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OpenStax是莱斯大学的非营利组织，我们的使命是改善学生接受教育的机会。我们的第一本公开许可的大学教科书于2012年出版，此后我们的图书馆已经扩大到超过25本大学和美联社®课程的书籍，被数十万学生使用。我们的低成本个性化学习工具OpenStax导师正在全国各地的大学课程中使用。通过与慈善基金会的合作以及与其他教育资源组织的联盟，OpenStax正在打破最常见的学习障碍，并赋予学生和教师成功的力量。
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*化学2e*旨在满足两学期普通化学课程的范围和顺序要求。教科书为学生提供了一个重要的机会，让他们学习化学的核心概念，并了解这些概念如何应用于他们的生活和周围的世界。本书还包括一些创新功能，包括交互式练习和现实世界的应用程序，旨在增强学生的学习。第二版进行了修订，以纳入更清晰、更最新、更动态的解释，同时保持与第一版相同的组织。在支持文本叙述的图形、插图和示例练习方面进行了实质性改进。
关于*化学2e*
追加资源
关于作者
序言
*语境中的化学
*物质的阶段和分类
*物理和化学性质
*测量
*测量不确定性、准确性和精确度
*测量结果的数学处理
*用于测试各种项目的功能的模块，以查看它们如何在PDF中生成
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导言
在本节结束时，您将能够：

*概述化学的历史发展
*举例说明化学在日常生活中的重要性
*描述科学方法
*区分假设、理论和法律
*提供示例说明宏观、微观和符号领域
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化学有时被称为“中心科学”，因为它与大量其他STEM学科相互关联（STEM代表科学、技术、工程和数学领域的研究领域）。化学和化学家的语言在生物学、医学、材料科学、法医学、环境科学和许多其他领域（[link]）中发挥着至关重要的作用。物理学的基本原理对于理解化学的许多方面至关重要，这两个领域内的许多子学科之间存在广泛的重叠，例如化学物理和核化学。数学、计算机科学和信息论提供了重要的工具，帮助我们计算、解释、描述和普遍理解化学世界。生物学和化学在生物化学中趋同，这对于理解许多复杂的因素和过程至关重要，这些因素和过程使生物（如我们）保持活力。化学工程、材料科学和纳米技术结合化学原理和经验发现来生产有用的物质，从汽油到织物再到电子产品。农业、食品科学、兽医科学以及酿造和酿酒有助于以食物和饮料的形式为世界人口提供生计。医学、药理学、生物技术和植物学识别和生产有助于保持我们健康的物质。环境科学、地质学、海洋学和大气科学融合了许多化学思想，帮助我们更好地理解和保护我们的物理世界。化学思想被用来帮助理解天文学和宇宙学中的宇宙。
化学：中心科学
化学是一门以观察和实验为基础的科学。从事化学研究需要用科学界公认的程序，根据化学定律和理论回答问题和解释观察结果。回答问题或解释观察结果没有单一的途径，但每种方法都有一个共同点：每种方法都使用基于实验的知识，这些知识可以被复制来验证结果。有些途径包括假设，对观察结果的初步解释，作为收集和检查信息的指南。假设通过实验、计算和/或与其他实验的比较来检验，然后根据需要进行改进。
科学方法
化学家在宏观、微观和符号三个不同的领域研究和描述物质和能量的行为。这些领域提供了考虑和描述化学行为的不同方式。
化学领域
语境中的化学
在本节结束时，您将能够：

*描述物质每种物理状态的基本性质：固体、液体和气体
*区分质量和重量
*适用物质守恒定律
*根据物质的物理状态和组成，将物质分类为元素、化合物、均匀混合物或非均匀混合物
*定义并举例说明原子和分子
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物质可以分为几类。两大类是混合物和纯物质。纯物质具有恒定的成分。纯物质的所有标本具有完全相同的组成和性质。任何蔗糖样品（食糖）按质量计由42.1%的碳、6.5%的氢和51.4%的氧组成。任何蔗糖样品也具有相同的物理性质，如熔点、颜色和甜度，而不管它是从哪个来源分离出来的。
分类物质
原子是元素中最小的粒子，具有该元素的性质，可以进行化学组合。例如，考虑元素金。想象一下把一块金块切成两半，然后把其中一半切成两半，重复这个过程，直到剩下一块金，它太小了，不能切成两半（不管你的刀有多小）。这块最小尺寸的金是一个原子（来自希腊语*原子*，意思是“不可分割”）（[链接]）。如果再分割，这个原子就不再是金了。
原子与分子
物质的阶段和分类
在本节结束时，您将能够：

*确定物质的物理或化学性质和变化
*确定物质的广泛或密集性质
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物理化学性质
在本节结束时，您将能够：

*解释测量过程
*确定数量的三个基本部分
*描述长度、质量、体积、密度、温度和时间的性质和单位
*执行公制和其他单位系统中的基本单位计算和转换
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公制的最初单位，最终演变成国际单位制，是在法国大革命期间在法国建立的。米和千克的原始标准于1799年在法国被采用，并最终被其他国家采用。本节介绍化学中常用的四种国际单位制基本单位。其他国际单位制将在后续章节中介绍。
SI基本单位
我们可以从七个SI基本单位中导出许多单位。例如，我们可以用长度的基本单位来定义体积单位，用质量和长度的基本单位来定义密度单位。
导出SI单位
测量
在本节结束时，您将能够：

*定义准确性和精确度
*区分确切数字和不确定数字
*使用重要数字正确表示数量的不确定性
*对计算数量应用适当的舍入规则
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与定义或直接计数的数量不同，测量数量的数量并不准确。要测量刻度圆柱体中的液体体积，您应该在弯月面底部读数，液体曲面上的最低点。
测量中的重要数字
不确定性的第二个重要原则是，从测量中计算出的结果至少与测量本身一样不确定。考虑测量中的不确定性，以避免歪曲计算结果中的不确定性。做到这一点的一种方法是用正确的有效数字报告计算结果，有效数字由以下三条舍入规则确定：
计算中的重要数字
科学家通常会重复测量一个数量，以确保他们发现的质量，并评估他们结果的精确度和准确性。如果以同样的方式重复测量时产生非常相似的结果，则称测量为精确。如果测量产生的结果非常接近真实或公认的值，则认为测量是准确的。精确的值相互一致；准确的值与真实的值一致。这些特征可以扩展到其他环境，例如射箭比赛的结果（[链接]）。
精度和精度
测量不确定度、精度和精度
在本节结束时，您将能够：

*解释涉及数量的数学计算的量纲分析（因素标签）方法
*使用量纲分析对给定属性进行单位转换和涉及两个或多个属性的计算
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用不同测量单位表示的两个等效量的比率可以用作单位转换因子。例如，2.54厘米和1英寸的长度是等效的（根据定义），因此可以从该比率中导出单位转换因子，
换算因子及量纲分析
我们用温度这个词来指代物质的热或冷。我们测量温度变化的一种方法是利用这样一个事实，即大多数物质在温度升高时膨胀，在温度降低时收缩。普通玻璃温度计中的液体随着温度的变化而改变体积，被困液体表面沿印刷刻度的位置可以用作温度的测量。
温度单位换算
测量结果的数学处理
基本理念
*原子理论的早期思想
*原子理论的演变
*原子结构和象征
*化学配方
*周期表
*离子和分子化合物
*化学命名法
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导言
在本节结束时，您将能够：

*陈述道尔顿原子理论的假设
*使用道尔顿原子理论的假设来解释确定和多重比例定律
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原子理论的早期思想
在本节结束时，您将能够：

*概述现代原子理论发展的里程碑
*总结和解释Thomson、Millikan和Rutherford的实验结果
*描述组成原子的三个亚原子粒子
*定义同位素并举例说明几种元素
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原子理论的演变
在本节结束时，您将能够：

*编写和解释描述原子或离子的原子序数、质量数和电荷的符号
*定义原子质量单位和平均原子质量
*计算平均原子质量和同位素丰度
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化学符号是我们用来表示元素或元素原子的缩写。例如，汞的符号是汞（[链接]）。我们用同样的符号来表示一个汞原子（微观域）或标记一个装有汞元素许多原子的容器（宏观域）。
化学符号
任何元素的特定同位素的符号是通过将质量号作为上标放在元素符号的左侧来书写的（[链接]）。原子序数有时被写成符号前面的下标，但是由于这个数字定义了元素的身份，它的符号也定义了它，所以它经常被省略。例如，镁是三种同位素的混合物，每种同位素的原子序数为12，质量号分别为24、25和26。这些同位素可以被识别为24Mg、25Mg和26Mg。这些同位素符号被读作“元素，质量号”，并且可以与此读数一致地符号化。例如，24Mg被读作“镁24”，可以写成“镁24”或“镁24”25Mg读作“镁25”，可以写成“镁-25”或“镁-25”。所有镁原子的原子核中都有12个质子。它们的区别只是因为24Mg原子的原子核中有12个中子，25Mg原子有13个中子，26Mg原子有14个中子。
同位素
因为每个质子和每个中子对原子质量的贡献约为一个amu，而每个电子的贡献要少得多，所以单个原子的原子质量约等于它的质量数（一个整数）。然而，大多数元素的平均原子质量不是整数，因为大多数元素是作为两个或多个同位素的混合物自然存在的。
原子质量
原子结构与象征
在本节结束时，您将能够：

*使用分子公式和经验公式来表示分子的组成
*使用结构式表示分子内原子的键合排列
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化学配方
在本节结束时，您将能够：

*说明周期法并解释周期表中元素的组织
*根据元素在周期表中的位置预测元素的一般属性
*根据金属、非金属和准金属在周期表中的性质和/或位置来识别它们
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周期表
在本节结束时，您将能够：

*定义离子和分子（共价）化合物
*根据元素在周期表中的位置预测元素形成的化合物类型
*确定简单离子化合物的公式
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当由容易失去电子的原子（一种金属）组成的元素与由容易获得电子的原子（一种非金属）组成的元素发生反应时，通常会发生电子转移，产生离子。这种转移形成的化合物通过化合物中存在的电荷相反的离子之间的静电吸引（离子键）而稳定下来。例如，当钠金属样品（第1组）中的每个钠原子放弃一个电子形成钠阳离子Na+，氯气样品（第17组）中的每个氯原子接受一个电子形成氯离子Cl−时，产生的化合物NaCl由钠离子和氯离子以每个Cl离子一个Na+离子的比例组成。同样，每个钙原子（第2族）可以放弃两个电子，并将一个转移到两个氯原子中的每一个，形成CaCl2，CaCl2由Ca2+和Cl-离子组成，其比例为一个Ca2+离子对两个Cl-离子。
离子化合物
许多化合物不包含离子，而是完全由离散的中性分子组成。这些分子化合物（共价化合物）是在原子共享而不是转移（获得或失去）电子时产生的。共价键是化学中一个重要而广泛的概念，它将在本文后面的章节中进行相当详细的讨论。我们通常可以根据分子化合物的物理性质来识别它们。在正常条件下，分子化合物通常以气体、低沸点液体和低熔点固体的形式存在，尽管存在许多重要的例外。
分子化合物
离子和分子化合物
在本节结束时，您将能够：

*使用系统方法推导常见无机化合物类型的名称
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要给无机化合物命名，我们需要考虑几个问题的答案。首先，化合物是离子的还是分子的？如果化合物是离子的，金属是只形成一种类型（固定电荷）的离子还是形成一种以上类型（可变电荷）的离子？离子是单原子的还是多原子的？如果化合物是分子的，它是否含有氢？如果是，它是否也含有氧？根据我们得出的答案，我们将化合物放在适当的类别中，然后相应地命名。
离子化合物
含有单原子离子的二元化合物的名称由阳离子的名称（金属的名称）后跟阴离子的名称（非金属元素的名称，其结尾被后缀-*ide*替换）组成。[链接]中给出了一些例子。
只含单原子离子的化合物
含有多原子离子的化合物的命名与只含有单原子离子的化合物的命名类似，即先命名阳离子，然后命名阴离子。[链接]中显示了示例。
含有多原子离子的化合物
大多数过渡金属和一些主要族金属可以形成两种或多种带不同电荷的阳离子。这些金属与非金属的化合物的命名方法与第一类化合物相同，只是金属离子的电荷由金属名称后括号中的罗马数字指定。金属离子的电荷由化合物的公式和阴离子的电荷确定。例如，考虑铁和氯的二元离子化合物。铁通常表现出2+或3+的电荷（见[链接]），两个相应的化合物公式是FeCl2和FeCl3。在这种情况下，最简单的名称“氯化铁”将是模棱两可的，因为它不能区分这两种化合物。在这种情况下，金属离子的电荷作为罗马数字包含在金属名称后面的括号中。这两种化合物分别明确命名为氯化铁（II）和氯化铁（III）。[链接]中提供了其他示例。
含有可变电荷的金属离子的化合物
含有水分子作为其晶体组成部分的离子化合物被称为水合物。离子水合物的名称是通过在无水（意思是“不水合”）化合物的名称上添加一个术语来获得的，该术语表示与化合物的每个公式单元相关的水分子数量。添加的单词以希腊语前缀开头，表示水分子的数量（见[链接]），并以“水合物”结尾。例如，无水化合物硫酸铜（II）也以含有五个水分子的水合物的形式存在，并命名为五水硫酸铜（II）。洗涤苏打是含有10个水分子的碳酸钠水合物的通用名称；系统名称是十水碳酸钠。
离子水合物
无机分子化合物的成键特性不同于离子化合物，它们也使用不同的系统命名。阳离子和阴离子的电荷决定了它们在离子化合物中的比率，因此指定离子的名称提供了足够的信息来确定化学式。然而，因为共价键允许分子中原子的组合比率发生显著变化，分子化合物的名称必须明确识别这些比率。
分子（共价）化合物
当两种非金属元素形成一种分子化合物时，几种组合比例通常是可能的。例如，碳和氧可以形成化合物CO和CO2。由于这些是性质不同的物质，它们不能都有相同的名称（它们不能都被称为碳氧化物）。为了处理这种情况，我们使用一种命名方法，这种命名方法有点类似于用于离子化合物的命名方法，但添加了前缀来指定每个元素的原子数。首先是金属元素较多的元素的名称（周期表左边和/或底部更远的那个），然后是结尾改为后缀-*ide*的非金属元素名称（右边和/或顶部更远的那个）。每个元素的原子数由[链接]中显示的希腊语前缀指定。
由两种元素组成的化合物
一些含有氢的化合物属于一类重要的物质，称为酸。本文后面的章节将更详细地探讨这些化合物的化学性质，但现在，只要注意到许多酸溶解在水中时会释放氢离子H+就足够了。为了表示这种独特的化学性质，水和酸的混合物被赋予了一个源自化合物名称的名称。如果化合物是二元酸（由氢和另一种非金属元素组成）：
二元酸
许多含有三种或更多元素的化合物（如有机化合物或配位化合物）都要遵守专门的命名规则，您将在后面学习。然而，我们将简要讨论被称为氧化酸的重要化合物，这些化合物含有氢、氧和至少一种其他元素，并且以赋予化合物酸性的方式结合（您将在后面的章节中了解详细信息）。典型的氧化酸由氢与多原子含氧离子结合组成。命名氧化酸：
氧酸
化学命名法
原子、分子和离子
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导言
在本节结束时，您将能够：

*计算共价和离子化合物的公式质量
*定义数量单位摩尔和相关数量Avogadro的数量
*解释质量、摩尔和原子或分子数量之间的关系，并执行从彼此得出这些量的计算
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本文的前一章描述了原子质量单位的发展，平均原子质量的概念，以及使用化学公式来表示物质的元素组成。这些想法可以通过求和物质公式中表示的所有原子的平均原子质量来扩展到计算物质的公式质量。
方程式质量
物质的同一性不仅由它所包含的原子或离子的类型来定义，还由每种类型的原子或离子的数量来定义。例如，水、H2O和过氧化氢、H2O2的相似之处在于它们各自的分子由氢原子和氧原子组成。然而，由于过氧化氢分子包含两个氧原子，而水分子只有一个，这两种物质表现出非常不同的性质。今天，复杂的仪器允许直接测量这些定义微观特征；然而，相同的特征最初来自使用相对简单的工具（天平和体积玻璃器皿）测量宏观属性（物质的质量和体积）。这种实验方法需要引入一种新的物质数量单位，即*摩尔*，它在现代化学科学中仍然不可或缺。
鼹鼠
公式质量和摩尔概念
在本节结束时，您将能够：

*计算化合物的百分比组成
*确定化合物的经验公式
*确定化合物的分子式
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化合物的元素构成决定了它的化学特性，化学式是表示这种元素构成的最简洁的方法。当化合物的配方未知时，测量其每种组成元素的质量通常是实验确定配方过程的第一步。这些测量的结果允许计算化合物的百分比组成，定义为化合物中每种元素的质量百分比。例如，考虑一个完全由碳和氢组成的气态化合物。这种化合物的百分比组成可以表示如下：
百分比组成
如前所述，确定化合物化学式的最常见方法是首先测量其组成元素的质量。然而，请记住，化学式代表物质中原子的相对*数*，而不是质量。因此，任何涉及质量的实验导出数据都必须用于推导化合物中相应数量的原子。这是使用摩尔质量将每个元素的质量转换为摩尔数来完成的。这些摩尔量用于计算整数比，可用于推导物质的经验公式。考虑确定含有1.71 g C和0.287 g H的化合物样品。相应数量的原子（以摩尔为单位）是：
经验公式的确定
回想一下，经验公式是代表化合物元素的*相对*数的符号。确定组成共价化合物单分子的原子的*绝对*数需要了解其经验公式及其分子量或摩尔质量。这些量可以通过各种测量技术通过实验确定。例如，分子质量通常来自化合物的质谱（参见上一章关于原子和分子的讨论）。摩尔质量可以通过多种实验方法来测量，其中许多方法将在本文后面的章节中介绍。
分子公式的推导
确定经验和分子公式
在本节结束时，您将能够：

*描述解决方案的基本属性
*使用摩尔浓度计算溶液浓度
*使用稀释方程进行稀释计算
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解决方案以前被定义为均匀的混合物，这意味着混合物的成分（以及因此其性质）在其整个体积中是均匀的。解决方案在自然界中经常出现，也在许多形式的人造技术中得到实施。关于溶液和胶体的章节中提供了对溶液性质的更彻底的处理，但这里提供了对溶液一些基本性质的介绍。
解决方案
稀释是通过添加溶剂来降低溶液浓度的过程。例如，一杯冰茶随着冰的融化而变得越来越稀释。融化冰中的水增加了溶剂（水）的体积和溶液（冰茶）的总体积，从而降低了赋予饮料味道的溶质的相对浓度（[链接]）。
溶液稀释
分子浓度
在本节结束时，您将能够：

*定义质量百分比、体积百分比、质量体积百分比、百万分之一（ppm）和十亿分之一（ppb）的浓度单位
*使用这些单位执行与溶液浓度及其组分体积和/或质量相关的计算
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在本章前面介绍了百分比组成作为化合物中给定元素相对量的度量。百分比也常用于表示混合物的组成，包括溶液。溶液组分的质量百分比定义为组分质量与溶液质量的比率，用百分比表示：
质量百分比
使用普通且相对便宜的实验室设备可以方便地测量各种数量级的液体体积。因此，将液体溶质溶解在液体溶剂中形成的溶液的浓度通常表示为体积百分比、%vol或（v/v）%：
成交量百分比
“混合”百分比单位，来源于溶质的质量和溶液的体积，在某些生化和医学应用中很受欢迎。质量体积百分比是溶质的质量与溶液体积的比率，以百分比表示。用于溶质质量和溶液体积的具体单位可能会有所不同，具体取决于溶液。例如，用于制备静脉输液的生理盐水溶液的浓度为0.9%质量/体积（m/v），表明该组合物为每100毫升溶液0.9克溶质。血液中的葡萄糖浓度（通常称为“血糖”）也通常以质量体积比表示。虽然没有明确表示为百分比，但其浓度通常以毫克葡萄糖/分升（100毫升）血液（[链接]）给出。
质量体积百分比
极低的溶质浓度通常用适当小的单位来表示，如百万分之一（ppm）或十亿分之一（ppb）。与百分比（“百分之一”）单位一样，ppm和ppb可以用质量、体积或混合质量-体积单位来定义。还有关于原子和分子数量的ppm和ppb单位。
百万分之一和十亿分之一
溶液浓度的其他单位
物质组成和溶液
*编写和平衡化学方程式
*化学反应分类
*反应化学计量学
*反应产率
*定量化学分析
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导言
在本节结束时，您将能够：

*从化学反应的叙述性描述中导出化学方程式。
*编写和平衡分子，总离子和净离子格式的化学方程式。
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第4.1节中描述的化学方程式是平衡的，这意味着反应中涉及的每个元素在反应物和产物侧都有相等数量的原子。这是方程式必须满足的要求，以符合物质守恒定律。它可以通过简单地求和箭头两侧的原子数并比较这些总和来确认它们是否相等。请注意，给定元素的原子数是通过将包含该元素的任何公式的系数乘以公式中元素的下标来计算的。如果一个元素出现在方程给定一侧的多个公式中，则必须计算每个公式中表示的原子数，然后将其相加。例如，例子反应中的两个产物物种，CO2和H2O，都含有元素氧，所以等式产物侧的氧原子数是
平衡方程
化学方程式中反应物和产物的物理状态通常在公式后面用括号缩写表示。常见的缩写包括*s*代表固体，*l*代表液体，*g*代表气体，*aq*代表溶解在水中的物质（*水溶液*，如前一章所介绍的）。这些符号在示例方程式中有所说明：
化学方程式中的附加信息
鉴于地球上有丰富的水，在水介质中发生许多化学反应是理所当然的。当离子参与这些反应时，可以根据其预期用途详细写出不同程度的化学方程式。为了说明这一点，考虑一下离子化合物在水溶剂中发生的反应。当CaCl2和AgNO3的水溶液混合时，发生反应产生含水Ca（NO3）2和固体AgCl：
离子反应方程
编写和平衡化学方程式
在本节结束时，您将能够：

*定义三种常见的化学反应类型（沉淀、酸碱和氧化还原）
*根据适当的描述或化学方程式，将化学反应归类为这三种类型之一
*识别常见的酸和碱
*利用溶解度规则预测常见无机化合物的溶解度
*计算化合物中元素的氧化状态
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沉淀反应是溶解物质反应形成一种（或多种）固体产物的反应。这种类型的许多反应涉及水溶剂中离子化合物之间的离子交换，有时被称为*双置换*、*双置换*或*复分解*反应。这些反应在自然界中很常见，是海洋水域中珊瑚礁和动物肾结石形成的原因。它们在工业中被广泛用于生产许多商品和特种化学品。沉淀反应在许多化学分析技术中也起着核心作用，包括用于识别金属离子的现场测试和用于确定物质成分的*重量法*（见本章最后一个模块）。
沉淀反应与溶解规则
酸碱反应是氢离子H+从一种化学物质转移到另一种化学物质的反应。这种反应对许多自然和技术过程至关重要，从细胞、湖泊和海洋中发生的化学转化，到肥料、药品和其他社会必需物质的工业规模生产。因此，酸碱化学的主题值得深入讨论，本文后面将用一整章来讨论这个主题。
酸碱反应
地球大气中含有大约20%的分子氧，即O2，一种化学反应气体，在需氧生物的新陈代谢和塑造世界的许多环境过程中起着至关重要的作用。氧化一词最初用于描述涉及O2的化学反应，但其含义已经演变为指一种广泛而重要的反应类别，称为*氧化还原（氧化还原）反应*。这种反应的几个例子将被用来清晰地描述这种分类。
氧化还原反应
化学反应的分类
在本节结束时，您将能够：

*解释化学计量学的概念，因为它与化学反应有关
*使用平衡的化学方程式导出与反应物和产物数量相关的化学计量因子
*执行涉及质量、摩尔和溶液摩尔浓度的化学计量计算
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反应化学计量学
在本节结束时，您将能够：

*解释理论产率和限制反应物/试剂的概念。
*推导特定条件下反应的理论产率。
*计算反应的产率百分比。
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考虑另一个食物类比，做烤奶酪三明治（[链接]）：
限制反应物
根据适当平衡化学方程的化学计量计算，在特定条件下反应可能产生的产物量称为反应的理论产率。在实践中，获得的产物量称为实际产率，由于多种原因，它通常低于理论产率。有些反应本质上是低效的，伴随着产生其他产物的副反应。其他反应本质上是不完整的（考虑本章前面讨论的弱酸和弱碱的部分反应）。有些产物很难在没有一些损失的情况下收集，因此不完美的回收会降低实际产率。反应实现理论产率的程度通常用其产率百分比表示：
百分比收益
反应产率
在本节结束时，您将能够：

*描述滴定和重量分析的基本方面。
*使用典型的滴定和重量数据进行化学计量计算。
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所描述的测量醋浓度的方法是被称为滴定分析的分析技术的早期版本。典型的滴定分析包括使用滴定管（[链接]）将含有已知浓度的某种物质的溶液（滴定液）增量添加到含有待测浓度的物质（分析物）的样品溶液中。滴定液和分析物发生已知化学计量的化学反应，因此测量与分析物完全反应所需的滴定液体积（滴定的等效点）可以计算分析物浓度。如果反应完成时样品溶液外观发生明显变化，则可以直观地检测到滴定的等效点。经典食醋分析中气泡形成的停止就是这样一个例子，尽管更常见的是，在样品溶液中添加称为指示剂的特殊染料，以在滴定的等效点或非常接近滴定的等效点处产生颜色变化。等效点也可以通过测量滴定过程中以可预测的方式变化的一些溶液特性来检测。不管检测滴定等效点的方法是什么，实际测量的滴定液体积被称为终端。设计合理的滴定方法通常可以确保等效点和终点之间的差异可以忽略不计。尽管任何类型的化学反应都可以作为滴定分析的基础，但本章中描述的三种（沉淀、酸碱和氧化还原）是最常见的。关于滴定分析的更多细节在酸碱平衡一章中提供。
滴定法
重量分析是指样品经过某种处理，导致分析物的物理状态发生变化，从而允许其与样品的其他成分分离。样品、分离的分析物或分析系统的其他组成部分的质量测量，与所涉及化合物的已知化学计量一起使用，允许计算分析物浓度。重量法是第一批用于定量化学分析的技术，它们仍然是现代化学实验室的重要工具。
重量分析
定量化学分析
化学反应的化学计量学
*能源基础
*量热法
*焓
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导言
在本节结束时，您将能够：

*定义能量，区分能量类型，并描述伴随化学和物理变化的能量变化的性质
*区分热、热能、温度的相关性质
*定义和区分比热和热容，并描述两者的物理含义
*执行涉及热量、比热和温度变化的计算
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能量可以定义为提供热量或做功的能力。一种功（*w*）是使物质对抗相反力运动的过程。例如，当我们给自行车轮胎充气时，我们做功——我们移动物质（泵中的空气）对抗轮胎中已经存在的空气的相反力。
能源
热能是与原子和分子的随机运动相关的动能。温度是“热”或“冷”的定量度量。当物体中的原子和分子快速移动或振动时，它们具有较高的平均动能（KE），我们说物体是“热的”。当原子和分子缓慢移动时，它们具有较低的平均KE，我们说物体是“冷的”（[链接]）。假设没有发生化学反应或相变（如熔化或汽化），增加物质样品中的热能量将导致其温度升高。并且，假设没有发生化学反应或相变（如冷凝或冷冻），减少物质样品中的热能量将导致其温度降低。
热能、温度和热量
能源基础
在本节结束时，您将能够：

*解释量热技术
*使用典型量热数据计算和解释热量和相关特性
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量热法
在本节结束时，您将能够：

*陈述热力学第一定律
*定义焓并解释其作为状态函数的分类
*编写和平衡热化学方程式
*计算各种化学反应的焓变化
*解释赫斯定律并用它来计算反应焓
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标准燃烧焓$\左（\text{Δ}{H}_{C}^{\text{°}}\右）$是1摩尔物质在标准状态条件下燃烧（与氧气剧烈结合）时的焓变化；它有时被称为“燃烧热”例如，乙醇的燃烧焓，-1366.8千焦/摩尔，是一摩尔乙醇在25摄氏度和1大气压下完全燃烧时产生的热量，也在25摄氏度和1大气压下产生产物。
标准燃烧焓
标准形成焓$\text{Δ}{H}_{\text{f}}^{°}$ 是在标准状态条件下，由处于最稳定状态的自由元素形成恰好1摩尔纯物质的反应的焓变化。这些值对于计算或预测不切实际或危险进行的化学反应或难以测量的过程的焓变化特别有用。如果我们有适当的标准形成焓的值，我们可以确定任何反应的焓变化，我们将在下一节赫斯定律中练习。
标准生成焓
有两种方法可以确定化学变化中涉及的热量：实验测量它，或者从其他实验确定的焓变化中计算它。有些反应很难，如果不是不可能的话，很难通过实验进行研究和精确测量。即使反应不难执行或测量，也可以方便地确定反应中涉及的热量，而不必进行实验。
赫斯定律
焓
热化学
*电磁能
*波尔模型
*量子理论的发展
*原子的电子结构（电子构型）
*元素属性的周期性变化
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导言
在本节结束时，您将能够：

*解释波的基本行为，包括行波和驻波
*描述光的波浪性质
*使用适当的公式来计算相关的光波特性，如频率、波长和能量
*区分线和连续发射光谱
*描述光的粒子性质
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波浪是一种振荡或周期性运动，可以将能量从空间的一点传输到另一点。波浪的常见例子就在我们身边。摇动绳子的一端将能量从你的手转移到绳子的另一端，将鹅卵石扔进池塘会导致波浪沿着水面向外扩散，雷击伴随的空气膨胀会产生声波（雷声），可以向外传播几英里。在每种情况下，动能都通过物质（绳子、水或空气）传递，而物质基本上保持不变。波浪的一个有见地的例子发生在体育场，当座位狭窄区域的球迷同时站起来，举起手臂几秒钟，然后再坐下，而相邻区域的球迷同样依次站起来和坐下。虽然这股浪潮可以在几秒钟内迅速包围一个大体育场，但没有一个球迷真的随波逐流——他们都呆在座位上或座位上方。
波浪
19世纪的最后几十年见证了将新发现的电照明商业化的激烈研究活动。这需要更好地了解从正在考虑的各种来源发射的光的分布。人工照明通常被设计成在基础技术的限制下模仿自然阳光。这种照明由一系列广泛分布的频率组成，形成一个连续的光谱。[链接]显示了阳光的波长分布。最强烈的辐射在可见光区域，较短波长的紫外线（UV）光的强度下降很快，较长波长的红外（IR）光的强度下降得更慢。
黑体辐射和紫外线灾难
经典理论中的下一个要解决的悖论与光电效应有关（[链接]）。据观察，当频率大于某个阈值频率的光照射到金属表面时，电子可能会从金属干净的表面喷出。令人惊讶的是，喷出的电子的动能并不取决于光的亮度，而是随着光频率的增加而增加。由于金属中的电子有一定量的结合能保持在那里，入射光需要有更多的能量来释放电子。根据经典波浪理论，波的能量取决于它的强度（取决于它的幅度），而不是它的频率。这些观察的一部分是，在给定的时间内喷出的电子数量被认为随着亮度的增加而增加。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦通过将普朗克的量子化发现结合到不可信的光粒子观点中来解决这个悖论（爱因斯坦实际上是因为这项工作获得了诺贝尔奖，而不是因为他最著名的相对论）。
光电效应
经典电磁理论中的另一个悖论与原子和分子发出的光有关。当固体、液体或冷凝气体被充分加热时，它们会将一些多余的能量作为光辐射出去。以这种方式产生的光子具有一定的能量范围，从而产生连续的光谱，其中存在一系列不间断的波长。大多数恒星（包括我们的太阳）产生的光都是以这种方式产生的。你可以通过使用棱镜将它们分开，看到阳光中存在的所有可见波长的光。正如[链接]中所示，阳光还包含紫外光（较短的波长）和红外光（较长的波长），这些光可以使用仪器检测到，但人眼不可见。白炽灯中的钨丝等白炽灯（发光）固体也会发出包含所有波长可见光的光。这些连续光谱通常可以通过在某个适当温度下的黑体辐射曲线来近似，如[链接]中所示。
线谱
电磁能量
在本节结束时，您将能够：

*描述氢原子的玻尔模型
*使用里德堡方程计算氢原子发射或吸收的光的能量
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玻尔模型
在本节结束时，您将能够：

*将在电磁辐射中观察到的波粒二象性概念也扩展到物质
*理解原子中电子的量子力学描述的一般概念，并理解它使用三维波函数或轨道的概念，该概念定义了在空间特定部分找到电子的概率分布
*列出并描述构成完全指定原子中电子状态的基础的四个量子数的特征
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我们知道物质在宏观世界中是如何表现的——大到足以用肉眼看到的物体遵循经典物理学的规则。在桌子上移动的台球会表现得像一个粒子：它会沿着直线继续，除非它与另一个球或桌子垫子相撞，或者受到其他一些力（如摩擦力）的作用。球在任何给定时刻都有一个明确定义的位置和速度（或一个明确定义的动量，*p*=*mv，*由质量*m*和速度*v*定义）。换句话说，球在一个经典的轨迹中移动。这是一个经典物体的典型行为。
微观世界中的行为
德布罗意发表了他的观点，即氢原子中的电子可以更好地被认为是圆形驻波，而不是在量子化圆形轨道上运动的粒子。此后不久，埃尔温·薛定谔通过推导今天所知的薛定谔方程扩展了德布罗意的工作。当薛定谔将他的方程应用于类氢原子时，他能够重现玻尔的能量表达式，从而重现了控制氢光谱的里德堡公式。薛定谔将电子描述为三维静止波或波函数，由希腊字母psi表示, *ψ*. 几年后，马克斯·伯恩提出了至今仍被接受的波函数的解释：电子是静止粒子，因此**表示的波不是物理波，而是复概率振幅。波函数${\text{😍}\psi\text{😍}}^{2}$的幅值的平方描述了量子粒子出现在空间中某个位置附近的概率。这意味着波函数可以用来确定电子密度相对于原子核的分布。在最一般的形式中，薛定谔方程可以写成：
原子的量子力学模型
本节的目标是了解电子轨道（电子在原子中的位置）、它们的不同能量和其他性质。量子理论的使用为这些主题提供了最好的理解。这些知识是化学键的先驱。
理解原子中电子的量子理论
原子中的电子完全由四个量子数描述：*n*、*l*、*ml*和*ms*。前三个量子数定义轨道，第四个量子数描述称为自旋的内在电子性质。奥地利物理学家沃尔夫冈·保利制定了一个一般原则，给出了我们理解原子中电子一般行为所需的最后一条信息。保利不相容原理可以制定如下：同一个原子中没有两个电子可以拥有完全相同的所有四个量子数的集合。这意味着只有当两个电子的量子自旋数*ms*具有不同的值时，它们才能共享相同的轨道（同一组量子数*n*、*l*和*ml*）。由于自旋量子数只能有两个值$\左（±{\规则{0.2em}{0ex}}\frac{1}{2}{\规则{0.2em}{0ex}}\右），$不超过两个电子可以占据同一个轨道（如果两个电子位于同一个轨道，它们必须有相反的自旋）。因此，任何原子轨道只能由零个、一个或两个电子填充。
泡利不相容原理
量子理论的发展
在本节结束时，您将能够：

*推导出原子的基态电子构型
*识别和解释原子和离子预测电子构型的例外情况
*将电子构型与元素周期表中的元素分类联系起来
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原子轨道的能量随着主量子数*n*的增加而增加。在任何有两个或更多电子的原子中，电子之间的排斥使具有不同*l*值的子壳的能量不同，因此轨道的能量在壳内按*s*<*p*<*d*<*f的顺序增加。*[链接]描述了这两种能量增加的趋势是如何联系在一起的。图表底部的1*s*轨道是能量最低的电子轨道。能量随着我们向上移动到2*s*，然后是2*p*，3*s*和3*p*轨道而增加，这表明增加的*n*值对能量的影响比小原子增加的*l*值更大。然而，这种模式不适用于较大的原子。3*d*轨道的能量高于4*s*轨道。当我们向上移动图表时，这种重叠继续频繁发生。
轨道能与原子结构
为了确定任何特定原子的电子构型，我们可以按照原子序数的顺序“构建”这些结构。从氢开始，并继续跨越周期表的周期，我们一次向原子核添加一个质子，向适当的子壳添加一个电子，直到我们描述了所有元素的电子构型。这个过程被称为Aufbau原理，来自德语单词*Aufbau*（“构建”）。每个添加的电子占据可用能量最低的子壳（按照[链接]中显示的顺序），根据泡利不相容原理，受允许量子数的限制。只有在低能子壳被填满之后，电子才会进入高能子壳。[链接]说明了记住原子轨道填充顺序的传统方法。由于周期表的排列是基于电子构型的，[link]提供了一种确定电子构型的替代方法。填充顺序简单地从氢开始，并在增加*Z*顺序时包括每个子壳。例如，在将3*p*块填充到Ar之后，我们看到轨道将是4s（K，Ca），然后是3*d*轨道。
Aufbau原则
如前所述，周期表根据原子序数的增加排列原子，使具有相同化学性质的元素周期性地重复出现。当它们的电子构型被添加到表中（[链接]）时，我们也看到这些元素的外壳中类似电子构型的周期性重复出现。因为它们在原子的外壳中，价电子在化学反应中起着最重要的作用。外层电子具有原子中电子的最高能量，比核心电子更容易丢失或共享。价电子也是元素某些物理性质的决定因素。
电子构型与周期表
当原子获得或失去电子时，离子就形成了。当一个或多个电子从父原子中被移除时，阳离子（带正电荷的离子）就形成了。对于主基团元素，最后添加的电子是第一个被移除的电子。然而，对于过渡金属和内部过渡金属，*s*轨道中的电子比*d*或*f*电子更容易被移除，因此最高的*ns*电子丢失了，然后（*n*-1）*d*或（*n*-2）*f*电子被移除了。当一个或多个电子被添加到父原子中时，阴离子（带负电荷的离子）就形成了。添加的电子按照奥夫堡原理预测的顺序填充。
离子的电子构型
原子的电子结构（电子构型）
在本节结束时，您将能够：

*描述和解释观察到的原子大小、电离能和元素的电子亲和力趋势
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量子力学图像使得确定原子的大小变得困难。然而，有几种实用的方法可以定义原子的半径，从而确定它们的相对大小，给出大致相似的值。我们将使用共价键半径（[link]），它被定义为两个相同原子通过共价键连接时原子核之间距离的一半（这种测量是可能的，因为分子中的原子仍然保留着它们的大部分原子身份）。我们知道，当我们向下扫描一个组时，每个元素的主量子数*n*增加1。因此，电子被添加到离原子核越来越远的空间区域。因此，随着我们增加最外层电子与原子核的距离，原子的大小（及其共价键半径）必须增加。[link]和[link]中卤素的共价半径说明了这一趋势。整个周期表的趋势可以在[link]中看到。
共价半径的变化
离子半径是用来描述离子大小的度量。阳离子总是有较少的电子和与母原子相同数量的质子；它比它的来源原子更小（[链接]）。例如，铝原子（1*s*22*s*22*p*63*s*23*p*1）的共价键半径是118 pm，而Al3+（1*s*22*s*22*p*6）的离子半径是68 pm。当电子从价层中移除时，占据较小壳层的剩余核心电子会经历更大的有效核电荷*Z*ff（如前所述），并且会被拉得更靠近原子核。
离子半径的变化
从基态气体原子中除去束缚最松散的电子所需的能量称为第一电离能（IE1）。元素X的第一电离能是形成带+1电荷的阳离子所需的能量：
电离能的变化
电子亲和力（EA）是将电子添加到气体原子中形成阴离子（负离子）的过程中的能量变化。
电子亲和力的变化
元素属性的周期性变化
元素的电子结构和周期性质
*离子键
*共价键
*Lewis符号和结构
*正式充电和共振
离子和共价键的强度
*分子结构和极性
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导言
在本节结束时，您将能够：

*解释阳离子、阴离子和离子化合物的形成
*预测常见金属和非金属元素的电荷，并写出它们的电子构型
m68737
二元离子化合物仅由两种元素组成：一种金属（形成阳离子）和一种非金属（形成阴离子）。例如，NaCl是一种二元离子化合物。我们可以根据元素的周期性质来考虑这种化合物的形成。许多金属元素的电离势相对较低，很容易失去电子。这些元素在周期表上的周期中位于左侧或靠近基团的底部。非金属原子具有相对较高的电子亲和力，因此很容易获得金属原子失去的电子，从而填充它们的价壳。非金属元素位于周期表的右上角。
离子化合物的形成
当形成阳离子时，主族元素的一个原子往往失去其所有的价电子，因此在周期表中假定它之前的惰性气体的电子结构。对于第1族（碱金属）和第2族（碱土金属），基团数等于价壳电子的数量，因此，当所有价壳电子都被去除时，与这些元素的原子形成的阳离子的电荷相等。例如，钙是第2族元素，其中性原子有20个电子，基态电子构型为1*s*22*s*22*p*63*s*23*p*64*s*2。当一个Ca原子失去其两个价电子时，结果是一个有18个电子的阳离子，一个2+电荷，一个电子构型为1*s*22*s*22*p*63*s*23*p*6。因此，Ca2+离子与稀有气体Ar是等电子的。
阳离子的电子结构
大多数单原子阴离子是在中性非金属原子获得足够的电子完全填满其外*s*和*p*轨道，从而达到下一个稀有气体的电子构型时形成的。因此，确定这种负离子上的电荷很简单：电荷等于必须获得的电子数量，以填充父原子的*s*和*p*轨道。例如，氧的电子构型为1*s*22*s*22*p*4，而氧阴离子的电子构型为稀有气体霓虹灯（Ne），1*s*22*s*22*p*6。填充价轨道所需的两个额外电子使氧化物离子的电荷为2-（O2-）。
阴离子的电子结构
离子键
在本节结束时，您将能够：

*描述共价键的形成
*定义电负性并评估共价键的极性
m68738
非金属原子经常与其他非金属原子形成共价键。例如，氢分子H2在其两个氢原子之间包含共价键。[link]说明了为什么会形成这种键。从最右边开始，我们有两个独立的氢原子，具有特定的势能，由红线表示。沿着*x*-轴是两个原子之间的距离。当两个原子相互接近（沿着*x*-轴向左移动）时，它们的价轨道（1*s*）开始重叠。然后，每个氢原子上的单个电子与两个原子核相互作用，占据两个原子周围的空间。每个共享电子对两个原子核的强烈吸引力使系统稳定，势能随着键距离的减小而减小。如果原子继续相互接近，两个原子核中的正电荷开始相互排斥，势能增加。键长由达到最低势能的距离决定。
共价键的形成
如果形成共价键的原子相同，如H2、Cl2和其他双原子分子，那么键中的电子必须平均共享。我们称之为纯共价键。纯共价键中共享的电子在每个原子核附近的概率相等。
纯共价键与极性共价键
一个键是非极性的还是极性共价键是由键原子的一种叫做电负性的性质决定的。电负性是衡量一个原子吸引电子（或电子密度）朝向自身的倾向的一种方法。它决定了在一个键中两个原子之间共享电子的分布。一个原子吸引其键中的电子越强烈，它的电负性就越大。极性共价键中的电子向电负性越大的原子移动；因此，电负性越大的原子带有部分负电荷。电负性差异越大，电子分布越极化，原子的部分电荷越大。
电负性
共价键
在本节结束时，您将能够：

*为中性原子和离子编写Lewis符号
*绘制描述简单分子结合的路易斯结构
m68739
我们使用路易斯符号来描述原子和单原子离子的价电子构型。路易斯符号由一个元素符号组成，每个元素符号的价电子都被一个点包围：
路易斯符号
我们还使用路易斯符号来表示共价键的形成，这在路易斯结构中显示，描述分子和多原子离子中的键的图纸。例如，当两个氯原子形成一个氯分子时，它们共享一对电子：
路易斯结构
对于非常简单的分子和分子离子，我们可以仅仅通过配对组成原子上的未配对电子来编写路易斯结构。请看这些例子：
使用八位字节规则编写Lewis结构
许多共价分子的中心原子在路易斯结构中没有八个电子。这些分子分为三类：
八位字节规则的例外情况
路易斯符号和结构
在本节结束时，您将能够：

*计算任何Lewis结构中原子的形式电荷
*使用形式电荷来识别给定分子的最合理的路易斯结构
*解释共振的概念并绘制表示给定分子共振形式的Lewis结构
m68740
分子中原子的形式电荷是假设的电荷，如果我们能在原子之间均匀地重新分配键中的电子。另一种说法是，当我们取中性原子的价电子数减去非键电子数，然后减去路易斯结构中连接到该原子的键数时，就会产生形式电荷。
计算正式费用
分子或离子中原子的排列称为分子结构。在许多情况下，按照写路易斯结构的步骤可能会导致不止一种可能的分子结构——例如，不同的多键和孤对电子放置或不同的原子排列。一些涉及形式电荷的指导方针有助于决定哪个可能的结构最有可能适用于特定的分子或离子：
用形式电荷预测分子结构
请注意，[link]中亚硝酸盐阴离子更有可能的结构实际上可以通过两种不同的方式绘制，通过N-O键和N=O键的位置来区分：
共振
形式电荷和谐振
在本节结束时，您将能够：

*描述共价键和离子键形成和断裂的能量学
*使用Born-哈伯循环计算离子化合物的晶格能
*使用平均共价键能量估计反应焓
m68741
稳定分子的存在是因为共价键将原子保持在一起。我们通过打破共价键所需的能量来衡量共价键的强度，即分离键合原子所需的能量。分离任何一对键合原子都需要能量（见[链接]）。键越强，打破它所需的能量就越大。
键合强度：共价键
离子化合物之所以稳定，是因为其正离子和负离子之间存在静电吸引力。化合物的晶格能是这种吸引力强度的度量。离子化合物的晶格能（Δ*H*晶格）定义为将一摩尔固体分离成其组分气态离子所需的能量。对于离子固体MX，晶格能是过程的焓变化：
离子键强度与晶格能
不可能直接测量晶格能。然而，晶格能可以使用上一节给出的方程或使用热化学循环来计算。伯恩-哈伯循环是赫斯定律的应用，它将离子固体的形成分解为一系列单独的步骤：
哈伯循环
离子键和共价键的强度
在本节结束时，您将能够：

*利用价层电子对排斥（VSEPR）理论预测小分子的结构
*解释极性共价键和分子极性的概念
*根据分子的键和结构评估分子的极性
m68742
价层电子对斥力理论（VSEPR理论）使我们能够通过研究分子路易斯结构中的键和孤电子对的数量来预测分子的分子结构，包括中心原子周围的近似键角。VSEPR模型假设中心原子价层中的电子对将采用一种排列方式，通过最大化它们之间的距离来最小化这些电子对之间的斥力。中心原子价层中的电子要么形成主要位于键合原子之间的键对，要么形成孤对。当高电子密度的各个区域占据尽可能远的位置时，这些电子的静电斥力就会降低。
VSEPR理论
如前所述，极性共价键连接两个具有不同电负性的原子，当电子被拉向电负性更高的原子时，一个原子带有部分正电荷（δ+），另一个原子带有部分负电荷 (δ–), 。这种电荷分离产生了键偶极矩。键偶极矩的大小由希腊字母mu (*µ*) 表示，并由这里显示的公式给出，其中Q是部分电荷的大小（由电负性差决定），r是电荷之间的距离：
分子极性和偶极矩
分子结构与极性
化学键和分子几何
*价键理论
*混合原子轨道
*多重债券
*分子轨道理论
m68743
导言
在本节结束时，您将能够：

*从原子轨道重叠的角度描述共价键的形成
*定义并举例说明σ和π键
m68744
价键理论
在本节结束时，您将能够：

*解释原子轨道杂化的概念
*确定与各种分子几何相关联的杂化轨道
m68745
气态BeCl2分子中的铍原子是在三个原子的线性排列中没有孤对电子的中心原子的一个例子。BeCl2分子中有两个价电子密度区域对应于两个共价键Be-Cl。为了适应这两个电子域，Be原子的四个价轨道中的两个将混合产生两个杂化轨道。这种杂化过程包括将价*s*轨道与价*p*轨道之一混合，产生两个等效的*sp*杂化轨道，它们以线性几何形状定向（[link]）。在这张图中，一组*sp*轨道看起来与原始*p*轨道形状相似，但有一个重要的区别。原子轨道组合的数量总是等于形成的杂化轨道的数量。*p*轨道是一个可以容纳两个电子的轨道。*sp*集是两个彼此指向180°的等效轨道。最初在*s*轨道上的两个电子现在分布到两个半填充的*sp*轨道上。在气态BeCl2中，这些半填充的杂化轨道将与氯原子的轨道重叠，形成两个相同的σ键。
*sp*杂交
由三个电子密度区域包围的中心原子的价轨道由一组三个*sp*2杂化轨道和一个未杂化的*p*轨道组成。这种排列是*sp*2杂化的结果，一个*s*轨道和两个*p*轨道的混合产生了三个相同的杂化轨道，它们以三角平面几何形状定向（[链接]）。
*sp*2杂交
由成键对和孤对的四面体排列包围的原子的价轨道由一组四个*sp*3杂化轨道组成。杂化轨道是由一个*s*轨道和所有三个*p*轨道混合产生的，产生了四个相同的*sp*3杂化轨道（[链接]）。这些杂化轨道中的每一个都指向四面体的不同角落。
*sp*3杂交
为了描述三角双锥排列中的五个成键轨道，我们必须使用价壳原子轨道中的五个（*s*轨道、三个*p*轨道和其中一个*d*轨道），这给出了五个*sp*3*d*杂化轨道。对于六个杂化轨道的八面体排列，我们必须使用六个价壳原子轨道（*s*轨道、三个*p*轨道和其价壳中的两个*d*轨道），这给出了六个*sp*3*d*2杂化轨道。这些杂化仅适用于在其价子壳中有*d*轨道的原子（即，不是第一或第二周期的原子）。
*sp*3*d*和*sp*3*d*2杂交
原子的杂化是根据围绕它的电子密度区域的数量来确定的。各种杂化轨道的几何排列特征如[链接]所示。这些排列与VSEPR理论预测的电子对几何排列相同。VSEPR理论预测分子的形状，杂化轨道理论解释了这些形状是如何形成的。为了找到中心原子的杂化，我们可以使用以下指南：
杂化轨道对中心原子的赋值
混合原子轨道
在本节结束时，您将能够：

*用原子轨道重叠来描述多重共价键
*将共振的概念与π键和电子离域联系起来
m68746
多重债券
在本节结束时，您将能够：

*概述从原子轨道导出分子轨道的基本量子力学方法
*描述成键和反键分子轨道的特征
*根据分子电子构型计算键序
*为第一和第二行双原子分子编写分子电子构型
*将这些电子构型与分子的稳定性和磁性有关
m68747
原子轨道和分子轨道的相对能级通常显示在分子轨道图中（[link]）。对于双原子分子，一个原子的原子轨道显示在左边，另一个原子的原子轨道显示在右边。每条水平线代表一个可以容纳两个电子的轨道。由原子轨道组合形成的分子轨道显示在中心。虚线显示哪个原子轨道结合形成分子轨道。对于每对结合的原子轨道，一个低能（成键）分子轨道和一个高能（反键）轨道结果。因此我们可以看到，组合六个2*p*原子轨道导致三个成键轨道（一个σ和两个π）和三个反键轨道（一个σ\*和两个π\*）。
分子轨道能量图
填充分子轨道图显示了成键和反键分子轨道中电子的数量。电子对分子键强度的净贡献是通过确定电子填充分子轨道产生的键序来确定的。
债券订单
二氢分子（H2）由两个氢原子形成。当两个原子的原子轨道结合时，电子占据能量最低的分子轨道，即σ1*s*成键轨道。二氢分子H2很容易形成，因为H2分子的能量低于两个H原子的能量。包含两个电子的σ1*s*轨道的能量低于两个1*s*原子轨道中的任何一个。
双原子分子的键合
分子轨道理论
先进的共价键理论
*气体压力
*关于压力、体积、量和温度：理想气体定律
*气体物质、混合物和反应的化学计量学
*气体的渗出和扩散
*动力学分子理论
*非理想气体行为
m68748
导言
在本节结束时，您将能够：

*定义压力的性质
*定义和转换压力测量单位
*描述测量气体压力的常用工具的操作
*根据压力计数据计算压力
m68750
气体压力
在本节结束时，您将能够：

*确定气体各种性质之间的数学关系
*使用理想气体定律和相关气体定律，计算在特定条件下各种气体性质的值
m68751
想象一下，用气体填充一个连接在压力表上的刚性容器，然后密封容器，这样就不会有气体泄漏。如果容器冷却，里面的气体也会变冷，观察到压力会下降。由于容器是刚性的，密封紧密，气体的体积和摩尔数都保持不变。如果我们加热球体，里面的气体会变得更热（[链接]），压力会增加。
压力和温度：阿蒙顿定律
如果我们用空气填充气球并密封它，气球在大气压下包含特定数量的空气，假设1个自动取款机。如果我们把气球放在冰箱里，里面的气体变冷，气球收缩（尽管气体量和压力都保持不变）。如果我们让气球变得很冷，它会收缩很多，当它变暖时，它会再次膨胀。
体积和温度：查尔斯定律
如果我们用空气部分填充气密注射器，注射器在恒温下包含特定数量的空气，例如25℃。如果我们在保持温度恒定的情况下缓慢推入柱塞，注射器中的气体被压缩成更小的体积，其压力增加；如果我们拔出柱塞，体积增加，压力降低。体积对给定数量的密闭气体压力的影响的这个例子一般是正确的。减小所包含气体的体积会增加其压力，增加其体积会降低其压力。事实上，如果体积增加一定的因素，压力就会减少相同的因素，反之亦然。室温下空气样品的体积-压力数据在[link]中绘制。
体积和压力：波义耳定律
意大利科学家阿梅迪奥·阿伏伽德罗在1811年提出了一个解释气体行为的假设，指出在相同的温度和压力条件下测量的所有气体中，相同体积的气体包含相同数量的分子。随着时间的推移，这种关系得到了许多实验观察的支持，如阿伏伽德罗定律所表达的：*对于密闭气体，如果压力和温度都保持不变，体积（V）和摩尔数（n）成正比*。
气体和体积的摩尔：阿伏伽德罗定律
到目前为止，已经讨论了与压力、体积、温度和气体摩尔数相关的四个独立定律：
理想气体定律
我们已经看到，给定数量的气体的体积和给定体积气体中分子的数量（摩尔）随着压力和温度的变化而变化。化学家有时会与标准温度和压力（STP）进行比较，以报告气体的性质：273.15 K和1大气压（101.325千帕）。[脚注]在STP，一摩尔理想气体的体积约为22.4升——这被称为标准摩尔体积（[链接]）。

IUPAC标准压力的定义在1982年从1 atm改为1 bar（100 kPa），但许多文献资源仍在使用先前的定义，并将在本文中使用。
温度和压力的标准条件
压力、体积、量和温度的关系：理想气体定律
在本节结束时，您将能够：

*使用理想气体定律计算气体密度和摩尔质量
*进行涉及气体物质的化学计量计算
*说明道尔顿分压定律，并将其用于涉及气体混合物的计算
m68752
本章前面描述的理想气体定律涉及压力*P*、体积*V*、温度*T*和摩尔量*n*的性质。该定律是通用的，无论气体的化学特性如何，都以相同的方式关联这些性质：
气体密度和摩尔质量
除非它们相互发生化学反应，否则气体混合物中的单个气体不会相互影响压力。混合物中的每个单独气体施加的压力与单独存在于容器中时所施加的压力相同（[link]）。混合物中每个单独气体施加的压力称为其分压。这一观察由道尔顿分压定律总结：*理想气体混合物的总压力等于各成分气体分压之和*：
混合气体的压力：道尔顿定律
收集不与水反应的气体的一个简单方法是将它们捕获在一个已经装满水的瓶子里，并倒置到一个装满水的盘子里。通过提高或降低瓶子，可以使瓶子内气体的压力等于外面的气压。当瓶子内外的水位相同时（[链接]），气体的压力等于大气压力，可以用气压计测量。
收集水中气体
化学计量学描述了化学反应中反应物和产物之间的定量关系。
化学计量学和气体
有时我们可以利用气体化学计量学中固体和溶液没有表现出的简化特征：所有表现出理想行为的气体在相同体积（在相同温度和压力下）中包含相同数量的分子。因此，参与化学反应的气体体积比由反应方程中的系数给出，前提是气体体积在相同温度和压力下测量。
重温阿伏伽德罗定律
气体物质、混合物和反应的化学计量学
在本节结束时，您将能够：

*定义和解释渗出和扩散
*陈述格雷厄姆定律并用它来计算相关的气体性质
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气体的渗出和扩散
*陈述动力学分子理论的假设
*用这个理论的假设来解释气体定律
m68758
回顾气体压力是由快速移动的气体分子施加的，直接取决于每单位时间撞击墙壁单位面积的分子数量，我们看到国民党从概念上解释了气体的行为如下：
动力学分子理论解释气体的行为，第一部分
前面的讨论表明，国民党定性地解释了各种气体定律所描述的行为。这一理论的假设可以以更定量的方式应用于推导这些个体定律。要做到这一点，我们必须首先观察气体分子的速度和动能，以及气体样品的温度。
分子速度与动能
根据格雷厄姆定律，气体的分子运动迅速，分子本身很小。与分子的大小相比，气体分子之间的平均距离很大。因此，气体分子可以很容易地相互移动，并以相对较快的速度扩散。
动力学分子理论解释气体的行为，第二部分
动力学分子理论
在本节结束时，您将能够：

*描述导致偏离理想气体行为的物理因素
*解释这些因素如何在范德华尔斯方程中表示
*定义可压缩性（Z）并描述其随压力的变化如何反映非理想行为
*通过使用理想气体定律和范德华尔斯方程比较气体性质的计算来量化非理想行为
m68759
非理想气体行为
气体
*分子间作用力
*液体性质
*相变
*相图
*物质的固态
晶体中的晶格结构
m68760
导言
在本节结束时，您将能够：

*描述凝聚相中原子或分子之间可能存在的分子间作用力类型（弥散力、偶极-偶极吸引力和氢键）
*根据特定分子的结构确定其所经历的分子间力的类型
*解释物质内部存在的分子间作用力与其物理状态变化相关的温度之间的关系
m68761
在适当的条件下，所有气体分子之间的吸引力将导致它们形成液体或固体。这是由于分子间力，而不是*分子内*力。*分子内*力是分子*内*使分子保持在一起的那些，例如，原子之间的键。*分子间*力是*分子之间的吸引力，它决定了物质的许多物理性质。[链接]说明了这些不同的分子力。这些吸引力的强度变化很大，尽管通常小分子之间的IMF与分子内将原子结合在一起的分子内力相比很弱。例如，克服一摩尔液态HCl中的IMF并将其转化为气态HCl只需要大约17千焦耳。然而，打破一摩尔HCl中氢和氯原子之间的共价键需要大约25倍的能量——430千焦耳。
分子间作用力
三个范德华力中的一个存在于所有凝聚相中，而不管组成物质的原子或分子的性质如何。这种引力被称为伦敦弥散力，以纪念德国出生的美国物理学家弗里茨·伦敦，他在1928年首次解释了这种引力。这种力通常被简称为弥散力。因为原子或分子的电子处于恒定运动状态（或者，电子的位置受量子力学可变性的影响），在任何时候，如果电子不对称分布，原子或分子都可以形成临时的瞬时偶极子。这种偶极子的存在反过来会扭曲相邻原子或分子的电子，产生感应偶极子。这两个快速波动的临时偶极子因此导致物种之间相对较弱的静电吸引力——一种所谓的分散力，如[链接]所示。
色散力
回想一下关于化学键和分子几何的章节，*极性*分子在分子的一侧有部分正电荷，在另一侧有部分负电荷——一种叫做*偶极子*的电荷分离。考虑一个极性分子，如氯化氢，HCl。在HCl分子中，电负性Cl原子携带部分负电荷，而电负性较小的H原子携带部分正电荷。HCl分子之间的引力是由一个HCl分子的正端和另一个HCl分子的负端之间的吸引力产生的。这种引力称为偶极-偶极子引力——一个极性分子的部分正端和另一个极性分子的部分负端之间的静电力，如[链接]所示。
偶极-偶极景点
亚硝基氟化物（ONF，分子量49 amu）在室温下是一种气体。水（H2O，分子量18 amu）是一种液体，尽管它的分子量较低。我们显然不能将这两种化合物之间的这种差异归因于弥散力。两种分子的形状大致相同，ONF是更重更大的分子。因此，它预计会经历更显著的弥散力。此外，我们不能将沸点的差异归因于分子偶极矩的差异。两种分子都是极性的，表现出类似的偶极矩。沸点之间的巨大差异是由于当分子包含与氟、氧或氮原子（三种最负电的元素）结合的氢原子时，可能会发生特别强的偶极-偶极吸引力。H原子（2.1）和它所键合的原子（F原子为4.0，O原子为3.5，N原子为3.0）之间的电负性差异非常大，加上H原子的尺寸非常小，而F、O或N原子的尺寸相对较小，导致这些原子的部分电荷*高度集中。具有F-H、O-H或N-H部分的分子非常强烈地被附近分子中的相似部分吸引，这是一种特别强烈的偶极-偶极吸引力，称为氢键。氢键的例子包括HF–HF、H2O–HOH和H3N–HNH2，其中氢键用点表示。[链接]说明了水分子之间的氢键。
氢键
分子间作用力
在本节结束时，您将能够：

*区分粘结力和凝聚力
*定义粘度、表面张力和毛细管上升
*描述分子间引力在每个性质/现象中的作用
m68764
液体性质
在本节结束时，您将能够：

*定义相变和相变温度
*解释相变温度和分子间引力之间的关系
*描述典型的加热和冷却曲线所代表的过程，并计算伴随这些过程的热流和焓变化
m68768
当液体在封闭的容器中汽化时，气体分子无法逃逸。当这些气相分子随机移动时，它们偶尔会与冷凝相的表面发生碰撞，在某些情况下，这些碰撞会导致分子重新进入冷凝相。从气相到液体的变化称为冷凝。当冷凝速率等于汽化速率时，液体的量和容器中蒸汽的量都没有变化。然后，容器中的蒸汽被称为与液体*处于平衡状态*。请记住，这不是静态情况，因为分子在冷凝相和气相之间不断交换。这是动态平衡的一个例子，即相互过程（例如，汽化和冷凝）以相等的速率发生的系统的状态。在给定温度下，蒸汽与封闭容器中的液体处于平衡状态时施加的压力称为液体的蒸汽压（或平衡蒸汽压）。液体与蒸汽接触的表面面积和容器的大小对蒸汽压没有影响，尽管它们确实会影响达到平衡所需的时间。我们可以通过将样品放在封闭容器中来测量液体的蒸汽压，如[链接]中所示，并使用压力计测量由于蒸汽与凝结相平衡而引起的压力增加。
汽化和冷凝
当蒸气压增加到足以等于外部大气压时，液体达到其沸点。液体的沸点是其平衡蒸气压等于其气态环境施加在液体上的压力的温度。对于开放式容器中的液体，这种压力是由于地球大气造成的。液体的正常沸点被定义为当周围压力等于1大气压（101.3千帕）时其沸点。[链接]显示了几种不同物质的蒸气压随温度的变化。考虑到沸点的定义，这些曲线可以被视为描绘了液体沸点对周围压力的依赖关系。
沸点
汽化是一个吸热过程。当你离开游泳池或淋浴时，冷却效果可以很明显。当你皮肤上的水蒸发时，它会从你的皮肤上去除热量，并导致你感到寒冷。与汽化过程相关的能量变化是汽化焓，Δ*H*vap。例如，水在标准温度下的汽化表示为：
汽化焓
当我们加热晶体固体时，我们增加了它的原子、分子或离子的平均能量，固体变得更热。在某个时候，增加的能量变得足够大，足以部分克服将固体的分子或离子保持在固定位置的力，固体开始向液态过渡或熔化的过程。在这一点上，固体的温度停止上升，尽管不断输入热量，它保持恒定，直到所有的固体都融化。只有在所有的固体都融化后，继续加热才会提高液体的温度（[链接]）。
熔化和冷冻
一些固体可以通过一个被称为升华的过程直接转化为气态，绕过液态。在室温和标准压力下，一块干冰（固体CO2）升华，看起来逐渐消失，而不会形成任何液体。冰雪在低于水熔点的温度下升华，这是一个缓慢的过程，可能会被风和高海拔地区大气压力的降低所加速。当固体碘被加热时，固体升华和生动的紫色蒸汽形成（[链接]）。升华的反面被称为沉积，在这个过程中，气态物质直接凝结成固态，绕过液态。霜的形成就是沉积的一个例子。
升华与沉积
在热化学一章中，介绍了物质吸收或释放的热量*q*与其伴随的温度变化Δ*T*之间的关系：
加热和冷却曲线
相变
在本节结束时，您将能够：

*解释典型相图的构造和使用
*使用相图确定给定温度和压力下的稳定相，并描述这些特性变化导致的相变
*描述物质的超临界流体相
m68769
如果我们将水样放在25°C的密封容器中，除去空气，让汽化-冷凝平衡建立起来，我们就会得到压力为0.03 atm的液态水和水蒸气的混合物。可以清楚地观察到密度较高的液体和密度较低的气体之间的明显边界。随着温度的升高，水蒸气的压力会增加，正如水相图中的液-气曲线所描述的那样（[link]），液相和气相的两相平衡仍然存在。在374°C的温度下，蒸气压已经上升到218 atm，温度的任何进一步升高都会导致液相和汽相之间边界的消失。容器中的所有水现在都以单相形式存在，其物理性质介于气态和液态之间。这种物质相被称为超临界流体，这种相存在的温度和压力高于它是临界点（[链接]）。超过它的临界温度，无论施加多大的压力，气体都不能液化。在临界温度下液化气体所需的压力被称为临界压力。下表给出了一些常见物质的临界温度和临界压力。
超临界流体
相图
在本节结束时，您将能够：

*定义和描述离子、分子、金属和共价网络晶体固体的结合和性质
*描述结晶固体的主要类型：离子固体、金属固体、共价网络固体和分子固体
*解释固体中晶体缺陷发生的方式
m68770
离子固体，如氯化钠和氧化镍，由正负离子组成，它们被静电吸引物保持在一起，可以相当强（[link]）。许多离子晶体也有高熔点。这是由于离子之间非常强的吸引物——在离子化合物中，全电荷之间的吸引物比极性分子化合物中部分电荷之间的吸引物（大得多）。这将在后面关于晶格能的讨论中更详细地研究。虽然它们很硬，但它们也往往很脆，它们会破碎而不是弯曲。离子固体不导电；但是，它们在熔融或溶解时确实导电，因为它们的离子可以自由移动。许多由金属元素与非金属元素反应形成的简单化合物都是离子的。
离子固体
金属固体，如铜、铝和铁的晶体是由金属原子形成的（[link]）。金属晶体的结构通常被描述为离域电子“海洋”中原子核的均匀分布。这种金属固体中的原子通过一种称为*金属键*的独特力结合在一起，这种力产生了许多有用和不同的体积特性。所有这些都表现出高导热性和导电性、金属光泽和延展性。许多非常坚硬，非常坚固。由于它们的延展性（在压力或锤击下变形的能力），它们不会破碎，因此是有用的建筑材料。金属的熔点差异很大。汞在室温下是液体，碱金属在200℃以下熔化。一些后过渡金属的熔点也很低，而过渡金属在1000℃以上的温度下熔化。这些差异反映了金属之间金属结合强度的差异。
金属固体
共价网络固体包括金刚石、硅、一些其他非金属的晶体，以及一些共价化合物，如二氧化硅（沙子）和碳化硅（碳化硅，砂纸上的磨料）。许多矿物都有共价键网络。这些固体中的原子通过共价键网络保持在一起，如[link]所示。要破坏或熔化共价键网络固体，必须打破共价键。因为共价键相对较强，共价键网络固体的典型特征是硬度、强度和高熔点。例如，金刚石是已知的最坚硬的物质之一，熔点在3500°C以上。
共价网络固体
分子固体，如冰、蔗糖（表糖）和碘，如[link]所示，是由中性分子组成的。不同晶体中存在的单元之间吸引力的强度变化很大，如晶体的熔点所示。对称的小分子（非极性分子），如H2、N2、O2和F2，具有微弱的吸引力，并形成熔点非常低（低于−200°C）的分子固体。由较大的非极性分子组成的物质具有较大的吸引力，并在更高的温度下熔化。由具有永久偶极矩的分子（极性分子）组成的分子固体在更高的温度下熔化。例子包括冰（熔点，0°C）和表糖（熔点，185°C）。
分子固体
晶体固体，如[链接]中列出的那些，具有精确的熔化温度，因为相同类型的每个原子或分子都以相同的力或能量保持在适当的位置。因此，构成晶体的单元之间的吸引力都具有相同的强度，并且都需要相同数量的能量来破碎。非晶材料的逐渐软化与晶体固体的明显熔化有很大不同。这是由于非晶固体中分子的结构不等效性造成的。有些力比其他力弱，当非晶材料被加热时，最弱的分子间吸引力首先破裂。随着温度的进一步升高，更强的吸引力被破坏。因此，非晶材料在一定温度范围内软化。
固体的性质
在晶体固体中，原子、离子或分子以一定的重复模式排列，但图案中偶尔会出现缺陷。已知有几种类型的缺陷，如[链接]所示。空位是指当应该包含原子或离子的位置空缺时发生的缺陷。不太常见的是，晶体中的一些原子或离子可能占据位于原子规则位置之间的位置，称为间隙位置。其他扭曲存在于不纯晶体中，例如，当杂质的阳离子、阴离子或分子太大而无法适应规则位置而不扭曲结构时。微量杂质有时会添加到晶体中（一种称为*掺杂的过程）*，以便在结构中产生缺陷，从而使其性能发生理想的变化。例如，硅晶体掺杂了不同量的不同元素，以产生适合其在半导体和计算机芯片制造中使用的电特性。
晶体缺陷
物质的固态
在本节结束时，您将能够：

*描述原子和离子在晶体结构中的排列
*使用单元格尺寸计算离子半径
*解释使用X射线衍射测量确定晶体结构
m68773
我们将从考虑元素金属开始讨论晶体固体，这相对简单，因为每种金属只包含一种原子。纯金属是一种晶体固体，金属原子以重复的模式紧密排列在一起。一般来说，金属的一些特性，如延展性和延展性，主要是由于相同的原子以规则的模式排列。一种金属与另一种金属的不同特性部分取决于它们原子的大小和空间排列的细节。我们将在接下来的部分中探讨四种最常见的金属晶体几何形状的异同。
金属的结构
晶体固体的结构，不管是不是金属，最好通过考虑它最简单的重复单元来描述，这被称为它的单元单元。单元单元由代表原子或离子位置的晶格点组成。整个结构由这个在三维中重复的单元单元组成，如[链接]所示。
金属单元电池
离子晶体由两种或两种以上不同尺寸的离子组成。将这些离子组装成晶体结构比相同尺寸的金属原子组装更复杂。
离子晶体的结构
许多离子化合物以立方单元格结晶，我们将用这些化合物来描述离子结构的一般特征。
离子化合物的单位细胞
如果我们知道离子化合物的单元格的边缘长度和离子在单元格中的位置，如果我们对单个离子形状和接触做出假设，我们就可以计算化合物中离子的离子半径。
离子半径的计算
晶体中单胞的大小和原子的排列可以通过晶体对x光衍射的测量来确定，这种测量被称为x光结晶学。衍射是电磁波遇到尺寸与光波长相当的物理屏障时，行进方向的变化。x光是电磁辐射，其波长约为晶体中相邻原子之间的距离（几埃的数量级）。
X射线结晶学
晶体固体中的晶格结构
液体和固体
*解散过程
*电解质
*溶解性
*依数性质
*胶体
m68776
导言
在本节结束时，您将能够：

*描述解决方案的基本属性及其形成方式
*根据其组分的分子特性预测给定混合物是否会产生溶液
*解释为什么有些溶液在形成时会产生或吸收热量
m68778
溶液的形成是自发过程的一个例子，这是一个在特定条件下发生的过程，不需要来自某个外部来源的能量。有时搅拌混合物以加快溶解过程，但这不是必需的；均匀的溶液最终会形成。自发性的主题对化学热力学的研究至关重要，并在本文后面的一章中进行了更彻底的讨论。为了本章讨论的目的，考虑两个*有利于*但不保证溶液自发形成的标准就足够了：
解决方案的形成
解散过程
在本节结束时，您将能够：

*定义并举例说明电解质
*区分伴随离子和共价电解质溶解的物理和化学变化
*将电解质强度与溶质-溶剂吸引力联系起来
m68781
水和其他极性分子被离子吸引，如[链接]所示。离子和具有偶极子的分子之间的静电吸引称为离子-偶极子吸引。这些吸引对离子化合物在水中的溶解起着重要作用。
离子电解质
纯净水是一种极差的导电体，因为它只有非常轻微的电离——每10亿分子中只有大约两个在25摄氏度下电离。当一个水分子将质子（H+离子）释放给另一个水分子时，水就会电离，产生水合子和氢氧化物离子。
共价电解质
电解质
在本节结束时，您将能够：

*描述温度和压力对溶解度的影响
*陈述亨利定律，并将其用于计算气体在液体中的溶解度
*解释液-液溶液可能的溶解度
m68782
至于任何溶液，气体在液体中的溶解度受溶质和溶剂之间分子间吸引力的影响。然而，与固体和液体溶质不同，当气体溶质溶解在液体溶剂中时，没有溶质-溶质分子间吸引力需要克服（见[链接]），因为组成气体的原子或分子相距甚远，相互作用可以忽略不计。因此，溶质-溶剂相互作用是影响溶解度的唯一高能因素。例如，氧的水溶性大约是氦的三倍（水和较大的氧分子之间有更大的分散力），但比氯甲烷的溶解度低100倍，CHCl3（极性氯甲烷分子对极性水分子有偶极-偶极吸引力）。同样注意，氧在己烷中的溶解度，C6H14，大约是它在水中的20倍，因为氧和较大的己烷分子之间存在更大的分散力。
液体中气体的溶液
一些液体可以以任何比例混合以产生溶液；换句话说，它们具有无限的互溶性，被称为可混溶的。乙醇、硫酸和乙二醇（常用作防冻液，如[链接]所示）是与水完全混溶的液体的例子。两循环机油与汽油混溶，汽油的混合物用作各种户外动力设备（电锯、吹叶机等）的润滑燃料。
液体中的液体溶液
[link]中的溶解度曲线显示了许多固体在水中的溶解度对温度的依赖性。审查这些数据表明溶解度随温度增加的总体趋势，尽管也有例外，如离子化合物硫酸铈所示。
液体中固体的溶液
溶解度
在本节结束时，您将能够：

*使用摩尔分数和摩尔浓度表达溶液组分的浓度
*描述溶质浓度对各种溶液性质（蒸汽压、沸点、冰点和渗透压）的影响
*使用描述这些不同综合效应的数学方程式进行计算
*描述蒸馏过程及其实际应用
*解释渗透过程，并描述它如何在工业和自然界中应用
m68783
本文的前一章介绍了几种常用于表示溶液成分浓度的单位，每种单位都为不同的应用提供了某些好处。例如，摩尔浓度（*M*）是化学计量计算中使用的一个方便单位，因为它是根据溶质物质的摩尔量定义的：
摩尔分数和摩尔数
如关于液体和固体的章节所述，液体的平衡蒸气压是当汽化和冷凝以相同的速率发生时，其气相施加的压力：
降低蒸汽压力
组分具有显著不同蒸气压的溶液可以通过称为蒸馏的选择性汽化过程进行分离。考虑两种挥发性液体A和B的混合物的简单情况，其中A是挥发性更强的液体。拉乌尔定律可以用来表明溶液上方的蒸汽富集在组分A中，即蒸汽中A的摩尔分数大于液体中A的摩尔分数（见第65章末尾练习）。通过适当加热混合物，组分A可以被汽化、冷凝和收集——有效地将其与组分B分离。
溶液蒸馏
如液体和固体章节所述，液体的沸点是其蒸气压等于环境大气压力的温度。由于非挥发性溶质的存在降低了溶液的蒸气压，因此溶液的沸点随后会升高是有道理的。蒸气压随温度升高，因此溶液需要比纯溶剂更高的温度才能达到任何给定的蒸气压，包括相当于周围大气的蒸气压。当非挥发性溶质溶解在溶剂中时观察到的沸点升高，Δ*T*b，称为沸点升高，与溶质物质的摩尔浓度成正比：
沸点标高
溶液结冰的温度低于纯液体。这一现象被用于使用盐（[链接]）、氯化钙或尿素融化道路和人行道上的冰的“除冰”计划，以及使用乙二醇作为汽车散热器的“防冻剂”。海水结冰的温度低于淡水，因此即使温度低于0摄氏度，北极和南极海洋也不会结冰（生活在这些海洋中的鱼类和其他冷血动物的体液也是如此）。
冰点洼地
通过比较纯液体和由该液体衍生的溶液的相图，方便地总结了上一节中描述的对蒸气压、沸点和凝固点的综合影响（[链接]）。
解决方案的相图
许多天然和合成材料表现出*选择性渗透*，这意味着只有特定大小、形状、极性、电荷等的分子或离子才能穿过（渗透）材料。生物细胞膜提供了自然界中选择性渗透的优雅例子，而用于从血液中去除代谢废物的透析管是一个更简单的技术例子。不管它们是如何制造的，这些材料通常被称为半透膜。
溶液的渗透和渗透压
渗透压和凝固点、沸点和蒸汽压的变化与给定量溶液中存在的溶质种类的数量成正比。因此，测量使用已知质量的溶质制备的溶液的这些特性之一允许确定溶质的摩尔质量。
磨牙质量的测定
如本单元前面所述，溶液的综合性质只取决于溶解的溶质种类的数量，而不是同一性。各种综合性质（凝固点降低、沸点升高、渗透压）方程中的浓度项与溶液中存在的所有溶质种类有关。对于本章到目前为止讨论的溶液，溶质是非电解质，它们在物理上溶解而不解离或任何其他伴随过程。每个溶解的分子产生一个溶解的溶质分子。然而，电解质的溶解并不是这么简单，如下两个常见的例子所示：
电解质的依数性质
依数性质
在本节结束时，您将能够：

*描述胶体分散体的组成和性质
*列出并解释胶体的几种技术应用
m68784
胶体是通过产生胶体尺寸的颗粒并将这些颗粒分布在分散介质中来制备的。胶体尺寸的颗粒通过两种方法形成：
胶体系统的制备
先驱者用热水从木灰中浸出碳酸钾K2CO3制成的强碱性溶液煮沸脂肪制成肥皂。动物脂肪含有脂肪酸的聚酯（长链羧酸）。当动物脂肪用碳酸钾或氢氧化钠等碱处理时，会形成甘油和脂肪酸的盐，如棕榈酸、油酸和硬脂酸。脂肪酸的盐被称为*皂*。硬脂酸钠的钠盐，硬脂酸钠，分子式为C17H35CO2Na，含有一个不带电荷的非极性碳氢链，C17H35-单元和一个离子羧酸基团，-${\text{CO}}_{2}}{}^{\text{−}}$单元（[链接]）。
肥皂和洗涤剂
分散的胶体粒子通常带电。例如，氢氧化铁（III）的胶体粒子不包含足够的氢氧化根离子来完全补偿铁（III）离子上的正电荷。因此，每个单独的胶体粒子都带有正电荷，胶体分散体由带电胶体粒子和一些游离氢氧化根离子组成，它们使分散体保持电中性。大多数金属氢氧化根胶体带正电荷，而大多数金属和金属硫化物形成带负电荷的分散体。任何一个系统中的所有胶体粒子都带有相同符号的电荷。这有助于保持它们分散，因为含有相似电荷的粒子相互排斥。
胶体粒子的电学性质
明胶甜点，如果冻，是一种胶体（[链接]）。明胶冷却是因为明胶的热水性混合物在冷却时凝结，产生一种称为凝胶的极粘物体。凝胶是液相在固相中的胶体分散体。分散介质的纤维似乎形成了一个复杂的三维网络，空隙被液体介质或分散介质的稀溶液填充。
凝胶
胶体
溶液和胶体
*化学反应速率
*影响反应速率的因素
*费率法
*综合费率法
*碰撞理论
*反应机制
*催化
m68785
导言
在本节结束时，您将能够：

*定义化学反应速率
*从给定化学反应的平衡方程中导出速率表达式
*根据实验数据计算反应速率
m68786
反应的速率可以表示为任何反应物或产物的浓度变化。对于任何给定的反应，根据反应化学计量，这些速率表达式都是简单地相互关联的。一般反应的速率
相对反应速率
化学反应速率
在本节结束时，您将能够：

*描述化学性质、物理状态、温度、浓度和催化作用对反应速率的影响
m68787
反应的速度取决于参与物质的性质。看起来相似的反应在相同条件下可能有不同的速度，这取决于反应物的身份。例如，当小块金属铁和钠暴露在空气中时，钠在一夜之间完全与空气反应，而铁几乎没有受到影响。活性金属钙和钠都与水反应形成氢气和碱。然而钙的反应速度适中，而钠的反应如此之快，以至于反应几乎是爆炸性的。
反应物质的化学性质
两种或多种物质之间的化学反应需要反应物之间的密切接触。当反应物处于不同的物理状态或相（固体、液体、气态、溶解）时，反应只发生在相之间的界面。考虑固相与液相或气相之间的非均相反应。与大固体颗粒的反应速率相比，较小颗粒的反应速率会更大，因为与另一种反应物相接触的表面积更大。例如，大块铁与酸的反应比与细碎的铁粉反应更慢（[链接]）。大块木头闷烧，小块燃烧迅速，看到灰尘爆炸燃烧。
反应物的物理状态
在较高的温度下，化学反应通常会发生得更快。食物放在厨房柜台上会很快变质。然而，冰箱内的较低温度减缓了这一过程，因此同样的食物可以保持数天新鲜。实验室中经常使用燃气燃烧器、热板和烤箱来提高在正常温度下缓慢进行的反应速度。对于许多化学过程来说，当温度升高10°C时，反应速度大约翻了一番。
反应物温度
许多反应的速率取决于反应物的浓度。速率通常在一种或多种反应物的浓度增加时增加。例如，碳酸钙（CaCO3）因其与污染物二氧化硫的反应而变质。这种反应的速率取决于空气中二氧化硫的量（[link]）。一种酸性氧化物，二氧化硫与空气中的水蒸气结合，在以下反应中产生亚硫酸：
反应物浓度
相对稀释的过氧化氢水溶液，H2O2，通常用作局部防腐剂。过氧化氢分解产生水和氧气，根据方程：
催化剂的存在
影响反应速率的因素
在本节结束时，您将能够：

*解释费率法的形式和功能
*使用速率定律计算反应速率
*使用速率和浓度数据来识别反应级数并推导速率规律
m68789
在我们的一些例子中，速率定律中的反应级数恰好与反应化学方程中的系数相同。这只是巧合，通常情况下并非如此。
反应阶数和速率常数单位
费率法则
在本节结束时，您将能够：

*解释综合费率法的形式和功能
*执行零、一、二阶反应的综合速率律计算
*界定半衰期并进行相关计算
*根据浓度/时间数据确定反应的顺序
m68791
对简单一级反应（rate=*k*[*A*]）的速率定律进行积分，得到一个描述反应物浓度如何随时间变化的方程：
一阶反应
反应物浓度和二阶反应速率常数之间的关系可能相当复杂。为了以最小的复杂性说明这一点，这里将只描述最简单的二阶反应，即速率仅取决于一种反应物浓度的反应。对于这些类型的反应，微分速率定律写成：
二阶反应
对于零级反应，微分速率定律为：
零级反应
一个反应的半衰期（*t*1/2）是消耗给定量的反应物的二分之一所需的时间。在随后的每个半衰期中，消耗反应物剩余浓度的一半。以过氧化氢的分解（[链接]）为例，我们发现，在第一个半衰期（从0.00小时到6.00小时）期间，H2O2的浓度从1.000*M*下降到0.500*M*。在第二个半衰期（从6.00小时到12.00小时）期间，从0.500*M*下降到0.250*M*；在第三个半衰期期间，从0.250*M*下降到0.125*M*。在每个连续的6.00小时期间，H2O2的浓度下降一半。过氧化氢的分解是一级反应，可以看出，一级反应的半衰期与反应物的浓度无关。然而，其他订单反应的半衰期取决于反应物的浓度。
反应的半衰期
综合费率法
在本节结束时，您将能够：

*使用碰撞理论的假设来解释物理状态、温度和浓度对反应速率的影响
*定义活化能和过渡态的概念
*在计算速率常数与温度的关系时使用Arrhenius方程
m68793
反应物之间碰撞时形成产物所需的最小能量称为活化能（*E*a）。该能量与反应物分子碰撞提供的动能相比如何，是影响化学反应速率的主要因素。如果活化能远大于分子的平均动能，反应将缓慢发生，因为只有少数快速移动的分子将有足够的能量进行反应。如果活化能远小于分子的平均动能，很大一部分分子将有足够的能量，反应将迅速进行。
活化能和Arrhenius方程
碰撞理论
在本节结束时，您将能够：

*区分净反应和基本反应（步骤）
*确定基本反应的分子
*根据反应机制，为一个过程写一个平衡的化学方程
*推导出与给定反应机制一致的速率定律
m68794
基本反应的分子性是反应物实体（原子、分子或离子）的数量。例如，单分子反应涉及*单个*反应物实体的反应，以产生一个或多个产物分子：
单分子基本反应
双分子反应涉及两个反应实体，例如：
双分子基本反应
三分子基本反应涉及三个原子、分子或离子的同时碰撞。三分子基本反应不常见，因为三个粒子同时碰撞的概率不到两个粒子碰撞概率的千分之一。然而，也有一些既定的三分子基本反应。一氧化氮与氧的反应似乎涉及三分子步骤：
三元反应
多步反应机制中的一个步骤通常比其他步骤慢得多。因为反应不能比最慢的步骤进行得更快，这个步骤将限制整个反应发生的速度。因此，最慢的步骤被称为反应的速率限制步骤（或速率决定步骤）[链接]。
反应机制与速率定律的关系
反应机理
在本节结束时，您将能够：

*用反应机理和势能图解释催化剂的功能
*列举自然和工业过程中的催化实例
m68795
均相催化剂与反应物存在于同一相中。它与反应物相互作用形成中间物质，然后在一个或多个步骤中分解或与另一个反应物反应，以再生原始催化剂并形成产物。
均相催化剂
多相催化剂是指存在于与反应物不同的相（通常是固体）中的催化剂。这种催化剂通常通过提供一个活性表面来起作用，在该表面上可以发生反应。由多相催化剂催化的气相和液相反应发生在催化剂表面，而不是气相或液相内。
多相催化剂
催化
动力学
*化学平衡
*平衡常数
*转移均衡：Le Châtelier的原则
*均衡计算
m68796
导言
在本节结束时，您将能够：

*描述平衡系统的性质
*解释化学平衡的动态性质
m68797
化学平衡
在本节结束时，您将能够：

*从代表均相和非均相反应的化学方程式中导出反应商
*使用浓度和压力计算反应商和平衡常数的值
*将平衡常数的大小与化学系统的性质联系起来
m68798
均相平衡是指所有反应物和产物（以及任何催化剂，如果适用的话）都存在于同一相中。根据这个定义，均相平衡发生在*溶液*中。这些溶液通常是液相或气相，如下例所示：
齐次均衡
多相平衡涉及两个或多个不同相的反应物和产物，如下例所示：
异质均衡
到目前为止，所讨论的平衡系统都相对简单，只涉及单个可逆反应。然而，许多系统涉及两个或多个*耦合*平衡反应，这些反应共有一个或多个反应物或产物物种。由于质量作用定律允许从平衡化学方程中直接导出平衡常数表达式，涉及耦合平衡的系统的K值可以与单个反应的K值相关。如下所述，这种方法涉及三个基本操作。
耦合均衡
平衡常数
在本节结束时，您将能够：

*描述可以强调平衡系统的方式
*使用Le Châtelier原理预测压力均衡的反应
m68799
如果平衡体系受到反应物或产物种类浓度变化的影响，正向或反向反应的速率将发生变化。作为一个例子，考虑平衡反应
浓度变化的影响
与质量作用定律一致，由浓度变化所强调的平衡将在平衡常数*K*值没有任何变化的情况下转移到重新建立平衡。然而，当平衡因温度变化而变化时，它会以不同的相对成分重新建立，该相对成分显示出不同的平衡常数值。
温度变化的影响
本文的动力学章节将*催化剂*确定为一种能够使反应通过不同机制以加速速率进行的物质。催化反应机制涉及比未催化反应更低的能量过渡态，从而产生更低的活化能*Ea*和相应更大的速率常数。
催化剂的作用
转移均衡：Le Châtelier的原则
在本节结束时，您将能够：

*确定平衡系统中化学物质的浓度或压力变化
*使用各种代数方法计算平衡浓度或压力和平衡常数
m68801
反应的平衡常数是根据反应物和产物的平衡浓度（或压力）计算出来的。如果这些浓度是已知的，计算只需将它们替换为K表达式，如[link]所示。接下来提供了一个稍微更具挑战性的例子，其中使用反应化学计量学从所提供的信息中导出平衡浓度。这种计算的基本策略有助于许多类型的平衡计算，并依赖于使用反应物和产物浓度的术语*最初*存在，它们*如何*随着反应的进行*变化*，以及当系统达到*平衡*时它们是什么。首字母缩略词ICE通常用于指代这种数学方法，浓度术语通常以称为ICE表的表格格式收集。
平衡常数的计算
当提供了平衡常数和除一个平衡浓度之外的所有平衡浓度时，可以计算其他平衡浓度。这种计算将在下一个示例练习中说明。
缺少平衡浓度的计算
也许最具挑战性的平衡计算类型可能是平衡浓度由初始浓度和平衡常数导出的计算。对于这些计算，通常有四步方法：
从初始浓度计算平衡浓度
均衡计算
基本均衡概念
*Brønsted-Lowry酸和碱
*pH和pOH
*酸和碱的相对强度
*盐溶液的水解
*聚质子酸
*缓冲区
*酸碱滴定
m68802
导言
在本节结束时，您将能够：

*根据Brønsted-Lowry定义识别酸、碱和共轭酸碱对
*编写酸碱电离反应方程式
*使用水的离子乘积常数来计算水和氢氧化物离子浓度
*描述两性物质的酸碱行为
m68803
Brønsted-Lowry酸和碱
在本节结束时，您将能够：

*解释水溶液的酸性、碱性或中性特征
*在pH和pOH标度上表达水合和氢氧化物离子浓度
*执行与pH和pOH相关的计算
m68804
pH值和pOH值
在本节结束时，您将能够：

*根据酸和碱的电离常数评估它们的相对强度
*根据分子结构使酸碱强度趋势合理化
*进行弱酸碱系统的平衡计算
m68805
酸或碱的相对强度是它溶解在水中时电离的程度。如果电离反应基本完成，酸或碱称为*强*；如果发生相对较少的电离，酸或碱是弱的。正如本章其余部分所示，弱酸和碱比强酸和碱多得多。[链接]中列出了最常见的强酸和碱。
酸碱电离常数
Brønsted-Lowry酸碱化学是质子的转移；因此，逻辑表明共轭酸碱对的相对强度之间存在关系。酸或碱的强度以其电离常数*K*a或*K*b来量化，这代表了酸或碱电离反应的程度。对于共轭酸碱对HA/A−，电离平衡方程和电离常数表达式是
共轭酸碱对的相对强度
化学平衡一章介绍了几种类型的平衡计算以及有助于执行这些计算的各种数学策略。这些策略通常对平衡系统有用，无论化学反应类别如何，因此它们可以有效地应用于酸碱平衡问题。本节介绍了几个涉及酸碱系统平衡计算的示例练习。
酸碱平衡计算
分子结构对酸碱强度的影响
由氢、氧和一些第三元素（“E”）组成的三元化合物的结构可以如下图所示。在这些化合物中，中心E原子键合到一个或多个O原子上，其中至少一个O原子还键合到一个H原子上，对应于通用分子式OmE（OH）n。根据中心E原子的性质，这些化合物可以是酸性的、碱性的或两性的。这种化合物的例子包括硫酸、O2S（OH）2、亚硫酸、OS（OH）2、硝酸、O2NOH、高氯酸、O3ClOH、氢氧化铝、Al（OH）3、氢氧化钙、Ca（OH）2和氢氧化钾、KOH：
三元酸碱
酸碱的相对强度
在本节结束时，您将能够：

*预测盐溶液是酸性、碱性还是中性
*计算盐溶液中各种物质的浓度
*描述水合金属离子的酸电离
m68806
盐是由阳离子和阴离子组成的离子化合物，其中任何一种都可能与水发生酸碱电离反应。因此，根据盐组成离子的相对酸碱强度，水溶液可以是酸性的、碱性的或中性的。例如，将氯化铵溶解在水中会导致其解离，如等式所述
酸性离子盐
作为另一个例子，考虑将乙酸钠溶解在水中：
碱性离子盐
一些盐由酸性和碱性离子组成，因此它们溶液的pH值将取决于这两种物质的相对强度。同样，一些盐含有一个双质子离子，因此该离子的酸碱特性的相对强度将决定其对溶液pH值的影响。对于这两种类型的盐，比较*K*a和*K*b值可以预测溶液的酸碱状态，如以下示例练习所示。
酸性和碱性离子盐
与前面实施例的第1和第2族金属离子（Na+、Ca2+等）不同，一些金属离子在水溶液中起到酸的作用。这些离子溶解时不仅被水分子松散地溶剂化，相反，它们共价键合在固定数量的水分子上，以产生复杂离子（见配位化学一章）。作为例子，硝酸铝在水中的溶解通常表示为
水合金属离子的电离
盐水解
在本节结束时，您将能够：

*将先前引入的平衡概念扩展到可能捐赠或接受多个质子的酸和碱
m68807
聚质子酸
在本节结束时，您将能够：

*描述酸碱缓冲液的组成和功能
*计算加入酸或碱前后缓冲液的pH值
m68808
为了说明缓冲溶液的功能，考虑一个大致等量的乙酸和乙酸钠的混合物。溶液中弱共轭酸碱对的存在赋予了中和适量添加的强酸或强碱的能力。例如，添加到该溶液中的强碱将中和水合离子，导致乙酸电离平衡向右移动，并产生额外量的弱共轭碱（乙酸离子）：
缓冲区如何工作
缓冲溶液没有无限的能力来保持pH相对恒定（[链接]）。相反，缓冲溶液抵抗pH变化的能力依赖于其共轭弱酸碱对的存在。当添加足够的强酸或碱以大幅降低缓冲对中任一成员的浓度时，溶液中的缓冲作用就会受到损害。
缓冲容量
选择缓冲液混合物有两个有用的经验法则：
选择合适的缓冲混合物
弱酸溶液的电离常数表达式可以写成：
亨德森-哈塞尔鲍奇方程
缓冲器
在本节结束时，您将能够：

*解释强酸碱和弱酸碱体系的滴定曲线
*计算滴定重要阶段的样品pH值
*说明酸碱指示剂的作用
m68809
滴定曲线是某种溶液性质与添加的滴定液量的关系图。对于酸碱滴定，溶液pH值是一个有用的监测属性，因为它可以预测地随溶液成分而变化，因此，可以用于监测滴定过程并检测其终端。以下示例练习演示了在添加几个指定滴定液体积后计算滴定溶液的pH值。第一个示例涉及强酸滴定，只需化学计量计算即可得出溶液pH值。第二个示例涉及需要平衡计算的弱酸滴定。
滴定曲线
某些有机物在稀溶液中，当水合离子浓度达到特定值时，会发生颜色变化。例如，在任何水合离子浓度大于5.0$×$10−9*M*（pH<8.3）的水溶剂中，酚酞都是无色物质。在水合离子浓度小于5.0$×$10−9*M*（pH>8.3）的更基本的溶液中，它是红色或粉红色的。可以用来测定溶液pH值的物质，如酚酞，被称为酸碱指示剂。酸碱指示剂要么是弱有机酸，要么是弱有机碱。
酸碱指示剂
酸碱滴定法
酸碱平衡
*沉淀和溶解
*路易斯酸和碱
*多重均衡
m68810
导言
在本节结束时，您将能够：

*写化学方程式和平衡表达式表示溶解度平衡
*进行涉及溶解度、平衡表达式和溶质浓度的平衡计算
m68811
回想一下关于溶液的章节，物质的溶解度可以从基本上为零（*不溶性*或*微溶性*）变化到无穷大（*混溶性*）。当溶解度有限的溶质以超过其溶解度的量添加到溶剂中时，会产生*饱和*溶液，导致饱和溶液和过量未溶解溶质的非均匀混合物。例如，氯化银的饱和溶液是一种已经建立了下面所示平衡的溶液。
溶解度积
微可溶性离子化合物的*K*sp可以简单地与其测量的溶解度相关，前提是溶解过程仅涉及解离和溶剂化，例如：
*K*sp和溶解度
描述固体碳酸钙及其溶剂化离子之间平衡的方程是：
预测降水
与纯水相比，离子化合物在含有*公共离子*的水溶液中的溶解度较小（离子化合物的溶解也会产生）。这是一个被称为**公共离子效应**的现象的例子，这是质量作用定律的结果，可以用勒·切泰勒原理来解释。考虑碘化银的溶解：
常见离子效应
沉淀与溶解
在本节结束时，您将能够：

*解释酸碱化学的路易斯模型
*为加合物和复杂离子的形成编写方程
*执行涉及形成常数的平衡计算
m68813
路易斯酸和碱
在本节结束时，您将能够：

*描述涉及两个（或多个）耦合化学平衡的系统示例
*计算耦合平衡系统的反应物和产物浓度
m68814
耦合均衡
其他反应类的平衡
*自发性
*熵
*热力学第二和第三定律
*自由能源
m68815
导言
在本节结束时，您将能够：

*区分自发和非自发过程
*描述伴随某些自发过程的物质和能量的扩散
m68816
将热力学概念的讨论扩展到预测自发性的目标，现在考虑一个由两个烧瓶组成的孤立系统，两个烧瓶与一个封闭的阀门相连。最初，一个烧瓶里有理想气体，另一个烧瓶是空的（*P*=0）。（[链接]）。当阀门打开时，气体自发膨胀，平等地充满两个烧瓶。回顾热化学一章中压力-体积功的定义，注意没有做任何功，因为真空中的压力为零。
物质和能量的分散
自发性
在本节结束时，您将能够：

*定义熵
*解释熵与微状态数的关系
*预测化学和物理过程的熵变化迹象
m68817
根据卡诺和克劳修斯的工作，路德维希·玻尔兹曼开发了一个分子尺度的概率模型，将系统的熵与系统可能的*微状态数量*（*W*）联系起来。微状态是构成系统的原子或分子的所有位置和能量的特定配置。系统的熵和可能的微状态数量之间的关系是
熵和微观状态
前面描述的熵、微态和物质/能量分散之间的关系使我们能够对物质的相对熵做出概括，并预测化学和物理过程中熵变化的迹象。考虑[链接]中所示的相位变化。在固相中，原子或分子被限制在相对于彼此几乎固定的位置，并且只能在这些位置上进行适度的振荡。由于系统组成粒子的位置基本上是固定的，微态的数量相对较少。在液相中，原子或分子可以自由地相互移动，尽管它们保持相对接近。这种增加的运动自由度导致可能的粒子位置发生更大的变化，因此微态的数量相应地大于固体。结果，*S*液体>*S*固体，物质从固体转化为液体（熔化）的过程以熵增加为特征，Δ*S*>0。同样的逻辑，倒数过程（冻结）表现出熵的减少，Δ*S*<0。
Δ*S*符号的预测
熵
在本节结束时，您将能够：

*陈述并解释热力学第二和第三定律
*计算标准条件下相变和化学反应的熵变化
m68818
为了寻找一种可以可靠预测过程自发性的属性，已经确定了一个有希望的候选者：熵。涉及系统熵*增加的过程*（Δ*S*>0）通常是自发的；然而，相反的例子很多。通过将熵变化的考虑扩大到包括*周围环境*，我们可以就这一属性和自发性之间的关系得出一个重要的结论。在热力学模型中，系统和周围环境构成了一切，即宇宙，因此以下是正确的：
热力学第二定律
上一节描述了物质和能量分散对系统熵的各种贡献。考虑到这些贡献，考虑一个没有动能的纯净、完美结晶固体的熵（即在绝对零度下，0 K）。这个系统可以用一个微观状态来描述，因为它的纯度、完美结晶度和完全缺乏运动意味着组成晶体的每个相同原子或分子只有一个可能的位置（*W*=1）。根据玻尔兹曼方程，这个系统的熵为零。
热力学第三定律
热力学第二和第三定律
在本节结束时，您将能够：

*定义吉布斯自由能，并描述其与自发性的关系
*使用反应物和产物的形成自由能计算过程的自由能变化
*使用生成焓及其反应物和产物的熵计算过程的自由能变化
*解释温度如何影响某些过程的自发性
*将标准自由能变化与平衡常数联系起来
m68819
除了表明自发性之外，自由能变化还提供了关于自发过程可能完成的有用功（*w*）的信息。尽管对这一主题的严格处理超出了介绍性化学文本的范围，但简短的讨论有助于更好地了解这一重要的热力学性质。
Δ*G*的“免费”是什么？
自由能是一个状态函数，因此它的值只取决于系统初始和最终状态的条件。计算物理和化学反应自由能变化的一个方便和通用的方法是使用广泛可用的标准态热力学数据汇编。一种方法包括使用标准焓和熵来计算标准自由能变化，Δ*G*°，根据以下关系。
计算自由能变化
利用生成的自由能计算上述反应的自由能变化是可能的，因为Δ*G*是一个状态函数，这种方法类似于使用赫斯定律计算焓变化（见热化学一章）。以水的汽化为例：
耦合反应的自由能变化
正如本章前面关于熵的部分所证明的，一个过程的自发性可能取决于系统的温度。例如，相变将根据所讨论物质的温度自发地向一个方向或另一个方向进行。同样，一些化学反应也可能表现出与温度相关的自发性。为了说明这一概念，考虑了将自由能变化与过程的焓和熵变化联系起来的方程：
自发性温度依赖性
一个过程的自由能变化可以看作是对其驱动力的度量。Δ*G*的负值表示该过程在正向的驱动力，而正值表示该过程在反向的驱动力。当Δ*G*为零时，正向和反向驱动力相等，该过程在两个方向上以相同的速率发生（系统处于平衡状态）。
自由能与均衡
自由能源
热力学
*平衡氧化还原反应
*原电池
*标准削减潜力
*能斯特方程
*电池和燃料电池
*腐蚀
*电解
m68820
导言
在本节结束时，您将能够：

*描述氧化还原化学的定义特征
*识别氧化还原反应的氧化剂和还原剂
*使用半反应法平衡氧化还原反应的化学方程式
m68821
根据定义，氧化还原反应是指一种或多种相关元素的氧化数（或氧化状态）发生变化的反应。化合物中元素的氧化数本质上是对其原子的电子环境与纯元素原子相比有何不同的评估。根据这种描述，*元素中原子的氧化数等于零*。对于化合物中的原子，*氧化数等于如果化合物是离子的，原子在化合物中的电荷*。根据这些规则，*分子中所有原子的氧化数之和等于分子上的电荷*。为了说明这种形式主义，将考虑离子和共价这两种化合物的例子。
氧化数
下面的不平衡方程描述了熔融氯化钠的分解：
平衡氧化还原方程
氧化还原化学综述
在本节结束时，您将能够：

*描述原电池及其组件的功能
*使用单元格符号来象征原电池的组成和结构
m68822
缩写符号通常用于通过提供有关其组成和结构的基本信息来表示原电池。这些符号表示称为单元格符号或单元格示意图，它们是按照一些准则编写的：
单元格符号
原电池
在本节结束时，您将能够：

*描述和联系电极和细胞电位的定义
*根据氧化剂和还原剂的相对强度解释电极电位
*使用标准电极电位计算细胞电位并预测氧化还原自发性
m68823
仔细考虑细胞和电极电位的定义以及迄今为止对自发氧化还原变化的观察，发现了一个重要的关系。上一节描述了水银（I）离子对铜的自发氧化，但没有观察到与水铅（II）离子的反应。[链接]中的计算结果刚刚显示*自发过程由正细胞电位描述*而*非自发过程表现出负细胞电位*。因此，关于水银+和铅2+离子在标准条件下氧化铜的相对有效性（“强度”），*更强的氧化剂是表现出更大标准电极电位的氧化剂，E°*。由于按照惯例，电极电位是用于还原过程的，因此*E°*的增加值对应于物种还原背后的驱动力的增加（因此增加了其作为*氧化剂*对其他物种的作用的有效性）。电极电位的负值仅仅是将0 V的值分配给HE的结果，表明半反应的反应物是比水氢离子更弱的氧化剂。
解释电极和细胞电位
电极和细胞电位
在本节结束时，您将能够：

*解释势、自由能变化和平衡常数之间的关系
*执行涉及细胞电位、自由能变化和平衡之间关系的计算
*使用Nernst方程确定非标准条件下的细胞电位
m68824
一个过程的标准自由能变化，Δ*G*°，在上一章中被定义为系统可以执行的最大功，*w*max。在标准状态条件下，在原电池内发生氧化还原反应的情况下，基本上所有的功都与将电子从还原剂转移到氧化剂有关，*w*elec：
E°和ΔG°
将先前导出的ΔG°和K之间的关系（参见热力学一章）与上述有关ΔG°和*E*°电池的方程结合起来，产生以下结果：
E°和K
大多数科学和社会感兴趣的氧化还原过程不会发生在标准状态条件下，因此，这些系统在非标准条件下的电位是一个值得关注的性质。在本节中建立了电位和自由能变化之间的关系后，前面讨论的自由能变化和反应混合物组成之间的关系可以用于此目的。
非标准条件下的势：能斯特方程
势、自由能和均衡
在本节结束时，您将能够：

*描述与几种常见电池相关的电化学
*区分燃料电池和电池的运行
m68825
一种常见的原电池是干电池，它使用锌罐作为容器和阳极（“-”端子），石墨棒作为阴极（“+”端子）。锌罐中填充有含有氧化锰（IV）、氯化锌（II）、氯化铵和水的电解质膏。石墨棒浸入电解质膏中以完成电池。自发的电池反应涉及锌的氧化：
一次性电池
镍镉电池（[link]）由镀镍阴极、镀镉阳极和氢氧化钾电极组成。隔膜防止短路的正极和负极板被卷在一起放入外壳中。这是一种“胶辊”设计，允许镍镉电池比类似大小的碱性电池提供更多的电流。反应是
可充电（二次）电池
燃料电池是一种使用传统可燃燃料的原电池，通常是氢气或甲烷，它们与氧化剂一起不断地注入电池。（燃料电池的另一个名字是*液流电池*，但并不太流行。）在电池内，燃料和氧化剂经历与燃烧时相同的氧化还原化学过程，但通过催化电化学，效率要高得多。例如，典型的氢燃料电池使用嵌入铂基催化剂的石墨电极来加速两种半电池反应：
燃料电池
电池和燃料电池
在本节结束时，您将能够：

*定义腐蚀
*列出一些防止或减缓腐蚀的方法
m68826
腐蚀
在本节结束时，您将能够：

*描述电解过程
*比较电解电池和原电池的操作
*执行电解过程的化学计量计算
m68827
金属钠、钠和氯气Cl2被用于许多应用，它们的工业生产依赖于熔融氯化钠NaCl（*l*）的大规模电解。工业过程通常使用类似于[链接]中所示简化插图的*唐斯电池*。与此过程相关的反应是：
熔融氯化钠的电解
水可以在类似于[链接]中所示的电池中电解分解。为了在不引入不同氧化还原物质的情况下提高电导率，通常通过添加强酸来增加水的氢离子浓度。与该电池相关的氧化还原过程是
水的电解
当离子化合物的水溶液被电解时，阳极和阴极半反应可能涉及水物种（H2O、H+、OH-）或溶质物种（化合物的阳离子和阴离子）的电解。例如，氯化钠水溶液的电解可能涉及这两种阳极反应中的任何一种：
氯化钠水溶液的电解
电流被定义为任何带电物质的流速。与此讨论最相关的是电子的流动。电流以称为安培的复合单位测量，定义为每秒一库仑（A=1C/s）。在指定的时间间隔内，通过恒定电流*I*传递的电荷*Q*然后由简单的数学乘积给出
电解的定量方面
电解
电化学
*周期性
*代表性金属的赋存和制备
*非金属的结构和一般性质
非金属的结构和一般性质
氢的赋存、制备和化合物
碳酸盐的赋存、制备和性质
*氮气的发生、制备和性质
*磷的赋存、制备和性质
*氧的发生、制备和化合物
*硫的赋存、制备和性质
卤素的发生、制备和性质
稀有气体的赋存、制备和性质
m68828
导言
在本节结束时，您将能够：

*对元素进行分类
*对代表性元素的周期性属性进行预测
m68829
碱金属锂、钠、钾、钌、铯和锰构成元素周期表中的第1族。尽管氢属于第1族（也属于第17族），但它是非金属，值得在本章后面单独考虑。碱金属的名称是指这些金属及其氧化物与水反应形成非常碱性（碱性）溶液的事实。
第1组：碱金属
碱土金属（铍、镁、钙、锶、钡和镭）构成元素周期表中的第2族。碱金属的名称来自这样一个事实，即该族较重成员的氧化物与水反应形成碱性溶液。当从第1族到第2族时，核电荷增加。由于这种电荷增加，碱土金属的原子比同一时期内的碱金属更小，具有更高的第一电离能。较高的电离能使碱土金属的反应性低于碱金属；然而，它们仍然是非常活泼的元素。正如预期的那样，随着尺寸的增加和电离能的降低，它们的反应性增加。在化学反应中，这些金属很容易失去两个价电子，形成化合物，其中它们表现出2+的氧化态。由于它们的高反应性，通常通过电解生产碱土金属，如碱金属。尽管电离能很低，但电离能最高的两种金属（铍和镁）确实形成了表现出一些共价键的化合物。像碱金属一样，较重的碱土金属给火焰赋予颜色。就像碱金属一样，这是这些元素发射光谱的一部分。钙和锶产生深浅的红色，而钡产生绿色。
第2组：碱土金属
第12组中的元素是过渡元素；然而，最后加入的电子不是*d*电子，而是*s*电子。由于最后加入的电子是*s*电子，这些元素有资格成为代表性金属或后过渡金属。第12组元素的行为更像碱土金属，而不是过渡金属。第12组包含锌、镉、汞和哥白金四种元素。每种元素的外壳（*ns*2）都有两个电子。当这些金属的原子形成电荷为2+的阳离子时，两个外部电子丢失，它们具有伪稀有气体电子构型。汞有时是个例外，因为它在含有双原子${\text{Hg}}_{2}{}^{2+}$离子的化合物中也表现出1+的氧化态。在元素形式和化合物中，镉和汞都是有毒的。
第12组
第13族含有非金属硼和金属铝、镓、铟和铊。最轻的元素硼是半导体的，它的二元化合物倾向于共价键，而不是离子。该族的其余元素是金属，但它们的氧化物和氢氧化物改变了特性。铝和镓的氧化物和氢氧化物表现出酸性和碱性行为。一种物质，如这两种，将与酸和碱发生反应，是两性的。这种特性说明了这两种元素的非金属和金属行为的结合。铟和铊氧化物和氢氧化物只表现出基本行为，根据这两种元素的明显金属特性。镓的熔点异常低（约30℃），会在你手里融化。
第十三组
第14族的金属成员是锡、铅和氟。碳是典型的非金属。该族的其余元素硅和锗是半金属或准金属的例子。锡和铅形成稳定的二价阳离子Sn2+和Pb2+，氧化态比4+的族氧化态低两个。这种氧化态的稳定性是惰性对效应的结果。锡和铅也形成正式的4+氧化态的共价化合物。例如，SnCl4和PbCl4是低沸点的共价液体。
第十四组
铋是第15族中最重的元素，与其他代表性金属相比，它的活性较低。它很容易将其五个价电子中的三个放弃给活性非金属，形成三正离子Bi3+。只有在用强氧化剂处理时，它才会形成基团氧化态为5+的化合物。3+氧化态的稳定性是惰性对效应的另一个例子。
第十五组
周期性
在本节结束时，您将能够：

*查明代表性金属的自然来源
*描述从天然来源制备这些元素的电解和化学还原过程
m68830
第1和第2族金属中的离子，连同铝，很难还原；因此，有必要通过电解制备这些元素，这是电化学一章中讨论的一个重要过程。简而言之，电解涉及使用电能驱动不利的化学反应完成；它在纯净形式的活性金属的分离中很有用。钠、铝和镁就是典型的例子。
电解
使用其他元素作为还原剂，通过化学还原可以分离出许多具有代表性的金属。一般来说，化学还原比电解便宜得多，因此，化学还原是分离这些元素的首选方法。例如，通过化学还原可以生产钾、钌和铯，因为有可能用金属钠还原这些金属的熔融氯化物。考虑到这些金属比钠更具反应性，这可能令人惊讶；然而，形成的金属比钠更易挥发，可以蒸馏收集。金属蒸汽的去除导致平衡的转变，以产生更多的金属（请参阅关于基本平衡概念一章中关于Le Châtelier原理的讨论中如何驱动反应）。
化学还原
代表性金属的赋存与制备
在本节结束时，您将能够：

*描述非金属的一般制备、性质和用途
*描述硼和硅的制备、性质和化合物
m68831
共价键是非金属晶体结构的关键。在这方面，这些元素的行为类似于非金属。
非金属的结构
硼占地壳重量的不到0.001%。在自然界中，它只存在于与氧的化合物中。硼广泛分布在火山地区，如硼酸，B（OH）3，在干燥的湖泊地区，包括加利福尼亚的沙漠地区，作为硼酸盐和硼氧酸盐，如硼砂，Na2B4O7ل10H2O。
硼和硅的赋存、制备和化合物
非金属的结构和一般性质
在本节结束时，您将能够：

*描述非金属的结构和性质
m68832
非金属的结构与金属的结构有很大不同。金属以不包含分子或共价键的紧密排列结晶。非金属结构包含共价键，许多非金属由单个分子组成。非金属中的电子定位在共价键中，而在金属中，整个固体中的电子都有离域化。
非金属的结构
碳以多种形式以未结合（元素）状态存在，如金刚石、石墨、木炭、焦炭、炭黑、石墨烯和富勒烯。
碳
磷这个名字来源于希腊语，意思是带来光明。当磷第一次被分离出来时，科学家注意到它在黑暗中发光，暴露在空气中燃烧。磷是其族中唯一不以未结合状态出现的成员；它以许多同素异形的形式存在。我们将考虑其中的两种形式：白磷和红磷。
磷
硫的同素异形比任何其他元素都要大得多，也复杂得多。硫是圣经和其他地方提到的硫磺，在有记载的历史中，硫一直被提及——直到最近发现它是金星和木星卫星木卫一大气的组成部分。硫最常见和最稳定的同素异形体是黄色的菱形硫，之所以如此命名是因为它的晶体形状。菱形硫是所有其他同素异形体在室温下恢复的形式。菱形硫的晶体在113°C熔化。冷却这种液体会产生长的单斜硫针。这种形式从96°C到熔点119°C稳定。在室温下，它逐渐恢复成菱形。
硫磺
非金属的结构和一般性质
在本节结束时，您将能够：

*描述氢的性质、制备和化合物
m68833
元素氢必须通过打破化学键从化合物中制备。最常见的制氢方法如下。
氢气的制备
在正常情况下，氢在化学上相对不活跃，但当加热时，它会进入许多化学反应。
反应
除了稀有气体，每种非金属都与氢形成化合物。为了简洁起见，我们将在这里只讨论非金属的一些氢化合物。
氢化合物
氢的赋存、制备和化合物
在本节结束时，您将能够：

*描述一些代表性金属碳酸盐的制备、性质和用途
m68834
碳酸盐的赋存、制备和性质
在本节结束时，您将能够：

*描述氮的性质、制备和用途
m68835
氮的赋存、制备和性质
在本节结束时，您将能够：

*描述磷的性质、制备和用途
m68836
磷形成两种常见的氧化物，磷（III）氧化物（或四磷六氧化物），P4O6，和磷（V）氧化物（或四磷十氧化物），P4O10，均如[链接]所示。磷（III）氧化物是一种白色结晶固体，有大蒜般的气味。它的蒸汽毒性很大。它在空气中慢慢氧化，加热到70℃时燃烧，形成P4O10。磷（III）氧化物在冷水中慢慢溶解，形成磷酸，H3PO3。
磷氧化合物
磷会直接与卤素反应，形成三卤化物PX3和五卤化物PX5。三卤化物比相应的三卤化氮稳定得多；五卤化氮不会形成，因为氮不能形成四个以上的键。
磷卤素化合物
磷的赋存、制备和性质
在本节结束时，您将能够：

*描述氧的性质、制备和化合物
*描述一些代表性金属氧化物、过氧化物和氢氧化物的制备、性质和用途
m68837
元素氧是一种强氧化剂。它与大多数其他元素和许多化合物发生反应。
反应
代表性金属与氧的化合物分为三类：（1）氧化物，含有氧化物离子，O2-；（2）过氧化物，含有过氧化物离子，${\text{O}}_{2}{}^{2-}，$具有氧-氧共价键和非常有限数量的超氧化物，含有超氧化物离子，${\text{O}}_{2}}{\text{−}},$ 具有1美元键序的氧-氧共价键{0.2em}{0ex}}\frac{1}{2}，$此外，还有（3）氢氧化物，含有氢氧化物离子，OH−。所有代表性金属都形成氧化物。第2族的一些金属也形成过氧化物MO2，第1族的金属也形成过氧化物M2O2和超氧化物MO2。
氧化物、过氧化物和氢氧化物
大多数非金属与氧反应形成非金属氧化物。根据元素可用的氧化态，可能会形成各种氧化物。氟将与氧结合形成氟化物，如OF2，其中氧具有2+氧化态。
非金属氧化合物
当非金属氧化物与水反应时形成酸；这些是酸酐。生成的氧阴离子可以与各种金属离子形成盐。
非金属氧酸及其盐
五氧化二氮、N2O5和NO2与水反应形成硝酸，HNO3。早在八世纪，炼金术士就知道硝酸（如[链接]所示）为*aqua fortis*（意思是“强水”）。这种酸在金银分离中很有用，因为它溶解银而不是金。雷暴后大气中存在微量硝酸，其盐类在自然界中分布广泛。在智利和秘鲁边界附近的沙漠地区有巨大的智利硝石NaNO3矿藏。孟加拉硝石KNO3出现在印度和远东其他国家。
氮氧酸和盐
纯正磷酸，H3PO4（如[链接]所示），形成无色、易潮解的晶体，在42℃下融化。这种化合物的俗称是磷酸，以82%的粘性溶液作为糖浆磷酸上市。磷酸的一种用途是作为许多软饮料的添加剂。
磷氧酸和盐
硫酸H2SO4（如[链接]所示）的制备，首先将硫氧化成三氧化硫，然后将三氧化硫转化为硫酸。纯硫酸是一种无色的油性液体，在10.5℃下冻结。加热时会冒烟，因为酸分解成水和三氧化硫。加热过程导致三氧化硫的损失比水多，直到达到98.33%的酸浓度。该浓度的酸在338℃下沸腾，浓度没有进一步变化（恒定的溶液沸腾），并在商业上浓缩H2SO4。工业中使用的硫酸量超过任何其他制造化合物。
硫氧酸和盐
化合物HXO、HXO2、HXO3和HXO4，其中X代表Cl、Br或I，分别是次卤酸、卤酸、卤酸和全卤酸。这些酸的强度从次卤酸（非常弱的酸）增加到全卤酸（非常强）。[链接]列出了已知的酸，如果已知，它们的pKa值在括号中给出。
卤氧酸及其盐
氧的出现、制备和化合物
在本节结束时，您将能够：

*描述硫磺的性质、制备和用途
m68838
硫的赋存、制备和性质
在本节结束时，您将能够：

*描述卤素的制备、性质和用途
*描述卤素化合物的性质、制备和用途
m68839
所有卤素都以卤化物离子的形式存在于海水中。氯离子的浓度为0.54*M*；其他卤化物的浓度小于10-4*M*。氟化物也存在于CaF2、Ca（PO4）3F和Na3AlF6等矿物质中。氯化物也存在于大盐湖和死海，以及含有NaCl、KCl或MgCl2的广泛盐床中。你体内的一部分氯以盐酸的形式存在，盐酸是胃酸的一种成分。溴化合物存在于死海和地下盐水中。碘化合物在智利硝石、地下盐水和海带中少量存在。碘对甲状腺的功能至关重要。
发生与准备
氟是一种淡黄色的气体，氯是一种绿黄色的气体，溴是一种深红棕色的液体，碘是一种灰黑色的结晶固体。液体溴的蒸气压很高，红色的蒸汽在[link]中很容易看到。碘晶体有明显的蒸气压。当轻轻加热时，这些晶体升华并形成美丽的深紫色蒸汽。
卤素的性质
已经制备了数千种代表性金属的盐。二元卤化物是盐的一个重要亚类。盐是由阳离子和阴离子组成的离子化合物，而不是氢氧化物或氧化物离子。一般来说，可以从金属或氧化物、氢氧化物或碳酸盐中制备这些盐。我们将通过用于制备二元卤化物的反应来说明制备盐的一般反应类型。
代表金属的卤化物
由两种或多种不同卤素形成的化合物是卤素间化合物。卤素间分子由较重卤素的一个原子通过单键与较轻卤素的奇数个原子结合组成。IF3、IF5和IF7的结构在[链接]中有所说明。其他卤素间的公式，每个公式都来自各自卤素的反应，在[链接]中。
卤素间化合物
氟化物离子和氟化合物有许多重要用途。碳、氢和氟的化合物正在取代氟利昂（碳、氯和氟的化合物）作为制冷剂。铁氟龙是一种由-CF2CF2-单元组成的聚合物。氟化物离子作为SnF2或NaF添加到供水和一些牙膏中以对抗蛀牙。氟化物部分地将牙齿从Ca5（PO4）3（OH）转化为Ca5（PO4）3F。
应用
卤素的赋存、制备和性质
在本节结束时，您将能够：

*描述惰性气体的性质、制备和用途
m68840
惰性气体的赋存、制备和性质
代表性金属、非金属和非金属
过渡金属及其化合物的赋存、制备和性能
*过渡金属配位化学
*配位化合物的光谱和磁性
m68841
导言
m68842
过渡金属表现出广泛的化学行为。从它们的还原电位可以看出（见附录H），一些过渡金属是强还原剂，而另一些则具有非常低的反应性。例如，镧系元素都形成稳定的3+水性阳离子。这种氧化的驱动力类似于Be或Mg等碱土金属，形成Be2+和Mg2+。另一方面，像铂和金这样的材料具有高得多的还原电位。它们抗氧化的能力使它们成为构建电路和珠宝的有用材料。
过渡元素的属性
古代文明知道铁、铜、银和金。人类历史上被称为青铜时代和铁器时代的时期标志着社会学会分离某些金属并用它们制造工具和商品的进步。自然存在的铜、银和金矿石可以以元素形式含有高浓度的这些金属（[链接]）。另一方面，铁在地球上几乎完全以氧化形式出现，如铁锈（Fe2O3）。已知最早的铁器是由铁陨石制成的。大约在公元前4000年至2500年幸存的铁文物很罕见，但所有已知的例子都包含特定的铁和镍合金，这些合金只出现在外星物体中，而不是地球上。经过几千年的技术进步，文明才发展出炼铁，从天然矿石中提取纯元素的能力，铁工具才变得普遍。
过渡要素的准备
铁在制造工具和武器方面的早期应用是可能的，因为铁矿石分布广泛，矿石中的铁化合物很容易被碳还原。在很长一段时间里，木炭是还原过程中使用的碳的形式。大约在1620年，铁的生产和使用变得更加普遍，当时焦炭被引入作为还原剂。焦炭是一种碳的形式，在没有空气的情况下加热煤以去除杂质。
铁的隔离
最重要的铜矿含有硫化铜（如钴钴矿、CuS），尽管有时会发现氧化铜（如藤石、CuO）和羟基碳酸铜[如孔雀石、Cu2（OH）2CO3]。在铜金属的生产中，浓缩的硫化矿被焙烧以去除部分硫作为二氧化硫。剩余的混合物由Cu2S、FeS、FeO和SiO2组成，与石灰石混合，石灰石作为助熔剂（一种有助于去除杂质的材料）并加热。路易斯酸碱反应去除铁和二氧化硅时形成熔渣：
铜的隔离
银有时出现在大金块（[link]）中，但更常见于矿脉和相关矿床中。曾经，淘选是分离银和金块的有效方法。由于它们的低反应性，这些金属和其他一些金属以金块的形式出现在矿床中。铂的发现是由于中美洲的西班牙探险家将铂块误认为银。当金属不是金块的形式时，采用一种称为湿法冶金的方法将银从矿石中分离出来通常是有用的。水文学涉及从混合物中分离金属，首先将其转化为可溶性离子，然后提取和还原它们以沉淀纯金属。在空气存在下，碱金属氰化物容易形成可溶性二氰基阿根廷酸盐（I）离子，${\左[\text{Ag}{\左（\text{CN}\右）}_{2}\右]}^{-},$ 来自银金属或含银化合物，如Ag2S和AgCl。代表性方程是：
银的隔离
过渡元素的简单化合物中的键从离子到共价键不等。在较低的氧化状态下，过渡元素形成离子化合物；在较高的氧化状态下，它们形成共价键化合物或多原子离子。过渡元素表现出的氧化状态的变化使这些化合物具有金属基氧化还原化学。含有过渡系列元素的几类化合物的化学如下。
过渡金属化合物
过渡金属及其化合物的赋存、制备和性能
在本节结束时，您将能够：

*列出配位化合物的定义特征
*描述含有单齿和多齿配体的配合物的结构
*使用标准命名规则命名配位化合物
*解释并提供几何和光学异构的例子
*查明在自然和技术上出现的几种配位化合物
m68843
配合物的命名遵循了瑞士化学家、诺贝尔奖获得者阿尔弗雷德·沃纳提出的一个系统。100多年前，沃纳的杰出工作为更清楚地理解这些化合物奠定了基础。以下五条规则用于命名配合物：
复合体的命名
对于过渡金属配合物，配位数决定了中心金属离子周围的几何形状。配位化合物中最常见的配合物结构是正方形平面、四面体和八面体，分别对应配位数为4、4和6。配位数大于6不太常见，并产生多种结构（见[链接]和[链接]）：
复合体的结构
异构体是具有相同化学式的不同化学物种。过渡金属配合物通常作为**几何异构体**存在，其中相同的原子通过相同类型的键连接，但它们在空间中的取向不同。配位配合物与来自感兴趣配体的*顺式*和*反式*位置的两种不同配体形成异构体。例如，八面体[Co（NH3）4Cl2]+离子有两个异构体。在*顺式*构型中，两个氯化物配体彼此相邻（[link]）。另一个异构体，*反式*构型，两个氯化物配体直接相对。
配合物中的异构现象
叶绿素是植物中的绿色色素，是一种含有镁的复合物（[链接]）。这是配位复合物中主要组元素的一个例子。植物呈现绿色是因为叶绿素吸收红色和紫色的光；因此反射的光看起来是绿色的。吸收光产生的能量用于光合作用。
自然与技术中的配位复合物
过渡金属配位化学
在本节结束时，您将能够：

*概述晶体场论（CFT）的基本前提
*识别与各种d-轨道分裂模式相关的分子几何形状
*预测选定过渡金属原子或离子的分裂d轨道的电子构型
*用CFT概念解释光谱和磁性
m68844
为了解释所观察到的过渡金属配合物的行为（例如颜色是如何产生的），发展了一个涉及来自配体的电子与中心金属原子未杂交*d*轨道中的电子之间静电相互作用的模型，该静电模型是晶场理论（CFT），它使我们能够理解、解释和预测过渡金属配位化合物的颜色、磁性行为和某些结构。
晶场理论
磁性测量的实验证据支持高自旋和低自旋配合物理论。请记住，含有未成对电子的分子，如O2，是顺磁性的。顺磁性物质被磁场吸引。许多过渡金属配合物有未成对电子，因此是顺磁性的。不含有未成对电子的分子，如N2和离子，如Na+和[Fe（CN）6] 4-是反磁性的。反磁性物质有轻微的被磁场排斥的趋势。
分子和离子的磁矩
当原子或分子以适当的频率吸收光时，它们的电子被激发到更高能量的轨道上，对于许多主族原子和分子来说，被吸收的光子在电磁波谱的紫外范围内，人眼无法探测到。对于配位化合物来说，*d*轨道之间的能量差往往允许可见光范围内的光子被吸收。
过渡金属配合物的颜色
配位化合物的光谱和磁性
过渡金属与配位化学
*碳氢化合物
*醇和醚
*醛、酮、羧酸和酯
*胺和酰胺
m68845
导言
在本节结束时，您将能够：

*解释碳氢化合物的重要性及其多样性的原因
*命名饱和和不饱和碳氢化合物及其衍生分子
*描述饱和和不饱和烃的反应特征
*确定碳氢化合物的结构和几何异构体
m68846
烷烃或饱和碳氢化合物只包含碳原子之间的单共价键。烷烃中的每个碳原子都有*sp*3杂化轨道，并与其他四个原子结合，每个原子都是碳或氢。甲烷、乙烷和戊烷的刘易斯结构和模型在[link]中进行了说明。碳链通常在刘易斯结构中画成直线，但人们必须记住，刘易斯结构并不是为了指示分子的几何形状。请注意，戊烷分子的结构模型（球棒和空间填充模型）中的碳原子并不位于一条直线上。由于*sp*3杂化，碳链中的键角接近109.5°，使烷烃中的此类链呈锯齿形。
烷烃
国际纯粹化学和应用化学联合会（IUPAC）设计了一个命名系统，该系统从烷烃的名称开始，可以从那里进行调整，以解释更复杂的结构。烷烃的命名基于两条规则：
有机命名的基础：烷烃命名
碳原子之间含有一个或多个双键或三键的有机化合物被描述为不饱和的。你可能听说过不饱和脂肪。这些是具有长链碳原子的复杂有机分子，碳原子之间至少含有一个双键。含有一个或多个双键的不饱和烃分子被称为烯烃。由双键连接的碳原子由两个键结合在一起，一个σ键和一个π键。双键和三键在参与其中的碳原子周围产生了不同的几何形状，导致分子形状和性质的重要差异。不同的几何形状是不饱和脂肪和饱和脂肪不同性质的原因。
烯烃
具有一个或多个三键的烃分子被称为炔；它们构成了另一个系列的不饱和烃。由三键连接的两个碳原子通过一个σ键和两个π键结合在一起。三键中涉及的*sp*-杂化碳的键角为180°，使这些类型的键具有线性的棒状形状。
炔
苯C6H6是一个被称为芳香烃的大碳氢化合物家族中最简单的成员。这些化合物含有环结构，并表现出必须用价键理论的共振混合概念或分子轨道理论的离域概念来描述的键。（要回顾这些概念，请参阅前面关于化学键的章节）。苯C6H6的共振结构是：
芳烃
碳氢化合物
在本节结束时，您将能够：

*描述醇的结构和性质
*描述醚的结构和性质
*醇和醚的名称和绘制结构
m68847
氧原子与含碳和含氢分子的结合导致了新的官能团和新的化合物家族。当氧原子通过单键连接时，分子要么是醇，要么是醚。
酒类
醚是含有官能团-O-的化合物。醚不像我们迄今为止命名的其他类型的分子那样有指定的后缀。在IUPAC系统中，氧原子和较小的碳分支被命名为烷氧基取代基，分子的其余部分被命名为碱链，如烷烃中所示。如下面的化合物所示，红色符号代表较小的烷基和氧原子，它们将被命名为“甲氧基”。较大的碳分支将是乙烷，使分子甲氧基乙烷。许多醚被称为通用名称，而不是IUPAC系统名称。对于通用名称，连接到氧原子的两个分支被单独命名，后跟“醚”。[链接]中显示的化合物的通用名称是乙基甲基醚：
乙醚
醇和醚
在本节结束时，您将能够：

*描述醛、酮、羧酸和酯的结构和性质
m68848
醛和酮都含有羰基，这是一个具有碳氧双键的官能团。醛和酮化合物的名称是使用与烷烃和醇相似的命名规则得出的，分别包括识别类别的后缀*-al*和*-one*：
醛酮
醋的气味是由醋中醋酸（一种羧酸）的存在引起的。成熟香蕉和许多其他水果的气味是由于酯的存在，酯是可以通过羧酸与酒精反应制备的化合物。因为酯在分子之间没有氢键，它们的蒸气压比衍生它们的醇和羧酸低（见[链接]）。
羧酸和酯
醛、酮、羧酸和酯
在本节结束时，您将能够：

*描述胺的结构和性质
*描述酰胺的结构和性质
m68849
胺和酰胺
有机化学
*核结构和稳定
*核方程式
*放射性衰变
*蜕变与核能
*放射性同位素的使用
*辐射的生物效应
m68850
导言
在本节结束时，您将能够：

*用质子、中子和电子描述核结构
*计算原子核的质量缺陷和结合能
*解释原子核相对稳定的趋势
m68851
作为与强核力相关的能量的一个简单例子，考虑由两个质子、两个中子和两个电子组成的氦原子。这六个亚原子粒子的总质量可以计算为：
核束缚能
如果一个原子核不能在不增加外部能量的情况下转变成另一种结构，那么它就是稳定的。在存在的数千种核素中，大约250种是稳定的。稳定原子核的中子数量与质子数量的关系图显示，稳定的同位素属于一个狭窄的带。这个区域被称为稳定带（也称为稳定带、稳定带或稳定谷）。[link]中的直线代表质子与中子比例为1:1（n：p比率）的原子核。请注意，一般来说，较轻的稳定原子核的质子和中子数量相等。例如，氮-14有七个质子和七个中子。然而，较重的稳定原子核的中子数量越来越多。例如：铁-56有30个中子和26个质子，n： p比为1.15，而稳定的核素铅-207有125个中子和82个质子，n：p比等于1.52。这是因为较大的原子核有更多的质子-质子排斥，需要更多的中子来提供补偿力来克服这些静电排斥并将原子核保持在一起。
核稳定
核结构与稳定性
在本节结束时，您将能够：

*确定核反应中涉及的常见粒子和能量
*编写和平衡核方程
m68852
许多实体都可以参与核反应。最常见的是质子、中子、α粒子、β粒子、正电子和伽马射线，如[link]所示。质子$\左（{}_{1}^{1}\text{p}，$也用符号${}表示_{1}^{1}\text{H}\right）$和中子$\左（{}_{0}^{1}\text{n}\right）$是原子核的组成部分，前面已经描述过了。α粒子$\左（{}_{2}^{4}\text{He}，$也用符号${}表示_{2}^{4}\text{α}\right）$是高能氦核。β粒子$\左（{}_{-1}^{{\规则{0.5em}{0ex}} 0}\text{β}，$也用符号${}表示_{-1}^{{\规则{0.5em}{0ex}}0}\text{e}\right）$是高能电子，伽马射线是非常高能电磁辐射的光子。正电子$\左（{}_{+1}^{{\规则{0.5em}{0ex}}0}\text{e}，$也用符号${}表示_{+1}^{\规则{0.5em}{0ex}}0}\text{β}\right）$是带正电荷的电子（“反电子”）。下标和上标是平衡核方程所必需的，但在其他情况下通常是可选的。例如，α粒子是氦核（He），电荷为+2，质量数为4，因此符号为${_}{2}{$这是因为，一般来说，离子电荷在核方程的平衡中并不重要。
核反应中粒子的类型
平衡的化学反应方程式反映了这样一个事实，即在化学反应中，键断裂并形成，原子重新排列，但每种元素的原子总数是守恒的，不会改变。平衡的核反应方程式表明，在核反应中存在重排，但核子（原子核内的亚原子粒子）而不是原子。核反应也遵循守恒定律，它们以两种方式平衡：
平衡核反应
核方程
在本节结束时，您将能够：

*认识到放射性衰变的常见模式
*确定核衰变反应中涉及的常见粒子和能量
*编写和平衡核衰变方程
*计算衰变过程的动力学参数，包括半衰期
*描述常见的辐射测年技术
m68854
欧内斯特·卢瑟福关于辐射与磁场或电场相互作用的实验（[链接]）帮助他确定了一种辐射由带正电荷且相对较大的α粒子组成；第二种类型由带负电荷且质量小得多的β粒子组成；第三种是不带电的电磁波，γ射线。我们现在知道α粒子是高能氦核，β粒子是高能电子，而γ辐射构成高能电磁辐射。我们根据产生的辐射对不同类型的放射性衰变进行分类。
放射性衰变的类型
最重元素的自然发生的放射性同位素落入连续解体或衰变链中，一条链中的所有物种构成一个放射性家族或放射性衰变系列。其中三个系列包括元素周期表中的大部分自然放射性元素。它们是铀系列、Actinide系列和钍系列。钕系列是第四个系列，由于所涉及物种的半衰期较短，它在地球上不再重要。每个系列的特征是一个具有长半衰期的父（第一个成员）和一系列最终导致稳定最终产物的子核素——即稳定带上的核素（[链接]）。在所有三个系列中，最终产物都是铅的稳定同位素。先前被认为以铋-209终止的钕系列以铊-205终止。
放射性衰变系列
放射性衰变遵循一级动力学。由于一级反应已经在动力学章节中详细介绍过，我们现在将把这些概念应用于核衰变反应。每种放射性核素都有一个特征，恒定的半衰期（*t*1/2），即样品中一半原子衰变所需的时间。同位素的半衰期使我们能够确定有用同位素的样品可以使用多长时间，以及在不需要或危险同位素的样品衰变到不再是问题的足够低的辐射水平之前必须储存多长时间。
放射性半衰期
几种放射性同位素具有半衰期和其他特性，使它们有助于“测年”考古文物、以前的生物体或地质构造等物体的起源。这一过程是辐射测年，并促成了许多关于地球地质历史、生命进化和人类文明历史的突破性科学发现。我们将探索一些最常见的放射性测年类型，以及特定同位素如何为每种类型工作。
辐射测年
放射性衰变
在本节结束时，您将能够：

*描述超铀核素的合成
*解释核裂变和聚变过程
*说明临界质量和核连锁反应的概念
*总结核裂变和聚变反应堆的基本要求
m68856
核嬗变是一种核素向另一种核素的转化。它可以通过原子核的放射性衰变，或者原子核与另一种粒子的反应来发生。1919年，欧内斯特·卢瑟福的实验室通过蜕变反应产生了第一个人造原子核，即一种原子核与其他原子核或中子轰击。卢瑟福用来自镭的天然放射性同位素的高速α粒子轰击氮原子，并观察到反应产生的质子：
核素的合成
许多每核子结合能较小的较重元素可以分解成具有中间质量数和每个核子结合能较大的更稳定的元素——也就是说，每个核子的质量数和结合能更接近56附近结合能图的“峰值”（见[链接]）。有时也会产生中子。这种分解被称为裂变，将一个大原子核分解成更小的碎片。随着大量不同产物的形成，这种断裂是相当随机的。裂变通常不会自然发生，而是通过中子轰击诱导的。第一次报道的核裂变发生在1939年，当时三位德国科学家莉斯·迈特纳、奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼用缓慢移动的中子轰击铀-235原子，这些中子将铀-238原子核分裂成更小的碎片，这些碎片由周期表中间附近的几个中子和元素组成。从那时起，在许多其他同位素中观察到裂变，包括大多数具有奇数个中子的Acitinide同位素。[链接]中显示了典型的核裂变反应。
核裂变
核燃料由可裂变同位素组成，如铀235，它必须以足够的数量存在以提供自我维持的连锁反应。在美国，铀矿含有0.05-0.3%的氧化铀U3O8；矿石中的铀约为99.3%的不裂变铀238，只有0.7%的可裂变铀235。核反应堆需要比自然界中发现的铀235浓度更高的燃料；它通常被浓缩成铀质量的5%左右为铀235。在这个浓度下，不可能达到核爆炸所需的超临界质量。铀可以通过气体扩散（美国目前唯一使用的方法）、使用气体离心机或激光分离来浓缩。
核燃料
核反应产生的中子移动太快而导致裂变（参考回[链接]）。它们必须首先被减慢，才能被燃料吸收并产生额外的核反应。核慢化剂是一种将中子减慢到足以导致裂变的速度的物质。早期的反应堆使用高纯度石墨作为慢化剂。美国的现代反应堆专门使用重水$\左（{{}_{1}^{2}\text{H}}_{2}\text{O}\right）$或轻水（普通H2O），而其他国家的一些反应堆使用其他材料，如二氧化碳、铍或石墨。
核调节员
核反应堆冷却剂用于将裂变反应产生的热量输送到外部锅炉和涡轮机，在那里转化为电能。通常使用两个重叠的冷却剂回路；这抵消了放射性从反应堆到主冷却剂回路的转移。美国所有的核电站都使用水作为冷却剂。其他冷却剂包括熔融钠、铅、铅铋混合物或熔盐。
反应堆冷却剂
核反应堆使用控制棒（[link]）通过调整存在的慢中子数量来控制核燃料的裂变速率，以将链式反应的速率保持在安全水平。控制棒由硼、镉、氡或其他能够吸收中子的元素制成。例如，硼-10通过产生锂-7和α粒子的反应吸收中子：
控制杆
在运行过程中，核反应堆会产生中子和其他辐射。即使关闭，衰变产物也是放射性的。此外，运行中的反应堆在热上非常热，高压来自水或其他冷却剂的循环。因此，反应堆必须承受高温和高压，并且必须保护操作人员免受辐射。反应堆配备了一个由三部分组成的安全壳系统（或防护罩）：
屏蔽和防护系统
将非常轻的原子核转化为较重的原子核的过程也伴随着质量转化为大量能量的过程，这一过程称为聚变。太阳中的主要能量来源是净聚变反应，其中四个氢原子核融合并产生一个氦核和两个正电子。这是一系列更复杂事件的净反应：
核聚变和聚变反应堆
嬗变与核能
在本节结束时，您将能够：

*列出放射性同位素的常见应用
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放射性同位素的用途
在本节结束时，您将能够：

*说明电离辐射的生物影响
*界定测量辐射照射的单位
*解释检测放射性的常用工具的操作
*列出美国常见的辐射源
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非电离辐射（例如，光和微波）和电离辐射的生物效应的大小存在很大差异，这些辐射的能量足以将电子从分子中敲除（例如，α和β粒子、γ射线、X射线和高能紫外线辐射）（[链接]）。
电离和非电离辐射
几种不同的设备用于检测和测量辐射，包括盖革计数器、闪烁计数器（scintillator）和辐射剂量计（[link]）。可能是最著名的辐射仪器，盖革计数器（也称为盖革-穆勒计数器）检测和测量辐射。辐射导致盖革-穆勒管中气体的电离。电离率与辐射量成正比。闪烁计数器包含一个闪烁体——一种被电离辐射激发时发光（发光）的材料——和一个将光转换成电信号的传感器。辐射剂量计还测量电离辐射，通常用于确定个人辐射暴露。常用的类型有电子、胶片徽章、热释光和石英纤维剂量计。
测量辐射暴露
辐射的影响取决于辐射源的类型、能量和位置，以及暴露的时间长短。如[链接]所示，普通人暴露在背景辐射中，包括来自太阳的宇宙射线和来自地下铀的氡（见氡暴露的日常生活中的化学专题）；医疗暴露的辐射，包括CAT扫描、放射性同位素测试、x光等；以及来自其他人类活动的少量辐射，如飞机飞行（高层大气中越来越多的宇宙射线轰炸）、消费品的放射性，以及当我们呼吸时进入我们身体的各种放射性核素（例如碳14）或通过食物链（例如钾-40、锶-90和碘-131）。
长期辐射暴露对人体的影响
辐射的生物效应
核化学
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周期表
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指数记数法用于表示非常大和非常小的数字为两个数字的乘积。乘积的第一个数字，*数字项*，通常是一个不小于1且不等于或大于10的数字。乘积的第二个数字，*指数项*，用指数写成10。指数记数法的一些例子是：
指数算法
养蜂人报告说他有525,341只蜜蜂。数字的最后三个数字显然不准确，因为在养蜂人清点蜜蜂的时候，一些蜜蜂死了，一些孵化了；这使得确定蜜蜂的确切数量变得相当困难。如果养蜂人报告数字525,000会更合理。换句话说，最后三个数字并不重要，除了设置小数点的位置。在这种情况下，它们的确切值没有任何有用的意义。在报告数量时，只使用测量精度保证的重要数字。
重要数字
一个数字（log）的公共对数是10必须提高到等于该数字的幂。例如，100的公共对数是2，因为10必须提高到等于100的二次方。其他例子如下。
对数和指数数的使用
这种形式的数学函数称为二阶多项式或更常见的二次函数。
二次方程的解
系统的任意两个属性之间的关系可以用二维数据图以图形方式表示。这种图有两个轴：水平轴对应于自变量，或者其值被控制的变量（*x*），垂直轴对应于因变量，或者其值被观察或测量的变量（*y*）。
二维（*x*-*y*）图形
基础数学
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单位和换算系数
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基本物理常数
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水属性
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商品酸碱的组成
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选定物质的标准热力学性质
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弱酸的电离常数
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弱碱基的电离常数
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溶解性产品
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复杂离子的形成常数
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标准电极（半电池）电位
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几种放射性同位素的半衰期