有机物和无机物的区别
先做一道题,柴米油盐酱醋茶,从这里找一个与其它不同类的,是哪一个?
没错,答案就是盐。
因为这些物质,只有盐是无机物,其它的都是有机物。
什么?你问我什么是无机物?什么是有机物?
我也一时半会说不上来。不过我以前写过一篇文章:什么是有机物,应该对有机物有个概念吧。
那么,今天就来看看什么是无机物。
●哪些物质属于无机物●
什么是无机物?那还不简单!除了有机物的物质就是无机物了呗!
错了!
无机物是无机化合物,与有机物合起来就是化合物,但是化学物质除了化合物,还有单质啊!比如氧气啊,铁啊,木炭啊,还有亮闪闪的钻石啊,等等。
不过,为了方便,无机化学的研究范畴,会把无机物和单质都纳入研究。
另外,像硼、硅这些性质与碳相似的元素,会与氢元素形成硼烷、硅烷等性质类似于有机物的化合物。这些化合物到底属于有机物还是无机物呢?
几种硼烷结构,是不是和烷烃的结构很相似
这又要说到上次聊有机物的话题。许多化学概念,连专门研究化学的人都说不清。就像这些类有机物,从性质看更像是有机物,但又不符合有机物的概念。
其实,有机物和无机物,就没有一个清晰的界限。
那今天,我们只能讨论经典的无机物。这些经典的无机物,无非就这四类物质:酸、碱、盐、氧化物。
●如何区分无机物四大类别物质●
如果你以为酸、碱、盐、氧化物很好区分,那你又天真了。
你能用一句话概括酸、碱、盐吗?
在水中电离出来的阳离子全都是氢离子的物质是酸;在水中电离出来的阴离子全都是氢氧根离子的物质是碱;在水中电离出来的阳离子不全是氢离子的物质,且在水中电离出来的阴离子不全是氢氧根离子的物质就是盐。
阿伦尼乌斯
这是最经典的定义,是根据阿伦尼乌斯的电离理论来定义的。
按照这个定义,碳酸(H2CO3)属于酸,因为电离出来的阳离子全是氢离子(H+);而碳酸氢钠(NaHCO3)属于盐,因为电离出来的阳离子有氢离子(H+)和钠离子(Na+)。
同样按照这个定义,氢氧化铜[Cu(OH)2]属于碱,因为电离出来的阴离子全是氢氧根离子(OH-);而碱式碳酸铜[Cu2(OH)2CO3]属于盐,因为电离出来的阴离子有氢氧根离子(OH-)和碳酸根离子(CO32-)。
有人不满意阿伦尼乌斯的这个定义,因为这不能解释一些不溶于水的物质的酸碱性。于是,布朗斯特和劳里就提出了酸碱质子理论。
氢离子就是质子。凡是能提供质子的都是酸,凡是能接受质子的都是碱。按照这个理论,前面提到的碳酸氢钠(NaHCO3),既是酸,又是碱。因为它既能提供质子,变成碳酸盐;又能接受质子,变成碳酸。这样的物质就是两性物质。
这样,酸和碱,总是成双成对地出现,叫做共轭酸碱对。酸放出质子后形成的碱,叫做该酸的共轭碱;碱接受质子后形成的酸,叫做该碱的共轭酸。
共轭酸碱对
举个栗子例子,碳酸(H2CO3)提供一个质子(H+)变成碳酸氢钠(NaHCO3),碳酸和碳酸氢钠就是一对共轭酸碱对;碳酸氢钠(NaHCO3)提供一个质子(H+)变成碳酸钠(Na2CO3),碳酸氢钠和碳酸钠就是一对共轭酸碱对。
按照质子理论,水(H2O)也是两性物质,因为水(H2O)能提供一个质子变成氢氧根离子(OH-),也能接受一个质子变成水合氢离子(H3O+)。
科学总是在发展的,化学也不例外。又有人对质子理论不满意,提出了酸碱电子理论,这个人就是路易斯。
路易斯
路易斯认为,凡是能接受电子对的物质都是酸,凡是能提供电子对的物质都是碱。
等一会,路易斯老爷子,您这个定义怎么跟氧化物和还原物的定义那么像啊!
我们知道,在氧化还原反应中,夺电子的是氧化物,失电子的是还原物。电子理论中用的是电子对,其实氧化还原中的得失电子,不就是为了形成共用电子对,形成共价键嘛。
这样,酸碱反应的实质是碱提供电子对与酸形成配位键,反应产物称为酸碱配合物。酸碱电子理论扩大了酸碱范围,可把酸碱概念用于许多有机反应和无溶剂反应。常见的配位反应、氧化还原反应都可以看作是酸碱反应。
各种酸碱理论
小结一下,根据酸碱质子理论和酸碱电子理论,就不需要盐这个概念,而且酸和碱也不是绝对的,既是酸又是碱的物质太多了。
还有一样东西没讲,就是氧化物。由两种元素组成,其中一种元素是氧元素的化合物就是氧化物。水就是最常见的氧化物。
水分子结构
根据化学性质不同,氧化物可分为酸性氧化物和碱性氧化物。
能与水作用生成酸的成盐氧化物是酸性氧化物,比如二氧化碳(CO2),与水会生成碳酸(H2CO3)。能与水作用生成碱的氧化物是碱性氧化物,比如氧化钙(CaO),与水会生成氢氧化钙[Ca(OH)2]。
那么,与水不起作用的氧化物呢?比如二氧化硅(SiO2)。还有,水又属于什么氧化物?
所以,有很多既不是酸性又不是碱性的氧化物。经典的电离理论不起作用的情况下,就要用先进的酸碱质子理论和酸碱电子理论了。
在这些新理论中,酸性氧化物就是酸,碱性氧化物就是碱。还有更多的两性物质,如水、氧化铝等。
高岭土
氧化物还有过氧化物(如过氧化氢H2O2)、超氧化物(如超氧化钾KO2)。另外,很多盐可以用氧化物表示,不管有多复杂,比如高岭土Al2O3·2SiO2·2H2O。
所以,所有的无机物都是酸碱,而且酸和碱之间没有清晰的界限。
●如何判断无机物酸碱的强弱●
既然无机物都可以看做是酸碱,那么这些物质的酸性或碱性,总有个强弱吧。
当然有了,衡量酸碱性强弱最常见的指标就是氢离子浓度指数,也就是俗称的pH值。
另外,还有酸度和碱度的概念。酸度就是消耗氢氧根离子的能力,碱度就是消耗氢离子的能力。
知道有这些指标,接下来就要说酸碱的强弱了。为了方便叙述,下面的酸、碱、盐的概念,用的是最经典的电离理论的概念。
如果酸在水中能够完全电离,那么这个酸就是强酸,比如盐酸(氢氯酸)、硫酸、硝酸等。如果在水中不能完全电离,那么这个酸就是弱酸,比如醋酸、磷酸、氢氟酸等。
怎样的电离才是完全电离?电解质溶解于水中,全部电解质分子被电离为相应的离子,就是完全电离。举个栗子例子,氯化氢气体溶于水中,所有的氯化氢分子(HCl)都电离分解成氢离子(H+)和氯离子(Cl-),溶液中再也没有氯化氢分子(HCl)了,这就是完全电离。
与之相反,电解质只有一部分电离为相应的离子,就是不完全电离。比如醋酸分子溶于水,只有一部分醋酸分子(CH3COOH)被电离为氢离子(H+)和醋酸根离子(CH3COO-),绝大部分醋酸分子(CH3COOH)还是原来的模样,呆在水里。
部分酸碱的电离平衡常数
类似的,如果碱在水中能够完全电离,这个碱就是强碱,比如氢氧化钠、氢氧化钾。如果在水中不能完全电离,这个碱就是弱碱,比如氨水(一水合氨)、氢氧化钙、氢氧化钡等。
酸对应的阴离子是酸根离子,从上文可以看出,酸的强弱其实就取决于酸根离子。比如氯离子、硫酸根离子、硝酸根离子就是强酸根离子;醋酸根离子、碳酸根离子、磷酸根离子、氟离子就是弱酸根离子。
同样的道理,碱对应的阳离子是碱根离子,碱的强弱其实就取决于碱根离子。比如钠离子、钾离子就是强碱根离子;铵离子、钙离子、钡离子就是弱碱根离子。
盐就是由酸根离子和碱根离子构成的。根据这些离子的强弱排列组合,就有4种盐。
哪4种?由强酸根离子和强碱根离子构成的强酸强碱盐,如氯化钠(NaCl);由强酸根离子和弱碱根离子构成的强酸弱碱盐,如氯化铵(NH4Cl);由弱酸根离子和强碱根离子构成的强碱弱酸盐,如碳酸钠(Na2CO3);由弱酸根离子和弱碱根离子构成的弱酸弱碱盐,如碳酸铵[(NH4)2CO3]。
强酸强碱盐呈中性,强酸弱碱盐呈酸性,强碱弱酸盐呈碱性。那么,弱酸弱碱盐是酸性还是碱性呢?就看这弱酸根离子和弱碱根离子谁更强一点就显什么性,矬子中拔大个嘛。
好了,现在你就知道酸、碱、盐的强弱了吧。接下来,问题又来了,强酸的酸性一定比弱酸强吗?强碱的碱性一定比弱碱强吗?
哈哈,答案是否定的。
王水,浓盐酸和浓硝酸按3:1配置,具有强烈的酸性,能溶解许多性质稳定的金属
以强酸盐酸和弱酸醋酸为例说明,将它们的pH值都调到4,这时这两种酸的氢离子浓度是相同的,具有同样的酸腐蚀性。但是,两者的酸度不同,而且醋酸的酸度远远大于盐酸的酸度。
这是为什么呢?因为盐酸是强酸,所有氯化氢分子被电离出氢离子,使氢离子浓度达到pH=4。酸度反映的是消耗氢氧根离子的能力,一旦盐酸的氢离子去消耗了氢氧根就没了。
而醋酸是弱酸,只有一部分醋酸分子电离出氢离子,这部分的氢离子已经使pH=4了。当这部分氢离子去消耗氢氧根离子,消耗完了不要紧,还有大量的醋酸分子,这时继续电离放出氢离子,继续消耗氢氧根。
所以相同pH值的醋酸消耗氢氧根离子的能力远远比相同pH值的盐酸强,所以醋酸的酸度更大。
同理,相同pH值的强碱和弱碱,比如pH=10的氢氧化钠和氨水,肯定是作为弱碱的氨水碱度更大。
用石灰改良酸性土壤
强酸和强碱,性子烈,不持久,就像程咬金的三板斧。弱酸和弱碱,性情温和,但是作用持久。这就是为什么改良酸性土壤,用的是石灰或草木灰,而不是氢氧化钠。
●什么是无机化学的四大运用●
从实践性很强的化学分支——分析化学可以看出,无机化学的应用,主要利用了四个理论。即酸碱理论、氧化还原理论、沉淀溶解平衡、络合破络平衡。
酸碱理论,前文已经叙述得很详细了。主要可以用来酸碱废水的治理,土壤改良、疾病治疗等。
氧化还原反应可以从氧化还原电位判断物质的氧化性和还原性强弱。电极电位越高,氧化性越强,还原性越弱。
部分物质的标准电极电位
氧化还原反应的运用十分广泛,生物的呼吸,可燃物的燃烧、焰色反应、置换反应、原电池、电解池、电镀等,都用到了氧化还原反应。
利用沉淀溶解平衡,控制物质的溶解或析出。如果想把溶液中的某种元素分离出来,就用溶度积更小的物质。比如在铬酸银(Ag2CrO4)溶液中加入氯化钠,形成氯化银(AgCl)沉淀,从而取出高价值的银。这里是因为氯化银的溶度积比铬酸银的小。
部分物质的溶度积
如果想把物质溶解,就用溶度积大的物质。
络合破络平衡(配位平衡)的运用也比较相似,用配离子稳定常数更大的物质,形成更稳定的配合物(络合物),比如用盐酸溶解硫化物,就利用了氯离子的配合能力。
●元素周期律有多牛逼●
元素周期律非常好用,看似杂乱无章的无机化学、物理化学等性质,都可以在元素周期表中找到规律。
在元素周期表的每一横行,每一竖列,甚至是对角线,都能找到可爱的规律。
元素周期表的行叫做周期,元素的电子层数和其所在的周期数相等。以第3周期为例,钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯、氩,电子层数都是3。从左到右,钠、镁、铝、硅、磷、硫、氯(氩是稀有气体元素,不考虑)的原子半径逐渐减小,金属性越来越弱,非金属性越来越强。它们的单质还原性越来越弱,氧化性越来越强。它们的化合价正好从+1到+7依次递增。它们最高价氧化物的水合物分别是氢氧化钠(NaOH)、氢氧化镁[Mg(OH)2]、氢氧化铝[Al(OH)3]、硅酸(H2SiO3)、磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4)、高氯酸(HClO4),碱性越来越弱,酸性越来越强。
焰色反应
元素周期表的列叫做族,元素的最外电子层的电子数和族数相等。以第一主族(IA)和第七主族(VIIA)为例说明,第一主族(IA)的元素锂、钠、钾、铷、铯、钫(氢是两性金属除外),都是碱金属,最外电子层的电子数都是1,和主族数相等;第七主族(VIIA)的元素氟、氯、溴、碘、砹、[石田],都是卤素,最外电子层的电子数都是7,和主族数相等。
同一族中,从上到下,元素的原子半径逐渐增大,金属性越来越强,非金属性越来越弱。它们的单质还原性越来越强,氧化性越来越弱。碱金属的最高价氧化物的水合物的碱性越来越强,卤素的最高价氧化物的水合物的酸性越来越弱。
卤素
元素周期表的对角线也有相似的规律,如前面讲到的硼和硅,都有类有机物。再比如金属和非金属元素对角线上,多有两性(金属性和非金属性)元素,如氢、铍、硼、铝、硅、锗、砷、锑、碲、钋。
元素周期律还有很多规律,什么电负性啦、电离能啦、电子亲和能啦,总之包罗万象,这里就不多说啦,也说不完。