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化學基本概念

化學基本概念


目錄:

4 基本概念
     4.1 原子
     4.2 元素
     4.3 物質
          4.3.1 命名法
     4.4 分子
     4.5 離子和鹽
     4.6 酸鹼性
     4.7 相
     4.8 氧化還原
     4.9 化學品
     4.10 化合物
     4.11 摩爾以及物量
     4.12 化學鍵
     4.13 分子間力
     4.14 物理特性
     4.15 化學反應
     4.16 平衡
     4.17 能量
     4.18 化學定律
     4.19 化學工業

原子
一粒原子是由原子核及外圍帶負電荷的電子組成的粒子,一般而言是化學研究的最小尺度範疇。原子核由質子和中子組成。電子帶負電荷,質子帶正電荷,個數相同使得電荷平衡,令整個原子呈中性。


最簡單的原子:氫原子的結構示意圖

元素
一種元素即是所有原子核內有一樣多的質子的原子的統稱,例如氫這種元素中所有原子都是只有一粒質子。這個概念換過來說亦可:所有原子核中有六粒質子的原子都是碳,所有原子核中有九十二粒質子的都是鈾。元素亦有另一定義,就是所有不可以用化學方法分解的物質都是元素。

在這麼多種列舉元素的方法中,最常用和最方便的莫過於元素週期表。週期表根據原子序數來排列原子,而原子序數就是一粒原子中質子的數量。因為這個奇怪的排列,排在一起的元素,無論是同一個直行、同一個橫行還是純粹在附近,都有一些大致上固定的關係。

同一種元素可能有很多個不同的同位素。它們除了重量有些分別,或者有的因為太多、太少中子而導致原子核不穏定之外其他東西大致一樣。


元素周期表

物質
化學物質是指一種物體,它既確定了其化學組成,也確定了它的化學屬性[7]. 嚴格的來講, 混合的化合物,元素等都不能算是化學物質, 只能說是化學藥品或者說化學製品. 大多數我們日常生活碰到的化學品都是混合物,比如空氣,合金,生物製品.

命名法
物質的命名法在化學語言當中是最嚴格的一環.早在很久以前,化合物的命名是由其發現者自行決定的, 這樣則導致了命名的困難和混亂. 而現在我們最常用的還是國際純粹與應用化學聯合會 (International Union of Pure and Applied Chemistry) (IUPAC) 命名方法. 它用一個命名系統讓所有的化合物都有一個獨有的名稱和代碼. 有機化合物通過有機命名[8]系統命名; 而無機化合物通過無機命名[9]系統命名. 而通過化學索引服務(Chemical Abstracts Service),我們可以輕鬆的通過CAS號(CAS registry number)來找到每一個化合物的性質,特性,命名和結構.

分子
一個分子是化合物的最根本組織,不用化學方法是拆不開的。大部分分子都是由兩個或以上原子組成,但是都有些特例,例如氦氣分子,只有一個原子。這些原子,如果多於一個,是由化學鍵結合。


一個分子結構式描述了化學鍵以及它在分之中所連接的原子的位置,圖上為紫杉醇的分子結構

酸鹼性
物質可以被分類為一種酸或者是一種鹼。通常我們有幾種進行酸鹼分類定義的理論。其中最簡單的要數阿累尼烏斯理論(Arrhenius theory),它認為:酸是能夠在水當中電離出水合氫離子的物質;而相反鹼則是在水當中電離出氫氧根離子的物質。而 Brønsted–Lowry酸鹼理論 (Brønsted–Lowry acid-base theory)則認為酸是能夠在化學反應中給其他物質氫離子的物質;而鹼則是相應能得到氫離子的物質。第三種理論被稱作是路易士酸鹼理論(Lewis acid-base theory),它是基於形成化學鍵之上的。路易士理論認為:酸是在鍵的形成當中接受了一對電子;而鹼則是在形成鍵的過程中給予了其他物質一對電子。因此,一個物質如果對於不同的酸鹼理論來說,可能在此是酸,在另外一個理論來說卻是鹼。

酸性強度的衡量方法主要有兩種:第一種是阿累尼烏斯定義的也就是我們最常用的pH,它是通過衡量一個溶液當中氫離子的濃度來確定酸性的大小。它的計算方法是 pH=-lg[H+],也就是pH等於氫離子濃度的負對數。因此可以說,擁有更高濃度的氫離子溶液,其pH越低而酸性更強。第二種是Brønsted–Lowry定義,也就是酸解離常數(Ka),它衡量的是物質作為酸的時候給予氫離子的能力。因此一個酸性越強的物質,其Ka更高,更具有給予氫離子的的傾向。同樣的我們可以將pOH替換成pH, Kb代替Ka來說明鹼性強度。


氧化還原
氧化還原的概念和一個物質的原子獲取或者給予電子的能力有關。物質擁有氧化其他物質的能力就被成為氧化性,而此物質被成為氧化劑(oxidizing agents),或者成為氧化物。一個氧化劑能夠將電子從其他的物質上移走。相應的,具有還原其他物質的物質被稱作有還原性而成為還原劑(reducing agents)或者成為還原物。一個還原試劑能夠傳遞給其他物質電子並且氧化自身。 而正因為其「給予」了其他物質電子,它還被稱為供電子物。 氧化還原的性質與氧化數(oxidation number)有關--其實真正的給予或者獲取完成的電子並不存在。 所以,氧化過程被定義為增加了氧化數,而還原則是降低的氧化數。

化學品
化學品泛指一切有確實化學構造及化學成份的物質,所以又稱化學物質。它們可以是元素、化合物或混合物。日常生活中,我們會遇到的東西多數都是混合物,例如合金。

化合物
化合物是一些以不同元素用固定比例結合而成的物質。成份的比例決定了它的化學特性。例如水是用氫同氧以二比一組合而成,結果它三個原子之間就造了一個104.5度的角度出來。不同化合物及元素之間的變化稱為化學反應。


一顆氯化鈉(食鹽)的結晶

摩爾以及物量
摩爾(英語:mole)(僅台灣地區使用莫耳一詞)是物量的國際單位,符號為mol。1摩爾是所含基本微粒個數與12克的碳-12()中所含原子個數相等的一系統物量。使用摩爾時,應指明基本微粒,可以是分子、原子、離子、電子或其他基本微粒,也可以是基本微粒的特定組合體。1摩爾物質中所含基本微粒的個數等於亞佛加厥常數,符號為NA,數值約是6.0221367×1023,常取6.02×1023。

一種物質的摩爾質量與式量,在使用國際單位制時,在數值上相等。


化學鍵
化學鍵是指組成分子或材料的粒子之間互相作用的力量,其中粒子可以是原子、離子或是分子。化學鍵的物理本質來自於原子和原子之間電子的電力,量子力學上意指原子間電子的波函數線性疊加。化學鍵是化學最重要的概念之一,物理理論本質由萊納斯·鮑林建立。化學家為能簡潔表述化學鍵並規避量子力學的複雜性,將化學鍵分類為共價鍵、離子鍵和金屬鍵,較弱的鍵結如氫鍵等。無論分類為何,其物理本質都是相同的。

原子電子以及分子軌域

分子間力
分子間力是不同分子之間的作用力,主要有氫鍵,范德華力,親水作用/疏水作用等,這種作用力比化學鍵弱,容易打開或重新組合,但是是形成分子空間排列和架構的重要作用力,是現代化學的重要研究方向之一。

物理特性
物質有時會是液體,有時會是固體,有時會是氣體,這些叫作物質的相態。一件物質是否軟、透不透光、透光的話它的折射率是多少,這些都是一件物質的物理特性。總而言之,物理特性即是一種物質不靠化學作用都可以斷定到的特性。

水湧上沙灘造成浪,就是水與沙的物理特性


化學反應
化學反應是一種物質轉變為另一種物質的過程,涉及分子中元素的交換和化學鍵的轉移、形成或消失。化學反應形成的改變既可令很多獨立的分子結合,也可將一個較大型的分子拆開成為很多獨立的小分子,甚至是同一分子內有原子移動,即使原子的數量沒有改變,但仍會構成化學反應。

鹽酸同氨發生化學反應生成氯化銨

化學定律
化學反應的守恆必須符合物理守恆定律,反應前後應符合:
質量守恆定律:一個化學反應發生,物質的總質量不會有任何變化。
能量守恆定律:化學反應所產生的能量總和不變,只是能量形式依照反應模式而變化。 引出三個重要概念: 平衡, 熱力學, 動力學.
電荷守恆定律:化學反應前後的電荷數應守恆。
亞佛加厥定律
比爾-朗伯定律
波義耳定律 (1662年,壓力和體積相關)
查理定律 (1787年,體積和溫度相關)
斐克擴散定律
蓋呂薩克定律 (1809年,體積與溫度相關)
亨利定律
赫士定律
定組成定律
倍比定律
拉烏爾定律


化學工業
化學工業(化工)是當代經濟活動當中重要的一部分.全球50大化學品製造商在2004年共銷售了5870億美元的業績, 其中利潤佔據了8.1%, 其中研發成本佔據了2.1%

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