一、化学基本概念和基础理论

一、化学基本概念和基础理论

物质的组成

世界上的一切物质都是由元素组成的。科学家已经发现109种元素(含自然界存在的元素及人造元素)。元素可分为金属元素和非金属元素。元素呈游离态时为单质，呈化合态时则形成化合物。分子、原子、离子是构成物质最基本的微粒。分子能独立存在，是保持物质化学性质的一种微粒，由分子构成的物质，有非金属单质如O、白磷等；稀有气体如Ar，是单原子分子；非金属元素的化合物如氢化物、氧化物、含氧酸、大多数有机物等，它们在固态时均为分子晶体。原子是化学变化中的最小微粒，在化学反应中，原子核外的价电子发生改变，原子重新组合形成新物质。原子可结合成分子，例如CO分子，干冰是由CO分子构成的；原子也可直接构成原子晶体的物质，例如SiO是由Si原子和O原子按1∶2直接连接构成的。金属单质也可视作是由金属原子构成的物质。离子是带电的原

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子或原子团，例如Na、OH、

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等，由阳、阴离子结合构成的物质，例

如NaCl、NHCl、MgO等，它们都是离子晶体。大多数盐、强碱、低价金属氧化物都是离子化合物。

物质的分类

世界上的物质有千千万万种，根据组成和性质可将物质大致分为以下几类：

①混合物和纯净物混合物是由不同种物质的分子混合而成，没有固定的组成和熔、沸点，例如空气、天然气是气态混合物，石油，一切溶液是液态混合物，玻璃、铁合金是固态混合物。同种元素组成的同素异形体如O和O混合也是混合物。纯淀粉因分子大小不同，没有固定熔点，可以视作混合物。纯净物由同种分子组成，有固定的组成和熔、沸点，例如结晶水合物(CuSO·5HO)、复盐

(KAl(SO)·12HO)、络合物(NaAlF)，它们都是纯净物。②单质由同种元素组成

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的物质。金属单质如Mg、Cu、Fe等都是金属晶体，常温下除Hg为液体外均为固体。金属具有金属光泽，有良好的导电、导热、延展性，金属在化学反应中作还原剂。非金属单质除金刚石、硅晶体、硼晶体是原子晶体，石墨是碳原子组成的过渡型晶体外，大多数是分子晶体。非金属单质一般无金属光泽、质脆易碎，常温呈气、液或固态。在化学反应中，非金属性强的以氧化性为主，如Cl、Br、O；非金属性弱的常显还原性，如C、H等。稀有气体的分子是单原子分子。③化合物由两种或两种以上的元素组成的纯净物。根据组成元素种类不同可分为有机化合物和无机化合物。含碳元素的化合物叫有机化合物，其它为无机化合物，习惯上把二氧化碳、碳酸盐等视作无机化合物。无机化合物又可划分为氧化物、碱、酸、盐。④氧化物由氧元素与另一种元素组成的化合物。碱性氧化物能跟酸反应生成盐和水，碱性氧化物一定是金属氧化物，低价金属氧化物都是碱性氧化物；酸性氧化物能跟碱反应生成盐和水，例如CO、SO，SiO等，酸性氧化物又称酸酐。两性氧化物既能与酸又能与碱反应生成盐和水，例如AlO、ZnO等。以上三种氧化物又叫成盐氧化物。CO、NO、NO等不能与碱反应生成同价态的盐，称为不成盐氧化物，另一些如HO、NaO等称为过氧化物，其中氧为—1价，具有氧化、还原性。⑤酸由氢和酸根组成，能与碱反应生成盐和水。酸是电解质，在水中电离生成氢离子和酸根离子。酸有多种分类法，按酸的电离程度可分为强、

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中、弱三种酸，强酸有HClO、HI、HNO、HSO、HCl、

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SOH等；中强酸为

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HSO、HPO；弱酸由强至弱的顺序为HF、RCOOH、HCO、HS、HClO、HSiO。元素的非金属性越强，最高价氧化物的水化物酸性越强。酸根中含氧元素的酸叫含氧酸，不含氧元素的酸叫无氧酸；不挥发的酸有HSO、HPO、HSiO，挥发性的酸有HNO、HX、HSO、HS；酸根具有氧化性的酸叫氧化性酸，例如HNO、浓HSO、HClO，常见的非氧化性酸(仅H有氧化性)为 HCl、HF、HPO，酸氧化性的强弱与酸性强弱无直接的对应关系。原子的构成原子是由带正电的原子核和带负电的核外电子构成。原子核带的正电荷等于核外电子所带的负电荷，整个原子不显电性。原子核是由质子和中子两种微粒构成。质子带一个单位正电荷(电量为1.602×10库仑)，中子不带电。故原子的核电荷数=质子数=核外电子数=原子序数。原子核非常小，位于原子的中心，它的半径约是原子半径的万分之一，原子的质量99.5％以上集中在原子核。质子的质量为1.6726×10千克，中子的质量为1.6748×10千克，质子和中子的相对质量分别为1.007和1.008，取整数都为1。若忽略电子的质量，原子的质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)。电子带一个单位负电荷，电子的质量约为质子质量的1/1836；核外电子在原子核外的空间作高速旋转运动。

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同位素

质子数相同而中子数不同的同种元素的不同原子。例如氢有三种同位素，

H氕、 H(或写作D)氘又叫重氢、 H(或写作T)氚又叫超重氢；碳有多种同位素，例如 C、 C、 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 C是作为确定原子量标准的原子； H、 H是制造氢弹的材料；

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 O标记化合物确证了酯化反应的历程，

I用于甲状腺吸碘机能的实验等。

核外电子的运动状态

多电子原子核外电子的运动状态各不相同，电子运动的状态从4个方面来描述。①电子层(用n表示)根据元素电离能数据分析，核外的电子是分能级分层分布的，依据能量由低到高，离核距离由近及远，依次称为1、2、3、4、5、6、7??电子层，分别用符号K、L、M、N、O、P、Q表示。电子层是同一组电子在原子核外空间某处出现机会多的区域。②电子亚层表示同一电子层内电子云的不同形状，分别用s、p、d、f符号表示。同电子层内亚层的能后按spdf顺序逐渐升高；不同电子层中相同亚层的能量随n增大而升高，例如E

EE、E

1s

2s

3s

2p

3p

4p

3d

4s

4f

6s

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原子量

以 C质量的1/12为标准，其它原子的质量跟它相比较所得的一种相对质量，简称原子量①，没有单位。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克、一个 O原子的质量为 2.6561×10克，用克作单位

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使用很不方便。1960年，国际上统一以 C的1/12的质量(1.6606×10克)作

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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。

元素的原子量是根据天然各同位素原子量及丰度计算的平均值，例如天然的氢元素含 H和 H两种同位素，其组成如下：

同位素符号 同位素原子量 各同位素丰度 H 1.007825 99.985％

H 2.0140 0.015 ％ 氢元素的原子量=1.007825×99.985％+2.0140×0.015％ =1.00798

根据同位素的质量数和丰度可以计算元素的近似原子量。 氢元素的近似原子量=1×99.985％+2×0.015％ =1.00015

电子云

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。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。右图为氢原子1s电子云的界面

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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

核外电子的排布规律多

电子原子核外电子的排布应遵循以下三个原理：①能量最低原理，核外电子总是首先占据能量最低的轨道，按照近似能级图，电子由低到高进入轨道的顺序为1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p??。因能级交错，其中E＜E??，电子先排满4s后再进入3d，例如钪元素核外21个电子依次填充的轨道为

1s2s2p3s3p4s3d。②保里不相容原理，在同一原子中没有运动状态完全相同的电子，即同一个原子中的电子，描述其运动状态的四个方面不可能完全相同，在同一轨道上的电子必须自旋方向相反，每个轨道只能容纳2个电子。根据保里不相容原理，各电子层最多容纳的电子总数为2n；周期表中各周期含有元素的数目以及填充的能级如下：

4s

3d

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1

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③洪特规则，电子进入同一亚层的各个轨道(也称等价轨道)时，总是尽先分占不同轨道，而且自旋方向相同，例如氮原子核外电子排布的轨道表示式为：N原子的价电子中有3个未成对电子，这与N原子的成键情况和化合物的组成、结构有密切的关系。洪特还指出，等价轨道上的电子排布处于以下状态比较稳定。

例如铬原子的电子排布式是ls2s2p3s3p3d4s，而不是ls2s2p3s3p3d4s。

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化学键

分子和晶体中相邻两原子或多个原子之间存在的强烈的相互作用。例如水分子中2个氢原子和一个氧原子之间形成2个共价键，强烈地结合在一起，成为稳定的HO分子。又如食盐晶体中，钠离子与氯离子通过静电作用强烈地结合在一起，形成稳定的NaCl晶体。化学键主要包括共价键、离子键和金属键。分子间作用力以及氢键不属于化学键。与化学键相比，分子间作用力很弱，提供较少的能量就能破坏分子间力，使分子晶体的物质熔化，例如冰易熔化成水，被破坏的是分子间力；若使水发生分解，需要高温才能使氢氧共价键断裂。

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离子键

阴阳离子间通过静电作用所形成的化学键。例如NaCl晶体是由阳离子Na与阴离子Cl通过静电作用相互吸引，当离子间的吸引力与排斥力达成平衡时，则形成稳定的离子键。离子的电荷是球形对称分布的，它可以从不同的方向同时吸引多个异性离子，例如NaCl晶体中，每个Na同时吸引6个Cl，每个Cl也同时吸引16个Na；在CsCl晶体中， 每个Cs同时吸引8个Cl，每个Cl也同时吸引8个Cs。离子键没有方向性、没有饱和性，一个离子周围容纳的异性离子数及其配置方式决定于离子间的静电引力。

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+

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活泼金属如钾、钠、钙等跟活泼非金属如氯、溴、氧等化合时，形成典型的离子键。由离子键形成的化合物叫做离子化合物。离子化合物中，离子的电荷越大，半径越小，离子键越强，其熔沸点就越高。例如MgO的熔点比NaCl高：MgO的熔点为2852℃，NaCl的熔点为801℃。

共价键

原子间通过共用电子对(即电子云的重叠)所形成的化学键。例如H分子，两个氢原子的1s电子配对共用，使每个氢原子具有氦原子的稳定结构；又如HCl分子，H原子和Cl原子各提供一个未成对电子，共用的一对电子把两个原子核吸引在一起，形成稳定的HCl分子。共价键形成的本质是电子云的重叠，例如HCl分子形成时，H原子的1s电子云与氯原子的未成对电子占据的3p电子云重叠，两核间的电子云密度增大，形成HCl分子。电子云重叠越多，分子越稳定。根据价键理论，两个原子的未成对电子，只有自旋相反，才能配对形成一个共价

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键。共价键具有饱和性，例如 分子，氢原子形成一个共价键，氧原子可形

成两个共价键；在N≡N分子中，两个N原子以共价叁键相结合。共价键也具有方向性，s电子云无方向，p电子云和d电子云均有方向性，p和d电子参加成键时，一定要沿着电子云伸展的方向进行重叠，才能形成稳定的分子。共价键的方向性和饱和性使分子具有一定的空间构型。非金属原子间化合形成共价键，若成键两原子相同，形成非极性共价键；若成健两原子不同，则形成极性共价键。

键 长

分子中两个成键原子核间的平均距离。例如H—H键长为0.74×10米、Cl－Cl键长为1.988×10米。一般两原子间的键长越短，键越牢固，分子越稳定。对同族元素的单质或同类化合物的双原子分子，其键长随原子序数递增而增大，例如：

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F—F Cl－Cl Br—Br I—I 键长(10米) 1.418 1.988 2.284 2.666

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H—F H－Cl H—Br H－I 键长(10米) 0.918 1.274 1.408 1.608

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碳原子间可形成单键、双键、叁键、键数越多，键长越短，例如： C－C单健C=C双键 C≡C叁键

键长(10米) 1.54 1.34 1.20

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键 角

分子中键和键之间的夹角。例如HO分子中两个H－O键的夹角为104.5°，CO分子中两个C=O键间的夹角为180°。键长和键角决定分子的空间构型。HO和CO同是三原子分子，但HO分子是V形而CO分子是直线形。NH分子中三个 N－H键的键长相等，两个 N—H键之间的夹角为 107°18′，NH分子呈三角锥形。又如CH分子，四个C—H键的键长相等，C—H键之间的夹角均为109°28′，CH分子是正四面体形。周期表中，同族非金属元素的氢化物或卤化物，组成相似，分子结构相同，例如第Ⅳ族元素形成的CH、CCl、SiH、SiF等，它们的分子均是正四面体结构。又如氧族的氢化物HO、HS、HSe等，它们的分子均是V形结构。

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A

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4

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键能形成一摩尔共价键放出的能量或拆开一摩尔共价键成为原子需要吸收的能量。键能的单位是千焦/摩。例如H—H键的键能为436千焦/摩，表示形成一摩尔H—H键放出的能量或拆开—摩尔H－H键需要吸收的能量均为436千焦/摩。键能又称解离能。键能的大小标志着共价键的强弱，键能越大，键越牢固，该分子越稳定。例如Cl和I的键能分别为239.74千焦/摩、148.95千焦/摩。对于分子，Cl2比I2稳定，对于原子，Cl比I活泼。若用Q表示反应热，E表示键能，则任何一个化学反应的反应热与键能的关系是：

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Q=∑E

生成物

-∑E

反应物

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。例如：

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