我眼中的化学——高一研究性学习论文.doc

第15页云南大学附属中学研究性学习报告我眼中的化学年 级: 高一（10）班学 号: 121015 姓 名: 高士雄 学科类别: 化学 指导老师: 任红雷 二零一零年五月前言 从我初三第一次跨进化学这个神秘的领域，看到过去几百年里，化学工作者辛勤工作、无畏探索，为人类社会作出了巨大贡献，我当时就想：是什么，让这些化学家如此入迷，哪怕牺牲了自己也要捍卫科学的正义？是什么，让人们从早期的金丹术士的失败过程中还继续为追求更美好的人生而努力？人类炼金失败，却学会了化学实验；从黑铅中没有中熬出黄金，却找到了比黄金更为珍贵的质量守恒定律；人类想利用永动机产生能量，上帝没有给人类所期望的源源不断的能量，却给了人类一个更深的真谛：能量守恒。就这样，一个个理论被推翻，又重新树立起一个个全新的理论。从把有酸味、能使蓝色石蕊变红的物质叫做酸；有涩味，能使红色石蕊变蓝的物质叫做碱开始，到Arrhenius的酸碱电离理论的提出，再到 Brnsted-lowry的酸碱质子理论，再到现在的Lewis酸碱理论；从产率问题到化学平衡，从有机合成产率到Markvnikov规则和反Markvnikov规则，从Feiderich Whler发现用和AgOCN合成的中存在其异构体开始。化学逐渐开始走进人类生活，一个体系正在逐渐被完善。然而，正如一个圆一样，半径越大，面积越大，但其周长越大。人类追寻化学的根本，然而，最神秘一层的面纱仍未解开，我希望获得向那些化学巨匠思考化学问题的机会，追随无数前辈，踏上未知世界之路。因此，我写下这篇文章，记录我眼中的化学。2010年5月 1、 气体在化学学科发展过程中，气体研究占重要地位。气态物质的研究从定性到定量，从经典过度到现代。说道气体必须提到Clapeyron方程，对于温度不低、压力不高的“理想”气体，可以得到：PvnRT大多数人都知道这是由玻意耳定律推导而出的，去很少会联系到溶液渗透压方程：vnRT这是何等美妙啊！曾经物理中的静电力相互作用Fk与万有引力定律 FG的何其相似是这样令人疯狂，化学何不也是如此？气体是令人着迷的，利用可逆反应进行的气体实验更为可爱。我曾经加热我一个盛有粉末的蒸发皿，缕缕白烟缓缓上冒，有点中途翻滚沉下来了，有点继续挥发，翻滚的白烟犹如细纱，是沉下的挥走了更美好的和HCl。是的，这个现象，不是升华，却是个化学反应！但是，Clapeyron方程终究是“理想气体状态方程”，随着温度降低，压力增大，你所面对的再也不是“理想”的气体，这就是我所认为的Clapeyron方程的局限性。2、 溶液提到溶液，首先想到的就是溶解和结晶，对于溶解和结晶，我有这样的看法：溶解鼻血提到溶解度，从而提到在极性溶剂与非极性溶剂之间的相似相溶原则。但是，何谓“相似”?对外显极性，对外也显极性，为何与无限相溶，却与有限相溶？这就要对“相似”进行解释。首先，玩过俄罗斯方块的人都知道，要使方块被一层层消去，方块键空隙便应该被填满。扩展到微观世界，原子变硬采取尽可能密集的排列方式。在水的框架中，可以看出H-OH的氢键，如图：将H看做即将被取代的官能团，当基取代中的H形成新的化合物时，与的排列方式相比并未发生很大变化，此谓“相似”，当取代H的官能团过长时，与的排列方式相比将会发生很大变化。因此，与有限相溶。谈到结晶，做过实验的人会发现：很多时候，溶液中的溶质很难结晶出来，哪怕计算值已经达到饱和。在实验过程中倘若有少量杂质混入的话，溶液便会立即围绕杂质迅速结晶，由离子态马上变为固态溶质颗粒。说道这里，你是否会联想到人工降雨呢？散落在云中的AgI作为凝结核，聚集了更多水珠，一场大雨倾盆而下想更开点，将一等离子态系统隔绝空气降低温度，它不会变成气态，而是形成一个低温不稳定的等离子体系统，此时若充入少量空气，周围的离子是不是也会像溶液中的溶质就这样“沉淀”出来形成空气呢？3、 化学热力学 一物质发生相变，有气态到液态再到固态，反应放热，形成更强的分子键；多种物质发生氧化还原反应，若断键键能大，形成新键键能小，对外放热。一次说来，液化、气化、升华、凝华、凝固、熔化可不可以与化学键的断裂与形成归咎于粒子重组？粒子的充足便伴随着能量变化，分子键通过Van der waals力作用，原子之间通过化学键作用，那么存在于质子、中子之间是否也存在一种类似于化学键的强相互作用？是否也有键、键？是否也存在质子轨道、中子轨道？同时，对于化学键键能，可以推断分子中所存在化学键的键型，包括离域大键。若苯环是环己三烯，结构便如下：经实验测定苯的为82.9，用碳双键与碳单键的计算的却是243。为何会能量偏低？一种解释是和互为共振体，化学键处于单键与双键之间，也就是：，从而形成离域大键，写为。另一种解释利用了分子轨道理论：六个碳原子的六个p轨道可以形成六个分子轨道，三个成键，三个反键，六个p电子放在三个成键轨道上，如图形成离域大键。我则这样想，根据分子轨道中电子能量最低原则作出的两种能量函数图：（以最上方碳为6号碳，逆时针编号） (1) （2）很明显，处于（1）状态的、键相对于、有势能，因此，处于（1）状态的苯环会不稳定而趋向于（2）状态。4、 化学动力学谈到化学动力学，可以讨论化学反应条件对反应速率的影响，也可以讨论浓度对化学反应速率的影响，还可以查阅反应物的电极电势从而反应的剧烈程度。首先，讨论温度对化学反应的影响，我们都知道Cs是还原性极强，电离能极小的物质；而是氧化性极强，电负性最大的物质。当温度趋向于0 K时，分子运动趋向于0，那么，0 K下，Cs会不会与反应呢？从一般化学动力学共识计算Cs与反应是无意义的，因此必须从量子统计热力学讨论：第一，绝对零度是不能通过有限循环降温得到的；第二，绝对零度下，Cs与仍反应，只不过反应时间超过宇宙年龄。量子力学证明，一般我们所认为的“绝对零度下，物质没有能量”的观点是错误的，即使是绝对零度，物质也是存在能量的，这是基于海森堡不确定原理所产生的一种物质“零能点”。因此，讨论Cs与是否在绝对零度反应时无意义的。现在，讨论催化剂对化学反应的影响。我还记得我学过的第一个含有催化剂的一个方程式 ，当时老师曾提到可以用红砖粉末来做催化剂。我发现， 与都是过渡元素的氧化物，如果催化剂参与化学反应,则必定要生成Mn的高价氧化物、根据Mn的价层电子排布，假设Mn原子与O原子之间形成的是离子键、Mn价电子层电子排布应该是。我们还知道，和的轨道电子云对所靠近的负电场有排斥作用，所以，在形成更高价氧化物时Mn的和由于能量升高先参与成键。如图：此时，由于Mn中心正电荷作用，O原子无法夺取3d轨道上的三个电子，则夺取一个形成能量更高的高价、从而分解制得。当然、催化剂不一定参与化学反应，看上去与反应物毫不相关的分子却可以加快反应物的反应，这些催化剂大都有一个吸咐中心，分子中的部分原子围绕吸附中心而对被吸附原子两端产生拉力使其脱去。如：因为对的脱氢作用与其分步被氧化相似，那么有机物中的脱氢反应与氧化反应就是等效的了。在这两个反应中，由于不同催化剂有不同的吸附中心，致使产物不同，若反应变慢，不是因为催化剂反应完毕，而是因为催化剂的活性中心被堵塞，而此时可以对催化剂进行清理，使其再生。这种催化方式优点是产率高。例如，若要用乙烯的氧化反应制取环氧乙烷或乙醛，如果只是单一的氧化的话，则会发生以下三个反应： + 此时、产生的和就非常不符合工业上的绿色生产的目的、而分离环氧乙烷和乙醛又需要极其复杂的工序，因此，可以考虑加入催化单一反应的催化剂，如：以此来提高产率。其次,这种催化与前一种不同，前一种是将反应一级一级地下放，而这种催化反应级数为零，反应更快，达到原子经济化。但是，这种催化的催化剂大多为过渡金属及其化合物，催化剂昂贵，吸附中心易被杂质污染、失去催化剂的催化效果。五、酸与碱作为我们很早就接触过的酸与碱、我们已经自认为很了解它。我们知道、像HCl这样、在水溶液中能解离出的叫酸。像NaOH这样，在水溶液中能解离出的叫碱；我们还知道，能和活泼金属反应的生成氢气的叫酸，能和活泼非金属生成盐和水的叫碱；我们知道，能使紫色石蕊变红的叫酸，使紫色石蕊变蓝的叫碱。可是，我们真的很了解酸和碱吗？不见得。 曾经有人在液氨中做过这样一个反应：NH4Cl+NaNH2NaCl+2NH3这也叫中和反应，却没有离子参与，那么就应该分析一下我们原来所认为的酸和碱了：首先，在水溶液中电离出的酸，在水中形成的离子不是裸质子，而是含有配位键的 离子，其结构式如下：这可不可以看作氧的氢化物通过配位键连一个氢离子？既然这样，NH4Cl中的NH4离子不也可以看作氮的氢化物通过配位键连一个氢离子？既然该反应中液氨作为溶剂，那又像不像水溶液中的H+与OH-的反应呢？因此，Brnsted把能给出质子的叫酸，能接受质子的叫碱，反应并不限于水溶液中。所以，一个物质得质子对外显碱性，失质子对外显碱性。如：NH3+MgMg2N3+H2此反应中NH3提供质子，失质子对外显酸性，另外，还有：CH3CH2OH+CH3COOHCH3CH2COOCH3+H2OCH3CH2 OH+NaCH3CH2 ONa+H2 反应中，接受质子，对外显碱性，反应中，提供质子， 对外显酸性，因此，在酸碱质子理论中，酸与碱并没有明确的界限。还有的反应就像有机取代，随着溶液的H+浓度增加，溶液中的Na3 PO4会慢慢变成Na2 HPO4 和NaH2 PO4，最后变成NaH2 PO4与H3 PO4两种溶质的混合溶液。这样Na2 PO4接受质子变成Na2HPO4 ，那么Na2HPO4相对于Na3 PO4叫酸， Na3 PO4 相对于Na2HPO4 叫碱，当Na2HPO4 接受质子变为NaH2 PO4 时，Na2HPO4 相对于Na2HPO4叫碱，NaH2 PO4相对于Na2HPO4叫酸。因此，在酸碱质子理论中，酸和碱具有相对性，利用这一特性，可以配置对中和反应进行缓冲的缓冲溶液。对于控制中和反应，还可以加入指示剂，作为像石蕊或酚酞一类的酸碱指示剂自不用提，但是唯一的不足是想要从溶液中分离却要煞费苦心，酚酞的由酸变碱并要对杂质进行分离是相对困难的，要从一个简单的无机盐溶液中分离出、和是不容易的，那么能否找到一种容易分离或者完全不产生杂质的指示剂呢？若要用NaOH中和HCl，在加热条件下在溶液中加入NH4 Cl则在NaOH中和HCl完毕后，生成的NH3会被看见，此时，停止滴NaOH，蒸干溶液并加热便得到了较为纯净的NaCl 晶体，若要用HCl中和NaOH，在加热条件下在溶液中加入，在HCl中和完毕后， 会将溶液中的中和并生成，以此制得较为纯净的NaCl晶体。六、 原子结构对于原子结构，从s层电子一直到p层，电子云千变万化，而p层电子却是其中最有代表性，最简洁的。现在我们取出一个轨道作为研究对象。在我们印象中，p层电子轨道如同纺锤，中间中子云密度为0，若将一电子放在p轨道，则p轨道两端将会出现电子云。那么一个电子是怎样由p轨道这端走到那端呢？我有两种想法：一、由于原子核正电荷吸引，核外电子向原子核加速运动，根据，电子质量将增加，为使质量保持不变，根据 ，电子将静质量转化为动质量并以能量形式表现出来，故中间处电子云密度等于零，当电子摆脱原子核正电区域，质量很小，能量很大，在将势能增加的同时，能量减少，变为质量。二、假定空间中除了存在电子与原子核外还存在一种微观粒子不显电性，那么核外电子与该种粒子发生电转移，到中部由于电中和无法看出，越远电性越明显，所以形成了p轨纺锤状结构。还有，大家有没有想过一个问题，做与反应时，为什么要采取光照条件？H的轨道要与Cl的成键，必须给的电子一个h的能量使其激发到3p轨道成键，而h一定；若要使能量损失不大，也应该一定，这就意味着只要大于某一个值就可以加快与成键了。原子可以失去外层电子而形成阳离子，随着原子序数的增加，在不考虑放射性元素的前提下，第一电离随竖排原子序数增加而减小，随横排原子序数增加而增加。He的第一电离能最大，为24.587，这也就是说，He可以显正价，只不过需要很大的能量而已。七、化学键与分子结构我们都知道，苯分子中含有的大键使其不具备环已三烯的性质，中的键及其反键使具有顺磁性，中含有两层大键，中含有两层键。是什么让键种类如此多样？对于键，我有这样的看法：作为键，需要了解该键所连接的原子数及键的电子数，连接原子数大于等于3的叫离域大键。我个人认为键是存在饱和性与区域性的，当键等于2倍所连原子数减2时，就可以说键达到饱和时，多余电子形成反键。作为键要保证所连区域内电均衡以维持分子稳定。因此，便可以解释石墨为是么是层状的了，每一层的离域大键与另一层产生斥力，无法接近相连，所以石墨是层状。对于的结构，我是这样想的：由于利用氮的-3价与+5价可以画出的初步结构如下图：其中、号N之间的键易和、号之间的键结合后形成离域大键，剩余、号之间形成反键或作为号N的弧对电子。我们所了解的氢键右分子外部所形成的化合物更稳定，熔沸点更高。然而，分子内部也有氢键，分子内部的氢键会接近分子中不同官能团的距离，使之不稳定，熔沸点降低，如硝基苯酚的位置异构体。 熔点45 熔点96 熔点114所以，有氢键并不代表熔沸点熔沸点更高。八、晶体 我们知道，Na与Cs是同一主族的元素，那么它们所形成的化合物应该相似，可是为什么NaCl与CsCl的晶胞却不相似呢？若把每个原子看做一个圆球，由于Cs半径比Na大，在单位立方所占的体积便与Na不同，所以，这就形成了原子空间利用率的问题。在配位数为6的NaCl晶胞中，半径较大的负离子采取面心立方面堆积，在4个中插入一个，离子半径满足如下关系：则可以计算出若与半径之比在之间的话，晶体可稳定存在。Cs同理，可计算出半径之比在之间的与CsCl相似的晶体可稳定存在。九、配位化学由于我最近才接触配位化学，对它的认识不太深刻。对于普通配位化合物的命名，大家都清楚，可对于配位化合物的同分异构，却是一个令人头疼的问题。例如：二氢二（乙二铵）合铑（III）离子中，它的顺式异构体就有两个 左旋-顺式 右旋-顺式这两种顺式看上去相近，实则不然。这种异构体被大家成为旋光异构体，可为什么第一种是“左旋”，第二种是“右旋”呢？我认为是这样的：首先取杂化出的平面四边形，使其上下各有一个原子且一个配位体在上，一个配位体在下，按照英文字母表顺序选择离上方配位体近的原子，向左边数的叫左旋，向右边数的叫右旋。另外，我们知道的PCl有两种键长，为什么呢？的空间构型是三角双锥，采取的是杂化，我们认为杂化应该是等性杂化，那为什么会有两种键长？这又要提到前面所说的外加负电场给d轨道的能级产生了分裂以及其二次分裂，期中含有的高能与和两个Cl原子形成长键，dxy、dxz、dyz与Cl原子形成短键，所以有两种键长。10、 有机化学 学习有机化学，首先要明白有机物的命名。然而，有机物多种多样，命名永远不会像想象中那么简单。选修5教材中有这样一个有机物：由于支链上存在之链，该有机物被命名为：4-甲基-7-丙基-6-（1-甲基丁基）十一烷，这是标准命名法，而我认为还可以这样命名“1-甲基丁基”：因为1-甲基丁基的实质是异戊基，异戊基分两种：取代基位置在2号碳上和3号碳上，就可以命名为“2-异戊基”了。那么原有机物就可以命名为4-甲基-7-丙基-6-（2-异戊基）十一烷。对于烯炔，我曾经研究过它的命名，是以烯为首，炔在后，如：该有机物被命名为1-戊烯-4-炔，命名从右边双键开始算，再加上双键和三键和碳原子数就可以了。对于环状有机烷烃的命名大家清楚，我学习中存在的问题就是命名桥环烯烃，桥环炔烃，和螺环烯烃，螺环炔烃还有螺环桥烯炔等，如图： 同时，我认为学有机化学还应该认识有机物的异构体。有机物的异构种类我认为分为构造异构，构象异构，几何异构，位置异构和官能团异构，而构造异构又分为镜像异构、顺反异构和旋光异构。认识构象异构我觉得必须要接触的就是Newman式投影。而Newman式投影的精髓就是顺着碳骨架省略碳原子的一种简洁投影式，如图：这就不仅能看出构象异构，还可以根据C-H之间的键键角来计算所被投影的物体的能量高低。另外，我们常说甲烷的氯代物没有同分异构题，而这就会是大家误以为甲烷的卤代物没有同分异构体。其实错了，别忘了，甲烷中的