工具精神——无机化学

Mr李 • 2024-01-11 08:32 • 杂文

有机化学和无机化学是化学的两大分支，它们在理论、方法和应用上具有显著的区别。有机化学主要研究碳化合物及其衍生物，即含有碳元素的化合物，包括烷烃、烯烃、炔烃、醇、醛、酮、羧酸、酯等。有机化学主要关注这些化合物的结构、性质、反应以及它们之间的相互转化。无机化学主要研究不含碳元素的化合物，如氢、氧、氮、磷、硫等。无机化学关注这些元素的单质和化合物，以及它们的性质、结构和反应。

无机化学是以元素周期系和物质结构理论为基础来研究一切元素及其化合物 (除了碳氢化合物及其衍生物) 的化学学科的一个分支，主要解释一些无机物的物理性质:如状态，气味，颜色，密度，硬度，溶解度等等，化学性质:如和氧气，水，酸，碱的反应等等。无机化学是元素化学，该学科的性质是叙述性的、各论性的和归纳性的，定性色彩比其他化学学科浓厚。

一、日常生活中的化学

标准状况的定义：温度为0℃和压强为101kPa。

（一）空气

1.空气成分

通过实验测定，空气的成分按体积计算，大约是：氮气78%、氧气21%、稀有气体0.94%、二氧化碳0.03%。

像空气这样由两种或两种以上的物质混合而成的物质叫做混合物，组成混合物的各种成分保持着它们各自的性质。氮气、氧气、二氧化碳等分别只有一种物质组成，它们是纯净物。纯净物可以用化学符号表示.

2.空气中各成分的用途

（1）氧气

动植物呼吸需要氧气，医疗急救甚至需要纯氧。燃料燃烧离不开氧气。

在标准状况下，氧气的密度是1.429g/L，比空气的密度（1.293g/L）略大。它不易溶于水，在室温下，1L水中只能溶解约30mL氧气。氧气在-183℃时会变成淡蓝色液体，在-218℃时变成淡蓝色雪花状的固体。氧气支持燃烧。

经过实验，可燃物在氧气里燃烧比在空气里燃烧要剧烈。例如，硫在空气里燃烧发出微弱的淡蓝色火焰，而在氧气里燃烧的更旺，发出蓝紫色火焰；又如，某些在空气里不能燃烧的物质却可以在氧气里燃烧，如细铁丝。这说明氧气的化学性质比较活泼，物质在空气中燃烧，实际上是与其中的氧气发生反应，空气中的氧气含量相对较少，在空气中燃烧不如在氧气中剧烈。

1）实验室制氧

实验室里，常采用加热高锰酸钾、分解过氧化氢或加热氯酸钾的方法制取氧气。

高锰酸钾受热，分解出氧气，同时还有锰酸钾和二氧化锰生成。

过氧化氢溶液在常温下可以分解放出氧气，同时分解成水。但是通常还要放入少量二氧化锰使分解加速。实验重复多次，每次只消耗了过氧化氢，二氧化锰好像永远用不完，质量没有任何损耗。硫酸铜溶液也能起到与二氧化锰同样的作用。

加热氯酸钾，除生成氧气外，同时还有一种氯化钾的物质生成。这个实验中，也是需要混入二氧化锰使分解加速，这里的二氧化锰质量和性质也不会发生变化。

2）工业制氧

科学家在低温条件下加压，使空气转化为液态，然后升温。由于液态氮的沸点是-196℃，比液态氧的沸点（-183℃）低，因此氮气首先从液态空气中分离出来，剩下的主要就是液态氧了，为了便于储存、运输和使用，通常把氧气加压到15000kPa，并贮存在蓝色钢瓶里。近年来，人们还使用膜分离技术（富氧膜）制氧。

（2）氮气

氮气是制造硝酸和化肥的重要原料，由于氮气不活泼不支持燃烧，因此常用作燃烧等氧化反应过程中的保护气，如焊接、灯泡中以及食品包装中；医疗上可在液氮冷冻麻醉条件下做手术；超导材料在液氮的低温环境下显示超导性能。

（3）稀有气体

空气成分中，稀有气体（氦氖氩氪氙氡）又称惰性气体，无色无味，化学性质很不活泼。但是稀有气体也有广泛用途，如稀有气体在通电时发出不同颜色的光，可以制作电光源、航标、霓虹灯等；氦可用于制造低温环境。

3.化学语言提炼

（1）混合物和纯净物

（2）化合反应

经过实验，氧气与磷、硫、铁的反应有一个共同特点：它们都是由两种物质起反应，生成另一种物质。我们把由两种或两种以上物质生成另一种物质的反应，叫做化合反应。

（3）氧化反应

物质与氧气发生的反应，属于氧化反应，氧气在氧化反应中提供氧，它具有氧化性。物质在氧气中燃烧是较剧烈的氧化反应，但并不是所有的氧化反应都像燃烧那样剧烈并发光发热。有些氧化反应进行的很慢，甚至不容易被察觉，这种氧化叫做缓慢氧化，比如动植物的呼吸、食物的腐烂、醋的酿造、农家肥料的腐熟等。

（4）催化剂（触媒）

在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂。催化剂在化学反应中所起的作用叫做催化作用。催化剂在化工生产中具有重要而广泛的应用，生产化肥、农药、化工原料等都要使用催化剂。酿造工业和制药工业都要用到酶作为催化剂，某些酶制剂还是宝贵的药物。

（5）分解反应

由一种反应物生成两种或两种以上其他物质的反应，叫做分解反应。如制取氧气的实验涉及的化学反应。

（二）水

地球上的生物，体内水的质量与生物体总质量的比一般都在60%以上。生命的孕育和维系需要水，人类的日常生活和工农业生成离不开水，水还能为人类提供水运的航道和宜人的环境。地球的水总储量约为1.39×10的18次方m³。地球表面约71%被水覆盖。但是其中淡水只约占水总储量的2.53%，其中大部分还分布在两极和高山的冰雪及永久冻土层中，可利用的淡水只占淡水总量的30.4%。

1.水的净化

城市中的生活用水是经过自来水厂净化处理过的，有时候利用明矾溶于水后生成的胶状物对杂质进行吸附，使杂质沉降来达到净水目的。沉淀、过滤和吸附是工业中常用的方法，也是化学实验中分离混合物的常用方法。但是这三个步骤去除的主要是水中的不溶性杂质，水中还有许多溶解的杂质。例如有些地区的水容易使水壶结水垢，因为该地区水中溶有较多可溶性钙和镁的化合物，这种水叫做硬水，不含较少可溶性钙、镁化合物的水叫做软水。肥皂水遇硬水会变浑浊且不易起泡沫，硬水洗衣服既洗不干净还会使衣服变硬。生活中可以通过煮沸可以降低水的硬度。实验室用的蒸馏水是净化程度较高的水。

2.水的组成

（1）氢气的燃烧

氢气是无色、无臭、难溶于水的气体，密度比空气小。氢气在空气中燃烧时产生淡蓝色火焰；混有一定量空气或氧气的氢气遇明火会发生爆炸。因此点燃氢气前一定要检验其纯度。人们通过实验发现氢气在空气或氧气中燃烧能生成水。

（2）水的分解

通过水的电分解实验，人们发现每个水分子由2个氢原子和1个氧原子构成，因此水可以表示为一氧化二氢。当水分子分解时，生成了氢原子和氧原子，2个氢原子结合成1个氢分子，很多氢分子聚集成氢气；2个氧原子结合成1个氧分子，很多氧分子聚集成氧气。

3.化学语言提炼

（1）化合物

组成中含有不同种类元素的纯净物叫做化合物。如水分子一氧化二氢、氧化铁（三氧化二铁）、高锰酸钾（KMnO $_{4}$ ）

(2)氧化物

由两种元素组成的化合物中，其中一种元素是氧元素的叫做氧化物。如二氧化碳、氧化铁（三氧化二铁）、五氧化二磷和水都是氧化物。

（3）单质

由同种元素组成的纯净物叫做单质。如氢气、氧气、氮气、铁、碳等都是单质。

（4）化学式

用元素符号和数字的组合表示物质组成的式子，叫做化学式。H2O、HCl、Fe2O3和HgO。每种纯净物的组成是固定不变的，所以表示每种物质组成的化学式只有一个。物质的组成是通过实验测定的。

（5）化合价

元素的化合价有正有负，化合物里的正负化合价的代数和为零。水分子H2O中，O为-2价，H为+1价。还有一些物质，如Ca（OH） $_{2}$ 、Ca（CO） $_{3}$ 等，它们中的一些带电的原子团，如OH $^-$ 、CO $_{3}^2$ $^-$ ,常作为一个整体参加反应，这样的原子团，也属于离子，又叫做根。根也有化合价。化合价往往跟原子电子排布造成的最外层电子吸引力大小有关。