物质及元素

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化学概念

性质本身是能力、本领、也可以说是对外所起的作用，是物质或体系呈现给客观世界的一种形象或状态。对于化学性质有哪些，没有确定的结论，一般认为发生化学变化中才表现出来的性质就是化学性质；没有发生化学变化就表现出来的性质是物理性质。

化学是一门研究物质的组成、结构、性质和变化规律的自然科学。
化学变化是有其他物质生成的变化，物理变化是没有其他物质生成的变化。
化学性质是只有通过化学变化才能表现出来的性质，物理性质是如颜色、状态、气味、熔点、沸点、硬度、密度等是不需要通过化学变化就能表现出来的性质。
由一种元素构成的结构不同的单质互称为同素异形体。如金刚石、石墨和 C60 互称为同素异形体。
木炭、焦炭、炭黑都是由微小的石墨晶体和少量杂质组成的，统称为无定形碳。因此，无定形碳不属于碳的同素异形体。
燃烧是可燃物跟空气中的氧气发生的发光发热的剧烈的氧化反应。
可燃性通常是指可燃物能在空气或氧气中发生燃烧的性质；在一定条件下，可以发生燃烧的物质称为可燃物。可燃物具有可燃性。
分散系是将一种或多种物质分散到另一种物质中形成的体系。
溶液是溶质溶于溶剂的产物，溶于溶剂的物质称为溶质，溶解物质的液体称为溶剂。
酸碱性是溶液的一种特性。据此，溶液可分为酸性溶液、中性溶液和碱性溶液。

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物质的分类

分类标准

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纯净物注意：

化学式相同，并不一定就是纯净物。
高聚物，又称高分子化合物，由于其分子中的链节数目不同，相对分子质量也不同，因此高聚物一定是混合物。
水合盐又称结晶水合物，组成确定、性质确定，属于纯净物。
均匀不能成为判定是否为纯净物的依据，例如气体和互溶的液体。
同一物质、不同状态的物质混在一起，仍然属于化学上的纯净物。
除高聚物之外，凡是使用化学式表示的物质都是按照纯净物来对待和使用的。
一般不认为光或热为能量，不属于物质，就像单质不属于电解质和非电解质范畴一样。

混合物中对应的不同成分一定具有不同的性质，特别是物理性质，可以用物理方法鉴别和分离。有时物理状态相同，不便分离。但因化学性质明显不同，可以先行化学方法转化成为不同状态，再用物理方法分离。高考中的化工流程题多数都是考查利用化学性质转化为不同状态而分离的。

氧化物

氧化物相关：

氧化物：一种元素和氧元素组成的化合物。
金属氧化物：一种金属和氧元素组成的化合物。
非金属氧化物：一种非金属和氧元素组成的化合物。
酸性氧化物：与碱反应只生成一种盐的氧化物。
碱性氧化物：与碱反应只生成一种酸的氧化物。

辨析：

碱性氧化物一定是金属氧化物，酸性氧化物主要是非金属氧化物。
金属氧化物主要是碱性氧化物，非金属氧化物主要是酸性氧化物。

经典特例：

	金属氧化物	非金属氧化物
酸性氧化物	特例：$ce{Mn2O7}$ 七氧化二锰	通常
碱性氧化物	通常	不存在

此外，还有：

特殊氧化物：与酸和碱反应不只生成一种盐的，例如 $ce{Na2O2,Fe3O4}$。
不成盐氧化物：不与酸和碱（通性）反应的，例如 $ce{NO,CO}$。
两性氧化物：两性金属对应的氧化物。

氧化物形式表达：

物质	化学式	氧化物形式
镁橄榄石	$ce{Mg2SiO4}$	$ce{2MgO.SiO2}$
玻璃	$ce{Na2CaSi6O14}$	$ce{Na2O.CaO.6SiO2}$
高岭石	$ce{Al2Si2O5(OH)4}$	$ce{Al2O3.2SiO2.2H2O}$
镁铝榴石	$ce{Mg3Al2(SiO4)3}$	$ce{3MgO.Al2O3.3SiO2}$

酸概述

非氧化性酸通性：

与酸碱指示剂作用。
与氢前金属反应生成氢气和盐。
与金属氧化物反应生成水和盐。
与部分盐发生复分解反应。
本质：电离出的氢离子。

酸的特征：

强制弱：强酸制弱酸。
难挥发性酸制易挥发性酸：
- 常见难挥发性酸：硫酸、磷酸。
- 常见易挥发性酸：卤化氢、硝酸。
- $ce{NaCl + H2SO4 -> HCl}$。
- $ce{NaBr + H3PO4 -> HBr}$。
氧化性：浓硫酸、浓硝酸等具有强氧化性。

碱概述

碱的通性：

与酸碱指示剂作用。
与酸性氧化物反应生成盐。
与酸反应生成水和盐。
与部分盐发生复分解反应。
本质：电离出的氢氧根离子。

碱的特征：

强制弱：强碱制弱碱，通常倾向于沉淀。
很多碱都易潮解，这与其结构有关。

盐概述

碱的通性：

与某些酸、碱发生复分解反应。
与某些金属单质发生置换反应。
与某些盐发生复分解反应。

$$ \ce{正盐 <-->[对应酸][对应碱] 酸式盐} $$

离子和沉淀颜色：

CrO4^2- 黄色

Cr2O7^2- 橙红色

分散系

若干种物质，分散在另外若干种物质中所得到的体系（混合物），称为分散系。

	溶液	胶体	浊液
粒子直径	$pu{0\sim1nm}$	$pu{1\sim100nm}$	$pu{100\sim nm}$
外观表现	均一、稳定	较均一、较稳定	不均一、不稳定
粒子种类	分子、粒子	大分子、小分子集合体	固体粒、小液滴

胶体根据其分散剂的状态，分为：

气溶胶：云、雾、烟等。
液溶胶：蛋白质溶液、淀粉溶液、氢氧化铁胶体等。
固溶胶：有色玻璃、宝石等。

其性质有：

丁达尔效应：
- 现象：一束光通过胶体时，留下一条光亮的通路。
- 原因：胶体粒子对光的散射。
- 用途：鉴别溶液和胶体（非本质区别）。
渗析：
- 作用：分离胶体和溶液，提纯胶体。
- 原因：半透膜可让溶液通过，不可让胶体通过。
电泳：
- 原因：胶体粒子吸附阴阳离子而带上电荷。
- 现象：在电场中，胶粒会发生定向移动。
- 距离：$ce{Fe(OH)3}$ 胶粒带正电（胶体不带电，电中性）。
- 应用：静电除尘。
介稳性与聚沉：
- 介稳性：介于稳定与不稳定之间。
- 聚沉：加电解质、加电性相反的胶粒、加热或搅拌。
- 应用：点豆腐，三角洲的形成（淡水与海水的混合）。

离子相关

观察法

离子颜色：

离子符号名称颜色
$ce{KMnO4-}$ 高锰酸根紫红色
$ce{CrO4^2-}$ 铬酸根黄色
$ce{Cr2O7^2-}$ 重铬酸根橙红色
注意：清澈透明可以有色。

离子符号	名称	颜色
$ce{KMnO4-}$	高锰酸根	紫红色
$ce{CrO4^2-}$	铬酸根	黄色
$ce{Cr2O7^2-}$	重铬酸根	橙红色

沉淀气体法

常见检验方法：

离子	检验方法
$ce{H+}$	酸碱指示剂、氢前金属、碳酸氢盐、金属氧化物
$ce{OH-}$	酸碱指示剂、弱碱对应金属盐、铵盐
$ce{CO3^2-}$	$ce{H+,Ca^2+,Ba^2+}$
$ce{SO4^2-}$	先加稀盐酸，后加 $\ce{BaCl2} $ 不溶解
$ce{NH4+}$	加浓氢氧化钠产生碱性、有刺激性气味气体

离子的共存

复分解型不共存：

常见离子不共存：

离子	不共存离子和物质
$ce{H+}$	$ce{CO3^2-,HCO3-,OH-,SO3^2-,HSO3-,SiO3^2-}$、氢前金属
$ce{OH-}$	$ce{H+,HCO3-,NH4+,Cu^2+,Al^3+}$
$ce{CO3^2-}$	$ce{H+,Ca^2+,Ba^2+,Ag+}$
$ce{SO4^2-}$	$ce{Ca^2+,Ba^2+,Ag+}$
$ce{Ag+}$	$ce{Cl-,CO3^2-,SO4^2-,OH-}$

氧化还原型不共存：

酸性条件下硝酸根和亚铁离子。
[TODO]。

配合反应不共存：

铁离子和硫氰酸根。
[TODO]。

双水解型不共存：

硫离子和铝离子。
[TODO]。

元素相关

焰色反应

定义：某些金属元素（游离态或化合态）在灼烧时火焰呈现特殊的颜色。
本质：电子的跃迁与回落，为元素的物理性质。
用途：限制使用、用于鉴别，用铁丝或铂丝，使用稀盐酸洗净。

不同元素的焰色：

元素	颜色
$ce{Li}$	紫红色
$ce{Na}$	黄色
$ce{K}$	紫色（透过蓝色钴玻璃，滤掉黄光）
$ce{Ca}$	砖红色
$ce{Sr}$	洋红色
$ce{Ba}$	黄绿色
$ce{Cu}$	绿色

不同颜色的常见波长：

颜色	波长
红	$pu{620nm \sim760nm}$
橙	$pu{592nm \sim620nm}$
黄	$pu{578nm \sim592nm}$
绿	$pu{500nm \sim578nm}$
青	$pu{464nm \sim500nm}$
蓝	$pu{446nm \sim464nm}$
紫	$pu{400nm \sim446nm}$

非水溶液置换

Mg + CO2

Cl2 + HI(g)

Fe + H2O(g)

C + H2O -> CO + H2

金属元素

金属的通性：

与非金属单质（氧气、氯气）。
活泼金属和水的反应。
氢前金属和非氧化性酸的反应。
银前金属和硝酸等氧化性酸的反应。
金属和盐发生的置换反应。

金属的物理性质：

熔点：最低的 Hg 汞，最高的 W 钨（用于钨丝灯泡）。
延展性：延性最强 Pt 铂（铂丝），展性最强 Au 金（金箔）。
导电能力排序：$ce{Ag,Cu,Ag,Al}$，其中银一般仅用于要求极高的场景。
室内导线常用铜，室外常用铝（致密氧化膜，防止进一步氧化）。
密度在 $pu{4.5g/cm^3}$ 以上称为重金属，以下称为轻金属。

合金的性质如下：

硬度高于任一成分。
熔点低于任一成分。

合金的分类如下：

黑色金属：铁、铬、锰及其合金。
有色金属。

金属冶炼按照活动性顺序：

$ce{K,Ca,Na,Mg}$：通常电解其熔融氯化物。
$ce{Al}$：其氯化物不导电，通常电解氧化物（加入冰晶石）。
$ce{Zn,Fe,Cu}$：通常用 $ce{C,CO,H2}$ 还原。
$ce{Hg}$：氧化物高温分解，单质与氧气加热化合。
$ce{Au}$：自然界多游离态，富集。
贵重金属、高熔点金属常用铝热反应或与钠单质熔融还原制得。## 氧化还原反应

$$ \gdef\val#1#2{\overset{#2}{\ce{#1}}} \textrm{This page intentionally left blank.} $$

氧化还原

氧化还原反应

定义：有化合价变化的反应。
本质：电子的转移（得失或偏移）。

其中，化合价有：

元素	化合价规律
	一般显价在金属氢化物中显价
	一般显价在过氧化物中显价
	只显价（没有正价）

特殊物质化合价：

物质	物质	物质	物质
$ce{K2\val{Fe}{+4}O4}$ 高铁酸钾	$ce{K2\val{Cr}{+6}_2O7}$ 重铬酸钾	$ce{K\val{Mn}{+7}O4}$ 高锰酸钾	$ce{\val{O}{+2}\val{F}{-1}_2}$ 二氟化氧
$ce{\val{B}{+3}_2H6}$	$ce{\val{Si}{+4}H4}$	$ce{\val{C}{+4}H4}$	$ce{\val{S}{+6}_2O8^2-}$

氧化还原反应的特征：

氧化反应和还原反应是在一个反应中同时发生的。
氧化反应伴随着化合价的升降，且升降总数相等。

反应物和生成物：

氧化剂得电子，化合价降低，以自己的氧化能力将还原剂氧化，自身发生还原反应，被还原后生成还原产物。
还原剂失电子，化合价升高，以自己的还原能力将氧化剂还原，自身发生氧化反应，被氧化后生成氧化产物。

简记为：升失氧化还原剂，降得还原氧化剂。

歧化反应：相同的反应物或元素，其一化合价上升，另一下化合价下降；常发生在碱性环境中。
归中反应：两个或多个含有某元素而化合价不同的反应物，得到化合价相同的单一产物；常发生在酸性环境中。

对于反应的判断，有以下性质：

所有置换反应都是氧化还原反应。
有单质参与的化合或分解反应都是氧化还原反应。

总结规律如下：

电子守恒：价态有升有降，且升降总数相等。
能不变就不变：
- 相近转化，能不相交就不相交。
- 同时一个元素化合价不变的原子不参与氧化还原反应。
- 相邻价态不反应。
强者先行：假设法，例如 $ce{Cl2}$ 先氧化 $ce{FeI2}$ 中的碘离子。

氧化剂和还原剂

氧化剂	还原产物	氧化剂	还原产物
$ce{HClO,Cl2,KClO3}$	$ce{Cl-}$	$ce{KMnO4,MnO2(H+)}$	$ce{Mn^2+}$
$ce{O2,H2O2}$	$ce{H2O}$	$ce{H2SO4(浓)}$	$ce{SO2}$
$ce{HNO3(浓)}$	$ce{NO2}$	$ce{HNO3(稀)}$	$ce{NO}$
$ce{Br2}$	$ce{Br-}$	$ce{I2}$	$ce{I-}$
$ce{Fe^3+}$	$ce{Fe^2+}$	$ce{Ag+}$	$ce{Ag}$

还原剂	氧化产物	还原剂	氧化产物
$ce{S2-,H2S}$	$ce{S}$	$ce{SO2,SO3^2-}$	$ce{SO4^2-}$
$ce{NH3}$	$ce{N2,NO}$	$ce{H2O2}$	$ce{O2}$
$ce{CO,C}$	$ce{CO2}$	$ce{I-}$	$ce{I2}$

氧化性和还原性：

同种元素：
- 最高价态只降不升，最低价态只升不降。
- 一般价态越高氧化性越强，价态越低氧化性越弱。
互补性：单质氧化性越强，其对应的离子还原性越弱。
- （金属）活动性顺序：
  
  氧化性：$ce{Ag+ > Fe^3+ > Cu^2+ > H+ > \dots > Fe^2+ > \dots}$
  
  还原性：$ce{Au < Ag < Cu < (H) < \dots < Fe < \dots}$
- （非金属）活动性顺序：
  
  氧化性：$ce{F2 > Cl2 > Br2 > I2 > S}$。
  
  还原性：$ce{F- < Cl- < Br- < I- < S^2-}$。
根据反应条件与反应现象：
- 与同一类反应物反应，条件越低越强。
- 与同一类反应物反应，反应越剧烈越强。
不是很不准确的（存疑）：
- 通常价位变化越大越强（反例：硝酸）。
- 通常浓度越大越强，酸性越强氧化性越强（对于 $ce{ClO-,MnO4-,NO3-}$ 等含氧酸）。
根据反应方程式判断：
- 两强制两弱：氧化剂氧化性大于氧化产物，还原剂还原性大于还原产物。
- 不能说氧化剂氧化性大于还原剂，只能说某一条件下某物质表现了氧化性或还原性。
有还原性不一定表现还原性，有强氧化性也不一定表现氧化性。

常见物质氧化性、还原性顺序表：

氧化性：$ce{MnO4- > Cl2 > Br2 > Fe^3+ > I2 > SO2 > S}$。
还原性：$ce{Mn^2+ < Cl- < Br- < Fe^2+ < I- < SO3^2- < S2-}$。
上表使用方法，找到左上、右下两组为反应物，找到对应左下、右上为产物。

方程式配平

用箭头表示电子的转移，依据是得电子数等于失电子数。

标化合价升降。
根据化合价升降守恒配平变价元素。
根据原子守恒、电荷守恒配平其他元素和物质。

转移电子数为一条线上的，只考虑得到的电子数或者失去的电子数。

亚甲基蓝

亚甲蓝又称亚甲基蓝，注意亚甲（基）蓝并无亚甲基。

分析化学中用亚甲蓝作为氧化还原反应滴定的指示剂，会比碘液更好。
亚甲蓝的水溶液在氧化性环境中呈蓝色，但遇还原剂会被还原成无色形态，也是一种氧化还原指示剂。
其亚甲蓝因为有还原性，注射液被用来治疗正铁血红蛋白血症，也用于解救硝基苯、亚硝酸盐和氰化物中毒等。
蓝瓶实验也是以亚甲蓝的变色为基础的。可以用来检验水的溶氧量，反应是会令亚甲蓝液更蓝。

另外注意甲紫溶液（又称龙胆紫，详见生物）与亚甲蓝不同，应注意勿混用。

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