第一章物质种类及其相关实验.docx

1、第一章 物质种类及其相关实验第一章 物质种类及其相关实验在整个历史上，人类的生命曾不断受到饥馑与疾病等自然灾害的威胁。在同这些灾难的斗争过程中，我们所取得的成就在不小的程度上应该归功于化学。第一次世界大战期间，德国化学家Fritz Haber提出了将大气中的氮转化为氨的实用操作法；氨是当今为世界日益增长的人口提供食粮的合成化肥的主要成份。一个世代之后，另一种化学制剂DDT，在亚、欧等战争地区成功地用于控制疟病与其它传染病的蔓延。从第二次世界大战以来，DDT与其它化学杀虫剂一直在全世界范围内用于提高农业生产。近年来，我们已逐渐认识到这些应社会需要而发展起来的化学制品的某些令人厌憎的副作用。化学肥

2、料促使水藻滋生，堵塞了许多湖泊与河流。象DDT等杀虫药，对野生动物极为有害；在某些情况下，人类的生活也受到了它们的影响。从更普遍的意义上说，我们已经察觉到，人类环境的质量已经受到为试图获得“更美好的生活”而生产出来的物质的危害。然而我们发现，为净化空气和水源所作的努力受到了另一潜在的灾难性问题自然资源枯竭的限制。1970年的“能源危机”只是一种事实的迹象，它表明奠定我们经济基础的廉价原料行将耗尽。同其它科学家一道，化学家们也在努力解决污染和资源枯竭所造成的问题。分析化学家发展和应用各种复杂的仪器，借以测定汽车尾气中ppm级的污染物。无机化学家们投身于“催化转换器”的研制工作，这种转换器目前已经

3、用于减少汽车的有害排放物。有机化学家与生物化学家、生物学家一道，合成了多种化学制品，为控制有害昆虫开辟了新的途径。而探索新能源的工作正在由物理化学家与物理学家、工程师们一起进行着。化学家以及其它科学家用以解决问题的方法是多种多样的。不少有意义的发现部分出自偶然。一位正在研究细菌培养基的生物学家可能由于他的培养物受到偶然的污染而发现新的抗生素。一位正在研究某种反应机理的化学家可能得到启示为另一种截然不同的反应寻得一种优良的催化剂。这类发现并非单凭幸运；它们需要有产生新思想的思维方法以及进行严格试验的实验环境。不论新思想是怎样产生的，检验新思想的方法则是两百年来对各门科学都是行之有效的。所谓“科学

4、方法”总是从经过精心设计并在严格控制条件的实验室进行的实验开始的。一般来说，化学家从事研究的体系较为单纯，也许其中只包含一种纯物质，或者是由两至三种物质所组成的溶液。由这些体系所获得的测试结果，如果解释得当，就可以得出结论以应用于实验室之外的更为复杂的世界。在这门化学入门课程中，我们要讨论大量的各种各样的实验。其中有些实验，读者将在实验室亲手操作；而另外一些，读者只能根据本书或教师的描述进行想象了。我们的兴趣在于从这些实验所能引出的原理或者“定律”以及这些化学原理在解决实际问题方面的应用。在这一章，我们将讨论化学家用于鉴定和分离纯物质的某些非常简单的实验。在这样做之前，我们先浏览一下对各种实验

5、都至关重要的各类测量。1.1 测量大多数在化学实验室进行的实验都具有定量的性质。就是说，这些实验都涉及用数学来表示诸如长度、体积、质量及温度等物理量。现在我们来考虑量度这些物理量的工具以及表示这些物理量的各种单位。测量器械长度 我们大家都熟悉普通化学实验室所使用的一种简单器械米尺；米尺能够尽可能准确地再现长度的基本单位：米。如果我们审视一杆米尺，就可看到，它划分成一百等分，每一等分的长度是一厘米（1cm=102m）。一厘米又划分成十等分，每等分长一毫米（1mm=103m）。另一为长跑与越野跑运动员所熟悉的大得多的单位是千米（1km=103m）。化学上还有两种常用于表示原子、分子等微小粒子大小的

6、单位是埃（1=1010 m）和毫微米即纳米（1nm =109 m= 107 cm）。体积 公制中的体积单位直接与长度单位联系。1立方米（m3）代表每边长一米的立方体的体积。另一种小得多的单位是立方厘米（cm3），1cm3=（102m）3=106m3。还有一种居中的广泛用于表示液体体积的单位是升（l）；这个单位精确等于1000cm3。而1毫升（ml）所含体积精确等于1立方厘米的体积。普化实验室量度体积用得最多的器皿是量筒。如需要更高准确度，可使用移液管或滴定管（图1.1）。移液管是经过标定的，当它被充满到刻度并正规排放时，可给出一定体积的液体（如25.000.01cm3）。从滴定管可以放出准确度

7、相等的不同体积的液体。量取液体时，必须仔细观测液面起止时的刻度，以计算放出的液体体积。图1.1右侧所示是容量瓶，当液体充满至刻于细颈上的标线时，表示它容纳了一定体积的液体（如50、100、cm3）。质量 试样中物质的多少，即它的质量，常用克、千克（1kg=103g）或毫克（1mg=103g）表示。在化学实验室，质量通常用天平（图1.2）称量。为说明有关内容，我们先考虑图1.2，上图是较为简单的双盘天平。假设两边称盘都是空的，将天平调节到在它停下时两个称盘的高度相等。称量时，待称物放在左边称盘上。然后在右边称盘加上已知质量的各种金属砝码以恢复平衡，亦即，使两秤盘的高度重新相等。在此情况下，作用于

8、试样的重力f与作用于砝码的相等：F（试样）=f（砝码）而Newton第一运动定律告诉我们，重力正比于质量：f=k（质量）此处比例常数k在一定地区为一定值。由此，在平衡时，k（试样质量）=k（砝码质量） （1.1）或试样质量=砝码质量于是可知双盘天平不仅检测等重力而且检测等质量。目前大多数教学和研究实验室均使用单盘天平，其型式如图1.2下图所示。图中称盘（A）与一套活动砝码（B）悬挂于天平的一臂；它们的质量恰与装在天平另一臂的一个固定称锤（C）的质量相等。加上试样，称盘下沉。于是旋转刻度盘（D）除去一枚或数枚活动砝码，使平衡接近（但未完全）恢复。此时天平梁较其原来水平位置仍有少许偏斜。通过光学系

9、统将这部分偏斜转换成小质量校正，以数字显现在有灯光照明的标度尺上。将这部分质量加上从刻度盘上读出的质量就可求得试样的质量。幸好在实际使用这种仪器时要比对它进行一番描述省时间得多。一名初学者使用单盘天平也能有条不紊地在几秒钟内将试样称准至0.001克。温度 温度概念我们大家都是熟悉的；这主要是因为我们的身体对温度变化十分敏感的缘故。当我们拾起一块冰时，会觉得手冷，因为冰的温度比手的低得多。当我们喝完一杯咖啡，可能说咖啡是“热的”、“温的”或是“极坏的”。至少在前两种情况，我们描述了咖啡温度高出我们体温的程度。从稍有不同的角度看，温度可以看成是决定热流动方向的因素。在青海湖冬泳的人定会觉得寒冷，因

10、为湖水吸收了其体内的热量。若此人又洗热水淋浴，热量流动方向就倒过来了。总之，只要两种温度不同的物体彼此接触，热量就自动从高温物体流向低温物体。在用汞温度计测量温度时，我们利用了这样的事实，即汞象其它物质一样，随着温度上升体积膨胀。温度计设计成便于看清楚体积微小变化的型式（图1.3）。细长的毛细管柱的总体积只相当于底部贮汞槽体积的百分之二到三。化学实验室所使用的温度计刻成摄氏度数以纪念瑞典天文学家Anders Celsius(17011744)。摄氏温标取水的冰点为0，并取一大气压下水的沸点为100。当我们将一支质地优良的汞温度计放进盛有碎冰与水（冰水平衡）的烧坏中时，温度计内的汞就会准确地停在

11、0刻度上。在盛有沸水的烧杯内，汞将上升到100刻度。这两个刻度之间的距离被精确地划分成100等分，其中每一等分相应于摄氏一度。因此，45温度读数处的汞面高度相应于0到100刻度距离的45%。华氏温标是一种较古老的温标，至今仍在若干国家使用。这种温标建基于Daniel Fahrenheit（16861736）的工作；他是一位德国仪器制造师，汞温度计的首创人。在华氏温标上，水的冰点和沸点分别定为32F与212F。由此可以得出华氏度数与摄氏度数的简单关系。由图1.4可以看出，华氏度数的摄氏度数的直线函数。因直线方程为y=ax+b，所以得到：F=aC+b，常数a和b很容易确定；b是纵轴截距，为32，而

12、a是直线斜率；a=，将上述数据代入，就有F=1.8+32。（）另一种我们将广为应用的温标是绝对温标或kelvin温标。摄氏度数（）与kelvin(K)之间的关系为：K=+273（）这种温标的命名是为了纪念英国物理学家Kelvin勋爵。他根据基于实验和理论得出的数学推导式宣称：要得到低于0K的温度是不可能的。（kelvin勋爵10岁就进入大学。当他的著作发表时，刚26岁。）例题1.1 医院里的温度计通常刻成华氏度数。从这种温度计上读出人的正常体温是98.6F。将此温度用与kelvin表示。解 代入方程1.2，得到98.6=1.8()+32解方程 1.8()=98.632=66.6 ()=66.6

13、/1.8=37.0应用方程1.3 K=37.0+273.0=310.0测量误差、有效数字每次实验测量总会涉及测量误差，其大小取决于测试仪表的性能和测试者的技巧。例如，我们若有100cm3量筒量取8cm3液体，所得液体体积的误差可能至少有1cm3。使用这样粗糙的量器，我们能够得到接近于8而不是7或9cm3的体积就算不错了。为了提高测试准确度，我们可换用10cm3的细量筒；这种量筒的刻度分得比较开。此刻我们量出的体积就可能落在预期值8cm3的0.1cm3范围内，即在7.9cm3到8.1cm3范围以内。如果应用滴定管，结果将更为出色；要是操作仔细，测量误差可降低至0.01cm3。从事实验工作的人有责

14、任指出他的测试误差。这种资料对任何想重复这个实验或判断其正确性的人都是必不可少的。这样做有许多方法。例如，我们可以将上面所引的三种体积测量结果报告为：81cm3 (大量筒)8.00.1cm3 (小量筒)8.000.01cm3 (滴定管)在这本书内，我们不用“”表示法而直接写成8cm3；8.0cm3；8.00cm3只须领会这些数字的最末一位至少有一单位的误差（1cm3,0.1cm3,0.01cm3）就可以了。这种表达测量可信程度的方法常常可用有效数字来描述。例如，“8.00cm3”是三位有效数；三个数字中每个都有实际意义。同样，“8.0cm3”是两位有效数，而“8cm3”只有一位有效数。我们经常

15、需要知道别人报出的测量结果的有效数字的位数。其推断方法由例题1.2说明。例题1.2 某教师要求学习普通化学课的学生称取一天然金块。在学生报告的质量中有下列数据：20.03克，20.0克，0.02003千克与20克上述情况各是几位有效数字？解 报告20.03克的学生显然相信四位数字的每一位都是有意义的；他举出了四位有效数字。同样，报告20.0克的学生给出三位有效数字。她将“0”放在小数点之后说明金块称准至0.1克。稍加思考便可明白第三个学生与第一个学生一样，给出四位有效数字。紧靠小数点右侧的“0”没有意义；它之存在不过是因为此处质量是用千克而不是用克表示罢了。根据同样理由，数量“0.064克”有

16、两位有效数字，“0.007克”只有一位有效数字。我们无法确认“20克”所具有的有效数字位数。有可能这个学生将金块称准至克并想表示两位有效数字。但也可能他想告诉我们他的天平只称到10克；在这种情况下，“20克”中只有第一位数是有效的。为避免这种混淆，可用指数表示法给出质量，即2.0101克；两位有效数字2101克；一位有效数字（采用指数表示法表示数量时，测得量的有效数字位数就等于给出数字的位数。）我们在实验室测得的大部分数量本身并非最后结果，而是被用来计算其它数量。比如，我们可以测量试样的质量与体积以测定试样的密度（例题1.3）。很明显，任何这样计算结果的准确度都受到得出这个结果的各测试项准确度

17、的限制。特别是，如实验量经过乘除法运算，则所得结果的有效数字位数不得超过准确度最低的测试值的有效数字位数。例题1.3 某学生通过测定25时水的密度（单位体积内的质量）以检验水的纯度。（从手册查得的纯水数据为0.9970g/cm3。）他从量筒量出25cm3水样，并测得其质量为25.624g。他应该报告的密度值是多少？解 很遗憾，密度测得的准确度受到了体积测试准确度的限制，后者只有两位有效数字。密度=质量测试的五位有效数字没有必要，这位同学当时用称准到克的粗天平结果也是一样的。当实验量相加或相减时，所得和数或差数的准确度取决于最不精确的测试值的绝对误差（而非有效数字位数）。例如，欲计算由10.21

18、克速溶咖啡和一小“撮”（0.2克）糖，加入256克水所配溶液的质量。这些质量数据包含的误差是：速溶咖啡： 10.210.01g糖： 0.20.1g水： 2561g总质量 2661g* 质量的和数不可能比水的质量（1g）更准确。总质量应报告为266g而不是266.4g或266.41g。在应用这些支配有效数字的规则时，应该记住在计算中涉及的某些数字是准确的而非近似的。比如，如用下式将某测得长度6.10mm以厘米表示时，答案应给出三位有效数，即测得量（6.10mm）的有效数字位数。上式中出现的“10”是一个规定量；1cm内准确地有10mm。同样，在华氏、摄氏温标关系式中：F=1.8+32数字1.8与

19、32都是准确的，因而并不影响任何有关的温度换算的准确度（参见例题1.1）。单位换算长度、体积和质量 经常有必要将以一种单位（例如mg）表示的测试结果换算为另一种单位（g或kg）。公制范围内的单位换算比较简单，因公制中各种单位之间成10的整方次关系。而进行英制单位换算，计算较为复杂；例如，英制中1呎=12时；1加仑=4夸脱；1磅=16盎斯由于公制是简单的十进位制，所以这种量制为科学家们广泛采用。公制很久以来就在欧洲大陆上使用；近几年来，不少其它国家，包括英国和加拿大，也开始转用公制。在美国，由于保守，再加上一定程度的顽固，还保留着英制。虽说目前看来有希望在五到十年内改为公制。虽然全世界都倾向于使

20、用公制，但人们熟悉的英制单位在未来相当长时间内仍将继续聘同，至少是在非科学性的文献中。应用诸如表1.1给出的换算因式，就可将英制换算成公制。借助换算因公，我们不难将实验量从一套单位换算为另一套单位。为说明一般方法，假设我们要将长度25.6时换算成厘米。为此，我们应用换算因式1in=2.54cm将此式两端同除以1in，得商数等于1： 表1.1 长度、体积与质量单位换算表公制英制公制英制长度1km=103m1cm=102m1mm=103m1nm=109m1ft=12in1yd=3ft1mile=5280ft1in=2.54cm1m=39.37in1mile=1.609km体积1m3=106cm3=

21、103l1cm3=1m=103l1gallon=4qt=8pt1qt(加拿大)=69.35in31qt(美制)=57.75in31in3=16.39cm31l=0.8799qt(加拿大)1l=1.057qt(美制)质量1kg=103g1mg=103g1t=103kg1lb=16oz1短吨=2000lb1lb=453.6g1g=0.03527oz1t=1.102短吨以商数2.54cm/in乘25.6in，长度值不变，但完成了单位换算：25.6in换算因式1in=2.54cm同样可将以厘米为单位的长度，比如4.00cm换算为时。此时我们用2.54cm同除式子两端，得，以商数1in/2.54cm乘4

22、.00cm，就可将厘米换算为时：4.00cm，注意从一个换算因式（例如1in=2.54cm）可得出两个商数（2.54cm/1in或1in/2.54cm）。在进行单位换算时，我们所选择的商数应能消去我们希望消去的那种单位。例题1.4说明换算因式方法对较为复杂问题的应用。例题1.4 从纽约市荷兰隧道取出的空气试样，经分析表明含一氧化碳1.91010lb/in3。将一氧化碳浓度换算为公制（每立方厘米内的克数）。解 这里需要进地两种换算，一是将磅换算为克，用以下换算因式：1lb=453.6g （表1.1）其次是将立方时换算为立方厘米：1in3=16.39cm3 （表1.1）合并为一个表达式：1.910

23、10lb/in3或写成标准的指数表示式（附录4）=5.3109g/in3*换算因式法将在本书范围内广为应用。如读者初次与此接触，可能觉得方法使用不便或不自然。然而读者将会明白这是解决化学中多种问题的最直截了当的方法。这种方法在处理生疏的单位或进行如例题1.4的多步骤换算时特别有用。其它测得量 除长度、体积、质量和温度外，化学实验室进行的实验还经常涉及其它量的测量。可以用进行化学反应所需的时间为例。大家都熟悉用以表示时间的各种单位（日、时、分和秒）：1d=24h；1h=60min；1min=60s在涉及气体的实验中，除气体的体积、质量与温度外，指出气体的压力也是重要的（第五章）。而与每个化学反应

24、有关的能量变化大小经常在报告实验结果时列出（第四章）。表示压力与能量有许多不同单位；较常见的几种单位列于表1.2中；表中还列出有关的换算因式。表1.2 压力与能量单位的换算因式压 力帕斯卡（Pa） 千帕(kPa） 1kPa=103Pa大气压(atm) 1atm=1.013105Pa=101.3kPa毫米汞柱（mmHg）* 1atm=760mmHg能 量焦耳（J） 1kJ=103J千焦（kJ） 1cal=4.184J热化学卡路里（Cal）* 1ev=1.6021019 J* 1毫米汞柱指1毫米汞柱产生的压力。* 热化学卡路里相当于将1克水的温度提高摄氏1度所需热量（准确地说，从14.5到15.5

25、）。这些单位的换算可与早先讨论的单位换算以同样方式进行。例题1.5 某日，气压计的压力读数为742mmHg。此压力请以千帕（斯卡表示）。解 参考表1.2，看来先将毫米汞柱换算为大气压（760mmHg），然后再换算为千帕（斯卡）（1atm=101.3kPa）比较合理。故按连续两次换算进行：742mmHgSI单位表1.1与1.2所列大量条目说明，一个物理量常可用多种不同单位表示。例如，压力可表示为大气压、毫米汞柱、帕斯卡，甚至还可表示为每平方吋上的磅数。这样繁多的单位早就为科学家们所关心了。1960年度量衡总会推荐采用以公制为基础的自身一致的一套单位；这就是所谓的国际单位制（Internation

26、al System of Units, 简称SI）。SI制建议每个测得量只用一个单位。表1.3列出对普通化学特别有用的某些SI单位。本书将广泛采用这种单位。表1.3 SI单位基本单位导出单位量单位符号量单位符号长度质量时间温度物质的量电流米千克秒凯尔文摩尔+安培+mkgsKmolA体积力压力能量电荷电位立方米牛顿*帕斯卡+焦耳*库仑+伏特+m3NPaJCV* 1牛顿是使质量为1千克的物体产生1米/秒2加速度的力。（N=kgm/s2）+ 1帕斯卡为1牛顿的力作用在1平方米的面积上所产生的压力（Pa=N/m2=kg/(ms2)）* 1焦耳是1牛顿的力在1米距离所做的功（J=Nm=kgm2/s2）。

27、+ 定义见本书后几章。表1.3所列某些SI单位，其大小在使用上不很方便，例如，立方米代表着一个很大的体积，而普通化学实验室经常使用的具有中等尺寸的试管体积只有0.00001m3。在另一极端，帕斯卡代表着一种很小的压力，通常的一大气压力约等于100000Pa。迴避这个问题的一个明显途径可能是采用指数表法法。即，可将试管体积表示为1105m3，1大气压写成1.0105Pa。或者，我们可用表1.4所列各种词冠。表1.4 SI制词冠倍数词冠符号倍数词冠符号109106103102101吉加giga*兆mega千kilo百hecto十decaGMKHda101102103106109分deci厘cent

28、i毫milli微micro纳nano*dcmn* 109的汉语词冠非国际单位制用“千兆”表示译者* 109的汉语词冠非国际单位制用“毫微”表示译者这样，1.0105Pa可表示为100kPa；即1.0105Pa而1105m3可表示为10cm3：1105m3本书以后部分将尽量采用SI制。例如，我们将以纳米表示原子大小而不再用埃（1nm=109m=10），用立方厘米或立方分米表示体积而不再用升（1l=1dm3=103cm3），并用焦耳表示能量而不再用卡（1cal=4.184J）。但我们常常还会用到SI制以外我们熟悉的压力单位标准大气压：1atm=1.013105 Pa=101.3 kPa。1.2 物

29、质的种类通过即将讨论的各种方法，化学家们从地壳、海洋与大气中分离出成千上万种纯物质。其中的100多种具有下述的重要特性，即从来没有人能够将它们分解成两种或更多种的性质与原来不同的物质。这些物质叫做单质（元素）。所有其它纯物质均称为化合物。化合物就其定义来说，就是可以分解为两种或两种以上单质（元素）的纯物质。有许多方法可将化合物分解为单质（元素）。英国化学家Joseph Priestley将氧化汞置于高倍率透镜聚焦的阳光下，使其分解为单质氧和汞。Humphry Davy爵士宣称：长期被认为是单质的普通生石灰是一种化合物；在熔融的生石灰中通过电流时，在电极上可以得到两种不同的物质（钙和氧）。表1.

30、5列出自然界存量最丰富的20种元素的质量百分数。可以看到，仅是氧一种元素就占据总量将近一半。水这种最普通的化合物含有89%的氧。许多最常见的物质所含化合物是由氧和其它元素（如硅、铝、铁等）组成。表1.5 元素丰度（地壳、海洋及大气）99.2 % 0.7 %其它 0.1 %元素的符号（表1.5）取自元素名称的一个或两个字母（O、Si、Al、Ca）。某些元素符号取自它的拉丁名称（例如Fe，取自ferrum-铁）或该元素某种化合物的拉丁名称（例如Na，取自Natri Carbonas-碳酸钠）。1.3 纯物质的鉴定物质可根据其化学性质予以鉴定。物质的化学性质乃是指物质参与可使其本身转变为另一种或多种其它物质的化学变化时所表现出来的性质。例如，将某固体在空气中加热，并观察到此固体分解后生成氧与汞，就可证实这种固体就是氧化汞。更为常见的是，物质可以通过测试其物理性质予以鉴定。物理性质乃是指无需改变物质的化学特性就可以测试的物质的性质。物质的物理性质包括例如熔点、沸点、溶解度与密度等各种特性。有关这些性质的列表都可以在文献和手册中查到。通过若干性质的测试并与记载值比较，一般就可能鉴定一种物质，并对该物质的纯度获得某些认识。例如，若测得某液体在81时沸腾，在4时凝固，溶于乙醇而不溶于水，且测得其密度为0.882g