无机化学

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无机化学基础[编辑]

区别于有机化学,无机化学主要探讨关于无机物(主要为非含碳物)的性质与反应。

无机化学的基础是物质。在无机化学中,物质被分为三类:单质化合物混合物。请注意化合物(compound)与混合物(mixture)之间存在很大的差别。化合物与单质都是由单种分子(或由离子键结合的离子)构成的,它们也被统称为纯净物。纯净物可以用化学式表示它们的组成成份,如氢气(H2)、碳酸氢钠(NaHCO3)。混合物没有化学式,也可以将它们的主要成份的化学式写出,如王水(HNO3、HCl)等。

化学研究已经表明,所有物质都是由一些元素以特定方式组成的。如氧气由氧元素组成,氧化钙由氧元素和钙元素组成。但其具体构成方式有所不同,金属、稀有气体及部分非金属固体如硫(S)直接由原子构成(确切来说,硫在固态时以S8存在,只是为了便于理解,常将硫、磷等视为由原子构成),而非金属及一部分化合物由分子构成。另一部分化合物则由离子或原子团构成。

原子的构成[编辑]

原子的构成主要在物理化学中有所探讨。简略来说,原子的中央有一个密度极大的核心,即原子核。许多电子围绕原子团转动。原子核由质子中子构成,质子带+1电荷,中子不带电。电子带-1电荷,因此会被核内质子吸引。电子所带能量决定该电子主要在离核多远的地方运行,一般我们将其划分为区域,称之为能级。我们也可以用轨道表示电子运行的趋势,但电子并不是按照一定轨道运行的。实际上,根据海森堡不确定性原理,没有人能预测一个电子在某一时刻的位置,但其总会遵循一定趋势。

在原子中,核内带多少质子,核外即有多少个电子。电子的能级可以用阿拉伯数字表示,也可以用K、L、M、N、O、P、Q等字母表示。K层最多可容纳2个电子,L层可容纳8个,M层可容纳18个。也即,第n层最多可容纳2n2个电子。特别地,最外层电子(即价电子)不可超过8个。

例如,3号元素锂(Li)的原子中有3个电子,也即:K层2个,L层1个。在物理化学中,还会介绍价电子排布(锂的价电子排布为[He]2s1),这里不加介绍。又如20号元素钙(Ca),其原子中有20个电子,即2、8、8、2。注意其电子排布不是2、8、10,因为这样不满足价电子不超过8个。

稀有气体的价电子数刚好为8,因此其化学性质稳定。具有8个价电子的结构被称为相对稳定结构。

离子与离子键[编辑]

离子是失去电子而形成相对稳定结构的原子。如钠(Na)原子有11个电子,即2、8、1。显然其失去一个电子后,即形成具有最外层8个电子的 稳定结构。我们将其称为钠离子(Na+)。由于钠离子失去了电子,因此我们称之为阳离子。氯(Cl)原子有17个电子(2、8、7),它在得到一个电子后会形成相对稳定结构,即氯离子(Cl-)。它得到了电子,因此我们称之为阴离子。

钙(Ca,2、8、8、2)原子在形成离子时,需失去两个电子,因此我们称之为二价阳离子。钙离子记作Ca2+。相似地,镁离子记作Mg2+

原子由于电子与质子电性相对消,因此不显电性。离子则显电性,阳离子显正电,阴离子显负电。阳离子与阴离子互相吸引,使它们维持在一起,这种联系(化学键)被称作离子键。如钠原子给氯原子一个电子,两者均成为离子,而后Na+与Cl-互相吸引,即形成离子键,产生化合物NaCl(氯化钠)。这些化合物被称作离子化合物。

共价键[编辑]

在氯化氢(HCl)分子中,不存在离子键。氢原子将它仅有的一个电子共享给氯原子,氯原子也拿出一个电子作为共享。这两个电子被视作一个共价电子对,在两者中间运行,这样的化学键叫做共价键。由共价键连接的原子被合称分子。显然,氯原子核带正电荷比氢原子核带正电荷多,因此吸引电子的能力也强,这样共价电子对就会偏向氯原子核,故氯相对显负电,氢相对显正电。这种共价键叫做极性键。

一个氧分子(O2)由两个氧原子构成。这两个氧原子共用两个共价电子对,但其原子核吸引电子的能力相同,故这种共价键叫做非极性键。所有仅由共价键构成的化合物叫做共价化合物。

化合物中可以既有共价键,又有离子键,如硫酸锌(ZnSO4)。它们也被算作离子化合物,其中由共价键连接的部分被称为原子团。

分子轨道理论[编辑]

近年来,随着量子力学理论的发展,人们提出了一种新的核-电子体系理论:分子轨道理论。分子轨道理论的主要理论为:

  • 电子在原子附近运动的电子云由一个方程确定。
  • 分子中电子围绕整个分子运动,电子在分子中的运动模型的波函数被称为分子轨道,它由原子轨道线性组合形成,组合前后轨道总数不变。
  • N个原子轨道可以线性组合组成N个分子轨道,其中能量低于原先原子轨道能量总和的称为成键轨道,高于的称为反键轨道。
  • 能量相近的原子轨道才可以组成分子轨道。
  • 原子轨道组合成分子轨道时力求其波函数的图像最大限度重叠。
  • 电子填充分子轨道时仍像原子轨道一样,遵从洪特规则、泡利原理以及能量最低原理。
  • 原子轨道必须具有相同的对称性才可以组合成分子轨道。

化合价[编辑]

化合价是一种化合物中某种元素的分子所形成化学键的总数。例如碳酸钠(Na2CO3)中,每个钠离子与碳酸根间由一个离子键连接,且钠离子为阳离子。因此我们说,碳酸钠中钠的化合价为+1。而其中的碳原子共形成4个共价键,且共价电子对均偏向氧原子,故化合价为+4。一个氧原子与碳原子形成两个共价键,另外两个氧原子分别与碳原子形成一个共价键,与钠形成一个离子键,故显-2价。化合价在氧化还原反应(下文将讲述)中有很重要的作用。

化学反应[编辑]

一种(或数种)物质在一定条件下发生反应生成新的物质,叫做化学反应,也叫化学变化。反应之前的物质叫做反应物,反应所生成的物质叫做生成物。对于化学反应有不同的描述,我们也可以说化学反应是旧键断裂与新键生成的过程,亦或是旧的分子破裂成原子,原子又重新组合成新的分子的过程(显然,这个定义有其局限性),化学反应常常伴随着能量变化,如发光,放热等。化学反应过程中,原子核并不会发生变化,不会生成新的原子,这是化学反应与核反应的重要区别。

基本化学反应[编辑]

基本化学反应类型共有四种:化合反应、分解反应、置换反应与复分解反应。但是,这四种反应并不能包括所有的化学反应.

化合反应[编辑]

化合反应是两种以上物质反应生成一种化合物的反应。它可以用A+B=AB表示。

例如,碳在氧气中燃烧生成二氧化碳,是一个化合反应:

氢气在氧气中燃烧生成水,也是化合反应。

分解反应[编辑]

分解反应是一种化合物分解为两种及以上物质(单质或化合物均可)的反应。它可以用AB=A+B表示。

例如,碳酸分解成二氧化碳与水:

高锰酸钾加热分解:

置换反应[编辑]

置换反应是一种单质将某一种化合物里的某一元素置换出,并生成另一单质与另一化合物的反应。它可以用A+BC=AC+B表示。

例如,氧化铜粉末与碳粉在高温条件下发生反应,生成铜单质:

硫酸铜溶液与铁反应生成铜:

非金属之间也能发生置换反应,如氯气置换碘化钾溶液中的碘:

再如碳高温下置换二氧化硅中的硅:

复分解反应[编辑]

复分解反应是两种化合物交换成份形成另外两种化合物的反应,复分解反应必须要有气体、水、或沉淀生成。(Ab+aB=AB+ab)

例如,碳酸氢钠中和盐酸(作为盐酸误伤救治):

注意,在上述反应中,生成碳酸(H2CO3)的浓度很高,会自动分解成水与二氧化碳。因此,通常情况下我们直接将水和二氧化碳写入反应生成物中。

氧化还原反应[编辑]

一切化学反应根据反应中是否有电子转移(得失或偏移)可分为氧化还原反应和非氧化还原反应.有电子转移的反应叫氧化还原反应,反之亦然.判断一个反应是否是氧化还原反应的方法是看参加反应的各物质中的各元素是否有化合价变化.

离解与电解质[编辑]

离解是指物质在水溶液中或熔融状态下化学键断裂形成离子或原子团的作用。一些物质在水中可以几乎完全离解,而另一些则只能部分离解。我们将前者称为强电解质,后者称为弱电解质。在水中或熔融状态下都不能离解的物质是非电解质。例如,氯化钠在水中解离出氯离子(Cl-)与钠离子(Na+)。氯化钠可完全离解,因此它是强电解质。

共价化合物的离解稍复杂,如醋酸(CH3COOH)在水中会解离出醋酸根离子(CH3COO-)。剩余的一个氢“离子”──实际上只是一个裸露在外的质子──不可以单独存在,因此它与水结合形成H3O+。为了简便,通常我们只记作H+

电离平衡[编辑]

在离解的过程中,也有一部分离子重新结合。在强电解质中,离解的过程足够快,以至于离子根本来不及重新结合,即使在完全离解后它们又结合了,也马上就会分解掉。然而弱电解质没有这样快的离解过程,它们的反应速率逐渐减慢,直至某一时刻,离解的速度与重化合的速度同样快,即形成平衡状态。

水是典型的弱电解质。在水中存在如下电离平衡:

酸与碱[编辑]

我们知道,硫酸、盐酸、醋酸等物质是酸,都具有一定腐蚀性。而氢氧化钠、氢氧化钙、氨水等物质是碱,它们也有腐蚀性。

酸是共价化合物,可溶性强碱是离子化合物。我们发现,酸在水中离解,会生成H+;碱在水中离解,会生成OH-

在水中(或融灼状态下)解离出的阳离子都是H+的物质叫做酸,在水中(或融灼状态下)解离出的阴离子都是OH-的物质叫做碱。

pH值[编辑]

水是弱电解质,其中存在电离平衡。当在水中的其他物质解离出H+或OH-时,这一电离平衡将被打破,导致其中某一种离子的浓度增大。

溶液在特定温度下,其H+的浓度(记作c(H+))与OH-的浓度(记作c(OH-))之积是一个常数,记作Kw,即水的离子积常数。室温(25°C)下,Kw约等于1×10-14mol/L。当c(H+)=c(OH-)时,溶液呈中性,而c(H+)若大于c(OH-)溶液则呈酸性,反之呈碱性。

为了便于计量,定义pH=-lg(c(H+))。如某一溶液中H+离子浓度为1×10-4mol/L,则其pH值为4。水的pH值为7。

pH值不适用于H+离子浓度大于1mol/L的溶液,这些溶液一般直接用c(H+)计量。

酸碱指示剂[编辑]

一些物质(多为有机物)可与H+或OH-离子结合生成不同颜色的化合物,又可在浓度降低时还原。这些物质因加在溶液里可判断溶液酸碱性,故称为酸碱指示剂。酸碱指示剂其实是一类弱酸或弱碱,他们在pH不同的溶液中电离度不同,故而形成不同颜色的离子或分子,所以显示不同颜色。

常用石蕊与酚酞做酸碱指示剂。石蕊溶液平常呈紫色,遇酸变红,遇碱变蓝。酚酞溶液平常呈无色,遇碱变为粉红或红色。

将不同的酸碱指示剂按一定比例混合并制成试纸,即可测量精确到整数的pH值,这些试纸被称作pH试纸。

酸根与金属离子[编辑]

酸通常由氢离子和另一部分构成,这另一部分一般称作酸根。常见的酸根有硫酸根、碳酸根等。碱通常由氢氧根离子和另一部分构成,这另一部分一般是金属离子或铵根离子(铵根离子部分化学性质与金属离子相似)。在一定条件下,金属离子可以与酸根离子结合,生成盐类化合物。

氨水的碱性[编辑]

值得注意的是,并非只有含氢氧根的化合物溶液呈碱性,氨水(NH3·nH2O)就是一个反例。氨水是弱电解质,其中存有以下电离平衡:

因此,不含氢氧根的氨气溶于水,也呈碱性。

盐与酸碱中和反应[编辑]

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酸根阴离子通过离子键与金属阳离子结合,形成的离子化合物叫做盐。注意,生活中所说的盐与化学中的盐不同,前者多指食盐,其主要成分是氯化钠。

酸碱中和反应[编辑]

酸是由氢离子与酸根离子构成的,碱则是由金属与氢氧根离子构成的。在酸与碱混合时,酸中的氢离子与碱中的氢氧根离子反应生成水,而剩下的酸根离子与金属离子则反应生成盐。这种反应称为酸碱中和反应。酸碱中和反应都是复分解反应,因此都不是氧化还原反应。此反应是放热反应。

例如,氢氧化钠与盐酸反应生成氯化钠与水:

盐的酸碱性[编辑]

盐的酸碱性取决于它在水中是否破坏水的电离平衡。如氯化钠(NaCl),生成氯离子与钠离子均不破坏水的电离平衡。因此,它是中性盐。亚硝酸钠(NaNO2)生成钠离子与亚硝酸根离子(NO2-),亚硝酸根离子进一步与水中的H+离子发生反应,导致水的电离平衡向OH-偏移。因此,亚硝酸钠的水溶液呈碱性。尽管亚硝酸钠与氯化钠外形、味道均相似,却有毒性,但可用酸碱指示剂判定。

此外,酸鹼性也可依據其酸根及金屬離子作粗略判斷。強酸弱鹼鹽呈酸性,強鹼弱酸鹽呈鹼性,強酸強鹼鹽呈中性,弱酸弱鹼鹽則依陰陽離子的相對水解度大小斷定酸鹼。例如,亚硝酸钠(NaNO2)由亞硝酸根與鈉離子構成,蓋亞硝酸為弱酸,氫氧化鈉則為強鹼,故亞硝酸鈉之水溶液乃為鹼性。