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第一章 化学基本概念

1.1 物质的组成与分类

物质是由微观粒子（分子、原子、离子）构成的，宏观上由元素组成。元素是具有相同核电荷数（质子数）的一类原子的总称，目前已发现的元素有118种，其中94种存在于自然界。

根据物质的组成和性质，可将物质分为纯净物和混合物：

• 纯净物：由一种物质组成，具有固定的组成和性质，如纯水（H₂O）、氧气（O₂）、氯化钠（NaCl）。
  • 单质：由同种元素组成的纯净物，分为金属单质（如Fe、Cu）、非金属单质（如O₂、S）、稀有气体（如He、Ne）。
  • 化合物：由不同种元素组成的纯净物，分为无机化合物（酸、碱、盐、氧化物）和有机化合物（含碳化合物，除CO、CO₂、碳酸盐等）。
• 混合物：由两种或多种物质混合而成，无固定组成，各成分保持原有性质，如空气、溶液、合金。

1.2 化学变化与物理变化

物质的变化分为物理变化和化学变化，二者的本质区别是是否有新物质生成。

• 物理变化：仅物质的状态、形状、大小等发生改变，无新物质生成。例如：水的三态变化、玻璃破碎、汽油挥发。
• 化学变化：又称化学反应，有新物质生成，常伴随发光、发热、变色、产生气体、生成沉淀等现象。例如：铁生锈、木材燃烧、食物腐败。

注意：现象不能作为判断化学变化的唯一依据，如灯泡发光是物理变化；化学变化一定伴随物理变化，物理变化不一定伴随化学变化。

1.3 化学用语

化学用语是学习和交流化学的基础，包括元素符号、化学式、化学方程式等。

• 元素符号：用拉丁字母表示元素，遵循“一大二小”原则，如H（氢）、O（氧）、Fe（铁）、Cu（铜）。
• 化学式：用元素符号表示物质组成的式子，反映物质的元素种类和原子个数比。
  例：水 - H₂O（2个氢原子，1个氧原子）；碳酸钠 - Na₂CO₃；硫酸 - H₂SO₄
• 化学方程式：用化学式表示化学反应的式子，需遵循质量守恒定律（配平）。
  例：氢气在氧气中燃烧：2H₂ + O₂ $\stackrel{点燃}{=}$ 2H₂O
  例：盐酸与氢氧化钠中和：HCl + NaOH = NaCl + H₂O

1.4 物质的量

物质的量是表示含有一定数目粒子的集合体的物理量，符号为n，单位为摩尔（mol）。

• 1mol任何粒子的粒子数等于阿伏伽德罗常数（Nₐ），约为6.02×10²³ mol⁻¹。
• 摩尔质量（M）：单位物质的量的物质所具有的质量，单位为g/mol，数值上等于相对原子质量或相对分子质量。
  计算公式：n = m/M（n：物质的量，m：质量，M：摩尔质量）
  例：18g H₂O的物质的量 = 18g / 18g/mol = 1mol

第二章 物质结构基础

2.1 原子结构

原子是化学变化中的最小粒子，由原子核和核外电子构成，原子核由质子和中子组成（氢原子无中子）。

• 质子：带1个单位正电荷，质量约为1.67×10⁻²⁷kg，决定元素种类。
• 中子：不带电，质量与质子相近，决定元素的同位素种类。
• 核外电子：带1个单位负电荷，质量极小（约为质子的1/1836），分层排布，决定元素的化学性质。

核外电子排布规律：

1. 电子优先排布在能量最低的电子层（K层→L层→M层…）；
2. 每层最多容纳2n²个电子（n为电子层数）；
3. 最外层电子数不超过8个（K层为最外层时不超过2个）。

2.2 元素周期表与元素周期律

元素周期表是元素周期律的具体表现形式，目前常用的是长式周期表，包含7个周期、16个族（7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个0族）。

• 周期：横行，电子层数相同，从左到右原子序数递增，金属性减弱，非金属性增强。
• 族：纵行，最外层电子数相同（主族），化学性质相似；从上到下金属性增强，非金属性减弱。

元素周期律：元素的性质随原子序数的递增而呈周期性变化，本质是核外电子排布的周期性变化。

主要递变规律：

• 原子半径：同周期从左到右减小，同主族从上到下增大；
• 金属性：同周期从左到右减弱，同主族从上到下增强；
• 最高价氧化物对应水化物的碱性：与金属性一致，酸性：与非金属性一致。

2.3 化学键与分子结构

化学键是相邻原子之间强烈的相互作用，分为离子键、共价键和金属键。

• 离子键：阴、阳离子之间通过静电作用形成的化学键，通常由活泼金属（ⅠA、ⅡA）与活泼非金属（ⅥA、ⅦA）形成，如NaCl、MgO。

  离子化合物：含有离子键的化合物，常温下多为晶体，熔点、沸点较高，熔融状态或水溶液能导电。

• 共价键：原子之间通过共用电子对形成的化学键，分为极性共价键（如H-Cl）和非极性共价键（如Cl-Cl）。

  共价化合物：只含共价键的化合物，如H₂O、CO₂、CH₄，多数熔沸点较低。

• 金属键：金属阳离子与自由电子之间的强烈相互作用，存在于金属单质和合金中，决定金属的导电性、导热性、延展性。

第三章 化学反应原理

3.1 化学反应速率

化学反应速率是衡量化学反应进行快慢的物理量，通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示，单位为mol/(L·s)或mol/(L·min)。

影响化学反应速率的因素：

• 内因：反应物的性质（决定因素），如活泼金属与酸反应比不活泼金属快。
• 外因：
  • 浓度：增大反应物浓度，速率加快（固体、纯液体浓度视为常数）；
  • 温度：升高温度，速率加快（每升高10℃，速率约加快2~4倍）；
  • 压强：增大气体反应物压强，速率加快（本质是增大浓度）；
  • 催化剂：改变化学反应速率（不改变平衡），正催化剂加快速率，负催化剂减慢速率；
  • 其他：表面积（固体）、光照、溶剂等。

3.2 化学平衡

可逆反应在一定条件下，正反应速率等于逆反应速率，反应物和生成物的浓度不再随时间变化的状态，称为化学平衡状态（动态平衡）。

化学平衡的特征：逆（可逆反应）、等（v正=v逆≠0）、动（动态平衡）、定（浓度不变）、变（条件改变，平衡移动）。

勒夏特列原理：如果改变影响平衡的一个条件（浓度、压强、温度），平衡将向能够减弱这种改变的方向移动。

• 浓度：增大反应物浓度/减小生成物浓度，平衡正向移动；反之逆向移动；
• 温度：升高温度，平衡向吸热反应方向移动；降低温度，向放热方向移动；
• 压强：增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动；减小压强，向体积增大的方向移动（无气体参与的反应，压强无影响）。

3.3 电解质溶液

电解质是在水溶液中或熔融状态下能导电的化合物，分为强电解质和弱电解质。

• 强电解质：完全电离，如强酸（HCl、H₂SO₄）、强碱（NaOH、KOH）、大多数盐（NaCl、BaSO₄）；
• 弱电解质：部分电离，存在电离平衡，如弱酸（CH₃COOH、H₂CO₃）、弱碱（NH₃·H₂O）、水。

水的电离：H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻，常温下纯水中c(H⁺)=c(OH⁻)=1×10⁻⁷mol/L，pH=7。

• 酸性溶液：c(H⁺) > c(OH⁻)，pH < 7；
• 碱性溶液：c(H⁺) < c(OH⁻)，pH > 7；
• 中性溶液：c(H⁺) = c(OH⁻)，pH = 7（常温）。

盐类水解：强酸弱碱盐（如NH₄Cl）水解呈酸性，强碱弱酸盐（如CH₃COONa）水解呈碱性，强酸强碱盐（如NaCl）不水解，呈中性。

3.4 氧化还原反应

氧化还原反应的本质是电子的转移（得失或偏移），特征是元素化合价的升降。

• 氧化反应：失去电子，化合价升高，被氧化（还原剂→氧化产物）；
• 还原反应：得到电子，化合价降低，被还原（氧化剂→还原产物）。

常见氧化剂：O₂、Cl₂、浓硫酸、HNO₃、KMnO₄、FeCl₃等；
常见还原剂：活泼金属、H₂、C、CO、SO₂、FeCl₂等。

第四章 有机化学基础

4.1 有机化合物的基本概念

有机化合物通常指含碳元素的化合物（除CO、CO₂、碳酸盐、氰化物等少数无机物），种类繁多（超过千万种），原因是：

• 碳原子能形成4个共价键；
• 碳原子之间能形成单键、双键、三键，还能形成链状、环状结构；
• 同分异构现象普遍存在。

有机物的特点：多数难溶于水，易溶于有机溶剂；多数熔点低，受热易分解；多数易燃；多数反应速率慢，副反应多。

同系物：结构相似，分子组成相差一个或若干个“CH₂”原子团的有机物，如甲烷（CH₄）、乙烷（C₂H₆）、丙烷（C₃H₈）互为同系物。

同分异构体：分子式相同，结构不同的化合物，如正丁烷（CH₃CH₂CH₂CH₃）和异丁烷((CH₃)₃CH)。

4.2 烃类化合物

烃是仅由碳和氢两种元素组成的有机物，分为烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等。

• 烷烃：饱和烃，通式CₙH₂ₙ₊₂（n≥1），官能团为碳碳单键，代表物：甲烷（CH₄）。

  甲烷的性质：无色无味气体，密度比空气小，难溶于水； 化学性质：稳定（不与强酸、强碱、强氧化剂反应），能发生取代反应（与Cl₂在光照下生成CH₃Cl、CH₂Cl₂、CHCl₃、CCl₄），能燃烧：CH₄ + 2O₂ $\stackrel{点燃}{=}$ CO₂ + 2H₂O。

• 烯烃：不饱和烃，通式CₙH₂ₙ（n≥2），官能团为碳碳双键（C=C），代表物：乙烯（C₂H₄）。

  乙烯的性质：能使溴水、酸性KMnO₄溶液褪色；能发生加成反应（与Br₂、H₂、HCl、H₂O等）、加聚反应（生成聚乙烯）。

  加成反应：CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂BrCH₂Br（溴水褪色）
  加聚反应：nCH₂=CH₂ $\stackrel{催化剂}{→}$ [-CH₂-CH₂-]ₙ（聚乙烯）

• 炔烃：不饱和烃，通式CₙH₂ₙ₋₂（n≥2），官能团为碳碳三键（C≡C），代表物：乙炔（C₂H₂）。
• 芳香烃：含有苯环的烃，代表物：苯（C₆H₆），结构为平面正六边形，碳碳键是介于单键和双键之间的特殊键。

  苯的性质：不能使酸性KMnO₄溶液褪色，能发生取代反应（与液溴、浓硝酸）、加成反应（与H₂）。

4.3 烃的衍生物

烃分子中的氢原子被其他原子或原子团取代后的产物，常见官能团：羟基（-OH）、羧基（-COOH）、醛基（-CHO）、酯基（-COO-）等。

• 乙醇（C₂H₅OH）：官能团为羟基，俗称酒精，能与金属钠反应（2CH₃CH₂OH + 2Na → 2CH₃CH₂ONa + H₂↑），能发生催化氧化（生成乙醛），能与乙酸发生酯化反应。
• 乙酸（CH₃COOH）：官能团为羧基，俗称醋酸，具有酸的通性（使石蕊变红、与碱中和、与活泼金属反应），能与乙醇发生酯化反应：
  CH₃COOH + C₂H₅OH $\stackrel{浓硫酸、△}{⇌}$ CH₃COOC₂H₅ + H₂O（酯化反应，可逆，浓硫酸作催化剂和吸水剂）
• 乙醛（CH₃CHO）：官能团为醛基，能发生银镜反应（检验醛基），能被新制Cu(OH)₂氧化（生成砖红色Cu₂O沉淀）。

4.4 基本营养物质

人类重要的营养物质包括糖类、油脂、蛋白质，均为有机物。

• 糖类：分为单糖（葡萄糖、果糖，不能水解）、二糖（蔗糖、麦芽糖，水解生成2分子单糖）、多糖（淀粉、纤维素，水解最终生成葡萄糖）。葡萄糖能发生银镜反应，淀粉遇碘变蓝。
• 油脂：分为油（液态，植物油脂）和脂肪（固态，动物油脂），水解生成高级脂肪酸和甘油，能发生皂化反应（与NaOH反应制肥皂）。
• 蛋白质：由氨基酸脱水缩合而成，水解最终生成氨基酸；能发生盐析（可逆，用于提纯）、变性（不可逆，如加热、重金属盐、紫外线等）；遇浓硝酸变黄（显色反应），灼烧有烧焦羽毛气味。