第2章物质的化学组成与聚集状态

第二章物质的化学组成和聚集状态§

2.1物质的化学组成§

2.2固体§

2.3液体和液晶§

2.4气体和等离子体2023/2/2§

2.1物质的化学组成1．掌握配位化合物的基本概念和命名原则。2．了解团簇、非整比化合物、金属有机化合物和高分子化合物。学习要求2023/2/2[Pt

(NH3)4(NO2)Cl]CO3中心离子内界(配离子)外界K4[Pt

Cl6

]外界内界(配离子)配位体中心离子配位原子配位体1、基本概念一、配位化合物中心原子或离子（统称中心原子）和围绕它的称为配位体（简称配体）的分子或离子，完全或部分由配位键结合形成的一类复杂的化合物。2023/2/22、配位化合物的系统命名原则：服从一般无机化合物的命名原则。

（1）外界命名：

外界是简单阴离子酸根，则称“某化某”。外界是复杂阴离子酸根，则称“某酸某”。[CoC12(NH3)4]Cl氯化二氯·四氨合钴(III)

[Cu(NH3)4]SO4

硫酸四氨合铜(II)

H[PtCl3(NH3)]三氯·一氨合铂(II)酸

K[PtCl3(NH3)]三氯·一氨合铂(II)酸钾

外界为氢离子，配阴离子后用酸字结尾，它的盐类似。2023/2/2配位体名称（不同配位体名称之间以中圆点(·)分开）－合－中心离子。（2）内界命名：

内界命名法：三先三后原则先配位体后中心离子先离子配体后分子配体先无机配体后有机配体配位原子英文字母顺序同类配体2023/2/2命名举例二苯合铬(0)Cr(C6H6)2八羰基合二钴(0)Co2(CO)8硫酸二（乙二胺）合铜(Ⅱ)[Cu(en)2]SO4氯化乙酸根·二氨合铜(Ⅱ)[Cu(NH3)2(CH3COO)]Cl氯化二氯·一水·三氨合钴(Ⅲ)[Co(NH3)3(H2O)C12]Cl四碘合汞(Ⅱ)酸钾K2[HgI4]六氯合铂(Ⅱ)酸钾K4[PtCl6]乙二胺四乙酸合镁(Ⅱ)酸钠Na2[MgY]二氯·二羟基合锌(Ⅱ)酸H2[Zn(OH)2C12]2023/2/2[CaY]2–配离子3、多齿配体与螯合物

含有两个或两个以上配位原子的配位体称为多齿配体。多齿配体与中心离子形成具有环状结构的配合物称为螯合物。2023/2/2反式-二氯·二氨合铂(Ⅱ)顺式-二氯·二氨合铂(Ⅱ)例如：具有抗癌活性无活性配合物的结构与性能

配离子较稳定，能像普通离子一样在溶液中稳定存在。螯合物由于螯合效应具有很强的稳定性。具有相同化学组成的配合物往往有不同的空间结构，并表现出不同的性能。2023/2/2*二、团簇

团簇是指由几个至上千个原子、分子或其结合态粒子聚集而形成的相对稳定的介观聚集体。

团簇的结构、性能与所含原子、分子或其结合态粒子数密切相关，它的物理和化学性质不同于单个原子或分子，也不同于常规的固体和液体。团簇是许多纳米材料的基础。

碳团簇英国化学家克鲁托美国化学家史沫莱美国化学家柯尔荣获1996年诺贝尔化学奖。CsC602023/2/22023/2/2碳纳米管

碳纳米管是一种由单层或多层石墨卷成的纳米微管。外部直径只有几到几十纳米。

纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。潜在的应用前景

碳纳米管可以用于未来电子工业制造电子器件和超薄导线，使电子芯片集成度更高，体积更小。2023/2/2

不符合正常化合价规则，或将其组成约简后，其原子数目不成整数比，这类化合物称为非整比化合物。碳化物Fe3C，Mn7C3

；氮化物Fe2N，Fe4N；*三、非整比化合物

非整比化合物在材料中十分重要，可以控制或改善无机固体材料的光、电、声、磁、热、力学等性质。

非整比化合物（不定组成）与整比化合物(定组成)（水，二氧化碳等）是一对矛盾，他们代表着物质形成的两种方式，各自发挥着自己的作用。Fe1-xO，Sn1+xO2等。2023/2/2GaAs1–xPx是制造发光二极管的材料，它可以发出从红光到绿光的各种颜色的光；“黑漆”古铜镜耐磨是因为其表面形成了一层非整比化合物：Sn1-xCuxO2碳化物、氮化物在钢材中能有效地提高钢材的硬度；(Co0.90Fe0.06Ni0.02Nb0.02)78Si22–xBx

是用于录音磁头的一类合金的组成；(GdCo，GdFe)是用于计算机储存元件的一种非晶态材料；YnBa2CumO7~8：La1–nLim–3

是性能很好的高温超导体。Ti50Ni是钛镍形状记忆合金；非整比化合物举例2023/2/2

由金属原子和有机基团中碳原子键合而成，含金属–碳键（M—C）的化合物称金属有机化合物。*四、金属有机化合物

金属有机化合物是电子、光学、磁性等功能材料、超纯材料和精细陶瓷等许多工业加工中的重要物质基础。

金属镍粉与CO反应得到液态Ni(CO)4，在稍高温度下分解便得到纯镍。

如：(C2H5)2Zn、C6H5Ti(OC3H7)3、(C2H5)4Pb、RMgX（R为烷基，X为卤素）、Cr(C6H6)2、Fe(C5H5)2（二茂铁）。2023/2/2

高分子化合物，简称高分子，又称高聚物，它的相对分子质量高达几千甚至几百万。*五、高分子化合物

有机高分子中有纤维素、蛋白质、淀粉、木质素等天然高分子和有机小分子聚合而成的合成高分子。世界上第一个合成高分子是1907年诞生的酚醛树脂。2023/2/2单体

链节(重复单元)简写：聚合物聚合聚合度多分散性：高分子化合物相对分子质量大小不等的现象。相关概念：加成聚合、缩合聚合,均聚、共聚,多链节聚合度。作业：P32，习题1.2023/2/2§

2.2固体1．了解晶体、非晶体概念，掌握晶体的分类、晶格结点上粒子及其作用力、熔点、硬度、延展性、导电性的不同。2．了解非晶态高分子化合物、固体吸附剂和固体废弃物。学习要求2023/2/2图2-8晶格及晶胞(a)(b)(c)等径圆球密堆积晶格或点阵晶胞一、晶体晶体如图2-8(a)，具有较规则的几何外形。

晶体三维点阵中存在一个能够完全代表晶格特征的最小单元叫作晶胞，如图2-8(c)表示的是立方晶系的一个晶胞。2023/2/2十二面体钻石晶体钻石及其母岩单晶体：如果能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体，这种晶体又叫单晶体。如自然界存在的金刚石、人工制备的单晶硅、锗等。多晶体：一般的固体材料不能用一个空间点阵图形贯穿，它们称为多晶体。2023/2/21．离子晶体

离子晶体的晶格结点上交替排列着正、负离子，靠离子键结合。NaCl离子晶体如图2-9所示。

离子晶体一般具有较高的熔点和较大的硬度，较脆。在熔融状态或在水溶液中具有优良的导电性，但在固体状态时离子限制在晶格的一定位置上振动，所以几乎不导电。Na+Cl-图2-9NaCl离子晶体2023/2/2离子间作用力：F=k(q+q-)/(r++r-)2

离子间作用力随离子电荷的增加而增大，随离子半径的增大而减小。晶体的熔点和硬度的变化与离子间作用力的变化相同。电荷数起主要作用，在电荷数相同的情况下参考半径大小。活泼金属的含氧酸盐和氧化物、卤化物通常属于离子晶体。2023/2/2表2.5KF、NaF和CaO晶体离子间作用力及其熔点变化规律2023/2/2图2-10CO2分子晶体(干冰)2．分子晶体

分子晶体的晶格结点上排列着极性分子或非极性分子，分子间以范德华力(分子间力)或氢键相结合。

属于分子晶体的物质一般为非金属元素组成的共价化合物，如SiF4，SiCl4，SiBr4，SiI4，H2O，CO2，I2

等。

对于无氢键的相同类型分子晶体，分子间力随相对分子质量增大而增大，熔点、沸点也随之增高。由于分子间力较弱，分子晶体的硬度较小，熔点一般低于400℃，并有较大的挥发性，如碘片、萘等。电中性，一般不导电。2023/2/2C60

的溶液C60

的晶体结构2023/2/23．原子晶体

原子晶体的晶格结点上排列着中性原子，原子间由共价键结合。由非金属元素组成的共价化合物多为分子晶体，但也有少数可形成原子晶体，如常见的C(金刚石，立方型)，Si，Ge，As，SiC(俗称金刚砂)，SiO2，B4C，BN(立方型)，GaAs等。

原子晶体一般具有较高的熔点和硬度，在工程中经常作为磨料或耐火材料，延展性很小，有脆性，不易导电，可做电的绝缘体，某些（如Si、Ge、Ga、As等）可做优良的半导体材料，在一般溶剂中都不溶解。原子晶体特性2023/2/2图2-11金刚石(C)的晶体结构金刚石蓝色球和红色球都是碳原子，用红色球凸显四个位置特殊的碳原子。2023/2/24．金属晶体

金属晶体的晶格结点上排列着原子或正离子。原子或正离子通过自由电子结合，这种结合力是金属键。金属键的强弱与构成金属晶体原子的原子半径、有效核电荷、外层电子组态等因素有关。金属晶体特性

金属晶体单质多数具有较高的熔点和较大的硬度，通常所说的耐高温金属就是指熔点高于铬的熔点(1857℃)的金属。

金属晶体具有良好的导电、导热性，还有良好的延展性等机械加工性能，有金属光泽、对光不透明等特性。纯金属及其合金构成的金属材料是最重要的结构材料之一。2023/2/2图2-12金属晶体密堆积方式A1型密堆积ABCABCA3型密堆积ABABA2型密堆积ABAB体心立方六方面心立方ABAABCA2023/2/25．过渡型晶体

更多晶体的晶格结点粒子间作用发生了变异，很难划定为上述任一典型晶体，而属于过渡型晶体。

例如，金属有机化合物；FeCl3倾向于分子晶体，熔点306℃较低，FeCl2倾向于离子晶体，熔点672℃较高。6．混合键型晶体

实际晶体中还有晶格粒子间同时存在几种作用力的混合键型晶体。如层状结构的石墨（图2-13）、二硫化钼、氮化硼等属于混合键型晶体。图2-13

石墨的层状结构2023/2/2

与晶体晶格结点上微粒长程有序排列不同，非晶体中微粒呈无序排列。非晶体的熔化，经历由固态逐渐变软，最后变为流动熔体的一个过程，无确定的熔点。在不同温度区间，呈现出玻璃态、高弹态和粘流态等三种不同的物理状态。*二、非晶体非晶态——琥珀C10H16O，硬度2.52023/2/2粘流态高弹态玻璃态1．非晶态高分子化合物形变温度TgTf图2-15高分子化合物的形变与温度的关系2023/2/22．非晶态薄膜

目前使用的许多半导体器件中都有非晶态薄膜。最具代表性的是高信息密度的光存贮盘，还有廉价光电池、激光书写和复印机上的长寿命感光滚筒以及大屏幕显示的电子电路等。使用的半导体物质是Ge，Si，α—Si：H，GaAs等。3．非晶态合金

由液态金属快速凝固而成。非晶态合金可以是二元、三元或多元合金。非晶态合金在力、电、磁等性能方面优于同类晶态材料，具有高强度、高韧性、高硬度、高光洁度和抗腐蚀、抗辐射、抗冲击等特点。2023/2/24．石英光导纤维

石英光导纤维也是非晶体材料，具有优良的导光性。光导纤维利用光脉冲传输信息，具有传输信号容量大、损耗小、中继站少等优点，是发展现代通信的关键性材料。

光导纤维有石英氧化物光纤，还有氟化物光导纤维等。性能各异的光纤样品2023/2/2

固体表面层粒子受力不均匀，有剩余的吸引力，使固体表面具有吸附能力。*三、固体吸附剂活性炭

活性炭的比表面积大，有很强的物理吸附能力。活性炭在活化过程中，能在表面形成一些含氧官能团，具有化学吸附的能力和良好的催化活性，能加速表面的一些化学反应，有效地吸附并除去废水、废气中的有害物质。

分子筛是指人工合成的沸石型不溶性硅铝酸盐，因能筛选大小不同的分子而得名。分子筛2023/2/2

包括工业废弃材料、城镇渣土、矿山残渣、生活垃圾和生物质等。全世界每年产生的废弃物超过100亿吨。*四、固体废弃物固体废弃物的危害

固体废弃物若处理不当，危害极大。它占用大面积土地；重金属渗入土壤被植物吸收，再通过食物链富集进入人体内引起中毒；有机固体废弃物腐烂滋生病菌，成为疾病感染源。固体废弃物的再生化、资源化焚烧垃圾发电，高分子裂解作业：P43，习题3,4.2023/2/2§

2.3液体和液晶1．掌握水的重要物理性质，氢键的产生及对水性质的影响，pH概念及其计算，理解熔化热、气化热、摩尔热容、质量摩尔浓度等概念。2．理解溶液的蒸气压降低、凝固点下降、沸点上升和产生渗透压的原因，了解稀溶液依数性定量计算公式的适用条件和应用实例。3．了解液体燃料、表面活性物质、液晶。学习要求2023/2/2一、水的性质和应用

水分子中，氢、氧原子以共价键相结合，O–H键长为0.09572nm，∠HOH为104.52°。气相水的结构水的气态二聚体四面体形

电荷分布体系2023/2/2

水分子的结构和水分子间的氢键作用决定了水具有许多特殊性质。雪花据有关研究，每1亿片雪花中，很难找到两片外形相同的雪花2023/2/2图2-17水团簇的稳定结构

水分子间存在氢键而发生缔合，形成水的团簇结构(H2O)n，如图2-17所示。水的团簇结构氢键2023/2/2

水在4℃时密度最大。晶体水—冰具有如图2-18的稳定六方晶型结构，氧原子相距0.276nm，中心的水分子以氢键和其它4个相邻水分子相联构成四面体，三维伸展形成空间网状结构。随着温度升高，冰熔化，这种“冰山”结构塌陷，水分子排列变得更紧密，在4℃时达到极值，此时密度最大，出现所谓的“冷胀热缩”现象。图2-18冰的结构水的密度2023/2/2

水缔合程度大，活性丧失严重，因而变成了“死水”。但水分子间的氢键在加热、磁场等条件下将被破坏，从而降低了缔合度。

水是最常见的液体和工程上应用最多的溶剂。物质一般在热水中的溶解度大，热水洗涤效果好；热茶较冷水解渴等都与水的缔合度降低或被解除有关。用磁化水做溶剂，可增大矿物质的溶解度，因此常饮磁化水能降低人体“结石病”。水的缔合水的导电性

纯水几乎是不导电的。实际应用的水中常含有可溶性电解质使其导电能力增大。2023/2/2表2.7不同水样的电导率可用电导率仪测定水样的电导率，可从电导率数值确定水的纯度。表2.7列出了常见水样的电导率，其单位为西门子·米–1（S·m–1）2023/2/2升华热51kJ·mol–1mp，0℃bp，100℃熔化热小6

kJ·mol–1比热大76

J·mol–1·K–1气化热大40.6

kJ·mol–1水的热学性质(蒸发、蒸汽压、热容等等概念)冰水汽水的生态价值

冰比水轻，浮在表面：易熔、参加循环；保护物种。2023/2/2

纯水中的H＋浓度很小，在10–7mol·dm–3

左右。当水溶液中c(H+)<1.0mol·dm–3

时，其标准平衡常数（俗称离子积）用Kθw表示式中cθ

为标准浓度cθ=1.00mol·dm–3。25℃时水的Kwθ=1.00×10–14通常用H+浓度的负对数来表示，称为pH(例2.1)水的解离水会发生解离：问题1、珠穆朗玛峰，沸水：80℃

3、0.9%生理盐水，5.0%葡萄糖溶液4、钟罩实验纯水糖水放置一段时间后！2、馓盐除雪

二、溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压

初始：v蒸发＞v凝聚平衡：v蒸发＝v凝聚饱和蒸汽压：达到平衡时液体上方的蒸汽所具有的压力。纯水的蒸气压示意图1、溶剂（纯液体）的蒸气压，p0纯溶剂中加入难挥发非电解质后纯溶剂正常溶液少p↓

2、溶液的蒸气压下降—拉乌尔定律p=p0χA

p＝p0(1－xB)∴p0－p＝

p＝p0

xB∴p＝p0－p0

xB

p(kPa)T(K)溶剂溶液101.3kpaAB’Tb*△pp0p

Tb－Tbo

＝△Tb＝Kb·b(B)101.3

p(kPa)

Tbo

T

bT(K)纯水水溶液Tb仅与溶剂有关3．溶液的沸点升高△Tf=Tf0-

Tf

=KfbBT(K)AB0.61

Tf

273

A:冰～水共存

B:冰～溶液共存溶液Tf冰水p/KPa仅与溶剂有关4、溶液的凝固点下降2023/2/2图2-19水、冰和水溶液的蒸气压随温度的变化液固气溶液ΔT

fpΔT

bp101.325t

/℃

t沸100p(H2O)/kPa0.6110.01ab’a’cbt凝4、

溶液的渗透压半透膜浓度差2.

方向

溶剂由稀向浓提问：蓝墨水滴进一杯水中，有何现象？扩散的方向：糖水半透膜水（一）渗透作用通过半透膜发生表面上单方面扩散的现象1.产生条件浓向稀2023/2/2溶液的渗透压显示渗透压现象的简单装置

渗透压是为维持被半透膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的额外压力。纯水半透膜П=cB×R×T溶液2023/2/2

实验发现，难挥发非电解质稀溶液的渗透压与溶液的体积摩尔浓度及热力学温度成正比。或渗透压的定量关系1887年，荷兰物理化学家范特霍夫，提出了稀溶液的渗透压与温度和溶质浓度的关系式：荷兰化学家范特霍夫2023/2/2

渗透压具有重要的生物学意义，它是引起水在生物体中运动的重要推动力。298.15K时0.1mol·dm–3溶液的渗透压为248kPa，数值相当可观。一般植物细胞汁的渗透压可达2000kPa（相当于200m水柱），所以水份可以籍渗透作用从植物的根部运送到数十米高的顶端，以供植物白天进行光合作用的需要。人体血液平均的渗透压约为760kPa，临床上使用0.90%的生理盐水和5%葡萄糖溶液等等渗溶液，就是为了保持人体处于正常的渗透压范围，否则会导致溶血等严重后果。渗透压的生物学意义2023/2/2等渗液高渗液低渗液渗透压的生物学意义2023/2/2

如果在溶液的一侧施加一个大于渗透压的外压力，则溶剂由溶液一侧通过半透膜向纯溶剂或低浓度方向渗透，这种现象称为反渗透。它为海水淡化和环境保护中的废水处理提供了一个重要方法。反渗透海水淡化示意图纯水溶液2023/2/2

除核燃料外，一般燃料分为固体燃料、液体燃料和气体燃料三大类。固体燃料包括煤、木材、木炭和焦炭等；液体燃料主要包括石油和页岩油产品，如汽油、煤油、柴油和燃料油等；气体燃料包括天然气、煤气、沼气等。*三、液体燃料

液体燃料一般由石油经过蒸馏分离并精制得到（汽油沸点范围约为30～200℃、煤油140～280℃和柴油200～330℃）。液体燃料的组成2023/2/2*四、表面活性物质凡能显著降低水溶液表面张力的物质叫表面活性物质。表面活性剂结构结构：双亲分子Na+亲水基亲油基简化为：疏水基憎水基憎油基图2-18表面活性剂在两

相界面的排列水相空气表面活性剂的作用润湿与渗透，增溶与洗涤，乳化与破乳，发泡与消泡。2023/2/2

液晶是介于晶体与液体之间的一种介晶状态，不同于一般的固体、液体。有些物质加热溶解后，得到混浊液体，具有像晶体一样的各向异性，又具有像液体一样的流动性和连续性，再加热到一定温度以后，就变成透明的液体。这种有序的流体就是液晶。液晶常分成热致液晶和溶致液晶两大类。*五、液晶液晶是新型显示材料，在工程上应用非常广泛。比如，液晶显示器、电子体温计等。液晶的用途作业：P58，习题2.2023/2/2§

2.4气体和等离子体学习要求1．掌握理想气体状态方程及其用于实际气体的条件；了解常用气体钢瓶的规定和使用。3．掌握大气湿度概念和相对湿度的计算。4．了解全球大气变化、气溶胶、等离子体。2023/2/2理想气体状态方程表示为：一、理想气体和实际气体

理想气体在微观上具有两个特征：分子本身不占体积；分子间没有相互作用力，其系统的势能可忽略。

理想气体是一种理想的假设，在自然界不可能存在，但它是一切实际气体在极限情况下（p→0）具有的共性。温度较高、压力较低的实际气体，可以近似为理想气体。实际气体2023/2/2

在工程应用中遇到的通常是气体混合物。某一组分B的物质的量分数（yB）与混合气体总压力（p）的乘积称为该组分在混合气体中的分压力（pB=yBp），简称分压。

组分B单独存在于混合气体的温度、总压力条件下占有的体积称为该组分在混合气体中的分体积（VB）。分压与分体积2023/2/2表2.13高压气体钢瓶的颜色工业用气

高压气体钢瓶的外表颜色和字样颜色都有专门规定。2023/2/2

水蒸气在大气中的含量多少，表达了大气的干湿程度，简称湿度。单位体积空气中所含水蒸气的质量称为绝对湿度。二、大气相对湿度绝对湿度

大气中水蒸气的分压力和同温度下水的饱和蒸气压的百分比值称为相对湿度。

相对湿度

如我国故宫地下文物库房要求：温度控制在14.5℃～16.5℃，相对湿度控制在45%～55%之间；计算机合适的工作环境为：室温15℃～35℃，相对湿度为20%～80%。2023/2/2

当前，全球性大气变化，尤其是酸雨、温室效应和臭氧层空洞等现象，严重破坏了人类和动植物生存的正常环境，威胁着人类的生存质量，成为全球关注的热门环境问题。*三、全球性大气变化1、酸雨

酸雨是指pH<5.6的酸性降水，是大气污染现象之一。酸雨破坏生态系统，危害人类健康，腐蚀建筑物、工厂设备和文化古迹。我国SO2的排放量已居世界第一位，酸雨覆盖面积已达国土面积的40%。杭州灵隐寺的“摩崖石刻”嘉定名园秋霞圃2023/2/22、温室效应