进阶化学：结构、性质、能量与化学平衡

结构：原子是怎样排列的

原子通过共用或转移电子结合在一起。分子中的每个原子都会让电子对（成键电子对和孤对电子）彼此离得尽量远，因为电子对互相排斥。这个简单的想法（叫价层电子对互斥理论，VSEPR）就能推出分子的形状。

常见的形状

• 直线形：CO₂（180度）。
• 弯曲形（V形）：H₂O（约104.5度），因为两对孤对电子把键挤得更近。
• 三角锥形：NH₃（约107度），有一对孤对电子。
• 正四面体形：CH₄（109.5度），四根键，没有孤对电子。

更大的结构也遵循同样的道理：金刚石是由碳原子连成的一个巨大网络，食盐晶体是离子重复排列的格子。

性质：形状和电荷决定什么

有些原子吸引共用电子的力更强，这种吸引力叫电负性。如果分子里的拉力不能互相抵消，一端就略带负电，另一端略带正电，这个分子就是极性分子。如果拉力抵消了，比如直线形的CO₂或正四面体形的CH₄，分子就是非极性分子。

这会带来什么变化

• 极性分子之间吸引力更大，所以水在100 °C沸腾，而甲烷的沸点约为−162 °C。
• 相似相溶：盐和糖能溶于水，油不能。
• 巨大的网络结构（金刚石、二氧化硅）非常硬，熔点很高；金属能导电，是因为电子可以自由移动。

能量：活化能、反应热和催化剂

反应要开始，旧的化学键必须先松开。这需要一个最小的“推力”，叫活化能（E_a）。可以想成一个球要先爬上山坡，才能滚下去。

反应热

如果生成物的能量比反应物低，就会放出热量（放热反应，ΔH为负）。如果更高，就会吸收热量（吸热反应，ΔH为正）。ΔH和山的高度无关。

催化剂

催化剂给反应开了一条更容易的路，山变低了。反应变快了，但起点和终点的能量不变，所以ΔH也不变。催化剂本身不会被消耗。

平衡：反应什么时候看起来“停了”

很多反应是可逆的：A ⇄ B。开始时只有正反应在进行。随着B越来越多，逆反应越来越快。到了平衡时，两个速率相等，所以A和B的量保持不变。反应并没有停止，两个方向都还在进行（所以叫动态平衡）。

平衡常数

对于A ⇄ B，K = [B] / [A]。K大说明主要是生成物；K小说明主要是反应物。K只随温度改变。

勒夏特列原理

如果你打扰一个处于平衡的体系（多加A，改变压强或温度），它会朝着减弱这种改变的方向移动。催化剂不会让平衡移动，它只是让你更快到达平衡。

试一试：用梳子看极性

用塑料梳子在干燥的头发上摩擦。打开水龙头，让一条细水流落下。把梳子靠近水流：水会向梳子弯过去，因为水分子是极性的。再用一条细细的食用油流试试：它几乎不动。在3D里依次选水和二氧化碳，比较读数。

重点公式和概念

• 键角：CO2 180，NH3 约107，H2O 约104.5，CH4 109.5（度）
• 放热反应：生成物低于反应物，dH < 0
• 吸热反应：生成物高于反应物，dH > 0
• 对于 A <-> B：K = [B] / [A]
• 平衡时：正反应速率 = 逆反应速率

例题讲解

常见错误

• 以为催化剂会改变平衡时生成物的量。它只改变到达平衡的快慢。
• 说反应在平衡时停止了。其实正反应和逆反应仍以相等的速率继续进行。
• 以为有极性键的分子就一定是极性分子。形状可能让拉力抵消（比如CO2）。
• 把活化能和dH弄混。一个是山的高度，另一个是起点和终点的差。