第1章物质的结构和变化

1、第第1 1章章 物质的结构和变化物质的结构和变化物质的结构物质的结构氧化还原反应氧化还原反应 1.1 1.1 物质的结构物质的结构物质可由物质可由分子分子、原子原子或或离子离子构成，其中，分子是保持物质化学性质的最小粒子。分子由构成，其中，分子是保持物质化学性质的最小粒子。分子由一个或多个相同或不同的原子组成，可用分子式表示，如一个或多个相同或不同的原子组成，可用分子式表示，如O2表示氧气分子，每个氧气分子由表示氧气分子，每个氧气分子由2 2个氧原子组成；而原子是化学变化中的最小粒子，可用元素符号表示，如个氧原子组成；而原子是化学变化中的最小粒子，可用元素符号表示，如FeFe（铁）、（铁）、M

2、gMg（镁）、（镁）、AlAl（铝）等；离子是带电的原子，可用离子符号表示，如（铝）等；离子是带电的原子，可用离子符号表示，如 Ca2+ （钙离子）、（钙离子）、 Al3+ （铝离子）、（铝离子）、 Cu2+ （铜离子）等。（铜离子）等。物质发生物理变化时，分子不发生变化；物质发生化学变化时，分子发生变化，但原子物质发生物理变化时，分子不发生变化；物质发生化学变化时，分子发生变化，但原子不发生变化。因此，要了解物质的结构及其变化，必须了解原子的结构。不发生变化。因此，要了解物质的结构及其变化，必须了解原子的结构。1.1.1 1.1.1 原子结构原子结构1 1原子的组成原子的组成原子是由居于原子

3、中心带正电荷的原子是由居于原子中心带正电荷的原子核原子核和在核外做高速运动的带负电荷的和在核外做高速运动的带负电荷的电子电子构成。构成。原子核由质子和中子构成，每个质子带一个单位正电荷，中子不带电荷，所以原子核所带的正原子核由质子和中子构成，每个质子带一个单位正电荷，中子不带电荷，所以原子核所带的正电荷数即核电荷数（用符号电荷数即核电荷数（用符号Z Z表示）等于核内质子数。表示）等于核内质子数。由于每个电子带一个单位的负电荷，所以原子核所带的正电荷数与核外电子所带的负电荷由于每个电子带一个单位的负电荷，所以原子核所带的正电荷数与核外电子所带的负电荷数相等。原子作为一个整体不显电性。数相等。原子

4、作为一个整体不显电性。 例如，氦（例如，氦（HeHe）原子由）原子由2 2个质子和个质子和2 2个中子组成氦原个中子组成氦原子核，氦原子核外由子核，氦原子核外由2 2个电子绕核高速旋转，如右图个电子绕核高速旋转，如右图所示。所示。如果忽略电子的质量，将原子核内所有质子和中子的相对质量取近似值加起来，所得的如果忽略电子的质量，将原子核内所有质子和中子的相对质量取近似值加起来，所得的数值叫做质量数，用符号数值叫做质量数，用符号A A表示。中子数用符号表示。中子数用符号N N表示，则：表示，则：2 2原子核外电子的排布规律原子核外电子的排布规律在离核较近的区域内运动的电子能量较低，反之较高。科学家把

5、这些距核远近不同的在离核较近的区域内运动的电子能量较低，反之较高。科学家把这些距核远近不同的“区域区域”称为称为电子层电子层。按从内向外的顺序排列，电子层可以用数字和字母来表示：。按从内向外的顺序排列，电子层可以用数字和字母来表示： （1 1）数字表示法）数字表示法 1 1，2 2，3 3，4 4，5 5，6 6，7 7 （2 2）字母表示法）字母表示法 K K，L L，M M，N N，O O，P P，Q Q如用如用X X代表一个质量数为代表一个质量数为A A，质子数为，质子数为Z Z的原子，则可以用的原子，则可以用 代表代表原子的组成，表示为：原子的组成，表示为：右图右图为原子核外电子排布示

6、意图。为原子核外电子排布示意图。 用原子结构示意图可以简洁、明了地表示用原子结构示意图可以简洁、明了地表示原子结构。圆圈和圈内的数字表示原子核和核原子结构。圆圈和圈内的数字表示原子核和核内质子数，弧线表示电子层，弧线上的数字表内质子数，弧线表示电子层，弧线上的数字表示该层电子数。示该层电子数。下图下图显示了核电荷数为显示了核电荷数为1 12020的元素原子核外电子的排布情况。的元素原子核外电子的排布情况。 原子原子核外电子的排布的核外电子的排布的规律规律：（1 1）各电子层最多容纳的电子数为）各电子层最多容纳的电子数为2 2n2个；个；（2 2）最外层电子数不超过）最外层电子数不超过8 8个，

7、个，K K层为最外层为最外层时不超过层时不超过2 2个；个；（3 3）次外层电子数不超过）次外层电子数不超过1818个，倒数第个，倒数第3 3层电子数不超过层电子数不超过3232个。个。3 3同位素同位素我们把具有一定数目的质子和一定数目的中子的一种原子叫做核素，如我们把具有一定数目的质子和一定数目的中子的一种原子叫做核素，如 、 和和 就就各为一种核素。质子数相同，而中子数不同的同种元素的不同核素互称为同位素，如各为一种核素。质子数相同，而中子数不同的同种元素的不同核素互称为同位素，如 、 和和 就是氢的就是氢的3 3种同位素。种同位素。有些同位素能够发出肉眼看不见的射线，称为放射性同位素。

8、放射性同位素的用途非常有些同位素能够发出肉眼看不见的射线，称为放射性同位素。放射性同位素的用途非常广泛，例如在农业上用放射性同位素的原子核放射的广泛，例如在农业上用放射性同位素的原子核放射的射线照射种子，可使种子发生变异，射线照射种子，可使种子发生变异，经过筛选，培育出具有早熟、高产、抗病等特点的优良品种；在医学上，可以用经过筛选，培育出具有早熟、高产、抗病等特点的优良品种；在医学上，可以用 诊断和诊断和治疗甲状腺疾病等。治疗甲状腺疾病等。1.1.2 1.1.2 元素周期律和元素周期表元素周期律和元素周期表1 1元素周期律元素周期律 为便于研究，科学家们把元素按照核电荷数的为便于研究，科学家们

9、把元素按照核电荷数的大小由小到大进行编号，这个序号称大小由小到大进行编号，这个序号称为元素的原子序数。为元素的原子序数。 右表列出了右表列出了3 31818号元素原子号元素原子的核外电子排布、原子半径和主要的核外电子排布、原子半径和主要化合价。化合价。下图显示了随着原子序数的变化，原子半径也呈现变化的趋势。下图显示了随着原子序数的变化，原子半径也呈现变化的趋势。综上所述，元素原子的核外电子排布、原子半径及主综上所述，元素原子的核外电子排布、原子半径及主要化合价等元素性质都随着原子序数的递增而呈现有规律要化合价等元素性质都随着原子序数的递增而呈现有规律的变化。由此可以得出一个结论，就是元素的性质

10、随着原的变化。由此可以得出一个结论，就是元素的性质随着原子序数的递增而呈现周期性的变化，这个规律叫做子序数的递增而呈现周期性的变化，这个规律叫做。 2 2元素周期表元素周期表元素周期表中的每个横行称为一个周期，共有元素周期表中的每个横行称为一个周期，共有7 7个周期。每一周期中元素的电子层数相个周期。每一周期中元素的电子层数相同，周期的序数就是该周期元素原子具有的电子层数。同，周期的序数就是该周期元素原子具有的电子层数。周期序数电子层数周期序数电子层数第一、二、三周期所排元素种类分别为第一、二、三周期所排元素种类分别为2 2种、种、8 8种、种、8 8种，称为种，称为短周期短周期；第四、五、六

11、周；第四、五、六周期所含元素较多，分别为期所含元素较多，分别为1818种、种、1818种、种、3232种，称为种，称为长周期长周期；第七周期，目前所排元素种类为；第七周期，目前所排元素种类为2626种，还未填满，所以称为种，还未填满，所以称为不完全周期不完全周期。主族是由短周期元主族是由短周期元素和长周期元素共同构成素和长周期元素共同构成的族，分别用的族，分别用A A、A A、A A表示。在周表示。在周期表中，期表中， 主族序数主族序数= =最外层电子数。最外层电子数。副族是完全由长周副族是完全由长周期元素构成的族，分别用期元素构成的族，分别用B B、B B、B B表示。表示。零族是由稀有气体

12、元素构零族是由稀有气体元素构成的族，用成的族，用“0 0”表示。表示。族是由第族是由第8 8、9 9、1010三个三个纵列的元素构成的族，用纵列的元素构成的族，用“”表示。表示。；（1 1）同一周期，自左至右，核电）同一周期，自左至右，核电荷数依次增多，原子失去电子的能力逐荷数依次增多，原子失去电子的能力逐渐减弱，得到电子的能力逐渐增强（零渐减弱，得到电子的能力逐渐增强（零族除外）。因此从左至右元素金属性逐族除外）。因此从左至右元素金属性逐渐减弱，如渐减弱，如MgMg的金属性小于的金属性小于NaNa的金属性；的金属性；而非金属性逐渐增强，如而非金属性逐渐增强，如S S的非金属性的非金属性大于大

13、于P P的非金属性。的非金属性。3 3元素周期表中元素性质的递变规律元素周期表中元素性质的递变规律（2 2）同一主族，自上而下，失电）同一主族，自上而下，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱。子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱。因此同一主族元素自上而下的金属性逐因此同一主族元素自上而下的金属性逐渐增强，如渐增强，如NaNa的金属性大于的金属性大于LiLi的金属性；的金属性；而非金属性逐渐减弱，如而非金属性逐渐减弱，如ClCl的非金属性的非金属性小于小于F F的非金属性。的非金属性。要确定元素金属性和非金属性的强弱，可以通过以下化学性质来判断。要确定元素金属性和非金属性的强弱，可以通过以下化学

14、性质来判断。l让元素单质（由一种元素组成的纯净物）与水或酸发生反应，置换出氢越让元素单质（由一种元素组成的纯净物）与水或酸发生反应，置换出氢越容易，元素金属性越强。容易，元素金属性越强。l元素的最高价态氧化物对应水化物（即氧化物溶于水形成的化合物）的碱元素的最高价态氧化物对应水化物（即氧化物溶于水形成的化合物）的碱性越强，元素金属性越强。性越强，元素金属性越强。l元素单质与氢气反应，生成气态氢化物越容易，元素非金属性越强。元素单质与氢气反应，生成气态氢化物越容易，元素非金属性越强。l元素最高价态氧化物对应水化物的酸性越强，元素的非金属性越强。元素最高价态氧化物对应水化物的酸性越强，元素的非金属

15、性越强。1.1.3 1.1.3 化学键化学键我们把这种分子中或晶体内相邻两个或多个原子之间强烈的相互作用称为化学键。化学我们把这种分子中或晶体内相邻两个或多个原子之间强烈的相互作用称为化学键。化学键的主要类型有键的主要类型有离子键离子键、共价键共价键和和金属键金属键，本节重点研究离子键和共价键。，本节重点研究离子键和共价键。1 1离子键离子键我们以氯化钠的生成来说明离子键的形成：我们以氯化钠的生成来说明离子键的形成：像这样，阴、阳离子通过静电作用所形成的化学键叫做像这样，阴、阳离子通过静电作用所形成的化学键叫做离子键离子键。通过离子键结合成的化合物称为通过离子键结合成的化合物称为离子化合物离子

16、化合物。绝大多数盐类、强碱类和活泼金属氧化物。绝大多数盐类、强碱类和活泼金属氧化物都是离子化合物，如都是离子化合物，如NaClNaCl、KClKCl、NaOHNaOH、CaOCaO等。等。 2 2共价键共价键这种原子之间通过共用电子对而形成的化学键称为这种原子之间通过共用电子对而形成的化学键称为共价键共价键。分子中只有共价键的化合物。分子中只有共价键的化合物称为称为共价化合物共价化合物，如，如HClHCl、 H H2O O 、 NHNH3 （氨）等。（氨）等。在同种元素形成的双原子单质分子（如在同种元素形成的双原子单质分子（如H H2、ClCl2 ）中，由于两个原子对共用电子对的吸）中，由于两

17、个原子对共用电子对的吸引力相同，共用电子对处于两个原子中间，原子不带电荷，化合价为零，我们称这种共价键引力相同，共用电子对处于两个原子中间，原子不带电荷，化合价为零，我们称这种共价键为非极性共价键，简称为非极性共价键，简称非极性键非极性键。例如。例如ClCl2分子间的形成的化学键。分子间的形成的化学键。极性键，极性键，例如例如HClHCl分子间形成的化学键。分子间形成的化学键。1.1.4 1.1.4 物质的构成方式物质的构成方式1 1由原子直接构成的物质由原子直接构成的物质其主要包括其主要包括金属单质金属单质，如铁（，如铁（FeFe）、镁（）、镁（MgMg）等；）等；稀有气体单质稀有气体单质，

18、如氦气（，如氦气（HeHe）、氖气）、氖气（NeNe）等。此外，金刚石（）等。此外，金刚石（C C）、晶体硅（）、晶体硅（SiSi）、石墨（）、石墨（C C）和二氧化硅（）和二氧化硅（SiOSiO2 ）之类的）之类的原子晶原子晶体体也由原子直接构成。原子晶体中相邻原子之间通过强烈的共价键结合而成为空间网状结构的也由原子直接构成。原子晶体中相邻原子之间通过强烈的共价键结合而成为空间网状结构的晶体，下图给出了二氧化硅（晶体，下图给出了二氧化硅（SiOSiO 2 ）的晶体结构模型。）的晶体结构模型。 2 2由分子构成的物质由分子构成的物质这类物质主要包括这类物质主要包括多数非金属单质多数非金属单质，

19、如氧气（，如氧气（O O2）、氢气（）、氢气（H H2）和碘（）和碘（I I2）等；）等；非金属非金属气态氢化物气态氢化物，如氯化氢（，如氯化氢（HCIHCI）、硫化氢（）、硫化氢（H H2S S）等；非金属氧化物，如二氧化碳（）等；非金属氧化物，如二氧化碳（COCO2）、二）、二氧化硫（氧化硫（SOSO2）等；）等；非金属与非金属间组成的大多数化合物非金属与非金属间组成的大多数化合物，以及，以及大多数有机化合物大多数有机化合物（简称（简称有机物，主要指含碳元素的化合物）等。有机物，主要指含碳元素的化合物）等。对于由分子构成的物质而言，可用分子式表示其构成。例如，二氧化碳的分子式为对于由分子构

20、成的物质而言，可用分子式表示其构成。例如，二氧化碳的分子式为“COCO2”，表示每个二氧化碳分子中包含了，表示每个二氧化碳分子中包含了1 1个碳原子和个碳原子和2 2个氧原子。个氧原子。（1）由活泼金属元素和活泼非金属元素组成的化合物，如氧化钠（Na2O，包括钠离子和氧离子）、氯化钠（NaCI）和氯化镁（MgCl2）等（2）强碱，如氢氧化钠（NaOH，俗称烧碱或火碱，包括钠离子和氢氧根离子）、氢氧化钙（Ca（OH）2，俗称熟石灰）等（3）大多数盐类，如硫酸铜（CuSO4，包括铜离子和硫酸根离子）、碳酸钠（Na2CO3）等3 3由离子构成的物质由离子构成的物质离子化合物主要包括：离子化合物主要包

21、括： 1.2 1.2 氧化还原反应氧化还原反应1.2.1 1.2.1 化学反应的类型化学反应的类型1 1化合反应化合反应简记为：简记为：A + B = CA + B = C，指由两种或两种以上物质生成一种新物质，指由两种或两种以上物质生成一种新物质的反应的反应 2 2分解反应分解反应简记为：简记为：A = B + CA = B + C，是化合反应的逆反应，指一种化合物在特，是化合反应的逆反应，指一种化合物在特定条件下分解成两种或两种以上较简单的单质或化合物的反应定条件下分解成两种或两种以上较简单的单质或化合物的反应3 3置换反应置换反应简记为：简记为：A+BC=B+ACA+BC=B+AC，表示

22、额外的反应元素取代化合物中的一个，表示额外的反应元素取代化合物中的一个元素。即一种单质和一种化合物生成另一种单质和另一种化合物元素。即一种单质和一种化合物生成另一种单质和另一种化合物的反应的反应根据反应物和生成物中单质的类别，置换反应有以下根据反应物和生成物中单质的类别，置换反应有以下4 4种情况：种情况：1234较活泼的金属置换出较不活泼的金属或氢气较活泼的金属置换出较不活泼的金属或氢气较活泼的非金属置换出较不活泼的非金属较活泼的非金属置换出较不活泼的非金属非金属置换出金属非金属置换出金属金属置换出非金属金属置换出非金属 4 4副分解反应副分解反应简记为：简记为：AB+CD=AD+CBAB+

23、CD=AD+CB，即由两种化合物互相交换成分，生成另，即由两种化合物互相交换成分，生成另外两种化合物的反应外两种化合物的反应1.2.2 1.2.2 氧化还原反应氧化还原反应 该反应中，铜元素的化合价从该反应中，铜元素的化合价从+2+2价降低到了价降低到了0 0价，被还原，价，被还原，发生了还原反应；而铁元素虽然没有得氧的过程，但其化合价发生了还原反应；而铁元素虽然没有得氧的过程，但其化合价从从0 0价升高到了价升高到了+2+2价，被氧化，发生了氧化反应。价，被氧化，发生了氧化反应。该反应属于非金属与非金属之间的反应。由于氯原子吸引该反应属于非金属与非金属之间的反应。由于氯原子吸引共用电子对的能力比氢原子要强一些，所以在氯化氢分子中，共用电子对的能力比氢原子要强一些，所