2020普通高中教科书 化学 必修 第一册（沪教版）.pdf

普通高中教科书化学必修第一册上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会组织编写出 版 上海世纪出版（集团）有限公司上海科学技术出版社 （上海市钦州南路 71 号邮政编码 200235）发 行上海新华书店印 刷上海中华印刷有限公司版 次2021 年 1 月第 1 版印 次2021 年 7 月第 2 次开 本890 毫米 1240 毫米1/16印 张9.5字 数214 千字书 号ISBN 9787547848975/G978定 价11.90 元版权所有未经许可不得采用任何方式擅自复制或使用本产品任何部分违者必究如发现印装质量问题或对内容有意见建议，请与本社联系。电话：02164848025，邮箱：全国物价举报电话：12315 声明按照中华人民共和国著作权法第二十五条有关规定，我们已尽量寻找著作权人支付报酬。著作权人如有关于支付报酬事宜可及时与出版社联系。主编：麻生明 陈 寅本册主编：麻生明 陈 寅编写人员： （以姓氏笔画为序）王 辉 王韻华 占小红 包慧敏刘瑞婷 李锋云 沈正东 陈雪莹责任编辑：胡恺岩 孙 伟美术设计：诸梦婷1.1 物质的分类 71.2物质的量 151.3 化学中常用的实验方法 22本章复习 34 项目学习活动 如何测定气体摩尔体积 382.1海水中的氯 432.2氧化还原反应和离子反应 532.3溴和碘的提取 63本章复习 69 3.1硫及其重要化合物 753.2氮及其重要化合物 843.3硫循环和氮循环 91本章复习 99项目学习活动 如何测定硫酸铜晶体中结晶水的含量 1024.1元素周期表和元素周期律 1074.2 原子结构 1194.3核外电子排布 127目 录第 1 章 化学研究的天地5绪 言 1第 2 章 海洋中的卤素资源 41第 3 章 硫、氮及其循环 73第 4 章 原子结构和化学键 1051 酸、碱和盐的溶解性表（293 K） 143 化学词汇中英文对照表 144 学生必做实验索引 145 元素周期表 146附录 14324.4化学键 133本章复习 139绪 言1化学是人类在认识、探索、利用和保护自然的实践活动中，通过不断总结和完善而形成的知识体系，具有创造性、实用性和有趣性。化学不仅满足人们日常生活的需求，提升人们的生活质量，而且不断促进其他领域的科学和技术的进步，已经成为一门重要的基础和中心学科。人类早在学会用火起就开始了化学实践活动。古代先民为满足生活的需求逐步掌握了陶器烧制、金属冶炼、酒醋酿造、造纸、印染等实用化学工艺。17 世纪开始，世界范围内的科学研究活动呈现出空前的繁荣，经过不少化学家的不懈努力，化学被确立为科学。19 世纪中叶起，随着元素周期律、原子结构模型的提出和发展，现代化学的雏形初步确立。我国近代化学的启蒙得从徐寿（1818 1884）说起，他从 19 世纪中叶起，先后翻译并出版了化学鉴原 化学考质中西化学材料名目表 化学求数等十余部化学书籍，系统地传播了近代化学科学，带动了这一学科在中国的发展。20 世纪以后，人们对物质认识的层次由宏观进入微观，创立了许多重要化学理论，研究范围更加宽广，逐步形成了无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学等分支学科。进入 21 世纪，化学与生命、材料、信息、能源、空间科学、环境等学科之间的关系愈加密切，各学科之间的交叉融合与渗透也越来越普遍。神秘的生命过程中充满着无数奇妙的化学反应，从分子水平上认识生命过程，揭示、探索生命现象的奥秘，仍然需要化学家与生物学家的不断合作和探索。在材料科学领域，科学家以化学、物理等物质科学为基础，研究和开发具有特殊光、电、磁以及催化性能的先进材料，比如非线性光学材料、高温超导材料、功能高分子材料、新能源材料等。航天技术的每一次进步都离不开化学家开发的安全可靠、高性能、图 1 徐寿创译的元素汉译名沿用至今（摘自江南制造局丛书本 化学鉴原 ）图 2 我国研制出新型碳纤维复合材料地铁车2低成本和高载荷的火箭推进剂，以及高能电池、高敏胶片和碳纤维等耐高温、耐辐射的特种材料，甚至航天员出舱时所穿航天服及其呼吸所需的供氧剂，都是由化学家主要通过人工合成提供的。化学与人类生活的各个方面都有着十分密切的联系。由于化肥、农药、植物生长调节剂等化学品的使用，农作物的产量大幅提高，人类摆脱饥饿。人类美好的生活离不开色香味俱佳的食品，在其生产过程中可以合理、合规地使用食品添加剂。防腐剂、调味剂、食用香料和色素等食品添加剂就是通过从自然界提取或通过合成技术以及安全性研究而制备的。人们在日常生活中使用的洗涤剂、消毒剂和化妆品等也都是化学品。疾病的诊断、治疗和预防是人类提高生活质量、延长寿命的前提，这得益于化学家不断研制抗病毒、抗肿瘤、抗感染的药物。1972 年，以屠呦呦为代表的我国科学家从黄花蒿中成功提取得到了青蒿素，测定了其分子结构，并证实其高效抗疟作用。随后，我国科学家又相继研制成功双氢青蒿素、蒿甲醚、青蒿琥酯等更有效的药物，被列入世界卫生组织的基本药物目录。青蒿素的发现，挽救了全球特别是发展中国家数以百万计人的生命。屠呦呦也因此获得共和国勋章、诺贝尔生理学或医学奖等奖项。化学对保护人类赖以生存的环境也肩负重要责任。分析、监测环境质量，治理环境和生态污染，发展环境友好的化学技术，都离不开化学。化学家以绿色化学理念发展新的化学理论和技术，制造出有利于环境保护的化学品和生活用品，使人类与环境的互动更加自然和谐，实现社会的可持续发展。总之，毫不夸张地说，我们生活在一个不断使用化学知识创造的缤纷多彩的世界里。而化学的奇妙之处，就是基于元素周期表中百余种元素而构建出的如此绚丽多彩的物质世界。化学学科核心素养是学生必备的科学素养，也是学生终身学习和发展的重要基础之一，化学课程则是提升学生发展核心素养的重要载体。 化学 必修 第一册和化学 必修 第二册是根据“化学科学与实验探究” “常见的无机物及其应用” “物质结构基础与化学反应规律” “简单的有机化合物及其应用”和“化学与社会发展”等 5 个主题编写的。通过学习必修课程，同学们将认识到化学不但是揭示元素和生命奥秘的核心力量，而且在促进人类社会可持续发展中发挥着日益重要的作用。必修课程将在义务教育化学和科学课程的基础上起到巩固与提高的作用，并为学习选择性必修课程和选修课程做好必要的铺垫。为了有利于同学们积极主动地投入学习，教材设置了不同功能的栏目，这些栏目可以归纳为学习准备、概念建构、拓展延伸、巩固提升等部分。3想一想提出与正文相关的问题，供同学们思考、讨论，并解决问题。书写表达运用化学特有的语言来表征物质的组成、结构与变化。 提供教师演示、学生必做实验等内容。实 验 探 究概念建构通过思考讨论、书写表达、实验探究等多样的学习方式，帮助同学们进行概念建构，有效地掌握知识与技能。拓展视野提供与正文内容相关的拓展性知识。介绍化学家的成就或重要的历史事件。化学史话拓展延伸为了拓展同学们的学习视野并激发学习兴趣，教材选择了一些补充资料，供同学们进一步了解化学与科学、技术、社会和环境的联系。学习准备帮助同学们了解本章节的学习目标，建立新旧知识的关联，有助于知识结构化和网络化。梳理在学习本节前需要回顾的知识。知 识 回 放明确本节主要的学习目标，包括核心的知识内容和需达到的学业质量水平等。学 习 聚 焦例题导引提供典型的例题，附以解答过程，呈现解决问题的思维模型。练习巩固设计与本章节相关的练习，并检验学习成效。素养提升从化学学科核心素养的视角对本章的核心概念与技能进行归纳。核心框图以概念图形式呈现本章的知识结构。体验分享设计了制作类、课题类的实践任务或实际问题。巩固提升在章节的末尾，提供相关的例题、练习和实践活动，并将章节的素养要点进行提炼，帮助同学们巩固所学内容。链接学科链接职业介绍化学分支领域或跨学科领域，并提供与内容相关的职业链接。高中阶段所学的化学知识只是沧海一粟，希望大家通过本课程的学习，打好基础，爱上化学，用好化学。期望有更多的同学跨入化学科学研究的殿堂，通过大家敏锐的科学观察和探究能力，发现化学之美，为人类的可持续发展贡献自己的力量！一个奇妙而有用的化学世界正等待同学们去探索、去开拓！4化学研究的天地 设施齐全、整洁有序的化学实验室，是学习和研究化学的重要场所。摄于复旦大学。第1章5第 7 章物质的分类物质的量化学中常用的实验方法1.11.21.36化学是什么？化学是研究物质的性质、组成、结构、变化和与之相伴随的能量转变的科学。我们身处丰富多彩的物质世界，大到日月星辰，小到病毒细菌，无不由物质所组成。尽管物质的外表形色各异，变化无穷，但都是由基本单元原子构成的。 人们运用化学科学，从分子、原子水平上研究物质及其变化规律，针对特定需求来合成新物质、制造新材料、开发新能源，为人类创造更绿色、更美好的生存环境。在本章中，我们将了解物质的分类方法，学习如何计量物质和研究物质常用的实验方法。这些学习经历将帮助我们认识和体验科学家是如何研究物质和创造新物质的。物质的分类71.1身边的有机化合物第 7 章人类认识和利用大自然中水、火、光、电等手段让物质发生变化的规律，发展出各种技术，从而提炼出更纯净的物质、制造新物质，为化学学科的发展奠定了基础。面对数以亿计的物质，化学家是如何开展研究的？化学的探索方向又在何处？ 列举常见的物质分类方法 掌握溶液、胶体、浊液的区别和联系 知道丁达尔现象学 习 聚 焦知 识 回 放 单质和化合物 氧化物、酸、碱和盐 物质三态的变化 溶液和浊液1.1物质的分类化学的研究对象是物质，化学家常根据需要将众多物质进行分类，从而更好地探索各类物质的性质及其相互转化的规律。物质分类的一般原则是将具有相似性质的物质归为同一类，从不同角度或用不同方法可形成不同的分类。根据物质的组成，可将物质分为纯净物和混合物；对于纯净物，可根据物质中所含元素的种类，分为单质和化合物；对于无机化合物，又可分为酸、碱、盐和氧化物等。此外，还可以根据物质的导电性、溶解性、聚集状态等进行分类（图 1.1） 。物质的分类图 1.1物质分类方式列举在日常生活中，我们常会接触到下列物质：空气、水、铜、食盐、糖水、碳酸钙、氧气、石墨、乙醇。请你将上述物质进行分类，并说出分类的依据。想一想化学研究的天地第 1 章8化学中关于物质的分类远不止以上这些。根据氧化还原反应理论，可以将物质分为氧化剂和还原剂；根据化合物在水溶液中或熔融状态下能否导电，可将其分为电解质和非电解质；根据有机化合物的分子组成中是否含有碳、氢以外的元素，分为烃和烃的衍生物，烃的衍生物又可分为含氧衍生物、含氮衍生物等。生活经验告诉我们：固体有一定的形状；液体没有固定的形状，但有固定的体积；气体没有固定的形状和体积；气体容易被压缩，而固体和液体不易被压缩。我们可以根据物质的聚集状态认识每类物质的宏观和微观状态的性质。物质在气、液、固三态时的这些特性主要与构成物质的微粒之间的平均距离、作用力及运动方式等有关（图 1.2） 。观察图 1.2，分析不同聚集状态物质的宏观和微观性质。图 1.2物质聚集状态的示意图聚集状态宏观性质微观性质是否有固定形状是否有固定体积微粒间距离的远近微粒间作用力的强弱气态液态固态想一想物质的分类91.1温度和压强都会对物质微粒之间的平均距离产生影响。一次性打火机内灌充的燃料是易挥发的有机化合物丁烷（常压下沸点为0.5） ，丁烷气体在打火机内却呈液态，请解释这一现象。在一定条件下，物质的三种聚集状态之间可以相互转化（图 1.3） 。通常情况下，固体和液体的密度较大，而气体的密度较小。液体和固体也被称为物质的凝聚态。物质的体积是由构成物质的微粒数目、微粒大小和微粒之间的距离等因素决定的。图 1.3物质的三态变化拓展视野当温度达到数千摄氏度时，原子外层电子会具有足够的能量而摆脱原子核的束缚，成为自由电子，该过程称为电离。由电荷总数相等的正离子和自由电子构成的电离状态的气体称为等离子体，被视为物质的第四种存在状态，它在自然界和宇宙中普遍存在。由于等离子体的形成需要 103 105 K 的高温，高温促使化学反应速率大大加快，所以等离子体技术在化工领域应用广泛，如应用于切割、喷涂和受控热核聚变反应等方面。物质的第四态等离子体图 1.4与等离子体有关的现象爆炸后的恒星辉光球极光闪电在日常生活中，我们所接触到的物质大多是混合物。其中不少混合物是由一种或多种物质分散在另一种物质中分散系想一想化学研究的天地第 1 章10生活中我们会接触到不同的分散系，而分散质或分散剂也可以是气、液、固等不同的聚集状态，它们之间又会有若干组合方式。请举出几种常见的分散系的实例。溶液中的分散质粒子是小分子或离子，其直径通常小于 1 nm（1 nm =1109 m） ，这样的分散系表现出均匀、稳定的宏观特征，在通常情况下分散质不会自动与分散剂分离。悬浊液、乳浊液中的分散质粒子是固体小颗粒或小液滴，直径通常大于 100 nm，这样的分散系表现出不均匀、不稳定等特征，分散质往往会发生沉降或上浮，从而与分散剂分离（图 1.6） 。图 1.6橄榄油和醋形成不太稳定的乳浊液图 1.5分散系形成的，如白色硫酸铜粉末分散在水中形成的蓝色溶液，粉笔灰分散在水中形成的悬浊液，植物油分散在水中形成的乳浊液等。我们把这些混合体系称为分散系，其中分散成粒子的物质称为分散质，粒子分散在其中的物质称为分散剂。根据分散质粒子的大小，可将分散系分为溶液、胶体、浊液等。想一想珍珠雾涂料物质的分类111.1分散质粒子的直径大小在 1 100 nm 之间的分散系，叫做胶体。胶体在一定条件下能稳定存在，并具有一些不同于溶液和浊液的特性。实 验 探 究取一只烧杯，加入约 50 mL 蒸馏水，加热至沸腾。将 3 mL 饱和 FeCl3溶液分多次缓慢加入，用玻璃棒轻轻搅拌，继续加热至刚好变成红褐色，停止加热即得到 Fe(OH)3胶体。另取两只烧杯，向其中一只烧杯加入 50 mL FeCl3稀溶液，向第二只烧杯中加入 40 mL FeCl3稀溶液和约 10 mL NaOH 溶液，用玻璃棒搅拌后得到Fe(OH)3悬浊液。将这三只烧杯置于暗处，分别用红光激光笔水平照射，观察现象。将 FeCl3稀溶液、Fe(OH)3胶体和 Fe(OH)3悬浊液分别进行过滤，观察滤纸上是否有残留固体。将实验现象填入下表。胶体的丁达尔现象问题：根据上述实验现象，思考如何用简便的方法鉴别胶体和溶液？物质光束照射时的现象过滤后的滤纸上是否有残留固体FeCl3稀溶液Fe(OH)3胶体Fe(OH)3悬浊液半透膜胶体的分散质粒子比滤纸孔隙小，很容易透过滤纸。要除去胶体粒子，可选用半透膜。半透膜是一种孔径比滤纸更小的膜，小分子、离子能透过而胶体粒子不能透过。常见的半透膜有动物的肠衣、膀胱膜、羊皮纸、玻璃纸等。资 料 库图 1.7不同分散质粒子透过滤纸和半透膜时的示意图化学研究的天地第 1 章12图 1.8 Fe(OH)3胶体的丁达尔现象图 1.9日常生活中的丁达尔现象胶体粒子有很大的比表面积（单位质量粒子具有的表面积） ，具有较好的吸附性，能吸附水中的悬浮颗粒物并使其沉降，因而常用于水的净化。丁达尔现象可见光的波长在 400 760 nm 之间。胶体粒子直径在 1 100 nm 之间，小于可见光的波长。当光入射胶体时会发生光的散射，此时每颗胶体粒子就像一个光源，向各个方向发射出光线，丁达尔现象就是胶体粒子对入射光发生散射的结果。溶液中分散质粒子直径小于 1 nm，散射作用极其微弱，故光通过溶液时观察不到这种现象。资 料 库当光通过分散系时，由于分散质粒子对光散射而在侧面观察到明亮的光线轨迹的现象，称为丁达尔现象（图1.8） 。丁达尔现象是胶体的重要特征，是鉴别胶体和溶液的常用方法。丁达尔现象在日常生活中随处可见。例如，清晨在树林中看到一缕缕光束，阳光通过窗隙射入暗室形成光柱等，都属于丁达尔现象（图 1.9） 。这是由于空气中含有微小的尘埃或液滴，在一定条件下形成云、雾、烟等胶体（又称气溶胶） ，因而产生丁达尔现象。在化学分析中，利用丁达尔现象制成浊度计用以确定胶体中分散质粒子的大小和分布密度。激光笔物质的分类131.1胶体粒子可以选择吸附带相同电荷的微粒，即同种胶体粒子带上同种电荷，导致胶体粒子彼此相互排斥，在一般情况下，胶体粒子不容易聚集，因而胶体可以比较稳定地存在。在外加直流电场作用下，带电的胶体粒子或离子向着与其电性相反的电极移动，这种现象称为电泳（图 1.10） 。当胶体粒子遇到带有相反电荷的离子或其他胶体粒子时，由于电荷的中和，胶体粒子聚集成为较大的颗粒物，在重力作用下形成沉淀析出，这种过程叫做聚沉。例如，向豆浆中加入石膏或盐卤，会引起豆浆里的蛋白质和水等物质一起聚沉为豆腐。大江大河中含有大量的土壤胶体粒子，在江河入海口，海水中的盐分使这些胶体粒子发生聚沉，逐渐形成三角洲、冲积岛等地形地貌。此外，加热、搅拌也会引起胶体的聚沉。胶体的应用对日常生活、科学研究、工农业生产以及国防等有着十分重要的意义。在新材料的研制中，当粒子的大小达到纳米级，即在胶体粒子直径范围时，材料性能会发生奇特变化，如纳米陶瓷可以克服陶瓷材料易碎的致命缺点等。因此，纳米材料已成为新材料研究领域的热点。拓展视野有的胶体聚沉后能形成立体网状结构，将大量分散剂包裹其中，形成具有弹性的半固体，叫做凝胶。果冻、肉冻等是生活中经常见到的凝胶。如果凝胶中包含的分散剂为气体，则被称为气凝胶，这是一种密度极小的材料，具有很多神奇的性能，如优异的隔热、隔音、承重性能等。凝胶图 1.11气凝胶神奇的性能具有优异的隔热性能可支撑较重的物体气凝胶气凝胶图 1.10 Fe(OH)3胶体的电泳现象通直流电前通直流电后化学研究的天地第 1 章14第 7 章学习指南练习巩固1. 下列体系不属于分散系的是（） 。 （A） 碘酒 （B） 水 （C） 泥浆 （D） 鸡蛋清2. 胶体和溶液的本质区别在于（） 。 （A） 分散系是否有颜色 （B） 分散系是否均匀 （C） 分散质粒子的直径 （D） 能否发生丁达尔现象3. 下列对生活中常见现象的正确解释是（） 。 （A） 汽化：舞台上常用干冰制作“云雾”效果 （B） 液化：从冰箱里取出的鸡蛋过一会儿会“出汗” （C） 升华：冰雪消融 （D） 凝固：冬日温暖的车内窗玻璃会变模糊151.2物质的量身边的有机化合物第 7 章1.2物质的量物质的量是一个物理量，表示物质中含有一定数目微粒的集合体。1971 年，第 14 届国际计量大会将“物质的量”确定为国际单位制的 7 个基本物理量之一，符号为 n。物质的量的单位是摩尔，用 mol 表示。1 mol 精确包含 6.022 140 761023个基本单元，该数称为阿伏加德罗常数（NA） ，以单位mol1表示。一般来说，NA取值保留到6.021023即可。这里指的基本单元可以是原子、分子、离子、电子、其他任意微粒或微粒的特定组合。例如：1 mol C 中约含有 6.021023个碳原子；1 mol CO2中约含有 6.021023个二氧化碳分子； 1 mol NaCl 中约含有 6.021023个钠离子和6.021023个氯离子；1 mol O2中约含有 1.2041024个氧原子。如果一定量微粒集合体中所含有的微粒数与阿伏加德罗常数的值相同，我们就说这种微粒的物质的量为 1 mol。物质的量（n） 、阿伏加德罗常数（NA）与微粒数（N）之间存在以下关系：NNAn =摩尔成为将微观粒子与宏观物质联系起来的桥梁，并建立起与其他基本单位之间的定量关系，极大地促进了化学学科的发展，广泛用于化学、生物等基础科学研究与分物质的量阿伏加德罗常数在描述物品数量时，我们可以根据数量的多少，选择合适的计量单位。例如，2 只皮鞋是一“双” 、12 个鸡蛋是一“打” 、500 张全张纸是一“令”等。物质是由数目巨大、质量很小、肉眼无法观察到的分子、原子等微粒构成，如何来计量这些微粒的数量呢？能否建立起微粒数与宏观可称量的物质质量之间的联系呢？ 了解物质的量及其相关物理量的含义和应用 基于物质的量认识物质组成与化学变化 运用物质的量、摩尔质量、气体摩尔体积之间的相互关系进行简单计算学 习 聚 焦知 识 回 放 物质的聚集状态 化学方程式中化学计量数的意义资 料 库表 1.1 国际单位制（SI）的 7 个基本单位量的名称单位名称单位符号长度米m质量千克kg时间秒s电流安培A热力学温度开尔文K物质的量摩尔mol发光强度坎德拉cd16化学研究的天地第 1 章析测试，以及化工、医药等行业的生产实践活动。在研究化学变化时，采用摩尔进行计量会带来很多方便。如通过化学反应中反应物与生成物之间原子、分子等微粒的计量数之比，我们可以直接知道它们之间的物质的量之比。例如：通常我们用质量来计量物质的多少，用体积来衡量物质的大小。那么 1 mol 不同物质的质量究竟是多少？它们的体积又是多大呢？摩尔质量气体摩尔体积表 1.2 常压下 1 mol 不同物质的质量和体积物质状态相对原子质量或相对分子质量质量 /g密度 /（gcm3）体积 /cm3NaCl固58.558.52.17Fe固56567.86C2H5OH液46460.789H2SO4液98981.84H2（273 K）气220.000 088He（273 K）气440.000 176CH4（273 K）气16160.000 716 注： 除标明温度外均为室温下的测量值。点燃 C + O2 CO2 1 mol 1 mol 1 mol理论化学是运用理论计算来解释和理解物质世界中的微观化学问题的化学分支学科。随着理论化学的创立和发展，化学由以实验为基础的科学进入可用理论计算来认识化学反应的阶段。比如，解释化学反应行为，理解化学反应的现象和微观本质，预测一些物质的反应活性和设计新的材料等。理论化学链接学科171.2物质的量由表 1.2 可知，对于固态或液态的物质来说，1 mol 不同物质的体积往往是不相同的，但 1 mol 不同气体的体积在同温同压下却近似相等。大量的科学实验表明，在 273 K 和 101 kPa 条件（称为标准状况，简写为 STP）下，1 mol 气体的体积约为22.4 L（图 1.12） 。我们把每摩尔气体所具有的体积叫做气体摩尔体积，用符号 Vm表示，常用的单位为 Lmol1。一定量气体的物质的量（n） 、体积（V）与气体摩尔体积（Vm）之间存在以下关系：VVmn =每摩尔指定物种（如原子、分子或者某种微粒及其组合等）所具有的质量称为摩尔质量，符号为 M，单位为 gmol1。根据表 1.2 可知，物质的摩尔质量在数值上等于该物质的相对原子质量或相对分子质量。例如：Fe 的摩尔质量为 56 gmol1，乙醇的摩尔质量为 46 gmol1，H2SO4的摩尔质量为 98 gmol1。物质的质量（m） 、摩尔质量（M）和物质的量（n）之间存在如下关系：mMn =已知银的相对原子质量为 107.9，21.58 g 银所含的银原子的物质的量是多少？含有银原子的个数是多少？书写表达根据表 1.2 所给的数据，分析表中 1 mol 各物质的质量在数值上的特点。根据物质的密度计算 1 mol 各物质的体积并填入表中，结合物质聚集状态的特点（图 1.2）解释物质体积数据存在差异的原因。图 1.12 标准状况下 1 mol 气体的体积约为 22.4 L 标准状况是温度为 273.15 K（即 0，近似值用 273 K）和压强为 101.325 kPa（近似值用 101 kPa）的状况。想一想18化学研究的天地第 1 章在提到气体体积时，一定要注明温度和压强，这是因为气体分子之间的平均距离与外界温度和压强有关。温度升高时，气体分子间平均距离增大；温度降低时，气体分子间平均距离减小。压强增大时，气体分子间平均距离减小；压强减小时，气体分子间平均距离增大。各种气体在相同温度和压强条件下，分子间的平均距离都近似相等，此时气体体积大小只与分子数目有关。在相同温度和压强条件下，相同体积的任何气体都含有相同数目的分子。这个规律最早是由意大利物理学家和化学家阿伏加德罗（Amedeo Avogadro，17761856）提出的，故被称为阿伏加德罗定律。阿伏加德罗定律也可表述为：在相同温度和压强条件下，气体的体积与其物质的量成正比。n1n2V1V2=了解气体体积与物质的量之间的关系后，我们在化学反应中就可以直接用体积来计量气体了。物质由原子、分子等微粒构成，物质之间发生化学反应时也是这些微粒以一定的数量关系进行的，化学方程式中的计量系数表示的就是微粒之间的这种数量关系。例如，表 1.4所示的就是甲烷与氧气的燃烧反应中反应物和生成物之间的各种定量关系。表 1.3 其他条件下气体摩尔体积的数值温度K压强kPaVm（Lmol1）29810124.530010124.637310130.6资 料 库已知常温常压下，18 g 液态水（假设水分子之间排列紧密）的体积为 18 mL，而相同质量的水蒸气体积为24.5 L，估算该条件下水蒸气中气体分子之间的平均距离大概是其分子直径的多少倍？书写表达为什么 1 mol 任何气体在同温同压时所占的体积都近似相等呢？这是因为物质的体积主要取决于构成物质的微粒数目、微粒大小和微粒之间的平均距离。对于固体和液体，构成物质的微粒间的距离很小，一定量物质的体积主要取决于它们的微粒大小。对于气体来说，通常情况下，气体分子之间的平均距离远远大于分子的直径，与气体占有的总体积相比，气体分子本身的体积可以忽略不计。因此，一定量气体的体积主要取决于气体分子之间的平均距离。191.2物质的量拓展视野表 1.4 甲烷的燃烧反应中各物质间的定量关系在一定温度和压强下，每消耗 10 体积气体 A2与 30体积气体 B2，能化合生成 20 体积气体 X。能否据此推导出 X 的化学式？你在推导过程中运用了什么定律？中国科学家在国际单位制重新定义中的贡献摩尔的产生源自近代化学和物理科学研究实践，其含义和内容随着科学的发展而不断完善。1971 年第 14 届国际计量大会通过决议， “物质的量”成为国际单位制的一个基本物理量，摩尔是它的单位，并将该单位定义为：摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含基本单元数与 0.012 kg 碳12 的原子数目相等。摩尔的定义与质量单位千克直接关联，其质量由保存在国际计量局的千克原器实物基准复现。但是，实物千克基准不够稳定，容易受到人为或环境因素的影响，质量单位千克原器的不确定性影响了摩尔的准确度，原有的定义已不能满足精确测量的要求。2018 年第 26 届国际计量大会通过了修订国际单位制的决议，摩尔被重新定义为：1 mol 精确包含 6.022 140 761023个基本单元，该数为阿伏加德罗常数，阿伏加德罗常数也是自然科学的重要基本常数之一。摩尔的新定义将物质的量的测量从质量溯源转变为微粒数量溯源，不再依赖质量单位“千克”而独立存在，新定义真正实现了基本单位回归到基本常数之上。阿伏加德罗常数的精确测定成为新定义的关键，科学家通过由高纯度硅28 制作的单晶硅的硅球来测量该常数。因此，硅球的质量、体积、硅摩尔质量等都需要进行精确测量。中国科学家首次提出并建立了一种基于高分辨质谱的测量方法，很好地消除了测量过程中产生的干扰离子，实现了浓缩硅摩尔质量的精确测量。中国科学家的创新研究成果克服了浓缩硅摩尔质量测量方法单一，且不同实验室测量结果存在较大差异的技术难题，为国际单位制的重新定义做出了实质性贡献。化学方程式与各物质状态 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 气态 气态 气态 液态分子数目 1 个分子 2 个分子1 个分子 2 个分子物质的量 1 mol 2 mol 1 mol 2 mol质量 16 g + 64 g = 44 g + 36 g气体体积（STP） 22.4 L 44.8 L 22.4 L点燃想一想20化学研究的天地第 1 章 通常情况下，一个三口之家每天做饭约消耗 320 g 天然气（全部以 CH4计） 。这些天然气中含有的 CH4个数约是多少？在标准状况下，这些天然气体积约为多少升？ 通过物质的量这一物理量，借助阿伏加德罗常数、摩尔质量、气体摩尔体积，可以把物质的宏观量与构成它们的微粒数联系起来：学习指南例题导引问题：分析：图 1.13 物质的量与物质的微粒数、物质的质量、气体的体积的关系 我们可以利用这些关系进行相关物理量之间的换算。 CH4的物质的量为： m(CH4)M(CH4)320 g16 gmol1n (CH4) = 20 mol= 20 mol CH4所含有的分子个数约为：N (CH4) = n (CH4)NA = 20 mol6.021023 mol1 = 1.2041025 20 mol CH4在标准状况下的体积约为：V (CH4) = n (CH4)Vm = 20 mol22.4 Lmol1 = 448 L 总之，这些天然气中约含有 1.2041025个 CH4，在标准状况下的体积约为 448 L。211.2物质的量练习巩固1. 下列关于物质的量的正确说法是（） 。 （A） 可以理解为物质的质量 （B） 就是物质的粒子数目 （C） 表示一定数目微粒集合体的物理量 （D） 这一物理量只适用于分子、原子和离子这些微粒的计量2. 标准状况下，下列物质所占体积最大的是（） 。 （A） 360 g H2O （B） 32 g O2 （C） 1.5 mol H2 （D） 约 3.011024个氮分子3. 铅笔芯的主要成分是石墨和黏土。假设铅笔芯质量的一半是石墨（其余组成物质中不含碳） ，用铅笔写一个汉字消耗的质量约为 1 mg，那么这个汉字中含有的碳原子数约为（） 。 （A） 2.51019 （B） 2.51022 （C） 51019 （D） 510224. 当温度与压强一定时，气体体积主要取决于以下哪些因素？请在内 画“” 。 分子间的平均距离 分子的数目 摩尔质量 密度 分子自身的大小5. 填写下表。物质的量质量体积 （STP）分子数6.72 L N2约3.011023个氧分子2 g H20.8 mol Cl26. 家用天然气中会添加微量的有特殊臭味的泄漏警告剂，其主要成分可以是四氢噻吩（C4H8S） ，一般添加量是 20 50 mgm3。若你家中一年使用的天然气的量为 310 m3，计算一年所消耗的气态四氢噻吩折算成标准状况下的体积范围。22化学研究的天地第 1 章身边的有机化合物第 7 章1.3化学中常用的实验方法虽然现代化学的飞速进步已经产生了各种各样新的研究方法，但时至今日，实验仍然是化学研究不可缺少的手段。通过实验，我们可以合成新的物质，探究物质的性质，分离和提纯所需要的物质，确定组成物质的元素与含量，解析物质的微观结构，揭示化学现象的本质等。可以说，没有实验，就没有化学。 理解常见物质的制备和分离原理，掌握相应的实验操作方法知道焰色反应、显色法、沉淀法、气体法等鉴别物质的常用方法 能运用物质的量浓度进行简单计算 学会配制一定物质的量浓度的溶液学 习 聚 焦知 识 回 放 实验室制备氧气、二氧化碳等气体 实验室常用的玻璃仪器名称和用途 药品取用、物质加热、过滤、蒸发等操作方法日常生活、工农业生产和科学研究都离不开物质的制备。例如，化工原料的生产、新药的研发、新材料的合成等。在实验室中，我们也曾有制备 O2、CO2和 Fe(OH)3胶体等物质的经历。在进行物质制备等化学实验时，同学们必须遵守实验规则和安全要求，必须在确保实验安全的前提下，来取得良好的实验效果。例如，我们要明确实验步骤、注意事项和操作规范，谨慎处理易燃、易爆、有毒、有腐蚀性的物质等。物质的制备依据实验室制备氧气的实验，思考以下问题：（1） 制备氧气的实验中，你会选择什么物质作为反应原料？（2） 如何设计实验步骤并搭建装置？（3） 若要得到纯净和干燥的氧气，应如何优化反应装置？在制备物质时，常会根据目标产品的组成来选择合适的原料与确定反应原理，设计反应路径，选择合适的仪器并搭建实验装置，在一定实验条件下进行制备，最终根据产品的理化性质将其分离提纯出来。化学实验安全及相关图形符号表 1.5化学品安全使用标识危险象形图说明爆炸物（如具有整体爆炸危险的物质、混合物和制品）易燃类的物质（如易燃的气体、气溶胶、液体和固体，自燃的液体和固体，以及遇水放出易燃气体的物质和混合物）氧化性物质（如氧化性的气体、液体和固体）加压气体（如压缩气体、液化气体、溶解气体）毒性物质（如具有急性毒性的物质）警告（如对皮肤、眼具有刺激的物质，对臭氧层具有危害的物质）腐蚀类物质（如金属腐蚀物）健康危害（如呼吸道致敏物、致癌物）环境危害（如对水生环境具有危害的物质）资 料 库想一想231.3化学中常用的实验方法图 1.14制备物质的一般流程当原料确定之后，应根据原料性质、设备条件等设计反应路径。确定反应路径后，反应条件的控制也十分重要，因为不同的实验条件下，反应的速率和进行程度，以及所得生成物的状态、性质等也不尽相同。因此，在设计物质制备的实验方案时，要综合考虑上述流程中的每个环节。制备物质时一般遵循的原则有：原料易得，原理绿色，条件温和，装置简单，分离方便等。实 验 探 究在实验室中，可用浓盐酸与二氧化锰反应来制备氯气（Cl2） 。实验装置如图 1.15 所示，认真观察教师演示的实验过程（必须在教师指导下才能嗅闻氯气的气味） 。涉及实验原理的化学方程式如下：MnO2 + 4HCl(浓)MnCl2 + Cl2 + 2H2OCl2 + 2NaOH NaCl + NaClO + H2O实验室制备氯气现象记录： 。实验结论： 。问题：实验室中制备气体的装置通常包括哪些部分？若要制取纯净、干燥的氯气，你会如何优化上述装置？图 1.15实验室中制备氯气的装置24化学研究的天地第 1 章日常生活中我们见到的物质大部分都属于混合物。在化学实验中，我们可以运用物理或化学方法，将混合物中的组分分开，这种操作称为分离；去除杂质得到纯物质的操作则称为提纯。通过分离和提纯可得到纯净的物质，供我们进一步研究其组成、结构与性质。初中时，我们就学过在实验室里可利用过滤、蒸发等操作来分离和提纯物质。在化工生产中，许多有效的分离技术已成为重要的工艺过程，通过专用设备来实现。混合物的分离是根据混合物中各组分性质差异进行的。分离混合物的常见物理方法有过滤、结晶、蒸馏、萃取和分液等。物质的分离与提纯图 1.18工业过滤器和蒸发塔工业过滤器热电厂的蒸发塔我们已学过粗盐提纯，该实验过程中涉及哪些分离操作？有哪些操作要点？蒸发操作图 1.17 实验室的过滤与蒸发操作过滤操作药物的制备和新药的研发与人类健康、生活质量密切相关，长期以来人们一直从天然物质中寻找和提取药物；化学家与药物学家通力合作，制备各种新物质用于新药研发；在药物的工业化生产过程中，化学家创造性地开发绿色环保的高效生产工艺。化学家通过这些途径为人类的健康做出重要贡献。药物的研制和绿色生产链接职业图 1.16药物研发人员想一想251.3化学中常用的实验方法蒸发结晶与冷却结晶对被提纯物质的溶解度有何要求？现有一混有少量氯化钾的硝酸钾粉末，请结合两者的溶解度曲线（图1.19 ） ，思考如何提纯硝酸钾。图 1.19KCl 和 KNO3的溶解度曲线将含有少量杂质的晶体溶于水，再重新进行结晶，利用物质溶解度的差异，使杂质全部或大部分留在溶液中，这种提纯操作称为重结晶。经过一次重结晶，若晶体的纯度仍没有达到要求，可再次进行重结晶。2.蒸馏蒸馏是将液体加热汽化后再冷凝蒸气的操作。通过蒸馏，可以把溶剂从含有高沸点溶质的溶液中分离出来，也可以将两种或两种以上沸点差别较大的液体进行分离。例如，通过蒸馏方法将海水中的无机盐除去，得到纯净的淡水。拓展视野对于沸点相差不大的液体，仅靠一次蒸馏无法实现较好的分离效果。此时可以采用分馏的方法。分馏装置与蒸馏装置类似，但增加了一根特制的分馏柱，可以加大蒸气与分馏柱内填充物接触的表面积，通过液体在柱内的反复汽化和冷凝，实现多次蒸馏效果，使混合物分离更加完全。分馏在工业上应用十分广泛，例如石油工业中分离汽油、煤油、柴油等燃料；从液态空气中分离氮气和氧气；在酿酒工业中利用分馏提高酒产品中乙醇的浓度等。分馏图 1.20蒸馏装置1.结晶