科学：小学教师指南/化学反应

您周围看到的任何物体都是由通过化学键结合在一起的分子组成的。这些键是在化学反应中形成的。一些反应在原子或分子之间形成键，而另一些反应则破坏这些键。例如，植物利用阳光作为能量来源，驱动一系列化学反应，将二氧化碳和水转化为糖分子。在分解水分子的过程中，氢原子成为糖的一部分，但氧原子没有被利用——它们相互结合并产生 O²，它离开植物叶，进入大气层，成为您现在呼吸的氧气。植物可以将这些糖分子组合成更大的分子，如淀粉，甚至木材。反过来，当您吃菠菜叶或土豆，或者燃烧木材时，您会破坏糖分子之间的键。一个有趣的发现是，为了做到这一点，您需要使用氧气（通过呼吸获得），并且在分解食物的过程中，您会产生二氧化碳和水！存储在这些化学键中的能量有助于温暖您的身体，并作为新化学反应的能量来源，使您能够在细胞内构建新的分子。

在形成化学键时，了解价电子的概念非常重要，它指的是原子周围外层“壳”或“云”或“轨道”中的电子。最外层占据的壳中的电子决定了原子的化学性质。基本上，随着更多电子的添加，它们会自动以一种使它们彼此尽可能远离（因为它们的负电荷相互排斥），同时仍然被原子核吸引的方式排列。为了我们的目的，只要知道第一个壳只能容纳 2 个电子。当第一个壳充满时，电子就开始填充下一个壳，该壳可以容纳 8 个电子。额外的壳可以容纳更多的电子，但让我们重点强调，拥有一个充满的外层电子层非常稳定。为了帮助理解，我们将根据元素在元素周期表中的位置，为不同的元素分配一些“个性”。

有些原子不会与任何其他原子结合——它们完全不活泼。它们可以在元素周期表的右端最后一列找到，被称为惰性气体。它们的个性是“自豪”和“自命不凡”，它们拒绝与任何人玩耍，也永远不会分享。它们不活泼的原因是它们的外层（价）电子层已满。氦是那一列中的第一个元素，它只有 2 个电子，完美地填满了第一个电子层。接下来是氖——它有 10 个电子，即 2 加 8——同样，外层电子层自然地完全满了。所有其他原子都“希望”它们能像它们的“高贵”表亲一样。它们会以某种方式发生反应，使它们更接近于拥有自己的外层电子层已满。对于一些原子来说，完成外层电子层的最快方法是去除一个或两个电子（如果您的外层电子层只有一个电子，并且您将其捐赠给另一个原子，那么该电子层就会消失，下面的完整电子层就变成了外层电子层），而对于其他原子来说，它们需要添加一个或两个电子。如果您的第一个电子层有 2 个电子，第二个电子层有 8 个电子，第三个电子层有 7 个电子（氯，Cl），那么您非常希望再获得一个电子，这样您就可以像您隔壁的高贵邻居氩一样。另一方面，如果您的第一个电子层有 2 个电子，第二个电子层有 8 个电子，第三个电子层有 1 个电子（钠，Na），那么您非常希望去除 1 个电子（这将使您看起来像高贵的氖）。在纯态下，氯和钠都具有危险的反应性，但一旦它们相互找到，钠将它的电子捐赠给氯，那么两者都变得非常稳定且不活泼。这种电子交换将在离子键下进一步讨论。如果为了得到一个充满的外层电子层，您需要 2 个或 3 个或 4 个电子，那么与其他人共享电子更容易，这将在共价键下讨论。

四种键合类型

离子键

钠和氟原子发生氧化还原反应形成氟化钠。钠失去其外层电子以获得稳定的电子构型，该电子以放热的方式进入氟原子（产生热量）。然后，带相反电荷的离子——通常是大量离子——相互吸引形成固体。

原子可以给出或获取电子以达到类似于它们的惰性气体表亲的状态，但它们永远不能改变它们的质子数。处于原始状态的原子具有与质子数量相同的电子数量，负电荷抵消正电荷，因此原子是电中性的。如果它增加了一个电子，它将最终带 -1 的电荷，因为它现在比质子多 1 个电子。如果另一个原子减去一个电子，它将最终带 +1 的电荷（因为它比电子多一个质子）。有些原子会给出 1 个电子（元素周期表的第一列），而另一些原子则愿意给出 2 个电子（第二列）。

离子是指失去或获得电子的原子，这使得它们成为阳离子（它们带正电荷，因为它们失去了一个或多个电子）或阴离子（它们带负电荷，因为它们获得了一个或多个电子）。只有当另一个原子愿意接收它时，才能给出电子，因此当电子转移发生时，阳离子和阴离子会同时产生。现在您有两个原子彼此相邻，它们都很高兴并且不活泼，因为它们的外层电子层已满，但它们现在带电，并且电性地相互吸引！带正电荷的阳离子被吸引到带负电荷的阴离子。带正电荷和带负电荷的离子通过静电吸引保持在一起。

最著名的离子化合物是 NaCl 或氯化钠，也称为食盐。它使我们的牛排、玉米、鸡蛋、爆米花和咖啡的味道更好。. . 等等。你不往咖啡里放盐吗？忽略我说的话。任何“盐”（如氯化镁或氯化钾）都是离子键的结果。它们可以形成晶体，因为带电原子以模式排列，但晶体易溶于水（极性水分子能够包围离子并将它们从彼此身边拉开）。

盐中的钠或 Na 实际上是 Na⁺，而氯或 Cl 实际上是 Cl^-；钠在原始状态下在其外层电子层中只有一个电子——通过放弃这个电子，它就会有一个完整的外部电子层。氯在其外层电子层中有 7 个电子，通过再获得一个电子，它就完成了它的外层电子层。在反应之前，钠和氯都是危险的元素，但一旦它们完成了从钠到氯的电子转移，它们就变得化学惰性（不活泼）。

为了再次强调，元素周期表中的原子按列排列，具有相似的性质。元素周期表右侧的倒数第二列是卤素（氟、氯等）。这些是最具电负性的原子，这意味着它们非常想要一个电子，以至于它们准备从任何东西那里偷一个电子！（这就是氯气危险的原因——它会迅速与您的眼睛和皮肤发生反应，在它获取电子的过程中灼伤您）。这些原子在反应过程中总会获得一个电子，因此它们作为离子会带负电荷。该列左侧的原子能够获得两个电子。在元素周期表的最左侧（第一列），您会得到碱金属和碱土金属（分别是锂和铍以及它们下面的元素），它们总是失去电子并带正电荷。

当元素相互作用并将一个电子完全从一个原子转移到另一个原子时，就会形成离子键。它被认为是一种弱键，因为离子只通过电性相互吸引，而不是化学性结合在一起（您只需将晶体放入水中就能破坏离子键）。将其与共价键进行比较，在共价键中，电子在原子之间共享。

共价键

原子拥有电子。键由电子和原子组成，原子要么共享电子，要么夺取电子。共价键是电子的“共享”。结果是原子紧密地结合在一起，形成分子！共价键非常强，几乎你周围所有的物体都是通过共价键连接在一起的（一个例外是如果你正在观察盐晶体——它们通过离子键连接在一起！）。一个原子，碳，就像一个快乐、慷慨的孩子，想要与每个人分享。碳在其外层电子壳层中有 4 个电子——从其他原子中夺取 4 个电子太难了，而放弃 4 个电子也同样太难了。相反，碳说：“如果你与我分享，我也会与你分享。”碳与许多不同类型的原子相处得很好，包括氢。氢是最小的原子，只有一个质子和一个电子。氢很想拥有 2 个电子，但它太小了，无法从任何人那里夺取电子。但是如果有人愿意分享，氢总是准备好了。碳会与氢共享一个电子，与另一个氢共享另一个电子，与另一个氢共享第三个电子，与第四个氢共享第四个电子！这将是 CH₄，即甲烷气体。或者，两个碳原子可以相互共享一个电子，然后它们各自有 3 个额外的电子可以共享，所以你可以得到 C₂H₆，即丁烷气体。碳对生命至关重要，因为它可以形成 4 种不同的共价键——它就像乐高积木或拼插玩具，可以将各种东西连接在一起。甚至塑料也是用主要由碳和氢构成的长分子制成的！

通常的惯例是，两种元素在周期表上越靠近，它们之间形成共价键的可能性就越大，因为它们具有相似的电子亲和力（对电子的渴望）。两个氧原子都具有很高的电负性，并且将在 O₂ 分子中彼此平等地共享电子。记住，共价意味着与电子共存，或在两个不同原子的价层之间共享相同的电子。现在我刚说过共价键更可能在彼此相邻或彼此靠近的原子之间形成。水具有共价键，但氧和氢相隔很远！！但它们都是非金属。原子类型（即非金属、金属、碱金属、卤素、氧族元素等）也可以决定键类型，通常相同类型的原子在周期表上被分组在一起。

一个水分子，显示极性。电子在氧原子周围停留的时间更长，导致一端带轻微负电荷（红色阴影），而氢原子端带轻微正电荷（蓝色阴影）。

共价键可以是极性的或非极性的。非极性共价键就像 H-H（氢气 H₂）或 Cl-Cl（有毒的氯气，Cl₂）或（C-C）碳-碳键。这些是具有完全相同亲和力或电负性的两种原子。这类似于说我们有两个相同力量的双胞胎，分别拉着一根绳子的两端。绳子没有移动。因此，电子在键中的参与者之间是平等共享的，原子两端彼此没有任何区别——没有“极性”，所以它们是“非极性的”。油脂、油漆、蜡、汽油和大多数气体是非极性化合物的例子。

由于电负性差异，水的 O-H 键极性很强。共价键是共享、共享、共享。因此，键关系中的一种原子越自私，其共价性就越低，但我们不会称之为“非共价共价”。这没有意义。相反，它被称为极性共价键，以表明电子共享关系的单边性（即在 O-H 键中，电子大部分时间都与氧原子在一起，因为氧原子的拉力很强）。把氧原子想象成一个欺负人。它可能会夺走你的电子（并变成离子），但它更有可能“共享”你的电子，就像一个欺负人可能会“共享”一支铅笔给你一样，只要你与他共享一支钢笔，铅笔和钢笔大部分时间都放在欺负人的桌子上！因此，当氧原子与一个氢原子共享一个电子时，氢原子会感觉自己的外层电子壳层满了（因为它从只有 1 个自己的电子变成了现在拥有 2 个电子），但两个电子与氧原子在一起的时间比与氢原子在一起的时间更长。氧原子通过形成 2 个共价键来感觉自己的外层电子壳层满了，因为它需要 2 个来完成轨道。这就是水分子是 H₂O 的原因。但由于氧原子电负性更强，所以所有电子与氧原子在一起的时间都比与两个氢原子在一起的时间更长。这会导致分子的氧原子侧略微带负电，而氢原子侧略微带正电——换句话说，分子的两侧并不相同，因此它具有极性。（不要为氢原子感到难过——它有一个以它命名的特殊键！）。

氢键

氢键是在不同分子之间或单个较大分子不同部分之间产生的部分静电吸引力。换句话说，它类似于离子键，但较弱，因为吸引力不是在两个离子（具有完全的 +1 或 -1 电荷）之间产生的，而是在具有极性并且只具有部分正电荷或负电荷的分子之间产生的。它有点像两个非常弱的磁铁——它们彼此吸引，但这种键也很容易断裂。当氢 (H) 与更具电负性的原子（如氮 (N)、氧 (O) 或氟 (F)）结合时，会发生氢键，其中氧原子是最常见的例子。我们讨论了水分子中的极性，以及水分子之间产生的氢键赋予水一些独特的性质，这些性质将在其他地方讨论。即使氢键是我们讨论的最弱的键类型，它在生物学上也是很重要的——蛋白质的三维结构依赖于氢键，DNA 的两条链通过氢键连接在一起（因为它们很弱，这也允许链解开以便复制），并且氢键在纤维素、棉花和其他纤维中很重要。

金属键

金属键非常重要——事实上，周期表上大多数元素都是金属，它们相互形成牢固的键。但是，我们不会深入讨论这些键的性质，因为金属键会非常混乱（它已经困扰了化学家和物理学家很长时间了！）。简单地说，金属就像超级共享者，当它们与其他金属在一起时。它们并不完全共享电子来填充其外层电子壳层，事实上，它们并没有很好地抓住自己的电子——相反，金属原子核“漂浮”在一片非定域电子海或电子云中。每个原子核都被周围的电子云强烈吸引，从而赋予金属强度。每个原子核都具有质子和中子（大、带电、致密的中心），金属原子很大。例如，元素铜 (Cu) 的原子序数为 29，因此晶格（排列）中的每个铜原子在原子核中都有 29 个质子和 29 个电子可以捐献给电子海，电子海是铜质量的一部分。考虑到一枚旧的铜便士大约有 3 X 10²² 个原子，这真是一个巨大的电子数！！因此，每次你看到一块金属时，不要惊讶于人类是从金属而不是塑料、木材或其他固体中创造了他们的电力。其他原子周围 simply 没有足够的电子在漂浮。这就是电力的本质！电子的运动。金属的电子在原子之间非常自由地移动，这种电子排列是金属许多特性的原因——它们有光泽，具有延展性（可以在不破裂的情况下弯曲和成形），它们很强，它们可以很好地与其他金属结合（形成黄铜或不锈钢等合金），并且它们是优良的电和热导体。金属还可以与非金属（尤其是氧气）结合，通常这就是它们在自然界中以矿石形式紧密结合在岩石中的方式。金、银和铂金是“贵金属”，因为它们不反应，不会腐蚀，并且被人类赋予了特殊的价值，长期以来被用作艺术品、珠宝和货币。

将不同比例的金属组合成合金可以改变纯金属的特性，以产生所需的特性。制造合金的目的是通常为了使它们更不容易破碎、更硬、更耐腐蚀，或者具有更理想的颜色和光泽。在今天使用的所有金属合金中，铁合金（包括钢、不锈钢、铸铁等）是最常见的。能够从矿石中提取金属，并能够将金属组合成合金，是人类历史上的重要步骤（青铜器时代和铁器时代）。

近东古代的大致时间线；在青铜器时代，青铜是最硬的金属合金；铁器时代的到来不是因为能够提取铁，而是因为能够通过在铁中添加碳来制造钢铁工具和武器。

制造和破坏分子

放热和吸热

放热和吸热反应可以根据它们的词根来区分。Exo- “出去”，Endo- “进来”，thermic- “热”。放热反应释放能量，而吸热反应需要能量。因此，有时在反应方案中你会看到。. A + B ---> C + D + 热量或 A + B ---> C + D + 焦耳数。在这两个例子中，你都会看到热量或焦耳位于反应的产物侧，这意味着热量被释放了。在类似的例子中，你会看到热量位于反应物侧，这意味着反应发生需要热量或能量输入。

吸热反应和放热反应基本上是相反的。但我们必须记住，反应中所需的热量或释放的热量并不代表反应速度或热力学可用性。如果一个反应是放热的，它通常是自发的（它会自行发生），但这并不意味着它会很快或很慢。因此，有一些类别可以相互关联，但就目前而言，我们定义放热反应（释放热量）和吸热反应（需要热量）。

放热过程	吸热过程
制作冰块	融化冰块
云层中形成雪	霜转化为水蒸气
水蒸气凝结成雨	水的蒸发
蜡烛火焰	气相中原子形成阳离子
亚硫酸钠和漂白剂混合	烘焙面包
铁生锈	煮鸡蛋
燃烧糖	通过光合作用产生糖
形成离子对	分离离子对
气相中原子结合形成分子	将气体分子分开
将水和强酸混合	将水和硝酸铵混合
将水与无水盐混合	从水合物制备无水盐
结晶液体盐（如化学暖手宝中的醋酸钠）	熔化固体盐
核裂变	八水合氢氧化钡晶体与干燥的氯化铵反应
将水与氯化钙混合	亚硫酰氯 (SOCl₂) 与七水合硫酸钴反应

氧化还原

氧化还原反应是两个物体之间的电子转移。为简化起见，这种类型的反应本应简单地称为“电子转移”，但它被称为氧化还原反应，因为 1) 氧化是指金属暴露于氧气时发生的现象——例如，铁变成铁锈。早期的化学家认识到这一点，并说铁被氧化了。后来，当深入研究这种类型的反应时，人们发现并不一定需要氧气参与。人们还意识到，参与反应的另一个试剂的电荷会发生损失或减少。因此，还原和氧化同时发生，有时这种反应被称为“氧化还原”。在氧化还原反应中，离子、分子或原子的氧化数通过失去或获得电子而发生变化。记住氧化还原反应过程的一种方法是使用助记符 OIL RIG。OIL = 氧化是失去 (电子)，而 RIG = 还原是获得 (电子)。

还原
氧化剂 + e^– ⟶ 产物
(电子获得；氧化数降低)

氧化
还原剂 ⟶ 产物 + e^–
(电子损失；氧化数升高)

氧化还原半反应

在氧化还原反应中，总是有一个接受者和一个供体，因为电子正在转移。打个比方，在货币交换中，如果一个人去商店，这个人就会损失金钱，而商店则会通过交易获得金钱。氧化和还原是相辅相成的。没有一方，另一方就不存在。有一个Crash Course 视频关于氧化还原反应，如果你想了解更多信息。

通过氧化还原反应过程，分子被构建和分解。

演示强氧化剂和还原剂之间的反应。当将少量甘油（还原剂）添加到高锰酸钾粉末（强氧化剂）中时，会发生剧烈的反应，并伴随自燃。

酸碱反应

酸是一种能够捐赠质子或氢离子 (H⁺) 的分子。请记住，氢有一个质子、一个电子，没有中子。如果你从氢中移除电子，剩下的东西被称为氢离子（因为它带电荷），但你也可以说剩下的是一个质子。在某些情况下，人们会谈论质子的捐赠，而在其他情况下，他们会谈论氢离子的捐赠——它们是同一件事！强酸的解离（分离）非常强。例如，当盐酸 HCl 与水混合时，它几乎完全分解成 H⁺ 和 Cl^-（只有很少的 HCl 分子保持完整）。醋是一种弱酸。它最初是 CH₃COOH，分解成 CH₃COO^- 和 H⁺。但是，许多分子保持完整。通过捐赠更少的 H⁺，它被认为是一种弱酸。请记住，pH 是 H⁺ 浓度的量度。

碱是一种接受 H⁺ 的分子，从而将其从溶液中移除。羟基离子 (OH^-) 是最常见的接受 H⁺ 的碱（因为如果你将 H⁺ 和 OH^- 结合起来，你会得到 H₂O，即水），所以有时碱被定义为捐赠羟基离子的分子。与酸一样，强碱的解离比弱碱更完全。苛性钠或氢氧化钠 (NaOH) 是一种非常强的碱。小苏打或碳酸氢钠 (NaHCO₃) 是弱碱的一个例子。

在酸碱反应中，酸和碱会相互中和并产生盐。一个简单的例子是将我们的强酸盐酸与我们的强碱氢氧化钠混合。HCl + NaOH --> H₂O + NaCl

盐酸的酸性被中和，氢氧化钠的碱性被中和——我们将两种危险的化学物质混合在一起，制成了盐水！当将醋和小苏打混合在一起时，会释放二氧化碳气体 (CO₂)，但也会中和酸和碱。

这是一个关于酸碱反应的过度简化的讨论，但对于我们的目的来说应该足够了。