高中化學(xué)競賽輔導(dǎo) 第一章 物質(zhì)分類與相關(guān)實(shí)驗(yàn)

1、高中化學(xué)競賽輔導(dǎo) 第一章 物質(zhì)分類與相關(guān)實(shí)驗(yàn)第一章 物質(zhì)種類及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)在整個(gè)歷史上，人類的生命曾不斷受到饑饉與疾病等自然災(zāi)害的威脅。在同這些災(zāi)難的斗爭過程中，我們所取得的成就在不小的程度上應(yīng)該歸功于化學(xué)。第一次世界大戰(zhàn)期間，德國化學(xué)家Fritz Haber提出了將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為氨的實(shí)用操作法；氨是當(dāng)今為世界日益增長的人口提供食糧的合成化肥的主要成份。一個(gè)世代之后，另一種化學(xué)制劑DDT，在亞、歐等戰(zhàn)爭地區(qū)成功地用于控制瘧病與其它傳染病的蔓延。從第二次世界大戰(zhàn)以來，DDT與其它化學(xué)殺蟲劑一直在全世界范圍內(nèi)用于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。近年來，我們已逐漸認(rèn)識到這些應(yīng)社會(huì)需要而發(fā)展起來的化學(xué)制品的某些令人厭憎

2、的副作用?；瘜W(xué)肥料促使水藻滋生，堵塞了許多湖泊與河流。象DDT等殺蟲藥，對野生動(dòng)物極為有害；在某些情況下，人類的生活也受到了它們的影響。從更普遍的意義上說，我們已經(jīng)察覺到，人類環(huán)境的質(zhì)量已經(jīng)受到為試圖獲得“更美好的生活”而生產(chǎn)出來的物質(zhì)的危害。然而我們發(fā)現(xiàn)，為凈化空氣和水源所作的努力受到了另一潛在的災(zāi)難性問題自然資源枯竭的限制。1970年的“能源危機(jī)”只是一種事實(shí)的跡象，它表明奠定我們經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的廉價(jià)原料行將耗盡。同其它科學(xué)家一道，化學(xué)家們也在努力解決污染和資源枯竭所造成的問題。分析化學(xué)家發(fā)展和應(yīng)用各種復(fù)雜的儀器，借以測定汽車尾氣中ppm級的污染物。無機(jī)化學(xué)家們投身于“催化轉(zhuǎn)換器”的研制工作，這

3、種轉(zhuǎn)換器目前已經(jīng)用于減少汽車的有害排放物。有機(jī)化學(xué)家與生物化學(xué)家、生物學(xué)家一道，合成了多種化學(xué)制品，為控制有害昆蟲開辟了新的途徑。而探索新能源的工作正在由物理化學(xué)家與物理學(xué)家、工程師們一起進(jìn)行著。化學(xué)家以及其它科學(xué)家用以解決問題的方法是多種多樣的。不少有意義的發(fā)現(xiàn)部分出自偶然。一位正在研究細(xì)菌培養(yǎng)基的生物學(xué)家可能由于他的培養(yǎng)物受到偶然的污染而發(fā)現(xiàn)新的抗生素。一位正在研究某種反應(yīng)機(jī)理的化學(xué)家可能得到啟示為另一種截然不同的反應(yīng)尋得一種優(yōu)良的催化劑。這類發(fā)現(xiàn)并非單憑幸運(yùn)；它們需要有產(chǎn)生新思想的思維方法以及進(jìn)行嚴(yán)格試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。不論新思想是怎樣產(chǎn)生的，檢驗(yàn)新思想的方法則是兩百年來對各門科學(xué)都是行之有

4、效的。所謂“科學(xué)方法”總是從經(jīng)過精心設(shè)計(jì)并在嚴(yán)格控制條件的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)開始的。一般來說，化學(xué)家從事研究的體系較為單純，也許其中只包含一種純物質(zhì)，或者是由兩至三種物質(zhì)所組成的溶液。由這些體系所獲得的測試結(jié)果，如果解釋得當(dāng)，就可以得出結(jié)論以應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室之外的更為復(fù)雜的世界。在這門化學(xué)入門課程中，我們要討論大量的各種各樣的實(shí)驗(yàn)。其中有些實(shí)驗(yàn)，讀者將在實(shí)驗(yàn)室親手操作；而另外一些，讀者只能根據(jù)本書或教師的描述進(jìn)行想象了。我們的興趣在于從這些實(shí)驗(yàn)所能引出的原理或者“定律”以及這些化學(xué)原理在解決實(shí)際問題方面的應(yīng)用。在這一章，我們將討論化學(xué)家用于鑒定和分離純物質(zhì)的某些非常簡單的實(shí)驗(yàn)。在這樣做之前，我們先瀏

5、覽一下對各種實(shí)驗(yàn)都至關(guān)重要的各類測量。1.1 測量大多數(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都具有定量的性質(zhì)。就是說，這些實(shí)驗(yàn)都涉及用數(shù)學(xué)來表示諸如長度、體積、質(zhì)量及溫度等物理量。現(xiàn)在我們來考慮量度這些物理量的工具以及表示這些物理量的各種單位。測量器械長度 我們大家都熟悉普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)室所使用的一種簡單器械米尺；米尺能夠盡可能準(zhǔn)確地再現(xiàn)長度的基本單位：米。如果我們審視一桿米尺，就可看到，它劃分成一百等分，每一等分的長度是一厘米（1cm=102m）。一厘米又劃分成十等分，每等分長一毫米（1mm=103m）。另一為長跑與越野跑運(yùn)動(dòng)員所熟悉的大得多的單位是千米（1km=103m）?；瘜W(xué)上還有兩種常用于表示原子、分子

6、等微小粒子大小的單位是埃（1=1010 m）和毫微米即納米（1nm =109 m= 107 cm）。體積 公制中的體積單位直接與長度單位聯(lián)系。1立方米（m3）代表每邊長一米的立方體的體積。另一種小得多的單位是立方厘米（cm3），1cm3=（102m）3=106m3。還有一種居中的廣泛用于表示液體體積的單位是升（l）；這個(gè)單位精確等于1000cm3。而1毫升（ml）所含體積精確等于1立方厘米的體積。普化實(shí)驗(yàn)室量度體積用得最多的器皿是量筒。如需要更高準(zhǔn)確度，可使用移液管或滴定管（圖1.1）。移液管是經(jīng)過標(biāo)定的，當(dāng)它被充滿到刻度并正規(guī)排放時(shí)，可給出一定體積的液體（如25.00±0.01cm

7、3）。從滴定管可以放出準(zhǔn)確度相等的不同體積的液體。量取液體時(shí)，必須仔細(xì)觀測液面起止時(shí)的刻度，以計(jì)算放出的液體體積。圖1.1右側(cè)所示是容量瓶，當(dāng)液體充滿至刻于細(xì)頸上的標(biāo)線時(shí)，表示它容納了一定體積的液體（如50、100、cm3）。質(zhì)量 試樣中物質(zhì)的多少，即它的質(zhì)量，常用克、千克（1kg=103g）或毫克（1mg=103g）表示。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，質(zhì)量通常用天平（圖1.2）稱量。為說明有關(guān)內(nèi)容，我們先考慮圖1.2，上圖是較為簡單的雙盤天平。假設(shè)兩邊稱盤都是空的，將天平調(diào)節(jié)到在它停下時(shí)兩個(gè)稱盤的高度相等。稱量時(shí)，待稱物放在左邊稱盤上。然后在右邊稱盤加上已知質(zhì)量的各種金屬砝碼以恢復(fù)平衡，亦即，使兩秤盤的高度

8、重新相等。在此情況下，作用于試樣的重力f與作用于砝碼的相等：F（試樣）=f（砝碼）而Newton第一運(yùn)動(dòng)定律告訴我們，重力正比于質(zhì)量：f=k（質(zhì)量）此處比例常數(shù)k在一定地區(qū)為一定值。由此，在平衡時(shí)，k（試樣質(zhì)量）=k（砝碼質(zhì)量） （1.1）或試樣質(zhì)量=砝碼質(zhì)量于是可知雙盤天平不僅檢測等重力而且檢測等質(zhì)量。目前大多數(shù)教學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室均使用單盤天平，其型式如圖1.2下圖所示。圖中稱盤（A）與一套活動(dòng)砝碼（B）懸掛于天平的一臂；它們的質(zhì)量恰與裝在天平另一臂的一個(gè)固定稱錘（C）的質(zhì)量相等。加上試樣，稱盤下沉。于是旋轉(zhuǎn)刻度盤（D）除去一枚或數(shù)枚活動(dòng)砝碼，使平衡接近（但未完全）恢復(fù)。此時(shí)天平梁較其原來水平

9、位置仍有少許偏斜。通過光學(xué)系統(tǒng)將這部分偏斜轉(zhuǎn)換成小質(zhì)量校正，以數(shù)字顯現(xiàn)在有燈光照明的標(biāo)度尺上。將這部分質(zhì)量加上從刻度盤上讀出的質(zhì)量就可求得試樣的質(zhì)量。幸好在實(shí)際使用這種儀器時(shí)要比對它進(jìn)行一番描述省時(shí)間得多。一名初學(xué)者使用單盤天平也能有條不紊地在幾秒鐘內(nèi)將試樣稱準(zhǔn)至±0.001克。溫度 溫度概念我們大家都是熟悉的；這主要是因?yàn)槲覀兊纳眢w對溫度變化十分敏感的緣故。當(dāng)我們拾起一塊冰時(shí)，會(huì)覺得手冷，因?yàn)楸臏囟缺仁值牡偷枚唷．?dāng)我們喝完一杯咖啡，可能說咖啡是“熱的”、“溫的”或是“極壞的”。至少在前兩種情況，我們描述了咖啡溫度高出我們體溫的程度。從稍有不同的角度看，溫度可以看成是決定熱流動(dòng)方向

10、的因素。在青海湖冬泳的人定會(huì)覺得寒冷，因?yàn)楹樟似潴w內(nèi)的熱量。若此人又洗熱水淋浴，熱量流動(dòng)方向就倒過來了?？傊?，只要兩種溫度不同的物體彼此接觸，熱量就自動(dòng)從高溫物體流向低溫物體。在用汞溫度計(jì)測量溫度時(shí)，我們利用了這樣的事實(shí)，即汞象其它物質(zhì)一樣，隨著溫度上升體積膨脹。溫度計(jì)設(shè)計(jì)成便于看清楚體積微小變化的型式（圖1.3）。細(xì)長的毛細(xì)管柱的總體積只相當(dāng)于底部貯汞槽體積的百分之二到三?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)室所使用的溫度計(jì)刻成攝氏度數(shù)以紀(jì)念瑞典天文學(xué)家Anders Celsius(17011744)。攝氏溫標(biāo)取水的冰點(diǎn)為0，并取一大氣壓下水的沸點(diǎn)為100。當(dāng)我們將一支質(zhì)地優(yōu)良的汞溫度計(jì)放進(jìn)盛有碎冰與水（冰水平衡

11、）的燒壞中時(shí)，溫度計(jì)內(nèi)的汞就會(huì)準(zhǔn)確地停在0刻度上。在盛有沸水的燒杯內(nèi)，汞將上升到100刻度。這兩個(gè)刻度之間的距離被精確地劃分成100等分，其中每一等分相應(yīng)于攝氏一度。因此，45溫度讀數(shù)處的汞面高度相應(yīng)于0到100刻度距離的45%。華氏溫標(biāo)是一種較古老的溫標(biāo)，至今仍在若干國家使用。這種溫標(biāo)建基于Daniel Fahrenheit（16861736）的工作；他是一位德國儀器制造師，汞溫度計(jì)的首創(chuàng)人。在華氏溫標(biāo)上，水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)分別定為32°F與212°F。由此可以得出華氏度數(shù)與攝氏度數(shù)的簡單關(guān)系。由圖1.4可以看出，華氏度數(shù)的攝氏度數(shù)的直線函數(shù)。因直線方程為y=ax+b，所以得

12、到：°F=a°C+b，常數(shù)a和b很容易確定；b是縱軸截距，為32，而a是直線斜率；a=，將上述數(shù)據(jù)代入，就有°F=1.8+32。（）另一種我們將廣為應(yīng)用的溫標(biāo)是絕對溫標(biāo)或kelvin溫標(biāo)。攝氏度數(shù)（）與kelvin(K)之間的關(guān)系為：K=+273（）這種溫標(biāo)的命名是為了紀(jì)念英國物理學(xué)家Kelvin勛爵。他根據(jù)基于實(shí)驗(yàn)和理論得出的數(shù)學(xué)推導(dǎo)式宣稱：要得到低于0K的溫度是不可能的。（kelvin勛爵10歲就進(jìn)入大學(xué)。當(dāng)他的著作發(fā)表時(shí)，剛26歲。）例題1.1 醫(yī)院里的溫度計(jì)通常刻成華氏度數(shù)。從這種溫度計(jì)上讀出人的正常體溫是98.6°F。將此溫度用與kelvin表

13、示。解 代入方程1.2，得到98.6=1.8()+32解方程 1.8()=98.632=66.6 ()=66.6/1.8=37.0應(yīng)用方程1.3 K=37.0+273.0=310.0測量誤差、有效數(shù)字每次實(shí)驗(yàn)測量總會(huì)涉及測量誤差，其大小取決于測試儀表的性能和測試者的技巧。例如，我們?nèi)粲?00cm3量筒量取8cm3液體，所得液體體積的誤差可能至少有1cm3。使用這樣粗糙的量器，我們能夠得到接近于8而不是7或9cm3的體積就算不錯(cuò)了。為了提高測試準(zhǔn)確度，我們可換用10cm3的細(xì)量筒；這種量筒的刻度分得比較開。此刻我們量出的體積就可能落在預(yù)期值8cm3的0.1cm3范圍內(nèi)，即在7.9cm3到8.1c

14、m3范圍以內(nèi)。如果應(yīng)用滴定管，結(jié)果將更為出色；要是操作仔細(xì)，測量誤差可降低至0.01cm3。從事實(shí)驗(yàn)工作的人有責(zé)任指出他的測試誤差。這種資料對任何想重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)或判斷其正確性的人都是必不可少的。這樣做有許多方法。例如，我們可以將上面所引的三種體積測量結(jié)果報(bào)告為：8±1cm3(大量筒)8.0±0.1cm3(小量筒)8.00±0.01cm3(滴定管)在這本書內(nèi)，我們不用“±”表示法而直接寫成8cm3；8.0cm3；8.00cm3只須領(lǐng)會(huì)這些數(shù)字的最末一位至少有一單位的誤差（1cm3,0.1cm3,0.01cm3）就可以了。這種表達(dá)測量可信程度的方法常?？捎糜?/p>

15、效數(shù)字來描述。例如，“8.00cm3”是三位有效數(shù)；三個(gè)數(shù)字中每個(gè)都有實(shí)際意義。同樣，“8.0cm3”是兩位有效數(shù)，而“8cm3”只有一位有效數(shù)。我們經(jīng)常需要知道別人報(bào)出的測量結(jié)果的有效數(shù)字的位數(shù)。其推斷方法由例題1.2說明。例題1.2 某教師要求學(xué)習(xí)普通化學(xué)課的學(xué)生稱取一天然金塊。在學(xué)生報(bào)告的質(zhì)量中有下列數(shù)據(jù)：20.03克，20.0克，0.02003千克與20克上述情況各是幾位有效數(shù)字？解 報(bào)告20.03克的學(xué)生顯然相信四位數(shù)字的每一位都是有意義的；他舉出了四位有效數(shù)字。同樣，報(bào)告20.0克的學(xué)生給出三位有效數(shù)字。她將“0”放在小數(shù)點(diǎn)之后說明金塊稱準(zhǔn)至0.1克。稍加思考便可明白第三個(gè)學(xué)生與第

16、一個(gè)學(xué)生一樣，給出四位有效數(shù)字。緊靠小數(shù)點(diǎn)右側(cè)的“0”沒有意義；它之存在不過是因?yàn)榇颂庂|(zhì)量是用千克而不是用克表示罷了。根據(jù)同樣理由，數(shù)量“0.064克”有兩位有效數(shù)字，“0.007克”只有一位有效數(shù)字。我們無法確認(rèn)“20克”所具有的有效數(shù)字位數(shù)。有可能這個(gè)學(xué)生將金塊稱準(zhǔn)至克并想表示兩位有效數(shù)字。但也可能他想告訴我們他的天平只稱到10克；在這種情況下，“20克”中只有第一位數(shù)是有效的。為避免這種混淆，可用指數(shù)表示法給出質(zhì)量，即2.0×101克；兩位有效數(shù)字2×101克；一位有效數(shù)字（采用指數(shù)表示法表示數(shù)量時(shí)，測得量的有效數(shù)字位數(shù)就等于給出數(shù)字的位數(shù)。）我們在實(shí)驗(yàn)室測得的大部分

17、數(shù)量本身并非最后結(jié)果，而是被用來計(jì)算其它數(shù)量。比如，我們可以測量試樣的質(zhì)量與體積以測定試樣的密度（例題1.3）。很明顯，任何這樣計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度都受到得出這個(gè)結(jié)果的各測試項(xiàng)準(zhǔn)確度的限制。特別是，如實(shí)驗(yàn)量經(jīng)過乘除法運(yùn)算，則所得結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)不得超過準(zhǔn)確度最低的測試值的有效數(shù)字位數(shù)。例題1.3 某學(xué)生通過測定25時(shí)水的密度（單位體積內(nèi)的質(zhì)量）以檢驗(yàn)水的純度。（從手冊查得的純水?dāng)?shù)據(jù)為0.9970g/cm3。）他從量筒量出25cm3水樣，并測得其質(zhì)量為25.624g。他應(yīng)該報(bào)告的密度值是多少？解 很遺憾，密度測得的準(zhǔn)確度受到了體積測試準(zhǔn)確度的限制，后者只有兩位有效數(shù)字。密度=質(zhì)量測試的五位有效數(shù)字

18、沒有必要，這位同學(xué)當(dāng)時(shí)用稱準(zhǔn)到克的粗天平結(jié)果也是一樣的。當(dāng)實(shí)驗(yàn)量相加或相減時(shí)，所得和數(shù)或差數(shù)的準(zhǔn)確度取決于最不精確的測試值的絕對誤差（而非有效數(shù)字位數(shù)）。例如，欲計(jì)算由10.21克速溶咖啡和一小“撮”（0.2克）糖，加入256克水所配溶液的質(zhì)量。這些質(zhì)量數(shù)據(jù)包含的誤差是：速溶咖啡：10.21±0.01g糖：0.2±0.1g水：256±1g總質(zhì)量266±1g*質(zhì)量的和數(shù)不可能比水的質(zhì)量（±1g）更準(zhǔn)確?？傎|(zhì)量應(yīng)報(bào)告為266g而不是266.4g或266.41g。在應(yīng)用這些支配有效數(shù)字的規(guī)則時(shí)，應(yīng)該記住在計(jì)算中涉及的某些數(shù)字是準(zhǔn)確的而非近似的。比如，

19、如用下式將某測得長度6.10mm以厘米表示時(shí)，答案應(yīng)給出三位有效數(shù)，即測得量（6.10mm）的有效數(shù)字位數(shù)。上式中出現(xiàn)的“10”是一個(gè)規(guī)定量；1cm內(nèi)準(zhǔn)確地有10mm。同樣，在華氏、攝氏溫標(biāo)關(guān)系式中：°F=1.8+32數(shù)字1.8與32都是準(zhǔn)確的，因而并不影響任何有關(guān)的溫度換算的準(zhǔn)確度（參見例題1.1）。單位換算長度、體積和質(zhì)量 經(jīng)常有必要將以一種單位（例如mg）表示的測試結(jié)果換算為另一種單位（g或kg）。公制范圍內(nèi)的單位換算比較簡單，因公制中各種單位之間成10的整方次關(guān)系。而進(jìn)行英制單位換算，計(jì)算較為復(fù)雜；例如，英制中1呎=12時(shí)；1加侖=4夸脫；1磅=16盎斯由于公制是簡單的十進(jìn)位

20、制，所以這種量制為科學(xué)家們廣泛采用。公制很久以來就在歐洲大陸上使用；近幾年來，不少其它國家，包括英國和加拿大，也開始轉(zhuǎn)用公制。在美國，由于保守，再加上一定程度的頑固，還保留著英制。雖說目前看來有希望在五到十年內(nèi)改為公制。雖然全世界都傾向于使用公制，但人們熟悉的英制單位在未來相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)仍將繼續(xù)聘同，至少是在非科學(xué)性的文獻(xiàn)中。應(yīng)用諸如表1.1給出的換算因式，就可將英制換算成公制。借助換算因公，我們不難將實(shí)驗(yàn)量從一套單位換算為另一套單位。為說明一般方法，假設(shè)我們要將長度25.6時(shí)換算成厘米。為此，我們應(yīng)用換算因式1in=2.54cm將此式兩端同除以1in，得商數(shù)等于1：表1.1 長度、體積與質(zhì)量單

21、位換算表公制英制公制英制長度1km=103m1cm=102m1mm=103m1nm=109m1ft=12in1yd=3ft1mile=5280ft1in=2.54cm1m=39.37in1mile=1.609km體積1m3=106cm3=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)質(zhì)量1kg=103g1mg=103g1t=103kg1lb=16oz1短噸=2000lb1lb=453.6g1g=0.03527oz1t=1.102

22、短噸以商數(shù)2.54cm/in乘25.6in，長度值不變，但完成了單位換算：25.6in×換算因式1in=2.54cm同樣可將以厘米為單位的長度，比如4.00cm換算為時(shí)。此時(shí)我們用2.54cm同除式子兩端，得，以商數(shù)1in/2.54cm乘4.00cm，就可將厘米換算為時(shí)：4.00cm×，注意從一個(gè)換算因式（例如1in=2.54cm）可得出兩個(gè)商數(shù)（2.54cm/1in或1in/2.54cm）。在進(jìn)行單位換算時(shí)，我們所選擇的商數(shù)應(yīng)能消去我們希望消去的那種單位。例題1.4說明換算因式方法對較為復(fù)雜問題的應(yīng)用。例題1.4 從紐約市荷蘭隧道取出的空氣試樣，經(jīng)分析表明含一氧化碳1.9

23、×1010lb/in3。將一氧化碳濃度換算為公制（每立方厘米內(nèi)的克數(shù)）。解 這里需要進(jìn)地兩種換算，一是將磅換算為克，用以下?lián)Q算因式：1lb=453.6g（表1.1）其次是將立方時(shí)換算為立方厘米：1in3=16.39cm3（表1.1）合并為一個(gè)表達(dá)式：1.9×1010lb/in3×或?qū)懗蓸?biāo)準(zhǔn)的指數(shù)表示式（附錄4）=5.3×109g/in3*換算因式法將在本書范圍內(nèi)廣為應(yīng)用。如讀者初次與此接觸，可能覺得方法使用不便或不自然。然而讀者將會(huì)明白這是解決化學(xué)中多種問題的最直截了當(dāng)?shù)姆椒?。這種方法在處理生疏的單位或進(jìn)行如例題1.4的多步驟換算時(shí)特別有用。其它測得量

24、除長度、體積、質(zhì)量和溫度外，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)還經(jīng)常涉及其它量的測量?？梢杂眠M(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所需的時(shí)間為例。大家都熟悉用以表示時(shí)間的各種單位（日、時(shí)、分和秒）：1d=24h；1h=60min；1min=60s在涉及氣體的實(shí)驗(yàn)中，除氣體的體積、質(zhì)量與溫度外，指出氣體的壓力也是重要的（第五章）。而與每個(gè)化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的能量變化大小經(jīng)常在報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)列出（第四章）。表示壓力與能量有許多不同單位；較常見的幾種單位列于表1.2中；表中還列出有關(guān)的換算因式。表1.2 壓力與能量單位的換算因式壓 力帕斯卡（Pa） 千帕(kPa） 1kPa=103Pa大氣壓(atm) 1atm=1.013×105Pa

25、=101.3kPa毫米汞柱（mmHg）* 1atm=760mmHg能 量焦耳（J） 1kJ=103J千焦（kJ） 1cal=4.184J熱化學(xué)卡路里（Cal）* 1ev=1.602×1019 J* 1毫米汞柱指1毫米汞柱產(chǎn)生的壓力。* 熱化學(xué)卡路里相當(dāng)于將1克水的溫度提高攝氏1度所需熱量（準(zhǔn)確地說，從14.5到15.5）。這些單位的換算可與早先討論的單位換算以同樣方式進(jìn)行。例題1.5 某日，氣壓計(jì)的壓力讀數(shù)為742mmHg。此壓力請以千帕（斯卡表示）。解 參考表1.2，看來先將毫米汞柱換算為大氣壓（760mmHg），然后再換算為千帕（斯卡）（1atm=101.3kPa）比較合理。故按

26、連續(xù)兩次換算進(jìn)行：742mmHg×SI單位表1.1與1.2所列大量條目說明，一個(gè)物理量常可用多種不同單位表示。例如，壓力可表示為大氣壓、毫米汞柱、帕斯卡，甚至還可表示為每平方吋上的磅數(shù)。這樣繁多的單位早就為科學(xué)家們所關(guān)心了。1960年度量衡總會(huì)推薦采用以公制為基礎(chǔ)的自身一致的一套單位；這就是所謂的國際單位制（International System of Units, 簡稱SI）。SI制建議每個(gè)測得量只用一個(gè)單位。表1.3列出對普通化學(xué)特別有用的某些SI單位。本書將廣泛采用這種單位。表1.3 SI單位基本單位導(dǎo)出單位量單位符號量單位符號長度質(zhì)量時(shí)間溫度物質(zhì)的量電流米千克秒凱爾文摩爾+

27、安培+mkgsKmolA體積力壓力能量電荷電位立方米牛頓*帕斯卡+焦耳*庫侖+伏特+m3NPaJCV*1牛頓是使質(zhì)量為1千克的物體產(chǎn)生1米/秒2加速度的力。（N=kg·m/s2）+1帕斯卡為1牛頓的力作用在1平方米的面積上所產(chǎn)生的壓力（Pa=N/m2=kg/(m·s2)）*1焦耳是1牛頓的力在1米距離所做的功（J=N·m=kg·m2/s2）。+定義見本書后幾章。表1.3所列某些SI單位，其大小在使用上不很方便，例如，立方米代表著一個(gè)很大的體積，而普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的具有中等尺寸的試管體積只有0.00001m3。在另一極端，帕斯卡代表著一種很小的壓力，

28、通常的一大氣壓力約等于100000Pa。迴避這個(gè)問題的一個(gè)明顯途徑可能是采用指數(shù)表法法。即，可將試管體積表示為1×105m3，1大氣壓寫成1.0×105Pa?；蛘?，我們可用表1.4所列各種詞冠。表1.4 SI制詞冠倍數(shù)詞冠符號倍數(shù)詞冠符號109106103102101吉加giga*兆mega千kilo百hecto十decaGMKHda101102103106109分deci厘centi毫milli微micro納nano*dcmn*109的漢語詞冠非國際單位制用“千兆”表示譯者*109的漢語詞冠非國際單位制用“毫微”表示譯者這樣，1.0×105Pa可表示為100kP

29、a；即1.0×105Pa×而1×105m3可表示為10cm3：1×105m3×本書以后部分將盡量采用SI制。例如，我們將以納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體積而不再用升（1l=1dm3=103cm3），并用焦耳表示能量而不再用卡（1cal=4.184J）。但我們常常還會(huì)用到SI制以外我們熟悉的壓力單位標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：1atm=1.013×105 Pa=101.3 kPa。1.2 物質(zhì)的種類通過即將討論的各種方法，化學(xué)家們從地殼、海洋與大氣中分離出成千上萬種純物質(zhì)。其中的100多種具有下述的重要

30、特性，即從來沒有人能夠?qū)⑺鼈兎纸獬蓛煞N或更多種的性質(zhì)與原來不同的物質(zhì)。這些物質(zhì)叫做單質(zhì)（元素）。所有其它純物質(zhì)均稱為化合物?；衔锞推涠x來說，就是可以分解為兩種或兩種以上單質(zhì)（元素）的純物質(zhì)。有許多方法可將化合物分解為單質(zhì)（元素）。英國化學(xué)家Joseph Priestley將氧化汞置于高倍率透鏡聚焦的陽光下，使其分解為單質(zhì)氧和汞。Humphry Davy爵士宣稱：長期被認(rèn)為是單質(zhì)的普通生石灰是一種化合物；在熔融的生石灰中通過電流時(shí)，在電極上可以得到兩種不同的物質(zhì)（鈣和氧）。表1.5列出自然界存量最豐富的20種元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)?？梢钥吹?，僅是氧一種元素就占據(jù)總量將近一半。水這種最普通的化合物含

31、有89%的氧。許多最常見的物質(zhì)所含化合物是由氧和其它元素（如硅、鋁、鐵等）組成。表1.5 元素豐度（地殼、海洋及大氣）99.2 % 0.7 %其它 0.1 %元素的符號（表1.5）取自元素名稱的一個(gè)或兩個(gè)字母（O、Si、Al、Ca）。某些元素符號取自它的拉丁名稱（例如Fe，取自ferrum-鐵）或該元素某種化合物的拉丁名稱（例如Na，取自Natri Carbonas-碳酸鈉）。1.3 純物質(zhì)的鑒定物質(zhì)可根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)予以鑒定。物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)乃是指物質(zhì)參與可使其本身轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或多種其它物質(zhì)的化學(xué)變化時(shí)所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。例如，將某固體在空氣中加熱，并觀察到此固體分解后生成氧與汞，就可證實(shí)這種固體

32、就是氧化汞。更為常見的是，物質(zhì)可以通過測試其物理性質(zhì)予以鑒定。物理性質(zhì)乃是指無需改變物質(zhì)的化學(xué)特性就可以測試的物質(zhì)的性質(zhì)。物質(zhì)的物理性質(zhì)包括例如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度與密度等各種特性。有關(guān)這些性質(zhì)的列表都可以在文獻(xiàn)和手冊中查到。通過若干性質(zhì)的測試并與記載值比較，一般就可能鑒定一種物質(zhì)，并對該物質(zhì)的純度獲得某些認(rèn)識。例如，若測得某液體在81時(shí)沸騰，在4時(shí)凝固，溶于乙醇而不溶于水，且測得其密度為0.882g/cm3，則此物質(zhì)就可能是不太純凈的苯（表1.6）*。有關(guān)物質(zhì)熔點(diǎn)的研究不僅有助于鑒定該物質(zhì)，而且有助于相當(dāng)精密地檢驗(yàn)其純度。純晶體物質(zhì)在緩慢加熱到某一特征溫度時(shí)，晶體迅速熔化（mp苯=5.5）。此

33、后，只要有固體存在，溫度始終保持不變（圖1.5A）。只有在固體全部熔化后，溫度才再度上升。表1.6 幾種常見物質(zhì)的物理性質(zhì)*（所有數(shù)值均在1atm下）物質(zhì)熔點(diǎn)（）沸點(diǎn)（）溶解度（25）（g/100g）密度（g/cm3）水乙醇乙酸苯溴鐵甲烷氧氯化鈉16.65.57.11530182.5218.8801118.180.158.83000161.5183.01413無限大0.073.51不溶0.00220.004036.5無限大無限大無限大不溶0.0330.0370.0651.050.8793.127.866.67×1041.33×1032.16不純固體的熔點(diǎn)與純固體的有很大不同

34、。根據(jù)第十二章闡明的道理，?？煽吹?，不純固體在溫度低于純固體的熔點(diǎn)之前就開始熔化，并在熔化過程中溫度不斷上升（圖1.5B）。在溫度時(shí)間圖上，如看到熔化曲線與水平線稍有偏離，即可懷疑試樣中有雜質(zhì)存在。液體的純度可以通過與固體相似的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。在此場合，沸騰過程中溫度保持恒定是純凈的標(biāo)志。純液體的加熱曲線在外觀上與圖1.5左圖所示曲線十分相似。若液體不純，可以看到在沸騰過程中溫度不斷上升。顏色：吸收光譜在普通化學(xué)范圍內(nèi)，某些物質(zhì)具有特征的顏色；這些顏色至少還可以作為鑒定有關(guān)物質(zhì)的定性依據(jù)。氣態(tài)二氧化氮和溴蒸汽具有紅棕色；碘蒸氣呈紫色。硫酸銅溶液是蘭色的，高錳酸鉀溶液是紫紅色的，如此等等。氣體或液

35、體的顏色是由于它們對可見光中某種成份選擇性吸收所致。例如溴吸收光譜中紫色和蘭色波段的光（表1.7），可見光減去這些成份使我們透過溴蒸氣或液體試樣觀察時(shí)看到了紅棕色。高錳酸鉀溶液的紫紅（蘭紅）色是由于綠色光被吸收的緣故。許多無色物質(zhì)吸收紫外或紅外波段的光（白色固體與無色液體均不吸收可見光）。大氣中的臭氧吸收來自太陽的有害的紫外輻射。二氧化碳吸收由地表發(fā)出的紅外幅射，阻止了過多的熱量向外層空間散失。大多數(shù)有機(jī)物吸收具有相當(dāng)特征波長的紅外線。物質(zhì)經(jīng)一定波長范圍的紅外輻射的照射，并以測得的吸收率作為波長的函數(shù)，就可以看到圖1.6所示形式的吸收光譜。這種紅外光譜就像“指紋印”一樣可用以鑒定物質(zhì)。有機(jī)化學(xué)

36、家常規(guī)地使用這種技術(shù)；這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它可以應(yīng)用于少量的（1毫克甚至更少）試樣。表1.7 在可見區(qū)吸收光的物質(zhì)的顏色波長范圍所吸收的顏色透過的顏色400nm400450450490490550550580580650650700700nm紫外紅外無色紅、橙、黃紫、紅蘭、綠無色1.4 將物料分離為純物質(zhì)單質(zhì)或化合物只有極少數(shù)幾種在自然界以純物質(zhì)的狀態(tài)存在。它們通常與其他物質(zhì)混雜在一起。例如，空氣就是一種均相混合物（均勻的溶液）；它是由多種氣體（包括單質(zhì)如氮、氧和氬以及化合物如水和二氧化碳）組成的。海水也是由各種鹽類（包括氯化鈉）與水組成的溶液。地殼中多數(shù)巖石和礦物是由許多化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)

37、雜的多相混合物（不均勻）?；瘜W(xué)家的一項(xiàng)長久的任務(wù)便是從混合物中分離出純物質(zhì)。為此目的，他們研究了多種不同的技術(shù)。這里介紹其中較常見的三種：1、蒸餾法 用于分離固體和液體。分級蒸餾（分餾，也叫精餾）用于分離兩種或多種液體。2、分級結(jié)晶（重結(jié)晶）法 這是一種用于純化固體的常規(guī)技術(shù)。3、色譜法 這是一種用途極廣的方法，可用于固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)混合物的分離。就這三種方法而言，前兩種已經(jīng)沿用了幾個(gè)世紀(jì)；而色譜法的大規(guī)模使用不過只有20多年的歷史，是一種較新的技術(shù)。蒸餾與分級蒸餾由兩種物質(zhì)組成的混合物，只要其中有一種是揮發(fā)性的，就可以用蒸餾法分離。圖1.7給出用于分離氯化鈉與水的一種簡單的蒸餾裝置圖。在溶液

38、被加熱之后，水沸騰成為蒸氣逸出，氯化鈉殘留在蒸餾瓶內(nèi)（注意這不是專門用于蒸餾的蒸餾燒瓶）。水蒸氣經(jīng)冷凝管冷凝，回收為液態(tài)水。在許多干旱地區(qū)，尤其是中東，常用蒸餾法將海水處理成為淡水。如果混合物的兩個(gè)組分均是揮發(fā)性的，單憑這種簡單的蒸餾方法不能達(dá)到完全分離的目的。例如，假如加熱乙醚（bp=35）與苯（bp=80）的溶液，混合物將于溫度略高于35時(shí)沸騰。繼續(xù)加熱就可以看到進(jìn)入冷凝管的蒸氣中，易揮發(fā)成份乙醚的含量比原混合物中的高，但蒸出物仍含有相當(dāng)量的難揮發(fā)成份苯。與此相似，在蒸餾瓶內(nèi)的殘余液中，苯的含量增高，但仍含有一定量的乙醚。因而，當(dāng)乙醚苯的50%50%的混合物蒸餾一半時(shí)，就能看到蒸出物中含7

39、0%的乙醚，而剩余液中含70%苯。我們可以將蒸出物與剩余液再次蒸餾以改善這種部分分離的狀態(tài)。蒸餾的次數(shù)愈多，蒸出物中乙醚含量愈高，而剩余液中含苯量也愈高。如果我們有足夠的耐心，最終將獲得純的或近乎純的兩種成份。進(jìn)行這種分級蒸餾的一種較為簡便的方法可以應(yīng)用圖1.8所示的儀器裝置。將蒸餾瓶與冷凝管分隔開來的細(xì)高蒸餾柱內(nèi)裝滿了固體填料通常是細(xì)小的玻璃球。這種蒸餾柱提供了巨大的表面積可使難揮發(fā)成份（例如苯）凝聚而返回蒸餾瓶。易揮發(fā)成份（例如乙醚）較易向柱上部運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)入蒸出物中。如果仔細(xì)控制蒸餾速度，就能完成一次良好的分離。在石油工業(yè)部門，常規(guī)地使用著高大，精心設(shè)計(jì)的分餾柱以分離象汽油（bp=40200）、煤油（bp=175325）與柴油（bp275）等石油粗餾份。分級結(jié)晶（重結(jié)晶）普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的試劑級固體化學(xué)制品可通過分級結(jié)晶進(jìn)行純化。將含有少量雜質(zhì)B的試劑A溶入最小體積的熱溶劑。溶液隨即冷卻通常至室溫。如果一切順利，則在冷卻時(shí)析出的固體將是純A；析出物再經(jīng)過濾、干燥。濾液中應(yīng)含有全部雜質(zhì)B與較少量的A，一般可以棄去。我們以摻有少量琥珀酸（一種有機(jī)物）的酒石酸（從葡萄汁分離出的一種有機(jī)物）的純化為例說明分級結(jié)晶的操作過程。我們假定試樣中含有5克琥珀酸與95克酒石酸，