国家理科基础科学研究和教学人才培养基地化学系列教材:无机化学.pdf

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上篇
第1章物质的聚集状态1
1.1气体1
1.1.1理想气体状态方程式1
1.1.2气体分压定律2
1.1.3气体扩散定律3
1.1.4气体分子的速率分布和能量分布3
1.1.5实际气体状态方程式4
1.2液体6
1.2.1气体的液化6
1.2.2液体的汽化7
1.3固体8
习题9
第2章化学热力学11
2.1热力学第一定律12
2.1.1基本概念及术语12
2.1.2能量守恒和转化定律——热力学第一定律15
2.1.3焓——恒压条件下的热效应16
2.2化学反应热效应18
2.2.1反应进度18
2.2.2标准摩尔焓变19
2.2.3标准摩尔焓变的求算21
2.3热力学第二定律、熵函数24
2.3.1可逆过程和最大功25
2.3.2自发过程的共同特性——不可逆性28
2.3.3热力学第二定律描述30
2.3.4熵函数30
2.4吉布斯自由能与化学反应方向33
2.4.1热力学第一、二定律的联合表达式33
2.4.2吉布斯自由能和过程自发进行的方向与限度34
2.4.3标准态下反应摩尔吉布斯自由能的计算35
习题37
第3章化学反应速率40
3.1反应速率的定义40
3.1.1平均速率41
3.1.2瞬时速率41
3.2反应速率理论简介43
3.2.1碰撞理论43
3.2.2过渡态理论44
3.3浓度对反应速率的影响45
3.3.1反应速率方程46
3.3.2反应级数46
3.3.3反应速率常数46
3.4反应机理47
3.4.1基元反应48
3.4.2反应机理探讨48
3.5反应物浓度与时间的关系49
3.5.1零级反应50
3.5.2一级反应50
3.5.3二级反应52
3.5.4三级反应52
3.6温度对化学反应速率的影响53
3.7催化剂对反应速率的影响55
习题56
第4章化学平衡59
4.1化学反应的可逆性与平衡态59
4.2平衡常数60
4.3外界因素对平衡的影响64
习题66
第5章溶液69
5.1溶液浓度的表示方法69
5.2非电解质稀溶液的依数性70
5.2.1蒸气压下降——拉乌尔定律70
5.2.2沸点升高和凝固点降低71
5.2.3依数性的应用73
5.3溶胶74
5.3.1溶胶的制备和净化74
5.3.2溶胶的光学性质75
5.3.3溶胶的电学性质75
5.3.4溶胶的稳定性和聚沉76
习题77
第6章电解质溶液80
6.1强电解质溶液理论80
6.1.1离子氛和离子强度80
6.1.2活度和活度系数81
6.2弱酸、弱碱的电离平衡82
6.2.1一元弱酸、弱碱的电离平衡82
6.2.2解离度83
6.2.3同离子效应和盐效应84
6.3水的解离平衡和溶液的pH值85
6.3.1水的离子积常数85
6.3.2溶液的pH值85
6.3.3酸碱指示剂86
6.4多元弱酸的电离平衡87
6.5缓冲溶液89
6.6各种盐的水解92
6.7影响水解的因素97
6.8酸碱理论的发展98
6.8.1酸碱电离理论98
6.8.2酸碱质子理论98
6.8.3酸碱的强弱99
6.8.4酸碱电子理论100
习题101
第7章难溶性强电解质的沉淀?踩芙馄胶?103
7.1溶度积和溶解度103
7.1.1溶度积常数103
7.1.2溶度积原理104
7.1.3溶度积与溶解度的关系104
7.1.4盐效应对溶解度的影响105
7.1.5同离子效应对溶解度的影响105
7.2沉淀?踩芙馄胶獾囊贫?106
7.2.1沉淀的生成106
7.2.2沉淀的溶解107
7.2.3分步沉淀108
7.2.4沉淀的转化111
习题112
第8章氧化还原反应114
8.1基本概念114
8.1.1化合价、氧化数及确定规则114
8.1.2氧化还原反应及其特征115
8.1.3氧化还原电对116
8.2氧化还原方程式的配平116
8.2.1氧化数法117
8.2.2离子?驳缱臃?118
8.3原电池与电极电势119
8.3.1原电池119
8.3.2电极电势121
8.3.3标准电极电势122
8.3.4电池电动势和化学反应吉布斯自由能的关系124
8.4影响电极电势的因素126
8.4.1Nernst方程126
8.4.2浓度、酸度、生成沉淀、生成配合物对电极电势
的影响127
8.5电极电势的应用129
8.5.1判断氧化剂、还原剂的相对强弱130
8.5.2判断反应进行的方向、氧化还原反应的顺序
选择合适的氧化剂和还原剂130
8.5.3求平衡常数及溶度积132
8.6元素电势图解及应用133
8.6.1元素电势图及应用133
8.6.2氧化态图135
8.6.3电势pH图136
8.7电解138
8.7.1原电池与电解池138
8.7.2电解定律138
8.7.3分解电压139
8.8新型化学电池139
习题141
第9章原子结构及元素性质的周期性144
9.1核外电子的运动状态145
9.1.1氢原子光谱145
9.1.2Bohr原子结构模型146
9.2微观粒子运动的特殊性148
9.2.1微观粒子具有波粒二象性148
9.2.2测不准原理148
9.3波函数和原子轨道149
9.3.1Schr.dinger方程——微粒的波动方程149
9.3.2波函数和原子轨道(轨函)149
9.4概率密度和电子云152
9.4.1概率密度152
9.4.2电子云153
9.5波函数和电子云的空间图像154
9.5.1角向部分154
9.5.2原子轨道的径向部分157
9.5.3电子云的空间形状157
9.6原子核外电子排布和元素周期系159
9.6.1多电子原子的原子轨道能级159
9.6.2原子核外电子的排布(电子结构)161
9.6.3原子的电子层结构和元素周期性162
9.7原子半径164
9.7.1原子半径的概述164
9.7.2原子半径在周期系中的变化165
9.8电离能167
9.8.1电离能的概述167
9.8.2电离能在周期系中的变化167
9.9电子亲和能169
9.9.1电子亲和能的概述169
9.9.2电子亲和能在周期系中的变化169
9.10元素的电负性170
9.10.1元素电负性的概述170
9.10.2元素电负性在周期系中的变化及应用170
习题171
第10章化学键与分子结构173
10.1离子键173
10.1.1离子键的形成173
10.1.2离子键的特点174
10.1.3离子的特征174
10.1.4离子晶体175
10.2现代共价键理论177
10.2.1价键理论177
10.2.2杂化轨道理论180
10.2.3价层电子对互斥理论185
10.2.4分子轨道理论188
10.2.5金属键理论193
10.2.6键参数195
10.3分子间的作用力198
10.3.1概述198
10.3.2氢键199
10.3.3离子的极化作用201
习题203
第11章配位化合物205
11.1配位化合物的基本概念205
11.1.1配位化合物的定义205
11.1.2配位化合物的组成206
11.1.3配位化合物的命名209
11.1.4配位化合物的类型210
11.1.5配合物的立体构型和几何异构212
11.2配位化合物的化学键理论212
11.2.1价键理论213
11.2.2晶体场理论215
11.3配位化合物的稳定性225
11.3.1配位化合物的稳定常数225
11.3.2影响配位化合物稳定的因素227
11.3.3软硬酸碱理论与配离子稳定性229
11.4配位平衡的移动230
11.4.1配位平衡与酸碱电离平衡230
11.4.2配位平衡与沉淀?踩芙馄胶?231
11.4.3配位平衡与氧化还原平衡233
11.5配合物的取代反应与配合物的“活动性”234
11.6配位化合物的应用236
习题237
下篇
第12章氢和稀有气体239
12.1氢239
12.1.1氢在自然界的分布239
12.1.2氢的成键特征240
12.1.3氢的性质和用途241
12.1.4氢的制备242
12.1.5氢化物243
12.1.6氢能源245
12.2稀有气体246
12.2.1稀有气体的性质246
12.2.2稀有气体的用途246
12.2.3稀有气体的化合物247
12.2.4稀有气体化合物的结构(价键理论,分子轨道
理论讨论)250
习题251
第13章碱金属和碱土金属253
13.1碱金属和碱土金属的通性253
13.2碱金属和碱土金属的单质255
13.2.1物理性质255
13.2.2化学性质255
13.2.3金属单质的制备258
13.3碱金属和碱土金属化合物259
13.3.1M+和M2+的特征259
13.3.2氧化物260
13.3.3氢氧化物262
13.3.4盐类264
13.3.5配位化合物266
13.3.6生物效应267
13.4离子晶体盐类的溶解性268
习题270
第14章硼族元素271
14.1硼族元素的通性271
14.2硼和铝的单质及其化合物272
14.2.1单质272
14.2.2硼的氢化物276
14.2.3硼和铝的卤化物279
14.2.4含氧化合物281
14.3镓、铟、铊283
14.3.1镓、铟、铊的单质283
14.3.2镓、铟、铊的化合物285
14.4惰性电子对效应和周期表中的斜线关系286
14.4.1惰性电子对效应286
14.4.2周期表中的斜对角线关系287
习题287
第15章碳族元素289
15.1碳族元素的通性289
15.2碳族元素的单质及其化合物291
15.2.1碳族元素在自然界中的分布291
15.2.2碳族元素单质292
15.2.3碳的化合物297
15.2.4含氧酸及其盐302
15.2.5氢化物307
15.2.6卤化物和硫化物308
15.3无机化合物的水解性311
15.3.1影响水解的因素312
15.3.2水解产物的类型312
习题314
第16章氮族元素315
16.1氮族元素的通性315
16.2氮及其化合物316
16.2.1氮的成键特征316
16.2.2单质氮317
16.2.3氮的氢化物318
16.2.4氮的含氧化合物323
16.3磷及其化合物329
16.3.1磷的成键特征329
16.3.2单质磷和磷化氢330
16.3.3磷的含氧化合物332
16.3.4磷的卤化物337
16.3.5卤氧化磷337
16.4砷、锑、铋338
16.4.1砷、锑、铋的成键特征338
16.4.2砷、锑、铋的单质338
16.4.3砷、锑、铋的氢化物339
16.4.4砷、锑、铋的氧化物340
16.4.5砷、锑、铋的三卤化物341
16.4.6砷、锑、铋的硫化物342
习题343
第17章氧族元素347
17.1氧族元素的通性347
17.2氧、臭氧349
17.2.1氧在自然界的分布349
17.2.2氧的制备和空气液化349
17.2.3氧的结构、性质和用途350
17.2.4臭氧352
17.2.5氧的成键特征354
17.2.6氧化物355
17.3水356
17.3.1水的结构和水的物理性质356
17.3.2水的化学性质358
17.3.3水的污染与净化359
17.4过氧化氢360
17.4.1过氧化氢的分子结构360
17.4.2过氧化氢的性质和用途361
17.4.3过氧化氢的制备362
17.5硫和它的化合物362
17.5.1硫的存在和用途362
17.5.2硫的成键特征363
17.5.3硫的制备、性质和用途364
17.5.4H2S和硫化物364
17.5.5氧化物366
17.5.6硫的含氧酸368
17.5.7硫的其它化合物373
17.6硒和碲375
17.6.1氢化物375
17.6.2含氧酸375
17.6.3用途376
17.7无机酸强度的变化规律377
17.7.1影响无机酸强度的直接因素:电子密度377
17.7.2氢化物酸性强弱规律377
17.7.3含氧酸的酸性强弱规律378
习题379
第18章卤素381
18.1卤素的通性381
18.2卤素单质及其化合物384
18.2.1卤素的成键特征384
18.2.2卤素单质及性质384
18.2.3卤素的存在、制取和用途387
18.3卤化氢和氢卤酸390
18.3.1卤化氢的物理性质390
18.3.2卤化氢的化学性质390
18.3.3氢卤酸的制法392
18.4卤化物、卤素互化物、拟卤素和拟卤化物393
18.4.1卤化物393
18.4.2卤素互化物394
18.4.3拟卤素和拟卤化物394
18.5卤素的含氧化合物395
18.5.1卤素的氧化物395
18.5.2卤素的含氧酸及其盐396
18.6含氧酸的氧化还原性399
18.6.1含氧酸氧化还原的周期性399
18.6.2影响含氧酸氧化能力的因素400
习题402
第19章铜、锌副族404
19.1铜副族元素405
19.1.1铜副族元素单质405
19.1.2铜的化合物406
19.1.3银的化合物408
19.1.4金的化合物410
19.2锌副族元素410
19.2.1锌副族元素单质410
19.2.2锌和镉的化合物411
19.2.3汞的化合物412
19.2.4ⅡB族元素与ⅡA族元素性质的对比415
习题415
第20章过渡金属(一)418
20.1钛副族元素418
20.1.1钛副族元素概述及通性418
20.1.2钛419
20.1.3钛的重要化合物420
20.1.4锆与铪422
20.2钒副族元素423
20.2.1钒副族元素概述及通性423
20.2.2钒423
20.2.3钒的重要化合物424
20.2.4铌和钽426
20.3铬副族元素426
20.3.1铬副族元素概述及通性426
20.3.2铬426
20.3.3钼和钨430
20.4锰副族432
20.4.1锰副族元素概述及通性432
20.4.2锰433
20.4.3锝和铼435
习题435
第21章过渡金属(二)438
21.1铁系元素438
21.1.1铁系元素概述及通性438
21.1.2铁440
21.1.3钴和镍445
21.2铂系元素446
21.2.1铂系元素的单质446
21.2.2铂系元素化合物448
习题451
第22章f区元素453
22.1镧系元素453
22.1.1镧系元素的通性453
22.1.2镧系元素的单质456
22.1.3镧系元素的重要化合物458
22.2稀土元素463
22.2.1稀土元素在自然界中的存在和分布463
22.2.2稀土元素的分组464
22.2.3稀土元素的分离464
22.2.4稀土元素的用途466
22.3锕系元素469
22.3.1锕系元素的通性469
22.3.2锕系元素的单质471
22.3.3钍及其化合物471
22.3.4铀及其化合物472
习题474
第23章放射化学475
23.1原子核的基本性质476
23.1.1原子核的半径与密度476
23.1.2原子核结构模型476
23.1.3亚原子粒子479
23.2核转变化学480
23.2.1核衰变480
23.2.2原子核衰变的一般规律481
23.2.3核反应482
23.3放射性化合物的合成及应用484
23.3.1放射性化合物的合成484
23.3.2放射性化合物的应用485
习题485
附录486
附录1常用单位换算表486
附录2一些化学物质的热力学数据487
附录3凝固点降低常数489
附录4沸点升高常数489
附录5弱酸的电离常数490
附录6难溶化合物的溶度积491
附录7配离子的不稳定常数492
附录8标准电极电势(25℃)492
参考文献503

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回到低能级轨道时,就会发射出一定波长的光,从而使火焰呈现特征颜色。如钙使火焰呈橙红色,锶呈洋红色,钡呈绿色,锂呈红色,钠呈黄色,钾、铷、铯呈紫色。锶、钡、钾的硝酸盐分别与KClO3、硫黄粉以及镁粉、松香等按一定的比例混合,可以制成能发射出各种颜色光的信号剂和焰火剂。
13.2.3金属单质的制备
碱金属和碱土金属的化学性质十分活泼,它们不可能以单质的形式存在于自然界。它们主要以氯化物、碳酸盐、硫酸盐及硅酸盐等离子化合物的形态存在于地壳中。钠、钾、镁、钙、锶、钡在地壳中的含量丰富,而锂、铍、铷、铯含量很低,属于稀有金属。
由于碱金属和碱土金属的标准电极电势都是很大的负值,不可能从水溶液中制备出它们的单质来。制备这些金属单质只能采用熔盐电解法和高温热还原法。
锂和钠常用电解熔融氯化物的方法来大量生产,而钾、铷、铯则以金属为还原剂的热还原法来制备。下面以钠和钾为例来介绍这两种制备过程。
制备金属钠的电解槽如图13—1所示。电解槽的外壳是钢,内衬耐火材料,以石墨A为阳极,以铁环K为阴极,两极间装有网状隔膜D,阳极上方有收集氯气的抽气罩H,阴极上方有倒置的环形槽R,上面连一根铁管F,液态金属钠经环形槽、铁管可流至收集器G中。
电解用的原料为氯化钠和氯化钙的混合盐,加入一定比例的CaCl2后,盐的熔点可以大幅度降低。NaCl的熔点为803℃,而实际电解操作的温度为580℃左右。降低电解的操作温度,既可以降低能耗和减少产品被污染的可能,还可以降低电解生成的金属钠在熔融液中的溶解度,以利于产品的分离。当混合盐在电解槽中熔化后,即进行电解,电极反应如下:
工业上一般不采用电解熔融氯化物的方法来制备金属钾。这是因为金属钾极易溶于熔融的氯化物中,以致难以将其分离出来,而且金属钾的沸点低,钾蒸气也容易从电解槽中逸出,增加不安全因素。此外,在电解槽中还容易生成超氧化物,此化合物与金属钾会发生爆炸性反应。因此,通常采用热还原法来制备金属钾,即在850℃用金属钠还原氯化钾,其反应式如下:
Na(1)+KCl(1)——NaCl(1)+K(g)
在温度较低的情况下,△fGm(NaCl)>△fGm(KCl),反应的△rGm>0,反应不能从左向右进行。由于钠的沸点远高于钾,在850℃时金属钾才能以气态形式存在,在K的沸点765.5℃时,金属钠仍为液体(Na的沸点为881.4℃),反应生成的钾蒸气迅速逸出,促进了化学平衡向右进行,使反应得以不断进行。将逸出的蒸气冷凝就可以得到金属钾,经分馏提纯,金属钾的纯度可达99.99%。

内容简介
本书根据大学理科无机化学的要求,结合无机化学学科的发展编写而成。全书共23章,分上下两篇。上篇为化学原理,为学生深刻理解元素及其化合物性质做前期铺垫。该篇从物质的聚集状态开始,然后是化学热力学、化学反应速率、化学平衡、溶液、电解质溶液、难溶性强电解质的沉淀�踩芙馄胶狻⒀趸�还原反应,再到微观物质的结构理论,即通过原子结构及元素性质的周期性、化学键与分子结构、配位化合物揭示物质化学变化的本质。下篇为元素及化合物部分,包括氢和稀有气体、碱金属和碱土金属、硼族元素、碳族元素、氮族元素、氧族元素、卤素、铜锌副族、过渡金属(一)和过渡金属(二)、f区元素、放射化学,围绕元素及化合物的性质变化的周期性规律,突出了原子结构决定元素及其化合物性质这一本质,在基本无机反应和性质介绍中加强与当前科技发展和实际应用的联系。
本书可作为综合性大学化学类各专业的无机化学教材或普通化学教材,亦可作为其他高等院校与化学相关专业的教学参考书。

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