化学基础教程（下册）

第一章

常见的金属单质及其化合物目录第一节金属元素第二节常见的金属单质第三节常见的金属化合物第四节重要的盐第五节重要金属离子的检验第六节重金属污染及防治第七节用途广泛的金属材料本章导读在目前已发现的一百多种元素中，金属元素占大多数，它们大多以化合物的形式存在于地壳和海洋中，只有少数很不活泼的金属（如金、银等）以单质形式存在。金属在生活中的应用极为普遍，它是现代工业中非常重要且应用最多的一类物质。本章学习目标了解金属元素的基本性质。掌握典型金属单质的物理及化学性质。掌握几种常见金属化合物的性质。了解几种典型金属盐类的性质。掌握几种重要金属离子的检验方法。了解重金属污染的危害与防治措施。认识几种用途广泛的金属材料的特征。金属元素01一、金属元素的原子结构特征和化合价的变化规律绝大多数金属元素原子的最外层电子数均小于4，电子与原子核的联系比较松散，所以这些金属原子容易失去电子，以阳离子的形态存在于化合物中。它们的化合物和氢氧化物一般呈碱性。金属元素的化合价一般为正价，且与该元素的最外层电子数相等。例如，钠的化合价为+1价，镁的化合价为+2价。二、金属的物理性质和化学性质（一）金属的物理性质纯金属在常温下一般都是固体（汞除外），具有金属光泽，大多呈银白色或灰色（铜、金等少数金属除外），具有良好的导电性、导热性和延展性，密度较大，熔点较高。（二）金属的化学性质金属在化学反应中，易失去最外层的电子而被氧化，变成阳离子。因此，金属具有还原性，且活泼性越强的金属还原性越强：二、金属的物理性质和化学性质（1）活泼的金属能与强酸（盐酸或稀硫酸）反应，生成氢气。例如，锌能与盐酸反应生成氢气，反应的化学方程式为（2）活泼性较强的金属能从盐溶液中置换出活泼性较弱的金属。（3）大多数金属能与氧、硫、卤素等非金属单质反应。例如，铜能与硫反应生成硫化铜，反应的化学方程式为常见的金属单质02一、钠钠元素的符号为Na，其常以化合物的形式存在于自然界中。（一）钠的物理性质钠是一种银白色的金属，熔点为97.81℃，沸点为882.9℃，其密度（0.97g/cm3）比水小，但比煤油大，一般储存在煤油中，如图1-1所示。钠具有良好的导电性、导热性，还非常柔软，可以用小刀切割。图1-1储存在煤油中的钠一、钠（二）钠的化学性质钠原子的最外电子层上只有一个电子，其在化学反应中易失去最外层电子，所以钠的化学性质非常活泼。1．与氧气反应在常温下，钠与氧气反应生成白色固体氧化钠（）；在受热的情况下，钠与氧气会发生剧烈反应，发出黄色火焰，并生成淡黄色固体过氧化钠（）。这两个反应的化学方程式分别为一、钠2．与水反应通过实验现象可以知道：钠的密度比水小，所以浮在水面上；钠的化学性质非常活泼，能与水发生剧烈反应，并放出热量，放出的热量使钠熔成小球；钠与水的反应有气体生成，气体不断从水中冒出，所以水中发出嘶嘶的响声；生成的气体会推着小球在水面上四处游动；反应后得到的溶液呈碱性，可以使酚酞变红，所以溶液呈红色。钠与水反应的化学方程式为：铝元素的符号为Al，其是自然界中分布最广的金属元素，在地壳中的含量接近8%，仅次于氧和硅。铝通常以化合物的形式存在。（一）铝的物理性质铝是银白色的金属（见图1-2），密度为2.7g/cm3，熔点为660.4℃，沸点为2467℃。铝具有良好的导电性、导热性，且比较软，具有良好的延展性，可抽成细丝，也可压成薄片。二、铝图1-2铝（二）铝的化学性质1．与氧气反应常温下，铝能够与空气中的氧气反应，表面生成一层致密而坚固的氧化物薄膜，从而失去光泽，这层氧化物薄膜能阻止铝继续与氧气反应。在点燃的条件下，铝能够与氧气发生剧烈反应，生成氧化铝（Al2O3），放出大量的热，并发出耀眼的白光，反应的化学方程式为:二、铝2．与酸反应铝可以与稀盐酸、稀硫酸等反应，生成铝盐，并放出氢气，其实质是铝与酸溶液中的氢离子反应，反应的离子方程式为:3．与碱反应铝可以与碱反应，生成偏铝酸盐和氢气。例如，铝和氢氧化钠溶液反应，生成偏铝酸钠（）和氢气，反应的化学方程式为:二、铝4．与金属氧化物反应铝与某些金属氧化物混合后，经高温引燃，可将金属氧化物还原为金属单质，该反应会放出大量的热，产生3273K以上的高温将金属熔化，使其与其他氧化物分离，这种反应称为铝热反应。铝与金属氧化物的混合物称为铝热剂。例如，铝和氧化铁的反应就为铝热反应，反应的化学方程式为二、铝铁元素的符号为Fe，其在地壳中含量较丰富，仅次于氧、硅、铝，居第四位，是一种历史悠久、应用广泛、用量很大的金属。（一）铁的物理性质铁是一种光亮的银白色金属，密度为7.86g/cm3，熔点为1535℃，沸点为2750℃，具有良好的延展性、导热性和导电性。（二）铁的化学性质铁的化学性质比较活泼，容易失去2个或3个电子，变为亚铁离子（）和铁离子（）。三、铁1．与非金属单质反应常温下，铁在干燥的空气里与氧气、硫、氯气等典型的非金属单质不起显著的反应，因此工业上可用钢瓶（主要成分是铁）储存干燥的氧气和氯气。但在一定条件下，铁能与氧气、硫、氯气等非金属单质反应，反应的化学方程式分别为2．与水反应在高温条件下，铁能与水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气，反应的化学方程式为三、铁3．与盐反应铁能与比它活泼性弱的金属盐反应，置换出这种金属。例如，把铁放入或溶液中时，铁被氧化成亚铁离子进入溶液，铜离子被还原成铜单质从溶液中析出，反应的离子方程式为铁还可以与铁盐反应，将铁离子还原成亚铁离子，反应的离子方程式为三、铁4．与酸反应铁可与盐酸或稀硫酸（非氧化性酸）反应，生成亚铁盐和氢气，反应的化学方程式分别为:铁可与稀硝酸（氧化性酸）反应，生成铁盐和一氧化氮，反应的化学方程式为:三、铁镁元素的符号为Mg，它是银白色的轻质金属，密度为1.74g/cm3，熔点为650℃，沸点为1090℃。镁的化学性质很活泼，具有很强的还原性。在空气中，镁的表层会生成一层很薄的氧化膜而失去光泽，使空气很难与它反应。现象：镁在空气中燃烧，发出耀眼的白光，并放出大量的热，生成白色的固体。上述反应生成的白色固体其实是氧化镁（），反应的化学方程式为四、镁镁能与稀酸反应，生成氢气，反应的化学方程式为镁能与盐溶液反应，置换出较不活泼的金属单质，反应的化学方程式为四、镁钙元素的符号为Ca，其在常温下是银白色的固体，密度为1.55g/cm³，熔点为842℃，沸点为1484℃。钙的化学性质很活泼，在自然界中多以离子或化合物的形式存在。钙比镁更活泼，它暴露在空气中，表面会立刻氧化生成氧化钙，反应的化学方程式为但这层氧化物对内部的金属不能起到保护作用，因此钙一般储存在煤油中。钙在常温下能与水发生反应，生成氢氧化钙[]和氢气，反应的化学方程式为五、钙钙在加热时能与大多数非金属单质反应，生成相应的化合物。例如，钙与硫反应生成硫化钙（CaS），与氯气反应生成氯化钙（），反应的化学方程式分别为钙也能与稀酸反应，生成氢气，反应的化学方程式为五、钙铜元素的符号为Cu，它是紫红色的柔软金属，表面刚切开时为红橙色，带金属光泽。铜的化学性质不太活泼，常温下在干燥的空气中很稳定，但在潮湿的空气中，表面会生成一层绿色的碱式碳酸铜[]，俗称铜绿，反应的化学方程式为铜在空气中加热时，会与氧气反应生成黑色的氧化铜（），反应的化学方程式为六、铜铜也能与其他非金属单质（如硫、卤素等）反应，生成相应的金属化合物。铜不能与盐酸、稀硫酸反应，但能与浓硫酸、硝酸等氧化性酸反应，反应的化学方程式分别为：六、铜锌元素的符号为Zn，它是一种青白色的金属，在自然界中多以硫化物的形式存在。锌的金属活泼性中等。锌在潮湿的空气中，表面会生成一层碱式碳酸锌[]，反应的化学方程式为这层碱式碳酸锌薄膜比较紧密，能够防止内部的锌被氧化。利用锌的这一性质，可以制作镀锌铁皮（白铁皮）。七、锌锌与铝一样，也是两性单质，它既能与酸反应，又能与碱反应。锌与盐酸反应，会置换出氢气，反应的化学方程式为锌与氢氧化钠反应，生成锌酸盐和氢气，反应的化学方程式为七、锌常见的金属化合物03一、钠的氧化物和氢氧化物（一）钠的氧化物钠的氧化物有氧化钠（）、过氧化钠（）等。过氧化钠是淡黄色的固体，可与水反应，反应的化学方程式为过氧化钠也可与二氧化碳反应，反应的化学方程式为因为过氧化钠能与人们呼出的二氧化碳反应生成氧气，其作为供氧剂用在航空、航天器等的呼吸面具中。另外，过氧化钠可以用来漂白织物、麦秆、羽毛等。一、钠的氧化物和氢氧化物（二）钠的氢氧化物钠的氢氧化物为氢氧化钠（NaOH）。氢氧化钠俗称烧碱、火碱、苛性钠，为白色固体，易溶于水，溶解时会放出大量的热，其在空气中易吸收水蒸气而潮解。氢氧化钠的水溶液呈强碱性，能使无色酚酞变红，它可以与酸、盐、非金属单质、非金属氧化物、金属单质等反应。（1）与酸反应。例如，氢氧化钠可与硫酸反应，反应的化学方程式为一、钠的氧化物和氢氧化物（2）与盐反应。例如，氢氧化钠可与硫酸铜、氯化亚铁、氯化铁等溶液反应，反应的化学方程式分别为（3）与非金属单质反应。例如，氢氧化钠可与硅反应生成硅酸钠（），反应的化学方程式为一、钠的氧化物和氢氧化物（4）与非金属氧化物反应。例如，氢氧化钠可与二氧化碳、二氧化硅（SiO2）反应，反应的化学方程式分别为SiO2为玻璃的主要成分的水溶液俗称水玻璃，能将玻璃黏合在一起。实验室存放NaOH溶液的试剂瓶一般不用磨口玻璃塞，而用橡胶塞或软木塞，就是以防NaOH溶液与玻璃塞的成分反应，生成黏合剂，使得试剂瓶与瓶塞黏合在一起。一、钠的氧化物和氢氧化物（5）与金属单质反应。例如，前面已经介绍过的氢氧化钠与铝的反应。氢氧化钠是重要的化工原料之一，广泛用于造纸、肥皂、纺织等生产中。工业上通常使用电解食盐水的方法生产氢氧化钠，反应的化学方程式为二、铝的氧化物和氢氧化物（一）铝的氧化物铝的氧化物为氧化铝（）。氧化铝是一种难溶于水且熔点极高（熔点为2050℃）的白色物质，它是冶炼金属铝的原料，也是一种比较好的耐火材料，可以用来制造耐火坩埚、耐火管、耐高温的实验仪器等。氧化铝能与酸、碱反应，生成盐和水。例如，氧化铝可与盐酸或氢氧化钠溶液反应，反应的化学方程式分别为在上述两个反应中，分别表现出了碱性氧化物和酸性氧化物的性质，所以是两性氧化物。二、铝的氧化物和氢氧化物（二）铝的氢氧化物铝的氢氧化物为氢氧化铝[]。氢氧化铝是一种难溶于水的白色胶状物质，它能凝聚水中的悬浮物，起到净化水的作用，还有吸附色素的性能。氢氧化铝是两性氢氧化物，它既能与酸反应，又能与碱反应。例如，氢氧化铝可与盐酸或氢氧化钠反应，反应的化学方程式分别为二、铝的氧化物和氢氧化物受热会分解，反应的化学方程式为

实验室常用铝的盐溶液与氨水的反应来制取氢氧化铝，例如，在硫酸铝溶液中滴加氨水，便可制得氢氧化铝，反应的化学方程式为三、铁的氧化物和氢氧化物（一）铁的氧化物铁的氧化物主要有氧化亚铁（FeO）、氧化铁（）、四氧化三铁（）。（1）氧化亚铁是一种黑色粉末，不稳定，在空气里受热可迅速被氧化成四氧化三铁。（2）氧化铁是一种红棕色粉末，俗称铁红，可用作油漆的颜料。（3）四氧化三铁是具有磁性的黑色晶体，俗称磁性氧化铁，是磁铁矿的主要成分，可以由铁在纯氧气中燃烧得到，其耐高温、耐腐蚀，通常用作枪炮内镗的涂层。三、铁的氧化物和氢氧化物铁的氧化物都不溶于水，也不与水反应，但都能与酸反应，反应的离子方程式分别为（二）铁的氢氧化物铁有两种氢氧化物，分别是氢氧化亚铁[]和氢氧化铁[]。1．氢氧化亚铁氢氧化亚铁是白色的、难溶于水的固体，能与酸反应。三、铁的氧化物和氢氧化物当氢氧化亚铁与非氧化性酸（如盐酸、稀硫酸）反应时，亚铁离子的化合价不变，反应的离子方程式为

当氢氧化亚铁与氧化性酸（如硝酸）反应时，亚铁离子被氧化成铁离子，反应的化学方程式为氢氧化亚铁在空气中长时间放置易被氧化，反应的化学方程式为三、铁的氧化物和氢氧化物2．氢氧化铁氢氧化铁为红褐色的、难溶于水的固体，其也能与酸反应，反应的离子方程式为

氢氧化铁不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为四、钙的氧化物和氢氧化物（一）钙的氧化物钙的氧化物为氧化钙（），俗称生石灰，是一种白色物质，具有吸湿性，很容易与水反应生成氢氧化钙，放出大量的热，反应的化学方程式为

因此，氧化钙可用作干燥剂。（二）钙的氢氧化物钙的氢氧化物为氢氧化钙[]，俗称熟石灰。氢氧化钙微溶于水，且溶解度随温度的升高而下降。四、钙的氧化物和氢氧化物将氢氧化钙放入水中静置后溶液会分层，上层的澄清溶液称为石灰水，下层的悬浊液称为石灰乳。石灰水能吸收，生成碳酸钙（）沉淀，反应的化学方程式为

因此，澄清的石灰水可用来检验气体。氢氧化钙的水溶液呈强碱性，可使紫色石蕊试液变蓝，无色酚酞试液变红。五、铜的氧化物和氢氧化物（一）铜的氧化物铜的氧化物主要是氧化铜（CuO）和氧化亚铜（）。氧化铜对热比较稳定，但加热到1237K时，会分解成红色的氧化亚铜，并放出氧气，反应的化学方程式为而氧化亚铜在潮湿的空气中，会逐渐氧化成氧化铜。（二）铜的氢氧化物铜的氢氧化物为氢氧化铜[]，难溶于水，它是一种蓝色的絮状沉淀，受热会分解为氧化铜和水，反应的化学方程式为重要的盐04一、钠的盐类钠的盐类有很多，下面主要介绍碳酸钠（）和碳酸氢钠（）的一些性质。碳酸钠：俗称苏打或纯碱，为白色粉末，易溶于水，具有盐的通性。碳酸氢钠：俗称小苏打，是一种细小的白色晶体，可溶于水。（一）溶液呈碱性比更易溶于水，它们的水溶液都因水解而呈碱性，且溶液的碱性大于溶液的碱性。（二）与酸反应和都能与酸反应，与酸的反应要比与酸的反应剧烈。一、钠的盐类例如，可与盐酸反应，反应的化学方程式为也可与盐酸反应，反应的化学方程式为（三）与碱反应一般不与碱反应，可与碱反应，但如果生成物中有沉淀生成，说明会与碱反应。一、钠的盐类例如，不能与NaOH溶液反应，但可与NaOH溶液反应，反应的化学方程式为

和都能与溶液反应，生成沉淀。与溶液反应的化学方程式为

与溶液反应的化学方程式为一、钠的盐类（四）受热分解不稳定，受热易分解，反应的化学方程式为

人们一般利用以上反应来区别和。碳酸钠广泛用于玻璃、搪瓷的制造和钢、铝等金属的冶炼，也用于制革、纺织和造纸等方面。碳酸氢钠的用途也非常广泛，常被用作食品的发酵剂、汽水和冷饮中二氧化碳的发生剂及黄油的保存剂等；也可直接作为制药工业的原料，用于治疗胃酸过多；还可用于电影制片、鞣革、选矿、冶炼、金属热处理、纤维及橡胶工业等方面。二、铁的盐类铁的盐类有铁盐（即三价铁盐）和亚铁盐（即二价铁盐）两种，常见的有氯化铁和硫酸亚铁。（一）氯化铁氯化铁（）是黑棕色晶体，易溶于水，有强烈的吸水性，能吸收空气里的水分而潮解。在水溶液中易水解生成沉淀，水解方程式为Fe3++3H2O⇌Fe(OH)3↓+3H+可与碱反应。例如，与NaOH溶液反应的化学方程式为

二、铁的盐类具有氧化性，遇Fe等还原剂时，能被还原成，遇等氧化剂时，能被氧化成，反应的化学方程式分别为（二）硫酸亚铁硫酸亚铁（）为白色粉末，它一般会含7个结晶水形成淡绿色晶体，化学式为，称为七水硫酸亚铁，又称为绿矾。绿矾易溶于水，在潮湿的空气中会逐渐被氧化变成黄棕色。二、铁的盐类在水溶液中易水解生成沉淀，水解方程式为

Fe2++2H2O==Fe(OH)2↓+2H+

可与碱反应。例如，可与NaOH溶液反应，反应的化学方程式为

具有还原性，遇等氧化剂会被氧化，反应的化学方程式为四、铵的盐类铵盐是指由氨与酸反应生成的盐类，它们一般为无色晶体，易溶于水。常见的铵盐有氯化铵（）、硫酸铵[]、硝酸铵（）等。铵盐一般受热易分解，例如，氯化铵受热会分解为氨气和氯化氢气体，反应的化学方程式为铵盐都能与碱反应，生成氨气，实验室就是利用这一反应来制取氨气，反应的离子方程式为重要金属离子的检验05一、钠离子的检验我们观察钠在空气中燃烧的现象时，会发现火焰呈现黄色。我们在炒菜时，如果不慎将食盐或食盐水溅到火焰上，也会发现火焰呈现黄色。很多金属或它们的化合物在灼烧时都会呈现出特殊颜色的火焰，这在化学上称为焰色反应。我们可以利用焰色反应来检验钠离子，具体方法如图1-3所示，把装在玻璃棒上的铂丝（也可用光洁无锈的铁丝或镍、铬、钨丝）放在酒精灯火焰里灼烧，直到与原来的火焰颜色相同为止，然后用铂丝蘸取待检溶液，放在火焰上灼烧，观察火焰的颜色，如果为黄色，则说明溶液中存在钠离子。图1-3灼烧铂丝一、钠离子的检验钠的焰色反应完毕后，应用稀盐酸洗净铂丝。我们也可以利用焰色反应检验其他金属或金属离子。表1-1列出了常见金属或金属离子进行焰色反应时火焰呈现的颜色。表1-1常见金属或金属离子进行焰色反应时火焰呈现的颜色金属或金属离子锂或

锂离子钙或

钙离子铜或

铜离子铷或

铷离子锶或

锶离子钡或

钡离子火焰呈现的颜色紫红色砖红色绿色紫色洋红色黄绿色二、铁离子和亚铁离子的检验（一）利用硫氰化钾（KSCN）溶液检验铁离子（）遇到KSCN溶液时，溶液会变成血红色，亚铁离子（）遇到KSCN溶液时，溶液不变色，这是因为与KSCN反应生成了血红色的物质，而与KSCN不反应。与KSCN反应的离子方程式为

Fe3++3SCN-=Fe（SCN）3（血红色）我们可以利用以上反应的现象来检验和，具体方法：在待检溶液中滴加KSCN溶液，若溶液变成血红色，则说明存在；若无明显现象，则滴加新制的氯水（氯水可将氧化为），若溶液变成血红色，则说明存在。二、铁离子和亚铁离子的检验（二）利用氢氧化钠（NaOH）溶液检验与NaOH溶液反应产生红褐色沉淀，与NaOH溶液反应则产生白色沉淀。我们可以利用这一反应现象来检验和，具体方法：在待检溶液中滴加NaOH溶液，若出现红褐色沉淀，则说明存在；若出现白色絮状沉淀，且该沉淀迅速变为灰绿色，最后变为红褐色，则说明存在。重金属污染及防治06一、重金属的危害重金属是指密度大于4.5g/cm³的金属，一般包括铅、汞、镉、铬、钒、锡、镍、铜、锌、银等。重金属污染是指由这些重金属或其化合物造成的环境污染，主要由采矿、废气排放、污水灌溉等人为因素所致。重金属不能被生物降解，但具有生物积累性，会对大气、水体和土壤造成难以消除的污染，进而对人体健康造成损害。进入大气、水体和土壤中的重金属，可通过呼吸道、消化道、皮肤等途径被人体吸收。进入人体的重金属不再以离子形式存在，而是与人体内的蛋白质、核糖、维生素、激素等结合成金属络合物或金属螯合物，使这些物质丧失或改变原有的生理化学功能，从而对人体产生危害。当这些重金属在体内积累到一定程度时，就会直接影响人体的生长发育、生理机能，甚至造成死亡。一、重金属的危害以下就是一些常见重金属的危害。铅被人体吸收后会产生慢性中毒。铅能直接伤害人的脑细胞，特别是胎儿的神经系统；铅中毒会对造血系统产生影响，导致贫血。此外，铅还会对人体的消化系统、生殖系统、免疫系统等产生不良影响，引起疾病。积累在体内的汞会侵入神经中枢系统，破坏脑血管，具体表现为四肢麻木、语言失常、视野缩小、听觉失灵等。这些就是水俣病的典型特征（首先发生在日本水俣，由于工业废水排放导致）。一、重金属的危害镉中毒能导致高血压，引起心脑血管疾病；破坏肝肾，并能引起肾功能衰竭；破坏骨骼中的部分钙，引起骨骼疏松软化，严重的会引起自然骨折。另外，镉还被发现有致癌和致畸的作用。铬是一种常见的致癌物质。它对皮肤有刺激和致敏作用，使皮肤出现红斑、水肿、水疤、溃疡；对呼吸道有明显损害，可引起鼻中隔穿孔、鼻黏膜溃疡、咽炎、肺炎等；破坏消化系统，引起胃痛、胃炎、胃肠道溃疡等。钒中毒会刺激呼吸、消化及神经系统，也会损害皮肤、心脏和肾脏，还会抑制一些酶的活性，使皮肤出现炎症并引起过敏性疾病。二、重金属污染的防治对于重金属污染的防治，必须贯彻“以防为主，防治结合”的环保方针，提高环境保护意识，严格遵循环境保护的法律、法规，加强企业管理，做好监督、管理机制，使措施落到实处。（1）强化源头防控，优化行业布局。严格控制重金属污染物的排放标准，全面提升污染物治理和清洁水平；根据区域环境重金属承载能力和环境的风险防范要求，合理确定区域涉重产业的空间布局。二、重金属污染的防治（2）深化综合治理，推动绿色转型。深化重点行业污染物的综合整治，加强污染物治理设施的升级和改造；全面淘汰落后的生产工艺，严格执行能耗、环保、质量、安全、技术等综合标准，全面提升清洁生产水平。（3）强化风险管控，保障环境安全。推动涉重金属排放企业的环境风险申报，全面掌握企业环境风险现状，定期对环境风险隐患进行巡查、监督，健全环境应急体系和环境风险防范措施，强化重金属污染物的安全处理与处置。用途广泛的金属材料07一、铝合金铝合金是指以铝为基添加一定量其他元素（如Cu、Mg、Si、Mn、Zn等）形成的材料。铝合金具有很多良好的性质，如强度高、质量轻、导热性和导电性好等，在船舶、化工、航空航天、金属包装、交通运输等领域广泛使用，是目前用途最广泛的合金之一。铝合金按其成分和加工方法分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金是先将合金配料熔铸成坯锭，再通过轧制、挤压、拉伸、锻造等方法，将其制成各种塑性加工制品。变形铝合金根据其用途又可分为防腐铝合金、超硬铝、特殊铝、硬铝、锻铝5类。一、铝合金以硬铝为例，它含有4%的Cu、0.5%的Mg、0.5%的Mn、0.7%的Si，具有密度小、强度高、抗腐蚀能力强等优点，是制造飞机和宇宙飞船（见图1-4）的理想材料。铸造铝合金是将配料熔炼后，用砂模、铁模、熔模和压铸法等直接铸成各种零部件的毛坯。图1-4含有铝合金材料的飞机和宇宙飞船二、铜合金铜合金是以纯铜为基加入一种或几种其他元素所构成的合金。常用的铜合金分为黄铜、白铜、青铜3大类。黄铜是以锌为主要添加元素的合金。只是由铜、锌组成的黄铜称为普通黄铜，而在普通黄铜中添加铅、锡、锰、镍、铁、硅等元素构成的铜合金称为特殊黄铜。特殊黄铜的强度、硬度、耐腐蚀性都高于普通黄铜。黄铜常被用于制造阀门、水管、空调内外机连接管和散热器等。白铜是以镍为主要添加元素的铜合金。铜-镍二元合金称为普通白铜，加有锰﹑铁﹑锌﹑铝等元素的白铜称为复杂白铜。二、铜合金白铜较其他铜合金的机械性能、物理性能好，且延展性好、硬度高、色泽美观、耐腐蚀、富有深冲性能，被广泛使用于造船、石油化工、电器、仪表、医疗器械、日用品、工艺品等领域，它还是重要的电阻及热电偶合金。青铜是我国使用的最早的合金。它原指铜锡合金，后除黄铜、白铜以外的铜合金均称青铜，并常在青铜前冠以第一主要添加元素的名称，如锡青铜、铅青铜、铝青铜等。其中，锡青铜的铸造性能﹑减摩性能和机械性能好，适合于制造轴承、蜗轮、齿轮等；铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料；铝青铜强度高，耐磨性和耐腐蚀性好，常用于铸造高载荷的齿轮、轴套、船用螺旋桨等。三、铁合金铁合金是铁与一种或几种其他元素组成的合金。铁合金是炼钢和机械铸造业的主要原料之一，在炼钢和铸造时用作脱氧剂、脱硫剂和合金添加剂等。铁合金的品种很多，一般分类方法如下。（1）按铁合金中主元素分类，主要有硅铁、锰铁、铬铁、钨铁、钼铁、钒铁等。（2）按铁合金中含碳量分类，有高碳、中碳、低碳、微碳、超微碳等多个品种。（3）按铁合金的生产方法分类，有高炉铁合金、电炉铁合金、炉外法（金属热法）铁合金、真空固态还原铁合金、电解法铁合金等。

第二章

自然界中最简单的有机化合物——烃目录第一节有机化合物的特点与分类第二节甲烷与烷烃第三节乙烯与烯烃第四节乙炔与炔烃第五节苯与芳香烃第六节石油和煤本章导读有机化合物简称有机物，通常指含有碳元素的化合物（如蔗糖、蛋白质等），但不包括一些简单的含碳化合物（如一氧化碳、二氧化碳、碳酸钠等）。除含有碳元素外，绝大多数有机化合物含有氢元素，有些还含有氧、氮、硫、磷等元素。本章将介绍只含有碳、氢元素的有机化合物的相关知识，以及它们的应用。本章学习目标了解有机化合物的特点与分类。掌握烃类物质的相关性质。了解烃类物质的用途。有机化合物的特点与分类01一、有机化合物的特点（一）性质特点有机化合物的性质特点主要体现在以下几点：（1）有机化合物一般难溶于水，易溶于有机溶剂，如汽油、酒精、苯等。（2）绝大多数有机化合物受热容易分解、燃烧。（3）有机化合物发生的化学反应一般比较缓慢，并常伴有副反应发生。（4）绝大多数有机化合物是非电解质，不易导电。（5）有机化合物的熔点、沸点一般较低。一、有机化合物的特点（二）结构特点除上述性质特点外，有机化合物在结构上也有自己的特点。有机化合物的最基本元素是碳，碳原子的最外电子层有4个电子，它能与其他原子形成4个共价键。例如，甲烷（CH4）的碳原子会与4个氢原子形成4个碳氢共价键，其电子式为甲烷的结构可表示为这种用短线来表示一对共用电子对的图式称为结构式，将结构式中的碳氢键省略所得到的更为简洁的形式称为结构简式。为了书写方便，一般会使用结构简式。一、有机化合物的特点在有机化合物中，每个碳原子不仅能与其他原子形成4个共价键，而且碳原子与碳原子之间也能相互形成共价键，它们既可以形成单键，又可以形成双键或三键。多个碳原子可以相互结合形成长长的碳链，也可以形成碳环，如图2-1所示。图2-1碳链和碳环一、有机化合物的特点结构式可以表示有机化合物分子中各原子的成键情况，但不能说明各原子在分子里的空间分布情况。科学实验证明，有机化合物的分子具有空间结构。例如，甲烷分子里的碳原子与4个氢原子并不在一个平面内，整个分子呈正四面体形结构，碳原子位于四面体的中心，4个氢原子分别位于四面体的四个顶点上，如图2-2所示。如图2-3所示为甲烷的结构模型。图2-2甲烷的空间结构

（a）球棍模型（b）比例模型图2-3甲烷的结构模型二、有机化合物的分类（一）按碳原子组成的分子骨架分类根据碳原子组成的分子骨架不同，有机化合物可分为链状化合物和环状化合物。其中，环状化合物又可分为脂环化合物和芳香化合物，如图2-4所示。图2-4按碳原子组成的分子骨架分类二、有机化合物的分类（二）按官能团分类烃分子里的氢原子可以被其他原子或原子团取代，衍生出一系列新的化合物。例如，CH4中的一个氢原子被氯原子取代可得到CH3Cl，被氢氧形成的原子团——羟基（）取代可得到CH3OH。CH3Cl、CH3OH会有一些特殊的性质，这取决于和。我们把决定化合物特殊性质的原子或原子团称为官能团。表2-1中为一些常见类别有机化合物的官能团、典型代表物的名称和结构式。二、有机化合物的分类表2-1一些常见类别有机化合物的官能团、典型代表物的名称和结构式类别官能团典型代表物的名称和结构简式烷烃

甲烷：CH4烯烃（双键）

乙烯：炔烃（三键）

乙炔：芳香烃

苯：卤代烃（X表示卤素原子）

溴乙烷：CH3CH2Br醇（羟基）

乙醇：CH3CH2OH酚（羟基）

苯酚：醛（醛基）

乙醛：羧酸（羧基）

乙酸：酯（酯基）

乙酸乙酯：甲烷与烷烃02一、甲烷甲烷的分子式为CH4，其在自然界分布很广，是天然气、沼气、油田气及煤矿坑道气的主要成分，俗称瓦斯。（一）甲烷的物理性质甲烷是无色、无味的气体，比空气的密度小，极难溶于水，易溶于乙醇、乙醚。（二）甲烷的化学性质在通常情况下，甲烷是比较稳定的，一般不跟强酸、强碱或强氧化剂等发生反应，但在特定条件下，它能与某些物质发生反应。一、甲烷1．氧化反应甲烷是一种很好的燃料，它可以在空气中安静地燃烧，发出淡蓝色的火焰，同时放出大量的热，生成二氧化碳和水，反应的化学方程式为2．取代反应在光照的条件下，甲烷与氯气可以发生反应，生成一氯甲烷（）和氯化氢（HCl），反应的化学方程式为

一、甲烷上述反应的生成物会继续与氯气进行反应，依次生成二氯甲烷（）、三氯甲烷（）和四氯甲烷（），反应的化学方程式分别为以上反应中，甲烷分子中的4个氢原子逐步被氯原子所替代而生成4种不同的取代产物。像这样有机化合物分子里的某些原子或原子团被其他原子或原子团所替代的反应称为取代反应。在有机化合物中，有一系列烃与甲烷结构很相似，如乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）等。在这些烃的分子里，碳原子之间都以碳碳单键结合成链状，碳原子剩余的价键全部跟氢原子相结合，这样的结合使得每个碳原子的化合价都得到了充分利用，达到“饱和”状态，这样的烃称为烷烃，又称饱和烃。烷烃的分子通式为CnH2n+2，相邻两种烷烃在分子组成上，相差一个“CH2”原子团。二、烷烃烷烃的物理性质随着其分子中碳原子数目的递增，发生着规律性的变化。如表2-2所示为部分烷烃的物理性质，从表中可以看出，随着碳原子数目的递增，它们的状态由气态变到液态又变到固态；它们的熔点、沸点基本呈现升高的趋势。二、烷烃名称结构简式常温时的状态熔点/℃沸点/℃甲烷CH4气182.5161.5乙烷CH3CH3气183.388.6丙烷CH3CH2CH3气187.642.09丁烷CH3(CH2)2CH3气138.40.5表2-2部分烷烃的物理性质二、烷烃戊烷CH3(CH2)3CH3液129.836.1庚烷CH3(CH2)5CH3液90.6198.42辛烷CH3(CH2)6CH3液56.79125.6癸烷CH3(CH2)8CH3液29.7174.1十七烷CH3(CH2)15CH3固22292二十四烷CH3(CH2)22CH3固49.5391烷烃的化学性质比较相似，在通常情况下，它们都很稳定，跟酸、碱和氧化剂都不发生反应；在点燃或光照条件下，都能跟氧气或氯气发生反应。（一）同系物像烷烃这种结构相似，在分子组成上相差一个或若干个CH2原子团的物质互称为同系物。例如，甲烷、乙烷、丙烷等互称为同系物。（二）同分异构体在研究烷烃的分子组成和物理性质时，人们发现很多烷烃的分子组成相同，但物理性质却有差异。例如，丁烷（C4H10）就包括分子组成相同，但物理性质却有差异的两种物质：正丁烷和异丁烷，如表2-3所示。二、烷烃物理性质正丁烷异丁烷熔点/℃138.4159.4沸点/℃0.511.73表2-3正丁烷和异丁烷物理性质的比较科学实验证明，正丁烷和异丁烷组成相同、物理性质不同的原因是这两种物质存在不同的分子结构：正丁烷的碳原子相互结合形成直链；异丁烷的碳原子带有支链，它们的结构式分别为像这种化合物具有相同分子式，但具有不同结构的现象，称为同分异构现象；具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体。在有机物中，随着碳原子数目的增加，同分异构体的数目也在增加。例如，丁烷有2种同分异构体，戊烷（C5H12）有3种同分异构体，己烷（C6H14）有5种同分异构体。二、烷烃（三）烃基烃失去1个氢原子后剩余的原子团称为烃基。烷烃失去1个氢原子后剩余的原子团称为烷基。例如，甲烷失去1个氢原子后剩余的原子团“”称为甲基，乙烷失去1个氢原子后剩余的原子团“”称为乙基。（四）烷烃的系统命名烷烃可以根据分子里所含碳原子的数目来命名。碳原子数在十以内的烷烃用甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸来命名。例如，CH4称为甲烷，C5H12称为戊烷。碳原子数在十以上的烷烃用数字来命名，例如，C17H36称为十七烷。对于同分异构体，用正、异、新等来区分，例如，戊烷的三种同分异构体分别称为正戊烷、异戊烷、新戊烷。以上这种命名方法称为习惯命名法。二、烷烃由于烷烃分子中碳原子数目越多，结构越复杂，同分异构体的数目会越多，习惯命名法在实际应用上会有很大的局限性，因此有机化学中广泛采用系统命名法。烷烃的系统命名主要包括以下几步。（1）选定分子里含碳原子数最多的一条碳链作为主链，并根据主链上碳原子的数目称为“某烷”。例如，主链上有4个碳原子，则称为丁烷；主链上有12个碳原子，则称为十二烷。（2）把主链上离支链最近的一端作为起点，用1、2、3等数字给主链的各碳原子依次编号定位，以确定支链所在的位置。二、烷烃例如，（3）把支链当成取代烃基，将取代烃基名称写在主链名称的前面，在取代烃基名称的前面用阿拉伯数字注明它在主链上的位置，并在数字和名称之间用“-”连接。例如，上述烷烃的系统命名为2-甲基丁烷。（4）如果主链上有相同的取代烃基，则将其合并起来用大写的二、三、四等数字表示取代烃基的数目，两个表示取代烃基位置的阿拉伯数字之间用“，”隔开。二、烷烃例如，

（5）如果主链上有几个不同的取代烃基，则把简单的写在前面，复杂的写在后面。例如，二、烷烃2-甲基-4-乙基己烷2，2-二甲基戊烷乙烯与烯烃03一、乙烯乙烯的分子式为C2H4，其分子里含有碳碳双键（），结构式为

结构简式为，结构模型如图2-5所示。

（a）球棍模型（b）比例模型图2-5乙烯的结构模型一、乙烯（一）乙烯的物理性质在通常情况下，乙烯是一种无色、稍有气味的气体，比空气的密度略小，难溶于水，易溶于四氯化碳等有机溶剂。（二）乙烯的化学性质由于乙烯分子中含有碳碳双键，双键中的一个键很容易断裂，所以乙烯的化学性质很活泼。1．氧化反应纯净的乙烯在空气中可以安静地燃烧，发出明亮的火焰并伴有黑烟产生，反应生成二氧化碳和水，同时放出大量的热，反应的化学方程式为一、乙烯乙烯可以被高锰酸钾氧化，当把它通入酸性高锰酸钾溶液中时，高锰酸钾溶液的紫色会褪去，这是因为乙烯与高锰酸钾发生了氧化还原反应。2．加成反应以上实验现象说明乙烯与溴发生了反应，反应的化学方程式为

以上反应的实质是：乙烯双键中的一个键发生断裂，两个溴原子分别加在两个价键不饱和的碳原子上，生成无色的1，2-二溴乙烷液体。我们可以利用该反应检验碳碳双键的存在。像以上这种，有机化合物分子中双键（或三键）打开，其两端的碳原子与其他原子或原子团直接结合生成新化合物的反应，称为加成反应。一、乙烯乙烯不仅可以与溴发生加成反应，还可以和水、氢气、氯气及卤化氢等在一定条件下发生加成反应。例如，

工业上可以利用以上反应来制取乙醇。3．聚合反应在一定温度、压强和催化剂的作用下，乙烯碳碳双键中的一个键可以断裂，乙烯分子间通过碳原子的相互结合能形成很长的碳链，生成聚乙烯，反应的化学方程式为一、乙烯以上反应也可以简单表示为我们把这种在一定条件下，小分子化合物相互结合成大分子化合物的反应称为聚合反应。二、烯烃烯烃是指分子中含有碳碳双键的一类链烃，它是一种不饱和烃。乙烯是最简单的烯烃，除了乙烯外，烯烃还包括丙烯（）、丁烯（）等。由于烯烃中存在双键，使得烯烃的氢原子数目，比相同碳原子数目的烷烃少2个，其分子通式为，相邻两种烯烃在分子组成上，相差一个“CH2”原子团。烯烃的物理性质一般随碳原子数目的增加而发生递变。烯烃的化学性质与乙烯类似，例如，容易发生氧化反应、加成反应等；能使酸性高锰酸钾溶液及溴的四氯化碳溶液褪色。烯烃也可以使溴水褪色，因此常用溴水代替溴的四氯化碳溶液来检验烯烃的存在。乙炔与炔烃04一、乙炔乙炔俗称电石气，分子式为，其分子里含有碳碳三键（），结构式为结构简式为，乙炔分子呈直线型，结构模型如图2-6所示。

（a）球棍模型（b）比例模型图2-6乙炔的结构模型一、乙炔（一）乙炔的物理性质乙炔是无色、无味的气体，密度比空气略小，微溶于水，易溶于有机溶剂。工业上用的乙炔是由电石产生的，因常混有硫化氢、磷化氢等杂质，而有难闻的臭味。（二）乙炔的化学性质由于乙炔分子中含有碳碳三键，三键中的两个键容易断裂，所以其化学性质非常活泼，它与乙烯类似，也能发生氧化反应、加成反应等。1．氧化反应乙炔可以在空气中燃烧，发出明亮的火焰，并伴有浓烈的黑烟，同时放出大量热，反应的化学方程式为一、乙炔乙炔也可以被高锰酸钾氧化，当把它通入酸性高锰酸钾溶液中时，高锰酸钾溶液的紫色会褪去。2．加成反应乙炔可以与溴发生加成反应，反应分两步进行，即与乙烯类似，乙炔也可以与水、氢气、氯气及卤化氢等，在一定条件下发生加成反应。例如，在150～160℃和催化剂存在的条件下，乙炔可与氯化氢发生加成反应生成氯乙烯，反应的化学方程式为一、乙炔氯乙烯在适当的条件下，可以通过聚合反应生成聚氯乙烯，反应的化学方程式为二、炔烃炔烃是指分子中含有碳碳三键的链烃，它也是一种不饱和烃。乙炔是最简单的炔烃，除了乙炔外，炔烃还包括丙炔（）等。炔烃的氢原子数目比相同碳原子数目的烯烃少2个，其分子通式为，相邻两种炔烃在分子组成上，也是相差一个“”原子团。炔烃的物理性质也是随着碳原子数目的增加而递变的。炔烃的化学性质与乙炔类似，例如，容易发生氧化反应、加成反应等；能使酸性高锰酸钾溶液及溴的四氯化碳溶液褪色。炔烃也可以使溴水褪色，因此常用溴水代替溴的四氯化碳溶液来检验炔烃的存在。苯与芳香烃05一、苯（一）苯的物理性质苯是无色、带有特殊气味的液体，有毒，密度比水小，不溶于水，易溶于有机溶剂。在冰水中，苯可以凝结为无色晶体。（二）苯的化学性质苯的分子式是，从分子式可以看出苯有很大的不饱和性，可能与烯烃、炔烃等不饱和烃的化学性质相似，但实验证明苯不能使酸性高锰酸钾溶液和溴的四氯化碳溶液褪色。由此可见，苯与烯烃、炔烃的化学性质不同。一、苯大量实验表明，苯为平面分子，分子中的六个碳原子和六个氢原子都在一个平面上，其中六个碳原子构成一个正六边形，碳碳键长均等，并介于碳碳单键和碳碳双键之间。苯常用结构简式或来表示，这种环系称为苯环，其结构模型如图2-7所示苯的化学性质比烯烃、炔烃稳定，但在一定条件下，也可以发生某些反应。（a）球棍模型（b）比例模型图2-7苯的结构模型一、苯1．与氧气反应苯可以在空气中燃烧，发出明亮的火焰并带有浓烟，生成二氧化碳和水，反应的化学方程式为2．取代反应在有催化剂存在的条件下，苯可以与溴发生取代反应，生成溴苯和溴化氢（HBr），反应的化学方程式为溴苯一、苯苯与浓硫酸和浓硝酸的混合物共热到55～60℃时，苯分子中的氢原子会被硝酸分子中的硝基（）取代，生成硝基苯和水，反应的化学方程式为以上取代反应称为硝化反应。硝基苯是一种带有苦杏仁味的无色油状液体，有毒，密度比水大，是制造染料的重要原料。硝基苯一、苯3．加成反应苯分子中虽然没有碳碳双键，但其在高温、高压及催化剂存在的条件下，也会发生一些加成反应。例如，在镍催化剂存在和180～250℃的条件下，苯可以与氢气发生加成反应，生成环己烷，反应的化学方程式为（三）苯的同系物苯的同系物是指苯分子中的氢原子被烷基取代后形成的化合物，其分子通式为（n为大于等于6的正整数）。一、苯例如，苯分子中的一个氢原子被甲基取代后形成甲苯（C7H8），其结构简式为；两个氢原子被两个甲基取代后形成二甲苯（C8H10），其结构简式为。甲苯和二甲苯都是苯的同系物。苯的同系物在性质上与苯有很多相似之处，例如，燃烧时都产生浓烟，都能发生取代反应等。一、苯对苯的同系物命名时，一般以苯为母体，按烷基的名称命名为“某基苯”，习惯上常将“基”省略，如甲苯、二甲苯。对于有多个取代基的，需要表明取代基的位置。例如，二甲苯有三种不同的同分异构体，它们分别命名为间二甲苯、邻二甲苯和对二甲苯，它们的结构简式分别为间二甲苯

邻二甲苯

对二甲苯芳香烃是指分子中含有苯环结构的烃，包括苯、苯的同系物、萘、蒽、菲等。其中，萘、蒽、菲的结构简式为二、芳香烃萘蒽菲石油和煤06一、石油石油是一种粘稠的液体（见图2-8），主要成分有烷烃、环烷烃、芳香烃，还含有少量硫、氮、氧及微量金属元素（镍、钒、铁、锑等），它被称为“工业的血液”。石油的性质因产地而异，不同油田石油的成分和外貌区别很大。图2-8石油一、石油从油田中开采出来的未经加工的石油称为原油，它是石油工业的初级产品，在使用前必须经过加工处理，才能制成适合各种用途的石油产品。常见的加工处理方法为分馏法，即利用分子大小和沸点不同的原理，通过加热和冷凝，将石油分成沸点不同的产物（见表2-4），这些产物统称为馏分。分馏法一般分为常压分馏和减压分馏，常压分馏用来得到石油气、汽油、煤油和柴油等；减压分馏用来得到润滑油、石蜡等。石油的分馏是一种物理变化，且得到的馏分为混合物。一、石油表2-4石油分馏的产物及其用途分馏产物含碳原子数沸点范围/℃用途石油气1～4<30

气体燃料汽油5～1030～180

内燃机燃料石脑油

石油化工原料煤油10～13180～220

飞机燃料石蜡油柴油13～25220～250

重型汽车、军舰、坦克等的燃料燃油25～30250～300

轮船、工厂、发电厂燃料润滑油300～350

机械润滑剂和防锈剂沥青>30>350

铺路和建筑材料一、石油石油是一种十分重要的能源，是发展国民经济和国防建设的重要资源。通过对石油的炼制可得到汽油、煤油、柴油、润滑剂和其他化工原料。再通过化工过程，可制得合成纤维、合成橡胶、塑料、农药、化肥、医药、油漆、合成洗涤剂等。由此可见，大到国家的工业、农业、交通、经济、国防，小到个人的衣食住行，全都离不开石油。二、煤煤是由植物残骸经过复杂的物理化学变化而形成的黑色或棕黑色沉积岩（见图2-9），它是一种重要的化石燃料，由有机物和少量无机物构成。煤的主要成分为碳（煤化程度越深，含碳量越高）、氢、氧，以及少量的氮、硫元素，此外，还有极少量的磷、氟、氯和砷等元素。硫、磷、氟、氯、砷等是煤中的有害成分，其中以硫最为主要，所以，“硫分”含量是评价煤质的重要指标之一。图2-9煤二、煤《中国煤炭分类》（GB/T5751—2009）中把煤分为3大类，即无烟煤、烟煤和褐煤。其中，无烟煤分为3小类，烟煤分为24小类，褐煤分为2小类，一共29个类。煤经化学加工后可以转化为气体、液体和固体燃料以及其他化工产品。煤的干馏作为一种重要的加工转化方法，其原理就是使煤在隔绝空气的条件下，经加热、分解后，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气等，如表2-5所示。煤的干馏按加热温度不同，可以分为高温干馏（900～1100℃）、中温干馏（700～900℃）和低温干馏（500～600℃）。煤的干馏是一种化学变化，得到的产物为混合物，它是工业上获得芳香烃的重要来源。二、煤表2-5煤的干馏的产物及其用途干馏产物主要成分用途煤气

氢气、甲烷、乙烯、一氧化碳

气体燃料、化工原料粗氨水

氨和铵盐

氮素肥料粗苯

苯、甲苯、二甲苯

炸药、染料、医药、农药、合成材料煤焦油

苯、甲苯、二甲苯

酚类、萘、蒽等

染料、医药、农药、合成材料焦炭

碳

冶金、燃料、电石、筑路材料煤的用途十分广泛，除了可以作为燃料，还是生产化肥、塑料、合成橡胶、合成纤维、医药等化工产品的原料。二、煤随着科技的发展和环境保护的需要，煤炭工业与能源、化工技术结合，形成了煤炭、能源、化工一体化的新兴产业。新型煤化工以生产洁净能源和可替代石油化工的产品为主，如柴油、汽油、航空煤油、液化石油气、乙烯原料、聚丙烯原料、替代燃料（甲醇、二甲醚）等，这对于中国减轻燃煤造成的环境污染、降低中国对进口石油的依赖均有着重大意义。

第三章

烃的衍生物目录第一节乙醇第二节苯酚第三节乙醛与丙酮第四节乙酸与乙酸乙酯第五节油脂第六节肥皂与合成洗涤剂第七节食品添加剂本章导读有机化合物与人类的关系非常密切，在人们的衣食住行方面，以及医疗保健、工农业生产、能源、材料和科学技术等领域中都起着很重要的作用。本章将介绍一些烃的衍生物的相关知识，以及它们的应用。本章学习目标掌握烃的衍生物的结构和相关性质。了解烃的衍生物的用途。了解肥皂与合成洗涤剂的去污原理，以及各自的的特点。了解食品添加剂的种类与相关作用。乙醇01一、乙醇的结构乙醇俗称酒精，分子式为C2H6O，它是由乙基（-C2H5）和羟基（-OH）组成的，可以看成是乙烷分子中的一个氢原子被羟基取代形成的产物，其结构式为结构简式为CH3CH2OH或C2H5OH，结构模型如图3-1所示。（a）球棍模型

（b）比例模型图3-1乙醇的结构模型二、乙醇的物理性质乙醇在常温、常压下是一种易燃、易挥发的无色、透明液体，能与水以任意比例互溶，其水溶液具有特殊的气味，并略带刺激性。乙醇能溶解多种无机物和有机物，常用的碘酒就是碘溶于乙醇形成的溶液。三、乙醇的化学性质乙醇的官能团为羟基（-OH），羟基比较活泼，乙醇的化学性质主要由羟基决定。（一）与钠反应乙醇可以与钠反应生成乙醇钠（CH3CH2ONa），并放出氢气，反应的化学方程式为乙醇与钠的反应比水与钠的反应缓和得多，这是因为乙醇分子中羟基的氢原子不如水分子中的氢原子活泼。除钠外，其他活泼金属（如钾、镁、铝等）也能将乙醇分子中羟基的氢取代出来。三、乙醇的化学性质（二）氧化反应乙醇能够在空气里燃烧，发出淡蓝色的火焰，生成二氧化碳和水，同时放出大量热，反应的化学方程式为除了可以燃烧外，乙醇在加热和有催化剂（如铜或银）存在的条件下，可以与氧气反应生成乙醛（）和水，反应的化学方程式为三、乙醇的化学性质（三）消去反应乙醇在浓硫酸作催化剂的条件下，加热到170℃时，其相邻两个碳原子上会脱去一个水分子，生成乙烯和水，反应的化学方程式为像以上这种，有机化合物在适当条件下，从一个分子中脱去一个小分子（如水、卤化氢等分子），生成不饱和（双键或三键）化合物的反应，称为消去反应。苯酚02一、苯酚的结构苯酚是德国化学家龙格于1834年在煤焦油中发现的，它是苯分子中的一个氢原子被羟基取代后的生成物，其分子式为C6H6O，结构简式为或C6H5OH，结构模型如图3-2所示。

（a）球棍模型

（b）比例模型图3-2苯酚的结构模型纯净的苯酚是具有特殊气味的无色晶体，放置在空气中容易被氧化而呈粉红色。苯酚的熔点为43℃，常温时在水中的溶解度不大，当温度高于65℃时，能与水以任意比例互溶。苯酚易溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。二、苯酚的物理性质（一）呈酸性苯酚与水混合，溶液呈现浑浊，是因为常温时苯酚在水中的溶解度不大；加入氢氧化钠溶液后，溶液变澄清，是因为苯酚和氢氧化钠反应，生成了易溶于水的苯酚钠，反应的化学方程式为三、苯酚的化学性质苯酚钠该反应说明苯酚呈酸性，所以苯酚又称为石炭酸。苯酚的酸性很弱，比碳酸还弱。如果向澄清的苯酚钠溶液中通入二氧化碳，则会看到澄清的苯酚钠溶液变浑浊，这是因为苯酚钠与二氧化碳、水反应生成了苯酚和碳酸氢钠，反应的化学方程式为三、苯酚的化学性质（二）氧化反应苯酚很容易被氧化，它在空气中可以被氧化成粉红色物质，也可以被高锰酸钾氧化。（三）取代反应苯酚可以与溴发生取代反应，生成白色的三溴苯酚沉淀和溴化氢（HBr），反应的化学方程式为三、苯酚的化学性质三溴苯酚以上反应非常灵敏，常用于苯酚的定性检验和定量测定。（四）显色反应苯酚遇三氯化铁（FeCl3）溶液显紫色，这是因为它们发生反应生成了紫色的物质。利用该反应可以检验苯酚的存在。（五）缩合反应缩合反应是指两个或两个以上有机分子相互作用后，以共价键结合成一个大分子，并常伴有失去小分子（如水、氯化氢、醇等）的反应。苯酚在酸或碱的催化下能与甲醛发生缩合反应，生成酚醛树脂。三、苯酚的化学性质乙醛与丙酮03一、乙醛（一）乙醛的结构前面介绍过，乙醇与氧气反应可生成乙醛。乙醛的分子式为C2H4O，它是由甲基（）和醛基（）组成的，可以看成是甲烷分子中的一个氢原子被醛基取代形成的产物，结构式为：一、乙醛结构简式为或CH3CHO，结构模型如图3-3所示。

（a）球棍模型

（b）比例模型图3-3乙醛的结构模型一、乙醛（二）乙醛的物理性质乙醛是无色、有刺激性气味的液体，密度比水小，沸点为20.8℃，易挥发，易燃烧，能与水、乙醇等互溶。（三）乙醛的化学性质醛基（）是乙醛的官能团，醛基比较活泼，乙醛的化学性质主要由醛基决定。一、乙醛1．还原反应在有机化学中，通常把有机化合物分子得到氢原子或失去氧原子的反应称为还原反应。在加热和有金属镍（Ni）作为催化剂的条件下，乙醛能与氢气发生还原反应，生成乙醇，反应的化学方程式为一、乙醛2．氧化反应在有机化学中，通常把有机化合物分子得到氧原子或失去氢原子的反应称为氧化反应。在一定温度和催化剂存在的条件下，乙醛能够被空气中的氧气所氧化，生成乙酸（），反应的化学方程式为二、丙酮丙酮的分子式为C3H6O，它含有一个羰基（），结构简式为所以它又称为二甲基酮，它也是最简单的酮类化合物。丙酮为无色、透明的液体，具有芳香气味，易溶于水和有机溶剂，易燃、易挥发。酮类化合物比醛类化合物稳定，如丙酮不能发生银镜反应。相同碳原子数的醛与酮互为同分异构体。丙酮有毒，主要表现为对中枢神经系统的麻醉作用，中毒后会出现乏力、恶心、头痛、等症状，重者发生呕吐、气急、痉挛，甚至昏迷。丙酮在工业上主要作为溶剂用于炸药、塑料、橡胶、纤维、制革、油脂、喷漆等行业中，也可作为合成烯酮、醋酐、碘仿、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸甲酯、氯仿、环氧树脂等物质的重要原料。乙酸与乙酸乙酯04一、乙酸（一）乙酸的结构乙酸又称为醋酸，是一种重要的有机酸,分子式为C2H4O2，它是由甲基（-CH3

）和羧基（或-COOH）组成的，可以看成是甲烷分子中的一个氢原子被羧基取代形成的产物，结构简式为或CH3COOH，结构模型如图3-4所示。（a）球棍模型（b）比例模型图3-4乙酸的结构模型一、乙酸（二）乙酸的物理性质乙酸是一种有强烈刺激性气味的无色液体，沸点为117.9℃，熔点为16.6℃，易溶于水和乙醇。温度低于16.6℃时，乙酸会凝结成像冰一样的晶体。（三）乙酸的化学性质羧基是乙酸的官能团，乙酸的化学性质主要由羧基决定。1．呈酸性乙酸是一种弱酸，具有酸的通性，能使石蕊变红，在水溶液里能发生解离，解离方程式为CH3COOH<=====>CH3COO-+H+一、乙酸2．酯化反应在浓硫酸作催化剂并加热的条件下，乙酸能与乙醇反应生成乙酸乙酯和水，反应的化学方程式为乙酸乙酯由于乙酸乙酯在相同条件下能发生水解生成乙酸和乙醇，所以上述反应为可逆反应。像以上这种醇与酸反应生成酯和水的反应，称为酯化反应。二、乙酸乙酯乙酸乙酯又称醋酸乙酯，其的分子式为C4H8O2，结构简式为它是最常见的酯类化合物。乙酸乙酯是具有香味的无色、透明油状液体，难溶于水，是良好的有机溶剂，易燃，易挥发，浓度较高时有刺激性气味。它是一种重要的有机化工原料和工业溶剂。油脂05一、油脂的组成与结构油脂属于酯类，它是高级脂肪酸（含10个碳原子以上的脂肪酸）与甘油（又称为丙三醇）生成的直链高级脂肪酸甘油酯，其结构简式为其中，R1、R2、R3表示饱和或不饱和的烃基，它们既可以相同，也可以不同。若R1、R2、R3相同，则称之为单甘油酯；若R1、R2、R3不同，则称之为混甘油酯。（一）物理性质油脂的密度比水小，不溶于水，易溶于汽油、乙醚、苯等有机溶剂。组成油脂的高级脂肪酸的饱和程度越高，其熔点越高，反之越低。天然的油脂一般为混合物，无固定的熔点和沸点。（二）化学性质1．水解反应油脂在一定条件下会发生水解反应，生成相应的高级脂肪酸和甘油，例如，二、油脂的性质在碱性条件下，油脂会水解成高级脂肪酸盐（肥皂）和甘油，例如，二、油脂的性质这种油脂在碱性条件下水解的反应称为皂化反应，工业上制肥皂就是利用的该反应。2．氢化反应液态油脂在催化剂的作用下，通过加热、加压可与氢气反应，使碳链中的碳碳双键变成碳碳单键，生成固态油脂的反应称为油脂的氢化，也称油脂的硬化。例如，二、油脂的性质通过氢化反应得到的油脂称为人造脂肪，它性质稳定、便于运输，可用来制作脂肪酸、甘油、人造奶油等。3．干化反应某些油脂（如桐油、亚麻油等）暴露在空气中，能逐渐形成一层坚韧、有弹性、不透水的薄膜，这种现象称为油脂的干化。一般认为，油脂的干化与其不饱和程度有关，不饱和程度越大，干化得越快。容易干化的油称为干性油。干性油可用作油漆、涂料的原料。二、油脂的性质肥皂与合成洗涤剂06一、肥皂肥皂的主要成分为高级脂肪酸盐，其通式为RCOOM，式中RCOO为硬脂酸根，M为金属离子。常用肥皂中的高级脂肪酸碳数一般为10～18，金属离子主要是钠或钾等碱金属离子。肥皂之所以能够去污，是因为高级脂肪酸盐有两种基团，一是亲水的羧基，一是亲油的烃基。在洗涤的过程中，油污跟肥皂接触后，亲油的烃基部分会插入油污内，而亲水的羧基部分则伸在油污外面，插入水中，这样油污就被肥皂分子包围了起来。一、肥皂再经摩擦、振动，大的油污便会分散成小的油珠，脱离附着物（纤维织品）而分散到水中形成乳浊液，如图3-5所示。最后经水漂洗，达到了洗涤的目的。1—亲水基团；2—亲油基团；3—油污；4—纤维织品。图3-5肥皂去污原理一、肥皂肥皂在使用上存在着局限性，那就是不能在硬水中使用。这是因为肥皂的主要成分高级脂肪酸盐在水中会电离形成硬脂酸根离子和金属离子。而硬脂酸根离子会和硬水中的镁离子和钙离子结合，生成不溶于水的硬脂酸镁和硬脂酸钙，从而失去去污功能。二、合成洗涤剂合成洗涤剂是指由合成的表面活性剂（如烷基苯磺酸钠、烷基磺酸钠等）和辅助剂混合而成的一种洗涤用品。形态主要有粉剂、液体、固体和膏体等。合成洗涤剂的有效成分就是表面活性剂，其去污原理与肥皂类似，但它的钙盐和镁盐能溶于水，不受硬水的影响，且清洁效果更好。合成洗涤剂除了用于家庭洗涤外，还能广泛应用于纺织、印染、制革、化妆品等行业。合成洗涤剂的辅助剂一般为磷酸盐，它能改善洗涤剂的功能，但其随洗涤废水排入水域中会对环境造成危害。磷酸盐会造成水体富营养化，刺激水域中的藻类大量繁殖，产生赤潮和水华现象。食品添加剂07食品添加剂是为改善食品色、香、味等品质，以及为防腐、保鲜和加工工艺的需要而加入食品中的人工合成或者天然物质。它的种类很多，有为改良食品品质而添加的漂白剂、膨松剂、着色剂、乳化剂、增稠剂、食用香料等；有为保持食品新鲜，防止食品变质而添加的防腐剂、抗氧化剂等；有为提高食品营养价值而添加的营养强化剂等。常用的食品添加剂按其来源可分为天然食品添加剂与人工合成食品添加剂。天然食品添加剂主要从植物组织中提取，也有一些来自动物和微生物。人工合成食品添加剂主要是指用人工化学合成方法所制得的食品添加剂，例如，有机色素是用煤焦油中分离出来的苯胺染料制成的。人们往往认为天然食品添加剂比人工合成食品添加剂安全，但实际上许多天然食品添加剂并不比合成的毒性小。食品添加剂的毒性是指其对机体造成损害的能力。这除了与物质本身的理化性质有关外，还与其有效浓度、作用时间、接触途径和部位、物质的相互作用、机体的机能状态等条件有关。所以，食品添加剂只有达到一定浓度或剂量水平，才会显现毒害作用。因此，为了保证人体健康，必须合理使用食品添加剂。例如，在《食品添加剂》（GB2760—2014）中规定，冰淇淋中决明胶（增稠剂）的用量不得超过2.5g/kg。

第四章

生命活动所需能量的主要来源——糖类目录第一节糖类的结构与分类第二节葡萄糖与果糖第三节蔗糖与麦芽糖第四节淀粉与纤维素本章导读糖类是自然界中广泛分布的一类有机化合物。我们日常食用的水果、谷物、蔬菜中都含有糖类。它是一切生命体维持生命活动所需能量的主要来源。本章学习目标了解糖类的组成与分类掌握葡萄糖与果糖的结构和相关性质掌握蔗糖与麦芽糖的结构和相关性质掌握淀粉与纤维素的结构和相关性质糖类的结构与分类01一、糖类的结构糖类主要由碳、氢、氧三种元素组成。大多数糖类中的氢、氧比例为2∶1，相当于水的组成，因此很多糖类以通式（m与n可以相同，也可以不同）表示，人们习惯将其称为碳水化合物。随着科学的发展，人们发现不是所有糖类都符合上述通式，如鼠李糖（C6H12O5）；而有些物质虽然符合上述通式但不是糖类，如甲醛（CH2O），所以碳水化合物这一名称并不准确，但因沿用已久，很多学科中仍然在使用。二、糖类的分类根据能否水解及水解后的产物，糖类可分为单糖、低聚糖和多糖。单糖：是指不能水解的糖类，包括葡萄糖、果糖等。低聚糖：是指由2～10个单糖脱水缩合形成的糖类，它可以水解生成单糖，根据水解后生成单糖的数目不同，可分为双糖（如麦芽糖、蔗糖）、三糖（棉子糖）、四糖（水苏糖）等。多糖：是指由10个以上单糖脱水缩合形成的糖类，它能水解生成多个单糖，包括淀粉、纤维素等。葡