入门化学在线/物质的物理和化学性质

2.1 纯物质和混合物

在第 1 章中，我们了解到原子是由电子、质子和中子组成的，原子核中质子的数量（原子序数）决定了该元素的标识。例如，原子核中含有六个质子的原子是碳原子；七个质子使其成为氮原子；八个质子使其成为氧原子，等等。元素周期表根据原子序数对这些元素进行排列，目前已知有超过 116 种元素。

由于我们周围世界中存在着显然超过 116 种不同的类型物质，我们可以看出我们遇到的大多数物质不是纯元素，而是由不同元素组合而成的。在化学中，我们称之为化合物，我们将其定义为由两种或多种元素以恒定比例组合而成的物质。例如，水是一种由两个氢原子键合到一个氧原子组成的化合物。我们可以使用元素化学符号的下标来表示这种化合物中氢与氧的比例。因此，水（两个氢和一个氧）可以写成 H₂O。这种水的简写符号称为化学式。对于任何化合物，化学式都告诉我们存在哪些元素以及元素之间的比例。稍后我们将看到水是化合物的一种特殊子类型，称为分子化合物。在一个分子中，原子不仅以恒定比例键合在一起，而且它们也以特定的几何排列方式键合在一起 (图 2.1)。在下一章中，我们将更深入地了解元素如何在化合物中键合在一起，但首先我们将检查一些化学物质的性质。

当我们谈论纯物质时，我们指的是只含有一种物质的东西。这可以是单个元素或单个化合物，但你所检查的这种物质的每一个样本都必须包含完全相同的东西，具有固定且明确的一组性质。如果你将两种或多种纯物质混合在一起，我们称之为混合物。混合物可以始终再次分离成组成的纯物质，因为混合物中不发生组成物质原子的键合。化合物可能与构成它的元素有很大的不同性质，但在混合物中，物质保持其自身的性质。例如，钠是一种柔软的闪亮金属，而氯是一种刺鼻的绿色气体。这两种元素可以结合形成化合物氯化钠（食盐），它是一种白色晶体固体，没有任何钠或氯的性质。但是，如果你将食盐与黑胡椒混合，你仍然可以看到它们的单个颗粒，如果你有耐心，可以用镊子将它们仔细地分离成纯盐和纯胡椒。(图 2.2)

混合物根据其组成的均匀性分为两种类型。第一种称为不均匀混合物，其特点是混合物的不同样本可能具有不同的组成。例如，如果你打开一个盛有混合坚果的容器，并取出一些小样本进行检查，这些样本中的花生与杏仁的比例总是略有不同，无论你混合得多么仔细。不均匀混合物的常见例子包括泥土、碎石和蔬菜汤。(图 2.3)

另一方面，在均匀混合物中，你检查的任何样本都将与任何其他样本具有完全相同的组成。在化学中，最常见的均匀混合物类型是溶液，一种物质完全溶解在另一种物质中。想象一下纯糖溶解在纯水中形成的溶液 (图 2.4)。你检查的溶液的任何样本都将具有完全相同的糖与水的比例，这意味着它是一种均匀混合物。即使在均匀混合物中，组成的物质的性质通常也是可以识别的。因此，糖水尝起来很甜（像糖）并且是湿的（像水）。与具有固定、明确比例的化合物不同，在混合物中，可以改变每种组成的物质的量。例如，当你在一杯茶中加入少量糖，而在另一杯茶中加入大量糖时，每杯茶都将包含茶和糖的均匀混合物，但它们的味道将不同。但是，如果你加入太多糖，以至于有些糖无法溶解并留在底部，那么混合物就不再是均匀的了，它是不均匀的；你可以很容易地将这两种成分分离出来。

练习 2.1 区分物质和混合物

物质的状态

如第 2.1 节所述，一个水分子由两个氢原子与一个氧原子键合而成 (H₂O)。所有水分子都完全相同（元素比例相同，几何键合模式相同），但我们遇到的水在我们周围世界中存在三种不同的形式。在低温下，水以固态（冰）存在。随着温度升高，水以液态存在，在高温下，以水蒸气，即气态存在。图 2.5 展示了一个同时存在这三种状态（或相）的例子。水的这三种形式代表了物质的三种状态：固体、液体和气体。物质状态是物质的物理性质的例子。其他物理性质包括外观（光亮、暗淡、光滑、粗糙）、气味、导电性、导热性、硬度和密度，仅举几例。我们将在下一节更详细地讨论密度，但首先让我们检查物质的状态以及它们在原子层面的差异。

如果冰、液态水和水蒸气都由相同的分子组成，那么是什么导致了它们的性质差异？到目前为止，我们一直在讨论分子，就好像它们是静止的一样，但实际上，它们一直在运动。在化学中，我们经常用分子运动论 (KMT) 来解释物质的状态。动这个词指的是运动，分子运动论表明原子和分子总是在运动。与这种运动相关的能量被称为动能。粒子具有的动能与其温度成正比，正是水分子在不同条件下的动能决定了三种状态的水的不同性质，如图 2.5 所示。

原子和分子在不同条件下以不同的方式运动，这是因为它们相互吸引的力，称为分子间力。 分子间力是一个通用术语，它描述了所有原子和分子之间都具有一定的内在吸引力。这些吸引力远弱于将分子结合在一起的键，但在大量原子或分子集群中，所有这些吸引力的总和可能相当大。

现在，考虑一群聚集在一起并通过这些吸引力保持在一起的分子或原子。在低温下，分子或原子将保持粘在一起，形成一个形状和结构明确的块，就像水以冰块的形式存在一样。这被称为固相。在原子层面上，固体中的分子或原子紧密堆积，尽管它们仍然快速运动，但它们的运动非常小，可以认为它们围绕一个固定位置振动。在这里，可以将一把小磁铁粘在一起形成一个固体块作为类比(图 2.6)。固体和液体是物质最紧密堆积的状态。由于分子间力的存在，固体具有确定的形状，这与放置它们的容器无关。当能量被添加到系统中时，通常以热量的形式，单个分子或原子获得足够的能量来克服它们之间的一些吸引性分子间力，以便相邻的粒子可以自由地相互移动或滑动。这种物质状态被称为液相。与固体一样，在液体中，吸引力足够强，可以将分子或原子紧密地保持在一起，因此它们不易压缩并具有确定的体积。然而，与固体不同的是，粒子会流动（相互滑动），因此它们可以呈现其容器的形状，如图 2.7所示。

最后，如果向系统中投入足够的能量，单个分子或原子将获得足够的能量来完全打破它们之间的所有吸引力，并且它们可以自由地分离并在整个容器体积中快速移动。这被称为气相，气相中的原子或分子将完全填充它们所占据的任何容器，并呈现其容器的形状和体积。由于气体中的粒子之间有很大的空间，因此气体是高度可压缩的，这意味着分子可以被压缩得更紧密，以适应更小的空间(图 2.8)。我们都熟悉压缩气体罐，其中气体的可压缩性被利用，使得大量的 gas 可以被运输到很小的空间中。 图 2.9 显示了固体、液体和气体中原子状态的简单图形表示。

回到水的例子，在低温下，水以固态冰的形式存在。当固体被加热时，水分子获得足够的能量来克服它们之间最强的吸引力，冰熔化形成液态水。这种从固相到液相的转变在每个物质的固定温度下发生，称为熔点。固体的熔点是该固体的物理性质之一。如果我们从液体分子中去除能量，它们会减速到足以使吸引力发挥作用，并且会形成固体。发生这种情况的温度称为凝固点，与熔点相同。

随着更多能量被投入系统，水被加热，分子开始越来越快地移动，直到系统中最终有足够的能量来完全克服吸引力。当这种情况发生时，水分子可以自由地彼此飞散，填充它们所占据的任何容器并变成气体。从液相到气相的转变在每个物质的固定温度下发生，称为沸点。与熔点一样，沸点是液体的另一个物理性质。

可以使用一个简单的图表来显示典型物质的相变，该图表显示物理状态，并通过熔点和沸点的转变进行分隔。例如，如果您被告知纯物质在其沸点之上 15˚ C，则可以使用该图来绘制相对于沸点的温度。因为您高于沸点，所以物质将存在于气相中。

示例 2.1 物质的物理状态

然而，我们刚刚建立的状态变化规则有一些例外。例如，冰是固体，内部的分子通过分子间力牢固地结合在一起。然而，表面分子是暴露的，它们有机会从环境中吸收能量（想象一下阳光明媚的日子里的一块雪）。如果这些表面分子中的一些吸收了足够的能量，它们可以打破束缚它们的吸引力并以气体的形式逸出（水蒸气），而无需经历液相。从固体直接转变为气体的过程称为升华。相反的过程，从气体直接转变为固体的过程称为凝华。干冰（固体二氧化碳；CO₂）可能是最常见的不会熔化而仅升华的固体，如图 图 2.10 所示。干冰的这种特性使其成为运输易腐物品的良好制冷剂。它非常冷，可以很好地冷冻东西，但在运输过程中变暖时不会融化成混乱的液体。

就像固体中的表面分子可以直接进入气相一样，液体中的表面分子也从环境中吸收能量并进入气相，即使液体本身低于沸点。这就是汽化（蒸发）的过程。相反的过程，从气体到液体的转变，称为冷凝。液体物质会发生汽化，任何液体上方的空间都会有该物质的分子处于气态。这被称为液体的蒸汽压，蒸汽压（在给定温度下）是液体物质的另一个物理性质。

总结我们对物质不同状态的了解

在气体中

• 分子或原子高度分离，使气体高度可压缩，
• 粒子之间的吸引力很小，使气体能够呈现其容器的形状和体积。

在液体中

• 分子或原子紧密间隔，使液体比气体不易压缩得多，
• 粒子之间的吸引力中等，使分子或原子可以相互移动或滑动，
• 液体具有确定的体积，但会呈现其容器的形状。

在固体中

• 吸引力很强，使原子或分子保持在相对固定的位置，
• 相邻的原子或分子紧密排列，使固体不可压缩，并赋予其独立于其容器形状和大小的确定形状。

练习 2.2 物质状态

2.3 密度、比例性和量纲分析

在上一节中，我们学习了物质的状态。物质在一定条件下（如温度和压力）的物理状态是物质的内含性质。内含性质定义为物质固有的性质，不依赖于样品大小。密度，即物质的质量与体积之比，是内含性质的另一个例子。 (图 2.11)

如果你拿起相同大小的铝和金的样本，你会立即注意到其中一个比另一个重得多。金的原子质量是铝的原子质量的七倍多，因此尽管两个样本的大小相同，但金块的质量明显大于同样大小的铝块。我们可以说金比铝更致密。

将此量化为定量测量，一立方厘米的金子质量为19.3克（请记住，一立方厘米是边长正好为1厘米的立方体的体积，其单位为cm³[http://askthenerd.com/COL/images/2.12.html ;参见图2.12]。我们定义密度为物质的质量与体积之比。对于金子，质量为19.3克，体积为1 cm³。金子的质量与体积之比为$\left({}^{19.3{\text{ g}}}\!\!\diagup \!\!{}_{{\text{1 cm}}^{\text{3}}}\;\right)$，金子的密度（d）写为d = 19.3 g/cm³。

回到我们的铝块，通过实验，一立方厘米的铝质量为2.70克。铝的质量与体积之比为$\left({}^{2.{\text{70 g}}}\!\!\diagup \!\!{}_{{\text{1 cm}}^{\text{3}}}\;\right)$，因此铝的密度为2.70 g/cm³，大约是金子的7倍少。

密度是所有物质（固体、液体和气体）都可以测量的物理性质。对于固体和液体，密度通常以g/cm³为单位报告。气体的密度远低于固体和液体的密度，通常以克/升（g/L）为单位，请记住1.4节中定义的升为1000 cm³。 表2.1给出了一些常见固体、液体和气体的密度。

我们之前使用的密度定义是物质的质量与体积之比。这也可以表述为“质量每单位体积”。在这种情况下，每这个词意味着质量和体积之间存在数学关系。在这种情况下，这种关系是质量与体积的比率。每当两个因素可以通过比率或分数相关联时，我们就可以使用单位 分析 来解决与这些因素相关的计算题。对于密度，这个比率是质量与体积的比率。如果一块铁的质量为23.4克，体积为3.00 cm³，则铁的密度可以计算如下

d = $\left({}^{\text{mass}}\!\!\diagup \!\!{}_{\text{volume}}\;\right)$

d = $\left({}^{2{\text{3}}{\text{.4 g}}}\!\!\diagup \!\!{}_{{\text{3}}{\text{.00 cm}}^{\text{3}}}\;\right)$ 或，d = 7.80 g/cm³

在这个计算中，我们的两个实验数字是23.4和3.00。这两个数字都有三位有效数字（请记住，3.00 中的尾随零是有效的，因为该数字带有小数点）。因此，我们的答案也必须精确到三位有效数字，即7.80。

练习2.3 密度计算

示例2.3 计算固体密度：转换长度以查找体积。

示例2.4 计算固体密度：转换质量和体积。

示例2.5 计算固体密度：转换质量。

2.4 化学性质、物理变化和化学变化

一块金子可以被锤成非常薄的金箔（它是所有元素中延展性最好的）。然而，金箔中的金仍然只是元素金，除了样品的物理外观外，什么都没有改变。如果你取任何固态纯物质并将其熔化或转化为气体，情况也是如此。物质的原子或分子结构没有改变，它只是具有不同的物理外观。不改变物质化学性质并且不产生新的物质的外观变化被称为物理变化。纯碳，以煤球的形式存在，可以被砸成细粉，而不会改变它仍然只是元素碳的事实（因此，这是一个物理变化），但是如果纯碳在氧气存在的情况下被加热，就会发生其他事情。碳会慢慢消失（通常会燃烧），而碳原子现在会以与氧气结合的化合物的形式出现，化学式为CO₂。二氧化碳与我们开始使用的碳或氧气完全是不同的物质。例如，碳是黑色的固体，而二氧化碳是无色的气体。当物质的化学成分发生变化并产生新的物质时，你就知道发生了化学变化。 (图2.13)

就像我们为物质定义了一组物理性质一样，我们也可以定义一组化学性质。化学性质只是一组物质可能发生的化学变化。对于元素镁 (Mg)，我们可以说化学性质包括

• 与氧气反应形成 MgO，
• 与盐酸反应形成 MgCl₂ 和氢气 (H₂)，
• 与固体二氧化碳（干冰）反应形成 MgO 和碳。

化学变化几乎总是可以通过我们的感觉之一检测到。因此，当镁与氧气反应（在空气中燃烧）时，会产生明亮的白色火焰，会放出热量，闪亮的金属镁会转化为易碎的白色粉末 (MgO； (图2.14a). 在与盐酸（溶解在水中的 HCl 分子）的反应中，固态金属镁会消失，会逸出氢气 (H₂) 气泡，会产生热量，并会形成含有 MgCl₂ 的透明溶液 (图2.14b). 在与固体二氧化碳（干冰）的反应中，会产生明亮的白色火焰，会放出热量，闪亮的金属镁会转化为易碎的白色粉末和固体碳 (图2.14c). 通常，当你试图识别化学变化时，要注意是否有热量或光、是否有气体逸出、颜色是否发生变化或是否从原本透明的溶液中形成新的固体产物。

练习2.4 化学变化和物理变化

2.5 质量守恒定律和化学变化

当物质发生化学变化时，它们的物理状态通常会发生巨大变化。然而，尽管发生了这种巨大变化，物质既不会损失也不会产生。我们可以用金属镁与氧气反应生成氧化镁来证明这一点 (图2.14). 如果你要将金属镁和空气密封在一个玻璃容器中，称重，加热以促进反应，然后再次称重容器，你会发现总质量没有变化。产物的质量，氧化镁，将正好等于反应物质的质量（氧气和金属镁）。

这类似于 18 世纪 70 年代法国化学家拉瓦锡进行的一个实验，他用密封的容器加热金属锡 (Sn) 与空气。这和其他当时的实验提供了导致质量守恒定律的数据。正式地，该定律指出，当物质发生化学反应形成新的物质时，物质总质量没有可检测到的变化。

简单来说，守恒定律 指的是，无论发生何种化学变化，反应物的总质量都必须等于生成物的总质量。有时，这也被表述为质量守恒 或化学反应中质量既不会增加也不会减少。例如，木炭在氧气中燃烧时，（木炭 + 氧气）的质量必须等于产生的（二氧化碳、水蒸气和灰烬）的质量。质量守恒是现代化学的基础原理之一。

学习要点

• 化合物定义为由两种或多种元素以固定比例结合而成的物质。在像水这样的化合物中，我们用每个元素化学符号的下标来表示元素的比例（氢和氧）。因此，水（两个氢和一个氧）用化学式 H₂O 表示。在分子中，原子不仅以固定比例结合在一起，而且还以特定的几何排列结合在一起。
• 纯物质只包含一种物质；它可以是单一的元素或单一的化学化合物。两种或多种纯物质混合在一起构成混合物；你总是可以通过简单的物理方法分离混合物。
• 非均相混合物不均匀，不同样品的混合物将具有不同的组成。均相混合物是均匀的，你检查的任何样品都将具有与任何其他样品完全相同的组成。在化学领域，最常见的均相混合物是溶液。
• 在适当条件下，任何纯物质都可以存在于三种不同的状态：固体、液体和气体。物质的状态是物质物理性质的例子。其他物理性质包括外观（光亮、暗淡、光滑、粗糙）、气味、导电性、导热性、硬度和密度等。
• 固体具有确定的形状和体积。液体具有确定的体积，但会呈现容器的形状。气体既没有确定的形状也没有确定的体积，它们都由容器的形状和体积决定。
• 分子动理论 (KMT) 通常用于解释物质的物理状态。KMT 认为，原子和分子总是在运动，并通过称为分子间力的吸引力松散地结合在一起。在固体中，与原子或分子相关的动能（运动能）不足以打破这些力，粒子基本上固定在彼此相邻的位置。在液体中，有足够的动能来打破一些吸引力，使粒子能够“滑动”在一起，但没有足够的能量让它们逃逸。在气体中，有足够的动能完全克服这些力，粒子之间没有相互作用。
• 从固体到液体的状态变化发生在特定温度（称为熔点（或凝固点））；这种温度是物质的独特物理性质。同样，从液体到气体的转变发生在沸点。从固体直接到气体的转变称为升华。
• 强度性质定义为物质的固有性质，与样品大小无关。密度，即物质的质量与体积之比，是强度性质的典型例子。
• 密度通过取物质样品的质量并将其除以该样品的体积来计算。固体的密度通常使用克每立方厘米 (g cm^-3) 的单位表示；液体的密度以克每毫升 (g mL^-1) 表示，气体的密度以克每升 (g L^-1) 表示，尽管可以使用任何质量和体积单位的组合。请记住，1 mL 的体积与 1 cm³ 相同，1 L 只是 1000 mL。
• 物理变化是外觀上的變化，不會改變物質的化學性質，也不會產生新的物質。当发生化学变化时，会产生新的物质。就像物理性质描述物质的外观或强度性质一样，化学性质描述了该物质可能发生的化学变化的集合。
• 质量守恒定律（质量守恒）简单地说，当物质发生化学反应（经历化学变化）形成新的物质时，物质的总质量没有可检测的变化。

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