性和方向性, 因此在离子晶体中不存在独立的 分子, 只能说整个晶体是一个大分子, NaCl 这个式子严格说来只是氯化钠的化学式, 而不是分子式, NaCl 说明在整个晶体中 Na + 和 Cl - 的数目比为 畅 4 畅 2 共价键 1916 年, 路易斯 (Lewis) 提出了 共用电子对 的概念, 形成了经典的共价键理论 他认为, 原子间通过共用电子对以达到稀有气体的稳定结构, 如 H2 O2 等分子中原子之间形成的就是共价键 1927 年, 海特勒 (W. Heitler) 和伦敦 (London) 将量子力学应用于分子中, 形成了现代价键理论 1) 共价键的形成当自旋相反的两个氢原子互相靠近时, 整个系统能量降低, 低于两个氢原子单独存在时的能量 当能量降低到最低点时, 二者的核间距变小 此时, 吸引和排斥达到平衡, 形成了稳定的化学键 若两个原子继续靠近, 斥力加大, 使系统能量升高 从电子云来看, 两个 1s 轨道的重叠使两核间距的电子出现的概率密度增大, 形成了电子云密集区域, 增强了核对其的吸引力, 形成稳定的共价键 2) 共价键理论的基本要点 1930 年美国化学家鲍林发展了现代价键理论 当两个原子各有一个自旋方向相反的电子并互相靠近时, 可以相互形成稳定的化学键, 又称为电子配对法 如 Cl2 的形成可以表示为 : Cl + Cl Cl Cl 简写为 Cl Cl 或 Cl 唱 Cl 原子之间的电子在配对时, 原子轨道总是沿着重叠最多的方向进行, 重叠越多, 两核间距的电子出现的概率密度越大, 形成的共价键越牢固, 这就是最大重叠原理 3) 共价键的特征共价键与离子键不同, 具有饱和性和方向性 自旋方向相反的两个电子, 可以配对形成一个共价键 因此, 原子中有几个未成对电子, 就只能和同样多的自旋方向相反的未成对电子配对, 这就是共价键的饱和性

33 20 基础化学例如, S 原子的电子排布为 Ne 3s 2 3p 4, 3p 轨道上的电子排布是, 轨道中有 2 个未成对电子, 因此, 它可以和 2 个具有相反自旋方向的氢原子形成 2 个共价键, 即 H S H, 这就是 H2 S 分子 同样, Cl 原子和 H 原子只能形成 1 个共价键, 即 HCl 分子 原子轨道中除了球形的 s 轨道无方向性以外, p d f 原子轨道都具有一定的空间伸展方向 因此, 在成键时只能沿着一定的方向相互靠近, 最大程度地重叠 此为共价键的方向性 例如, HCl 的形成 电子沿着 x 轴方向靠近才能达到最大重叠 如图 2 畅 5 中为 p x - s 最大重叠 4) σ 键和 π 键 图 2 畅 5 轨道最大重叠示意图 σ 键是原子轨道沿着两原子核的连线即键轴, 以 头碰头 的方式重叠的, 如 s - s 重叠 π 键是原子轨道沿着键轴方向以 肩并肩 的方式重叠, 原子轨道垂直于键轴, 重叠部分分布在键轴的两侧, 并互相对称, 如 p z - p z 重叠和 p y - p y 重叠 由于 π 键的重叠程度小于 σ 键, 因此, π 键常常没有 σ 键稳定, π 电子容易参与化 学反应, 常见的如 CH2 CH2 中的 π 键容易发生加成反应 2 畅 4 畅 3 杂化轨道理论 用简单的电子配对法不能解释某些分子的空间构型 根据价键理论, 水分子的键角 应为 90, 而实际测得 O H 之间的夹角为 104 畅 75, CH4 分子中的 C 原子只有两个未 成对电子, 只能形成两个单键, 且键角为 90, 实际测得 CH4 分子中有四个相同的 C H 键, 且键角为 鲍林于 1913 年提出的杂化轨道理论较好地解释了许多分子的 空间构型问题 1 畅杂化轨道理论的基本要点 科学出版社职教技术出版中心 原子在形成分子时, 若干不同类型 能量相近的原子轨道重新组成一组新的轨道, 该过程称为杂化, 形成的新轨道称为杂化轨道 以 CH4 为例, 杂化轨道的形成过程

34 第 2 章物质结构 21 如下 : (1) 激发 C 原子的基态电子结构为 1s 2 2s 2 2p 2, 与氢原子结合时, 将其中的一个 2s 电子激发到 2p 轨道上, 形成了 4 个未成对电子 (2) 杂化 处于激发态的 2s 2p 等几个不同类型的原子轨道进一步线性组合, 形成一组能量相等的杂化轨道 杂化轨道具有自身的形状和方向, 在 CH4 分子中, 杂化时形成 4 个杂化轨道, 这 4 个杂化轨道能量相同, 原子轨道的形状相同, 指向正四面体的四个顶角 由于这些轨道是由 1 个 s 轨道和 3 个 p 轨道杂化而形成的, 所以, 形成 4 个 sp 3 杂化轨道 (3) 成键 处于 4 个 sp 3 杂化轨上的 4 个未成对电子各自与一个氢原子以自旋方向相反的电子配对形成 4 个共价键, 成键时沿着原子轨道最大重叠的方向成键, 形成了 CH4 分子 因此杂化轨道成键时满足最大重叠原理 CH4 分子中, 杂化轨道的形状指向四面体的四个顶点, 4 个氢原子的 1s 轨道在顶点位置与碳原子的 4 个杂化轨道重叠最大, 因此 CH4 分子中的空间构型为正四面体, 4 个 C H 键的夹角为 杂化轨道理论的基本要点 : 1 原子轨道杂化时, 若干不同类型, 能量相近的原子轨道形成了能量相等, 成键能力相同的杂化轨道 ; 2 参与杂化的原子轨道数目与形成的杂化轨道的数目相等 ; 3 杂化轨道成键时满足最大重叠原理 一般杂化轨道的成键能力比各原子轨道的成键能力强 ; 4 杂化轨道成键时, 尽可能达成化学键间的排斥最小, 键与键间的排斥力的大小取决于键的方向和夹角 2 畅杂化轨道类型原子轨道的数目和类型不同, 形成的杂化轨道的类型也不同 (1) sp 3 杂化 : 1 个 s 轨道和 3 个 p 轨道组合而成 4 个等价的 sp 3 杂化轨道, 每个 sp 3 杂化轨道都含有 1/4 的 s 成分和 3/4 的 p 成分, 轨道之间的夹角为 , 空间构型为正四面体 如 CH4 的形成 ( 图 2 畅 6) 图 2 畅 6 sp 3 杂化轨道的分布及几何构型 (2) sp 2 杂化 :1 个 s 轨道和 2 个 p 轨道组合而成 3 个等价的 sp 2 杂化轨道, 每个 sp 2 杂化轨道都含有 1/3 的 s 成分和 2/3 的 p 成分, 轨道之间的夹角为 120, 如 BF3 分 子, 分子构型为平面正三角形 ( 图 2 畅 7) (3) sp 杂化 : 1 个 s 轨道和 1 个 p 轨道组合而成 2 个等价的 sp 杂化轨道 每个 sp

35 22 基础化学 图 2 畅 7 sp 2 杂化轨道的几何分布及分子构型杂化轨道含有 1/2 的 s 成分和 1/2 的 p 成分, 如 BeCl2 分子 实际测得 BeCl2 分子为直线型分子, 键角为 180 Be 原子的价层电子构型为 2s 2, 1 个 2s 电子受到激发跃迁到 2p 轨道上, 形成激发态 2s 1 2p 1 x, 同时发生杂化, 形成 2 个等价的 sp 杂化轨道 这两个等价的杂化轨道在一条直线上, 轨道间的夹角为 180 Be 原子中杂化轨道上的电子与 2 个 Cl 原子的未成对电子以 头碰头 的方式形成 2 个 σ 键 由于这三个原子在一条直线上, 因此, BeCl2 分子的构型为直线型 ( 图 2 畅 8) 图 2 畅 8 sp 杂化轨道的分布及几何构型 2 畅 5 分子的极性 分子与分子之间也存在着相互作用力 这种相互作用力影响着分子的结构和性质 2 畅 5 畅 1 键的极性与分子的极性 键的极性是由于成键原子的电负性不同而引起的 当成键原子的电负性相同时, 核 间的电子云密集区域在两核的中间位置, 两个原子核正电荷所形成的正电荷重心和成键 电子对的负电荷重心恰好重合, 这样的共价键称为非极性共价键, 如 H2 科学出版社职教技术出版中心 O2 分子中的 共价键就是非极性共价键 当成键原子的电负性不同时, 核间的电子云密集区域偏向电 负性较大的原子一端, 使之带部分负电荷, 而电负性较小的原子一端则带部分正电荷, 键的正电荷重心与负电荷重心不重合, 这样的共价键称为极性共价键 如 HCl 分子中的 H Cl 键就是极性共价键 分子中的原子存在带正电荷的原子核和带负电荷的电子 可以设想将分子中两种电荷分别集中于一点, 称为正电荷中心和负电荷中心, 整个原子仍然是电中性的 若正电荷中心和负电荷中心重合, 则这种分子为非极性分子 若正电荷中心和负电荷中心不重合, 则这种分子为极性分子 很多双原子分子为非极性分子, 如 H2 Cl2 等, 它们都是

36 第 2 章物质结构 23 由电负性相同的两个原子构成, 正电荷中心和负电荷中心重合, 为非极性分子 还有一些多原子分子, 也是非极性分子, 如直线型的 CO2 分子 虽然 C 原子和 O 原子的电负性存在差别, C O 键为极性共价键, 但由于 CO2 是直线型分子, 两边键的极性互相抵消, 因而整个分子的正负电荷中心重合, CO2 为非极性分子 2 畅 5 畅 2 分子的极性与偶极距 在极性分子中, 分子的极性大小可以用偶极距 μ 来衡量 正电荷中心和负电荷中心之间的距离称为偶极 d, 偶极距为分子的偶极 d 与正电荷中心或负电荷中心电量 q 的乘积 ( 图 2 畅 9) 即 μ = q d 偶极距 μ 的单位为 C m, 偶极距 μ 为矢量, 规定方向为从正极到负极 当偶极距 μ = 0 时, 分子为非极性分子 当偶极距 μ 0 时, 分子为极性分子 对于双原子分子来说, 如果两个原子是相同的, 则分子是非图 2 畅 9 分子的偶极距极性分子, μ = 0, 如 H2 O2 等分子 ; 如果两个原子是不相同的, 分子是极性分子, μ 0, 如 HCl CO 等分子 对于原子个数大于 3 的多原子分子, 分子是否有极性不仅与分子中两两原子间的偶极距有关, 还与分子的空间构型有关 若分子的空间构型是对称的, 则偶极距的矢量正好抵消, 分子为非极性分子, 如 CO2 BF3 分子 ; 若分子的空间构型是不对称的, 则偶极距的矢量不能抵消, 分子为极性分子, 如 H2 O NH3 分子 2 畅 6 畅 1 范德华力 2 畅 6 分子间作用力 分子间作用力是 1893 年荷兰物理学家范德华 (Van der waals) 首先提出的, 又称为范德华力 分子间的作用力其本质上也属于电性引力, 分子间作用力有三种 : 色散力 诱导力 取向力 1 畅色散力虽然非极性分子的偶极矩为零, 但是分子内的原子核和电子处在不断的运动当中, 在某一瞬间会产生相对位移, 使分子内的正负电荷中心在这一瞬间并不重合, 从而产生瞬间偶极 这种瞬间偶极会诱使相邻分子也产生瞬间偶极, 从而依靠瞬间偶极在分子间发生相互吸引, 这种由于瞬间偶极而产生的作用力叫做色散力 色散力的大小与分子的变形性有关 色散力愈大, 物质的熔点, 沸点就愈高 2 畅诱导力极性分子存在固有偶极, 这就好像一个微小的电场, 它不仅能诱使非极性分子产生

37 24 基础化学 诱导偶极, 并与诱导偶极发生相互吸引, 也会使极性分子与极性分子之间的固有偶极变 强, 从而加强二者的吸引作用 这种诱导偶极与固有偶极发生的相互作用称为诱导力 诱导力通常发生在极性分子与非极性分子之间, 或极性分子与极性分子之间 分子的极 性越大, 产生的诱导力也越大 3 畅取向力 当两个极性分子互相靠近时, 就会发生同性相斥, 异性相吸, 导致极性分子发生转 动形成偶极的取向排列 取向排列后, 固有偶极之间产生的作用力称为取向力 取向力 通常发生在极性分子与极性分子之间 总之, 在非极性分子之间存在色散力, 在极性分子和非极性分子之间存在色散力和 诱导力, 在极性分子和极性分子之间存在色散力 诱导力和取向力, 这三种力本质上都 是静电引力 对于大多数分子来说, 色散力是主要的分子间作用力 2 畅 6 畅 2 氢键 1 畅氢键的形成 在元素周期表中, 主族元素的氢化物的熔 沸点一般都随相对分子质量的增大而升 高 但是从图 2 畅 10 可以看到, NH3 H2 O HF 却反常, 它们的沸点比同族元素的氢 化物的沸点高, 在沸点曲线中出现了较大的转折 这说明除了分子间作用力以外, 这三 者分子间存在更大的吸引, 这种吸引就是氢键 图 2 畅 10 氢化物的沸点 当 H 原子与电负性很大, 而原子半径较小的 X 原子以共价键 X H 结合时, 共用 电子对强烈的偏向 X 原子的一边, 致使 H 原子变成几乎没有电子云的 裸露 的原子 核 这个几乎 裸露 的原子核的正电荷密度很大, 极易与另一分子中的含有孤对电子 的且电负性很大的原子的电子云互相吸引, 从而形成氢键 例如 HF 的氢键的形成 在 HF 分子中, F 原子的半径很小, 电负性很大, 共用电子对强烈的偏向 F 原子的一方, 使 H 原子的核几乎 裸露 出来, 与另一分子相邻的 F 原子的孤对电子相吸引, 形成 氢键, 下图中的氢键用虚线表示 : 科学出版社职教技术出版中心

38 第 2 章物质结构 25 由于氢键的形成使 HF 分子缔合, 使 HF 的熔点和沸点远高于同系列化合物 从上述氢键的形成看到, 氢键的形成有两个条件 : (1) 分子中有 H 原子与电负性很大的元素的 X 原子如 F O N 等形成共价键 (2) 分子中有电负性很大且带有孤对电子的 Y 原子 具备上述两个条件形成形如 Y H X 的氢键 X 与 Y 可以相同, 如 HF 分子之间的氢键 ; X 与 Y 也可以不同, 如 HF 与 H2 O 之间的氢键 氢键的键能比分子间作用力大, 但比化学键小很多 每个与 F 原子成键的 H 原子只能与一个 F 原子相互吸引, 并尽可能沿着 F H 键轴的方向 因此, 氢键也有方向性和饱和性 氢键既可以在同种分子 (HF 分子与 HF 分子 ) 之间形成, 如 HF 分子与 HF 分子 ; 也可以在异种分子之间形成, 如乙醇分子与 H2 O 分子, 这种氢键叫分子间氢键 同时, 氢键也可以在分子内形成, 如邻硝基苯酚内形成氢键 这种氢键叫分子内氢键 2 畅氢键对化合物性质的影响由于氢键的存在, 固体熔化或液体气化时, 不仅要破坏分子间作用力, 而且还要提供额外的能量去破坏分子间氢键, 因而其熔点和沸点与同族的物质相比要高 另外, 由于异种分子间氢键的存在, 还会影响到物质的溶解度 例如, 由于乙醇分子与水分子之间存在氢键, 所以乙醇能以任意比与水混溶 而有机物在一般情况下是不易溶于水的 液体分子之间若存在氢键, 会增大黏度 例如在甘油 ( 丙三醇 ) 分子间存在氢键, 因此, 甘油是黏稠性的液体 分子晶体中存在氢键, 会使硬度增大, 如冰中的水分子间存在氢键, 因而冰的硬度比一般的分子晶体大 关系 本章小结 (1) 电子云的概念, 描述核外电子运动的状态的四个量子数及其相互间的 (2) 核外电子排布的三个规律, 原子结构与元素在周期表中的相应位置发 生的关系

39 26 基础化学 (3) 原子的电子层结构与元素周期表 (4) 离子键和共价键的形成及其特征, 共价键的类型 (5) 杂化轨道理论及应用 (6) 分子间力和氢键的形成及其对物质的物理性质的影响 复习思考题 1 畅微观粒子的特征是什么? 2 畅 Bohr 理论是如何解释氢原子的线状光谱? 存在什么局限性? 3 畅怎样理解 p 轨道的方向性和共价键的方向性? 4 畅原子核外电子排布遵循哪些原则? 举例说明 5 畅怎样理解四个量子数? 6 畅多电子原子轨道的能级与氢原子的有什么不同? 7 畅简述电离能 电负性 电子亲和能的意义, 电负性与元素的金属性 非金属性有何联系? 8 畅为什么 11 Na 的第一电离能比 10 Ne 12 Mg 都低, 而第二电离能比它们都高? 9 畅说明下列符号的意义 : d, 2p 3, 3d 5, 4f 10 畅什么是氢键? 试从能量上比较氢键与化学键 分子间作用力的异同 11 畅说明下列各组分子之间存在哪种类型的分子间作用力 ( 取向力, 诱导力, 色散 力 ), 是否存在氢键? 苯和四氯化碳乙醇和水 12 畅分析下列哪种化合物的分子之间有氢键存在? 13 畅某元素的原子序数是 34, 试回答 : C2 H6, NH3, H2 Te, CH4, C2 H5 OH (1) 原子中的电子数是多少? 有几个未成对电子? (2) 原子中填有电子的电子层 能级组 能级 轨道各有多少? 价电子数是多少? (3) 该元素属于第几周期? 哪一族? 是金属还是非金属? 14 畅下列各组量子数哪些不合理? 为什么? (1) n = 2, l = 1, m = 2 (2) n = 2, l = 2, m = - 1 (3) n = 3, l = 0, m = 0 (4) n = 3, l = 1, m = 1 (5) n = 2, l = 0, m = - 1 (6) n = 2, l = 3, m = 2 15 畅写出基态原子的最外层具有下列电子构型的元素的名称和符号 : (1) ns 2 np 3 (2) (n - 1) d 6-8 ns 2 (3) (n - 1) d 10 ns 1 (4) ns 2 np 6 16 畅已知某元素的基态原子的电子排布是 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 (1) 该元素的原子序数是多少? (2) 该元素处于第几周期? 哪一族? 是主族元素还是副族元素? 科学出版社职教技术出版中心

40 第 2 章物质结构 畅 BF3 是平面三角形几何构型, 而 NF3 却是三角锥的几何构型, 试用杂化轨道理论加以说明 18 畅试用杂化轨道理论说明下列分子的成键过程 : (1) BeCl2 分子为直线形, 键角为 180 (2) SiCl4 分子为正四面体形, 键角为 109 畅 5 (3) PCl3 分子为三角锥形, 键角比 109 畅 5 略小 (4) OF2 分子为 V 形, 键角比 109 畅 5 小 19 畅指出下列化合物中的分子有无极性 : LiCl, BeCl2, BCl3, CCl4 20 畅乙醇和二甲醚的组成相同, 但是乙醇的沸点为 78 畅 5, 而二甲醚的沸点为 - 23, 为什么? 21 畅根据电离能的变化规律, 下列元素中哪一个第一电离能最大? 哪一个第一电离能最小? B Ca N Na P S 知识链接除金刚石 石墨外, 近年来, 科学家们又发现了一些以新的单质形态存在的碳单 质, 其中比较重要的是 1985 年发现的碳 60, 碳元素的第三种同素异形体 C60 巴基球 ) ( 俗称 C60 分子是一种由 60 个碳原子结合形成的稳定分子, 它具有 60 个顶点和 32 个面, 其中 12 个为正五边形, 20 个为正六边形, 它形似足球, 因此又被称为足球烯 C60 是美国休斯敦赖斯大学的克罗脱 (Kroto H 畅 W.) 和史沫莱 (Smalley R. E.) 等人于 1985 年提出的, 他们用大功率激光束轰击石墨使其气化, 用 1MPa 压强的氦气 产生超声波, 使被激光束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀, 并迅速冷却形成 新的碳原子, 从而得到了 C60 碳 60 是灰黑色的固体, 它形似足球, 是一种很稳定的分子, 主要应用于材料科学 超导体等方面 目前, 人们对 C60 的研究已经取得了很大的进展, 将 C60 应用于超导体 材料科学等领域的探索正在不断地深入 我国在这方面的研究也取得了重大的成果, 如北京大学和中国科学院物理所合作, 已成功地研制出了金属掺杂 C60 的超导体 可以说, C60 的发现, 对于碳化学甚至整个化学领域的研究具有非常重要的意义

41 28 基础化学 C60 的组成及结构已经被质谱 X 射线分析等实验证明 此外, 还有 C70 等许多类似 C60 分子也已被相继发现 1991 年, 科学家们发现, C60 中掺以少量某些金属后具有超导性, 且这种材料的制作工艺比制作传统的超导材料 陶瓷要简单, 质地又十分坚硬, 所以人们预言 C60 在超导材料领域具有广阔的应用前景 科学出版社职教技术出版中心

42 第 3 章化学反应速率和化学平衡 学习目标 (1) 熟悉化学反应速率的概念和表示方法 (2) 掌握化学平衡的概念 化学平衡移动原理及有关计算 必备知识 (1) 可逆反应方程式的书写 (2) 溶液 ph 计算 选修知识 实验平衡常数的概念 案例导入 化学反应速率的定义能表示化学反应的什么性质? 化学平衡是描述什么类型的 反应的概念, 化学平衡受哪些外界条件的影响, 这些外界条件是怎样影响化学平衡 的, 化学平衡移动是怎样一个过程, 通过本章学习, 了解这些基本内容 课前思考题 (1) 化学反应速率是描述化学反应的什么性质? (2) 化学平衡的基本概念及化学平衡的特征? (3) 与日常生活密切相关的化学平衡及平衡的移动? 对于化学反应, 人们除了关心质量关系和能量关系外, 还关心化学反应进行的快慢 和完全程度, 即化学反应速率和化学平衡问题 这方面的内容在生产上直接关系着产品 的质量 产量和原料的转化率等, 在科学研究和人类生活各个领域中也具有重要意义

43 30 基础化学 3 畅 1 化学反应速率 不同化学反应的速率有很大差别, 如火药爆炸 酸碱中和等化学反应进行非常迅 速, 瞬间即可完成, 但有的则进行十分缓慢, 如金属的腐蚀 塑料和橡胶的老化等, 需 要很长时间才能完成, 而煤和石油的形成, 则需要亿万年的变化才能实现 这些都说明 不同的化学反应具有不同的反应速率 3 畅 1 畅 1 化学反应速率的概念及表示方法 化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢程度的, 通常用单位时间内反应物浓度 的减少或生成物浓度的增大来表示, 符号 v 时间单位可用秒 分 时, 分别用符号 s min h 表示, 浓度单位为 mol dm - 3, 反应速率的单位为 mol dm - 3 s - 1 或 mol dm - 3 min - 1 或 mol dm - 3 h - 1 应该指出该反应速率实际上是一定时间间隔内的平 均反应速率, 而不是瞬时速率 例如, 在给定条件下, 氮气和氢气在密闭容器中合成氨, 各物质浓度的变化如下 : N2 + 3H2 NH3 起始浓度 / (mol dm - 3 ) 1 畅 0 3 畅 0 0 2s 后浓度 / (mol dm - 3 ) 0 畅 8 2 畅 4 0 畅 4 该反应的速率既可用反应物 N2 或 H2 的浓度变化来表示, 也可以用生成物 NH3 的 浓度变化来表示 如在 2s 时间间隔内平均反应速率的计算 : v(n2 ) = - Δ c(n2 )/Δ t = - (0 畅 8-1 畅 0)mol dm - 3 /(2-0)s = 0 畅 1 mol dm - 3 s - 1 v(h2 ) = - Δ c(h2 )/Δ t = - (2 畅 4-3 畅 0)mol dm - 3 /(2-0)s = 0 畅 3 mol dm - 3 s - 1 v(nh3 ) = Δ c(nh3 )/ Δ t = (0 畅 4-0)mol dm - 3 /(2-0)s = 0 畅 2 mol dm - 3 s - 1 式中 Δ t 表示反应的时间, Δ c(n2 ) Δ c(h2 ) Δ c(nh3 ) 分别表示 Δ t 时间内反应 物 N2 3H2 和生成物 NH3 的浓度变化 显然, 在这里 v(n2 ) v(h2 ) v(nh3 ) = 1 3 2, 即它们之间的比值为反应方程 式中相应物质分子式前的系数比 3 畅 1 畅 2 影响化学反应速率的因素 对某一具体的化学反应来说, 反应速率与反应的条件关系甚为密切, 这些条件主要 是浓度 温度及有无催化剂等 本节主要讨论浓度 温度 催化剂等外界条件对反应速 率的影响 1 畅浓度对反应速率的影响 质量作用定律 早在 1864 年就有人总结概括了反应物浓度与反应速率的关系, 提出了质量作用定 律, 即化学反应速率与各反应物浓度幂的乘积成正比 质量作用定律说明了反应速率和 反应物浓度之间的定量关系 例如 : ma + nb = qc + rd 科学出版社职教技术出版中心

44 第 3 章化学反应速率和化学平衡 31 则质量作用定律的表示式可写成 : v = kc x (A)c y (B) x y 所代表的数值必须由实验确定, 而不能由反应方程式来确定 它们不一定与反应方程式中的系数相同, 通常 x m y n 有关反应速率的质量作用定律, 是以实验为根据的, 不能随意地从化学反应方程式来确定反应速率方程式 2 畅温度对反应速率的影响温度是影响反应速率的重要因素之一 各种化学反应的速率和温度的关系比较复杂, 通常来说, 温度升高往往会加快反应速率 般地, 在反应物浓度相同的情况下, 温度每升高 10, 反应速率大约增加 2 ~ 4 倍 3 畅催化剂对反应速率的影响在化工生产上, 催化剂的使用占据很重要的地位 许多缓慢的反应, 在工业生产上没有实用价值, 由于使用了催化剂, 反应速率大大加快, 从而在生产上就变为切实可行了 例如, 硫酸生产中的钒催化剂 氨合成的铁催化剂 丙烯腈生产中的氯化亚铜氯化铵催化剂等都属于这种情况 3 畅 2 化学平衡 研究任何一个化学反应都要涉及两方面问题 : 一方面是化学反应速率问题 ; 另一方面是化学反应进行的程度, 即化学平衡趋势 限度问题 3 畅 2 畅 1 可逆反应与化学平衡 在化学反应中, 有的反应几乎能进行到底, 如氯酸钾 KClO3 的分解反应 : 2KClO3 2KCl + 3O2 该反应向左进行的趋势很小, 即在目前条件下, KCl 不能与 O2 反应生成 KClO3, 像这种几乎只能往一个方向进行 到底 的反应, 叫做不可逆反应 但是, 对于大多数化学反应来说都是可逆的 即在同一条件下 ( 如温度 压力 浓度等 ), 一个化学反应既可以按反应方程式从左向右进行, 也可以从右向左进行, 则称该反应为可逆反应 在化学方程式中用两个方向相反的箭头代替等号, 如 : N2 + 3H2 2NH3 通常把从左到右进行的反应叫正反应, 从右到左进行的反应叫逆反应 在一定条件下, 正反应速率 v 正随时间而减小, 同时逆反应速率 v 逆随时间而增加, 当 v 正 = v 逆时, 图 3 畅 1 正逆反应速率变化示意图

45 32 基础化学 体系所处的状态叫做化学平衡, 如图 3 畅 1 所示 化学平衡具有以下特征 : (1) 化学平衡最主要的特征是 v 正 = v 逆 (2) 体系内各物质的浓度在外界条件不变情况下, 不随时间而变化 (3) 化学平衡是一种动态平衡 (4) 化学平衡是有条件的, 当外界条件改变时, 原平衡就破坏, 建立新平衡 3 畅 2 畅 2 化学平衡常数 1 畅实验平衡常数 浓度平衡常数 : 对于液相平衡系统, 例如 : COOH + C2 H5 OH COOC2 H5 + H2 O Kc = c( COOC2 H5 ) c(h2 O) c( COOH ) c(c2 H5 OH ) 压力平衡常数 : 对于气相平衡系统, 例如 : N2 (g) + 3 H2 (g) Kp = [ p(nh3 )] 2 2 NH3 (g) p(n2 ) [ p(h2 )] 3 混合平衡常数 : 对于有固相 水溶液和气体共存的平衡体系, 例如 : 实验平衡常数是有量纲的 2 畅标准平衡常数 MnO2 (s) + 4 HCl MnCl2 + 2 H2 O + Cl2 (g) K = c(mncl2 ) p(cl2 ) [c(hcl )] 4 标准平衡常数也称为热力学平衡常数, 以 K 表示 对于有固相 水溶液和气体参 与的一般反应 : a A(s) + b B(aq) 系统达平衡时, 其标准平衡常数表达式为 K = [c(d)/c d D(aq) + f H2 O + e E(g) ] d [ p(e)/ p [c(b )/c ] b 在书写和应用标准平衡常数表达式时应注意以下几点 : (1) 标准平衡常数表达式中各组分的浓度 ( 或分压 ) 必须为系统达平衡时的浓度 ( 或分压 ) 气体只能用分压表示, 而不能用浓度表示 (2) 标准平衡常数表达式必须与化学计量方程式相对应, 同一反应用不同化学计量 方程式表示时, K 表达式不同, 数值也不同 例如 : ] e 2 SO2 (g) + O2 (g) 2 SO3 (g) K1 = [ p(so3 )/ p ] 2 [ p(so2 )/ p ] 2 [ p(o2 )/ p 科学出版社职教技术出版中心 ]

46 第 3 章化学反应速率和化学平衡 33 而对于反应 SO2 (g) + 1 O2 (g) 2 SO3 (g) 显然, K1 = ( K2 ) 2 例如 : K2 = [ p(so3 )/ p ] [ p(so2 )/ p ] [ p(o2 )/ p (3) 反应式中如有纯固态 纯液态, 它们的浓度在平衡常数表达式中不必列出, CaCO3 (s) K CaO(s) + CO2 (g) = p(co2 )/ p 在水溶液中进行的反应, 无论水为反应物还是生成物, 其浓度均视为常数, 合并入平衡 常数, 不必列入平衡常数表达式 例如 : ] 1/2 MnO2 (s) + 4 HCl MnCl2 + 2 H2 O + Cl2 (g) K = [c(mncl2 )/c [c(hcl )/c ] [ p(cl2 )/ p (4) 化学反应的平衡常数只随温度而改变, 与各物质的起始浓度 ( 或分压 ) 无关 (5) 标准平衡常数是无量纲的数 3 畅多重平衡常数 在一个化学过程中若有多个平衡同时存在, 并且一种物质同时参与几种平衡, 这种 现象叫做多重平衡 例如, SO2 SO3 O2 NO 和 NO2 共存于同一反应器中, 系统达 平衡时, 有下列三种平衡同时存在 : ] 4 1 SO2 (g) + 1 O2 (g) SO3 (g) 2 K1 = [ p(so3 )/ p ] [ p(so2 )/ p ] [ p(o2 )/ p 2 NO2 (g) NO(g) + 1 O2 (g) 2 K 2 = [ p(no)/ p [ p(no2 )/ p ] [ p(o2 )/ p ] ] ] 1/2 ] 1/2 3 SO2 (g) + NO2 (g) SO3 (g) + NO(g) K3 = [ p(so3 )/ p [ p(so2 )/ p ] [ p(no)/ p ] [ p(no2 )/ p 可见, 反应式 3 = 反应式 1 + 反应式 2 将式 1 和式 2 的平衡常数相乘 : K 1 K 2 = [ p(so2 )/ p [ p(no)/ p [ p(so3 )/ p ] ] [ p(o2 )/ p ] ] ] 1/2 ] [ p(o2 )/ p ] [ p(no2 )/ p 因为在同一平衡系统中, 同一物质的平衡分压只能有一个数值 将上式消去相同项, 化 ] 1/2

47 34 基础化学 简可得 : K 1 K 2 = [ p(so3 )/ p [ p(so2 )/ p ] [ p(no)/ p ] [ p(no2 )/ p ] ] = K 多重平衡规则 : 在相同条件下, 如有两个反应方程式之和 ( 或之差 ) 为第三个反应 方程式, 则第三个反应方程式的平衡常数为前两个反应方程式平衡常数的乘积 ( 或商 ) 多重平衡规则说明平衡常数 K 与系统达到平衡的途径无关 4 畅平衡常数的意义 (1) 平衡常数是可逆反应的特征常数, 是一定条件下可逆反应进行程度的衡量标 志 同类型反应 K 值越大, 反应达平衡时生成物的浓度 ( 或分压 ) 越大, 正反应趋势 越大, 反应物转化为生成物的程度越完全 ; 相反 K 值越小, 逆反应趋势越大 (2) 根据平衡常数可以判断反应是否处于平衡状态 在一定温度下进行的可逆反应 : a A + b B y Y + z Z 在任意条件下, 将其各组分的浓度 ( 或分压 ) 按平衡常数表达式列成分式, 即得反 应商 Q 若为液相反应 : 若为气相反应 : Q = Q = [c(y)/c ] y [c(z)/c [ c(a)/c ] a [c(b)/c [ p(y)/ p ] y [ p(z)/ p [ p(a)/ p ] a [ p(b)/ p 将 Q 与 K 进行比较, 可以得到判断反应进行方向的判据 : 若 Q < K 若 Q > K 若 Q = K, 系统处于非平衡状态, 反应正向进行 ;, 系统处于非平衡状态, 反应逆向进行 ;, 系统处于平衡状态 例 3 畅 1 目前我国的合成氨工业多采用中温 (500 ) 中压 (2 畅 kpa) 下操 作 已知此条件下反应 N2 (g) + 3 H2 (g) ] z ] b ] z ] b 2 NH3 (g) 的 K 3 = 1 畅 如反应进 行至某一阶段时取样分析, 其组分为 14 畅 4 % NH3 21 畅 4 % N2 64 畅 2 % H2 ( 体积分 数 ), 试判断此时合成氨反应是否已完成 解要预测反应进行方向, 就需将反应商 Q 与 K 该状态下系统中各组分气体的分压 : pi = p 总 V i V 总 p 总 = 2 畅 kpa p(nh3 ) = 2 畅 kpa 14 畅 4 % p(n2 ) = 2 畅 kpa 21 畅 4 % p(h2 ) = 2 畅 kpa 64 畅 2 % [ p(nh3 )/ p ] 2 Q = [ p (N2 )/ p ] [ p(h2 )/ p 科学出版社职教技术出版中心 进行比较 根据分压定律可求出 = 2 畅 kpa = 4 畅 kpa = 1 畅 kpa ] 3

48 = 第 3 章化学反应速率和化学平衡 35 (2 畅 kpa/100 kpa ) 2 (4 畅 kpa/100 kpa ) (1 畅 kpa/100 kpa) 3 = 8 畅 Q < K 说明系统尚未达到平衡状态, 反应还需要进行一段时间才能完成 5 畅平衡常数与平衡转化率 在化工生产中, 常用平衡转化率来衡量可逆反应进行的程度 平衡转化率简称为转 化率, 是指某反应达到平衡时, 反应物转化为生成物的百分数, 用 α 来表示 即 a = 某反应物已转化的量 100 % 某反应物未转化前的总量 若反应前后体积不变, 反应物的量又可用浓度来表示 : a = 反应物起始浓度 - 反应物平衡浓度反应物起始浓度 100 % 转化率越大, 表示反应向右进行的程度越大 转化率不仅与温度有关, 还与系统的 起始状态有关 与平衡常数 K 有区别 注意使用转化率时, 必须指明是哪种反应物的转化率, 反应物不同, 转化率的数 值往往不同 例 3 畅 2 AgNO3 和 Fe(NO3 )2 两种溶液会发生下列反应 : Fe Ag + Fe Ag 在 25 时, 将 AgNO3 和 Fe(NO3 )2 溶液混合, 开始时溶液中 Ag + 和 Fe 2 + 离子浓度各为 0 畅 100 mol dm - 3, 达到平衡时 Ag + 的转化率为 19 畅 4 % 求 : (1) 平衡时 Fe 2 + Ag + 和 Fe 3 + 的浓度 (2) 该温度下的平衡常数 解 (1) Fe Ag + Fe Ag 起始浓度 /mol dm 畅 畅 变化浓度 / mol dm 畅 1 19 畅 4 % 0 畅 1 19 畅 4 % 0 畅 1 19 畅 4 % = 0 畅 0194 = 0 畅 0194 = 0 畅 0194 平衡浓度 /mol dm 畅 1-0 畅 畅 1-0 畅 畅 0194 = 0 畅 0806 = 0 畅 0806 即平衡时 : c(fe 2 + ) = c(ag + ) = 0 畅 0806 mol dm - 3 (2) K c(fe 3 + ) = 0 畅 0194 mol dm - 3 c(fe 3 + )/c = [c(fe 2 + )/c ] [c(ag + )/c = 2 畅 99 例 3 畅 3 水煤气的转化反应为 CO(g) + H2 O(g) ] = 0 畅 0194 (0 畅 0806) 2 CO2 (g) + H2 (g) 在 850 时, 平衡常数 K 为 1 畅 0 在该温度下于 5 畅 0 L 密闭容器中加入 0 畅 040 molco

49 36 基础化学 和 0 畅 040 mol 的 H2 O, 求该条件下 CO 的转化率和达到平衡时各组分的分压 解设 CO 的转化率为 α CO + H2 O CO2 + H2 起始物质的量 / mol 0 畅 畅 平衡时物质的量 /mol 0 畅 040(1 - α) 0 畅 040(1 - α) 0 畅 040α 0 畅 040α 将分压代入 K 表达式 : K [ p(co2 )/ p = [ p(co)/ p = 解得 : α = 50 % p(co) = n(co)r T/V p(h2 O) = n(h2 O)R T/V p(co2 ) = n(co2 )R T/V p(h2 ) = n(h2 )R T/V ] [ p(h2 )/ p ] [ p(h2 O)/ p ] ] [n(co2 )R T/V] [n(h2 )R T/V] [n(co)r T/V] [ n(h2 O)R T/V] n(co2 ) n(h2 ) n(co) n(h2 O) = (0 畅 040α) 2 [0 畅 040(1 - α)] = α 2 (1 - α) 2 = 1 畅 0 平衡时各组分的分压为 p(co) = p(h2 O) = 0 畅 040(1-0 畅 50)mol 8 畅 314 J mol - 1 K K 5 畅 m 3 = 37 畅 3 kpa p(co2 ) = p(h2 ) = 0 畅 畅 50 mol 8 畅 314 J mol - 1 K K 5 畅 m 3 = 37 畅 3 kpa 3 畅 2 畅 3 化学平衡的移动 因外界条件改变, 使可逆反应由原来的平衡状态转变到新的平衡状态的过程, 叫做 化学平衡移动 影响化学平衡的外界因素主要有浓度 压力 温度等, 下面分别加以 讨论 1 畅浓度对化学平衡的影响 在一定温度下, K2 CrO4 溶液与 K2 Cr2 O7 溶液存在着下列平衡 : 2 K2 CrO4 黄色 + H2 SO4 K2 Cr2 O7 橙色 + K2 SO4 + H2 O 当加入 H2 SO4 后, 正反应速率加快, v 正 > v 逆, 平衡被破坏, 反应正向进行 随着 反应的进行, 反应物 K2 CrO4 与 H2 SO4 的浓度不断降低, 生成物 K2 Cr2 O7 与 K2 SO4 的浓 度不断增加, 同时正反应速率逐渐减慢, 逆反应速率逐渐加快 当正反应速率再次与逆 反应速率相等, 即 v 正 = v 逆时, 系统达到新的平衡 此时, 溶液由黄色变为橙色, 说明 平衡向增大生成物的方向移动了, 即向右移动了 在新平衡系统中, 因温度未变, 所以下式的值不变 : 科学出版社职教技术出版中心

50 K = 第 3 章化学反应速率和化学平衡 37 [c(k2 Cr2 O7 )/c ] [c(k2 SO4 )/c ] [c (K2 CrO4 )/c ] 2 [c(h2 SO4 )/c ] 也可用我们前面介绍的反应判断平衡移动的方向 : Q < K Q > K Q = K 平衡向右移动 平衡向左移动 系统处于平衡状态 例 3 畅 4 在例 3 畅 2 的平衡系统中, 如再加入一定量的 Fe 2 +, 使加入后 Fe 2 + 离子浓 度达到 0 畅 181 mol dm - 3, 维持温度不变 问 : 度为 (1) 平衡将向什么方向移动? (2) 再次建立平衡时各物质的浓度 (3) Ag + 的总转化率 解 (1) 因温度不变, K Q = 因为 Q< K = 2 畅 99 刚加入 Fe 2 + 时, 溶液中各种离子的瞬时浓 c(fe 2 + ) = 0 畅 181 mol dm - 3 c(fe 3 + ) = 0 畅 0194 mol dm - 3 c(ag + ) = 0 畅 0806 mol dm - 3 c(fe 3 + )/c [c(fe 2 + )/c ] [c(ag + )/c, 所以平衡向右移动 ] = 0 畅 畅 畅 0806 = 1 畅 33 (2) Fe Ag + Fe Ag 起始浓度 / mol dm 畅 畅 畅 0194 平衡浓度 /mol dm 畅 x 0 畅 x 0 畅 x K = c(fe 3 + )/c [c(fe 2 + )/c ] [c(ag + )/c x = 0 畅 0139 ] = 0 畅 x (0 畅 x)(0 畅 x) c(fe 2 + ) = (0 畅 畅 0139) = 0 畅 167 mol dm - 3 c(ag + ) = (0 畅 畅 0139) = 0 畅 0667mol dm - 3 c(fe 3 + ) = (0 畅 畅 0139) = 0 畅 0333 mol dm - 3 (3) α(ag + ) = 0 畅 畅 畅 % = 33 畅 3 % 在化工生产中, 利用这个原理, 可以提高某反应物的转化率 常采用的措施如下 : (1) 增大反应物的浓度 往往加入过量的廉价 ( 或易得 ) 原料, 而使较贵重 ( 或难 得 ) 的原料得到充分利用 如水煤气转化反应 CO(g) + H2 O(g) CO2 (g) + H2 (g) 实际生产中将 CO 与 H2 O(g) 的物质的量之比达到 5 ~ 8, 以提高 CO 的转化率 (2) 减小生成物的浓度 不断的将某生成物移出平衡系统, 平衡将持续向右移动, 能使可逆反应进行得趋于完全 如煅烧石灰石制造生石灰的反应 CaCO3 (s) CaO(s) + CO2 (g)

51 38 基础化学 不断将 CO2 从窑炉中排出, 使得这个反应在实际上进行得相当完全 2 畅压力对化学平衡的影响 对只有液态或固态参加的反应, 改变压力对平衡的影响非常小, 可以忽略 但对有 气体参加的反应, 平衡系统的压力改变可能会对平衡产生影响 若可逆反应 : a A(g) + b B(g) y Y(g) + z Z(g) 在一密闭容器中达到平衡, 维持温度恒定, 将该系统的体积压缩至原来的 1/ x( x > 1), 则系统的总压为原来的 x 倍, 相应各组分的分压也增大至原来的 x 倍 此时反应商为 K Q = [ xp(y)/ p ] y [ xp (Z)/ p [ xp(a)/ p ] a [ xp(b)/ p ] z ] b = [ p (Y)/ p ] y [ p(z)/ p ] z [ p(a)/ p ] a x ( y + z) - ( a + b) [ p(b)/ p ] b = K x Δ n Δ n = ( y + z) - ( a + b) (1) 当 Δ n > 0, 表示生成物分子总数大于反应物的分子总数 x Δ n > 1, 即 Q >, 平衡向左移动 例如反应 N2 O4 (g) 2 NO2 (g) 无色红棕色增大压力, 平衡向左移动, 系统的红棕色变浅 K (2) 当 Δ n < 0, 表示生成物分子总数小于反应物的分子总数 x Δ n < 1, 即 Q <, 平衡向右移动 例如反应 N2 (g) + 3 H2 (g) 增大压力, 平衡向右移动, 有利于 NH3 的合成 例如反应 2 NH3 (g) (3) 当 Δ n = 0, 表示反应前后分子总数相等 x Δ n = 1, 即 Q = K I2 (g) + H2 (g) 2 HI(g), 平衡不移动 压力变化只对反应前后气体分子总数有变化的反应平衡系统有影响 ; 在恒温下增大 压力, 平衡向气体分子总数减少的方向移动 ; 减小压力, 平衡向气体分子总数增多的方 向移动 例 3 畅 5 在 1000 及总压力为 3000 kpa 下, 反应 CO2 (g) + C(s) 2CO(g) 达到平衡时, CO2 的摩尔分数为 0 畅 17 求当总压减至 2000 kpa 时, CO2 的摩尔分数为 多少? 由此可以得出什么结论? 解设达到新的平衡时, CO2 的摩尔分数为 x, CO 的摩尔分数为 1 - x, 则 将以上各值代入平衡常数表达式 : p(co2 ) = p 总 x(co2 ) = 2000 x kpa p(co) = p 总 x(co) = 2000(1 - x)kpa 科学出版社职教技术出版中心

52 K = [ p(co)/ p p(co2 )/ p ] 2 第 3 章化学反应速率和化学平衡 39 = [2000(1 - x)/100] x/100 因为系统温度不变, 所以 K 值不变, 可由原系统求得 原来系统中 : 将 K 代如上式 : p(co2 ) = 畅 17 kpa = 510 kpa p(co) = 3000(1-0 畅 17)kPa = 2490 kpa K = [ p(co)/ p p(co2 )/ p K = ] 2 = [2490/100]2 510/100 [2000(1 - x)/100] x/100 x = 0 畅 畅 13 = 122 = 122 CO2 的摩尔分数比原来减少, 说明反应向右进行 即气体总压力降低时, 平衡向气 体分子总数增多的方向移动 3 畅温度对化学平衡的影响 温度对化学平衡的影响与浓度 压力有本质的区别 放热反应, 升高温度, 平衡常数 K 减小, 则反应熵 Q > K 热反应, 升高温度, 平衡常数 K 增大, 则反应熵 Q< K, 平衡向左移动 ; 吸, 平衡向右移动 当浓度 压力的条件不变时, 升高系统温度, 平衡向吸热反应方向移动 ; 降低系统 温度, 平衡向放热反应方向移动 例如反应 : 2 NO2 (g) N2 O4 (g) 红棕色无色正反应为放热反应, 逆反应为吸热反应 当升高温度, 平衡向吸热反应 ( 即逆反应 ) 方 向移动, 系统颜色加深 ; 降低温度, 平衡向放热反应 ( 即正反应 ) 方向移动, 系统的颜 色变浅 4 畅催化剂与化学平衡 选用适当的催化剂可以改变反应的历程, 降低反应的活化能, 从而加快反应的速 率, 缩短反应达平衡的时间 但催化剂能同等程度加快正 逆反应速率, 平衡常数 K 并不改变, 因此平衡不会发生移动 5 畅平衡移动原理 1884 年, 法国科学家吕 查德里 (Le Chatelier) 将上述结论总结归纳为一条普遍 规律 : 对任一个化学平衡而言, 如果改变平衡系统的条件之一 ( 如浓度 压力或温度 ), 平衡就会向减弱这种改变的方向移动, 这个规律叫做吕 查德里原理

53 40 基础化学 本章小结通过学习本章内容, 可以掌握化学反应速率和化学平衡的知识, 为后续课 程的学习打下基础 复习思考题 1 畅化学反应速率的概念是什么? 化学反应速率主要体现化学反应的什么特征? 2 畅化学平衡的概念? 它有哪些特征? 3 畅溶液中的化学平衡有哪些? 你能举出与此相关的生活中的例子吗? 4 畅已知 25 时, 某一元弱酸 0 畅 010 mol dm - 3 溶液的 ph 为 4 畅 00, 求该酸的 Ka 和该浓度下酸的离解度 α 多少? 5 畅已知质量分数为 2 畅 06 % 的氨水溶液的密度 ρ 为 1 畅 007g cm - 3, 它的 ph 为 6 畅在 1 畅 0 dm 3 0 畅 10 mol dm - 3 HAc 溶液中通入气体 0 畅 10 mol HCl ( 且不考虑溶液 体积改变 ), 试求 H Ac 的离解度 知识链接 新型燃料电池 燃料电池不是把还原剂 氧化剂物质全部贮藏在电池内, 而是在工作时不断从外界 输入氧化剂和还原剂, 同时将电极反应产物不断排出电池 燃料电池是直接将燃烧反应 的化学能转化为电能的装置, 能量转化率高, 可达 80 % 以上, 而一般火电站热机效率 仅在 30 % ~ 40 % 之间 燃料电池具有节约燃料 污染小的特点 燃料电池以还原剂 ( 氢气 煤气 天然气 甲醇等 ) 为负极反应物, 以氧化剂 ( 氧 气 空气等 ) 为正极反应物, 以及中燃料极 空气极和电解质溶液构成 电极材料多采 用多孔碳 多孔镍 铂 钯等贵重金属及聚四氟乙烯, 电解质则有碱性 酸性 熔融盐 和固体电解质等数种 以碱性氢氧燃料电池为例, 它的燃料极常用多孔性金属镍, 用它来吸附氢气 空气 极常用多孔性金属银, 用它吸附空气 电解质则由浸有 KOH 溶液的多孔性塑料制成, 其电池符号表示为 Ni H2 KOH(30 % ) O2 Ag 负极反应 : 2H2 + 4OH - = 4H2 O + 4e 正极反应 : O2 + 2H2 O + 4e = 4OH - 总反应 : 2H2 + O2 = 2H2 O 科学出版社职教技术出版中心 电池的工作原理是当向燃料极供给氢气时, 氢气被吸附并与催化剂作用, 放出电子

54 第 3 章化学反应速率和化学平衡 41 而生成 H +, 而电子经过外电路流向空气极, 电子在空气极使氧还原为 OH -, H + 和 OH - 在电解质溶液中结合成 H2 O 氢氧燃料电池的标准电动势为 1 畅 229V 氢氧燃料电池目前已应用于航天 军事通信 电视中继站等领域, 随着成本的下降和技术的提高, 可望得到进一步的商业化作用

55 第 4 章单质及无机化合物 学习目标 (1) 掌握常见的几种金属和非金属单质及其化合物的基本性质 制备方法 用途及性质递变规律 (2) 了解无机非金属材料及其应用 (3) 了解常见的营养元素与有害元素及其化合物对生物体的作用与影响 必备知识 用途 (1) 铁 锰 锌 铜等与生命有关的几种重要的金属元素及其化合物的性质 (2) 卤素及其化合物的基本性质 制备和用途及性质上的递变规律 (3) 重要的氧化物 硫及其化合物的性质和用途 ; 氮 磷 碳 硅 硼及其化 合物的性质与用途 (4) 无机非金属材料的用途及发展状况 选修知识 (1) 过渡元素价电子层构型的特点及其与元素性质的关系 (2) Ⅰ A 族和 Ⅰ B 族 Ⅱ A 族和 Ⅱ B 族元素性质的对比 (3) 卤素单质对应的几种氧化物及其水化物的结构及规律 案例导入 材料是人类生活必不可少的物质基础 人类使用和制造材料有悠久的历史, 从 制造出第一种材料 陶开始, 发展到今天, 其品种越来越多 在材料家族中, 有 一类非常重要的材料叫无机非金属材料 随着工农业生产的发展和人类生活的需 要, 无机非金属材料越来越发挥着它特有的作用 为了将来能更好地利用这类材料 为人类造福, 从现在开始先来学习组成这类材料的元素及其化合物的性质 科学出版社职教技术出版中心

56 第 4 章单质及无机化合物 43 课前思考题 (1) 常见的金属元素及其化合物有哪些? 都有哪些性质和用途? (2) 常见的非金属元素及其化合物有哪些? 都有哪些性质和用途? (3) 什么是无机非金属材料? 都有哪些特殊的用途? (4) 什么是营养元素 有害元素 生命元素? 它们对生命活动是如何影响的? 4 畅 1 金属及其化合物 在目前已经发现的元素中, 金属元素有 85 种 ( 约占总数的 4/5) 自然界中存在的金属种类繁多, 金属及其化合物在工农业生产中起着非常重要的作用 4 畅 1 畅 1 金属在元素周期表中的位置和分类 金属元素位于每个周期 ( 第一周期除外 ) 的前部, 大约占整个周期表的 4/5, 即 p 区的一部分 ( 左下角的 10 个元素 ) s 区 (H 除外 ) d 区 ds 区和 f 区的全部, 都是金属元素 金属常分为黑色金属和有色金属两大类 : 黑色金属包括铁 锰和铬及其合金 ; 有色金属是指铁 锰和铬以外的所有金属, 按其密度 价格和在地壳中的储备情况又可分为以下 5 类 : (1) 轻金属指密度小于 4 畅 5g/cm 3 的有色金属, 包括铝 镁 钠 钾 钙 锶 钡等 这类金属化学性质活泼, 易与 O2 S 卤素 酸等发生反应 (2) 重金属指密度大于 4 畅 5g/cm 3 的有色金属, 包括铜 镍 铅 锌 钴 锡 锑 汞 镉 铋等 (3) 贵金属包括金 银和铂族元素 它们在地壳中含量较少, 开采和提取比较困难, 价格贵, 化学性质稳定 (4) 准金属一般指硅 锗 硒 砷 锑 碲 硼等元素, 物理化学性质介于金属和非金属之间, 电负性一般在 1 畅 8 ~ 2 畅 1 (5) 稀有金属指在自然界中含量较少, 存在比较分散, 发现较晚且难以从原料中提取或制备的金属 包括锂 铷 铯 铍 钼 钨 铌 钛 锆 钒 镓 铟 铊 稀土元素等 4 畅 1 畅 2 金属单质的物理和化学性质 1 畅物理性质金属单质的密度除钠 钾 锂等较轻外, 其他金属的密度都较大, 金属单质的硬度

57 44 基础化学差别很大 金属的熔点差别也很明显, 汞在室温下即为液体, 除汞外, 所有金属在 25 时都是固体 2 畅化学性质金属最外层的电子数较少, 在反应中容易失去电子而被氧化 金属参加化学反应时, 大致有以下两种情况 : (1) 金属与非金属反应 金属易与氧 硫 卤素等化合 : 2Na + Cl2 燃烧 2NaCl (2) 金属与水 酸 盐及氧化物间的置换反应 : 2Na + 2H2 O 2NaOH + H2 Zn + 2HCl ZnCl2 + H2 位于金属活动顺序表前面的金属可以把后面的金属从它们的盐溶液中置换出来 : Fe + CuSO4 Cu + FeSO4 金属化学性质的活泼程度取决于金属原子失去最外层电子的能力, 越容易失电子, 金属性越活泼 按照金属的活泼顺序, 几种常见金属的主要性质列于表 4 畅 1 表 4 畅 1 常见金属的主要化学性质 金属活动顺序原子失电子能力离子结合电子能力与空气或氧气作用与水作用与酸作用与盐作用 K Ba Ca Na Mg A l Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb ( H) Cu H g A g Pt A u 逐渐减弱逐渐增强 易被氧化常温时能被氧化 加热时 被氧化 常温下能置换出氢加热时能置换出水中的氢 不能置换水中的氢 能把氢从酸 ( 盐酸或稀硫酸 ) 中置换出来 前面的金属可把后面的金属从其盐溶液中置换出来 不被 科学出版社职教技术出版中心 氧化 只与与氧化性王水酸作用作用

58 第 4 章单质及无机化合物 45 续表 金属活 动顺序 K Ba Ca Na Mg A l Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb ( H) Cu H g A g Pt A u 自然界 中的存 在 呈化合态 化合或 游离态 游离 态 冶炼 方法 电解熔融化合物 用碳 铝等还原剂还原 加热或 其他 方法 4 畅 1 畅 3 金属和合金材料, 各类金属的典型用途 1 畅合金材料合金的化学性质也与组成它的各成分金属不同 例如不锈钢与纯铁比较, 不锈钢不易被腐蚀 ; 镁铝的化学性质都很活泼, 而组成合金后就比较稳定 几种重要合金的成分 特性 用途见表 4 畅 2 表 4 畅 2 工业中几种重要的合金 种类 成分 性质 用途 黄铜 Cu 60 %, Zn 40 % 硬度比铜大 制造机械零件 日用品 青铜 Cu 90 %, Sn 10 % 硬度比铜大, 耐磨性好 制造轴承 齿轮 白铜 Cu 53 %, Ni 27 %, Zn 20 % 硬度比铜大 制造器皿 坚铝 A l 93 % ~ 94 %, Cu 2 畅 6 % ~ 5 畅 2 %, Mg 0 畅 5 %, Mn 0 畅 2 % ~ 1 畅 2 % 坚硬, 轻 用于航空工业 焊锡 Sn 63 %, Pb 37 % 融化时易附于金属表面焊接金属 镍铬合金 Ni 80 %, Cr 20 % 电阻大, 高温下不易氧化制造电阻丝 伍德合金 Bi 50 %, Pb 25 %, Sn 12 畅 5 %, Cd 12 畅 5 % 熔点低 制造保险丝 2 畅各类金属的典型用途 1) s 区金属元素 s 区金属元素主要包括锂 ( Li ) 钠 ( Na ) 钾 ( K ) 铷 (Rb ) 铯 ( Cs ) 铍 (Be) 镁 (Mg) 钙 (Ca) 锶 (Sr) 钡 (Ba) 等 把含锂的陶瓷涂到钢铁或铝 镁等金属的表面, 形成一层薄而轻 光亮而耐热的涂层, 可作喷气发动机燃烧室和火箭 导弹外壳的保护层 锂与铝 镁 铍等组成合金, 既轻又韧, 已被大量用于导弹 火箭 飞机等制造上 锂电池已广泛用在手机 笔记本电脑及某些国防军事部门 钠主要用于制取过氧化钠等化合物 钠和钾的合金在室温下呈液态, 是原子反应堆的导热

59 46 基础化学 剂 钠是一种很强的还原剂, 可以把钛 锆 铌 钽等金属从它们的卤化物中还原出 来 钠也应用在电光源上, 高压钠灯发出的黄光射程远, 透雾能力强, 用做路灯时, 照 度比高压水银灯高几倍 0 畅 9 % 的 NaCl 的水溶液在医疗上作为生理盐水直接用于病人 的静脉注射 KCl 在医疗上也可以直接口服或静脉注射来补充低钾病人 ( 主要是四肢无 力 ) 所需的 K + 铷和铯主要用于制造光电材料 无水 CaCl2 有强烈的吸水性, 是实验 室里常用的干燥剂, 也是治疗钙缺乏症和抗过敏的普通药物 镁主要用于制造轻合金和 耐火材料 镁铝合金比纯铝更轻 强度更大, 并易于机械加工 氢氧化锶用于精制甜菜 糖 硝酸锶大量用于制造红色焰火和信号弹, 还可用于电视机和录像机的特种玻璃, 也 用于烟火和照明弹等发出红的色彩 BaSO4 为白色粉末, 既难溶于水也难溶于酸, 在医 学上可作为消化道 X 射线的造影剂 Li2 CO3 为抗狂躁药, 主要用于治疗狂郁型精神病 2) p 区金属元素 p 区金属元素主要包括铝 ( Al ) 镓 ( Ga ) 铟 ( In ) 铊 ( Tl ) 锗 ( Ge ) 锡 (Sn) 铅 (Pb) 锑 (Sb) 铋 (Bi) 等 铝可以用来冶炼稀有金属, 其合金质轻而 坚韧, 是制造飞机 火箭 汽车的结构材料 纯铝可做超高电压的电缆, 做日用器皿的 铝通常称做 钢精 但近年来研究发现, 长期使用铝餐具容易导致老年痴呆症, 所以 餐具使用铁器 不锈钢或陶瓷较好 砷化镓用在半导体之中, 最常用作发光二极管 (LED) 铟用于平板显示镀膜 信息材料 高温超导材料 集成电路的特殊焊料 高性 能合金以及国防 医药 高纯试剂等众多高科技领域, 产品附加值高, 比如 : LCD 电 视 太阳能电池 航空轴承和发动机轴承 高科技武器等产品都离不开铟 铊的低熔点 合金可用于电子管玻壳的黏接 ; 铊激活的碘化钠晶体用于光电倍增管 ; 铊的化合物还可 做有机合成的催化剂 ; 铊和铊的化合物对生物和人体有毒 锗 锡和铅在元素周期表中 是同属一族, 后两者早被古代人们发现并利用, 而锗长时期以来没有被工业规模的开 采 这并不是由于锗在地壳中的含量少, 而是因为它是地壳中最分散的元素之一 高纯 度的锗是半导体材料 锗对人体的影响主要是可以消除疲劳 ; 防止了贫血 ; 帮助新陈代 谢等 锑多用作合金, 铅锡锑合金可作薄板冲压模具 锑白 ( 三氧化二锑 ) 是搪瓷 油 漆的白色颜料和阻燃剂的重要原料 硫化锑 ( 五硫化二锑 ) 是橡胶的红色颜料 生锑 ( 三硫化二锑 ) 用于生产火柴和烟幕弹等 铋的化合物在医学上主要用于收敛 止泻和 防腐 3) d 区金属元素 (1) 钛分族 周期系第 Ⅳ B 族称钛分族, 由钛 (Ti) 锆 (Zr) 铪 (Hf) 三元素 组成, 外观和钢相似 钛分族具有优异的抗腐蚀介质的侵蚀尤其是抗海水侵蚀的特性, 还有熔点高 质轻而机械强度大等独特性能, 使它们广泛用于涡轮的引擎 喷气式飞 机 火箭 军舰 潜艇 化学工业等重要领域 目前钛和钛合金总产量的 75 % 左右用 于制造各种航空发动机和飞机骨架 钛能结合钢水中的氧 硫 氮等元素, 因此是冶金 工业良好的脱氧去气剂 钢中加入少量钛, 由于生成 TiN TiC 从而提高钢的强度, 钛 钢坚韧富有弹性, 是制造钢轨 车厢 齿轮等的重要材料 科学出版社职教技术出版中心 (2) 钒分族 周期系第 ⅤB 族叫做钒分族, 包括钒 ( Ⅴ ) 铌 (Nb) 钽 (Ta) 三 个元素, 都是高熔点的耐热金属 钒是优质合金元素, 含钒 0 畅 1 % ~ 0 畅 3 % 的钢具有良

60 第 4 章单质及无机化合物 47 好的强度 弹性和抗冲击性能, 广泛用于结构钢 弹簧钢 钢轨 铌是耐热耐蚀合金的重要组成金属之一, 含铌钢用作高压锅炉 燃气轮机 喷气式发动机 火箭等工业 ⅤB 族金属在钢铁中的作用正像 Ⅳ B 族一样, 主要用以生成高熔点 高硬度 高耐蚀 高稳定性的碳化物, 从而提高钢的性能 钽主要用于电子工业 化学仪器制造业等领域, 如大功率管的阳极 电容器 钽坩埚 钽丝高温炉 耐酸泵 合成纤维的喷丝头等 钽铂合金耐蚀性特别强且比 Pt 硬度大, 用作 Pt 的代用品 钽对人体无害无毒 外科手术中用于骨折的修复连接 (3) 铬分族 铬分族包括铬 (Cr) 钼 (Mo) 钨 (W) 三元素, 分属于周期系第 Ⅵ B 族, 都是银白色有光泽的金属 铬分族是优越的耐热 耐蚀合金元素, 机械强度比同等温度条件下 Nb 和 Ta 高 2 ~ 3 倍, 这种特性使它们在现代工业中受到格外的重视 Cr 除了用作表面镀层材料外, 大量用作合金添加剂以增强合金的耐蚀性 含 12 % Cr 的不锈钢具有优异的耐腐蚀性, 含 7 % ~ 8 % Cr 20 % W 的高速工具钢在红热条件下工作仍保持其硬度 Mo 用于真空管 高压整流器等, Mo 和 W 均可用于高温炉丝 W 的性质和 Mo 十分相似, 可大量溶于 Mo 中, 含 25 % W 和 0 畅 1 % Zr 的钼合金在 1588 K 高温下仍保持高强度, 是当前最强的结构钼合金, 常用于高温环境中 作为最难熔的金属 W 是一系列耐热合金的重要组成, 含 W Co Cr 的铁基 (Fe 为主原料 ) 合金具有高硬度 高耐磨 高耐热 高抗腐特性 W 和 Cu 或 Ag 的合金兼有高导电性和耐磨性, 用于刀型开关 断路器的元件 纯 W 挥发性小, 工作温度高 ( 真空中, 2473 ~ 2773 K), 用于电光源生成和电子技术 W 的熔点 2793 K, 硬度接近于金刚石, 是硬质工具合金的主要原料, 用于制作高速切削刀具和钻头 (4) 锰分族 周期系第 Ⅶ B 族为锰分族, 包含锰 (Mn) 锝 (Tc) 铼 (Re) 三元素 Mn 在钢铁工业中用作脱氧 脱硫剂 S 是钢铁中有害元素, 高温下形成低熔点 FeS 引起钢的热脆, 可用 Mn 将其脱去 : Mn + FeS = MnS + Fe Mn 是特种合金钢的重要组成元素, 钢中含 Mn1 % 以上的锰钢具有强度大 耐磨 耐大气腐蚀的特点, 用于高大建筑物的骨架 ( 大厦 巨轮 电视塔 ) 破碎机的原材料, 自行车的轴心等, Mn 可代替价格昂贵的 Ni 用于不锈钢 Mn 在地壳中储量仅次于 Fe 和 Ti (5) 铁 钴 镍 周期系第 Ⅷ 族和其他各分族不同, 共包括 9 个元素, 即铁 (Fe) 钴 (Co) 镍 (Ni) ; 钌 (Ru) 铑 (Rh) 钯 ( Pd) ; 锇 (Os ) 铱 (Ir) 铂 (Pt) Fe Co Ni 性质相似, 而和其他 6 种元素差别较大, 通常称为铁系元素, 其余 6 种元素称为铂系元素 Fe 对人类生产和生活关系极为密切, 全世界 Fe 的年产量约为所有其他金属产量的 15 倍, 从这个数据已足以说明 Fe 的重要意义 我国铁矿资源极为丰富, 近年来又不断发现大型铁矿床, 但仍不能满足我国国民经济发展的需要, 每年都要花费大量的外汇从国外进口铁矿石 Co 和 Ni 是合金钢常用的添加元素 镍基 ( 以 Ni 为主要原料 ) 耐热合金 铁 - 镍基耐热合金以及钴基 ( 以 Co 为主要原料 ) 耐热合金等, 熔点高, 高温抗氧化 耐腐蚀

61 48 基础化学 性强, 用它们制成的工件工作温度可达 1120 ~ 1370, 远超过不锈钢 ( < 1270 ), 广 泛用于汽轮机叶片 喷气发动机部件 火箭部件 此外, 镍铜合金 ( 康铜 ) 的电阻几乎 不随温度而变化, 用于电测设备技术 高镍钢的热膨胀系数和玻璃很接近, 可用作玻璃 - 金属间的焊接引线 Ni 的耐蚀性能还被用作保护镀层 4) ds 区金属元素 包括铜族元素 [ 铜 (Cu) 银 ( Ag ) 金 ( Au )] 和锌族元素 [ 锌 (Zn ) 镉 (Cd) 汞 (Hg)] 早在公元前 3000 年, 用铜和锡制成的青铜合金使人类进入了青铜器 时代 铜被广泛用于电气 轻工 机械制造 建筑工业 国防工业等领域, 在我国有色 金属材料消费中仅次于铝 银和金是一种历史悠久的货币金属, 由于其性质比较稳定, 因而具有货币和装饰的双重价值, 人类使用金银已有 4000 多年的历史 游离状态的锌 镉 汞都是银白色金属, 其中锌略带蓝色 汞是常温下唯一的液体 金属, 有流动性, 可用来制造温度计 汞的密度很大, 蒸气压又低, 可用于压力计的制 造 锌 镉 汞之间或与其他金属容易形成合金 锌的最重要的合金是黄铜, 制造黄铜 是锌的主要用途之一 大量的锌用于制造白铁皮, 将干净的铁片浸在熔化的锌里即可制 得, 这可以防止铁的腐蚀 锌也是制造干电池的重要材料, 近年来银锌电池有了相当大 的发展 锌在生物体中是一种有益的微量元素, 人体中约含有 2g 锌, 有许多锌 - 蛋白 质配合物 镉可以作制成特殊的易熔合金 耐磨合金 焊锡合金等, 广泛用作钢结构的 电镀防腐层 原子反应堆控制棒 光电池和制造各种原料等 镉及其化合物有毒, 是重 要的环境污染物 4 畅 1 畅 4 过渡元素及其化合物 1 畅过渡元素的通性 1) 过渡元素都是金属 过渡元素的最外电子层只有 1 ~ 2 个电子, 易失去电子而显金属性, 因此, 它们都 是金属, 常称之为过渡金属 2) 过渡元素原子半径的递变规律 在周期表中, 从左到右, 随着原子序数的增加, 原子半径缓慢地减小, 直到铜族前 后又稍有增大 3) 过渡元素常有多种可变的氧化数 过渡元素最显著的特征之一, 是它们有多种可变的氧化数, 如表 4 畅 3 所示 4) 过渡元素的化合物往往带有颜色 过渡元素化合物的颜色跟过渡金属离子的结构有关系, 也跟所结合的阴离子种类以 及晶体里是否有结晶水等因素有关 例如, 氟化铜 (CuF2 ) 是白色的 硫化铜 (CuS) 是黑色的 二氯化钴 (CoCl2 ) 是蓝色的 六水合二氯化钴 (CoCl2 的 无水硫酸铜 (CuSO4 ) 是白色的 五水合硫酸铜 (CuSO4 ( 表 4 畅 4) 科学出版社职教技术出版中心 6H2 O) 是粉红色 5H2 O) 是蓝色的

62 第 4 章单质及无机化合物 49 表 4 畅 3 第一过渡系元素的主要氧化数 元素 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 氧化态 注 : 有下划线的为比较稳定的氧化数 表 4 畅 4 第一过渡系低氧化态水合离子的颜色 离子 Sc 3 + Ti 3 + Ti 4 + V 2 + V 3 + Cr 3 + Mn 2 + Fe 2 + Fe 3 + Co 2 + Ni 2 + Cu 2 + Zn 2 + 颜色 无 紫红 无 紫 绿 绿 肉色 浅绿 黄棕 粉红 绿 浅蓝 无 5) 过渡元素有形成配合物的倾向过渡元素容易形成配合物 过渡元素的原子或金属离子大都有空的价电子轨道, 可以接受配位体的孤对电子, 所以它们具有很强的形成配合物的倾向 2 畅常见的过渡元素及其化合物 1) 铁及其化合物铁是比较活泼的金属, 它能与氧等非金属及水作用 : 3Fe + 2O2 Fe + S 燃烧 3Fe + 4H2 O ( 气 ) Fe3 O4 ( 黑色 ) FeS ( 黑色 ) 高温 Fe3 O4 + 4H2 铁在冷的浓硝酸或浓硫酸中会发生 钝化 现象, 碱与铁不起作用 (1) 铁的合金 铁的合金包括生铁 熟铁和钢, 这三者的主要区别是其中含碳量的不同 常见合金钢如表 4 畅 5 所示 表 4 畅 5 常见的合金钢 种类 其他元素 性质 用途 高锰钢 Mn (11 % ~ 14 % ) 耐磨 制造碎石机齿板 铁路道岔等 镍钢 Ni 3 畅 5 % 抗蚀, 质坚有弹性 制造钢甲和海底电线等 铬钢 Cr (11 畅 5 % ~ 13 % ) 硬而耐磨 制造模具 不锈钢 Cr (12 % ~ 14 % ) 不生锈 制造日用器皿及医疗器械等 高速钢 W (8 畅 5 % ~ 19 % ), V (1 % ~ 4 畅 4 % ) 硬而耐磨 制造刀具 钻头钢条等 硅钢 Si (1 % ~ 4 畅 8 % ) 强导磁性 制造变压器 电机铁芯等 高硅铸铁 Si (14 畅 25 % ~ 15 畅 5 % ) 制造抗酸腐蚀 制造盛酸器 耐酸管子等