安息日會青年榮譽解答手冊/健康與科學/化學

化學
健康與科學總會	技能等級 2
健康與科學總會	介紹年份：1937

化學榮譽是健康大師獎的一部分。

1. 定義以下術語

a. 元素

一類物質，不能通過化學方法分離成更簡單的物質，所有這些基本物質元素首先由恆星重新形成、改變和擠出。比如鐵。

b. 化合物

由兩種或多種元素組成的均勻物質。例如鋼（定義了許多不同的鐵和主要成分為碳的類似化合物），也被定義為合金（金屬化合物材料）。

c. 化學符號

每個元素都用一個或兩個字符的縮寫表示，這些字符代表元素的名稱。第一個字符始終大寫，如果存在第二個字符，則始終小寫。

H 代表氫

He 代表氦

Li 代表鋰

C 代表碳

有些符號不代表現代名稱，而是原始名稱。

Ag 代表 argentum（拉丁語）或銀

Au 代表 aurum（拉丁語）或金

W 代表 wolfram（德語）或鎢

地球上自然存在 94 種元素，還有 17 種元素是在原子加速器中創造出來的，它們的半衰期非常短。另外有 7 種元素已被報道，但它們仍處於確認/命名階段。所有這些元素都使用“元素週期表”進行組織，該週期表是由德米特里·門捷列夫創建的。

d. 溶液

兩種或多種不發生化學反應的物質的混合物。如果你將糖、鹽或其他物質溶解在水中，你就在製造溶液。

e. 原子

原子是物質的基本組成部分。原子的大小範圍從 0.5Å 到 24Å。（Å 是表示稱為埃的測量單位的符號。一根金髮的直徑在 170,000Å 到 500,000Å 之間，一根黑髮的直徑在 560,000Å 到 1,810,000Å 之間）

原子主要由空隙組成，但由於電子運動速度非常快，我們觸摸到的物質會感覺非常堅固。氫是最簡單的原子，它由一個質子和一個電子組成。原子的經典模型是想像電子繞中心質子運轉。如果我們用一個籃球來製作這個原子的模型，那麼電子的大小就相當於一粒鹽，並且它會在 40,000 英尺的距離上繞行。

我們無法用普通顯微鏡直接觀察原子。光波長在 4,000Å 到 7,000Å 之間，大約是原子直徑的 1000 倍。由於光波長太長，它幾乎沒有與原子相互作用。可以使用 X 射線（中子或電子）束（它們的波長遠小於光）來“觀察”原子的中心，並確定原子周圍電子雲的位置，這些技術包括X 射線晶體學、中子晶體學或電子晶體學。或者可以使用掃描隧道顯微鏡。

f. 分子

兩個或多個相互鍵合的原子。

g. 元素週期表

化學元素週期表是顯示化學元素的表格方法。該表格說明了元素性質中的週期性（週期性）趨勢。

族 →

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

↓ 週期

1

1
H

2
He

2

3
Li

4
Be

5
B

6
C

7
N

8
O

9
F

10
Ne

3

11
Na

12
Mg

13
Al

14
Si

15
P

16
S

17
Cl

18
Ar

4

19
K

20
Ca

21
Sc

22
Ti

23
V

24
Cr

25
Mn

26
Fe

27
Co

28
Ni

29
Cu

30
Zn

31
Ga

32
Ge

33
As

34
Se

35
Br

36
Kr

5

37
Rb

38
Sr

39
Y

40
Zr

41
Nb

42
Mo

43
Tc

44
Ru

45
Rh

46
Pd

47
Ag

48
Cd

49
In

50
Sn

51
Sb

52
Te

53
I

54
Xe

6

55
Cs

56
Ba

57
La

58
Ce

*

72
Hf

73
Ta

74
W

75
Re

76
Os

77
Ir

78
Pt

79
Au

80
Hg

81
Tl

82
Pb

83
Bi

84
Po

85
At

86
Rn

7

87
Fr

88
Ra

89
Ac

90
Th

**

104
Rf

105
Db

106
Sg

107
Bh

108
Hs

109
Mt

110
Ds

111
Rg

112
Cn

113
Uut

114
Uuq

115
Uup

116
Uuh

117
Uus

118
Uuo

* 镧系元素

59
Pr

60
Nd

61
Pm

62
Sm

63
Eu

64
Gd

65
Tb

66
Dy

67
Ho

68
Er

69
Tm

70
Yb

71
Lu

** 锕系元素

91
Pa

92
U

93
Np

94
Pu

95
Am

96
Cm

97
Bk

98
Cf

99
Es

100
Fm

101
Md

102
No

103
Lr

元素周期表的化学系列
碱金属²	碱土金属²	镧系元素¹²	锕系元素¹²	过渡金属²
贫金属	类金属	非金属	卤素³	惰性气体³

¹锕系元素和镧系元素统称为“稀土金属”。 ²碱金属、碱土金属、过渡金属、锕系元素和镧系元素统称为“金属”。 ³卤素和惰性气体也是非金属。

在标准温度和压力下的状态

原子序数为蓝色的元素在STP下不存在
原子序数为红色的元素在标准温度和压力 (STP)下为气体
原子序数为绿色的元素在STP下为液体
原子序数为黑色的元素在STP下为固体

自然存在

具有实线边框的元素具有比地球更古老的同位素 (原始元素)
具有虚线边框的元素自然产生于其他化学元素的衰变，并且没有比地球更古老的同位素
具有点线边框的元素是人工制造的 (合成元素)

未知性质

具有青色背景的元素具有未知的化学性质。

h. 燃烧

我们通常使用“燃烧”一词来描述燃料与氧化剂（通常是氧气）快速结合的化学过程，即燃烧。这个过程通常与火焰、光、热和烟雾有关。

i. 酸

“酸”这个词来自拉丁语 acidus，意思是酸的。在化学早期，人们习惯于品尝或闻气味并记录感觉。许多酸性物质是酸的。柠檬汁因为其中含有柠檬酸而呈酸味。

由于许多物质可能有毒，这可能导致许多化学家死亡，包括著名的科学家汉弗莱·戴维，他提出了解释酸本质的理论。

戴维的假设是，酸是含有可置换氢的物质。这种氢可以被金属置换，这个反应会留下盐。

2HCl + Zn → ZnCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ → H₂ + FeSO₄

j. 盐

盐是指离子化合物的固态形式，例如氯化钠 (Na⁺Cl^-) 或氢氧化钾 (K⁺(OH)^-)。

k. 质子

一个带正电的粒子，是原子核的一部分。质子的质量为 $1.67\times 10^{-27}$ kg。一立方厘米的水包含 $6.02\times 10^{24}$ 个质子，这些质子构成氢和氧原子的原子核。氢的中心有一个质子，而氧有 8 个质子。

l. 中子

一个不带电的粒子，是原子核的一部分。中子的质量为 $1.67\times 10^{-27}$ kg。当我们观察水时，我们发现它是由氢和氧组成的。氢没有中子，但每个氧原子有 8 个中子。

中子由一种被称为“弱相互作用力”的力量束缚在一起。自由中子衰变的半衰期约为 10.3 分钟，衰变为质子、电子和电子中微子。在原子核内，由于另一种被称为“强相互作用力”的力量，中子非常稳定。

m. 电子

一个带负电的粒子，其质量为 $9.11\times 10^{-31}$ kg。电子在带正电的原子核周围形成云层。

n. 蒸馏

蒸馏是指将液体加热至沸腾并收集冷凝蒸汽，是一种根据不同沸点分离组分的有效技术。蒸馏分离两种易挥发液体，其中更易挥发组分更纯净。沸点相差越大，蒸馏越有可能成功。沸点越低，化合物越易挥发，因此越快汽化。成功还取决于粒子之间的相互作用，因为两种溶解在彼此中的不同液体很可能形成共沸物。如果发生这种情况，液体和气相将具有相同的组成，因此沸腾不会导致进一步分离。

o. 分馏

分馏是一种技术，其中在同一塔内进行多次蒸馏，并由某种多孔介质进行介导。它允许分离沸点比简单蒸馏更接近的物质，并且使相同溶液的蒸馏更加有效。由于几个因素，分馏与简单蒸馏相比，可获得更好的分离效果。其中之一是蒸馏柱通常用铜、钢丝或玻璃珠填充。这增加了表面积，使得蒸汽和冷凝物之间的热量交换能够实现高效和连续的汽化和冷凝。

p. 过滤

过滤是一种技术，其中将固体沉淀物（或固体废物）与液体分离。将混合物放置在滤纸上，滤纸允许液体通过，留下固体。通常，首先将液体加热到一定温度，以使液体中几乎没有固体溶解，从而使分离更加有效。这种过滤可以使用重力进行，也可以使用吸力。

2. 哪些气体可以使生命熄灭，以及如何熄灭？解释一种化学灭火器的原理。

在极端情况下，几乎任何气体都会杀死人。即使是纯氧也会致命，因为人体无法有效地处理纯氧。气体可以通过以下方式杀死

1) 窒息- 气体取代氧气，导致人体缺氧而死亡。一些最危险的窒息剂是氧化物，例如

CO_{2}

或 CO

2) 毒害- 有些气体，如氰化氢气体 HCN，剧毒。氰化物与称为细胞色素 c 氧化酶的酶中的铁原子结合，从而阻断 ATP 的产生。ATP 是所有生物体的通用能量货币。

3) 爆炸- 许多气体具有高度可燃性，并且可以造成破坏性爆炸。大多数矿井中的轻烃只需一个小火花就能引发爆炸。

火与生命一样，都需要氧气，因此灭火器中常用的方法是使用一种气体或液体来阻止氧气到达燃料。

尝试使用此“门折叠”来教授此荣誉：http://www.youtube.com/watch?v=Ymk6Di-WUM8

3. 命名两种常见的二氧化碳来源。为什么它很危险？

在安装催化转化器之前的汽车尾气中，含有大量的 CO（一氧化碳）。如果排气系统在此之前发生损坏，则存在吸入窒息性气体的危险。催化转化器将大部分 CO 转换为 $CO_{2}$ （二氧化碳）。汽车尾气中仍然可能存在足以致命的 CO，但由于现在大部分是 $CO_{2}$ ，它具有气味或至少有一种感觉，因此意外窒息的可能性更小。（ $CO_{2}$ 也会致命，但具有很强的腐蚀性，会在鼻子和肺部造成灼痛感。如果你曾经呼吸过苏打水罐里的气泡，你就会闻到 $CO_{2}$ 的气味。）

另一个常见的 CO 来源是天然气或丙烷炉、加热器、热水器或烘干机。如果这些电器损坏，它们会非常危险。在旧的炉子或热水器附近安装 CO 探测器是一个好主意，以便提供早期预警。

氧气由红细胞从肺部输送到细胞，CO₂ 则由红细胞带回肺部呼出。红细胞有一个 3D 空间，可以容纳氧气和 CO₂，但允许它们在到达目的地时被排出。CO 也能适应这个空间，但不会释放出来，因此装载了 CO 的红细胞就不能再完成它的工作。如果足够多的红细胞受到影响，人体细胞就无法获得所需的氧气，废 CO₂ 会积聚，导致死亡。

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4. 物质的三态是什么？

固体: 原子处于相当刚性的结构中，在宏观层面上感觉坚硬或固体。原子可能排列在非常坚硬的晶体结构中，但结构内仍然存在振动。
液体: 原子可以自由移动，但不像气体那样分离。液体可以流动，通常感觉不到固体或坚硬。液体不可压缩。当氦被冷却到接近绝对零度时，它会表现出奇怪的行为，变成超流体。由于其温度，处理它很危险。
气体: 气体分子完全可以自由移动，在标准室温下，它们会在碰撞到另一个分子之前移动数十米。气体是空气般的。除非你穿过它并感觉到风，否则你可能不知道它的存在。
等离子体: 等离子体分子被电离，导致它们相互排斥，因此等离子体看起来几乎像液体一样流动，并且由于一些分子改变电离状态而发光。

物质的三态主要根据构成物质的分子和原子之间的相互作用程度来定义。这种相互作用取决于温度（和压力），并且每个元素或分子在特定气压下（即正常海平面气压）都有明确的凝固点（液体变为固体）、熔点（固体变为液体）、沸点（液体变为气体）、凝结点（气体变为液体）。

这就是为什么水在空气压力低于海平面的山顶上沸点较低。这会影响通过煮沸对水进行消毒的效率，需要更长的时间。

CO₂ 是一种非寻常的气体，因为它在固态时不会熔化，而是直接变为气体（升华）。这就是为什么固态 CO₂ 被称为干冰，因为它不会经历液态，所以不是“湿”的。

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5. 完成以下五项，并解释发生的化学作用

a. 尝试点燃一个方糖，先不加任何东西，然后在方糖上涂抹一些灰烬，从而展示催化剂的作用。

材料

方糖
壁炉或篝火的灰烬
火柴或打火机
铝箔
一块木头或三脚架，用作绝缘体

方法

在三脚架或一块木头上铺上一块铝箔。
将方糖放在铝箔的中心附近。
取另一块方糖，用灰烬涂抹。
将涂有灰烬的方糖放在第一个方糖旁边，但不要让它们接触。
尝试点燃每个方糖。涂有灰烬的方糖应该更容易点燃。

b. 将一个冰块放入一杯水中，在玻璃杯和冰块上放一根四英寸 (10.2 厘米) 的绳子，然后解决不接触冰块的情况下将冰块从水中取出的问题。

材料

冰
盐
水
玻璃杯
10 厘米长的绳子

方法

将冰块放入玻璃杯中
在绳子上系一个环，并将它放在冰块上
在环和冰块上放少许盐
等待一会儿，然后拉起绳子

c. 使用水、松节油和肥皂将一张报纸上的图片转移到一张空白纸上。

材料

30 毫升肥皂粉（例如：象牙雪）
60 毫升热水
15 毫升松节油
小碗
量杯
画笔
报纸或旧杂志

方法

将肥皂粉溶解在热水中，然后加入松节油。
使用时，将刷子蘸入墨水中，并在要转移的图片上刷一下，等待约十秒钟，然后将一张纸放在图片上，用勺子摩擦纸的背面。图片将被转移到纸上。

墨水在容器中放置一段时间后会凝固。要逆转这种情况，只需将瓶子放在一锅温水中，直到融化，然后摇晃即可。

d. 使用一根蜡烛和一张纸板，直观地展示蜡烛火焰的三个部分。

1) 蓝色区域: 蓝色区域是火焰的底部。在这个区域，热解（蜡烛蜡改变状态成为可燃气体）发生。此外，燃烧的部分也发生在这里。这个区域的温度约为 1200-1400 °C。

2) 暗区: 火焰中间靠近顶端的黑暗区域。火焰的这个黑暗核心大约在 800-1000 °C。在这些更蓝的区域内，氢气正在从燃料中分离出来，并燃烧形成水蒸气。

3) 发光区: 黄色发光区域在暗区之上。火焰的这个更亮、更黄的部分是剩下的碳被氧化形成二氧化碳。白炽的碳黑颗粒导致橙色和黄色发光。该区域的温度约为 1200 °C。

4) 火焰幔: 它位于火焰的外缘，是无色的，或者是很淡的蓝色，是蜡烛火焰中最热的部分。大约 1400 °C。

e. 使用一碗水、木火柴、一块糖和少许肥皂，演示糖和肥皂对漂浮的火柴的作用。

材料

方糖
洗洁精
2 个小碗
12 根牙签（或木火柴）
水

方法

将两个碗装满水。
将一半的牙签分别放入两个碗中
将方糖放入其中一个碗中。牙签应该被吸引到它附近。
在另一个碗中滴一滴洗洁精。牙签应该被排斥它。

糖会吸收水，并随着它的吸收，会产生一股小的水流，将牙签吸引到它附近。另一方面，肥皂会破坏水的表面张力，并立即在表面上扩散。当它在表面上移动时，它也会产生一股水流，带着牙签一起移动。

f. 将一个新鲜的鸡蛋放入清水中，然后放入盐水中，观察差异。

材料

新鲜的（生的）鸡蛋
1 升水
120 毫升盐
2 个碗

方法

将盐和半升水加入一个碗中，搅拌至盐溶解。
将另一半升水加入另一个碗中 - 不要添加任何盐。
将鸡蛋放入盐水中。它应该漂浮起来
将鸡蛋移到清水中。它应该沉下去。

盐水的密度比淡水高，这意味着相同体积的盐水比相同体积的淡水重量更大。鸡蛋的密度介于盐水和淡水的密度之间。如果一个物体比它所放置的液体密度小，它就会漂浮起来。由于鸡蛋比淡水密度大，所以它会沉下去。但由于鸡蛋比盐水密度小，所以它会漂浮起来。注意：如果没有发生任何变化，那么取两个鸡蛋，将一个放入清水中，另一个放入盐水中。清水中的鸡蛋应该会膨胀，盐水中的鸡蛋应该会收缩，这是由于渗透作用。

g. 使用钢丝绒、铅笔、橡皮筋、水杯和一盘水，演示生锈会消耗氧气。

材料

钢丝绒（普通，不含肥皂）
铅笔
橡皮筋
玻璃杯（透明玻璃）
碗
水

方法

用橡皮筋将钢丝绒固定在铅笔的橡皮擦端。铅笔应该足够短，以便它可以放入玻璃杯中，而不会从顶部伸出来。将玻璃杯装满一半的水，并将铅笔放入玻璃杯中，钢丝绒团放在底部。将一个碗倒置在玻璃杯的顶部，小心地将玻璃杯和碗翻过来，使玻璃杯倒置，碗直立。在碗中加一些水，并在玻璃杯侧面上标记水位。将设备放在不会被干扰的地方。几天后，检查钢丝绒 - 它应该生锈了。

当钢丝绒生锈时，它会消耗掉玻璃杯中捕获的氧气。这会减少玻璃杯内的空气量，而玻璃杯外的空气压力会通过向下压碗内的水来进行补偿。这反过来会将玻璃杯中的水推得更高。通过将当前水位与实验开始时标记的水位进行比较来验证。