無機化學

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無機化學基礎

區別於有機化學，無機化學主要探討關於無機物（主要為非含碳物）的性質與反應。

無機化學的基礎是物質。在無機化學中，物質被分為三類：單質、化合物與混合物。請注意化合物（compound）與混合物（mixture）之間存在很大的差別。化合物與單質都是由單種分子（或由離子鍵結合的離子）構成的，它們也被統稱為純淨物。純淨物可以用化學式表示它們的組成成份，如氫氣（H₂）、碳酸氫鈉（NaHCO₃）。混合物沒有化學式，也可以將它們的主要成份的化學式寫出，如王水（HNO₃、HCl）等。

化學研究已經表明，所有物質都是由一些元素以特定方式組成的。如氧氣由氧元素組成，氧化鈣由氧元素和鈣元素組成。但其具體構成方式有所不同，金屬、稀有氣體及部分非金屬固體如硫（S）直接由原子構成（確切來說，硫在固態時以S₈存在，只是為了便於理解，常將硫、磷等視為由原子構成），而非金屬及一部分化合物由分子構成。另一部分化合物則由離子或原子團構成。

原子的構成

原子的構成主要在物理化學中有所探討。簡略來說，原子的中央有一個密度極大的核心，即原子核。許多電子圍繞原子團轉動。原子核由質子與中子構成，質子帶+1電荷，中子不帶電。電子帶-1電荷，因此會被核內質子吸引。電子所帶能量決定該電子主要在離核多遠的地方運行，一般我們將其劃分為區域，稱之為能級。我們也可以用軌道表示電子運行的趨勢，但電子並不是按照一定軌道運行的。實際上，根據海森堡不確定性原理，沒有人能預測一個電子在某一時刻的位置，但其總會遵循一定趨勢。

在原子中，核內帶多少質子，核外即有多少個電子（即質子數=核外電子數），因此原子不顯電性。電子的能級可以用阿拉伯數字表示，也可以用K、L、M、N、O、P、Q等字母表示。K層最多可容納2個電子，L層可容納8個，M層可容納18個。也即，第n層最多可容納2n²個電子。特別地，最外層電子（即價電子）不可超過8個。

例如，3號元素鋰（Li）的原子中有3個電子，也即：K層2個，L層1個。在物理化學中，還會介紹價電子排布（鋰的價電子排布為[He]2s¹），這裡不加介紹。又如20號元素鈣（Ca），其原子中有20個電子，即2、8、8、2。注意其電子排布不是2、8、10，因為這樣不滿足價電子不超過8個。

稀有氣體的價電子數剛好為8（氦為2），因此其化學性質穩定。具有8個價電子的結構被稱為相對穩定結構。

離子與離子鍵

離子是失去電子而形成相對穩定結構的原子。如鈉（Na）原子有11個電子，即2、8、1。顯然其失去一個電子後，即形成具有最外層8個電子的 穩定結構。我們將其稱為鈉離子（Na⁺）。由於鈉離子失去了電子，因此我們稱之為陽離子。氯（Cl）原子有17個電子（2、8、7），它在得到一個電子後會形成相對穩定結構，即氯離子（Cl^-）。它得到了電子，因此我們稱之為陰離子。

鈣（Ca，2、8、8、2）原子在形成離子時，需失去兩個電子，因此我們稱之為二價陽離子。鈣離子記作Ca²⁺。相似地，鎂離子記作Mg²⁺。

原子由於電子與質子電性相對消，因此不顯電性。離子則顯電性，陽離子顯正電，陰離子顯負電。陽離子與陰離子互相吸引，使它們維持在一起，這種聯繫（化學鍵）被稱作離子鍵。如鈉原子給氯原子一個電子，兩者均成為離子，而後Na⁺與Cl^-互相吸引，即形成離子鍵，產生化合物NaCl（氯化鈉）。這些化合物被稱作離子化合物。

共價鍵

在氯化氫（HCl）分子中，不存在離子鍵。氫原子將它僅有的一個電子共享給氯原子，氯原子也拿出一個電子作為共享。這兩個電子被視作一個共價電子對，在兩者中間運行，這樣的化學鍵叫做共價鍵。由共價鍵連接的原子被合稱分子。顯然，氯原子核帶正電荷比氫原子核帶正電荷多，因此吸引電子的能力也強，這樣共價電子對就會偏向氯原子核，故氯相對顯負電，氫相對顯正電。這種共價鍵叫做極性鍵。

一個氧分子（O₂）由兩個氧原子構成。這兩個氧原子共用兩個共價電子對，但其原子核吸引電子的能力相同，故這種共價鍵叫做非極性鍵。所有僅由共價鍵構成的化合物叫做共價化合物。

化合物中可以既有共價鍵，又有離子鍵，如硫酸鋅（ZnSO₄）。它們也被算作離子化合物，其中由共價鍵連接的部分被稱為原子團。

分子軌道理論

近年來，隨著量子力學理論的發展，人們提出了一種新的核-電子體系理論：分子軌道理論。分子軌道理論的主要理論為：

• 電子在原子附近運動的電子云由一個方程確定。
• 分子中電子圍繞整個分子運動，電子在分子中的運動模型的波函數被稱為分子軌道，它由原子軌道線性組合形成，組合前後軌道總數不變。
• N個原子軌道可以線性組合組成N個分子軌道，其中能量低於原先原子軌道能量總和的稱為成鍵軌道，高於的稱為反鍵軌道。
• 能量相近的原子軌道才可以組成分子軌道。
• 原子軌道組合成分子軌道時力求其波函數的圖像最大限度重疊。
• 電子填充分子軌道時仍像原子軌道一樣，遵從洪特規則、泡利原理以及能量最低原理。
• 原子軌道必須具有相同的對稱性才可以組合成分子軌道。

化合價

化合價是一種化合物中某種元素的分子所形成化學鍵的總數。例如碳酸鈉（Na₂CO₃）中，每個鈉離子與碳酸根間由一個離子鍵連接，且鈉離子為陽離子。因此我們說，碳酸鈉中鈉的化合價為+1。而其中的碳原子共形成4個共價鍵，且共價電子對均偏向氧原子，故化合價為+4。一個氧原子與碳原子形成兩個共價鍵，另外兩個氧原子分別與碳原子形成一個共價鍵，與鈉形成一個離子鍵，故顯-2價。化合價在氧化還原反應（下文將講述）中有很重要的作用。

化學反應

一種（或數種）物質在一定條件下發生反應生成新的物質，叫做化學反應,也叫化學變化。反應之前的物質叫做反應物，反應所生成的物質叫做生成物。對於化學反應有不同的描述，我們也可以說化學反應是舊鍵斷裂與新鍵生成的過程，亦或是舊的分子破裂成原子，原子又重新組合成新的分子的過程（顯然，這個定義有其局限性），化學反應常常伴隨著能量變化，如發光，放熱等。化學反應過程中，原子核並不會發生變化，不會生成新的原子，這是化學反應與核反應的重要區別。

基本化學反應

基本化學反應類型共有四種：化合反應、分解反應、置換反應與複分解反應。但是，這四種反應並不能包括所有的化學反應。

化合反應

化合反應是兩種以上物質反應生成一種化合物的反應。它可以用A+B=AB表示。

例如，碳在氧氣中燃燒生成二氧化碳，是一個化合反應：

${\mbox{C}}+{\mbox{O}}_{2}\longrightarrow {}{\mbox{CO}}_{2}$

氫氣在氧氣中燃燒生成水，也是化合反應。

${\mbox{2H}}_{2}+{\mbox{O}}_{2}\longrightarrow {}{\mbox{2H}}_{2}{\mbox{O}}$

分解反應

分解反應是一種化合物分解為兩種及以上物質(單質或化合物均可)的反應。它可以用AB=A+B表示。

例如，碳酸分解成二氧化碳與水：

${\mbox{H}}_{2}{\mbox{CO}}_{3}\longrightarrow {}{\mbox{CO}}_{2}\uparrow +{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}$

高錳酸鉀加熱分解：

${\mbox{2KMnO}}_{4}\longrightarrow {}{\mbox{K}}_{2}{\mbox{MnO}}_{4}+{\mbox{MnO}}_{2}+{\mbox{O}}_{2}\uparrow$

置換反應

置換反應是一種單質將某一種化合物里的某一元素置換出，並生成另一單質與另一化合物的反應。它可以用A+BC=AC+B表示。

例如，氧化銅粉末與碳粉在高溫條件下發生反應，生成銅單質：

${\mbox{C}}+{\mbox{2CuO}}\longrightarrow {}{\mbox{2Cu}}+{\mbox{CO}}_{2}\uparrow$

硫酸銅溶液與鐵反應生成銅：

${\mbox{CuSO}}_{4}+{\mbox{Fe}}\longrightarrow {}{\mbox{FeSO}}_{4}+{\mbox{Cu}}$

非金屬之間也能發生置換反應，如氯氣置換碘化鉀溶液中的碘：

${\mbox{2KI}}+{\mbox{Cl}}_{2}\longrightarrow {}{\mbox{2KCl}}+{\mbox{I}}_{2}$

再如碳高溫下置換二氧化矽中的矽：

${\mbox{2C}}+{\mbox{SiO}}_{2}\longrightarrow {}{\mbox{2CO↑}}+{\mbox{Si}}$

複分解反應

複分解反應是兩種化合物交換成份形成另外兩種化合物的反應，複分解反應必須要有氣體、弱電解質或沉澱中的一種生成。(Ab+aB=AB+ab)

例如，碳酸氫鈉中和鹽酸（作為鹽酸誤傷救治）：

${\mbox{NaHCO}}_{3}+{\mbox{HCl}}\longrightarrow {}{\mbox{NaCl}}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{CO}}_{3}$

注意，在上述反應中，生成碳酸（H₂CO₃）的濃度很高，會自動分解成水與二氧化碳。因此，通常情況下我們直接將水和二氧化碳寫入反應生成物中。

${\mbox{NaHCO}}_{3}+{\mbox{HCl}}\longrightarrow {}{\mbox{NaCl}}+{\mbox{CO}}_{2}\uparrow +{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}$

氧化還原反應

一切化學反應根據反應中是否有電子轉移（得失或偏移）可分為氧化還原反應和非氧化還原反應。有電子轉移的反應叫氧化還原反應，反之亦然。判斷一個反應是否是氧化還原反應的方法是看參加反應的各物質中的各元素是否有化合價變化。在氧化還原反應中，失去電子（或電子對偏離）的元素化合價升高，被氧化；得到電子（或電子對偏向）的元素化合價降低，被還原。

離解與電解質

電離是指物質在水溶液中或熔融狀態下化學鍵斷裂形成離子或原子團的作用。一些物質在水中可以幾乎完全電離，而另一些則只能部分電離。我們將前者稱為強電解質，後者稱為弱電解質。在水中和熔融狀態下都不能電離的物質是非電解質。例如，氯化鈉在水中解離出氯離子（Cl⁻）與鈉離子（Na⁺）。氯化鈉可完全電離，因此它是強電解質。

共價化合物的電離稍複雜，如醋酸（CH₃COOH）在水中會解離出醋酸根離子（CH₃COO⁻）。剩餘的一個氫「離子」──實際上只是一個裸露在外的質子──不可以單獨存在，因此它與水結合形成H₃O⁺。為了簡便，通常我們只記作H⁺。

電離平衡

在電離的過程中，也有一部分離子重新結合。在強電解質中，電離的過程足夠快，以至於離子根本來不及重新結合，即使在完全電離後它們又結合了，也馬上就會分解掉。然而弱電解質沒有這樣快的電離過程，它們的反應速率逐漸減慢，直至某一時刻，電離的速度與重化合的速度同樣快，即形成平衡狀態。

水是典型的弱電解質。在水中存在如下電離平衡：

${\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}\rightleftharpoons {\mbox{H}}^{\mbox{+}}+{\mbox{OH}}^{\mbox{-}}$

酸與鹼

我們知道，硫酸、鹽酸、醋酸等物質是酸，都具有一定腐蝕性。而氫氧化鈉、氫氧化鈣、氨水等物質是鹼，它們也有腐蝕性。

酸是共價化合物，可溶性強鹼是離子化合物。我們發現，酸在水中離解，會生成H⁺；鹼在水中離解，會生成OH^-。

在水中（或融灼狀態下）解離出的陽離子都是H⁺的物質叫做酸，在水中（或融灼狀態下）解離出的陰離子都是OH^-的物質叫做鹼。

pH值

水是弱電解質，其中存在電離平衡。當在水中的其他物質解離出H⁺或OH^-時，這一電離平衡將被打破，導致其中某一種離子的濃度增大。

溶液在特定溫度下，其H⁺的濃度（記作c(H⁺)）與OH^-的濃度（記作c(OH^-)）之積是一個常數，記作K_w，即水的離子積常數。室溫（25°C）下，K_w約等於1×10⁻¹⁴mol/L。當c(H⁺)=c(OH^-)時，溶液呈中性，而c(H⁺)若大於c(OH^-)溶液則呈酸性，反之呈鹼性。

為了便於計量，定義pH=-lg(c(H⁺))。如某一溶液中H⁺離子濃度為1×10⁻⁴mol/L，則其pH值為4。水的pH值為7。

pH值不適用於H⁺離子濃度大於1mol/L的溶液，這些溶液一般直接用c(H⁺)計量。

酸鹼指示劑

一些物質（多為有機物）可與H⁺或OH^-離子結合生成不同顏色的化合物，又可在濃度降低時還原。這些物質因加在溶液里可判斷溶液酸鹼性，故稱為酸鹼指示劑。酸鹼指示劑其實是一類弱酸或弱鹼，他們在pH不同的溶液中電離度不同，故而形成不同顏色的離子或分子，所以顯示不同顏色。

常用石蕊與酚酞做酸鹼指示劑。石蕊溶液平常呈紫色，遇酸變紅，遇鹼變藍。酚酞溶液平常呈無色，遇鹼變為粉紅或紅色。

將不同的酸鹼指示劑按一定比例混合併製成試紙，即可測量精確到整數的pH值，這些試紙被稱作pH試紙。

酸根與金屬離子

酸通常由氫離子和另一部分構成，這另一部分一般稱作酸根。常見的酸根有硫酸根、碳酸根等。鹼通常由氫氧根離子和另一部分構成，這另一部分一般是金屬離子或銨根離子（銨根離子部分化學性質與金屬離子相似）。在一定條件下，金屬離子可以與酸根離子結合，生成鹽類化合物。

氨水的鹼性

值得注意的是，並非只有含氫氧根的化合物溶液呈鹼性，氨水（NH₃·nH₂O）就是一個反例。氨水是弱電解質，其中存有以下電離平衡：

${\mbox{NH}}_{3}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}\rightleftharpoons {\mbox{NH}}_{4}^{\mbox{+}}+{\mbox{OH}}^{\mbox{-}}$

因此，不含氫氧根的氨氣溶於水，也呈鹼性。

鹽與酸鹼中和反應

鹽

酸根陰離子通過離子鍵與金屬陽離子結合，形成的離子化合物叫做鹽。注意，生活中所說的鹽與化學中的鹽不同，前者多指食鹽，其主要成分是氯化鈉。

酸鹼中和反應

酸是由氫離子與酸根離子構成的，鹼則是由金屬與氫氧根離子構成的。在酸與鹼混合時，酸中的氫離子與鹼中的氫氧根離子反應生成水，而剩下的酸根離子與金屬離子則反應生成鹽。這種反應稱為酸鹼中和反應。酸鹼中和反應都是複分解反應，因此都不是氧化還原反應。此反應是放熱反應。

例如，氫氧化鈉與鹽酸反應生成氯化鈉與水：

${\mbox{NaOH}}+{\mbox{HCl}}\longrightarrow {}{\mbox{NaCl}}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}$

鹽的酸鹼性

鹽的酸鹼性取決於它在水中是否破壞水的電離平衡。如氯化鈉（NaCl），生成氯離子與鈉離子均不破壞水的電離平衡。因此，它是中性鹽。亞硝酸鈉（NaNO₂）生成鈉離子與亞硝酸根離子（NO₂^-），亞硝酸根離子進一步與水中的H⁺離子發生反應，導致水的電離平衡向OH^-偏移。因此，亞硝酸鈉的水溶液呈鹼性。儘管亞硝酸鈉與氯化鈉外形、味道均相似，卻有毒性，但可用酸鹼指示劑判定。

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，亞硝酸鈉（NaNO₂）由亞硝酸根與鈉離子構成，由於亞硝酸為弱酸，氫氧化鈉為強鹼，故亞硝酸鈉的水溶液為鹼性。