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化学 (九年级)



       ——致使用本书的学生


这是一本化学的启蒙教科书。非常感谢你使用它。 如果你是一位善于观察你周围事物的学生,那么随着化学课程的学习,
你将越来越多地发现在你的日常生活中化学与你是形影不离的。掌握一定的 化学知识,你将能更好地解释发生在你周围的现象和更好地把握自己的生 活。本书把你引入化学学科领域,让你认识到化学与生活是那样的不可分割。 这就是我们编写这本书的宗旨。
我们衷心祝愿你能愉快地接受这些知识,快乐地踏入化学学科之门。

说 明
  本教材是根据上海中小学课程教材改革委员会制订的《九年制义务教育 化学学科课程标准》(草案)编写的,供九年级使用。
  本教材由黄浦区教育局、上海师范大学组织编写,经上海中小学教材编 审委员会审查通过。
本教材是在上海部分区、县试用四年的基础上修订而成的。 主编 杨德壬 副主编 蔡振镛
  参加本册教材编写的有胡学增(执笔)、陆惊帆、解守宗、吴峥、裘冠 君等。
  
化学

绪言

通过绪言的学习,你可以知道
1.化学可以帮助你解决什么问题。
2.自然界的物质有什么样的变化和性质。
3.为什么要学习化学。
4.化学与生活、社会有什么样的关系。
5.我国的化学及化学工业的发展。


  在日常生活中,我们常看到物质发生着各种各样的变化。如木头、汽油、 煤块的燃烧;铁器在潮湿的空气里生锈;在面粉团里加入发酵粉,蒸出又松 又软的馒头;用肥皂除去脏衣服上的油污,等等。物质为什么能发生各种各 样的变化呢?物质的变化是否具有一定的规律呢?学习化学可以帮助我们解 答这些问题。
  食油、食盐、醋酸、煤块都是我们很熟悉的物质。它们不仅是普通的调 味品或燃料,而且在化学工业中,它们还都是重要的化学原料。食油是生产 肥皂或人造奶油的原料;食盐是生产漂白精或聚氯乙烯的原料之一;用醋酸 可以生产纤维和香料;用煤做原料可以生产出药物、染料、炸药、洗涤剂等 数以千计的产品。那么,食油、食盐、醋酸、煤怎样变成用途广泛的各种产 品呢?在生产过程中,这些物质经历了哪些变化呢?学习化学也能帮助我们 解答这些问题。
什么是化学?简单地说,化学就是研究物质及其变化的一门自然科学。

  物质的变化是多种多样的,水受热变成水蒸气,温度降到 0℃,水又会 凝结成冰,这就是水的三态变化。水的三态变化只是状态的变化,水没有变 成其他的物质。铁在高温下熔融成铁水,然后把它浇铸成各种形状的生铁制 品。在这些变化中,铁也没有变成其他物质。我们把没有生成其他物质的变 化叫做物理变化。
  在日常生活中,我们还看到另外一类变化,例如,节日里燃放的焰火中, 常出现闪烁的银光,这是镁燃烧时发生的现象。下面我们来做一个实验,看 看镁燃烧时究竟发生了怎样的变化。
【实验 1】取一段镁带,用坩埚钳夹住放在酒精灯火焰上点燃(图 1),观察产生的现象。
  镁带燃烧发出明亮耀眼的强光,同时镁带逐渐“消失”,而在石棉网上 留下一种白色的固体物质,这是镁带燃烧后生成的氧化镁。
  紫黑色的高锰酸钾在日常生活中常用作消毒剂。如果对它加热,又会发 生怎样的变化呢?
【实验 2】(1)在干燥、洁净的试管里加入 3g 高锰酸钾。
(2)把带火星的木条伸入试管口,观察发生的现象。

(3)加热放有高锰酸钾的试管(图 2),过一会儿再把带火星的木条伸入试管口,观察发生的 现象。

  带火星的木条伸入加热后的试管口,木条燃烧得更旺,说明高锰酸钾加 热后有氧气生成。试管中残留的黑褐色物质是锰酸钾和二氧化锰。
  镁带燃烧和高锰酸钾受热后都有其他物质生成。我们把有其他物质生成 的这类变化叫做化学变化,又叫做化学反应。木头、汽油、煤的燃烧,以 及铁生锈都属于化学变化。
  镁能在空气中燃烧生成氧化镁,镁的这种性质只有通过化学变化才能表 现出来。高锰酸钾受热会生成氧气、锰酸钾和二氧化锰,高锰酸钾的这种性 质也只有通过化学变化才能表现出来。我们把物质通过化学变化才能表现 出来的性质叫做化学性质。
纯净的水是没有颜色、没有气味的液体,它在 0℃时结冰,在 100℃时沸
腾,这些都不需要经过化学变化就能知道。我们把物质不需要发生化学变化 就表现出来的性质叫做物理性质。物质的颜色、气味、状态、熔点、沸点、 密度等都属于物理性质。
















  物质的各种各样用途,都是由它们的性质决定的。例如,铜、铝有良好 的导电性,我们用来作导线。煤、汽油能燃烧并放出热量,可以用作燃料。 现代化学已经能够利用化学变化规律,制造出自然界里原来并不存在的 物质。例如,我们用的镜子就是通过化学加工制得的,它比古代的铜镜映像
要清晰得多。下面我们通过实验了解镜子的制作原理。
【实验 3】(1)在洁净的试管里加入 1mL 2%的硝酸银溶液。
(2)再逐滴滴入 20%的稀氨水,并不停地振荡试管,直到最初产生的沉淀刚好溶解为止。
(3)再滴加少许葡萄糖溶液,振荡后把试管放在热水里温热,过一会儿移出试管,观察现象(图

3)。


从实验看到,试管壁上有一层光亮的银镜生成。工业生产上就是利用上

述反应原理来制作镜子(图 4)的。

  现代生活离不开化学,科学技术的迅猛发展同样需要化学。研制新型材 料,开发新能源,制备高效肥料、农药,防治环境污染,以至探索宇宙奥秘, 研究生命现象,以及人类的延年益寿都需要化学来提供对策和作出贡献。
人类文明的发展离不开科学技术的进步。我国是世界上有悠久文明历史 的国家之一。早在商代就会制青铜器,春秋战国时期已能冶炼生铁。图 5 是 我国古代人民熬制井盐和冶炼生铁时的情形。我国古代的造纸、制火药、烧 瓷器等化学工艺是世界闻名的。


















  在近代,我国著名科学家和工程师侯德榜先生发明了联合制碱法,为纯 碱和氮肥工业的发展作出了杰出的贡献,成为我国制碱工业的先驱和奠基 人。
现在,我国的化学工业已是门类齐全、布局合理、并有了相当大的规模。
无论是钢铁、冶金、材料、日用化工都得到了很大的发展。我国的水泥、电 石、合成氨、染料、硫酸、化肥、农药、钢铁、化学纤维的产量都居世界的 前列,这些反映了我国化学工业已有了相当雄厚的基础。化学研究和化学工 业的发展也有力地促进了生命现象的研究和空间技术的发展。我国在世界上 首先人工合成了蛋白质和核糖核酸等构成生命的物质。原子弹、氢弹、导弹 的试制成功,人造地球卫星的发射和准确回收,都标志着我国的化学科学技 术也已达到了比较先进的水平。

职业与化学

每个学生一旦毕业后,都有一个面临职业选择的问题。有的职业偏向于人文科学,如秘书、法 律等;有的职业偏向于自然科学,如医药卫生、建筑工程等。但无论是哪一种职业,它们都有着与之 相关联的基础知识。如果你有与该职业相关的扎实的基础知识,你一定能很快地胜任这一职业。
在众多的职业中,有许多是与化学紧密相关的。它们都是些什么样的职业呢?这本书会帮助你 得到答案。

讨论与思考

1.蜡烛燃烧是物理变化还是化学变化?为什么?
2.根据你的生活经验分别描述下列各物质的物理性质。
(1)酒精(2)氧气(3)铁
3.阅读下面的短文,分别指出描述铝的物理性质和化学性质的文句。 铝是一种银白色、有光泽的金属。它质地较软,密度很小,只有 2.7g/cm3;
它有良好的导电性和传热性。所以铝常用来做导线,制造各种炊具。铝在空 气中会迅速跟氧气反应,生成一种致密的物质——氧化铝。所以铝制的炊具, 如铝锅等的表面都有一层氧化铝薄膜。

1 纯净物和混合物空气

通过本章的学习,你将能够
1.阐述原子和分子的概念,以及它们之间的关系。
2.用分子的知识解释生活中的一些简单化学现象。
3.通过分子和原子概念认识纯净物和混合物的区别。
4.了解过滤、蒸发、蒸馏等概念,认识物质分离、提纯的一般方法。
5.知道空气的成分及其分离的基本原理和方法。
6.认识空气是宝贵的资源。


  把泥土放入水中搅拌后静置,泥土中的沙石首先沉淀下来,接着粘土又 沉淀下来。泥土中既然含有沙石,那么它就不是一种纯净的物质。什么样的 物质是纯净的物质——纯净物?什么样的物质是混合的物质——混合物?构 成纯净物的最小微粒是什么?用什么方法可以把混合物中的各个组分分离开 来?这些都是本章学习的主要内容。

1·1 组成物质的微粒——分子和原子


  蔗糖放到水里,一会儿就不见了,而水却有了甜味;湿衣服晒一段时间 就干了;樟脑丸放在箱子里,它会逐渐变小以至消失,但整个箱子里却都能 闻到樟脑的气味。这些现象使人们想到,物质是否由肉眼看不见的微小粒子 构成的呢?
分子 分子是构成物质的一种微粒。例如,蔗糖是由许许多多的蔗糖分
子构成的,水、樟脑、二氧化碳、酒精等物质也都是由它们各自的分子构成 的。
分子是怎样的一种微粒呢?我们知道酒精是一种能够燃烧的物质。100mL
的酒精能燃烧,如果把它分成 50mL,再分成 25mL、12.5mL,??酒精仍然能 够燃烧。如果有可能继续分下去的话,一直分到最终一个一个肉眼看不见的 酒精分子,这些分子仍然具有能够燃烧的性质。在生产酒精的工厂里挂着许 多“严禁烟火”的标语牌,就是因为酒精厂内的空气中含有可燃性的酒精分 子,这些分子一遇明火就会燃烧以至酿成灾害。由此可见,分子是能够保持 物质化学性质的一种微粒。同种分子具有相同的性质,不同的分子,性质 也不同。
  分子是一种很小很小的微粒,在小小的一滴水中,含有的水分子数目却 大得惊人,在 1 后面写上 21 个“0”还不够表示它的数量大小。分子这样小, 我们的肉眼当然看不见。但现在已经能用电子显微镜把有些分子放大几十万 倍,拍摄出分子的照片。图 1-1 是由核蛋白分子组成的病毒,经电子显微镜
放大 20 万倍拍摄的照片,它有力地证实了分子是真实存在的。


  分子的质量很小。1g 水里约有 330 万亿亿个水分子, 1 个水分子的质量 仅有 0. 000 000 000 000 000000 000 000 03kg。再精密、灵敏的天平也无 法称出单个分子的质量。
分子在不停地运动。水变成水蒸气正是水分子不断运动的结果。 在日常生活里,我们看到过物体的热胀冷缩现象,也知道物质一般都有
三态变化。这种变化的现象应该怎样解释呢?下面我们来做一个实验。
【实验 1-1】取一根长约 1m 的玻璃管,一端设法封住,往管中先后加入等体积的水和酒精,标 明液面的高度(约占管长的 3/4)。然后用塞子塞住另一端管口,把玻璃管两端反复翻转,使水和酒 精充分混合。静置后,观察液面高度的变化(图 1-2)。

  实验表明,等体积的水和酒精混合后,液体的总体积小于两者体积之和。 这一现象告诉我们,分子之间是有一定间隔的。水和酒精的分子混合后,相 互渗入对方分子的间隙里,混合溶液的总体积就会减小。
  物质受热时分子间的间隔增大,遇冷时缩小。气态物质分子间的间隔最 大,液态物质次之,固态物质中分子间的间隔最小。物质的三态变化,其实 质是分子间间隔的变化。
  原子 分子很小,那么分子能不能再分成更小的微粒呢?我们先来做一 个实验。
【实验 1-2】在试管里(图 1-3)放入少许氧化汞,观察它的颜色和状态。然后加热氧化汞, 过一会儿,用带火星的香棒通过导管迅速伸入试管内,观察有什么现象发生?


加热氧化汞,试管壁上生成了一种银白色的液滴,这就是水银(汞)。 同时在导管口带火星的香棒发生燃烧,说明有氧气放出。这个反应可以表示 如下:




氧化汞受热后是怎样变成汞和氧气的呢?我们可以这样解释:构成氧化 汞的分子在受热后分裂成更小的汞和氧的微粒,这些微粒再经过重新组合而 形成了汞和氧气(图 1-4)。











  分子在化学反应中能分裂成更小的微粒,这种更小的微粒我们称它为原 子。也就是说分子是由原子构成的。氧化汞分子就是由氧原子和汞原子构成 的。我们可以用图 1-4 形象地表示氧化汞受热后发生的反应。
每个氧化汞分子由一个氧原子和一个汞原子构成。受热时,一个氧化汞
分子分裂成一个氧原子和一个汞原子,然后两个氧原子结合成一个氧分子, 许许多多的氧分子和汞原子又分别构成了氧气和金属汞。
从上述氧化汞受热分解的实验可知,在化学反应中,分子可以分成原子,
而原子却不能再分,因此,原子是化学变化中的最小微粒。
  原子可以构成分子,也可以直接构成物质。例如,金属汞是由汞原子直 接构成的,铁、铜、铝等金属也都是由原子构成的。原子比分子更小,而且 也在不停地运动着。现代科学仪器已能拍摄出某些原子的照片(图 1-5), 证明原子确实是存在的。
  



原子和分子都是构成物质的最小微粒。

讨论与考思

1.用分子的知识解释压瘪了的乒乓球用开水浸泡后又可以复原。
  2.有人说,世界上一切物质都由分子构成。这种说法是否妥当?举例说 明。
3.用分子的知识解释物质发生物理变化和化学变化的区别。

1·2 纯净物和混合物


  纯净物和混合物 泥土是一种混合物,这是因为泥土中含有沙子、矿物质 等许多物质。食盐水也是一种混合物,因为食盐水中含有食盐和水。我们日 常生活中使用的发酵粉,看来很洁净,但它也是一种混合物,因为发酵粉是 用小苏打(碳酸氢钠)和酒石(酒石酸氢钾)按一定比例混合而成的。纯净 物跟混合物不同,纯净物是由同一种物质组成的。由分子构成的物质,纯净 物中只含有一种分子。由原子直接构成的物质,纯净物中只含有一种或几种 原子。例如,蔗糖、水银、铜块、石墨、无水酒精都是纯净物。
在混合物中,各种物质都保持各自原来的性质。例如,糖水是一种混合
物,在糖水中,无论是糖还是水都保持原来的性质。在发酵粉中,小苏打(碳 酸氢钠)和酒石(酒石酸氢钾)也都保持各自原来的性质。
世界上完全纯净的物质是没有的,在金饰品里常有“赤金”、“足金”
之称,这只是指这种金饰品含金量很高罢了。“金无赤足”,就是说没有完 全纯净的金。通常所说的“24K 金”,其含金量是 99.99%。
  物质的纯度 物质的纯度是表示混合物中某一成分含量的高低。纯度越 高,表示该物质越接近纯净。例如,纯度为 95%的酒精,表示该酒精中酒精 的含量为 95%。每 100 份这种酒精中,含纯酒精为 95 份。98.5%的酒精, 则表示每 100 份这种酒精中,含酒精达 98.5 份。
  世界上没有绝对纯净的物质。即使天然存在的纯净物,如雨水中,也含 有少量的灰尘和气体。天然出产的金子、金刚石、水晶、硫黄等,虽然是以 非常纯净的形态被发现,但也都含有微量的杂质。它们的纯度有时可以达到
99%以上。 那些仅含有极少量杂质的物质,由于纯度极高,所含杂质对其性质不会

产生很大的影响。这些物质,通常也把它们看作是纯净物。 市售的通用化学试剂,都是纯度很高的物质。根据试剂的纯度,可以把
它们分作四个等级。表 1-1 列出这四个等级的名称及适用范围。

  混合物的分离和提纯 天然存在的纯净物虽然不普遍,但是经过人工 提纯,人类已经能够得到数以千万计的相对纯净的纯净物。例如,我们熟悉 的糖、精制食盐、电解铜、干冰(二氧化碳)、无水酒精(乙醇)等。
分离和提纯物质的方法很多。常用的有过滤、蒸发、蒸馏、结晶、分液、
洗气等。这里先介绍过滤、蒸发、蒸馏三种。
(1)过滤 过滤是分离固体和液体的操作。这种分离技术应用已久。我 国传统中医熬制中药时,就是用过滤的方法把药液和药渣分离开来。在化学 实验室里,常用图 1-7 的装置过滤分离固体和液体。如果在该装置的漏斗中 加入含有不溶性杂质的食盐水,食盐水会透过滤纸滴入烧杯中,而不溶性的 杂质留在滤纸上。


















表 1-1 试剂的纯度等级
纯度等级 优级纯
(一级) 分析纯
(二级) 化学纯
(三级) 实验试剂
(四级) 英文代号 G.R. A.R. C.P. L.R.
适用范围 精密实验和
科学研究 科学研究和
分析实验 要求较高的
实验 一般要求不
高的实验

(2)蒸发 蒸发是将溶液中的溶剂气化,从而使溶解在溶剂中的物质与
溶剂分离开来的操作。例如,把食盐水放在蒸发皿中加热(图 1-8),食盐 水中的水气化逸出,留下的就是食盐晶体。
















  (3)蒸馏 蒸馏是利用液体混合物各组分的沸点不同,使液体气化而进 行分离的操作。我国传统的烧酒工艺就要用到蒸馏技术,以提高酒精的含量。 在酿制酒中,酒精的含量很低,仅百分之十几。利用酒精的沸点较低(约为
78℃),而水的沸点较高 (100℃),通过加热酿制酒,控制温度在 78℃和
100℃之间,使较容易气化挥发的酒精挥发出来,冷却后可以得到酒精含量较 高的烧酒。
实验室里常用蒸馏操作分离沸点不同的液体混合物(图 1-9)。
  从混合物中分离提纯出纯净物的过程中,常常要综合地运用多种分离技 术。有时,还需要反复地操作。例如,在海滩晒制的食盐中,会含有泥沙等 杂质。为了除去这些杂质,得到比较纯净的食盐,需要把粗盐溶解于水后过 滤,滤去不溶性的固体杂质。将滤液蒸发,使比较纯净的食盐结晶析出。
又如,含量为 12%的酒精溶液,经过一次蒸馏,能使含量提高到 40%左
右。把 40%的酒精溶液再次蒸馏,又可使酒精的含量提高到 50%以上。如此 反复地进行蒸馏操作,可以使酒精的纯度提高到 95%。如果还需要提高酒 精的纯度,可以在溶液中加入生石灰,让生石灰吸收一部分水分,再蒸馏, 最后可以得到纯度在 99%以上的酒精。














  研究某一种化学物质,常需要它们有较高的纯度,以免因杂质的存在而 影响物质的性质,所以,物质的分离提纯是一种十分重要的方法。几乎所有 的化工厂,都有专门的提纯工艺。从某种意义上说,现代社会正是依赖于提 纯技术的发达才获得很多高性能的材料。在电脑中大量使用的硅晶体,就是 一种高纯度的硅。它的纯度达到 99.999999999%。
  



讨论与思考

1.什么叫混合物?混合物是否一定是不洁净的物质?举例说明。
2.判别下列物质是混合物还是纯净物。
  (1)75%的消毒酒精(2)冰(3)镁条点燃后生成的氧化镁(4)高锰 酸钾(5)加热高锰酸钾后的剩余固体
3.试讨论分离食盐和铁粉混合物有哪些可能的方法。
  4.为什么说分离提纯是化学家常用的方法?你能说出哪几种分离提纯物 质的方法?简述这些方法适用的范围。

阅读材料


混合物为什么没有固定的物理性质

纯净物都有固定的物理性质,例如 4℃时纯水的密度是 1g/cm3,而酒精(乙醇)的密度是
0.785g/cm3。把纯水和纯酒精混合得到酒精和水的混合物有没有固定的物理性质呢?事实证明酒精和 水的混合物的物理性质是不固定的,它随组成的变化而变化。例如,按 1∶10 质量酒精和水混合的混 合物密度是 0.982g/cm3,它的沸点是 91.5℃。按 1∶5 质量混合的混合物密度则是 0.969g/cm3,沸点
是 87.1℃。又如铅和锡的熔点分别是 327.4℃和 231.9℃,而铅和锡组成的合金——焊锡的熔点却低 得多,含锡 63%的焊锡,在 181℃时就熔化了。我们正是利用铅锡合金的低熔点来制取焊锡的。从这 里可以看出,混合物不仅没有固定的组成,也没有固定的物理性质。混合物没有固定不变的物理性质, 根本原因是它没有固定的组成。
利用混合物不具有固定的物理性质,可以鉴定某物质是混合物还是纯净物。例如,实验室里用 化学合成的方法制得某种有机物的晶体,我们常用测定它的熔点来确定它的纯度。把测得的熔点跟该 纯净有机物的熔点相比较,就知道该有机物是否纯净。例如,纯萘的熔点是 80.28℃,工业上制得的 粗萘因含有杂质,熔点比 80.28℃低。由粗萘提纯制得的精萘,熔点就接近于 80.28℃。

1·3 空气是一种混合物

尽管我们天天生活在空气中,但是人们对空气成分的认识却只有 100~
200 年的历史。在 18 世纪以前,人们还不知道空气有复杂的成分。现在我们 已经知道空气是一种混合物。那么,空气里究竟有哪些成分呢?
  空气中的物质 人类对空气的研究跟认识燃烧现象密切相联。历史上不 少科学家为研究空气的成分做了许多工作,并提出过多种解释。法国化学家
  
拉瓦锡通过燃烧金属的实验,证实了空气主要是由氮气和氧气组成的,其中 氧气约占空气体积的 1/5。实验 1-3 也可以证明空气中约含 1/5 氧气。
【实验 1-3】在一只湿润的集气瓶口上配一只带有燃烧匙和玻璃导管的橡皮塞,导管的另一端 伸入盛有水的烧杯里。点燃盛在燃烧匙中的红磷,并立即塞紧橡皮塞(图 1-11)。待火焰熄灭后, 打开弹簧夹,仔细观察现象。

  当我们打开弹簧夹,看到烧杯里的水通过导管倒流入集气瓶里,其体积 约占集气瓶容积的 1/5,这一体积正是红磷燃烧时消耗空气中氧气的体积。
  100 多年以前,人们还以为空气里除了含有少量二氧化碳、水蒸气外, 其余的都是氧气和氮气。1882 年,英国物理学家雷利在研究空气中各种气体 的密度时,偶然发现从空气中分离出来的氮气,跟从氮的化合物里制得的氮 气,两者的密度相差 0.0065g/cm3,经过反复测定,结果依然不变。雷利没 有忽略这一微小的差异,他认为从空气中分离得到的氮气里可能还含有其他 气体。12 年以后,他终于从空气中得到了一种气体。与此同时,英国化学家 拉姆塞用其他的方法也从空气中得到了这种气体。由于这种气体极不活泼, 所以命名为氩(原希腊文中表示懒惰的意思)。在以后的几年里,拉姆塞等 人又从空气里陆续发现了氦、氖、氪、氙气体。由于这些气体化学性质很稳 定,人们长期以来习惯称它们为“惰性气体”。近年来发现有些惰性气体在 一定条件下也能跟氟、氧等元素形成化合物,把它们称为惰性气体不够恰当, 所以现在人们又称这些气体为稀有气体。
空气的成分按体积计算大致是氧气 21%,氮气 78%,氩等稀有气体 0.94
%,二氧化碳 0.03%,水蒸气和其他杂质 0.03%(图 1—12)。

  一般说来,空气的成分是比较稳定的,但由于地区、环境的不同也有不 同程度的变化。

职业与化学


化学实验师
在大多数化学实验室里,有这样一类人员,他们专门从事化学实验工作。他们的主要工作是配 制各种化学药品、做化学实验、保管实验仪器以及与实验有关的化学实验室工作。这类人员称为化学 实验师。化学实验师受聘于许多部门,如医院,中学,大专院校、研究所以及各大工业公司。

作为一名实验助手,他必须正确理解上级(工程师、研究员或教授)的实验意图,并做好实验 准备工作。化学实验师的中心工作就是做化学实验,所以一名好的化学实验师应该具有相当的化学知 识。有较强的动手能力和处理实验室里各种问题的能力。


  空气成分的分离 空气是一种混合物,空气中的各种气体均匀地混合在 一起。怎样才能把它们分离开来呢?
  人们从物质的三态变化得到启发,随着外界温度和压力的变化,空气是 否也会有状态的变化呢?如果我们把空气的温度降低到摄氏零下一百几十 度,同时施加一定的压力,空气就能从气态转变成液态。液态空气中含有液 态氧、液态氮等物质,仍然是一种混合物。如果升高液态空气的温度,液态 氧和液态氮又会重新气化。由于液态氧的沸点(—183℃)要比液态氮的沸点
(—196℃)高,液氮先气化而逸出,余下的主要是液态氧(图 1-13)。工 业上就是利用这个原理把空气中的各种成分分离开来的。








  空气是宝贵的资源 从空气中分离制得的氧气、氮气、稀有气体都是很 有用的物质。例如,氮气就是一种工业原料。氮气的密度比空气略小,在水 中很少溶解。在常压下,氮气冷却到—196℃时变成无色的液体。液氮是一种 优良的冷冻剂,在医疗上用以保存血液和活组织。新鲜血液通过液氮冷冻处 理制成的冻干人血浆,可以保存 5 年左右。人体器官移植时,运送的活体器 官也常保存在液氮中。氮气不能供呼吸,在低氧高氮的环境中害虫会窒息, 植物的代谢作用会减慢,所以氮气常被用于保藏珍贵的书画,贮藏粮食、蔬 菜。在常温下,氮气的化学性质不活泼,不容易跟别的物质反应。工业上利 用氮气作焊接金属的保护气,也用于充填灯泡以减慢钨丝的蒸发,使灯泡经 久耐用。在雷击时,空气中的氮气也会发生反应,生成氮的化合物随雨水落 到地面的土壤里,成为农作物生长必需的氮肥。据估计,每年因发生雷电而 溶入土壤里的氮肥约有 4 亿多吨。
以氮气和氢气为原料可以合成氨,它是一种重要的氮肥。氨经过一系列
反应还可以制得染料和炸药等重要的含氮化合物。图 1-14 列举了氮气的几 种重要用途。























稀有气体的应用也比较广泛。在焊接和切割金属时常用氩气来隔绝空
气。氩气也被用来充填灯泡,以增加灯泡亮度和使用寿命。稀有气体在通电 时会发出有色的光,使它们在电光源中有特殊的应用。氖气通电时发出的红 光,能穿透浓雾,所以氖灯可以用于港口、机场的指示灯。氩气和氦气在通 电时分别产生浅蓝色或浅红色的光,用氦、氖、氩和水银蒸气混合,可以制 成五光十色的霓虹灯。充填氙气的高压长弧氙灯,能产生强烈的光,被称为 “人造小太阳”。氦气比空气轻,又不会燃烧,已取代氢气来充填气艇、气 球,还可以制备氦-氧混合气体,供潜水员呼吸用(图 1-15)。氦气、氖气 还能用来制造激光器。
人类需要洁净的空气 煤和石油等燃烧时,产生大量的悬浮颗粒(烟
尘)和有毒气体。汽车行驶时排出的废气中,也含有一氧化碳等污染物。在 一般情况下,空气通过稀释作用,对这些污染物有一定的净化能力,但是一 旦污染物的量超过空气的自净能力时,污染的危害就会表现出来。
空气污染物在太阳光紫外线的作用下产生一种化学烟雾,它会刺激人的
眼睛,使人咳嗽、窒息甚至死亡。 空气污染所引起的危害远远超出了影响人类健康的范围,它们会损坏或
毁灭作物、森林和花卉;使油漆、涂料脱落变色;毁坏织物,使染料褪色;
腐蚀金属,损坏橡胶车胎;它们还会腐蚀文物、建筑物和金属材料,等等。 防治空气污染已成为保护人类生存,保障社会发展的全球性大事,我国
政府颁布了环境保护法,十分重视空气污染的防治工作。 防治空气污染的措施很多,大致可以分成两大类。一类是物理方法,使
污染物从废气中分离出来。例如,燃料燃烧后产生的废气、烟尘在排出烟囱 之前,先通过除尘器或用水淋洗,清除掉绝大部分烟尘。另一类是化学方法, 例如用化学方法使含硫燃料(如煤)脱硫。又如在一些工业技术先进的国家, 已试验成功在汽车排气系统中安装催化转换器(图 1-16),使汽车尾气中
的一些有毒气体在催化剂的作用下,经过一系列化学反应转换成 N2、CO2 等
无害成分而排放出来。


  此外,改变燃料的结构和成分,如将煤加工成管道煤气,以减少煤燃烧 时产生的烟尘和一氧化碳等有害气体;植树绿化,净化周围的空气,对保持 空气的洁净也有重要意义。

讨论与思考

1.空气的主要成分按体积计算,氮气约占 %,氧气约占 %。
  2.把空气变成液态再加以分离的过程,是化学变化还是物理变化?为什 么?
3.工业上分离空气中各种成分的原理是什么?
  4.有人曾对某地区的园林工人和交通民警的健康状况作了调查,调查的 结果是:交通民警中患呼吸道疾病的人数占 11.7%,而园林工人中患呼吸道 疾病的人数占 0.25%。这个调查结果说明了什么?
5.你看到过哪些污染空气的情况?
  6.在你的周围你看到了哪些防治空气污染的具体措施?你还有什么建 议?

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大气成分的演变


原始大气的主要成分是水蒸气、一氧化碳、氨(NH3)和甲烷(CH4),不含氧气。大气中绝大部 分的氧气是由海洋中简单植物的光合作用产生的。海洋深处植物光合作用产生的氧气大部分被海水溶 解。又经过了漫长的时光,大气中才有了可以检出的氧气。当大气中含氧量超过 1%时,上层大气中 的氧气受太阳紫外线的作用又产生了臭氧。臭氧层能阻挡紫外线的照射,使海洋上层的生物体得以生 长繁衍,植物的光合作用日益增强,这样大气中的氧气含量才逐步增加。
大气中氮气的含量高,应该归功于氮气的稳定性,致使它在大气中的含量远比其他气体高。原 始大气中氮气的含量并不高,而且由于暴风雨时的雷电作用,使氮跟氧结合成氮氧化物被土壤吸收。
20 亿年前出现的固氮细菌,使氮气跟其他物质反应生成能被植物用来合成蛋白质的物质。动植物产生 的废物和死亡的生物体,又使这些氮的化合物返回土壤。在那里,脱氮细菌帮助它们分解,使产生的 游离氮气重返大气。漫长岁月的反复变化,使空气中氮气的含量越来越高,最后趋于稳定。
动物的呼吸、燃料燃烧和火山喷发都会增加大气中二氧化碳的含量,而光合作用、岩石风化和 海水溶解都会减小大气中二氧化碳的含量。大气经过漫长年代的反复变化,终于使两者保持平衡,目 前大气中二氧化碳的含量保持在 0.03%左右。


居室中的空气污染


人的生命几乎有一半的时光是在居室中度过的。居室内的空气是否洁净对人体的健康非常重
要。居室空间有限,加上为了保温等原因,居室的门窗不可能经常开启。人呼吸会产生二氧化碳和水 气,尤其是人体经皮肤逸出的各种挥发性分泌物会留在居室而污染空气。如果我们从室外进入有许多 人长时间活动的室内时,就会感觉到空气污浊。
人在室内吸烟,烟气中含有一氧化碳、烟碱(尼古丁)及具有致癌作用的物质——苯并芘,等 等。这些污染物对人体健康危害很大,因此吸烟是居室空气污染的一个重要因素。
另外,厨房烹调食物时生成的油烟也是居室空气的重要污染源。 居室空气的污染还来自装饰房屋时使用的油漆、墙布、涂料等,它们中含有甲醛、苯和酯类等
物质,这些物质会慢慢逸入空气中,刺激人的呼吸器官和皮肤,造成疾患。 现代家庭中塑料制品越来越多,大多数塑料在生产过程中加入了一些稳定剂和增塑剂,以提高
塑料制品的性能。但是,稳定剂和增塑剂很多是有挥发性的有机物,如增塑剂中的苯二甲酸酯就是这 样的物质。同时聚氯乙烯等塑料残留的单体——氯乙烯等也会慢慢从塑料中逸出,污染居室的空气。 家用电器,特别是产生高压的家用电器,如电视机等会使空气中的臭氧量增加,这也是造成居
室空气污染的原因之一。 消除居室空气污染最重要的方法是保持室内空气的流通,同时不要在室内吸烟。另外,新装修
的房屋最好隔一段时间再使用。

2 单质 氧气

通过本章的学习,你将能够
1.简单地描述原子结构。
2.认识元素的概念和意义。
3.写出常见元素的元素符号。
  4.辨别单质和化合物的特性,并理解同素异形体的含义。5.知道重要的 单质、氧气的性质。
6.理解氧化反应的基本概念。
7.理解氧化反应的普遍性及其对人类的意义。
8.在实验室里制取氧气。
9.理解催化剂的概念。


  纯净物可以分成两个大类。其中一类通过化学反应可以分解成为更简单 的纯净物。例如,氧化汞加热后可以产生汞和氧气。另一类则不能,无论通 过什么反应,都不会分解成更简单的纯净物。我们把这一类纯净物叫做单质。 那么怎样从原子和分子的角度去理解单质呢?怎样用化学符号来表示单质 呢?氧气是一种重要的单质,它有哪些主要的性质呢?这些是本章学习的主 要内容。

2·1 元 素


  食用菠菜、猪肝或者服用硫酸亚铁药丸,都可以使缺铁性贫血患者的症 状减轻。菠菜、猪肝、硫酸亚铁虽然是一些完全不同的物质,它们却都含有 铁元素。
儿童服用的钙片、建筑业使用的石灰、制模型的石膏,它们是完全不同
的物质,但是它们却都含有钙元素。 那么,什么叫元素呢?要理解元素概念,必须从原子结构谈起。 原子的结构 在化学变化中,原子是最小的微粒。就原子自身而言,它
的内部还有更精细的结构。
  原子是由居于中心的带正电荷的原子核和核外带负电荷的电子所构 成。原子核极小,电子更小。如果把原子比作一个圆球,那么原子核的半径 约为原子半径的万分之一。如果把原子比作一座十层的高楼,原子核就像乒 乓球那么小。可见,原子内部是一个空旷的区域,电子则在这个空间内作高 速运动。
  原子核是由质子和中子两种更小的微粒构成的。每个质子带 1 个单位 正电荷,中子不带电。因此,原子核所带的正电荷数(即核电荷数)就是核 内质子的数目。在原子中,核内有多少质子,核外就有相同数目的电子。图
2-1 是氦原子的结构示意图。质子和电子电性相反,电量相等,所以整个原 子不显电性。

同一种原子的核内质子数相同,不同种原子的核内质子数不同。 原子内部各种微粒的构成关系可以表示如下:
? ? 质子 : 1个质子带1个单位正电荷
?原子核?

原子 ?
?

? 中子 : 不带电

?核外电子 : 1个电子带1个单位负电荷
核电荷数 ? 核内质子数 ? 核外电子数。
表 2-1 几种原子的构成
原子种类 原子核内 核外电子数 质子数 中子数 氢 1 1 氦 2 2 2 碳 6 6 6 氧 8 8 8 氖 10 10 10 钠 11 12 11 镁 12
氯 12
17 12
18
17



表 2-1 列出了几种原子的构成情况。
  元素 元素就是具有相同核电荷数一类原子的总称。如无论存在于石 灰、石膏中的钙,还是钙片中的钙,它们的核电荷数都相同。所以说这些物 质中都含有钙元素。
又例如,氧气分子中含有氧原子,二氧化碳分子中含有氧原子,氧化汞
分子中也含有氧原子,它们都具有相同的核电荷数。所以说这些物质中都含 有氧元素。
  科学家已经发现了 100 多种元素,其中人造元素有十几种。它们组成了 世界上已知的一千万种物质。元素在自然界里的分布并不均匀。如非洲多金 矿,澳大利亚多铁矿,中国富产钨、锌、汞、锡、铅和锑。从整个宇宙来看, 含量最丰富的元素是氢和氦,太阳几乎全由氢和氦组成。地壳(包括大气) 中含量最丰富的元素是氧,几乎占地壳质量的一半,它广泛分布于大气、江 海、河流、土壤、岩石中。至于生物体内,氧更是不可缺少的元素。硅是地 壳中含量仅次于氧的元素,它大量存在于土壤和岩石中。
各种元素在地壳中的百分含量见图 2-2。

  有些元素在地壳中的含量很低,但它们对地球上的生物有着非常重要的 意义。例如,碳元素和氮元素分别只占地壳质量的 0.007%和 0.03%,但如 果没有碳和氮,地球上的一切生物都将不复存在。
  人体也是一座元素的仓库。地壳中天然存在的化学元素几乎都能在人体 中找到(表 2-2)。
  表 2-2 中列出的 11 种元素占了人体总质量的 99.95%,这些元素是人 体必需的常量元素①,一般的食物已能满足人体对这些元素的需要。如果人体 缺少这些常量元素,就会发生各种疾病,如缺钙会造成肌肉
表 2 - 2 人体中常量元素的含量
元素 人体中的含量(%) 元素 人体中的含量(%) 氧 65.00
碳 18.00
氢 10.00
氮 3.00
钙 2.00 磷




镁 1.00
0.25
0.35
0.15
0.15
0.05



痉挛、佝偻病、骨质疏松、发白等疾病。组成人体的还有 20 多种微量元素。
例如铁、锌、铜、锰、碘等,它们占人体质量的 0.05%以下。不少微量元素 也是维持人体正常生理机能必不可少的物质。例如缺铁会发生贫血,缺碘会 使甲状腺肿大(粗脖子病),这些几乎是众所周知的常识。现代医学已知, 缺锌会导致儿童发育停滞,智力低下,食欲不振、味觉减退等症状;缺锰会 使骨和软骨异常,先天性畸形,头发脱色等。有些元素如铅、镉、汞等,当 它们在人体中的含量超过允许量时,会使人中毒。例如铅会引起贫血,损伤 胃肠道、大脑,还能损害孕妇和胎儿的健康。所以这些元素叫做有毒元素。













① 常量元素是指占人体总质量 0.01%以上的元素。微量元素是指占人体总质量 0.01%以下的元素。



有毒元素常常通过呼吸道、消化道和皮肤接触等途径进入人体(图 2-
3)。例如含铅汽油燃烧产生的废气,含铅的油漆和用铅油封接的水管等,常 能使人在接触过程中摄入铅。为此,我们要控制污染,保护环境,减少与有 毒元素的接触,防止有毒元素进入人体。
  元素符号与分子式 在历史上,化学家曾经用不同的符号来表示已知的 各种元素,但表示的方法各不相同。为了便于交流,需要用一种共同的符号 来表示同一种元素,于是便产生了国际通用的元素符号。
国际上规定,元素符号统一采用这种元素的拉丁文名称的第一个大写字
母来表示。例如,
氧的拉丁文名称是 Oxygenium,元素符号规定为 O。 氢的拉丁文名称是 Hydrogenium,元素符号规定为 H。 碳的拉丁文名称是 Carbonium,元素符号规定为 C。 硫的拉丁文名称是 Sulfur,元素符号规定为 S。
如果几种元素的拉丁文名称的第一个字母相同,则再附加一个小写字母
加以区别。例如 Cu 代表铜元素。Ca 代表钙元素,等等。 表 2-3 列出了一些常见元素的名称、元素符号。
元素符号既表示某种元素,也可以表示某种元素的一个原子。我们还可
以用元素符号表示一种物质的分子组成。例如氧化汞分子可以表示为 HgO, 二氧化碳分子可以表示为 CO2,等等。这种用元素符号来表示物质分子组成
的式子称为分子式①。物质的分子式是通过实验方法测定的,一种物质只有 一种分子式。
表 2 - 3 常见元素的符号
元素名称 氢 氧 氮 氯 碳 硅 磷 硫 元素符号 H O N Cl C Si P S 元素名称 碘 溴 钾 钠 钙 锌 镁 铝 元素符号 I Br K Na Ca Zn Mg Al 元素名称 铁
元素符号 Fe 铜
Cu 汞
Hg 银
Ag 金
An 铅
Pb 钡
Ba 氟
F



原子核外电子排布 在含有多个电子的原子里,有的电子在离核较近的



① 用元素符号表示物质组成的式子又叫化学式,分子式是化学式的一种。

空间内高速运动,有的电子在离核较远的空间内高速运动,常把这些电子看 作在不同的电子层上运动(或叫做分层排布)。
电子在原子内部的这种分层排布,可以用原子结构示意图来表示。例如 钠原子(Na)的结构示意图可以用图 2-4 的方式表示。






  这个示意图表示钠原子的核内有 11 个带正电的质子,核外有 11 个电子, 离核较近的第一电子层有两个电子,第二电子层有 8 个电子,第三电子层(即 是钠原子的最外电子层)只有 1 个电子。
又如镁原子、氧原子、氯原子和氖原子的结构示意图可以表示为

在镁、氧、氯、氖、钠几种元素中,镁和钠是金属元素,氧和氯是非金属元 素。可以看出金属元素的原子,最外层上的电子数一般小于 4 个。如钠原子 最外层上有 1 个电子,镁原子最外层上有两个电子。而非金属元素的原子, 最外层上的电子数一般多于 4 个。如氧原子最外层上有 6 个电子,氯原子最 外层上有 7 个电子。
金属元素的原子最外层电子比较少,在化学反应中容易失去这些电子,
使整个原子带上正电荷。非金属元素的原子则容易得到电子而使整个原子带 上负电荷。我们把带电荷的原子叫做离子。带正电荷的离子叫阳离子,带负 电荷的离子叫做阴离子。化学上常在元素符号的右上角标上电荷的数目来表 示一种离子。例如,钠原子和镁原子在反应中容易失去最外层的 1 个和两个 电子,成为钠离子(Na+)和镁离子(Mg2+),而氯原子在反应中容易得到 1 个电子成为氯离子(Cl-)。
原子量 原子很小,但也有一定的质量。1μg(微克)金子里含有 3.1
×1015 个金原子,每个金原子的质量是 3.2×10-22g。这样小的质量根本无法 称量。显然,用 kg 或 g 这样的质量单位来表示原子的质量是不合适的。
因此,在科学上一般不直接用原子的实际质量,而是用原子的相对质量
(简称原子量)来表示。国际上规定,以中子数为 6 个的碳原子质量的 1/12 为基准,把各种原子的质量跟它相比较而得到的比值,就是各种原子的原子 量。这样,碳的原子量是 12,镁的原子量是 24,氧的原子量是 16,等等。 国际原子量表见书末附录,使用时只要查表就可以了。




药剂师

职业与化学

你一定非常熟悉医院药房里的药剂师吧。他们的工作主要是按照医生的处方配药和制备药物。 除了在医院工作的药剂师外,还有些药剂师在药物研究所、制药厂、医疗预防机构(如防疫站等)工 作。这些药剂师从事药物调剂、制备、鉴定和生产等工作。有的药剂师也在大专院校从事医药教学工 作。药剂学是药剂师不可缺少的一门专业知识。药剂学所研究的对象是药物,因此他们必须知道药物 的组成、结构和性质等知识。而这些恰恰也就是化学的研究内容。因此药剂学与化学的关系是非常紧

密的。要学好药剂学,做一名好的药剂师,就必须具有较好的化学基础知识。

讨论与思考

1.某药片中每克含碘 150mg、铁 12mg、镁 65mg、铜 2mg、锌 1.5mg、锰
1mg。你认为该药片中所含的各种成分是指分子、原子、还是元素?
  2.古罗马人的平均寿命很短,只有廿余年。你认为这可能主要跟以下哪 些因素有关?
(1)古罗马上空的空气污染严重
(2)古罗马人营养很差
(3)古罗马城市中用铅作水管,用铅制器皿饮水
  3.什么叫离子?铝的元素符号是 Al,铝原子很容易失去最外层的 3 个电 子,试写出铝离子的符号。
  4.什么叫原子量,它是以什么为基准的?氢的原子量是 1,铝的原子量 是 27,铝原子的质量是氢原子的几倍?
5.查表确定 1 个铁原子的质量是 1 个氧原子质量的几倍。



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生命的钥匙——微量元素


微量元素在人体中的含量虽然微不足道,但它们在生命活动中的作用却十分重要。人体中各种 必需的微量元素无论缺少或过量,对人体的健康影响极大。因此科学家把微量元素称为“生命的钥匙”。 例如,铁是人体必需的一种微量元素。人体中的血红蛋白、细胞色素,以及多种能促使生化反 应迅速进行的催化剂——酶中都含有铁元素。如果血液中铁的含量减少,血红蛋白就不能生成,造成 缺铁性贫血,使流经肺部的血液携带氧气的量减少。人体得不到足够的氧气,轻者面色苍白,呼吸急 促,重者甚至发生窒息死亡。为了补充铁质,医生常给患者服用硫酸亚铁一类的补血铁剂,还建议患
者多吃一些猪肝和菠菜等含铁质较高的食物。 又如,氟也是人体必需的一种微量元素。牙齿的釉面上就有一层氟的化合物,它坚硬而致密,
是保护牙齿的天然屏障。如果人体中缺少氟,就会影响牙齿保护层的形成,引起龋齿。据文献报道, 当饮水中含氟量小于 0.5mg/L 时,龋齿的发病率高达 70%—90%。当饮水中含氟量为 1.5mg/L 时,龋 齿的发病率可降到 10%以下。
但是,过量摄入微量元素,也不合适。例如,广州市从 1966 年起实行自来水氟化,10 年后发现 儿童斑釉齿大大增加。后经调查证实,广州市饮水含氟量虽然低于国家标准,但市民从其他途径摄取 的总氟量已超过人体的需求,饮用氟化水反而引起了氟过剩。所以从 1983 年起广州市已停止对自来水 加氟。
越来越多的事实证明,微量元素对人体的生长、发育、衰老、疾病乃至死亡,都起着十分重要 的作用。表 2-4 列出了一些微量元素的补充来源,食用有关食物,可以使人体获得必要的微量元素。 反之,偏食对人体的健康是有害而无益的。

表 2-4 若干微量元素的补充来源
元素名称 来源 铁( Fe ) 肝、肉、豆类、麦类、菠菜、西红柿、水果 铜( Cu ) 坚果、豆类、谷类、水果、鱼、肉、蔬菜 锌( Zn ) 谷类、豆类、麸皮、肝、胰脏、乳汁 锰( Mn ) 萝卜缨、小麦、扁豆、大白菜、糙米、茄子 碘( I ) 海带、海参、紫菜、发菜、蛭子、蚶、蛤、干贝、海蜇 硒( Se ) 大白菜、小麦、玉米、小米、南瓜、红薯干



2·2 单质


元素的游离态 世界上有许许多多的纯净物,如果根据元素的组成来划 分,可以分为两大类——单质和化合物。单质是由一种元素组成的纯净物。 像氧气、镁、铁、汞等都是单质。化合物是由两种或多种元素组成的纯净 物(图 2-6)。例如,氧化镁是由氧元素和镁元素组成的;高锰酸钾是由钾、 锰、氧三种元素组成的,它们都是化合物。

















  以单质存在的元素形态叫做元素的游离态。我们的祖先早就懂得“沙里 淘金”,因为金在自然界里是以游离态存在的。
单质还可以按其性质分为金属、非金属和稀有气体三个大类。例如,氧
气、碳都是非金属(组成非金属单质的元素叫非金属元素);铁、铝、铜都 是金属(组成金属单质的元素叫金属元素)。氦气、氖气、氩气等是稀有气 体。金属有金属光泽,有延展性,能导电、传热等。非金属没有金属光泽, 没有延展性,导电、传热性能差。金属和非金属之间没有绝对的界限。有的 物质如硅和锗既有金属的性质,又有非金属的性质。
  单质的分子式 用元素符号来表示物质分子组成的式子叫分子式。单质 的分子式书写比较简单,只要在组成单质的元素符号右下角,用数字表示 1 个分子中所含的原子数目。如果原子个数是 1 时可以不写。例如,氢气、氧
气、氮气、氦气、氖气的分子式分别用 H2、O2、N2、He、Ne 来表示。上式说
明 1 个氢气分子中有两个氢原子,等等。 金属和固态非金属单质的结构比较复杂,习惯上用元素符号表示分子
式。例如,铁、铜、硫、碳的分子式分别用 Fe、Cu、S、C 来表示。

  以中子数为 6 个的碳原子质量的 1/12 为基准,以各种分子的质量跟它相 比较,所得的比值就是该分子的分子量。
  物质的分子量实际上就是组成该分子的各元素原子量之和。因此,根据 物质的分子式,可以很方便地计算出它们的分子量。例如,氧气的分子式是
O2,它的分子量就是
16×2=32 又如,白磷的分子式是 P4,它的分子量是
31×4=124
    ①同素异形体 同一种元素有时可以形成几种不同的单质。例如,氧元素 既可以形成分子式为 O2 的氧气,又可以形成分子式为 O3 的臭氧。氧气和臭氧
是两种性质不同的单质。氧气是无嗅的气体;臭氧却具有特殊的气味。在通 常情况下,氧气的密度是 1.43g/L;臭氧的密度却是 2.14g/L。














  金刚石(图 2-7)和石墨是两种性质截然不同的物质。金刚石是自然界 里硬度最高的矿物;石墨却是最柔软的矿物之一。金刚石晶莹透亮,熠熠闪 光;石墨却呈灰黑色。纯净的金刚石不能导电;石墨是电的良导体。金刚石 和石墨虽然性质不同,但它们都是碳元素的单质。
我们把像金刚石、石墨,氧气、臭氧等由同一元素形成几种不同单质的
现象,称为同素异形现象。把同一元素形成的几种不同单质,互称为同素异 形体。

讨论与思考

1.单质可以分成哪几类?从原子结构上分析,它们有哪些主要的区别?
2.在以下物质中,哪些是单质?哪些是化合物?为什么? 石墨(C)二氧化锰(MnO2)氯酸钾(KClO3)高锰酸钾(KMnO4)氯化钾
(KCl)硫(S8)
  3.白磷和红磷都是磷元素的单质,它们互称什么?查阅化学手册,简述 它们各自的物理性质。

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同素异形现象



① 供选读。

同一种元素可以形成性质各异的两种或多种不同的单质,这种现象就称为同素异形现象,这些 不同单质称为同素异形体。如石墨、金刚石是碳的同素异形体,红磷和白磷是磷的同素异形体,氧气
和臭氧(O3)是氧的同素异形体等等。同素异形体的性质有很大的差异,如氧气是无色、无味的气体,
而臭氧则是淡蓝色的气体,有鱼腥味,臭氧的氧化能力比氧气强得多。又如红磷和白磷的性质相差也 很大,可以从下表看出。
金属锡有三种同素异形体,灰锡、白锡和脆锡。灰锡为粉末状,当温度低于 18℃时,白锡就会 慢慢变成灰锡,温度降到-48℃时,这种转变会加速进行,以致使白锡变成一堆灰色的
红磷 白磷 透明性
颜色
在二氧化硫中的溶解性
熔点
沸点
毒性
能否自燃 不透明
暗红
不溶
593 ℃
200 ℃
无毒
不能自燃 透明
无色(氧化后变黄)
易溶
44.2 ℃
429 ℃时升华
有毒
能自燃



粉末,这一现象称为“锡疫”。法兰西第三帝国皇帝拿破仑曾统率大军远征俄罗斯,士兵们在
冰天雪地中受冻挨饿,艰难跋涉。由于气温低,军服上锡制的钮扣均患上了锡疫而脱落,加重了士兵 们的冻伤。这成为拿破仑战败的原因之一。
人们早就发现,石墨和金刚石是碳的两种同素异形体,90 年代初,科学家发现了碳元素的另一 种单质——巴基球,它是由 60 个碳原子以立体结构排列而成的一种笼形碳分子,如 C60 就是一种像足
球形状的碳分子。巴基球在现代高科技上有着重要的应用,对它正在深入研究中。

2·3 氧气


  氧气是一种重要的非金属单质。在地球形成初期,空气的主要成分是水 气、一氧化碳、甲烷和氨气,那时还没有氧气。氧气是海洋中简单植物光合 作用的产物。后来,随着植物的增多,光合作用的增强,大气中氧的含量才 逐渐提高,最终形成了现今的以氧气和氮气为主要成分的空气。植物在光合 作用下所放出的氧气,比它在呼吸时消耗的氧气约多 20 倍,因此它弥补了自 然界里氧气的消耗,使空气中氧气的含量几乎保持恒定。
氧气的制法 在工业上,氧气主要是用分离液态空气的方法来制得,也
可以用电解水的方法来制取,但这种方法耗电多,成本高。在实验室里,常 用加热氯酸钾或高锰酸钾的方法来制取少量氧气。
【实验 2-1】(1)把少量氯酸钾放在一支试管里加热,当氯酸钾熔化并有气泡产生时,用带火 星的木条插入试管口,观察有什么现象发生(图 2-8)。
(2)把少量二氧化锰放在另一支试管里加热,也用带火星的木条插入试管口,观察有什么不同 的现象。
(3)把少量氯酸钾放在试管里加热片刻,不等熔化,用带火星的木条插入试管口,木条没有点 燃。然后迅速往试管里撒入少量二氧化锰,再用带火星的木条试验,观察发生什么现象。


  上述实验说明,把氯酸钾加热到熔化才会放出氧气;单独加热二氧化锰, 一般不放出氧气;当氯酸钾中混有少量二氧化锰时,不需要加热到熔化,就 能迅速地放出氧气。可见,二氧化锰在这里起了加速氯酸钾分解的作用。在 化学反应中,这种能改变其他物质的反应速度,而本身的质量和化学性质 在反应前后都保持不变的物质,叫做催化剂(或触媒)。在化学工业上, 常选用适当的催化剂来增大化学反应速度,以提高生产效率。
实验室里制取氧气的化学反应可以表示如下:

氧气是一种密度比空气大,不容易溶于水的气体,所以实验室里制取氧 气可以用向上排空气法(容器口向上)或排水法来收集(图 2-9)。












  氧气的氧化作用 我们说没有空气就没有生命,这是因为人是靠吸入空 气中的氧气跟体内的营养物质反应所产生的能量来维持生命的。所以没有空 气就会危及人的生命。医院里常用输氧抢救休克和心脏停搏的重危病人。
在空气稀薄的高山地区,氧气的含量相对较低,长期生活在平原地区的
居民一下子到了高山地区常会感到气喘、胸闷而不能适应。 那么,人能不能长期呼吸纯氧气呢?物质在空气或纯氧气中反应有什么
差别呢?下面我们通过实验(实验 2-2)来研究这个问题。
【实验 2-2】点燃两支短小的蜡烛,插在两根弯成钩状的铁丝上,然后分别伸进装满氧气和空 气的两只集气瓶里(图 2-10),观察燃烧的现象。












① 式中 KClO3、KCl、O2 分别是氯酸钾、氯化钾和氧气的分子式。


实验表明,蜡烛在氧气里燃烧比在空气里燃烧剧烈。
【实验 2-3】把小块木炭放在燃烧匙里加热到发红,然后伸进盛有氧气的集气瓶里(图 2-11), 比较木炭在空气中和氧气中的燃烧现象。待燃烧停止后,立即向瓶内倒进一些澄清的石灰水,振荡, 观察现象。

  实验表明,木炭(主要成分是碳)在氧气中燃烧比在空气中燃烧得更旺, 并发出更明亮的光。燃烧后生成的气体能使澄清的石灰水变浑浊,证明产生 的是二氧化碳气体。
碳跟氧气的反应可以表示如下:

【实验 2-4】把光亮的细铁丝做成螺旋状,一端系在一根粗铁丝上,另一端系一根火柴,将火 柴点燃后,把它连细铁丝一起伸进盛有氧气的集气瓶里(瓶底铺一层细砂),见图 2-12,观察发生 的现象。


实验 2-4 表明,细铁丝能在氧气里剧烈燃烧,火星四射,生成了叫做四 氧化三铁的黑色固体。由于燃烧时放出大量的热,使生成的四氧化三铁熔化 并溅落在瓶底。这个反应可以表示如下:




  以上实验都表明,物质在纯氧里的反应比在空气里反应更激烈。人如果 长期呼吸纯氧气是不能适应的。
  由于物质在纯氧中反应更激烈,所以工业上常使一些反应在纯氧中进 行,以提高反应效率。例如,工业上利用电石气在氧气中燃烧产生氧炔焰, 氧炔焰的温度高达 3000℃,可以用它来切割和焊接金属。炼钢时用氧气增加 空气中氧的浓度以提高炉温,增大冶炼速度,从而提高钢的产量和质量。液 氧是目前中远程导弹和宇航火箭推进剂的主要成分之一。液氧炸药被广泛用 于开矿、挖渠、构筑隧道等。
  物质在空气里燃烧或在氧气里燃烧都是物质跟氧气的反应,物质跟氧气 反应时一般都有热量放出。我们把物质跟氧发生的化学反应叫做氧化反应。 氧气是一种比较活泼的气体,容易跟其他物质发生反应,所以物质在空 气中发生氧化作用的现象是非常普遍的。如钢铁生锈,食物酸败,都是空气 中的氧气跟这些物质发生氧化作用的结果。为了防止物质在空气中氧化变 质,就要设法降低与该物质直接接触的空气中氧气的含量,或使它与空气隔
绝。例如,包装食品时常用抽去空气或填充氮气的办法以防止食品变质。

讨论与思考


  1.在二氧化锰、空气及液态氧气中,哪些是纯净物、哪些是混合物?为 什么?
2.举例说明在生活中哪些情况下需要减小氧气的含量?哪些情况下需要
增加氧气的含量?
  3.实验室里用氯酸钾制取氧气的反应中,残余的固体是纯净物还是混合 物?
4.铁丝在氧气中燃烧后溅落在瓶底的黑色固体物质是纯净物还是混合
物?

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拉瓦锡研究空气成分的著名实验


拉瓦锡把少量水银放在密闭的曲颈甑里,连续加热 12 天,结果发现水银沸腾以后有一部分变成 红色鳞状的物质(氧化汞),而玻璃罩里空气的体积差不多减少了 1/5。拉瓦锡把点燃的蜡烛放入玻 璃罩,烛火立即熄灭。放进小鼠,小鼠也窒息而死。这说明玻璃罩内的剩余气体不支持燃烧,也不能 供给呼吸,这剩余的气体主要是现在所说的氮气。拉瓦锡再把水银所生成的红色氧化汞收集起来,对 它加强热,又得到了水银和一种气体,而这种气体的体积正好等于空气先前减少的体积。他把这些气 体重新加到原先的玻璃罩里,跟剩余的气体混合,结果得到的气体性质和空气的性质一样。拉瓦锡把 这部分气体命名为氧。

3 化合物

通过本章的学习,你将能够
1.知道什么叫化合物。理解化合物的概念。
2.根据元素的化合价,正确地写出化合物的分子式。
3.根据某些物质的分子式,读出它的名称。
4.根据物质的分子式计算它的分子量。
5.根据化合物的分子式计算各元素的百分含量。

3·1 化合物


  元素的化合态 化合物是由两种或两种以上元素组成的纯净物。在化合物 中,元素以化合态的形式存在。在自然界里,我们可以找到单质的碳——金 刚石、石墨等,却很难找到游离态的铁等。因为铁元素总是以化合态存在于 化合物中。例如,赤铁矿的主要成分是氧化铁,它的分子式是 Fe2O3,要从氧 化铁中得到游离态的铁元素,即要得到单质铁,必须对它进行冶炼加工。 在化合物中,有些是由两种元素组成的。如果这类化合物中,有一种元素是 氧元素,这种化合物就叫做氧化物。氧化镁(MgO)、二氧化碳(CO2)、氧 化汞(HgO)、氧化铁(Fe2O3)都是氧化物。
  化合物有固定的组成 碳在空气中燃烧,可以产生二氧化碳。这个反 应可以用下面的式子①来表示
C+O2=CO2
天然气的主要成分是甲烷(CH4),燃烧天然气也可以产生二氧化碳。这
个反应可以用下式表示
CH4+2O2=CO2+2H2O
  从以上两个反应中可以看出,无论是燃烧碳还是燃烧天然气,都可以产 生二氧化碳。人在呼吸过程中,同样可以产生二氧化碳。这些从不同反应中 产生的二氧化碳,都具有相同的组成。这个事实告诉我们,元素和元素化合 时,它们的原子个数都有确定的比值。这是元素的一种重要性质。化学上把 元素一定数目的原子跟其他元素一定数目的原子化合的性质叫做元素的 化合价。
化合价有正价和负价之分。通常,氢和金属元素在跟非金属元素化合时,
氢和金属元素显正价,非金属元素显负价。例如,在水(H2O)中氢显正价,
氧显负价。氧元素在跟金属元素或非金属元素化合时,氧元素显负价,金属 元素或非金属元素显正价。例如,在氧化钙(CaO)中,钙显正价,氧显负价。 许多元素还因形成化合物时的条件变化而显示出不同的化合价。例如,铁跟 氧化合时铁显+2 价(FeO)或+3 价(Fe2O3),硫跟氧化合时硫显+4 价(SO2) 或+6 价(SO3)。
各种元素在化合物中正价和负价的代数和等于零。 由于元素彼此化合时它们的原子个数都有确定的比值,所以形成的化合
物都有固定的组成。


① 用元素符号和化学式表示化学反应的式子叫做化学方程式。

  元素化合价是元素在跟其他元素形成化合物时表现出来的性质,因此, 在单质分子里元素的化合价为零。
常见元素化合价如表 3-1 所示。
表 3 - 1 常见元素的化合价
元素 元素
名称 符号 常见的
化合价 元素
名称 元素
符号 常见的
化合价 钠 Na
镁 Mg
锌 Zn


铝 Al


铜 Cu


铁 Fe +1
+2
+2


+3


+1 、+2


+2 、+3 氢










氮 H
O
Cl


S


C


N +1
-2
-1 、+1 、
+5 、+7
-2 、+4
+6
-4 、+2
+4
-3 、+2
+4 、+5




在化学反应中,某些元素原子集合在一起作为一个整体而参加反应,就
像一个原子一样,这种原子的集合体叫做原子团。氢氧根(OH)、硫酸根(SO4)、
碳酸根(CO3)等是常见的几种原子团。根也有化合价。例如,氢氧根是-1
价,硫酸根是-2 价,碳酸根是-2 价。 在化合物中各元素的化合价,可以在分子式中各元素符号的正上方用数
字加“+”、“-”号表示出来,“+”表示正价,“-”表示负价。例如,


同样,根的化合价也可以表示如下:

  化合价与原子结构的关系 元素组成化合物时,元素的化合价与原子 最外层电子的数目有密切关系。表 3-2 列出一些元素的原子最外层电子数和 化合价。
从表中可以看出,氢或金属元素的化合价数一般等于它原子的最外层电
子数。例如,镁原子最外层电子数是 2 个,它的化合价是+2。而非金属元素 的化合价一般等于 8 减去它们原子的最外层电子数。
表 3 - 2 原子最外层电子数和元素的化合价
原子 最外层 电子数 元素
化合价 原子 最外层
电子数 元素负
化合价 氢 1
钠 1
镁 2
铝 3 + 1
+ 1
+ 2
+ 3 氯


氮 7
6
6
5 -1
-2
-2
-3
  具有可变化合价的元素,情况比较复杂,不能单纯地根据原子的最外层 电子数决定元素在化合物中的正、负化合价。
  化合价和分子式 根据化合物中各元素正、负化合价代数和为零的原 则,我们可以应用化合价写出化合物的分子式,也可以从分子式计算元素的 化合价。
  【例题 1】 已知铝的化合价是+3,氧的化合价是-2,写出铝的氧化物分 子式。
  【解】 先写出组成化合物的元素符号,正价的元素写在左面,负价的元 素写在右面。
              AlO 求出两元素的正、负化合价绝对值的最小公倍数。
3×2=6

求出各元素的原子数。

原子数 =



最小公倍数 正价数(或负价数)
  
Al: 6 ? 2
3

O: 6 ? 3
2

然后把原子数写在各元素符号右下方,即得分子式 Al2O3。
答:铝的氧化物分子式是 Al2O3。
  【例题 2】 已知氧的化合价为-2 价,钾的化合价为+1 价,试计算出高 锰酸钾(KMnO4)中锰元素的化合价。
  【解】 根据化合物中各元素正、负化合价代数和为零的原则,即钾的化 合价×钾的原子数+锰的化合价×锰的原子数+氧的化合价×氧的原子数=0。
设 KMnO4 中锰的化合价为 x,
则 (?1) ? 1? x ? 1? (?2) ? 4 ? 0
(?1) ? 1 ? (?2) ? 4
x ? ? ?7
1
答:在 KMnO4 中锰元素的化合价是+7 价。
  分子式只能用于表示客观存在的物质的组成。所以,只有确实存在的化 合物,才能根据元素的化合价写出它的分子式,而不能利用化合价任意写出 实际上不存在的物质的分子式。
分子式的读法 化合物分子式的读法一般是有规律的。由两种元素组成
的化合物名称,一般从分子式右边的元素名称向左读,读作“某化某”。 例如,NaCl 读作“氯化钠”。 有时还要读出化合物里每一个分子中元素的原子个数。例如,CO2 读作二
氧化碳,P2O5 读作五氧化二磷。
  如果是由原子团组成的复杂化合物,其中原子团一般只读它的名称。例 如,Na2CO3 读作碳酸钠,Na2SO4 读作硫酸钠。
  分子式是用来表示某种物质的 1 个分子。如果要表示几个分子,可以在 分子式的前面加上系数。例如,2CO2 表示两个二氧化碳分子;5HCl 表示 5 个 氯化氢分子。书写分子式时,应注意元素符号右下角的数字和元素符号前面 数字的意义是完全不同的。例如,2CO2 中系数 2 表示二氧化碳分子的个数,
  
分子式中的 2,则表示 1 个二氧化碳分子中有两个氧原子。

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化学
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