[转载]高中化学知识要点梳理
(2013-01-17 08:00:16)
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组成(元素观,周期律,内在联系与统一性)
结构(微粒观,模型法,层次性与关联性,构性观)
性质(多样性,分类观,条件敏感,实验方法)
反应与变化规律(相互作用观,转化观,类型多样,机理复杂,条件敏感,能量变化,自发性,速率与限度,绿色化学与原子经济性)
元素化学部分包括:元素周期表,常见无机物,有机物,物质的合成分离与检测;
反应原理部分包括:当量定律(摩尔),化学键与反应中的能量变化,氧化还原反应与电化学,电解质溶液与离子反应,反应的方向速率和限度;
结构化学部分包括:原子结构与性质,分子结构与性质,晶体的结构与性质。
另外,化学学科最大的特点始终是它研究世界的独特视角:微观的原子分子层面。我还惊奇地发现,这个角度(原子分子)能解释科学世界的很大部分,因为这个世界里“物质始终是第一要素”。
其他归纳法:
一,基本概念和理论
1.物质的量
物质的量;阿伏加德罗常数;摩尔质量;气体摩尔体积;阿伏加德罗定律;物质的量浓度。
2.氧化还原反应
概念与实质;氧化剂还原剂氧化反应还原反应等几组对立统一的概念;基本规律:守恒律(电子转移与配平),价态律(氧还性判断及反应可能性判断),强弱律(氧还性强弱比较),难易律。常见氧化剂还原剂及其强弱的比较方法(周期律法,通过化学反应比较,电化学方法,浓度及反应条件等其他方法);其他应用,如电化学。
3.离子反应
电解质;
离子反应的概念;
离子方程式的书写;
离子反应发生的条件(生成弱电解质,生成易挥发物质,生成溶解度更小的物质,氧还,络合)和常见类型;
离子反应的特点及其在物质制备检验和除杂等方面的应用。
4.反应热
化学反应中有能量变化;[微观宏观解释,能量转化常见类型,能量守恒]
反应热:概念符号与单位;
反应热的表示方法:热化学方程式[意义,正确书写]
反应热分类[燃烧热,中和热];
反应热数据获取方法:实验法,键能估算,盖斯定律;
反应热相关应用。
5.电化学
原电池;[概念实质,形成条件,工作原理(电极反应,电流形成),生活中的化学电源,原电池原理的应用]
电解与电解池;[电解概念,电解池装置构成,电解工作原理(电极反应,常见放电顺序),应用。]
金属的电化学腐蚀与防护。[原因与实质,特点与类型,防护]
6.反应速率与化学平衡
有效碰撞理论与活化能;
平均反应速率;[广义概念和通常定义,规律,测量]
影响反应速率的因素;[内因,外因,微观解释与实验设计]
可逆反应与化学平衡状态;[可逆反应,平衡状态的建立,平衡状态的特征,反应限度与转化率]
影响化学平衡的因素及勒夏特列原理;
化学平衡常数;[定义,特点,应用;与勒氏原理相比的优点:定量化,更实用(如判断反应是否达到平衡及方向),适用面广(如同时改变影响平衡的多个条件时平衡如何移动)]
化学反应的方向。[熵,反应自发性及其综合判据]
7.电解质在水溶液中的行为
电解质及其电离;[电离,电解质及其强弱,电离方程式]
弱电解质的电离平衡;[建立过程,影响因素(温度影响很小,除水外)]
水的离子积常数与溶液的酸碱性;[常数定义和特点,酸碱性判断与PH计算,PH的测量和相关应用]
酸碱中和滴定;[概念,终点确定原理,实验操作]
盐类的水解;[概念与实质,水解方程式,水解规律与影响因素,应用,大水解]
难溶电解质的沉淀-溶解平衡;[溶解度与饱和溶液,沉淀-溶解平衡状态的建立与溶解平衡方程式书写,沉淀的生成溶解与转化规律,溶度积常数及其应用]
8.原子结构与周期表周期律
原子基本结构;[原子简史,表示方法,核素与同位素]
核外电子运动特点与排布规律;[电子云,原子轨道,能层与能级,基态激发态与电子跃迁,电子排布式与轨道式,能量最低原理]
周期表的结构与规律;[位--构--性。]
元素周期律的内容与实质;[原子半径变化规律,电负性与电离能的变化规律与应用,金属性与非金属性强弱的体现]
9.分子及晶体的结构与性质
化学键;[定义,分类,表示,键参数]
分子的空间结构与VSEPR理论;[理论要点,结构解释及预测]
杂化轨道理论;[理论背景,轨道杂化的概念与特点,常见杂化类型判断]
等电子体原理;[概念,应用,如从金刚石到硅晶体到碳化硅到氮化硼]
分子间作用力;[范德华力与氢键,各自特点及对物质性质的影响]
分子的极性与相似相溶原理(结构,极性,作用力);
晶体与晶胞的特点;[晶体特点,晶胞概念,晶胞有关计算]
晶体的分类与比较;[分类标准;类型判别,性质特点,典型实例。]
其中金属晶体的常见堆积模型是帮助学生理解“晶粒周期性有序排列从而形成晶体”的典型素材。
10.分散系
分散系的概念;
几种常见分散系的界定与特点;
胶体的概念性质及制备。
二,元素化合物(围绕典型性质与主要应用)
1.钠铝铁铜等典型金属及其化合物的性质与应用;
2.碳硅氮硫氯等典型非金属及其化合物的性质与应用;
3.了解常见金属活动顺序和常见元素化合价。
元素化合物部分虽然内容不难,但要处理得恰到好处不容易。下面是教学时要考虑的方面:
1.结合生活生产实际进行情景教学;
2.依据实验现象和事实进行物质性质教学;
3.引导学生体会研究物质性质的思路和方法;
4.注重相关概念原理对该部分知识的引领预测作用,归纳记忆不能表面化机械化;
5.突出元素观,分类观,转化观,构性观;
6.围绕典型物质的典型性质,并整合归纳比较,使之系统化;
7.感受化学物种及其变化的丰富多彩,增强认识和改造自然的信心。
元素化合物部分性质与反应归纳(有趣有序,以生活情景及应用带来趣,以分类观构性观和转化观引导带来序)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.铁离子与亚铁离子的检验;
11.铜的性质;
12.从硅谷说起:硅与二氧化硅晶体的主要应用;
13.硅的存在与获取;
14.二氧化硅的性质及其应用;
15.硅酸盐与硅酸;
16.氯气的获取;
17.氯气活泼性的表现:与金属,非金属,与水,与碱反应及其应用;
18.氯水性质及其应用;
19.氯离子检验;
20.硫氮与环境问题;
21.硫氮的多价态及其转化;
22.二氧化硫,硫酸,硝酸,氨,铵盐。
三,有机化学(以分类观和构性观为内线)
1.有机物概念与特点
组成及结构特点,性质特点,反应特点;
2.有机物结构特点
共价键及其极性, 碳四价与立体化学,同分异构,官能团,不饱和度,同系物。
其中,同分异构又包括构造异构和立体异构,构造异构有官能团异构,碳链异构和位置异构三种类型;立体异构又分为构型异构<</SPAN>包括顺反异构和手性异构>和构象异构.
3.有机物的系统命名
最长主链<</SPAN>选包含最多的主官能团和取代基且最长的碳链为主链>,
最小定位(主链编号时,主官能团和取代基的位次要尽量小)
同基合并(相同取代基合并,用二三等显示重复次数)
由简到繁<</SPAN>命名时简单取代基放前面>
最后,命名时要用词尾标明母体类别.
4.有机物的分类
按碳链可分为开链,碳环(又分为脂环和芳香族)和杂环;
按官能团可先分为烃和烃的衍生物:
烃又分为饱和烃(烷烃和环烷烃)和不饱和烃(烯,二烯,环烯,炔,芳香烃),
烃的衍生物又包括含氧衍生物(醇酚醚,醛酮,羧酸和酯),含卤衍生物(卤代烃,酰卤),含氮衍生物(硝基化合物,胺,腈等)及金属有机化合物等.
5.有机反应基本类型:
取代(酯化,卤代,水解,硝化等),加成,消去,聚合,裂化,异构化(碳重排),氧化还原;
6.基本营养物质;
7.仪器分析常识。元素分析仪,质谱,氢谱,红外等。
四,化学实验
1.常用仪器;[如容量瓶,分液漏斗,滴定管,蒸馏烧瓶等]
2.基本操作与安全常识;[防火,防爆,防毒防污染,防倒吸,防漏,防氧化,防水解,防干扰等]
3.典型气体制备实验;[如氯气,氨气,二氧化硫,乙烯等]
4.定量实验;[常用的三种简单方法:重量法,气体体积法,滴定法。如酸碱中和滴定,结晶水数目测定,纯度测定等]
5.检验与分离提纯;[过滤,重结晶,萃取,蒸馏,分馏,渗析等]
6.实验方案设计与综合探究。[科学性,安全性,可行性,简洁性]
五,用几个典型的化工生产实例整合高中化学核心知识
1.工业合成氨;
2.工业制硝酸;
3.硫酸工业;
4.氯碱工业;
5.海水提取镁,溴等;
6.炼铁工业;
7.由黄铜矿(二硫化亚铁铜)制精铜;
8.粗盐提纯;
9.石油化工。
六,用几个典型的综合实验整合高中化学核心知识
如氯气的制备与性质实验。可综合无机反应,有机反应,反应原理,基本计算,实验常识等。
附:高中化学板块解读
高中化学主要有四大理论:反应速率与化学平衡理论,物质结构理论,电解质溶液理论,氧化还原和电化学理论。
一,概念与理论化学
1.物质的量:便于化学的定量分析;
2.氧化还原反应:占整个化学反应的半壁江山,概念规律自成一体;为认识化学反应和物质性质提供了一种全新的视角;是电化学的理论基础,借此实现了化学与电学的统一。
3.电解质在水溶液中的行为:以“电解质,电离和水解”等概念为核心;以“平衡移动原理”为基础和主线;为认识水溶液问题提供了强有力的视角工具;具有很强的基础性和广泛应用性。
4.离子反应:知道离子反应的由来和广泛存在,为认识化学反应提供了另一种视角;学会用离子反应简洁地表达水溶液中化学反应的实质;了解离子反应在物质检验提纯和制备中的广泛应用;
5.化学反应中的能量变化:分析化学问题时能具备“物质变化和能量变化”等多种视角;认识化学能与热能和电能相互转化的广泛应用。
6.反应速率与化学平衡:懂得反应条件的调控对化学反应的重要影响;会从“反应速率和化学平衡”的视角分析化学问题;欣赏“动态平衡”这一伟大普适的观念。
7.物质结构与性质:形成“结构决定性质,性质决定变化,变化反映性质,性质反映结构”的伟大化学观;欣赏周期表和周期律对元素化合物知识有序性的贡献。
8.胶体与分散系:体会物质尺寸大小对其性质的影响,初步具备“尺寸效应”的科学视角。
二,元素化学
1.那些物质及其性质和反应本身就是重要的,同时让我们感受到物质世界的丰富有趣和无边无际。
2.为理论化学的学习提供感性素材和知识载体。
三,有机化学
1.概念规律自成一体;
2.占化学世界的半壁江山,应用前景广阔诱人。
四,化学实验
1.依然是目前获得化学知识的主要渠道;
2.实验练习能培养“实证,严谨,创新”的思维品质;
3.贯通化学各分支知识,利于培养化学综合素养。
附。化学魅力:无中生有,变幻无穷,变中有定。
虽然不同的作者从不同角度阐述了化学基本观念,但其本质的内涵基本是相同的。为便于记忆,这里将中学化学教学中应培养或渗透的基本观念概括“物质观”、“微粒观”、“元素观”、“运动观”、“分类观”、“结构观”和“科学价值观”等七个方面。这些观念的主要内涵如下,具有高度的统摄性和包容性:
1.物质观。该观念强调世界是由化学物质组成的,物质是由不同层次的微粒(原子、分子,离子)构成的。化学科学从分子、原子的层面上研究化学物质。
2.微粒观。这一观念主要解决物质微观构成问题。该观念包含的内容主要有:物质是由肉眼看不见的微粒构成的;微粒总是在不断地运动的;微粒间有一定的间隔;微粒间存在着相互作用。
3.元素观。这一观念主要解决物质宏观组成的问题。其内涵为:化学物质是由元素组成的。物质是多样的,其元素组成又是统一的。在已知的100多种元素,它们被排列在元素周期表中,而且这些元素是按照它们核内质子数目的递增而排列的,表现出周期性。
4.运动观。也被成为变化观或转化观,强调将化学运动(变化)作为七大基本运动来之一看待,并强调化学运动是有规律的。其主要内容有:化学反应就是原子的重新组合,它的本质是旧化学健的断裂与新化学键的形成;化学变化是有方向和限度的,许多化学反应都能够自发进行;化学变化是有规律的,质能守恒是化学变化中的一个普遍规律。
5.分类观。化学物质和化学变化是多种多样的,不论是化学物质还是化学变化,可以按照一定的标准进行划分。对物质及其变化进行分类研究,不仅有利于物质及其变化的研究,而且有利于抓住物质及其变化的本质。分类方法是化学研究的一种重要方法。
6.结构观。该观念主要涉及物质的组成与结构、性质与用途及存在等方面的内容。这一内容主要包含以下内容:物质的组成、结构决定物质的性质,物质的性质反映物质的结构;物质的性质与它在自然界中的存在、用途是直接联系的;物质化学结构的变化必然引起物质的化学性质的变化,通过物质所反映出的化学反应和性质,可以认识和确定它的结构。
7.科学价值观。物质对于人类来说都有两面性,必须合理使用物质的基础;正视化学品和传统化学过程对于人类带来的负面影响;在积极治理污染的同时,努力发展绿色化学。
一,无机化学
用感官直接观察事物所得的材料,称为事实;对于事物的具体特征加以分析、比较、综合和概括得到概念,如元素、化合物、化合、化分、氧化、还原、原子等皆是无机化学最初明确的概念;组合相应的概念以概括相同的事实则成定律,例如,不同元素化合成各种各样的化合物,总结它们的定量关系得出质量守恒、定比、倍比等定律;建立新概念以说明有关的定律,该新概念又经实验证明为正确的,即成学说。例如,原子学说可以说明当时已成立的有关元素化合重量关系的各定律。
化学知识的这种派生关系表明它们之间的内在联系。定律综合事实,学说解释并贯串定律,从而把整个化学内容组织成为一个有系统的科学知识。人们认为近代化学是在道尔顿创立原子学说之后建立起来的,因为该学说把当时的化学内容进行了科学系统化。
搜集事实搜集的方法有观察和实验。实验是控制条件下的观察。化学研究特别重视实验,因为自然界的化学变化现象都很复杂,直接观察不易得到事物的本质。例如,铁生锈是常见的化学变化,若不控制发生作用的条件,如水气、氧、二氧化碳、空气中的杂质和温度等就不易了解所起的反应和所形成的产物。
无论观察或实验,所搜集的事实必须切实准确。化学实验中的各种操作,如沉淀、过滤、灼烧、称重、蒸馏、滴定、结晶、萃取等等,都是在控制条件下获得正确可靠事实知识的实验手段。正确知识的获得,既要靠熟练的技术,也要靠精密的仪器,近代化学是由天平的应用开始的。通过对每一现象的测量,并用数字表示,才算对此现象有了确切知识。
建立定律 。古代化学工艺和金丹术积累的化学知识虽然很多,但不能称为科学。要知识成为科学,必须将搜集到的大量事实加以分析比较,去粗取精,由此及彼地将类似的事实归纳成为定律。例如普鲁斯特注意化合物的成分,他分析了大量的、采自世界各地的、天然的和人工合成的多种化合物,经过八年的努力后发现每一种化合物的组成都是完全相同的,于是归纳这类事实,提出定比定律。
由于各学科的深入发展和学科间的相互渗透,形成许多跨学科的新的研究领域。无机化学与其他学科结合而形成的新兴研究领域很多,例如生物无机化学就是无机化学与生物化学结合的边缘学科。
现代物理实验方法如:X射线、中子衍射、电子衍射、磁共振、光谱、质谱、色谱等方法的应用,使无机物的研究由宏观深入到微观,从而将元素及其化合物的性质和反应同结构联系起来,形成现代无机化学。现代无机化学就是应用现代物理技术及物质微观结构的观点来研究和阐述化学元素及其所有无机化合物的组成、性能、结构和反应的科学。无机化学的发展趋向主要是新型化合物的合成和应用,以及新研究领域的开辟和建立。
二,有机化学
位于周期表当中的碳元素,一般是通过与别的元素的原子共用外层电子而达到稳定的电子构型的(即形成共价键)。这种共价键的结合方式决定了有机化合物的特性。大多数有机化合物由碳、氢、氮、氧几种元素构成,少数还含有卤素和硫、磷、氮等元素。因而大多数有机化合物具有熔点较低、可以燃烧、易溶于有机溶剂等性质,这与无机化合物的性质有很大不同。
在含多个碳原子的有机化合物分子中,碳原子互相结合形成分子的骨架,别的元素的原子就连接在该骨架上。在元素周期表中,没有一种别的元素能像碳那样以多种方式彼此牢固地结合。由碳原子形成的分子骨架有多种形式,有直链、支链、环状等。
在有机化学发展的初期,有机化学工业的主要原料是动、植物体,有机化学主要研究从动、植物体中分离有机化合物。
有机分析即有机化合物的定性和定量分析。19世纪30年代建立了碳、氢定量分析法;90年代建立了氮的定量分析法;有机化合物中各种元素的常量分析法在19世纪末基本上已经齐全;20世纪20年代建立了有机微量定量分析法;70年代出现了自动化分析仪器。
由于科学和技术的发展,有机化学与各个学科互相渗透,形成了许多分支边缘学科。比如生物有机化学、物理有机化学、量子有机化学、海洋有机化学等。
有机化学研究手段的发展经历了从手工操作到自动化、计算机化,从常量到超微量的过程。
20世纪40年代前,用传统的蒸馏、结晶、升华等方法来纯化产品,用化学降解和衍生物制备的方法测定结构。后来,各种色谱法、电泳技术的应用,特别是高压液相色谱的应用改变了分离技术的面貌。各种光谱、能谱技术的使用,使有机化学家能够研究分子内部的运动,使结构测定手段发生了革命性的变化。
电子计算机的引入,使有机化合物的分离、分析方法向自动化、超微量化方向又前进了一大步。带傅里叶变换技术的核磁共振谱和红外光谱又为反应动力学、反应机理的研究提供了新的手段。这些仪器和x射线结构分析、电子衍射光谱分析,已能测定微克级样品的化学结构。用电子计算机设计合成路线的研究也已取得某些进展。
未来有机化学的发展首先是研究能源和资源的开发利用问题。迄今我们使用的大部分能源和资源,如煤、天然气、石油、动植物和微生物,都是太阳能的化学贮存形式。今后一些学科的重要课题是更直接、更有效地利用太阳能。
对光合作用做更深入的研究和有效的利用,是植物生理学、生物化学和有机化学的共同课题。有机化学可以用光化学反应生成高能有机化合物,加以贮存;必要时则利用其逆反应,释放出能量。另一个开发资源的目标是在有机金属化合物的作用下固定二氧化碳,以产生无穷尽的有机化合物。这几方面的研究均已取得一些初步结果。
其次是研究和开发新型有机催化剂,使它们能够模拟酶的高速高效和温和的反应方式。这方面的研究已经开始,今后会有更大的发展。
20世纪60年代末,开始了有机合成的计算机辅助设计研究。今后有机合成路线的设计、有机化合物结构的测定等必将更趋系统化、逻辑化。
三,物理化学
化学体系的宏观平衡性质 。以热力学的三个基本定律为理论基础,研究宏观化学体系在气态、液态、固
态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这一情况下,时间不是一个变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学。溶液、胶体和表面化学。
化学体系的微观结构和性质。以量子理论为理论基础,研究原子和分子的结构,物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构,以及结构与物性的规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。
化学体系的动态性质。研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下,时间是重要的变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化学。
四,分析化学
主要任务 分析化学的主要任务是鉴定物质的化学组成(元素、离子、官能团、或化合物)、测定物质的有关组分的含量、确定物质的结构(化学结构、晶体结构、空间分布)和存在形态(价态、配位态、结晶态)及其与物质性质之间的关系等。
分析化学的任务:有什么?有多少?什么形态?
(1)确定物质的化学组成——定性分析
(2)测量各组成的含量——定量分析
(3)表征物质的化学结构、形态、能态——结构分析、形态分析、能态分析
(4)表征组成、含量、结构、形态、能态的动力学特征——动态分析
①物质中有哪些元素和(或)基团(定性分析);②每种成分的数量或物质纯度如何(定量分析);③物质中原子彼此如何联结而成分子和在空间如何排列(结构和立体分析)。研究对象从单质到复杂的混合物和大分子化合物,从无机物到有机物,从低分子量到高分子量(如10原子质量单位)。样品可以是气态、液态和固态。称样重量可由 100克以上以至毫克以下。1931年E.威森伯格提出的残渣测定,只取10微克样品,便属于超微量分析。所用仪器从试管直到高级仪器(附自动化设备并用电子计算机程序控制、记录和储存)。分析化学以化学基本理论和实验技术为基础,并吸收物理、生物、统计、电子计算机、自动化等方面的知识以充实本身的内容,从而解决科学、技术所提出的各种分析问题。
分析化学包括化学分析、仪器分析两部分。化学分析是基础,仪器分析是目前的发展方向。
化学分析包括滴定分析和重量分析等,它是根据物质的化学性质来测定物质的组成及相对含量。
仪器分析的方法很多,它是根据物质的物理性质或物质的物理化学性质来测定物质的组成及相对含量。仪器分析根据测定的方法原理不同,可分为电化学分析、光学分析、色谱分析、其他分析法等4大类。如右图。
还有一些方法对无机物质和有机物质同样有效,如气相色谱法便是其中之一。样品中一氧化碳、二氧化碳、氢、氮、氧、甲烷、乙烯、水气等在同一柱中,在选择的条件下可逐一分离或分组分离。奥萨特气体分析器也是如此,只是分离的原理不同。
痕量分析是指样品所含的量极为微少。一般,在样品中含量多的为主要成分,含量少的为次要成分。E.B.桑德尔认为含量在1%~0.01%的为次要成分。有人认为在10%~0.01%的为次要成分。含量在万分之一(0.01%)以下称为痕量。痕量分析的动向趋于测定愈来愈低的含量,因此出现了超痕量分析,即含量接近或低于一般痕量下限。这名称只是定性的。
分析方法的理想条件 ①选择性最高,以至具有专一性,即干扰极少,这样就可以减轻或省略分离步骤;②精密度和准确度最高;③灵敏度最高,从而少量或痕量组分即可检定和测定;④测定范围最广,大量和痕量均能测定;⑤能测定的元素种类和物种最多;⑥方法简便,即最易操作而不需高度技巧;⑦经济实惠,即要求费用少而收益大。但汇集所有优点于一法是办不到的,例如,在重量分析中,如要提高准确度,需要延长分析时间(如用重沉淀法纯化沉淀)。因为化学法测定原子量要求准确到十万分之一,所以最费时间。
分析方法要力求简便,不仅野外工作(诸如地质普查、化学探矿、环境监测、土壤检测等)需要简便、有效的化学分析方法,室内例行分析工作也如此。因为在不损失所要求之准确度和精度的前提下,简便方法步骤少,这就意味着节省时间、人力和费用。例如,金店收购金首饰时,是将其在试金石板上划一道(科学名称是条纹),然后从条纹的颜色来决定金的成色。这种条纹法在矿物鉴定中仍然采用。当然,该法不及火试金法或原子吸收光谱法准确,但已能达到鉴定金器之目的。又如,糖尿病人的尿糖量可用特制的含酶试纸进行检验,从试纸的颜色变化估计含糖量的多寡,其方法之简便连患者本人也会使用。另一方面,用原子吸收光谱法虽然也能间接测定尿中含糖量,但因为不经济而没有被采用。
分离和富集方法 虽然有不少灵敏的和选择性强(甚至专一)的方法,但是如果欲测元素的浓度接近或低于方法的测定下限,则富集仍不可避免。富集方法很多,如升华、挥发、蒸馏、泡沫浮选(见痕量富集)、吸附(用分子筛、活性炭等)、色谱法、共沉淀、共结晶、汞齐作用、选择溶解、溶剂萃取、离子交换等。
在检出或测定之前,常常需要使欲测(或检出)物质与干扰物质彼此分离。重要的分离方法有蒸馏、溶剂萃取、离子交换、电渗析、沉淀、电泳等,大都与富集方法相同。富集可认为是提高浓度的分离方法。
隐蔽作用(见隐蔽和解蔽)虽不是分离,但其作用使离子失去其正常性质,即令该离子以另一形式存于反应体系中。然而在分析化学中分离之目的无非使干扰离子不再干扰,因此就广义而言,隐蔽及其相反作用解蔽应包括在分离范畴中。在分析化学中采用隐蔽和解蔽作用由来已久。重量分析、光度法、极谱法中均已应用,特别在点滴试验和络合滴定法中使用得更频繁。
取样和试样分解 取样最重要的要求是有代表性,即取来欲分析的样品须能代表全体。均匀或容易混匀的物质取样自不成问题,气态和液态样品属于这一类。不均匀的固态物质,如矿石和煤炭等应按规定手续取样。否则,分析结果不能代表原物质,徒然浪费人力物力。野外矿石取样多由地质人员进行。所得大样在试验室中由分析人员按一定手续粉碎和缩分到小样。另一方面,有机元素燃烧法分析合成的纯样品则无此问题。
样品溶熔是第二步。溶熔包括溶解和熔融,也称分解。有些样品能溶解于水、酸或混合酸、碱,以及有机溶剂中。上述办法不能溶解的,可改用熔剂熔融。熔剂可分碱性(如碳酸钠)、酸性(如硫酸氢钾)、氧化性(如过氧化钠)和还原性的(如硫代硫酸钠)。如果欲分析的成分较易挥发或熔融温度高,对坩埚腐蚀严重,则可改用烧结,即将颗粒表面部分熔化。史密斯法用氯化铵和碳酸钙(1:8~12)与硅酸盐岩石混合和烧结,以测定其中的碱金属便是一例。有机化合物和生物样品可采用干法或湿法灰化。干法灰化为在充分氧气存在下加热至炭化并逐渐燃烧,或在较低温度用原子氧氧化(低温灰化)。湿法灰化利用氧化性酸(如硝酸、高氯酸、浓硫酸)氧化样品。干法、湿法各有其优缺点,须视样品而定。
结构化学首先是一门直接应用多种近代实验手段测定分子静态、动态结构和静态、动态性能的实验科学。
它要从各种已知的化学物质的分子构型和运动特征中归纳出物质结构的规律性,还要从理论上说明为什么原子会结合成为分子,为什么原子按一定的量的关系结合成为数目众多的形形色色的分子,以及在分子中原子相互结合的各种作用力方式和分子中原子相对位置的立体化学特征。结构化学还说明某种元素的原子或某种基团在不同的微观化学环境中的价态、电子组态、配位特点等结构特征。
另一方面,从结构化学的角度还能阐明物质的各种宏观化学性能(包括化学反应性能)和各种宏观非化学性能(包括各种物理性质和许多新技术应用中的技术性能等)与微观结构之间的关系及其规律性。在这个基础上就有可能不断地运用已知的规律性,设法合成出具有更新颖、结构特点更不寻常的新物质,在化学键理论和实验化学相结合的过程中创立新的结构化学理论。与此同时,还要不断地努力建立新的阐明物质微观结构的物理的和化学的实验方法。
究相互关联、相互配合、相互促进。由于许多与物质结构有关的化学数据库的建立,结构化学也越来越被农学家和化工工程师所重视。
结构化学的研究主要有如下几个方面:
①新构型化合物的结构化学,尤其是原子簇结构化学和金属有机化合物的结构化学研究比较活跃。这一类研究涉及“化学模拟生物固氮”等在理论研究上极其重要的课题以及寻找新型高效的工业催化剂等与工农业生产息息相关的应用研究课题。在天然产物的结构化学研究中,天然药物,尤其是具有抗癌活性的有效成分的研究也有可能为人类制服癌症作出重要贡献。蛋白质的空间结构的研究仍然是一个既困难而又有重要理论意义和实际应用价值的课题。
②稀土元素的结构化学与中国丰富的稀土元素资源的综合利用的关系非常密切。在理论上,它与4f电子的轨道函数相关。有关的研究对于中国稀土工业的发展具有重要的意义。
③表面结构和表面化学反应的研究与工业生产上的非均相催化反应关系极为密切,有关的研究对于工业催化剂,尤其是合成氨等工业生产用的新型催化剂的研制具有理论指导的作用。
④激光光谱学和激光化学的研究,对于快速动态结构和快速化学反应动态过程等研究方法的建立有着深远的影响,并且可能导致新的结构化学研究手段的建立。激光作用下的化学反应过程更具有独特之处。
⑤结构化学的信息工程的研究能充分利用电子计算机的高速、高效率,充分发挥结构化学数据库的作用,对于新的半经验理论和新的结构化学理论的提出将有重大的影响。有关方法的建立将对于“分子设计”的实现起着重要的作用。
六,高分子化学
缩合聚合
一个缩聚反应生成高分子取决于单体的官能度(单体反应基团的平均数),官能度至少要等于2,才能生成线性高分子,官能度大于2可能生成支链或交联的高分子。缩聚反应在反应过程中要缩去某些小分子,经常是水,如聚酯及聚酰胺就是这类反应的典型产物。从化学平衡的角度看这些小分子要除去,分子量才能变得大,但是技术上很难达到。故缩聚物的分子量一般在2万,而下面要提及的加聚物的分子量一般在20万。实现缩聚的方法很多,如熔融聚合、溶液聚合、界面缩聚等。
加成聚合
在反应动力学上与缩合聚合完全不同,加聚反应不生成任何小分子副产物。加聚反应的单体一般是烯烃类的化合物,在引发剂的引发下发生聚合,一般的引发剂为自由基型、离子型及金属络合物等。加聚反应一般分为3个阶段:链引发、链增长、链终止阶段。缩聚和加聚的方法可分别得到两种类型的高分子,缩合型和加成型。值得提及的是缩聚反应亦可制取加聚型的高分子,反之亦然。无论是哪种类型的高分子,如果合成中包括一种单体,那么得到的高分子称之为均聚物。如果高分子是由两种或两种以上的单体所得,这样的高分子称之为共聚物。共聚物又分交替共聚物、无规共聚物、接枝及嵌段共聚物。共聚能改变高分子的性质,如力学性能和染色性能等。
一般说来高分子是稳定的,但在光、空气、水等的环境中会逐渐发生断链,致使聚合物的聚合度降低,通常称之为降解。这些反应是破坏性的,但不能说是不需要的,如农用薄膜,报废之后就很希望它们迅速地降解。另外一些高分子反应是很有用的,特别是当缺少某些单体,常通过处理预制的高分子所得到。尤其是功能高分子常涉及到的高分子反应。
高分子化学的发展主要经历了天然高分子的利用与加工、天然高分子的改性、合成高分子的生产和高分子科学的建立四个时期。从三十年代起随着合成高分子的发展而逐渐建立起来与高分子相关的反应动力学、化学热力学、结构化学、高分子物理、生物高分子等分支学科,形成了一门系统的高分子科学。
附:浓度的多种表示方法,以此提醒教学不能千篇一律地呆板机械,应当注重多样性和开放性。
浓度:泛指某物种在总量中所占的分量。广义的浓度概念是指一定量溶液或溶剂中溶质的量;这一笼统的浓度概念正像“量”的概念一样没有明确的含义。狭义的浓度是物质的量浓度的简称,以前还称体积摩尔浓度。浓度属强度量,大小与溶液的取量无关的量(无叠加性)。
其他浓度表示方法有:
2.摩尔分数(%)
3.物质的量浓度(mol/L)(体积摩尔浓度)
4.质量摩尔浓度(mol/kg)
附:理科教学一定要条理清晰
我越来越体会到理科教学要格外关注条理清晰循序渐进,学生才会觉得简单明了少走弯路。当然要让自己的课有条有理深入浅出,自己得先有系统化结构化且融会贯通的知识功底。
如讲“物质的量”,可以先通过类比(如质量单位有时用克有时用吨)说明在现实中选择恰当单位的重要性,再巧妙过度到用“物质的量”来计量微观粒子数目,然后再详细地从“定义--单位---大小规定---适用范围与应用”等方面透彻掌握。再如讲“物质的量浓度”时,最好先澄清浓度的基本含义及之前已有的表示方法(质量分数,体积分数等),这样让学生对浓度的概念和意义先有一个广义的了解。
如讲“电解”,如果依次从:惰性电极熔融态--惰性电极水溶液--活性电极,由简到繁地学习可能效果较好。再如讲“杂化轨道”,应先澄清:为何引入这个概念?然后澄清何为轨道杂化(为了更好成键,原子中某些能量相近的轨道重新组合成一组能量均等数目不变的新轨道的过程)?然后才是杂化轨道的特点(能量均等,对称性高,便于成键,轨道数目不变)及常见类型。
又如学习“化学平衡”,应先界定清楚:可逆反应,正逆反应,然后从正逆速率变化入手分析化学平衡的形成过程,接下来再对其下定义,然后再从实际生产层面分析化学平衡的“特征与标志”,最后是平衡移动原理和平衡常数。再如“配合物”教学,先通过实验引出问题,引出复杂离子四氨合铜,然后再给出一系列类似的“复杂离子”,通过观察与思考给出“配位键”的概念,下来再水到渠成地介绍配合物的概念,组成和应用等。再如“分散系与胶体”学习时,最好先澄清“分散系”的概念,然后通过三组对比实验,让学生观察三种不同的分散系(泥水,油水,氯化铁溶液,氢氧化铁胶体),形成感性认识,再对其作本质分类与区别。
中学化学中有好些教学难点,如电化学问题,化学平衡问题,杂化轨道理论,电解质溶液问题等,如果好好设计教学思路,注意“搭台阶”,注意“舒筋活血,扫清认知障碍”,做到“条理清晰,循序渐进”地教学,都将取得良好的教学效果。
注:“起兴”教学技巧恰当运用效果好:“起”国际上1米长度的规定,“兴”国际上1摩尔的大小规定;“起”圆周率及其符号和近似值的关系,“兴”阿伏加德罗常数及其符号和近似值的关系;“起”不能笼统地说买一斤水果而要说买一斤苹果或梨,“兴”用“物质的量”计量时要指定微粒。起兴就是类比,再如用“一个连100个一打12个”类比1摩尔是NA个粒子的集合体。起兴教学法是为学生舒筋活血搭台阶,是为学生扫清认知障碍,是循序渐进条理清晰。
附:化学教学不能过于简单化绝对化.例如:
1.稀硝酸与金属反应不是都放出一氧化氮的,与浓度和金属还原性有关,如稀硝酸与镁反应生成硝酸铵,氮还原成负三价。
2.电解时溶液中离子放电顺序问题及电极的确定,负极不一定是更活泼金属;
3.周期表中原子半径电负性和电离能变化规律,共价键离子键及晶体类型的判断;
4.物质氧化性还原性比较及所谓的[强制弱]规律[如不同条件下铁与氢气可相互置换,次氯酸和硫酸也可相互制备等];强制弱只是一般的经验规律,物质氧化性还原性强弱还与物质的状态,浓度,温度,酸碱性等有关。
5.某些化学过程中同时存在多个竞争反应[如水解,沉淀,氧化还原几个常常有竞争]等,如氯化铁与亚硫酸钠反应,碳酸钠与硫酸铜溶液中的离子反应,再如钢铁吸氧腐蚀和析氢腐蚀常常共存。
6.天然磁铁矿难溶于盐酸,酚遇三价铁显色但不一定是紫色,苯甲醛上的醛基受苯环钝化不能发生银镜反应,而丙酮却能发生银镜反应生成丙酸,及其他某些酮也可以发生银镜反应。
7.关于银镜反应:在银氨溶液中银离子的浓度很低,使得银离子的氧还能力变弱,因此便于控制生成银的速度以得到银镜,如果直接使用硝酸银溶液反应速度很快得不到银面,另外氨水不能过量,因为过量会使银氨络离子电离出的银离子太少[络合平衡]。电镀也是如此,即需控制速率。
8.如一般说铜不和盐酸反应,事实上与浓度有关,加热时铜与浓盐酸会发生络合反应,生成亚铜络合物和氢气。再如钠和二氧化碳在高温高压下会生成碳酸钠和碳。
9.苯酚与钠反应,如何让固体苯酚电离?
10.某些表面上不能发生消去反应的醇却因碳重排而能进行消去;
11.碘与淀粉有的显蓝色,有的是紫色或红色,与淀粉结构有关。
12.丙酮溴代对溴是零级反应,即增大溴浓度其速率不变。还有极个别反应,如一氧化氮与氧气反应温度越高速率越小。
13.2mol/L Fe2(SO4)3溶液?开玩笑,一升水中能溶解800克硫酸铁?常温下其溶解度才20克。
14.做过铝与氯化铁溶液反应的实验,这个貌似简单的实验中有多个竞争反应同时进行,现象丰富多彩,反应持久:先产生氢气,溶液变绿,生成少量红褐色沉淀,最终产生灰黑色颗粒。即开始时生成氢气,酸度降低后有少量氢氧化铁生成,铁先被还原成亚铁,最终被还原成铁单质。
15.常温常压下一氧化碳与氢氧化钠不反应,但高温高压下CO + NaOH = HCOONa,这是工业上甲酸钠和甲酸的制法。
16.合成氨,这个反应在温度压力一定的情况下加进去氮气,那么按勒沙特列原理,平衡应该是向合成氨的方向移动,但是我们用Q跟K的比值来看,发现结果跟勒沙特列的判断方向完全相反。为什么?因为这个外加氮气的合成氨反应不是处在一个封闭体系里头,而是开放体系,不符合勒沙特列原理的使用条件。应当用Q跟K的关系判断平衡移动。酸碱电离平衡、沉淀平衡、水解平衡都可以用Q和K的关系来判断平衡到底朝哪个方向移动。用V正等于V逆来说明平衡问题,实际上遇到一个非常棘手的问题:用什么来描述反应速率?正反应速率等于多少?逆反应速率等于多少?
17.“弱电解质电离是一个吸热过程,升高温度会促进电离。”这种说法是否科学?
这种说法是不严密的,只适合部分弱电解质。其实,电解质在水溶液中的电离过程,包括溶质内化学键的破坏、离子和分子的水合作用、某些离子的水解作用、溶质粒子的扩散作用等,因此电离过程的热效应是一个综合的热效应,可能吸热也可能放热。如在0~ 50℃内,醋酸的电离平衡常数是先随着温度的升高而增大,之后又随着温度的升高而减小;鲁科版《化学反应原理》中指出,“电离过程的热效应较小,在温度变化不大的情况下,一般可不考虑温度变化对电离平衡的影响。”
18.离子反应: Ba2++ SO42- + 2OH- +2H+= BaSO4↓+2H2O一定对应Ba(OH)2与H2SO4的反应吗?还有Ba(OH)2溶液与足量NaHSO4溶液的反应,硫酸与氢氧化钠和氯化钡的混合液反应等。另外,通过实验显示:PH为7时溶液的电导率(导电性能的定量化)最小,可说明上述反应时离子间的定量关系。
19.SCN—具有较强的还原性,其还原能力介于Br—和I—之间,故用SCN—间接检验Fe2+时,氯水、HNO3等强氧化剂不能过量,否则硫氢根被氧化。
20.
21.铂钯等金属不但吸附氢气,且吸附后使氢气活性显著增强,故可做氢氧燃料电池电极或储氢材料.
22.氧气在苯等非极性试剂中的溶解度是其在水中的10倍左右,故用这些有机试剂处理对氧敏感的物质时须先除去溶于其中的氧气.
23.
24.电解水时实际生成气体体积并非二倍关系,主要是:一方面氧因分子间作用力稍大而在水中溶液度大于氢气,另一方面是发生副反应,如氧气可能与电极材料反应。