2.下图中哪个图正确地表示了光从水射入空气中的情况?( )
3一光线射到一两面平行的玻璃砖时,通过玻璃砖的光路图正确的是( )
1.下列关于光的折射现象的叙述中,正确的是( )
A.光从一种介质射入另一种介质时,传播方向一定改变
B.当光从空气射入水中时,折射角一定小于入射角
C.当光从水射入空气中时,折射角一定大于入射角
D在光的折射现象中,折射角有可能等于入射角
前 言
为了配合我国的基础教育和九年制义务教育的推广普及工作,帮助中小学生更好地学习和掌握教学大纲规定的教学内容,给学生平时学习、做作业、复习和考试提供一套高质量有特色、方便实用并相对稳定的工具书,以利于全面提高学生的素质,我们在广泛调查,并征询教委领导部门意见的基础上,编写了《九年制义务教育暨高中学生系列学习词典》。本书按科设卷,其中小学四卷:语文、数学、自然常识、思想品德;初中、高中各九卷:语文、英语、政治、历史、数学、物理、化学、生物、地理,全书共计22卷,二万多个词条,七百万字。作为专门为学生而编写的与教学大纲、教材相配套的多卷系列学习词典,这在我国基础教育史上还是首创。
本书是专为中小学生而编,处处考虑学生的实际需要。因此框架编排,收词范围紧扣国家教委颁布的新教学大纲,参照使用面广的各种版本教材。小学、初中各卷的编写侧重知识技能,注意全面提高学生的素质。条目的筛选不仅覆盖了教学大纲规定的全部知识,而且根据大纲的新精神,增加一定量的学习方法、学习新思路,以及联系社会生活、生产实际方面的词条。高中各卷还兼顾了高考的需要,收录了总复习、高考指导等方面的内容;释文尽量做到科学性、启发性和实用性的统一。内容的纵深介绍针对小学、初中、高中学生的不同接受能力和学习特点,力求做到递次解析,深入浅出,重点知识还论及了其发展过程,以利于学生的理解和运用;适度采用了部分有科学根据的新观点、新资料;文字表述力求简洁、鲜明、准确、生动;为便于学生按教学进度进行学习和查阅,目录按知识块分类设计,并比照大纲和教材的顺序,书后附有汉语拼音索引。
本书由全国人大常委、北京师范大学副校长许嘉璐任主编,各分卷主编大多为国家教委教材审查委员、专家学者。撰稿人都是学术上有造诣,对中学教学有研究的北京师范大学、北京教育学院、北京市教育局系统、北京海淀教师进修学院、北京市重点中小学以及其它部分省市的教授、副教授、高级教师、讲师、基础教育专家,共计100余人。几经运筹,勤奋笔耕,历一年半而成。
我们衷心希望全国的中小学生以及老师和家长喜欢此工具书,诚恳希望读者在使用过程中给我们提出宝贵意见,以便通过不断修订再版,使之日臻完美,成为中小学生的良师益友。
总编委会
1993年9月于北京
编者的话
《初中化学学习词典》是为九年制义务教育初中(含“六三”学制和“五四”学制)学生学习化学课程而编写的一部学习工具书。收词范围以国家教委制定的《九年义务教育全日制初级中学化学教学大纲(试用)》为依据,涵盖沿海发达地区制订的课程标准或教学指导纲要的内容。着眼于提高学生素质,开阔学生思路,培养学习能力。
这部词典以初中学生为读者对象,不兼顾化学教师。在词目释文的内容上力图紧密结合学生的学习需要(如学生中普遍存在于认识上、操作上及学习方法上的疑难、困惑或缺陷等),重视联系社会生活、生产等实际,让学生理解化学知识、技能等的应用与价值。对于重要的化学概念、理论和定律等词条,释文在说明基本知识的同时,还简要介绍这些知识的发展过程、使用范围及其学习要求和方法;对于化学实验、化学计算和化学用语等词条,释文从智力技能和操作(计算)技能两方面说明,注意引导学生培养自己的思维能力和操作能力,还介绍了一些简便有效的自我训练的方法。
这部词典主要按照知识构成对词目进行分类,除化学基本概念和原理、元素化合物知识、化学基本计算、化学实验等四个部分之外,还收入了科学家和化学史、化学学习方法方面的内容。对在内容上联系较紧密的词条,设置了参见条,以便于读者参阅,同时避免重复。对于某些词条的释文中必要的注解,直接列于该词条的释文之下。在书末附有全部条目的汉语拼音索引和相应的页码。在查找词条时,可以按词条所属的知识内容查,也可以从词条的汉语拼音查。例如,欲查“原子”这一词条,可从“化学基本概念和原理”项目内找到该词条,也可以按其汉语拼音音节“yuán zǐ”查到该词条的页码。书末还附有元素周期表。
本词典的副主编是何少华(北京师范大学副教授)和王建成(北京师范大学)。参加本词典撰写工作的有:北京师范大学姚乃红(副教授)、刘小英、王建成、王磊、蔡虹;北京师范大学附属实验中学刘振贵(特级教师)、赵克义(高级教师);北京师范大学二附中顾润英(高级教师);北京景山学校徐秀筠;北航附中马惠严(高级教师)。
编 者
1993年3月于北京
试管的使用 试管是一种常用而简单的玻璃容器,常用于常温或加热条件下的少量试剂间的反应,发生或收集少量气体等。使用试管时应注意:①持拿试管应三指(拇指、食指、中指)握持试管的上部,无名指和小指拳向掌心,不可大把抓。②试管盛装液体的量不应超过其容积的1/2,当振荡或加热试管中的液体时,液体的量不应超过其容积的1/3,以便于振摇和防止沸腾时液体溢出管外。③振荡试管中的液体时,应用适当的腕力来回甩动试管,以使试管中的液体能兜底上翻。振荡时不能上下振荡,更不能用拇指堵住管口上下振荡。④给试管加热前应将外壁擦干,以防因试管受热不匀而炸裂。不能用手直接持拿试管进行加热,应用试管夹夹持或把试管固定在铁架台上,夹持的位置距管口约2-3厘米处。⑤液体加热要均匀,不可固定加热试管底部,以防液体喷出。加热时试管应与实验台面保持45°角,这样液体会有较大的受热面积和蒸发表面,减少爆沸现象。加热时试管口不可对人,更不能把眼睛对着正在加热的试管口张望,以防液体喷溅伤人。⑥固体加热应先预热,然后固定加热。为防冷凝水回流到灼热的试管底部而引起炸裂,试管口要稍向下倾斜。⑦加热后的试管要放在试管架(木制)或石棉网上,让其慢慢冷却,以免骤冷而引起炸裂。
试管夹的使用 试管夹是一有长、短两个柄的木制或竹制夹子,用于夹持试管进行加热。使用试管夹的方法是:把试管夹张开,由管底部套上、取下。不应由试管口部套上取下,以防夹子上的污物落入试管中。也不能由侧面套入试管,否则夹口张开较大,超过弹性限度时试管夹易损坏。试管夹应夹在离管口约2厘米处或离管口为管长的1/4-1/5处。加热时要用右手拇、食、中三指持握试管夹的长柄。不应同时持握试管夹的长、短柄,以防无意间用力捏夹时使试管脱落。
玻璃棒的使用 玻璃棒即玻璃制成的实心细棒,主要用于搅拌、引流等操作。实验中使用的玻璃棒必须洁净,用过的玻璃棒必须用水洗涤后才能与另一种物质接触,以免污染试剂。使用玻璃棒搅拌液体时,应右手持棒,转动手腕,使玻璃棒在容器内绕圈转动,速度不可太快,且不要使玻璃棒和容器撞击,以防将容器打破或损坏玻璃棒。若用玻璃棒帮助转移液体时,应将盛放液体的容器口贴紧玻璃棒,棒的下端靠在接收容器的内壁上,使液体沿玻璃棒缓缓流下。
酒精灯的使用 酒精灯是实验室中常用的加热仪器,由灯壶、灯帽和灯芯三部分组成。使用酒精灯应注意以下事项:①使用前应先检查灯体是否完好,灯颈如有炸纹,则不能使用,以免发生事故。要检查灯芯,灯芯要有足够的长度,其下端一定要浸润在酒精中。灯芯顶端要平齐,应用剪刀剪去参差不齐或已烧焦的灯芯头。还要检查灯壶中酒精的量是否合适,酒精量应在灯壶容积的1/4到2/3之间。酒精量太少,易引起事故;太多则受热膨胀,易造成酒精溢出,引起着火。向灯壶内添加酒精时要使用漏斗,绝不能向燃着的灯内添加酒精。②点燃酒精灯要用火柴或木条点燃,不准用燃着的另一个酒精灯去点火,以防使酒精洒出而失火。③加热时应用酒精灯的外焰(氧化焰),它的温度最高可达500℃。若用金属窗纱卷成圆筒套在火焰周围,既可以防止气流对酒精灯焰的影响,又可提高灯焰的温度。④熄灭酒精灯时应用灯帽盖灭。然后再将灯帽提起一下,使热蒸气放走,以防灯帽内气压减小,再次使用时不易打开。决不能用嘴吹灭酒精灯,因为吹时很可能使火焰缩入灯内,使灯内酒精燃烧起火或造成爆炸事故。⑤使用酒精灯应注意安全。取下的灯帽应正放在桌面上,以免滚落摔碎。实验时酒精灯应放稳,不要碰翻。万一洒出的酒精在桌上燃烧起来,应立即用湿抹布盖住或撒砂土扑灭。⑥酒精灯不用时应及时熄灭,盖好灯帽,以免酒精蒸发。如长期不用,应将灯内酒精倒出,以免挥发浪费;周时要在玻璃灯帽跟灯颈之间夹一小纸条,以防粘连。
铁架台的使用 铁架台是用于固定和支持反应容器的铁制品,由底座和立柱两部分组成,立柱上配有持夹、铁夹和铁圈。使用铁架台的方法是:①持夹和铁夹需配合使用。持夹的两端为旋柄,它的一端固定在立柱上,另一端用来固定铁夹。固定铁夹的一端凹面应朝上,便于支持和固定铁夹。②用铁夹固定试管和烧瓶时,应先松开铁夹的螺丝,套上仪器后,左手按紧铁夹,右手旋动螺丝,直至仪器不能转动为止。旋动螺丝时不可用力过猛,以防夹破仪器。③用铁夹固定外径较小的容器时,可在铁夹两边套上胶管或缠上布条,以缩小铁夹的口径。④在铁架台上固定仪器时,必须使零件跟铁架台的底座在同一侧,以免整个装置的重心超出底座而使铁架台翻倒。
烧杯的使用 烧杯由普通玻璃或硬质玻璃制成,其规格用容量大小表示,实验室常用的有50,100,150,200,250,500ml等。烧杯用做常温或加热情况下配制溶液、溶解物质和较大量物质的反应容器。使用烧杯应注意:①给烧杯加热时要垫上石棉网。不能用火焰直接加热烧杯。因为烧杯底面大,用火焰直接加热,只可烧到局部,使玻璃受热不匀而引起炸裂。②用烧杯加热液体时,液体的量以不超过烧杯容积的1/3为宜,以防沸腾时液体外溢。加热时,烧杯外壁须擦干。③加热腐蚀性药品时,可将一表面皿盖在烧杯口上,以免液体溅出。④不可用烧杯长期盛放化学药品,以免落入尘土和使溶液中的水分蒸发。
量筒的使用 量筒是用于量取液体体积的玻璃仪器,外壁上有刻度。常用量筒的规格有5,10,20,25,50,100,200ml等。使用量筒量液时,应把量筒放在水平的桌面上,使眼的视线和液体凹液面的最低点在同一水平面上,读取和凹面相切的刻度即可。(如图所示)不可用手举起量筒看刻度。量取指定体积的液体时,应先倒入接近所需体积的液体,然后改用胶头滴管滴加。使用量筒时应注意:用量筒量取液体体积是一种粗略的计量法,所以在使用中必须选用合适的规格。不要用大量筒计量小体积,也不要用小量筒多次量取大体积的液体,否则都会引起较大的误差。量筒是厚壁容器,绝不能用来加热或量取热的液体,也不能在其中溶解物质、稀释和混合液体,更不能用做反应容器。
胶头滴管的使用 胶头滴管的一端带胶头,另一端为细口的玻璃管,主要用于吸取和滴加少量液体试剂。使用胶头滴管吸取液体时,应先用拇指和食指适度地捏滴管上的胶头,压出空气,然后插入欲移取的液体中,松开手指,液体即被吸入。吸取的液体不能过多,以免进入胶头而腐蚀橡皮。滴加液体时,应将滴管垂直于接受容器口上方正中,轻轻挤压胶头使液体滴出。不能使玻璃尖嘴触及容器内壁,以免尖嘴蘸上别的药品带入试剂瓶里而沾污试剂。要经常保持滴管的洁净。最好是移取一种液体专用一支滴管,如需用一支滴管移取多种液体时,每次用完必须用水洗净,并用蒸馏水冲洗。滴管里有液体时,必须使管口朝下。不要横持试管,更不能使玻璃尖嘴朝上,以免液体流入胶头,沾污胶帽,并影响试剂的纯度。若用胶头滴管粗略地量取液体,可用量筒测定每毫升的滴数。滴液时必须垂直,否则体积不准。若使用滴瓶中的胶头滴管移取液体,用毕应立刻放回原瓶。
固体药品的取用 固体药品一般盛放于广口试剂瓶中,取用时应严格按照实验说明规定的用量取用。取药时瓶塞应倒放在桌面上,以防试剂沾污桌面和瓶塞上沾上污物。取药后及时塞好瓶塞,药瓶用毕要放回原处。固体药品的取用方法是:①取用粉末状或小颗粒状的药品,应用角匙。若取用很少量时还可用角匙柄端的小凹穴挖取。用完角匙应立即擦净,千万不能用刚取过药品未擦净的角匙又取另一种药品,以免影响药品的纯度。往试管或烧瓶里装入固体粉末时,为避免药品粘在管口和管壁上,应把容器横放,把盛有药品的角匙或用小纸条折成的V形纸槽小心地送入容器底部,然后使容器直立起来,并用手指轻弹药匙或V形纸槽,让药品全部落入底部。②取用颗粒较大的固体药品,应用镊子夹取,不可用手去拿。往玻璃容器里装入坚硬的块状药品或比重较大的金属颗粒时,应先把容器横放,把药品或金属颗粒放在容器口,然后把容器慢慢竖起来,使之缓缓地滑到容器底部,以免打破容器。绝不能将颗粒从容器口垂直投入。
液体药品的取用 液体药品通常存放于细口瓶中。往试管里倾倒液体药品的操作方法是:取下试剂瓶的塞子,右手拿试剂瓶,瓶上的标签应向着手心(以免倒完药品后,残留在瓶口的药液流下来腐蚀标签),左手拿试管,使试管口紧贴试剂瓶口,缓缓地倾倒,并使液体沿试管内壁流入试管中。倒完后留在试剂瓶口的液滴应用试管口刮一下,使之流入试管中。往烧杯里倾倒液体时,应把烧杯放在桌上,用左手拿着倾斜的玻璃棒,使棒的下端和烧杯壁接触,同时把试剂瓶口靠在玻璃棒上,使液体沿着玻璃棒下流,以免液体飞溅出来。停止倾倒时,应将试剂瓶沿玻璃棒稍向上提,并同时使试剂瓶直起来到瓶与玻璃棒几乎平行后再离开,以防液体从瓶口流下。若取用很少量液体试剂,可用胶头滴管从试剂瓶中吸取(参看胶头滴管的使用)。
把玻璃导管插入带孔橡皮塞 要把玻璃管插入带孔的塞中,首先要选择同玻璃管口径相配的带孔橡皮塞或软木塞,左手拿塞子,右手拿住玻璃管靠近要插入塞子的一端,先把玻璃管要插入塞子的一端用水润湿(见图),然后稍稍用力转动,使玻璃管逐渐插入。注意用力大小要合适,不要使玻璃管折断刺破手掌。为了安全,最好用布包住玻璃管,再小心插入。
把玻璃导管插入橡皮管 将玻璃管插入橡皮管的方法是左手拿橡皮管,右手拿玻璃管(见图),先把玻璃管口部用水润湿,稍稍用力即可把玻璃管插入橡皮管。注意橡皮管的长度要合适,太长既不美观又妨碍实验操作,且造成不必要的浪费。
橡皮塞和软木塞的使用 中学化学实验中常用的塞子主要是橡皮塞和软木塞。橡皮塞具有弹性可以把瓶子塞得很严密,并可以耐强碱性物质的侵蚀,是化学实验中最常用的。但它易被强酸和某些有机溶剂(如汽油、苯、氯仿、丙酮或二硫化碳等)侵蚀而溶胀。软木塞由于质地松软,它的严密性较差,并易被酸、碱损坏,但它与有机物作用小,不被有机溶剂所溶胀。在使用橡皮塞或软木塞时,要注意塞子的大小与瓶口的大小相匹配。因为塞子有大小不同的型号,瓶口的大小也不一致。一般塞子的大小以塞进瓶口或容器口的1/2-1/3为宜,塞进过多或过少都不合适。如上页图。
在选择塞子时,①要根据容器所盛或塞子要接触的物质的性质;②要按瓶口或仪器口的大小。
检查装置的气密性 化学实验装置是由塞子和导管将仪器连接起来的,在实验前一定要检查装置的气密性,操作见图:
把导管的一端浸入水中,用手掌紧贴烧瓶或试管的外壁。如果装置不漏气,则烧瓶或试管里的空气受热膨胀,导管口就有气泡冒出;把手掌移开,过一会烧瓶或试管冷却,水就会沿导管上升,形成一段水柱。若用此法现象不明显,可改为用热水浸湿的毛巾温热烧瓶或试管的外壁。如果装置漏气,导管口就没有气泡冒出,需检查装置的各个连接处是否漏气,橡皮管是否有裂痕等,重新连接后再检查一遍,直至不漏气为止。
排水集气法 实验室里收集气体的一种方法。主要适用于收集难溶于水和不易与水发生反应的气体,如氢气、氧气、氮气、一氧化氮、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙炔等。操作时首先将集气瓶注满水,由于水的张力,在瓶口形成凸面,然后用毛玻片的磨砂面沿瓶口的一方平推向另一方,把瓶口多余的水赶走,瓶里不留气泡,将瓶口密盖住(图a),左手按住玻璃片,右手托住瓶底,将集气瓶迅速倒置过来,置于水面下,再将玻璃片移开。待制气装置里的空气排净后,将导气管插入到集气瓶中,当有气泡从集气瓶口往外冒出(图b)时,证明气体已满,这时在水下用玻璃片盖住瓶口(图c),将集气瓶从水槽中取出,放置在桌面上。比空气重的气体要瓶口朝上放置,比空气轻的气体要瓶口朝下。用排水集气法收集的气体较纯净。某些易溶于水的气体,如氯气,可采用排饱和食盐水的方法来收集。
排空气集气法 实验室里利用气体的密度大小来收集气体的一种方法。包括向上排气法和向下排气法。比空气重的气体,采用向上排气法(见下图),如收集氯化氢(HCI),氯气(Cl2),二氧化碳(CO2),二氧化硫(SO2)等。向下排气法(见下图),用于收集比空气轻的气体,如氢气(H2),氨气(NH3)等。这两种集气方法,均不可将集气导管放入瓶口附近,否则瓶中的空气将不能完全排尽。操作时要注意:①集气导管应尽量接近集气瓶底;②在空气中易被氧化的气体不宜用排气法,如一氧化氮(NO)。排气集气法操作比较简便,但所收集气体的纯度不如排水集气法,特别是对于其密度与空气密度相近的那些气体,如一氧化碳(CO),采用排空气法难以收集到纯净的气体。
过滤 是用来将悬浊液中的固体同液体分离的一种方法。所需使用的仪器有漏斗、滤纸、漏斗架或铁架台、烧杯和玻璃棒。过滤的操作分三步:①过滤器的准备(见图)。取一张圆形滤纸先折成半圆,再折成四等份,然后打开成圆锥形,把圆锥形的滤纸尖端向下,放入漏斗里,然后用手压住,用水润湿,使滤纸紧贴着漏斗的内壁。②过滤。(见图)把过滤器放在铁架台的铁圈(或漏斗架)上,使液体沿着玻璃棒流进过滤器。③洗涤沉淀。向漏斗中注入少量水,使水刚刚浸过沉淀物,等水滤出后,再次加少量水洗涤,连洗几次,即可把沉淀洗干净。
在操作时要注意:①滤纸的边缘应比漏斗口稍低(约低5mm);②滤纸应紧贴漏斗壁,中间无气泡;③漏斗下端的管口靠紧烧杯的内壁;④用玻璃棒引流(玻棒的末端要轻轻地斜靠在有三层滤纸的一边);⑤控制倾倒溶液的速度,漏斗里的液体的液面不能超过漏斗的边缘,否则液体会从滤纸和漏斗壁之间流下,使固体混入滤液。若过滤速度太慢,主要原因是:①过滤器组装得不好,滤纸折叠后应在三层上沿处撕去一小角,展开成喇叭斗形,然后紧贴在漏斗的壁上,滤纸与漏斗壁之间不得有空隙;②过滤时漏斗颈部有气泡;③漏斗颈部下端没有贴靠在接收滤液容器的内壁上。排除了这些因素,就可以加快过滤速度。
蒸发 使液体变为蒸气,并使液体的体积慢慢变小的一种实验操作。所用仪器有:蒸发皿、玻璃棒、酒精灯、三角架或铁架台。装置见图。
操作时先调节铁圈的高度,以便利用酒精灯的外焰加热蒸发皿。将溶液倒入蒸发皿中,再把蒸发皿放入铁架台的铁圈上;点燃酒精灯,加热时要用玻璃棒不断搅拌液体,以免液体局部过热,造成液滴飞溅。等到蒸发皿中出现多量固体时,就停止加热。使用蒸发皿时应注意,注入溶液的量不得超过其容量的2/3,以防液体溅出。如果液体的量多,蒸发皿一次盛不下,可随水分的不断蒸发而继续添加液体。停止加热后,不要使蒸发皿骤冷,以免炸裂。
玻璃仪器的洗涤 做完化学实验,应及时将用过的玻璃仪器清洗干净。一般情况下,可用试管刷和水来刷洗。以刷洗试管为例,先将试管中的废液,废渣倒掉(倒入指定的容器中,以保护环境),然后注入半试管水,稍用力振荡(见图),把水倒掉,照这样清洗数次。如果管壁上沾有不易洗掉的物质,应使用合适的毛刷在盛有水的试管里来回柔力刷洗,不要用力过猛,以免将试管底捅破。刷洗后,再用水连续冲洗数次。若试管壁上附有油污,可蘸少量洗衣粉或洗涤剂刷洗,也可用热的纯碱液刷洗,然后用水把试管冲洗干净。
用水或洗衣粉等都洗刷不掉的粘在玻璃仪器上的特殊污物,可根据具体情况,选用适当的药物,通过化学反应除去(见表):
一定百分比浓度溶液的配制 百分比浓度是质量百分比浓度的简称(参看 根据溶液百分比浓度的计算)。配制溶液时的所用溶质可以是固体物质,也可以是液体物质。如果是由固体溶质来配制,所需仪器有烧杯、量筒、托盘天平、玻璃棒。步骤是:①根据百分比浓度溶液的计算公式计算出配制一定质量溶液所需的固体溶质的用量及水的质量;②用托盘天平称取所需的固体的质量,将其倒入烧杯中;③根据水的密度近似为1克/厘米3的性质,直接用量筒量取所需蒸馏水的量,注入盛有固体溶质的烧杯中;④用玻璃棒轻轻搅动使固体溶解;⑤将配得的溶液倒入试剂瓶中。贴上标签,备用。用结晶水合物配制一定质量百分比浓度时,要注意将结晶水的质量从溶质中减去,计入所需的蒸馏水的质量中。如果用液体溶质配制溶液,需先根据溶质的密度计算出一定质量的溶质的毫升数,再用量筒来量取溶质的体积,其它操作方法及顺序与固体溶质相同。
水槽的使用 化学实验室一般是用水槽做排水法收集气体时的贮水容器。玻璃水槽常为圆形,塑料水槽一般为长方形。水槽有大小不同的多种规格,可根据需要进行选用。水槽不能加热,也不能盛放温度较高的热水。使用水槽做排水法集气时,水槽内盛1/3容积的水,水量不宜太多。
漏斗的使用 一般漏斗为玻璃制品,形状是锥形,下端的颈较短。这种漏斗主要用做过滤器,或向小口径容器里加液体。用漏斗做过滤器时,应按以下要求和步骤进行操作:(1)选择与漏斗大小相匹配的滤纸。滤纸折叠后放入漏斗里其边缘要比漏斗口稍低(约5mm)。取圆形滤纸,对折两次,打开成圆锥形,锥尖朝下放入漏斗,用食指把滤纸按在漏斗内壁上,淋上少许水润湿,使滤纸紧贴漏斗壁,不能有气泡。(2)把漏斗放在漏斗架(或铁架台的铁圈)上,调整漏斗的高度,使漏斗颈口紧靠烧杯内壁,使滤液能沿着烧杯壁流下。(3)过滤时,把玻璃棒末端轻轻地斜靠在三层滤纸一侧,使被滤液体沿着玻璃棒流下。注入过滤器内的液体液面要低于滤纸边缘约3mm。
蒸发皿的使用 蒸发皿是一种口大、浅槽、圆底的瓷制器皿。实验室里常用于蒸发(参看蒸发)、浓缩液体或干炒固体。给蒸发皿加热时,一般应隔着石棉网,也可预热后放在铁圈上直接加热。蒸发皿能耐高温,但不耐骤冷骤热。热的蒸发皿要用坩埚钳夹持,不能用手拿取,以防烫伤。
托盘天平的使用 托盘天平是实验室里用于称量物质质量的仪器。每一台天平都有与其相配套的砝码盒,砝码质量最小的为1克,小于1克质量的是片码,有100毫克、200毫克、500毫克等多种。也有的托盘天平只有5克以上的硅码,称量5克以下质量时,是用移动游砝的办法。使用托盘天平称量物质前,有游码的托盘天平应先把游码放在刻度尺的零处,然后检查天平的摆动是否达到平衡。如果天平达到平衡,静止时指针指在刻度尺的中间(零处),摆动时在刻度尺左右两边摆动的格数接近相等。如果天平未达平衡,可以调节左右托盘下的螺母,使摆动时达平衡。称量时,被称物品放在左盘上,砝码放在右盘,先加质量大的砝码,后加质量小的砝码,最后加片码(移动游码)。取用砝码应使用镊子。若称量指定质量的物质时,应先将该质量的砝码和片码(或游码)放在左盘上,然后往右盘上加被称物质,当被称物质的质量接近所需质量时,可左手拿药匙,右手轻拍左手,用振动药匙的方法使少量物质散落下来至天平平衡。为防止化学药品对托盘的腐蚀和污染,药品不能直接放在托盘上称量,可放入烧杯、蒸发皿和表面皿等容器中。也可使用纸片,称量前在两个托盘上各放一张质量相近的洁净纸片。称量后要及时记录被称物的质量数。称量完毕,应把砝码和镊子放回砝码盒,把游砝移回零处。
酸碱指示剂 用于检验溶液酸碱性的指示剂叫酸碱指示剂。常用的有石蕊、酚酞和甲基橙等。它们都是一些有机化合物①,能与酸或碱溶液起作用,反应后将显示出不同的颜色,从而可以确定溶液的酸性或碱性。
石蕊试液的使用 石蕊试液是石蕊的稀水溶液。颜色呈紫色。在酸性溶液里呈红色,在碱性溶液里呈蓝色。一般石蕊试液盛入滴瓶中使用。用石蕊试液试验溶液的酸碱性时,可用试管取2-3毫升被测溶液,滴加几滴石蕊试液,振荡后,观察溶液颜色。
石蕊试纸的使用 石蕊试纸分蓝色石蕊试纸和红色石蕊试纸两种。蓝色石蕊试纸用于检验酸性物质,红色石蕊试纸用于检验碱性物质。用石蕊试纸检验溶液的酸碱性时,是用玻璃棒蘸取被测溶液于石蕊试纸上,石蕊试纸即会有颜色变化。用石蕊试纸检验气体的酸碱性时,先将石蕊试纸用蒸馏水润湿,再将试纸悬于盛装气体或产生气体的仪器口部,气体接触试纸后,试纸即会有颜色变化。石蕊试纸应保存在干燥洁净的广口瓶里,要用洁净的镊子夹取试纸,用毕要把瓶盖盖严。
酚酞试液的使用 酚酞不溶于水,易溶于酒精。酚酞试液是酚酞的酒精溶液,无色。酚酞试液在碱性溶液里呈红色,在酸性和中性溶液里为无色。使用酚酞试液检验溶液的酸碱性时,用试管取2-3毫升被测溶液,滴加几滴酚酞试液,振荡后,观察溶液的颜色变化。用滤纸浸蘸酚酞试液,晾干后即为酚酞试纸。使用方法与使用石蕊试纸一样(参看石蕊试纸的使用)。
pH试纸的使用 广泛pH试纸是用来测定pH1-14范围内的溶液的pH值。不同酸碱度的溶液可使pH试纸显示出不同的颜色,通过与标准比色卡对照,就可以测定出被测溶液的pH值。测定时,用玻璃棒蘸取被测溶液滴在pH试纸上,或用干净的毛细滴管吸取被测溶液,滴一滴溶液在pH试纸上,试纸变色后,与标准比色卡的颜色对照。
氧气的检验 检验一瓶气体是不是氧气,一般是用带火星的木条(余烬)复燃的方法。将带火星的木条伸入瓶内,木条复燃,发生明亮的光。从而证明瓶内盛的是氧气。此法也是检验用排空气法收集氧气时,集气瓶里是否已集满氧气的方法。检验时,把带火星的木条放在集气瓶口,观察木条是否复燃。这一方法还用于检验某些反应产生的气体是不是氧气。
氢气的验纯 化学实验中需要加热或点燃氢气时,必须先检验氢气的纯度,待确知氢气已经纯净后,才能进行上述操作。检验氢气纯度的操作方法是:用向下排空气法或排水法收集一试管氢气,集满氢气的试管用拇指堵住管口,管口朝下,立即移近酒精灯火焰,点燃试管里的氢气。点火后,根据声音判断氢气是否纯净,如果听到的是尖锐的爆鸣声,则表示氢气不纯,必须重新收集进行检验,直至听到“噗”的声音,才表明收集的氢气已经纯净,可以使用。重新收集氢气检验时,应另换一支试管进行操作,若仍使用原试管,要先用拇指堵住试管口一会儿,然后再去收集氢气进行点火验纯。
二氧化碳的检验 需要检验某化学反应产生的气体是不是二氧化碳,可以把气体经导管通入澄清的石灰水里,石灰水变浑浊,即证明该气体是二氧化碳。如果产生的气体无法用导管导入澄清石灰水里,也可以利用二氧化碳既不能燃烧,也不支持燃烧的性质,将点燃的火柴伸入被检验气体中,火柴熄灭,由此证明该气体是二氧化碳。此法也用于检验排空气法收集二氧化碳时,集气瓶里是否已充满二氧化碳。检验时,应把燃着的火柴放在集气瓶口,火柴熄灭,证明集气瓶里已充满二氧化碳。
盐酸(含氯离子)的检验 检验一种酸是不是盐酸,应分两步进行。第一步先用石蕊试液检验,能使石蕊试液变红,证明是酸;第二步 用硝酸银溶液和稀硝酸检验,有白色沉淀生成,则证明含有氯离子,反应方程式为:HCl+AgNO3=AgCl↓+HNO3。操作方法是:用试管取2毫升被检验的酸,滴加几滴紫色石蕊试液,溶液由紫色变成红色;用另一支试管取2毫升被检验的酸,滴加几滴硝酸银溶液和1毫升稀硝酸,振荡,产生白色沉淀。由此即可证明被检验的酸是盐酸。检验盐酸的第二步操作也是可溶性氯化物(即氯离子)的检验方法。
硫酸(含硫酸根离子)的检验 检验一种酸是不是硫酸,首先要用石蕊试液检验,证明它是酸;再用氯化钡溶液和稀盐酸检验,若生成白色沉淀,则证明它含有硫酸根离子,化学方程式为:H2SO4+BaCl2=BaSO4↓+2HCl。操作方法:用试管取2毫升被检验的酸(稀酸),加几滴紫色石蕊试液,溶液变红;用另一支试管取2毫升被检验的酸,加几滴氯化钡溶液和1毫升稀盐酸,振荡,有白色沉淀生成。由此证明被检验的酸是硫酸。检验硫酸的第二步操作也是可溶性硫酸盐(硫酸根离子)的检验方法。
碳酸盐的检验 碳酸盐与盐酸反应可以生成能使澄清石灰水变浑浊的二氧化碳,利用这一反应可以检验碳酸盐。方法是:把碳酸盐放入试管里,加入2-3毫升稀盐酸,立即用带导管的胶塞塞紧试管,将反应生成的气体通入澄清石灰水里,观察澄清石灰水变浑浊。
水样酸碱性的测定 取一条pH试纸,用玻璃棒蘸取待测水样或用滴管吸取少量水样,滴在pH试纸上,试纸颜色变化后跟比色卡对照,判断出水样的酸碱性。测定另一种水样时,应另取一条pH试纸试验。
土样酸碱性的测定 取待测土样10克放在烧杯里,加50毫升蒸馏水,用玻璃棒充分搅拌,静置一会儿,使土样沉降,溶液的上层为澄清液。用玻璃棒蘸取澄清液滴在pH试纸上,试纸颜色变化后跟比色卡对照,判断出该土样的pH值。
盐的溶解度的测定 这个实验的目的是学习盐的溶解度的测定方法。它是中学化学实验中的一个定量实验,通过实验中所测定的数据计算出盐的溶解度。本实验测定的是室温下硝酸钾的溶解度。操作方法:(1)称量实验中使用的蒸发皿质量。蒸发皿要干燥、洁净,在托盘天平上称重后记录下它的质量a。(2)制备室温时的硝酸钾饱和溶液。用量筒量取10毫升蒸馏水倒入试管里,然后向试管里分次少量地加硝酸钾晶体,边加边搅拌,直到5分钟内加入的硝酸钾不再溶解为止。记录室温℃。(3)称量硝酸钾饱和溶液的质量。将试管里的硝酸钾饱和溶液倒入已称好质量的蒸发皿里(千万不要把未溶解的硝酸钾晶体也倒入蒸发皿内),然后称重。记录蒸发皿加硝酸钾饱和溶液的质量b。(4)蒸发硝酸钾饱和溶液。把蒸发皿放在铁架台上,用酒精灯给蒸发皿加热。加热时要用玻璃棒不断搅拌溶液,防止由于局部过热使溶液飞溅出来,当加热到蒸发皿里有较多硝酸钾晶体析出时,要改用小火,水分完全蒸干即停止加热。(5)称量硝酸钾饱和溶液里所含硝酸钾的质量。蒸发皿冷却至室温时称重。有条件时可将蒸发皿放在干燥器里冷却。称重后的蒸发皿应再放置一会儿再称重,直至连续两次称量的质量差不超过0.1克。记录蒸发皿加硝酸钾晶体的质量c。(6)计算硝酸钾在所测室温下的溶解度。计算公式:
其中 c-a为溶质硝酸钾的质量,b-c为溶剂水的质量。
几种常见有机物的简易鉴别 酒精:有酒香气味;在干燥的蒸发皿里注入几毫升酒精,将蒸发皿放置在石棉网上,用火柴点燃蒸发皿里的酒精,发出淡蓝色的火焰。醋酸:有强烈的刺激性气味;能使蓝色石蕊试液变红。淀粉:在试管里放少量淀粉溶液,滴加2-3滴新制碘水,有蓝色出现。蛋白质:(1)在试管里加少量蛋白质溶液,加几滴浓硝酸,微热,有黄色沉淀析出。(2)取毛料上的几根毛线,在火焰上灼烧,有烧焦羽毛的气味。
实验现象的观察 实验过程中对实验现象进行全面、准确的观察,才能总结出正确可靠的实验结论。正确的良好的观察方法是:(1)要既全面而又有主次地进行观察。全面地观察就是指对参加反应的物质、物质的变化过程、变化条件、实验所使用的仪器装置及反应结果都进行观察,以获得对化学实验的完整的认识。一个化学变化常伴随有多种现象发生,要会根据实验目的抓住最主要的现象进行仔细认真的观察。(2)掌握观察的顺序和内容。观察的顺序一般是先观察仪器装置,再观察各种反应物,而后观察物质变化从开始到结束的全过程,最后观察生成物。具体的观察内容包括有:反应物和生成物的颜色、状态、硬度、气味、密度、溶解性等物理性质,反应过程中产生的颜色、气味、光、热、声、燃烧、爆炸、溶解、沉淀、气体等变化特征。(3)观察的同时要进行积极的思维。在观察实验现象的同时,要运用所学知识和技能,对实验的现象进行分析、综合、推理和判断,从而把观察到的现象从感性认识上升到理性认识。
实验现象的记录 做实验现象记录的目的是为了实验后对观察到的实验现象进行分析和研究,从而得出科学的结论。因此对实验现象的记录必须全面、准确、层次清楚。记录的内容应包括实验所使用的仪器装置、实验用品、试剂的规格的用量、实验条件、操作方法及实验过程中出现的各种现象。实验记录的格式可以灵活,但记录的文字要简练,应尽量正确地使用化学专业术语、各种化学符号、化学方程式和标准的计量单位,有时也可使用图表等手段,记录实验现象要实事求是,绝不允许虚构事实,拚凑数据。记录实验现象时不要记实验原理和对实验现象的解释说明或实验结论,这些工作应待实验后书写实验报告时去解决。
书写实验报告 实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、同组人姓名、实验时间、实验目的、实验用品、仪器装置、实验步骤、实验现象、现象的解释、结论及化学方程式、问题讨论等多项内容。书写实验报告的格式可以用表格式也可以用文字叙述式。表格式的实验报告又可根据实验内容写成多种式样。如:
化学实验报告
班级______姓名______日期______
实验名称:
实验目的:
化学实验报告
实验名称:
实验目的:
实验用品:
实验记录和分析:
问题的讨论:
实验室规则 为了保证能在实验室里顺利地进行实验,获得良好的实验效果,上实验课时应遵守以下规则:(1)上实验课前,要认真预习实验内容,理解实验目的,明确实验要求和实验步骤以及注意事项。(2)做实验前,要检查实验用品是否齐全,仪器是否完好。(3)做实验时,要按照规定的实验内容和步骤进行实验,严格遵守操作规程,注意安全,节约药品,遵守纪律,爱护公物,尊重教师的指导。(4)实验过程中要仔细观察实验现象,及时做好记录。实验后根据实验记录认真写出实验报告。(5)实验结束后,要拆卸实验装置,倒掉仪器中的废液废渣(倒入指定的容器中,以免污染环境),将仪器清洗干净并放回原处。做好实验室的清洁整理工作,洗净双手后,方可离开实验室。
电子显微镜 这是一种利用电场和磁场来控制电子束以代替光线的显微镜。它是由一个电子源和几组电磁透镜组成。电子源发出的电子通过聚光镜聚成电子束射到标本上,物镜把透过标本的电子聚焦成像,然后再经过中间的一些透镜将影像连续放大,最后在荧光屏上得到高度放大的图像或使胶片感光制成电子显微照片。电子显微镜能够把物体放大几十万倍甚至百万倍以上,这样就能使各种在光学显微镜下看不见的极小物体如病毒、单个分子、原子以及金属材料的晶格结构等可以直接“看”到了。
启普发生器的使用 启普发生器是一种实验室里制取气体的仪器装置,是由荷兰人启普设计的(参看 启普),因此就以他的名字命名为启普发生器。该装置是由球形漏斗、容器和导气管三部分组成。容器部分的上部为球形体,下部为半球形体,球形体上有一出气口,在此插导气管,半球体上有一排液口。利用启普发生器可以制取氢气、二氧化碳等气体。凡是在常温下用块状固体与液体进行反应制备的气体都可以使用这种发生器①。块状固体由出气口加入,液体由球形漏斗加入。使用时旋开导气管上的活塞,液体从球形漏斗流下,进入容器里与固体反应物接触发生反应,产生的气体从导气管放出。不用气时,关闭导气管活塞,容器内气体压强增大,把液体压回球形漏斗里,使液体与固体脱离接触,反应即自行停止。因此启普发生器可以随时使反应发生,也可以随时使反应停止。
使用固体药品制备气体的仪器装置 实验室里制取气体,反应物是固体,反应是在加热的条件下进行,制气的仪器装置一般是用带橡皮塞和导气管的试管,如图所示。如制备氧气、氨气和甲烷等气体时,都是使用这套装置。制气时,试管口应略向下倾斜,这是为了防止固体受热时有水凝聚于试管口后倒流,使灼热的试管炸裂。为了使反应物能充分反应,应将药品均匀铺开。要先给试管均匀预热然后再给有固体药品的部位加热。若用排水法收集气体时,制气结束应先将导气管从水槽中取出,再撤去酒精灯停止加热。
使用固体和液体药品制备气体的仪器装置 在实验室里使用固体和液体反应物在常温下制取气体,如氢气、二氧化碳等,可以使用启普发生器(参看启普发生器)。制取少量的这类气体时,可用简易的制气装置,它的装置原理与启普发生器一样,见图(a)。试管里托着固体反应物的是一片中间有孔的塑料板,长颈漏斗的下口接近试管底,导气管上有一弹簧夹,用它来控制气体的发生和停止。图(b)是制备这类气体的更简易装置。使用固体和液体药品在加热的条件下制备气体时,使用的是图(c)所示的装置。如实验室制备氯气、氯化氢等。烧瓶里放固体反应物,分液漏斗里放液体反应物。制气时,将液体逐滴加入。
尾气吸收装置 由气体发生器生成的有毒气体,经使用后剩余的尾气不能逸散到空气里,应使用合适的吸收剂进行吸收。吸收少量的尾气可用烧杯、广口瓶等简单装置。气体导管要插入吸收剂中并接近容器的底部,气体流速不能太快。若吸收少量极易溶解的气体时,可使用如图所示的装置,漏斗的边缘没入吸收液面里约2-3毫米。尾气通过倒置的漏斗进入吸收液里。这种装置既可防止吸收液倒流入气体发生器里又可增大吸收面提高吸收效率。
气体的干燥装置 干燥气体的干燥剂有固体干燥剂如无水氯化钙、碱石灰等和液体干燥剂如浓硫酸。用固体干燥剂干燥气体,常用的干燥装置是干燥管、U形管和干燥塔,如图(a)、(b)、(c)所示。干燥管的粗管口为进气口,细管口为出气口。粗管口要配一带导管的单孔塞,干燥剂要充满干燥管的球形体,为防止干燥剂的细小颗粒被吹出,混入干燥的气体里,细管口处应放少量脱脂棉。用U形管做干燥装置,干燥剂应将U形管两臂填装近满,两臂的干燥剂上方塞少量脱脂棉。用液体干燥剂干燥气体的装置,常用的有洗气瓶和配塞广口瓶,如图(d)、(e)所示。瓶内长导管为进气管,短导管为出气管,两者不能接反。瓶里装的干燥剂不能太多,一般约为容积的1/5。
气体的干燥剂 实验室里常用于干燥气体的干燥剂有浓硫酸、五氧化二磷、碱石灰和无水氯化钙等,这些物质都能较好地吸收混入气体中的水分。使用时,应根据干燥剂的特性和被干燥的气体的性质进行选择。如,氨气显碱性,不能用呈酸性的浓硫酸和五氧化二磷进行干燥;氨气能与氯化钙发生反应生成络合物(CaC2·8NH3),因此也不能使用无水氯化钙来干燥氨气。二氧化碳、二氧化硫和硫化氢等酸性气体不能用碱石灰做干燥剂。氯气能与碱石灰发生反应生成钠、钙的氯化物和次氯酸盐,所以不能使用碱石灰来干燥氯气。硫化氢是具有还原性的物质能与浓硫酸发生氧化还原反应,因此浓硫酸也不能做硫化氢气体的干燥剂。
实验室安全 1.在实验室里要严格按照实验要求进行实验,要确保安全。2.化学药品多数都有毒或有腐蚀性,一般不能用手触摸,绝对不能品尝。闻药品气味时应用手把气体扇进鼻孔,不能把鼻孔凑到容器口去闻气味。在实验室里不准喝水和吃东西。3.使用浓酸、浓碱要特别小心,要防止沾到皮肤上或衣服上。如果有少量浓酸(特别是浓硫酸)不慎溅到皮肤上,应先用布擦去,再用大量自来水冲洗,再涂上3-5%的碳酸氢钠溶液。如果浓碱沾到皮肤上,也先要用大量水冲洗,再涂上硼酸溶液。万一眼睛里溅进少量酸碱溶液,要立即用水冲洗,必要时请医生治疗。废酸、废碱要倒进废液缸里,或指定的容器里。4.要注意防火。点火后的火柴梗不能乱丢,要放到指定容器中。使用酒精灯时若不慎打翻,洒出的酒精在桌上燃着,应立即用温布扑盖熄灭。5.使用玻璃仪器要轻拿轻放。往铁架台的铁夹上夹持仪器或将玻璃管往胶塞(胶管)里插入时,不能用力过猛,以防将仪器夹碎或使玻璃管折断把手刺破。6.防止触电。不能用湿布去擦拭电器或电源开关。
实验室制取氧气 在实验室里,通常采用加热氯酸钾或高锰酸钾的方法制取氧气(反应原理参看氧气的实验室制法),使用的是用固体药品制备气体的装置(参看使用固体药品制备气体的仪器装置)。操作方法:(1)制气前先检查装置的气密性。不漏气的装置才能进行实验。(2)把氯酸钾和二氧化锰的混合物或高锰酸钾放入试管里。如果实验使用的是高锰酸钾,在试管口处要放一团棉花,以防止加热时高锰酸钾粉末冲进导管。然后用带导管的塞子塞紧试管口,将试管固定在铁架台上。(3)准备好集气装置。若要收集纯净的氧气,应使用排水集气法收集(参看排水集气法)。(4)给试管加热。先均匀预热试管,再固定给有药品的部位加热,要等装置里的空气排净后再向集气瓶里收集氧气。(5)若用排水法收集氧气,当停止加热时,要先把导管从水槽里移出,再熄灭酒精灯。
实验室制取氢气 在实验室里,是利用锌粒跟稀硫酸反应制取氢气(反应原理参看氢气的实验室制法)。使用的是常温下固体和液体药品反应制取气体的装置(参看启普发生器)。制取少量氢气时,可使用简易的制气装置(参看使用固体和液体药品反应制备气体的仪器装置)。用此装置制取氢气的操作方法是:(1)检查装置的气密性。(2)往试管里放几粒锌,注入约1/3试管容积的稀硫酸,立即用带有导管的胶塞塞紧试管口,把试管固定在铁架台上。(3)用排水法(参看排水集气法)或向下排气法(参看排空气集气法)收集氢气。如果需要收集纯净的氢气,应先进行氢气的验纯,然后再往集气瓶里集气或进行氢气的性质实验。
实验室制取二氧化碳 实验室里是用大理石(或石灰石)和稀盐酸反应制取二氧化碳(反应原理参看二氧化碳的实验室制法),实验装置是用常温下固体和液体药品反应制取气体的仪器装置(参看使用固体和液体药品制备气体的仪器装置)。如果制备较多量的二氧化碳,也可用平底烧瓶、锥形瓶等仪器代替试管。操作方法:(1)装置连接好后,检查装置的气密性。(2)往试管(或烧瓶)里放几块大理石(小心!让大理石慢慢滑入),然后注入稀盐酸,立即用带有导管的橡皮塞塞紧管口。(3)用向上排空气法收集二氧化碳(参看排空气集气法)。用燃着的木条检验集气瓶里的二氧化碳是否集满。
① 石蕊是由地在制得的蓝色素,主要成分为石蕊精和地衣红(素)。 ① 固体试剂遇液体容易粉碎的,如电石(主要成分CaC2),不可使用启普发生器。
空气的成分 空气是具有一定组成的气体混合物,包围在地球周围,其密度随高度的增加按指数律减少,离地面越高,空气越稀薄,逐渐向星际空间过渡。总质量约为5.3×1018千克,其中99.999%集中在离地面80千米以下。由于大气的运动和地球表面的性质不同(如海洋、沙漠等),空气的成分存在着地区性差异,但垂直方向的变化比水平方向变化要大得多。大约在85千米以下的大气层称均质层,其中氮气(N2)、氧气(O2)、稀有气体是基本不变的成分,它们各自所占的体积在各高度上基本相同。二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)、水蒸气(H2O)和其它一些污染性气体(如硫化氢(H2S)、二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)、氨(NH3)等)是可变气体,受地区、气候、森林覆盖面积和工业发展状况等因素的影响,其成分发生着不同的变化。除气体成分外,空气中悬浮着灰尘、烟尘、雾等,这些颗粒物质受地区、天气条件的影响更大。均质层中干洁空气的平均分子量为28.96,其主要成分如下表,其它气体含量微少。
随着工业的发展和化石燃料耗量的增加,二氧化碳和其它污染性气体的含量将日渐增多。
早在17世纪中叶以前,人们对空气的认识还是模糊的。空气成分的发现经历了漫长的过程(参看氮的发现、氧气的发现、稀有气体的发现)。
空气现在的成分是长期以来自然界各种变化长期作用的结果。原始的大气是以二氧化碳、一氧化碳、氮气、氢气为主的,绿色植物出现以后,由于光合作用,才形成以氮气和氧气为主的现代空气。
氮气 常压下为无色、无臭、无味的气体。熔点-209.86℃,沸点-195.8℃。0℃、1标准大气压下气体密度为1.25克/升,微溶于水。它是空气的主要成分,占空气体积的78%。氮气在自然界存在着以下循环过程:一些豆科作物的根瘤菌把空气中的氮转化为氮的化合物,被作物吸收后形成蛋白质;闪电使氮气和氧气反应,被雨水带入土壤形成含氮的化合物;合成氨工业将氮气和氢气制成氨气;这些都使氮得到固定。植物从土壤中吸收氮肥转化为蛋白质,动物食用植物又转化为动物蛋白质,动植物腐烂分解和土壤中的反硝化细菌又使氮释放到空气中去。氮气在空气中的浓度基本不变就是上述循环平衡的结果。空气是氮气的主要来源,工业上大量制取氮气的方法是液态空气分馏法。基本做法是:将空气深度冷冻,使之液化,然后精馏分离,先得到液氧,然后可得到98%以上的液氮。将氮气以150大气压的压力装入钢瓶运输使用,大量使用时可通过管道输送。氮气的化学性质不活泼,高温下可与氧气反应;在高温、高压和催化剂作用下与氢化合;高温下还能和一些金属形成氮化物。点燃镁条时冒出的白烟,就是氮气与镁作用的结果。氮气主要用于合成氨,进而制成各种氮肥。还可制备氮化物、氰化物、硝酸及硝酸盐等。利用氮气的不活泼性,可用做保护性气体,如充填灯泡和特殊要求的车辆轮胎,食品防腐,焊接防氧化等。还可用于塑料橡胶中的发泡剂。液氮可作冷冻剂。
稀有气体 氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)6种气体因为在空气中含量极少,又都是气体,故称稀有气体,属周期表中零族元素。它们都是无色、无臭、无味的气体,微溶于水。最外层电子数目除氦为2个外,其余都是8个,通常称这种结构为8电子稳定结构,各电子层都排满了电子,各原子之间不能形成化学键,因而气体分子是由单原子构成的,熔点和沸点都很低,化学性质不活泼,故过去又称之为惰性气体。自1962年首次合成稀有气体化合物以来,至今不过几百种,主要是氙的化合物及氪的化合物、氡的化合物,氦、氖、氩至今尚未合成出化合物。除氡以外,都可以采用深度冷冻法由空气分离制得;氦还可以由天然气深度冷冻提取出来;由核反应堆裂变气中可以提取氩、氙;氡可以从镭盐中提取。稀有气体性质独特,用途广泛。五光十色的霓虹灯就是在灯管里通入稀有气体制成的。灯管里通入氩气,通电时发出紫蓝色光;充入氦气发出粉红色光;充入氖气发出红光。氖光灯的红光能穿透浓雾,一般用来做航空、航海的指示灯。在石英玻璃管中充入氙气,通电后发出的光比荧光灯强几万倍,称为“人造小太阳”,可用来做体育场、飞机场和照明灯。用氦气灌装气球、气艇,比用氢气安全;氦气还用于航天器的液体推进剂的加压气体。液氦是最冷的物质,可用做低温源。氦-氧混合气用于潜水作业,可避免潜水病。氦-氖可用于气体激光器。氩-氢弧能达到10000℃的高温,可切割高镍钢合金。
空气污染 又称大气污染。是指大气中污染物的浓度达到了有害程度的现象。大气中污染物主要有硫化物(如SO2、H2S)、氮的氧化物(如NO、NO2)、碳的氧化物(如CO、CO2)、碳氢化合物、放射性物质、粉尘、烟尘等。另外碳氢化合物和氮氧化合物受太阳光紫外线照射,产生光化学烟雾,为二次污染物,其危害性更严重。大气污染对人体有直接影响,成年人每天需要十几公斤空气,长期吸入受低浓度污染物侵袭的空气,可造成体质下降,导致某些慢性疾病的发生。严重污染的空气进入人体,可导致呼吸道、心血管、神经系统等疾病,甚至发生急性中毒或死亡。如果空气污染超过植物的忍耐限度,会使植物的细胞和组织器官受到伤害,生理功能和生长发育受阻,品质变坏,种群消失。对农作物的直接影响是产量下降,甚至颗粒不收。大气污染还能加重对金属的腐蚀,侵蚀建筑材料,损坏艺术品,加速有机材料的老化,粉尘等颗粒物质使高压输电线短路等。二氧化碳浓度增大,吸收地面的热辐射,使大气温度升高,引起气候变暖,这种现象被称为“温室效应”。大气污染物还会随雨水造成水污染和土壤污染。
防治空气污染 空气是地球上一切生物赖以生存的重要物质条件之一。当前空气污染已经是地区性全球性的问题,只有从整个区域大气污染状况出发,统一规划并综合运用各种防治措施,才可能有效地控制空气污染。燃烧过程产生的有害物质是大气中的主要污染物,通过改变燃料组成和能源结构,改进燃烧装置和技术,安装消烟除尘装置,发展集中供热和区域采暖,可以改善局部地区的大气污染。对工业生产中的有害气体,可采用吸收、吸附、催化转化等方法消除。工业粉尘可采用除尘和集尘技术和装置除掉。在机动车上安装催化净化装置可以减少有害气体的排放。还要大力发展绿化,植物具有美化环境、调节气候、截留粉尘、吸收大气中有害气体的功能。大面积的绿地,可以长时间地、连续地净化空气。
氧气的物理性质 通常状况下,氧气为无色、无臭、无味的气体。熔点-218.4℃;沸点-182.96℃。在标准状况下(0℃,大气压强为1.013×105帕)气体密度为1.429克/升,比空气略重。微溶于水,0℃氧气压强为1.013×105帕时,1升水能溶解49毫升的氧气,这是水中生物生存的保证。在大气压强为1.013×105帕时,降低气体温度,到沸点时,开始变为淡蓝色液体,称为“液氧”,在熔点时“液氧”变成雪花状的淡蓝色固体。
氧气的化学性质 氧气的化学性质比较活泼,除某些稀有气体外的所有化学元素都能与氧气在一定条件下直接或间接地化合,生成相应的氧化物。在日常生活中的很多现象,如铁生锈;铝制品表面致密氧化膜的形成;以及发生在动物体内的呼吸作用都是常温下这些物质与氧气作用的结果。
4Fe+3O2 潮湿的空气= 2Fe2O3①
4Al+3O2 = 2Al2O3
C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O
在点燃或加热的条件下,氧气可以和某些金属单质反应,生成相应的金属氧化物。
3Fe+2O2 Fe3O4
2Mg+O2 2MgO
还可以和某些非金属单质反应,生成相应的非金属氧化物。
C+O2 CO2
2C+O2(不足) 2CO
S+O2 SO2
4P+5O2 2P2O5
Si+O2 SiO2
氧气和某些可燃性气体在常温下反应极慢(如O2和H2的混合气体可以几年不反应),但这类混合气体一经点燃则会发生猛烈爆炸。
2H2+O2 2H2O(氢氧爆鸣气)
CH4+2O2 CO2+2H2O(天然气爆炸)
乙炔(C2H2俗名电石气)在氧气里燃烧的火焰--氧炔焰温度可达3000℃,可以用来焊接(“气焊”)或割断金属(“气割”)。
2C2H2+5O2 4CO2+2H2O
(参看氧气的用途)
氧气的用途 氧气是动植物维持生命和燃烧过程必需的气体,人类和动物的生存依赖氧气。危重病人要进行输氧抢救、空间技术、潜水和登山活动都需用氧气。除此之外,氧气在化工、冶金和航空技术上具有广泛用途。①在化学工业中是一种重要的氧化剂,用于水煤气的生产,炔类的部分氧化等。②炼钢时吹入高纯氧,可去除碳、硫、磷等杂质,加快冶炼速度,提高钢产量和质量。③和乙炔或氢气一起获得高温火焰,用以切割和焊接金属。④液氧是现代火箭推进剂的一种氧化剂,还可制液氧炸药用于采矿爆破。⑤在环境保护中用于污水的生物化学处理。
氧气的实验室制法 将某些含氧化合物加热分解是实验室制取氧气的主要方法。常用的含氧化合物为氯酸钾或高锰酸钾。用高锰酸钾制氧气的方法简便、安全,但是原料的价格较高,利用率低,高锰酸钾分解时化合态的氧元素没有全部转化成游离态的氧元素(即氧气):
2KMnO4 K2MnO4+MnO2+O2↑①
用氯酸钾分解制氧气,如果单独加热氯酸钾,到356℃才熔化,400℃才开始缓慢分解放出氧气。为了加快氯酸钾的分解速度和降低分解温度,常常需要加入二氧化锰作催化剂:
当实验室用氯酸钾制氧气而没有二氧化锰时,可用少量的高锰酸钾代替。在反应中高锰酸钾分解产物二氧化锰(见化学方程式①)可以在氯酸钾的分解反应中(见化学方程式②)起催化剂作用。实验室制取氧气的装置如图。由于氧气不易溶于水,可用排水法收集;由于氧气的密度大于空气,可用向上排气法收集。验满的方法是:将带火星的木条接近集气瓶口,若木条复燃,证明集气瓶里已充满氧气。
另外,在实验室还可用其它化学反应制取氧气,如过氧化氢分解:
2H2O2 2H2O+O2↑
过氧化钠(Na2O2)与水反应也可得到O2。过氧化钠等过氧化物是市场上“氧立得”中产生氧气的主要物质。
氧气的工业制法 工业上大规模生产氧气广泛采用液态空气分馏法。首先使空气通过过滤器除去尘埃等固体杂质,进入压缩机压缩,再经过分子筛净化器除去水蒸气和二氧化碳等杂质气体。在这里分子筛可使氮气、氧气等较小分子通过,起到筛选分子的作用。然后进行冷却、降压,当温度降至-170℃左右时,空气开始部分液化进入精馏塔,根据空气中各气体的不同沸点进行分馏。液态氧的沸点比液态氮的沸点高,两者相比液氮更易气化。经多步分馏可以得到99%以上的纯氧,同时得到氮气和提取稀有气体的原料。这种方法工艺复杂。如果需用纯度不高的氧气,可用分子筛吸附法分离空气,制得氧气。特定的分子筛对氮的吸附能力比氧大,当空气通过分子筛床后,流出的气体含氧量较高,经多次吸附可得含氧70-80%的气体。这种方法是常温操作,循环周期短,易于实现自动化。另外,如需高纯度氧气,可采用电解水法生产,此法成本高,只适于小型生产。从空气中分离出的氧气,一般是加压贮存在天蓝色的钢瓶中,以供工业、医疗或其它方面使用。
水的物理性质 纯净的水是无色、无味的透明液体。在1标准大气压下,水的凝固点(熔点)为0.00℃,沸点为100.00℃。水的密度比较特殊,在0℃-4℃之间随着温度的升高密度不是减小而是增大,0℃时为0.999841克/厘米3,到4℃时达到最大值为1.000000克/厘米3,4℃以后和一般物质一样随温度升高而逐渐减小(20℃为0.998203克/厘米3;100℃时为0.958354克/厘米3)。水的这一性质使其广泛用于住宅的采暖,散热后的冷水密度大,可以对热源处的热水形成压力,形成自动循环。0℃冰的密度为0.91671克/厘米3,比同温度水的密度还小,因而水结冰时体积膨胀,这种膨胀力很大,可以冻裂水管和汽车发动机水箱,这就是冬天的夜晚汽车要放掉冷却水的原因。在河水或湖水中,结成的冰浮在水面上,可使冰下的水温处于比较稳定状态,保证了水中生物的生存。水的这种密度特性是水分子的排列结构造成的。冰的结构中,每个水分子皆以四面体顶角的方向被另外四个水分子所包围,形成一种很不紧凑的架状结构,因此冰的密度较小。冰熔化时,这种结构被拆散,水分子趋于密集,使水的密度增大。4℃后,随温度的升高,水分子振动加剧,水分子间距离增大,水的密度变小。水的这些性质是使用高纯水测定的,天然水中或多或少地含有某些杂质,其性质和高纯水比较会略有差异。
水的组成 水是由氢元素和氧元素组成的,这一结论可由电解水的实验证明。用铂电极在水中(为了增强导电性可加入少量稀硫酸)通入直流电,用试管以排水法收集两电极产生的气体,可见与电源负极相连的试管内气体体积大,与电源正极相连的试管内气体体积小。其体积比约为2∶1。体积较大的气体能燃烧,是氢气;体积较小的气体可使带火星的木条复燃,是氧气。根据电解水得到的氢气、氧气体积比为2∶1的实验事实,可推导出水的化学式,推导过程如下:
体积比: 2 ∶ 1
质量比:2×0.09克/升 1×1.429克/升
=0.18 =1.429
化 简: 1 ∶ 8
经实验测定水的式量为18,所以水的化学式为H2O,由此证明,每个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。
在古代,人们一直把水看成是构成宇宙万物的基本物质原素之一,虽然人类为了生存很早就对河水、雨水等进行了观察研究,但一直到1783年英国化学家卡文迪许把氢气和氧气放在一玻璃球里,通电合成了水,才推翻了水是化学元素的说法。
水和人类的关系 水对人类的生存和人类社会发展具有重要的意义。水是生命产生、存在、发展繁殖的基本前提。地球上现有约13.9亿立方公里的水,以液态、固态和气态分布于地面、地下和大气中,其中地面水形成了河流、湖泊、沼泽、海洋、冰川、积雪等水体。人体中含水量平均占人体重的60%以上,某些蔬菜的含量达90%以上。水是生物体维持新陈代谢的一种介质。
水是一种宝贵的自然资源。农业上灌溉田地,保证人类食物的来源;工业生产上作为原料用水,产品处理用水,加热和冷却用水,洗涤用水等,具有多方面用途。水运是现代世界主要的运输形式之一。水力发电使人类得到大量的能源;从河、湖、海洋中还可以获取大量的动植物和提取重要的矿物原料。当然,洪水泛滥也会对人们生活生产造成严重危害。
随着世界经济的发展和人口的增长,水资源已日趋短缺。虽然地球上的总水量很大,但是淡水资源却不充足。便于取用的淡水仅占地球总水量的0.2%左右,而且分布不均匀。因此水短缺可能会造成深刻的社会危机。长期以来人类兴建了大量的水利工程,加强对水的开发利用,防治水害,充分发挥水资源的综合效益。同时,水的污染和防治问题,也日益受到世界各国的重视。
水的污染 天然水包括河流、湖泊、海洋和地下水,这些水通常是不纯净的。来源不同的水其感官状态、化学成分、物理化学性能及水中生物组成也都不同。这些不属于水的污染。人类活动排放的污染物使水的物理、化学性质或生物组成发生变化,降低了水的使用价值,这种现象称为水的污染。例如:①生活污水、饲养场污水、医院污水常含有各种病原体,造成的水污染可引起痢疾、伤寒、霍乱、肝炎、血吸虫等多种疾病。②生活污水、食品加工和造纸等工业废水中含有可被微生物分解的有机物质,分解过程中消耗氧气,造成水中溶解的氧减少,影响鱼类和水生生物生长;水中溶解氧耗尽后,还会产生硫化氢等有毒气体。③某些工业废水中含有较多的氮、磷等植物所需的营养物质,排入湖泊、河口等水流缓慢的水里,会引起藻类和浮游生物迅速繁殖,使水中溶解氧下降,水质恶化,使鱼类和其它生物大量死亡。④化工厂、电镀厂等排放的废水中常含有铬、汞、铅、镉、砷、氰化物、酚类及苯类化合物和一些酸、碱、盐等化学污染物,在日本水污染引起的有机汞中毒和镉中毒,曾造成震惊世界的“水俣病”(1)和“骨痛病”。苯和酚类化合物还有致癌作用。⑤石油及其制品对海洋的污染已成为世界性的严重问题,飘浮在水面上的油膜,隔绝了大气与海水的气液交换,导致海水缺氧,影响海洋绿色植物的光合作用;石油沾污在海洋动物皮毛和海鸟羽毛上,使其丧失活动能力;石油粘附在鱼鳃上,可使鱼窒息死亡。
防治水污染 水是与人类息息相关的宝贵资源,防治水污染已成为人们日益关心的重大问题。在防治水污染方面应注意:①加强水资源的管理我国1984年和1988年分别颁布了《水污染防治法》和《中华人民共和国水法》,使我国在开发利用水资源和防治水污染方面走上了以法治水的新阶段。②提高水的利用率工业用水中一般冷却用水占70%以上,有的炼油厂冷却用水占90%以上,将这部分水和污水分开,循环使用,将大大减少水的污染,便于净化处理。③减少和限制有毒废水的排放工业要改革工艺,开展综合利用。废水的排放量和排放浓度要符合规定的标准。④加强污水的净化处理污水净化是把废水中的有毒、有害的物质分离出去,或者将其转化为无毒、无害物质。根据所贪污染物种类的不同,污水的净化方法有物理处理法、化学处理法和生物处理法,实际工作中这几种方法常常综合使用。根据处理后水质的情况,可用于农田灌溉,工业冷却用水和洗涤用水等。
氢气的物理性质 在通常情况下,氢气是一种无色、无臭、无味的气体,熔点-259.14℃,沸点-252.8℃。在标准状况下(0℃,大气压强为1.013×105帕),气体的密度为0.0899克/升,跟同体积的空气相比,约为空气质量的1/14,是最轻的气体。难溶于水,0℃、氢气压强为1.013×105帕时,1体积水中能溶解0.0214体积的氢气。在大气压强为1.013×105帕,温度为-252.8℃时,氢气变成无色液体。在-259.14℃时,能变为雪状固体。液态氢通常称为“液氢”,有超导性质。
氢气的化学性质 在常温下,氢气的化学性质是稳定的。在点燃或加热的条件下,氢气很容易和多种物质发生化学反应。纯净的氢气在点燃时,可安静燃烧,发出淡蓝色火焰,放出热量,有水生成。若在火焰上罩一干冷的烧杯,可在烧杯壁上见到水珠。
2H2+O2 2H2O
把点燃氢气的导管伸入盛满氯气的集气瓶中,氢气继续燃烧,发出苍白色火焰,放出热量,生成无色有刺激性气味的气体。该气体遇空气中的水蒸气呈雾状,溶于水得盐酸。
H2+Cl2 2HCl
氢气不但能在氧气里燃烧,而且也能在氯气里燃烧,可见氢气具有可燃性。注意,在点燃氢气之前,一定要先检验氢气的纯度,因为不纯的氢气点燃时可能发生爆炸。实验测定,氢气中混入空气,在体积百分比为H2:空气=74.2:25.8-4:96的范围内,点燃时都会发生爆炸①。氢气不但能跟氧单质反应,也能跟某些化合物里的氧发生反应。例如:将氢气通过灼热的氧化铜,可得到红色的金属铜,同时有水生成。
H2+CuO Cu+H2O
在这个反应里,氢气夺取了氧化铜中的氧,生成了水;氧化铜失去了氧,被还原成红色的铜,证明,氢气具有还原性,是很好的还原剂,氢气还可以还原其它一些金属氧化物,如三氧化钨(WO3)、;四氧化三铁(Fe3O4)、氧化铅(PbO)、氧化锌(ZnO)等。
氢气的用途 氢气是最轻的气体,最常见的用途是充填氢气球和氢气飞艇。其实氢气还是重要的化工原料。如:氢气和氮气在高温、高压、催化剂存在下可直接合成氨气,目前,全世界生产的氢气约有2/3用于合成氨工业。在石油工业上许多工艺过程需用氢气,如加氢裂化、加氢精制、加氢脱硫、催化加氢等。氢气在氯气中燃烧生成氯化氢,用水吸收得到重要的化工原料--盐酸。氢气在氧气中燃烧的火焰--氢氧焰可达3000℃高温,可用于熔融和切割金属。氢气和一氧化碳的合成气,净化后经加压和催化可以合成甲醇。在食品工业上,氢气用于动植物油脂的硬化,制人造奶油和脆化奶油等。在冶金工业中,利用氢气的还原性提炼贵重金属。氢气还可以提供防止氧化的还原气氛。随着新技术的发展,氢气的应用将更为广泛和重要。氢气是最理想的无污染燃料,液氢还有希望成为动力火箭的推进剂。
氢气的实验室制法 很多活泼金属可置换出酸中的氢,生成氢气。实验室就是利用这一原理来制取氢气的。所谓活泼金属是指在金属活动性顺序表中(参看金属活动性顺序)排在氢以前的金属,如Mg、Al、Zn、Fe等;酸指的是稀盐酸和稀硫酸。实验室最常用的是锌粒与盐酸或稀硫酸反应制取氢气。
Zn+2HCl(稀)=ZnCl2+H2↑
Zn+H2SO4(稀)=ZnSO4+H2↑
这种方法反应速度适中,操作简便。欲制备纯净的氢气,一般选用锌跟稀硫酸反应,因为盐酸有挥发性,生成的氢气易混入氯化氢气体而不纯净。制取少量氢气时可采用简易的气体发生装置(见图)。由于氢气难溶于水和密度小,可用排水法收集,也可用向下排气法收集。实验室需制取较大量氢气时,可使用启普发生器(参看启普发生器)。
氢气的工业制法 氢气是一种重要的工业气体。工业上制取氢气,依据原料、设备和成本情况,以及对氢气纯度的要求,可分别采取以下多种方法制取。①电解法将直流电通过铂电极(或其它惰性材料)通入水中,在负极可以得到氢气,纯度高达99.5-99.8%:
氯碱工业电解饱和食盐水制氯气和烧碱时,也同时得到副产品氢气:
②水煤气转化法 将水蒸气通过炽热的焦碳层制得水煤气:
然后将水煤气跟水蒸气混合,以氧化铁为催化剂,使水煤气中的CO转化为CO2:
二氧化碳溶于水,通过加压水洗即得到较纯净的氢气。③烃类裂解法 碳氢化合物经过高温裂解,裂解气中含有大量氢气,经过低温冷冻系统,可得到90%的氢气。如甲烷裂解:
④烃类蒸气转化法碳氢化合物在高温和催化剂的作用下与水蒸气作用,可以得到主要含氢气和一氧化碳的一种混合气体,例如:
用分子筛吸附法或水煤气转化法除去CO,可得到纯净的氢气。天然气、油田气和炼厂气(石油炼制厂的副产气体)等都可用烃类裂解法和烃类蒸气转化法得到氢气。
氢能源 一种正在研究中的新能源。能源是人类社会活动的源泉。以石油和煤为主的现代能源系统,由于资源的分布过于集中和日趋枯竭,正在发生深刻的能源危机。目前,世界各国都在大力探索新的能源,如太阳能、潮汐能、地热能、核能等。为使这些新能源有效、方便地得到利用,还要有与之相适应的二次能源。氢能源就是一种理想的二次能源,它有许多优点:①氢燃烧的发热量高,每千克氢气燃烧可产生约143000千焦的热量,大约是相同质量汽油燃烧热的3倍。燃烧温度区域宽,适应于多种用途。②燃烧产物是水,无毒,不污染环境,而且是自然循环,不破坏资源,是一种清洁的燃料。③制取氢气的原料是水,资源丰富,燃烧后又生成水,自然循环快。④可做太阳能、电能、核能的蓄存介质。⑤用途广泛,液氢可以作为发射火箭的燃料,用氢作燃料的汽车、飞机也在试运行。目前用氢作燃料主要问题是成本太高和氢气本身的储存。将来有可能通过核能和太阳能等直接(或间接)分解水来制取氢气,储氢合金(能吸附氢气的金属或合金)已得到开发利用。
启普发生器的构造和原理 启普发生器是实验室常用的一种制备气体的装置,以荷兰人P.J.启普的姓命名。启普发生器由葫芦状球形容器1、球形漏斗2和导气管3三部分组成(见图)。它可以使反应随时发生和停止,可以控制气流速度,使用方便。它是常温下利用块状固体跟液体起反应制取气体的典型装置。如制备氢气、二氧化碳、硫化氢等气体都可使用启普发生器。但固体成粉末状、固体与液体相遇而溶解、或能产生高温的反应均不能用此装置。启普发生器是利用容器内气体压力的变化进行工作的。使用前,从球形容器上部的导管口加入块状固体,停留在容器中部,液体从球形漏斗加入,停留在球形容器下部和球形漏斗中(见图Ⅱ关闭活塞时情形)。使用时,打开活塞,容器内压强降低,酸液从球形漏斗流下,液体与固体接触(见图Ⅰ扭开活塞时情形),发生反应,产生的气体从导管排出。关闭活塞,中止反应,容器内产生的气体压力增大,将液体压回球形漏斗,使液体与固体脱离接触,反应即自行停止。使用启普发生器的操作方法及注意事项参看启普发生器的使用。
石墨 灰黑色不透明晶体,有金属光泽,密度为2.25克/厘米3,3850℃升华。质软,莫氏硬度1.5;有润滑性,手摸有滑腻感;有良好的导电、导热性。石墨化学性质不活泼,在空气中加热到690℃时生成CO2。常温时与化学试剂不反应,加热时能被浓硝酸、浓硫酸、高氯酸、高锰酸钾等强氧化剂氧化(生成石墨酸)。石墨有很多重要用途:石墨粉可制作黑色颜料和耐高温的固体润滑剂,和粘土按一定比例混合可制成不同硬度的铅笔芯;根据其导电性和耐高温性,还大量用于制造电极、电刷、坩埚、高温炉发热体、密封圈、冶金模具等;石墨还用于原子反应堆的慢化剂和反射层材料;以一定方法制成的纤维状石墨叫碳纤维,强度极大,可用于飞机、火箭、导弹和人造卫星的零部件。金刚石和石墨同是碳的同素异形体,由于石墨晶体中,碳原子以六角形环状平面形成层状结构,使得其物理性质和金刚石有极大的差别。
金刚石 无色透明的晶体;熔点4000℃(63大气压下);密度为3.51克/厘米3;对光折射率高,透明度好,对光的色散作用特别强,经过琢磨后可制成极高贵的装饰品--钻石。金刚石是自然界中硬度最大的物质,硬度为10000千克力/毫米2,在莫氏硬度标度法中规定硬度最大的金刚石为10。含有杂质的金刚石为棕黑色,主要用于制造钻头,做切割金属或玻璃的工具。天然金刚石很难得到,工业上使用的金刚石大多是人造的。将石墨加热到2000℃,在1×106千帕压强下,可以得到人造金刚石的微小晶体。金刚石晶体中,每个碳原子最外层的4个电子以四面体的顶角方向直接与另外的4个碳原子以共用电子对的方式结合,晶体内没有自由电子。金刚石不导电,在室温下与所有的化学试剂都不反应,但在空气或氧气中加热到780℃左右会燃烧生成二氧化碳。在隔绝空气的条件下加热到1000℃会转变成石墨。
无定形碳 指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等。除骨炭含碳在10%左右以外,其余主要成分都是单质碳。煤炭是天然存在的无定形碳,其中含有一些由碳、氢、氮等组成的化合物。所谓无定形碳,并不是指这些物质存在的形状,而是指其内部结构。实际上它们的内部结构并不是真正的无定形体,而是具有和石墨一样结构的晶体,只是由碳原子六角形环状平面形成的层状结构零乱而不规则,晶体形成有缺陷,而且晶粒微小,含有少量杂质。现将上述几种无定形碳的主要制法和用途列表如下:
碳的化学性质 金刚石和石墨是同素异形体,具有相似的化学性质。在常温下,碳的化学性质比较稳定,受日光照射或跟空气、水分接触都不起变化,也不跟一般的氧化剂发生化学反应。在埋木桩之前,把埋入地下的一段表面用火微微烧焦,还可以延缓腐烂。碳在氧气或空气里充分燃烧时生成二氧化碳;氧气不足、燃烧不充分时生成一氧化碳,同时放出大量的热:
C+O2 CO2
2C+O2(不足) 2CO
碳在高温时可以和硫、氟等非金属化合:
C+2S CS2
C+2F2 CF4
碳有还原性,在较高温度下能夺取某些含氧化合物里的氧:
C+2CuO 2Cu+CO2
3C+2Fe2O3 4Fe+3CO2
C+H2O CO+H2
C+CO2 2CO
碳还可以和某些金属和非金属单质及它们的氧化物在2000℃的高温下反应生成各种碳化物。如:碳化钙(CaC2)、碳化硅(SiC)、碳化钨(WC)等。CaC2是生产乙炔的原料;SiC俗称金刚砂,是常用的磨料;WC耐高温、高硬度,用于作高速切削材料和特殊结构材料。
二氧化碳的物理性质 在通常状况下是一种无色、无臭、无味的气体。能溶于水,溶解度为0.1449克/100克水(25℃)。在20℃时,将二氧化碳加压到5.9×106帕即可变成无色液体,常压缩在钢瓶中贮存。在-56.6℃、5.27×105帕时变为固体。液态二氧化碳减压迅速蒸发时,一部分气化吸热,另一部分骤冷变成雪状固体。将雪状固体压缩,成为冰状固体,俗称“干冰”。“干冰”在1.01×105帕、-78.5℃时可直接升华变成气体。二氧化碳比空气重,在标准状况下密度为1.977克/升,约是空气的1.5倍。二氧化碳无毒,但不能供给动物呼吸,是一种窒息性气体。在空气中通常含量为0.03%(体积),若含量达到10%时,就会使人呼吸逐渐停止,最后窒息死亡。枯井、地窖、地洞底部一般二氧化碳的浓度较高,所以在进入之前,应先用灯火试验,如灯火熄灭或燃烧减弱,就不能贸然进入,以免发生危险。
二氧化碳的化学性质 二氧化碳表现的化学性质非常常见。CO2能溶于水并与水反应生成碳酸,使紫色石蕊试液变成红色:
CO2+H2O=H2CO3
H2CO3又是一种不稳定的酸,易分解重新释放出CO2
H2CO3=CO2↑+H2O
CO2为酸性氧化物,易与碱性氧化物反应生成相应的碳酸盐:
CO2+Na2O=Na2CO3
CO2与碱反应生成相应的碳酸盐和水:
CO2+Ba(OH)2=BaCO3↓+H2O
CO2可使澄清的石灰水变浑浊,此反应常用于检验CO2的存在:
CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O
CO2与碱作用还可能生成酸式碳酸盐:
2CO2(过量)+Ca(OH)2=Ca(HCO3)2
CO2+NH3+H2O=NH4HCO3
CO2中碳为+4价,可被某些强还原剂还原,如与赤热的碳作用还原成CO,与活泼金属作用被还原成碳:
CO2+C 2CO
CO2+2Mg 2MgO+C
绿色植物的光合作用,把CO2和H2O合成碳水化合物:
二氧化碳的用途 一般条件下,二氧化碳不支持燃烧且比空气重,将二氧化碳覆盖在燃着的物体表面,可使物体跟空气隔绝而停止燃烧,因此二氧化碳可用来灭火,是常用的灭火剂(参看灭火器)。在化学工业上,二氧化碳是一种重要的原料,大量用于生产纯碱(Na2CO3)、小苏打(NaHCO3)、尿素[CO(NH2)2]、碳酸氢铵(NH4HCO3)、颜料铅白[Pb(OH)2·2PbCO3]等。在轻工业上,生产碳酸饮料、啤酒、汽水等都需要二氧化碳。在现代化仓库里常充入二氧化碳,防止粮食虫蛀和蔬菜腐烂,延长保存期。固态的二氧化碳即“干冰”,主要用作致冷剂,用飞机在高空喷撒“干冰”,可以使空气中水蒸气冷凝,形成人工降雨;在实验室里,“干冰”与乙醚等易挥发液体混合,可以提供-77℃左右的低温浴。“干冰”还可以做食品速冻保鲜剂。在农业上,温室里直接施用二氧化碳作肥料,利用植物根部吸收二氧化碳,可以增进植物的光合作用,促进农作物生长,增加产量。在自然界,二氧化碳保证了绿色植物进行光合作用和海洋中浮游植物呼吸的需要。
灭火器 一般指装有灭火剂的消防器材。常用的灭火剂为二氧化碳或能产生二氧化碳的物质。因为二氧化碳不支持燃烧,又比空气重,能够覆盖在燃着的物体表面,隔绝空气,使火熄灭。常见的灭火器有:①泡沫灭火器灭火器内分别装有硫酸铝溶液和碳酸氢钠溶液,使用时将灭火器倒置,两种溶液混合发生下列化学反应:
Al2(SO4)3+6NaHCO3=2Al(OH)3↓+3Na2SO4+6CO2↑
产生的大量二氧化碳气体带着泡沫喷到燃烧物表面,达到灭火的目的。泡沫是用甘草或皂角制取的液体产生的。②干粉灭火器 灭火器内装有碳酸氢钠固体和二氧化碳压缩气体,并有防潮剂和增润剂。使用时打开拉环,压缩气体即可把干粉喷出,干粉盖住燃烧的火焰,并受热分解放出二氧化碳气体,使火熄灭。
2NaHCO3 Na2CO3+CO2↑+H2O③
二氧化碳灭火器 直接将液态二氧化碳装入特制的钢瓶里,使用时打开阀门,二氧化碳迅速气化喷出灭火。泡沫灭火器适用于一般物质引起的火灾;干粉灭火器和二氧化碳灭火器适用于液体物质、电器、电石等引起的火灾。除此之外,还有1211灭火剂(CF2ClBr液化气体)等。灭火器应放在合适的固定位置,由专人负责管理,定期检查完好情况,以防万一。灭火器一经开启使用,必须重新更换或补充灭火剂。
二氧化碳的实验室制法 实验室里常用石灰石或大理石(主要成分CaCO3)跟稀盐酸反应制取CO2:
CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O
在这个反应中,不能将HCl换成稀H2SO4。因为CaCO3跟稀H2SO4反应产生CO2的同时生成CaSO4,而CaSO4微溶于水,随着反应的进行,会在CaCO3的表面形成一层CaSO4沉淀,阻止CaCO3与酸的接触,使反应速度逐渐减慢,最后导致反应停止。由于制取CO2的反应是固液之间反应,不需加热,因此可以使用启普发生器或其它类似的简易装置(见图)。
由于CO2能溶于水,不能用排水法收集;CO2比空气重,可用向上排气法收集。用燃着的火柴接近集气瓶口,如果火焰熄灭,则证明CO2气体已经充满。
一氧化碳的物理性质 在通常状况下,一氧化碳是无色、无臭、无味、有毒的气体,熔点-199℃,沸点-191.5℃。标准状况下气体密度为1.25克/升,和空气密度(标准状况下1.293克/升)相差很小,这也是容易发生煤气中毒的因素之一。它为中性气体,不溶于酸或碱的溶液,难溶于水,通常情况下1体积水仅能溶解约0.023体积的一氧化碳,25℃时溶解度为0.0026克/100克水。
一氧化碳的毒性 一氧化碳俗称煤气,是一种剧毒气体,它的毒性主要是破坏人体的输氧功能。氧气是生命活动正常进行的保证。人体吸入氧气后是靠血液输送的,血液中的血红蛋白和氧结合,生成氧合血红蛋白随血液输送到全身各组织细胞,供人体新陈代谢。当有一氧化碳被吸入肺内时,一氧化碳进入血液与血红蛋白结合,生成碳氧血红蛋白,一氧化碳与血红蛋白的结合力是氧气的210倍,而且结合后不易解离,即使是很少量的一氧化碳进入血液,也能和大量的血红蛋白结合。同时,由于碳氧血红蛋白的存在,妨碍氧合血红蛋白的合成和正常解离,使血液输氧功能不能正常发挥作用,造成人体全身组织细胞缺氧而产生中毒现象。一氧化碳的中毒程度,主要与空气中一氧化碳浓度和接触时间有关。空气中一氧化碳浓度达到10ppm(1ppm=10-6)就会使人中毒;当浓度为0.02%时,2-3小时内出现中毒症状;浓度为0.08%,2小时可使人昏迷;如浓度达到1%,人在两分钟内就可能死亡。
煤气中毒 即一氧化碳中毒。碳和其它有机化合物燃烧不完全时都能产生一氧化碳。一氧化碳是无色无味的剧毒气体(参看一氧化碳的毒性),空气中一旦混入一氧化碳气体,就会被人体不知不觉吸入肺里,人吸入一氧化碳后,会发生头晕、头痛、恶心、疲劳等中毒症状,严重时危害中枢神经,引起窒息、死亡。最常见的煤气中毒起因是用煤炉取暖。冬天天气寒冷,经常是门窗紧闭,如果室内煤炉不安烟筒,或者烟筒被煤灰或其它异物堵塞,使煤燃烧产生的一氧化碳扩散到房间里,都极易造成煤气中毒。随着人们生活水平的提高,燃气热水器逐渐普及,如果燃气热水器安装在卫生间内,使用时空气不流通,燃气热水器燃烧时产生的一氧化碳也会造成煤气中毒。汽车排出的尾气中含有大量的一氧化碳,安装空调的汽车是靠发动机使空调器工作的,停驶的小卧车长时间开着空调,一旦有一氧化碳进入车内,也会造成中毒。吃火锅时,使用的木炭燃烧也会产生一氧化碳,如果房间内空气不流通,同样会造成煤气中毒。饭后火锅放在室内,火锅内的剩余木炭不能及时熄灭,有时更危险。上述可能造成煤气中毒的情况,都有导致死亡事故的事例。预防煤气中毒的关键,一是防止一氧化碳泄漏在室内或其它有人员活动的较小空间内,二是注意通风,三是克服麻痹大意思想。用煤炉取暖一定要安装烟筒,最好还要安装风斗;燃气热水器要分室安装,注意开窗通风。对于煤气中毒的病人,应马上抬到空气新鲜的地方,冬天要注意保暖。如果呼吸已经停止,应立即进行人工呼吸和采取其它抢救措施。并尽快送往医院治疗。那些备有高压氧舱的医院对救治煤气中毒的病人更为有利。
一氧化碳的化学性质 一氧化碳分子中碳元素的化合价是+2,能进一步被氧化成+4价,从而使一氧化碳具有可燃性和还原性。一氧化碳能够在空气中或氧气中燃烧,生成二氧化碳:
2CO+O2 2CO2
燃烧时发出蓝色的火焰,放出大量的热。因此一氧化碳可以作为气体燃料。一氧化碳作为还原剂,高温时能将许多金属氧化物还原成金属单质,因此常用于金属的冶炼。如:将黑色的氧化铜还原成红色的金属铜,将氧化锌还原成金属锌:
CO+CuO Cu+CO2
CO+ZnO Zn+CO2
在炼铁炉中可发生多步还原反应:
CO+3Fe2O3 2Fe3O4+CO2
Fe3O4+CO 3FeO+CO2
FeO+CO Fe+CO2
一氧化碳还有一个重要性质:在加热和加压的条件下,它能和一些金属单质发生反应,生成分子化合物。如Ni(CO)4(四羰基镍)①、Fe(CO)5(五羰基铁)等,这些物质都不稳定,加热时立即分解成相应的金属和一氧化碳,这是提纯金属和制得纯一氧化碳的方法之一。
碳酸钙 化学式CaCO3。自然界广泛存在的石灰石、大理石、方解石、冰洲石、白垩以及珍珠、珊瑚等主要成分都是碳酸钙。将二氧化碳通入石灰水中,用可溶性碳酸盐与石灰水反应,或用可溶性碳酸盐溶液与可溶性钙盐溶液反应,都可以得到碳酸钙的沉淀。
CO2+Ca(OH)2=CaCO3↓+H2O
Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+2NaOH
Na2CO3+CaCl2=CaCO3↓+2NaCl
碳酸钙是一种白色晶体或粉末状固体,难溶于水(25℃溶解度为6.9×10-4克/100克水),易溶于酸。实验室常常利用碳酸钙跟酸反应制取二氧化碳:
CaCO3+2HCl=CaCl2+CO2↑+H2O
把碳酸钙加热到825℃左右可发生分解反应,生成氧化钙和二氧化碳。工业上就是利用这一反应将石灰石转化为生石灰(主要成分氧化钙):
CaCO3 CaO+CO2↑
碳酸钙能溶于含有二氧化碳的水中,生成可溶性的碳酸氢钙:
CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2
石灰岩地区长期被含有二氧化碳的雨水侵蚀,就形成了溶洞。碳酸氢钙水溶液受热或压强突然变小时,溶解的碳酸氢钙就会分解,放出二氧化碳,重新形成碳酸钙:
Ca(HCO3)2 CaCO3↓+CO2↑+H2O
石灰岩溶洞里奇特的钟乳石、石笋、石柱等就是这样形成的(参看岩洞的形成)。
石灰和石灰石的用途 石灰和石灰石大量用做建筑材料,也是许多工业的重要原料。石灰石可直接加工成石料和烧制成生石灰。石灰有生石灰和熟石灰。生石灰的主要成分是CaO,一般呈块状,纯的为白色,含有杂质时为淡灰色或淡黄色。生石灰吸潮或加水就成为消石灰,消石灰也叫熟石灰,它的主要成分是Ca(OH)2。熟石灰经调配成石灰浆、石灰膏、石灰砂浆等,用做涂装材料和砖瓦粘合剂。水泥是由石灰石和粘土等混合,经高温煅烧制得。玻璃由石灰石、石英砂、纯碱等混合,经高温熔融制得。炼铁用石灰石作熔剂,除去脉石。炼钢用生石灰做造渣材料,除去硫、磷等有害杂质。电石(主要成分是CaC2)是生石灰与焦炭在电炉里反应制得。纯碱是用石灰石、食盐、氨等原料经过多步反应制得(索尔维法)。利用消石灰和纯碱反应制成烧碱(苛化法)。利用纯净的消石灰和氯气反应制得漂白粉。利用石灰石的化学加工制成氯化钙、硝酸钙、亚硫酸钙等重要钙盐。消石灰能除去水的暂时硬性,用作硬水软化剂。石灰石加工制成较纯的粉状碳酸钙,用做橡胶、塑料、纸张、牙膏、化妆品等的填充料。石灰与烧碱制成的碱石灰,用做二氧化碳的吸收剂。生石灰用做干燥剂和消毒剂。农业上,用生石灰配制石灰硫磺合剂、波尔多液等农药。土壤中施用熟石灰可中和土壤的酸性、改善土壤的结构、供给植物所需的钙素。用石灰浆刷树干,可保护树木。
硬水 溶有较多钙盐和镁盐的天然水。在硬水中,钙、镁常以碳酸盐、酸式碳酸盐、硫酸盐、硝酸盐和氯化物的形式存在。如果硬水中的钙和镁主要以酸式碳酸盐的形式存在,就称为暂时硬水,这种水经煮沸能分解成碳酸盐沉淀而除去硬性。如果硬水中的钙和镁主要以硫酸盐、硝酸盐和氯化物的形式存在,则称为永久硬水,这种水不能用煮沸法除去硬性。硬水的钙盐和镁盐能与肥皂发生化学反应,降低肥皂的去污能力。如锅炉内使用硬水,会在锅炉内壁结成水垢,阻碍了管道传热,多消耗燃料,缩短锅炉使用寿命。甚至会引起锅炉爆炸。通常用硬度表示硬水中的含盐量,把每升水中含相当于10毫克CaO称为1度。一般地下水(如井水、泉水)硬度较大,地表水(如河水、湖水)硬度较小。生活饮用水的硬度要求小于25度。许多工业部门、科研单位常用化学药剂(如石灰、纯碱等)或离子交换剂软化硬水,把硬水中的钙盐和镁盐降低或使之消失而变成软水。
岩洞的形成 岩洞又称溶洞或洞穴。岩洞是由于天然水流经可溶性岩石(如石灰岩、白云岩等)与它们发生化学反应而使岩石溶解所形成的地下空间。例如,含CaCO3的石灰岩跟CO2和水反应变成Ca(HCO3)2,使石灰岩溶解,化学方程式为:
CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2
如溶有Ca(HCO3)2的水从溶洞顶部流下,因温度、压力的变化Ca(HCO3)2发生分解反应使CaCO3以沉积物形式析出。化学方程式为:
Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O
开始以小突起附着在洞顶,以后逐渐向下增长具有同心圆状结构而形成钟乳石。如从岩洞底部向上生成的CaCO3沉积物则形成石笋。
甲烷 分子式为CH4。广泛存在于自然界。如地下深层的天然气、煤矿坑道里的坑气(瓦斯)、池沼底部的沼气等。甲烷是无色、无味的气体,比空气轻,在标准状况下密度为0.717克/升、熔点-182℃、沸点-164℃,难溶于水,易溶于乙醇和乙醚。甲烷是可燃性气体,完全燃烧生成二氧化碳和水,并放出大量的热。与空气能形成爆炸性混合物,爆炸极限为5.3-15.4%(体积)。甲烷不完全燃烧生成炭黑和水:
CH4+O2 C+2H2O
甲烷隔绝空气加热到1200℃能分解生成炭黑和氢气:
甲烷在1500℃的高温下部分氧化或受热分解,可以得到重要的有机合成原料--乙炔(C2H2)
甲烷在高温和催化剂存在时与水蒸气反应生成一氧化碳和氢气的混合物。称为“合成气”,可以用来合成甲醇、氨等。
甲烷除作气体燃料外,还是重要的化工原料。工业上甲烷主要来源于天然气、焦炉气、石油裂解气等。实验室用无水醋酸钠和碱石灰共热制得:
天然气 蕴藏在地层深处的可燃性气体。主要成分是甲烷,根据不同的地质条件,还含有不同数量的乙烷、丙烷、丁烷等,并含有二氧化碳、氮、氢、硫化氢、氦等气体;天然气一般分三类:甲烷含量高,约占80-90%较难液化的一类,称为干气或贫气;甲烷含量约占60-70%,还有较多的乙烷、丙烷、丁烷等,较易液化的一类,称为湿气或富气;与石油共生的天然气,主要成分是甲烷,乙烷,丙烷和丁烷,称为油田气或石油气。天然气是一种重要的能源,主要用做城市煤气和工业燃料。天然气也是重要的化工原料,主要用于制氮肥、甲醇、四氯化碳、二硫化碳、硝基甲烷、氢氰酸、炭黑等。有时也用于提取氦气。
沼气 沉积在池沼底部的有机物残体,在隔绝空气的条件下,由于嫌气性微生物的作用所形成的可燃性气体。沼气是多种气体的混合气,主要成分是CH4,约占50-70%,还有CO2、N2、H2、H2S、NH3等。沼气是一种生物能,在农村利用农业废弃有机物(如秸秆、杂草)、人畜粪便、污水、垃圾等原料,在建造的沼气池内,经过沤化(发酵)生产沼气。沼气含可燃性CH4,可作煤气使用,热值约为19.6-29.4MJ/m3①,还可以使用沼气点灯照明。产量大的沼气,经过净化脱CO2、H2S后可作动力燃料。经发酵后排出的料液可用于饲料和浸种;沉渣中氮、磷、钾含量较高可作肥料。
酒精 学名乙醇,化学式为C2H5OH。酒精是无色透明易挥发的液体,有醇香、辛辣味,熔点-117.3℃、沸点78.5℃、密度0.7893克/厘米3(20℃),易溶于水及许多有机溶剂。工业酒精含乙醇约为95%(体积),如与新烧制的生石灰混合,加热蒸馏能得到含乙醇99.5%以上的无水酒精。各种饮料酒中都含有酒精,饮酒能醉人,饮用过量会引起中毒。酒精与水的体积百分率商业上常用“度”表示。酒精能燃烧,完全燃烧生成CO2和H2O,并放出热量,酒精蒸气与空气能形成爆炸混合物。
C2H5OH+3O2 2CO2+3H2O
工业上生产酒精的方法有两类:一类是用含淀粉的农产品(谷物、薯类等)为原料,用发酵法酿酒,制得的酒有芬芳醇香味,饮料用酒常用此法;另一类是用从石油裂解气中提取的乙烯(C2H4)为原料,在一定条件下与水化合制成酒精:
该法原料充足、成本低廉、节约粮食、发展很快。占总产量约50%左右的酒精,用做有机溶剂,广泛用于医药、涂料、油脂、化妆品等方面。酒精可作内燃机和实验室的燃料。75%酒精(体积%,卫生酒精)有强杀菌作风,用做消毒剂。经过精制的酒精,可制造饮料。酒精也是重要的化工原料。如制醋酸、乙醚、乙酸乙酯等。
甲醇 化学式为CH3OH。最早从木材干馏得到故又称木醇或木精。甲醇是无色有酒精气味易挥发的液体。熔点-93.9℃、沸点64.7℃、密度0.7914克/厘米3(20℃)、能溶于水和许多有机溶剂。甲醇有毒,误饮5-10毫升能双目失明,大量饮用会导致死亡。禁酒的国家,把甲醇掺入酒精中成变性酒精,使其不能饮用。甲醇易燃,其蒸气与空气能形成爆炸混合物,甲醇完全燃烧生成二氧化碳和水蒸气,同时放出热量:
2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O
工业上用一氧化碳和氢气的混合气(合成气)在一定的条件下制备甲醇:
甲醇可用做溶剂和燃料,也是一种化工原料,主要用于生产甲醛(HCHO):
醋酸 学名乙酸,化学式为CH3COOH。醋酸是无色、有刺激性酸味的液体,熔点16.6℃、沸点117.87℃、密度为1.0492克/厘米3(20℃)。纯醋酸在16.6℃以下能结合成冰状固体,又称冰醋酸。醋酸易溶于水及许多有机溶剂。醋酸有强烈的腐蚀性,它的水溶液有弱酸性,能跟许多活泼金属、碱性氧化物、碱等反应生成醋酸盐。某些醋酸盐如醋酸锰、醋酸铝可用做染色工业的媒染剂。工业上生产醋酸有两类方法:一类是以粮食或酒为原料,用发酵法酿醋,食用醋常用此法。食用醋除含3-6%的醋酸,还含有其它有机酸、蛋白质等。另一类是用石油裂解气提取的乙烯(C2H4)或丁烷(C4H10)为原料,在一定条件下氧化成醋酸。醋酸是重要的有机化工原料,用于生产醋酸纤维、喷漆溶剂、香料、染料、医药等。
肥皂 通常指能溶于水的高级脂肪酸的钠盐或钾盐。肥皂是用精炼过的油脂(除去油脂中的杂质)跟烧碱溶液经皂化反应而成;也可用高级脂肪酸跟苛性碱(或Na2CO3、K2CO3)经中和反应制成。为了增加去污效果及适应各种洗涤需要,还加入多种填料,如松香、水玻璃、陶土、香精、着色剂、消毒剂、漂白剂等。肥皂主要用做民用或工业用的洗涤剂,它在软水中有良好的去污作用,但在硬水中洗涤效果很差,在酸性介质中会完全失去洗涤能力。常用洗涤剂 具有去污能力的物质称为洗涤剂。常用洗涤剂包括肥皂和合成洗涤剂。洗涤剂的作用主要是改变水的表面活性、降低水的表面张力,洗涤剂与衣物上的污垢发生亲合作用,使污垢能从衣物上分离出来。可简单表示为:
织物·污垢+洗涤剂→织物+污垢·洗涤剂
(脏的衣服) (脏的洗涤剂)
常用洗涤剂的主要成分是表面活性剂。如肥皂中的高级脂肪酸钠、家用洗衣粉中的烷基苯磺酸钠等。合成洗涤剂中的表面活性剂,多数是用石油化工产品为原料制成,再配以各种助剂(如三磷酸钠、硅酸钠、碳酸钠、硫酸钠等)和填料(如增白剂、酶化剂、颜料、香料等),即可得到商品合成洗涤剂。合成洗涤剂的去污作用不受硬水的影响,有的还适用于含盐或酸的水溶液。
糖 食用糖和糖制品的统称。如白糖、冰糖、酥糖、花生糖等。食用糖的种类很多,有蔗糖、葡萄糖、果糖、麦芽糖、乳糖等。一般所说的糖是指的蔗糖。蔗糖是人类重要的食物之一,给人体提供热量。每千克蔗糖含热量约为18千焦(kJ)。甘蔗和甜菜中含蔗糖量很高(甘蔗约12-18%,甜菜约15-20%)。工业上用甘蔗或甜菜为原料,经过提汁(甘蔗一般用压榨机压出糖汁,甜菜一般用水溶取蔗糖)、清净(除去非糖分杂质)、蒸发、结晶、分蜜(利用离心力把糖膏中的晶体与母液分离)、干燥等工序制出食糖。由于加工的粗细程度和方法不同,可得到粗糖、精糖、赤砂糖(表面带糖蜜呈棕红色纯度较低的糖,俗称红糖)、白砂糖、绵白糖、冰糖等多种产品。
脂肪 甘油和脂肪酸所构成的酯。是生物体内储存能量的一种物质,在代谢过程中提供的热量比糖类和蛋白质约高一倍。是食用油的主要成分。如牛油、猪油、奶油等。脂肪在常温下是固体,受热后逐渐软化变成液体,比水轻,难溶于水,易溶于汽油、乙醚、苯等有机溶剂。脂肪除供食用外,工业上用做制造肥皂、脂肪酸和甘油的原料。
蛋白质 由多种氨基酸结合
18.11克+(100-14.7-0.86)克+0.16克=102.71克Al2(SO4)3溶液的质量也可用含有Al2O3的铝片与稀硫酸质量之和,再减去产生的氢气质量算出
3克+100克-0.3克=102.7克
Al2(SO4)3溶液的质量百分比浓度为:
答:稀H2SO4的质量百分比浓度是15.56%,Al2(SO4)3溶液的质量百分比浓度是17.63%。
根据化学方程式计算含一定量杂质的反应物或生成物的质量 化学方程式表示的各反应物和生成物间的质量关系,都是指纯物质间的定量关系,运用化学方程式计算时,必须把纯物质的质量代入方程。如果题目给出的是不纯物质应当先把不纯物质的质量换算为纯物质的质量再进行计算;如果计算物质的纯度,应当用纯物质的质量除以不纯物质的质量,再以百分率表示。
[例]把15.0克含有不溶性杂质的硫酸钠放入85.8克水中溶解,过滤除去不溶性杂质,取10.0克滤液,加入10%的BaCl2溶液20.8克,恰好完全反应,计算不纯硫酸钠中Na2SO4的百分含量。
[分析]硫酸钠跟BaCl2溶液发生的化学反应是:
Na2SO4+BaCl2=BaSO4↓+2NaCl
从耗用BaCl2的质量可以算出10.0克滤液里含有的Na2SO4质量,进而算出Na2SO4溶液的质量百分比浓度。再从Na2SO4溶液的质量百分比浓度出发,计算出15克样品中所含的Na2SO4的质量,从而计算出不纯硫酸钠中Na2SO4的百分含量。
[解]设10.0克滤液里Na2SO4为x克,15.0克样品里含Na2SO4为y克。
Na2SO4+BaCl2=BaSO4↓+2NaCl
x=1.42克
滤液的质量百分比浓度为:
样品中所含Na2SO4的质量y克为:
y=14.2克
不纯硫酸钠中Na2SO4的百分含量为:
答:不纯硫酸钠中含Na2SO494.67%。
2.7克Al跟H2SO4反应生成的Al2(SO4)3与0.3克Al2O3跟H2SO4反应生成的Al2(SO4)3的质量之和,是Al2(SO4)3溶液中Al2(SO4)3溶质的质量,据此可以计算出所得Al2(SO4)3溶液的质量百分比浓度。
[解]设跟2.7克Al反应的H2SO4为x1克,生成Al2(SO4)3 y1克,产生H2z1克;跟0.3克Al2O3反应的H2SO4为x2克,生成Al2(SO4)3 y2克,生成水z2克。
2Al+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2↑
x1=14.7克
y1=17.1克
z1=0.3克
Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2O
x2=0.86克
y2=1.01克
z2=0.16克
稀硫酸的质量百分比浓度为:
生成Al2(SO4)3的质量为:
Al2(SO4)3溶液的质量为:
计算物质的式量 式量就是化学式中各原子的原子量的总和。计算物质式量的步骤是:(1)写出物质正确的化学式;(2)用各元素的原子量分别乘以化学式中所含的该原子个数,得出各元素的原子量之和;(3)把各元素原子的原子量之和相加,就可算出该物质的式量。
[例]计算明矾晶体的式量。
[分析]明矾晶体的化学式是KAl(SO4)2·12H2O,计算结晶水合物(A·nH2O)的式量,先要算出A的式量,再用水的式量乘以所含结晶水个数n,算出含有的结晶水的式量,把无水盐A的式量与结晶水nH2O的式量相加,便可得到结晶水合物(A·nH2O)的式量。在结晶水合物A·nH2O的化学式中,A与nH2O之间的小圆点“·”,在计算时是表示相加的符号。
[解]明矾的化学式是KAl(SO4)2·12H2O,其中无水盐KAl(SO4)2的式量为:
39×1+27×1+(32+16×4)×2=258
明矾KAl(SO4)2·12H2O中含有结晶水的式量为:
(1×2+16)×12=216
明矾晶体的式量为:
258+216=474
答:明矾晶体的式量是474。
计算化合物中各元素的质量比 化合物中各元素的质量比,就是在该化合物的一个分子中各元素原子的原子量之和的比值。计算化合物中各元素的质量比,要依据化合物的化学式分别算出各元素的原子量之和,再进而求出各元素的原子量之和的比值。
[例]计算四氧化三铁中铁元素与氧元素的质量比是多少?
[分析]四氧化三铁的化学式是Fe3O4,在Fe3O4的一个分子中,含有3个铁原子和4个氧原子,3个铁原子的原子量之和是:
3×56=168
4个氧原子的原子量之和是:
4×16=64
铁元素与氧元素的质量比是168:64,可简化为21:8。
[解]在Fe3O4中铁元素与氧元素的质量比是:
3×56∶4×16=21∶8
答:在Fe3O4中Fe与O的质量比是21比8。
计算化合物中各元素的百分含量 计算化合物中各元素的百分含量,先要写出该化合物的化学式并计算出式量,再用化学式中各元素原子的原子量之和,分别除以化合物的式量,乘以百分之百,便可算出化合物中各元素的百分含量。
[例]计算化肥硝酸铵(NH4NO3)中氮元素、氢元素、氧元素的百分含量。
[分析]计算化合物中某元素的百分含量可以应用下面的公式:
在NH4NO3中氮元素的百分含量为:
氢元素的百分含量为:
氧元素的百分含量为:
[解]氢的原子量是1,氮的原子量是14,氧的原子量是16,NH4NO3的式量是80。在NH4NO3中氮元素的百分含量是:
氢元素的百分含量是:
氧元素的百分含量是:
答:在NH4NO3。中含N35%,含H5%,含O60%。
溶解度的计算 在一定温度下的饱和溶液里,溶质的质量、溶剂的质量与该物质的溶解度存在以下关系:
将上式移项处理后可得:
只要知道饱和溶液里溶质的质量和溶剂的质量,便可以计算出该物质在该温度下的溶解度。
[例]在20℃时,把25克蓝矾(CuSO4·5H2O)溶解在71克水中,恰好形成饱和硫酸铜溶液,计算20℃时CuSO4的溶解度。
[分析]蓝矾溶于水中形成硫酸铜饱和溶液,在该饱和溶液中,溶质是CuSO4,溶剂是H2O。蓝矾是带有5个结晶水的硫酸铜,在本题中计算溶质CuSO4的质量时,要把含水晶体CuSO4·5H2O的质量换算为无水CuSO4的质量;在计算溶剂的质量时,又要加上25克CuSO4·5H2O中含有的结晶水的质量。
[解]在该饱和硫酸铜溶液中溶质CuSO4的质量是:
溶剂的质量是:
在20℃时CuSO4的溶解度是:
答:20℃时CuSO4的溶解度是20克。
质量百分比浓度的计算 依据质量百分比浓度的定义,计算溶液的质量百分比浓度,可以应用下列换算式:
计算质量百分比浓度还要应用下面的公式:
溶液的质量=溶质的质量+溶剂的质量
当已知溶液的密度d和体积V,计算溶液、溶质的质量,还可以应用下面的公式:
溶液的质量(克)=溶液密度d(克/厘米3)×V(厘米3)
溶质的质量(克)=d(克/厘米3)×V(厘米3)×质量百分比浓度
关于溶液质量百分比浓度的计算,主要有以下三种基本类型:
①已知溶质和溶剂的质量,计算溶液的质量百分比浓度
[例]把2克固体NaOH溶解在18克水中,计算所得溶液的质量百分比浓度。
[分析]在该NaOH溶液中,溶质的质量是2克,溶剂的质量是18克,溶液的质量是:
2克+18克=20克
氢氧化钠溶液的质量百分比浓度为:
[解]
答:该NaOH溶液质量百分比浓度是10%。
②已知溶液的质量百分比浓度,计算溶质和溶剂的质量
[例]欲配制质量百分比浓度为2%AgNO3溶液500克,应称取AgNO3多少克?加入水多少毫升?
[分析]用AgNO3溶液的质量乘以质量百分比浓度,便可得到溶质AgNO3的质量;用AgNO3溶液的质量减去AgNO3溶质的质量,便可得到应加入水的质量;用水的质量除以水的密度,便可计算出加入水的体积。
[解]应当称取AgNO3的质量为:
500克×2%=10克
应当加入水的质量为:
500克-10克=490克
加入水的体积为:
490克÷1克/毫升=490毫升
答:配制2%AgNO3溶液500克应称取AgNO310克,加入水490毫升。
③关于溶液稀释的计算
[例]配制质量百分比浓度为20%,溶液密度为1.14克/厘米3,体积为500毫升的稀硫酸,需要量取质量百分比浓度为98%,密度为1.84克/厘米3的浓硫酸多少毫升?
[分析]溶液在稀释过程中,溶液的体积和浓度都会发生变化,溶液中所含溶质的质量却始终保持不变。即
原溶液中所含溶质的质量=稀释后溶液中所含溶质的质量
运用这一规律,各种类型的溶液稀释计算,均可正确求解。
[解]设量取V毫升的浓硫酸,则浓硫酸中所含溶质的质量为:
V×1.84×98%
稀硫酸溶液中所含溶质的质量为:
500×1.14×20%
按照溶液稀释过程中溶质质量保持不变,可以列出下列等式:
V×1.84×98%=500×1.14×20%
V=63.22(毫升)
所需水的质量为:
500-63.22×1.84=383.67(克)
所需水的体积为:
[注意]进行溶液稀释(或混合)计算时,溶液与溶剂(或另一溶液)的质量可以相加,其体积不能相加。
答:需要量取浓硫酸63.22毫升,量取水383.67毫升。
溶解度与质量百分比浓度的换算 溶解度是表示一定温度下的饱和溶液里溶剂质量与溶质质量的关系;质量百分比浓度是表示任何溶液(饱和溶液或不饱和溶液)里溶液质量与溶质质量的关系。溶解度与质量百分比浓度的换算,是对一定温度下的饱和溶液而言,溶解度的分母是溶剂质量,质量百分比浓度的分母是溶液质量。
①已知溶解度计算质量百分比浓度
[例]在30℃时,CuSO4的溶解度是25克,计算该温度下硫酸铜饱和溶液的质量百分比浓度是多少?
[分析]30℃时CuSO4的溶解度是25克,说明在100克水中溶解25克CuSO4时,可以形成该温度下硫酸铜饱和溶液。根据溶质CuSO4的质量是25克,溶液质量是125克,便可计算出硫酸铜饱和溶液的质量百分比浓度。
[解]
答:30℃时CuSO4饱和溶液的质量百分比浓度是20%。
②已知饱和溶液的质量百分比浓度计算该温度下溶质的溶解度
[例]在30℃时硫酸铜饱和溶液的质量百分比浓度是20%,计算该温度下CuSO4的溶解度是多少克?
[分析]从30℃时硫酸铜饱和溶液的质量百分比浓度是20%,可知当溶液质量为100克时,溶质质量为20克,则溶剂的质量为:
溶剂质量=溶液质量-溶质质量
=100克-20克=80克
知道了饱和溶液里溶质的质量和溶剂的质量,便可计算出30℃时CuSO4的溶解度。
[解]30℃时CuSO4的溶解度为:
答:30℃时CuSO4的溶解度是25克。
溶液析晶计算 正确运用溶解度和浓度概念,算出原溶液里溶质和溶剂的质量;依据题给条件,找出析出晶体后溶液里的溶质与溶剂的质量关系;把握住析晶后的溶液肯定是该物质在该温度下的饱和溶液。抓好以上三点,对于各种条件下的溶液析晶计算,都可以用简单方法求出析出晶体的质量。
①饱和溶液降温析出晶体的计算
[例]已知72℃时KNO3的溶解度为140克,18℃时KNO3的溶解度为30克。现有72℃饱和KNO3溶液48克,当冷却至18℃时析出晶体多少克?
[分析]从72℃KNO3的溶解度是140克,可知在100克水中能溶解KNO3140克,按照溶剂质量与溶质质量之和等于溶液质量,可知在240克硝酸钾饱和溶液中含有KNO3140克,当冷却至18℃时,可以析出KNO3(140-30)克,运用正比例关系,就可计算出72℃时48克KNO3饱和溶液冷却至18℃时析出晶体的质量。
[解]设72℃时48克KNO3饱和溶液冷却至18℃时析出晶体的质量为x克。
x=22克
答:冷却至18℃析出晶体22克。
②蒸发饱和溶液中水分析出晶体的计算
[例]已知70℃时NH4Cl的溶解度是60克,若将320克70℃的NH4Cl饱和溶液,加热蒸发40克水之后,再冷却至70℃时,有多少克NH4Cl晶体析出?
[分析]在一定温度下,饱和溶液蒸发溶剂析出的晶体质量,就是被蒸发的溶剂质量所能溶解溶质达于饱和时的质量。这样,只需运用溶剂质量与溶质质量的关系,便可计算出蒸发水分析出的晶体的质量。
[解]设蒸发40克水析出NH4Cl晶体为x克
x=24克
答:蒸发40克水可析出24克NH4Cl晶体。
③不饱和溶液蒸发水分和降低温度的析晶计算
[例]今有40℃时250克20%KNO3溶液,蒸发150克水,仍保持40℃时可析出KNO3多少克?若降温至10℃时,又能析出KNO3多少克?
[分析]在250克20%的KNO3溶液中,含有溶质KNO3的质量为:
250克×20%=50克
含有溶剂的质量为:
250克-50克=200克
从溶解度曲线查出40℃KNO3溶解度是64克,10℃KNO3溶解度是20克,由此可知40℃时20%的KNO3溶液是不饱和溶液。对于不饱和溶液蒸发水分的析晶计算,要用原溶液里含有的溶质质量减去剩余水中溶解的溶质质量。
[解]在250克20%的KNO3溶液中,含有溶质KNO3 50克,溶剂200克,蒸发150克水后,溶液里剩余水的质量为:
200克-150克=50克
50克水在40℃时可溶解KNO3为x克
x=32克
在40℃时可析出KNO3的质量为:
50克-32克=18克
设继续降温至10℃时,析出KNO3的质量为y克。
y=22克
共析出KNO3的质量为:
18克+22克=40克
答:250克20%KNO3溶液蒸发150克水并冷却至40℃析出KNO318克,继续降温至10℃时又析出KNO322克,共析出KNO340克。
④析出含水晶体的计算
[例]浓度为15%的硫酸铜溶液500克,在加热蒸发300克并冷却至20℃时,可析出蓝矾晶体(CuSO4·5H2O)多少克?(在20℃时CuSO4的溶解度是20克)
[分析]本题硫酸铜溶液中的溶质是CuSO4,析出的晶体是CuSO4·5H2O。计算析晶后溶液里含有的溶质质量时,要先把析出的含水晶体CuSO4·5H2O的质量,换算为无水晶体CuSO4的质量,再用原溶液里总溶质质量减去换算为无水晶体CuSO4的质量;在计算析晶后溶液里含有的水的质量时,又要减去析出含水晶体CuSO4·5H2O带走的结晶水的质量。
[解]原硫酸铜溶液里含有的溶质CuSO4的质量是:
500克×15%=75克
含有的溶剂H2O的质量是:
500克-75克=425克
当蒸发300克水并冷却至20℃析出CuSO4·5H2O的质量为x克时,析晶后溶液中的溶质CuSO4的质量是:
析出x克CuSO4·5H2O后溶液中水的质量是:
依据析出x克CuSO4·5H2O后的溶液是该温度下的饱和溶液,可列出如下比例关系
x=88克
答:可析出CuSO4·5H2O 88克。
根据化学方程式计算有关反应物或生成物的质量 化学方程式可以表示在该化学反应中,各反应物与生成物间的质量关系,是进行化学计算的依据。根据化学方程式的计算,一般按以下三步进行:
第一步 认真审题,依据题意写出正确的化学方程式。
第二步 深入析题,充分认清已知条件和未知求问,找出已知条件和未知求问间的联系,并写在化学方程式有关物质化学式的下方。
第三步 根据化学方程式各物质的质量关系,列出比例式,具体完成该题的计算。应该做到解题要有根据,解法要规范,书写要工整,答案要确切。
①计算反应物或生成物的质量
[例]由红磷燃烧制取五氧化二磷,现有红磷0.62克,若充分反应可制取五氧化二磷多少克?需耗用标准状况下的氧气体积为多少升?(标准状况下氧气的密度是1.429克/升)
[分析]化学方程式所表示的是各物质的质量关系
4P+5O2
2P2O5
4×31克5×32克 2×142克
依据红磷完全燃烧的化学方程式,可知124克红磷完全燃烧需耗用氧气160克,生成五氧化二磷284克。题目给出红磷质量是0.62克,用正比例关系,可以计算出生成五氧化二磷的质量和耗用氧气的质量。
[解]设0.62克红磷完全燃烧生成x克五氧化二磷,耗用y克氧气。
4P+5O2
2P2O5
x=1.42克
y=0.80克
0.80克氧气在标准状况下占有的体积为:
答:0.62克红磷完全燃烧需耗用标准状况下氧气0.56升,生成五氧化二磷1.42克。
②计算物质的纯度
[例]含有铁锈(主要成分是Fe2O3)的铁粉质量为7.0克,跟足量稀盐酸充分反应后,生成氢气0.2克,计算该铁粉的纯度。
[分析]铁粉跟稀盐酸发生置换反应,生成氯化亚铁和氢气
Fe+2HCl=FeCl2+H2↑
根据生成H2的质量可以计算出Fe的质量,再用Fe的质量除以不纯铁粉的质量,乘以100%,便可得出该铁粉的纯度。
[解]设该铁粉中含Fe为x克
Fe+2HCl=H2↑+FeCl2
x=5.6克
该铁粉的纯度为:
答:该铁粉的纯度为80%。
根据化学方程式计算反应物或生成物的质量百分比浓度 这种计算的特点是把质量百分比浓度与化学方程式的计算结合起来。进行这种类型的计算,先要依据化学方程式,计算出反应物或生成物的质量;再分别除以各自溶液的质量,就可以计算出反应物或生成物的质量百分比浓度。
[例]含有Al2O3的Al粉3克,已知Al的百分含量为90%,该铝粉跟质量为100克的稀硫酸恰好反应完全,计算稀硫酸的质量百分比浓度是多少?所得Al2(SO4)3溶液的质量百分比浓度是多少?
[分析]把含有Al2O3的Al粉放入稀硫酸中,发生的化学反应是:
2Al+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2↑
Al2O3+3H2SO4=Al2(SO4)3+3H2O
在3克铝粉(内含Al2O3)中含有铝(Al)的质量为:
3克×90%=2.7克
含有三氧化二铝(Al2O3)的质量为:
3克×(1-90%)=0.3克
跟2.7克Al反应的H2SO4与跟0.3克Al2O3反应的H2SO4的质量之和,是稀H2SO4中的溶质质量,据此可以计算出稀硫酸的质量百分比浓度。
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