Chemistry课程

21 节课

胺：结构、命名、制备、碱性和化学反应 – 胺就是氨分子中的一个、两个或三个氢原子被碳基团取代后的物质。氮原子仍保留一对孤对电子，所以胺既是碱，也是亲核试剂。数一数连在N上的碳基团个数，就能分出伯胺(1°)、仲胺(2°)、叔胺(3°)。制备方法有：还原硝基化合物、腈或酰胺；卤代烃与NH₃反应；盖布瑞尔法(只得伯胺)；霍夫曼降解(少一个碳)。烷基推电子，使碱性增强；苯胺的苯环把孤对电子拉走，使碱性减弱。主要反应：与酸成盐、酰化、碳胺反应(检验伯胺)、兴斯堡试验(区分伯、仲、叔胺)、与亚硝酸反应，以及苯胺的环上取代。
醇类 – 醇是羟基（–OH）连在饱和碳（sp³碳）上的有机物，通式 R–OH。数一数和连羟基的碳相连的碳原子个数，就能分成伯醇（1°）、仲醇（2°）和叔醇（3°）。命名时写成“某烷-n-醇”，让羟基的编号尽量小。醇可以由烯烃（酸催化水合、硼氢化–氧化）、醛酮羧酸的还原，或格氏试剂制得。氢键使醇的沸点高，小分子醇能溶于水。醇的反应要么断O–H键（显酸性：与Na反应、酯化），要么断C–O键（与HX反应、脱水），伯醇和仲醇还能被氧化。甲醇和乙醇是最重要的工业用醇。
非晶材料：氧化物玻璃与微晶玻璃 – 非晶固体里的原子没有重复排列的规律。氧化物玻璃是由 SiO₄ 单元共用顶角连成的一张杂乱的网（网络形成体）。纯碱（Na₂O）和石灰（CaO）是修饰体：它们会切断连接，使软化温度降低。玻璃没有固定的熔点，而是在玻璃化转变中慢慢变软。微晶玻璃是把玻璃按控制好的方式加热，让内部长出数百万颗微小晶体，从而变得更结实、热膨胀更小。
焓、量热法与盖斯定律 – 焓 H = U + pV。恒压时，吸收或放出的热等于 ΔH；恒容时，等于 ΔU。我们用密封的弹式量热计测 ΔU，用敞口的杯式量热计测 ΔH，计算时用 q = C ΔT 或 q = m c ΔT。对有气体参加的反应，ΔH = ΔU + Δn_g RT。放热反应的反应焓 ΔrH 为负，吸热反应为正，并且 ΔrH° = ΣΔfH°(生成物) − ΣΔfH°(反应物)。盖斯定律：反应不管是一步完成还是分几步完成，总的焓变都一样，所以热化学方程式可以像代数式一样相加。
化学反应与化学方程式的配平 – 在化学反应中，原子不会凭空产生，也不会消失，只是换了“伙伴”重新组合。所以化学方程式两边每种原子的个数必须相等。配平时只能改化学式前面的数字，绝不能改化学式本身。
化学平衡：Kc、Kp、Q 与吉布斯自由能 – 在密闭容器中，可逆反应可以向两个方向进行。过一段时间后，正反应速率和逆反应速率相等，各物质的量不再变化，但反应并没有停止，这叫动态平衡。平衡时，生成物与反应物的浓度比（每个浓度都取系数次方）是一个固定的数，叫平衡常数 K。Kc 用浓度表示，Kp 用分压表示，二者关系为 Kp = Kc(RT)^Δn。纯固体和纯液体不写进 K。反应商 Q 能告诉我们反应方向：Q < K 向正方向进行，Q > K 向逆方向进行，Q = K 就是平衡。K 和吉布斯自由能也有联系：ΔG = ΔG° + RT ln Q，ΔG° = −RT ln K。
碱金属与钠的化合物 – 碱金属（锂、钠、钾、铷、铯）位于元素周期表第1族。每个原子最外层只有1个电子，很容易失去，变成M⁺离子。它们质软、密度小、非常活泼：与水反应生成氢气和碱，在空气中还能燃烧。越往下，金属越活泼。钠能形成Na₂O、Na₂O₂、Na₂CO₃（纯碱）和NaHCO₃（小苏打），而且每种金属都会让火焰呈现自己独特的颜色。
金属和非金属：性质与金属活动性顺序 – 金属通常有光泽、较硬、有延展性，能导热导电；非金属通常暗淡、易碎、不善导电。金属形成碱性氧化物，能与水和稀酸反应（放出氢气），而且活泼的金属能把不活泼的金属从它的盐溶液中置换出来。把金属按活泼程度从强到弱排列，就得到金属活动性顺序。
进阶化学：结构、性质、能量与化学平衡 – 进阶化学把四个大观点连在一起。结构：原子按固定的形状结合。性质：形状和电荷分布决定熔点、溶解性等。能量：反应需要先“推一把”（活化能），并且会放出或吸收热量。平衡：可逆反应最后会停在正反应速率等于逆反应速率的状态。
科塞尔-路易斯理论与离子键 – 原子相互结合，是为了让最外层像稀有气体一样，达到稳定的8个电子（八隅体）。科塞尔认为原子可以得失电子变成离子（离子键）。路易斯认为原子还可以共用电子对（共价键）。路易斯结构用点和线表示这些电子。形式电荷（V − L − B/2）可以帮我们选出最合理的路易斯结构。离子会堆积成晶体，释放的能量与晶格能有关。
空气的成分 – 空气是多种气体组成的混合物。按体积算，干燥空气中大约有78%的氮气、21%的氧气、0.93%的氩气和0.04%的二氧化碳，还有极少量的其他稀有气体。水蒸气的含量会变化，从0到约4%。在封闭的管子里让铁生锈（或让磷燃烧），就能证明空气是混合物，还能测出氧气的含量：水大约上升五分之一。烟尘、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳等污染物会让空气变得有害，不过我们可以减少它们。
炔烃 – 炔烃含有C≡C三键，通式是CₙH₂ₙ₋₂。三键上的两个碳原子都是sp杂化，所以分子呈直线形。连在三键碳上的氢有微弱的酸性，因为sp杂化的碳把电子拉得很紧：NaNH₂这样的强碱可以把这个氢拿走。三键可以打开两次，所以炔烃能加成两分子的H₂、X₂或HX。在Hg²⁺催化下与水反应，生成醛或酮；三分子乙炔还可以连成苯。
酸、碱、盐与滴定 – 无机化合物大致分为四类：氧化物、酸、碱和盐。它们之间有联系：金属生成碱性氧化物，碱性氧化物再生成碱，碱和酸反应生成盐和水。滴定就是利用这个中和反应来测未知浓度：把已知浓度的碱从滴定管里慢慢加入，直到酸刚好反应完（等当点）。这时按反应比例有 n(酸) = n(碱)，对于 1 : 1 的反应就是 C₁V₁ = C₂V₂。
酸和碱：性质、指示剂与化学反应 – 酸在水中能产生H⁺离子，碱在水中能产生OH⁻离子。指示剂会通过变色或气味变化告诉我们溶液是酸性还是碱性；H⁺遇到OH⁻会生成水，剩下的离子组成盐。
碳的同素异形体：金刚石、石墨、石墨烯和富勒烯 – 同素异形体是同一种元素形成的、状态相同的不同单质。碳就有好几种。在金刚石中，每个碳原子形成4个牢固的共价键，连成一个巨大的三维网络，所以它非常硬、熔点很高，而且不导电。在石墨中，每个原子只和3个原子成键，排成一层层平面六边形；层与层之间可以滑动（所以软、滑），而且每个原子多出1个可以自由移动的电子，所以石墨能导电。石墨烯就是单独一层石墨：结实、轻，导电性极好。像C₆₀这样的富勒烯是空心的笼状分子；纳米管则是卷起来的管子。它们在氧气中燃烧，都生成二氧化碳。
碳化合物的化学性质：乙醇和乙酸 – 碳化合物在氧气中燃烧，生成二氧化碳、水、热和光（燃烧）；强氧化剂能把醇变成酸（氧化）；不饱和化合物在镍催化下与氢气结合（加成）；饱和化合物在光照下，氢原子被氯原子替换（取代）。乙醇能与钠反应放出氢气，也能脱水生成乙烯；乙酸是弱酸，能与醇生成酯，与碳酸盐反应放出二氧化碳。
烷烃 – 烷烃是只含C–C单键的烃，通式是CnH2n+2。制备方法有：烯烃加氢、武兹反应、卤代烷还原和脱羧。烷烃没有极性，燃烧放出大量热，在光照下氢原子会被氯原子取代。分子可以绕C–C键转动，形成交叉式和重叠式等不同形状，叫作构象。
温度、活化能、催化剂和碰撞理论 – 反应物分子要先爬过一座能量山，这座山的高度就是活化能 Ea，才能变成生成物。阿伦尼乌斯方程 k = A e^(−Ea/RT) 告诉我们：温度只升高一点，就会有多得多的分子越过这座山，所以 k 增大得很快。催化剂提供一条更低的山路，但不改变 ΔH。碰撞理论：分子只有在碰撞时能量足够、方向正确，才会发生反应。
物质的量、摩尔质量与化学式 – 原子太小了，没法一个一个数，所以化学家用称重来“数”。原子质量用 u 表示，1 u 等于一个碳-12原子质量的十二分之一。1 摩尔就是 6.022 × 10²³ 个粒子，它的质量（单位克）在数值上等于式量（单位 u）。有了摩尔，我们就能算出化合物中每种元素的百分含量，也能反过来由百分含量求出经验式和分子式。
烯烃 – 烯烃是含有一个 C=C 双键的烃,通式为 CnH2n。双键由一个 σ 键和一个 π 键组成,所以双键周围的原子在同一平面上,而且不能自由旋转,这就产生了顺式和反式异构体。制备烯烃,一是从分子中脱去小分子(H₂O、HX、X₂),二是让炔烃只加成一半的 H₂。烯烃主要发生加成反应:与 H₂、X₂、HX(马氏规则;有过氧化物时是反马氏加成)、水、臭氧、KMnO₄ 反应,还能聚合。
原子的结构 – 原子中心有一个很小、很重、带正电的原子核，由质子和中子组成。电子在固定的电子层 K、L、M、N 上绕核运动。质子数 (Z) 决定元素的种类；质子数加中子数就是质量数 (A)。最外层电子决定化合价。同位素的 Z 相同，同量异位素的 A 相同。