物质及元素

物质的组成和分类

物质的组成

物质都是由元素组成的。元素是具有相同质子数（核电荷数）的一类原子的总称。自然界中的元素以两种形态存在：

• 游离态：元素以单质形式存在。
• 化合态：元素以化合物形式存在。

元素-游离态-单质，自然界中常见存在的单质，例如空气中的某些成分、矿石中的不活泼的金属单质、火山口的硫单质、陨铁中的铁单质。

经典问题，\ce{H2} 和 \ce{HD} 的“混合物“是纯净物，因为纯净物的定义中，不考虑原子核同位素等的不同。

元素-化合态-化合物。

物质按照组成可以分为纯净物和混合物：

• 纯净物：由一种物质组成，具有固定的组成和性质。
• 混合物：由两种或多种物质混合而成，没有固定的组成，各成分保持各自的性质。

纯净物注意：

1. 化学式相同，并不一定就是纯净物。

2. 高聚物，又称高分子化合物，由于其分子中的链节数目不同，相对分子质量也不同，因此高聚物一定是混合物。

3. 水合盐又称结晶水合物，组成确定、性质确定，属于纯净物。

4. 均匀不能成为判定是否为纯净物的依据，例如气体和互溶的液体。

5. 同一物质、不同状态的物质混在一起，仍然属于化学上的纯净物。

6. 除高聚物之外，凡是使用化学式表示的物质都是按照纯净物来对待和使用的。

7. 一般不认为光或热为能量，不属于物质，就像单质不属于电解质和非电解质范畴一样。

混合物中对应的不同成分一定具有不同的性质，特别是物理性质，可以用物理方法鉴别和分离。有时物理状态相同，不便分离。但因化学性质明显不同，可以先行化学方法转化成为不同状态，再用物理方法分离。高考中的化工流程题多数都是考查利用化学性质转化为不同状态而分离的。

四同：

• 同素异形体

由一种元素构成的结构不同的单质互称为同素异形体。如金刚石、石墨和 C60 互称为同素异形体。木炭、焦炭、炭黑都是由微小的石墨晶体和少量杂质组成的，统称为无定形碳。因此，无定形碳不属于碳的同素异形体。

• 同分异构体

• 同系物

• 同位素

氧化物及其类型

氧化物相关：

• 氧化物：一种元素和氧元素组成的化合物。

• 金属氧化物：一种金属和氧元素组成的化合物。

• 非金属氧化物：一种非金属和氧元素组成的化合物。

• 酸性氧化物：与碱反应只生成一种盐的氧化物。

• 碱性氧化物：与酸反应只生成盐和水的氧化物。

辨析：

• 碱性氧化物一定是金属氧化物，酸性氧化物主要是非金属氧化物。
• 金属氧化物主要是碱性氧化物，非金属氧化物主要是酸性氧化物。

在所有“一定”论断中，只有“碱性氧化物一定是金属氧化物”是正确的，其余都是错误的。

经典特例：

此外，还有：

• 特殊氧化物：与酸和碱反应不只生成一种盐的，例如 \ce{Na2O2,Fe3O4}。

• 不成盐氧化物：不与酸和碱（通性）反应的，例如 \ce{NO,CO}。

• 两性氧化物：两性金属对应的氧化物。

氧化物形式表达：

无机酸酐主要是酸性氧化物，即能与碱反应生成盐和水的氧化物，书写某个含氧酸的酸酐时，通常可以直接书写对应价态的氧化物。常见无机酸酐：

无机酸酐的一般性质：

• 与水反应：大多数酸性氧化物能与水反应生成含氧酸（\ce{SiO2} 等除外）。
• 与碱反应：酸性氧化物 + 碱 \to 盐 + 水。
• 与碱性氧化物反应：如 \ce{CaO + SiO2 -> CaSiO3}。

关于过氧化物：

• 定义：含有过氧键（-O-O-）的化合物。在无机氧化物中，氧元素显 -1 价。

• 性质：具有强氧化性，且通常不稳定，易分解产生氧气。

• 代表物质：

  • 过氧化氢（\ce{H2O2}）：常见的强氧化剂，在 \ce{MnO2} 等催化剂作用下分解：

    \ce{2H2O2 -> 2H2O + O2 ^}

  • 过氧化钠（\ce{Na2O2}）：与水反应生成 \ce{NaOH} 和 \ce{H2O2}（低温）或 \ce{O2}（高温）：

    \ce{Na2O2 + 2H2O -> 2NaOH + H2O2}

    \ce{2Na2O2 + 2H2O -> 4NaOH + O2 ^}

• 注意：只要是含有过氧键 \ce{-O-O-} 基本上都可以加热分解，一些经典的较为稳定的情况，比如连接在多硝基苯上。

物质的性质和转化

性质本身是能力、本领、也可以说是对外所起的作用，是物质或体系呈现给客观世界的一种形象或状态。对于化学性质有哪些，没有确定的结论，一般认为发生化学变化中才表现出来的性质就是化学性质；没有发生化学变化就表现出来的性质是物理性质。

化学是一门研究物质的组成、结构、性质和变化规律的自然科学。化学变化是有其他物质生成的变化，物理变化是没有其他物质生成的变化。化学性质是只有通过化学变化才能表现出来的性质，物理性质是如颜色、状态、气味、熔点、沸点、硬度、密度等是不需要通过化学变化就能表现出来的性质。

变化或反应通常分为物理变化，化学变化，和核反应，可以简单的认为，物理变化就是最简单的宏观变化，例如形变、分散分离等等，化学变化就是原子的重新排列，组成化学键的改变等等，而核反应则是在原子层面，直接改变了一个原子本身。在变化中，有诸多守恒，最普遍的就是质量守恒，在核反应中称为质量数守恒。

化学反应的四种基本类型：化合反应（多种物质生成一种物质）、分解反应（一种物质生成多种物质）、置换反应（单质与化合物反应生成另一种单质和另一种化合物）、复分解反应（两种化合物互相交换成分生成两种新的化合物）。分散系是将一种或多种物质分散到另一种物质中形成的体系。溶液是溶质溶于溶剂的产物，溶于溶剂的物质称为溶质，溶解物质的液体称为溶剂。酸碱性是溶液的一种特性。据此，溶液可分为酸性溶液、中性溶液和碱性溶液。

燃烧是可燃物跟空气中的氧气发生的发光发热的剧烈的氧化反应。可燃性通常是指可燃物能在空气或氧气中发生燃烧的性质；在一定条件下，可以发生燃烧的物质称为可燃物。可燃物具有可燃性。广义来说，燃烧可以包含很多反应，例如氢气在氯气中的燃烧，剧烈发光发生的反应，很多都可以叫作燃烧，虽然我们一般不会说氯气在氢气中燃烧。这一部分较为复杂，但是因为考查极少，我们不过多展开。

在高中里面，我们最喜欢讨论的是三种反应，第一是置换反应，因为单质种类繁多但分类清晰，第二是歧化和归中反应，他们是氧化还原反应的非常特殊的一类，第三就是多步反应，在多步反应中，通常蕴含着“歧化”和“归中”，以模型 \ce{A ->[X] B ->[X] C}，\ce{A + C -> B} 为例，B 就可以堪为 A,C 归中的结果，例如关于质子（即氢离子）的归中在原理部分很常见。

置换反应可以用通式 A + BC \rightarrow AC + B 表示。所有置换反应都属于氧化还原反应，因为必有单质参与，化合价一定发生变化。我们不妨按照物质的种类和反应环境分类，按照金属、非金属置换金属、非金属（共 4 类），以及在水溶液中、非水溶液中的反应。高中阶段较为常见的包括铝热反应、镁在二氧化碳中的燃烧，单质碳还原二氧化硅、氯气氧化氨气（生成氮气和氯化铵）、铁和高温水蒸气生成四氧化三铁。

涉及稀有气体的置换：稀有气体极难发生反应，但较重的稀有气体（如 \ce{Kr}、\ce{Xe}）能形成氟化物和氧化物。在这些反应中，稀有气体通常作为“被置换”的元素出现，因为它们的化合物具有极强的氧化性和氟化能力。由于稀有气体单质极难夺取其他元素的电子或阴离子，因此不存在纯稀有气体去置换其他元素的反应。

• 氢气置换氙或氪：

  \ce{H2 + XeF2 ->[\Delta] 2HF + Xe}

  \ce{H2 + KrF2 -> 2HF + Kr}

• 硫等非金属与二氟化氙反应：

  \ce{S + 3XeF2 -> SF6 + 3Xe}

• 金属置换稀有气体：二氟化氙是非常干净的氟化剂，很多 d 区或 p 区金属能将其中的氙置换出来。

  \ce{Ti + 2XeF2 -> TiF4 + 2Xe}

  \ce{2W + 6XeF2 -> 2WF6 + 6Xe}

金属置换金属本质是活泼性强的金属将活泼性弱的金属从其盐溶液或熔融物中还原出来，依据金属活动性顺序表。

溶液中的置换：活动性排在前面的金属（排除极活泼的 \ce{K}、\ce{Ca}、\ce{Na}，它们会直接和水反应）置换后面的金属。

高温熔融状态下的置换，也称为火法冶金或铝热反应。

金属置换非金属：活泼金属将氢或碳置换出来。

金属置换氢气（从水中）：极活泼金属（碱金属、碱土金属）遇冷水反应。

较活泼金属（d 区前段或 p 区）遇高温水蒸气：

金属置换氢气（从酸中）：排在氢之前的金属置换非氧化性酸（如 \ce{HCl}、稀 \ce{H2SO4}）中的氢。

镁条在二氧化碳中燃烧，经典的“灭火器失效”反应：

非金属置换非金属：非金属单质依据其电负性或氧化性、还原性的强弱互相置换。

卤素单质间的置换，氧化性 \ce{F2 > Cl2 > Br2 > I2}。

卤素置换氧气或硫：

碳置换其他非金属或类金属：

非金属置换金属：利用廉价的非金属还原剂（碳、氢气）在高温下夺取金属氧化物中的氧，广泛应用于工业冶金。

碳还原法，适用于 d 区及 p 区金属：

氢还原法，常用于还原纯度要求较高的金属：

以上五大类十二小类基本覆盖了常见的置换反应。只要满足单质 + 化合物 \rightarrow 单质 + 化合物的形式，就可以从周期表中选取相应元素，写出大量的置换反应方程式。

酸碱盐和电解质

提前说明，这一部分很多内容放在了反应原理之水溶液中，这里只是一些基础的通性，更加详细的原理见溶液行为。

强制弱，只是趋势的一种，如果在其他趋势上，有极其强烈的反向趋势，那么也可以发生“弱制强”。高中阶段一般认为强制弱的反例只有硫酸铜和硫化氢反应得到硫酸和硫化铜，我们说因为硫化铜的溶解度过低，在热力学上趋向于正向进行。表观上，次氯酸氧化亚硫酸生成盐酸和硫酸，也是一种弱制强，但是这涉及到氧化还原，是强烈的一级热力学趋势，一般不视为强制弱的反例。

分散系

若干种物质，分散在另外若干种物质中所得到的体系（混合物），称为分散系。

胶体根据其分散剂的状态，分为：

• 气溶胶：云、雾、烟等。

• 液溶胶：蛋白质溶液、淀粉溶液、氢氧化铁胶体等。

• 固溶胶：有色玻璃、宝石等。

其性质有：

• 丁达尔效应：

  • 现象：一束光通过胶体时，留下一条光亮的通路。

  • 原因：胶体粒子对光的散射。

  • 用途：鉴别溶液和胶体（非本质区别）。

• 渗析：

  • 作用：分离胶体和溶液，提纯胶体。

  • 原因：半透膜可让溶液通过，不可让胶体通过。

• 电泳：

  • 原因：胶体粒子吸附阴阳离子而带上电荷。

  • 现象：在电场中，胶粒会发生定向移动。

  • 距离：\ce{Fe(OH)3} 胶粒带正电（胶体不带电，电中性）。

  • 应用：静电除尘。

• 介稳性与聚沉：

  • 介稳性：介于稳定与不稳定之间。

  • 聚沉：加电解质、加电性相反的胶粒、加热或搅拌。

  • 应用：点豆腐，三角洲的形成（淡水与海水的混合）。

一般来说，所谓溶液，不一定是上面所说的溶液，例如蛋白质溶液、淀粉溶液实际上是胶体。上面所述按照粒子直径划分的溶液，一般是真溶液。尽管真溶液也不一定完全符合粒子直径在一纳米以内，例如高分子真溶液，高分子化合物以单个分子链状态自动分散在适宜溶剂中，形成的热力学稳定、均相的透明液体。其本质是真溶液而非胶体，具有黏度大、渗透压高、丁达尔效应不明显、可自发溶解且不可逆等特点，常见于线性高分子如聚苯乙烯溶于甲苯。

高分子溶解过程分为溶胀（吸入溶剂体积极大增加）和溶解（高分子链完全散开）两步。亲水性高分子依靠水化膜稳定，若加入大量电解质或脱水剂（如乙醇）破坏水化膜，会导致高分子聚结沉淀，这称为盐析。

• 均相性（Homogeneous）：在分子水平上均匀混合，溶质（高分子）与溶剂组分之间不分层。

• 热力学稳定性：是能在吉布斯自由能下降的趋势下自发形成的稳定体系，不需稳定剂。

• 黏度与流变性：高分子长链相互纠缠，即使在低浓度下也会呈现极高黏度，呈非牛顿流体特性。

• 溶解特性：溶解速度慢，通常需经历“溶胀”过程，且一旦溶剂蒸发，溶解后的高分子膜较难再次自动溶解。

高分子真溶液 vs. 低分子真溶液（如食盐水）：高分子真溶液的溶质分子巨大（长链），属于宏观真溶液，微观胶体尺寸，通常没有结晶特性（除特殊结构外）。

高分子真溶液 vs. 溶胶（胶体）：高分子溶液是真均相的，不属于胶体分散系（属于均相分散系）；溶胶不稳定、有明显丁达尔现象。

金属元素

金属的通性：

• 与非金属单质（氧气、氯气）。

• 活泼金属和水的反应。

• 氢前金属和非氧化性酸的反应。

• 银前金属和硝酸等氧化性酸的反应。

• 金属和盐发生的置换反应。

金属的物理性质：

• 熔点：最低的 Hg 汞，最高的 W 钨（用于钨丝灯泡）。

• 延展性：延性最强 Pt 铂（铂丝），展性最强 Au 金（金箔）。

• 导电能力排序：\ce{Ag,Cu,Ag,Al}，其中银一般仅用于要求极高的场景。

• 室内导线常用铜，室外常用铝（致密氧化膜，防止进一步氧化）。

• 密度在 \pu{4.5g/cm^3} 以上称为重金属，以下称为轻金属。

合金的性质如下：

• 硬度高于任一成分。

• 熔点低于任一成分。

合金的分类如下：

• 黑色金属：铁、铬、锰及其合金。

• 有色金属。

金属冶炼按照活动性顺序：

• \ce{K,Ca,Na,Mg}：通常电解其熔融氯化物。

• \ce{Al}：其氯化物不导电，通常电解氧化物（加入冰晶石）。

• \ce{Zn,Fe,Cu}：通常用 \ce{C,CO,H2} 还原。

• \ce{Hg}：氧化物高温分解，单质与氧气加热化合。

• \ce{Au}：自然界多游离态，富集。

• 贵重金属、高熔点金属常用铝热反应或与钠单质熔融还原制得。

氧化还原反应

氧化和还原

氧化还原反应：

• 定义：有化合价变化的反应。
• 本质：电子的转移（得失或偏移）。

其中，化合价有：

特殊物质化合价：

氧化还原反应的特征：

• 氧化反应和还原反应是在一个反应中同时发生的。
• 氧化反应伴随着化合价的升降，且升降总数相等。

反应物和生成物：

• 氧化剂得电子，化合价降低，以自己的氧化能力将还原剂氧化，自身发生还原反应，被还原后生成还原产物。
• 还原剂失电子，化合价升高，以自己的还原能力将氧化剂还原，自身发生氧化反应，被氧化后生成氧化产物。

简记为：升失氧化还原剂，降得还原氧化剂。

• 歧化反应：相同的反应物或元素，其一化合价上升，另一下化合价下降；常发生在碱性环境中。
• 归中反应：两个或多个含有某元素而化合价不同的反应物，得到化合价相同的单一产物；常发生在酸性环境中。

对于反应的判断，有以下性质：

• 所有置换反应都是氧化还原反应。
• 有单质参与的化合或分解反应都是氧化还原反应。

总结规律如下：

1. 电子守恒：价态有升有降，且升降总数相等。
2. 能不变就不变：
   • 相近转化，能不相交就不相交。
   • 同时一个元素化合价不变的原子不参与氧化还原反应。
   • 相邻价态不反应。
3. 强者先行：假设法，例如 \ce{Cl2} 先氧化 \ce{FeI2} 中的碘离子。

氧化剂和还原剂

氧化性和还原性：

1. 同种元素：

   • 最高价态只降不升，最低价态只升不降。

   • 一般价态越高氧化性越强，价态越低氧化性越弱。

2. 互补性：单质氧化性越强，其对应的离子还原性越弱。

   • （金属）活动性顺序：

     氧化性：\ce{Ag+ > Fe^3+ > Cu^2+ > H+ > \dots > Fe^2+ > \dots}

     还原性：\ce{Au < Ag < Cu < (H) < \dots < Fe < \dots}

   • （非金属）活动性顺序：

     氧化性：\ce{F2 > Cl2 > Br2 > I2 > S}。

     还原性：\ce{F- < Cl- < Br- < I- < S^2-}。

3. 根据反应条件与反应现象：

   • 与同一类反应物反应，条件越低越强。

   • 与同一类反应物反应，反应越剧烈越强。

4. 不是很不准确的（存疑）：

   • 通常价位变化越大越强（反例：硝酸）。

   • 通常浓度越大越强，酸性越强氧化性越强（对于 \ce{ClO-,MnO4-,NO3-} 等含氧酸）。

5. 根据反应方程式判断：

   • 两强制两弱：氧化剂氧化性大于氧化产物，还原剂还原性大于还原产物。

   • 不能说氧化剂氧化性大于还原剂，只能说某一条件下某物质表现了氧化性或还原性。

6. 有还原性不一定表现还原性，有强氧化性也不一定表现氧化性。

常见物质氧化性、还原性顺序表：

• 氧化性：\ce{MnO4- > Cl2 > Br2 > Fe^3+ > I2 > SO2 > S}。

• 还原性：\ce{Mn^2+ < Cl- < Br- < Fe^2+ < I- < SO3^2- < S2-}。

• 上表使用方法，找到左上、右下两组为反应物，找到对应左下、右上为产物。

方程式配平

用箭头表示电子的转移，依据是得电子数等于失电子数。

1. 标化合价升降。
2. 根据化合价升降守恒配平变价元素。
3. 根据原子守恒、电荷守恒配平其他元素和物质。

转移电子数为一条线上的，只考虑得到的电子数或者失去的电子数。

亚甲基蓝

亚甲蓝又称亚甲基蓝，注意亚甲（基）蓝并无亚甲基。

• 分析化学中用亚甲蓝作为氧化还原反应滴定的指示剂，会比碘液更好。

• 亚甲蓝的水溶液在氧化性环境中呈蓝色，但遇还原剂会被还原成无色形态，也是一种氧化还原指示剂。

• 其亚甲蓝因为有还原性，注射液被用来治疗正铁血红蛋白血症，也用于解救硝基苯、亚硝酸盐和氰化物中毒等。

• 蓝瓶实验也是以亚甲蓝的变色为基础的。可以用来检验水的溶氧量，反应是会令亚甲蓝液更蓝。

另外注意甲紫溶液（又称龙胆紫，详见生物）与亚甲蓝不同，应注意勿混用。

优秀传统文化中的化学

从物质成分的角度

中国古代的化学知识广泛体现在各类典籍和生活实践中：

• 青铜器：夏商周时期的青铜器主要成分为铜锡合金，根据不同用途调整锡的比例，《考工记》中记载了“金有六齐“的合金配比规律。
• 陶瓷：陶瓷的主要成分为硅酸盐，中国古代陶瓷的发色原理涉及过渡金属氧化物，如铜红釉、钴蓝釉等。
• 火药：黑火药的主要成分为“一硝二磺三木炭“，即硝酸钾、硫和木炭的混合物，是中国古代四大发明之一。
• 本草药物：《本草纲目》等典籍中记载了大量无机药物，如朱砂（\ce{HgS}）、雄黄（\ce{As4S4}）、石膏（\ce{CaSO4\cdot2H2O}）等。

从物质变化的角度

古人在生产生活中积累了丰富的化学反应经验：

• 酿酒：利用微生物发酵将淀粉转化为乙醇，早在商代就已掌握成熟的酿酒技术。
• 制醋：乙醇在醋酸菌作用下氧化为乙酸，是最早的氧化反应应用之一。
• 金属冶炼：通过火法冶金从矿石中提取金属，包括焙烧、还原、精炼等工序。
• 炼丹术：虽然目标是追求长生不老，但炼丹过程中观察到了大量化学反应现象，积累了物质转化的经验。

从分离提纯的角度

中国古代发展了多种物质分离和提纯技术：

• 蒸馏：用于提纯酒精、制备香水和药用挥发油，宋代《丹房须知》中已有蒸馏器的详细记载。
• 结晶：通过蒸发浓缩和冷却结晶从溶液中获得纯净的盐类，古代制盐技术广泛应用。
• 萃取：利用溶剂从天然产物中提取有效成分，如草药的煎煮过程。
• 过滤：使用纱布、纸张等介质分离固体和液体，在酿酒、制药中普遍使用。