内容提要


　　本书是为全国文管类各专业编写的化学教材。本书以化学知识为主线， 以社会广泛关注的有关问题为视点，阐述了化学与社会发展的关系。内容包 括化学的继往开来、化学键、元素周期律与原子结构、能源及其开发和利用、 环境污染及环境保护、化学与生命现象、营养与健康、材料科学，以及化学 学科发展中的哲学思想等。通过本书的学习，文管类各专业学生可透过化学 这个窗口，对自然科学的特点及其重要作用有一概括了解，从而达到开拓视 野、提高科学素养的目的。
　　本书不仅可作为文科各专业化学教材，而且还可作为社会各界人士了解 有关化学与社会发展关系的参考书。
　　

编写说明


　　现代科学技术和社会的关系，已经远远超过生活和生产的范围，国家和 地方的某些法律和法令以及某些政策和法规的制定，都具有明显的科技背 景，因此文理渗透已成不争的事实。研究文史、政法、财经等类专业学生的 科学素养教育计划，编写切合他们需要的实用教材已是当务之急。
　　国家教委高教司和高等教育出版社于 1994 年初曾召开过“关于为高等学 校文科、财经、政法类专业学生开设化学选修课的教学和教材建设”的研论 会。会议由北京大学唐有祺教授和北京医科大学王夔教授主持。会后由他们 指导调查研究和教材编写，高等教育出版社并将此作为教材研究项目列入了 出版计划。
　　本书取名“化学与社会”，意在使学生透过作为科学之窗口的化学了解 自然科学在社会进步和科技发展中的作用和地位；了解化学科学在发展过程 中与其他学科相互交叉渗透的特点；了解化学具有实验和理论并重的传统等 等。学生可以通过化学事例认识自然科学与社会科学的相互联系，提高科学 文化素养。为此，本书系以当今社会最为关注的环境、能源、材料和生命等 问题为经线，以化学基本概念为纬线，而进行选材和编写成的。突出社会广 泛关注的问题，有利于提高学生的社会责任感，有利于加深学生对科学技术 是第一生产力的理解。同时力求保持化学知识本身的系统性，力求由浅入深 和循序渐进，使学生的化学基础知识有所充实和提高。
本书以现行高中必修的化学和物理知识为基础，对若干重要的基本概念
（如原子结构、周期律、化学键、化学计量、烃及其衍生物等）作必要的复 习和适当的提高。有些内容单独设节，有的则安排为阅读材料或注解。有些 扩展性的内容用小字排印，供学生选读。各章都介绍一些课外阅读资料，全 书有一些推荐参考书目，可供学生参考。总之，教材内容的安排具有较大的 弹性，可以按不同的教学要求适当取舍。
本书由唐有祺、王夔主编。全书共 12 章，大致可以分为 5 个部分。其中
第 1，2，3 章为能源篇，由张泽莹、华彤文执笔，王彦佳为能源问题提供参 考资料和部分初稿；第 4，5 章为环境篇，由袁婉清执笔；第 6，7，8 章为材 料篇，由施开良执笔；第 9，10 章为生命篇，由袁婉清执笔；第 11，12 章为 科学方法和回顾展望，分别由廖正衡和张泽莹执笔。宋心琦曾多次参加编写 研讨工作会议，并审阅全文和提出修改意见。华彤文对全文作了必要的协调、 修改。
　　编写大纲和内容取舍虽经反复研究、讨论和修改，但由于缺乏教学实践， 书中还存在不少缺点和错误，欢迎担任这门课的教师和选修这门课的学生都 参与进来，使它日趋完善，成为一本具有特色的教材。
　　刘啸天作为责任编辑为本书的出版付出了辛勤劳动，李维平为本书描绘 了附图，王喆为本书作了封面设计，在此一并表示衷心感谢。

编者
1996.12


序


　　国家之现代化和社会之进步有赖于同时建设物质文明和精神文明，落实 到大学课程设置上，文科和理科当有适当交叉。文科和理科可分别设置若干 科学和文史课程。有鉴于斯，遂有为文科专业建设化学选修课教材之议。
　　化学为总管物质在分子层次上变化之学科，人类之衣、食、住、行、用 无不仰给于化学所掌管之成百化学元素及其所组成之万千化合物和无数制 剂、材料。化学具有实验和理论并重之传统，强于实验不言而喻，而其发展 亦受惠于突出之理论思维，从元素论、原子－分子论到元素周期律和结构理 论及其层出不穷之发展都已成为自然科学在学科发展中运用科学之抽象和科 学假设之范例。在自然科学中，化学和物理俨然为共管物质及其运动之核心 学科，遂有自然科学之轴心之称。综上所述，化学之所以被选为文科学子窥 视自然科学全豹之窗口，其依据当可不难了然。

唐有祺
1997 年 1 月于北京大学燕东园


绪 论


　　只要仔细观察一下周围的世界，就会发现万物都在变化之中。例如岩石 风化、铁器生锈、大气污染、水质下降等等都是大家熟悉的物质变化；庄稼 的春种秋收，人的生老病死更是复杂的生命变化。变化是世界上无所不在的 现象。按物质变化的特点，大致可以分为两种类型，其中一类变化不产生新 物质，只是改变了物质的状态。例如水的结冰，液态的水变成了固态的冰； 再如碘的升华，固态的碘变为碘蒸气，这类变化称为物理变化。另一类变化 表现为一些物质转化为性质不同的另一些物质，例如煤的燃烧，碳转变为二 氧化碳气体；再如金属锈蚀和某些食物腐败等，这类变化称为化学变化。在 化学变化过程中，物质的组成和结合方式都发生了改变，生成了新的物质， 表现出与原物质完全不同的物理性质和化学性质。化学是一门在原子、分子 层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。简而言之，化学 是以研究物质的化学变化为主的科学。
　　
1.化学在社会发展中的作用和地位


人类生活的各个方面，社会发展的各种需要都与化学息息相关。 首先从我们的衣、食、住、行来看，色泽鲜艳的衣料需要经过化学处理
和印染，丰富多彩的合成纤维更是化学的一大贡献。要装满粮袋子，丰富菜 篮子，关键之一是发展化肥和农药的生产。加工制造色香味俱佳的食品，离 不开各种食品添加剂，如甜味剂、防腐剂、香料、调味剂和色素等等，它们 大多是用化学合成方法或用化学分离方法从天然产物中提取出来的。现代建 筑所用的水泥、石灰、油漆、玻璃和塑料等材料都是化工产品。用以代步的 各种现代交通工具，不仅需要汽油、柴油作动力，还需要各种汽油添加剂、 防冻剂，以及机械部分的润滑剂，这些无一不是石油化工产品。此外，人们 需要的药品，洗涤剂、美容品和化妆品等日常生活必不可少的用品也都是化 学制剂。可见我们的衣、食、住、行无不与化学有关，人人都需要用化学制 品，可以说我们生活在化学世界里。
　　再从社会发展来看，化学对于实现农业、工业、国防和科学技术现代化 具有重要的作用。农业要大幅度的增产，农、林、牧、副、渔各业要全面发 展，在很大程度上依赖于化学科学的成就。化肥、农药、植物生长激素和除 草剂等化学产品，不仅可以提高产量，而且也改进了耕作方法。高效、低污 染的新农药的研制，长效、复合化肥的生产，农、副业产品的综合利用和合 理贮运，也都需要应用化学知识。在工业现代化和国防现代化方面，急需研 制各种性能迥异的金属材料、非金属材料和高分子材料。在煤、石油和天然 气的开发、炼制和综合利用中包含着极为丰富的化学知识，并已形成煤化学、 石油化学等专门领域。导弹的生产、人造卫星的发射，需要很多种具有特殊 性能的化学产品，如高能燃料、高能电池、高敏胶片及耐高温、耐辐射的材 料等。
随着科学技术和生产水平的提高以及新的实验手段和电子计算机的广泛
应用，不仅化学科学本身有了突飞猛进的发展，而且由于化学与其他科学的 相互渗透，相互交叉，也大大促进了其他基础科学和应用科学的发展和交叉 学科的形成。目前国际上最关心的几个重大问题──环境的保护、能源的 开发利用、功能材料的研制、生命过程奥秘的探索──都与化学密切相 关。随着工业生产的发展，工业废气、废水和废渣越来越多，处理不当就会 污染环境。全球气温变暖、臭氧层破坏和酸雨是三大环境问题，正在危及着 人类的生存和发展，因此，三废的治理和利用，寻找净化环境的方法和对污 染情况的监测，都是现今化学工作者的重要任务。在能源开发和利用方面， 化学工作者为人类使用煤和石油曾做出了重大贡献，现在又在为开发新能源 积极努力。利用太阳能和氢能源的研究工作都是化学科学研究的前沿课题。 材料科学是以化学、物理和生物学等为基础的边缘科学，它主要是研究和开 发具有电、磁、光和催化等各种性能的新材料，如高温超导体、非线性光学 材料和功能性高分子合成材料等。生命过程中充满着各种生物化学反应，当 今化学家和生物学家正在通力合作，探索生命现象的奥秘，从原子、分子水 平上对生命过程做出化学的说明则是化学家的优势。
　　总之，化学与国民经济各个部门、尖端科学技术各个领域以及人民生活 各个方面都有着密切联系。它是一门重要的基础科学，它在整个自然科学中 的关系和地位，正如[美] PimentelG C 在《化学中的机会－－今天和明天》
　　
一书中指出的“化学是一门中心科学，它与社会发展各方面的需要都有密切 关系。”它不仅是化学工作者的专业知识，也是广大人民科学知识的组成部 分，化学教育的普及是社会发展的需要，是提高公民文化素质的需要。

2.化学学科的分支


　　化学的研究范围极其广泛，按其研究对象和研究目的不同，在上世纪交 替之际，化学已逐渐形成了分析化学、无机化学、有机化学和物理化学等分 支学科。
　　分析化学分支形成最早，自 19 世纪初，原子量①的准确测定，促进了分 析化学的发展，这对原子量数据的积累和周期律的发现，都有很重要的作用。
1841 年 Berzelius J J 的《化学教程》，1846 年 Fresenius C R 的《定量 分析教程》和 1855 年 Mohr E 的《化学分析滴定法教程》等专著相继出版， 其中介绍的仪器设备、分离和测定方法，已初具今日化学分析的端倪。随着 电子技术的发展，借助于光学性质和电学性质的光度分析法以及测定物质内 部结构的 X 射线衍射法、红外光谱法、紫外光谱法、核磁共振法等等则是近 代的仪器分析方法，这些方法可以快速灵敏地进行检测。如对运动员的兴奋 剂监测，尿样中某些药物浓度即使低到 10-13g·mL-1 时，也难躲避分析化学家 们的锐利眼睛。
　　无机化学的形成常以 1870 年前后 Mendeleev DI 和 Meyer JL 发现周期 律和公布周期表为标志。他们把当时已知的 63 种元素及其化合物的零散知 识，归纳成一个统一整体。一个多世纪以来，化学研究的成果还在不断丰富 和发展周期律，周期律的发现是科学史上的一个勋业。
有机化学的结构理论和有机化合物的分类，也形成于 19 世纪下半叶。
如 1861 年 Kekulé F A 提出碳的四价概念及 1874 年 van't Hoff 和 Lebel 的 四面体学说，至今仍是有机化学最基本的概念之一，世界有机化学权威杂志 就是用 Tetrahedron（四面体）命名的。有机化学是最大的化学分支学科， 它以碳氢化合物及其衍生物为研究对象，也可以说有机化学就是“碳的化 学”。医药、农药、染料、化妆品等等无不与有机化学有关。在有机物中有
些小分子，如乙烯（C2H4）、丙烯（C3H6）、丁二烯（C4H6），在一定温度、压 力和有催化剂的条件下可以聚合成为分子量为几万、几十万的高分子材料，
这就是塑料、人造纤维、人造橡胶等，它们已经走进千家万户、各行各业。 目前高分子材料的年产量已超过 1 亿吨，预计到本世纪末，其总产量会大大 超过各种金属总产量之和。若按使用材料的主要种类来划分时代，人类经历 了石器时代、青铜器时代、铁器时代，目前正在迈向高分子时代。现在往往 已把高分子列为另一个化学分支学科，有的高等学校设立高分子系，有的学 校设立高分子研究所，有力地加强了人材培养，并促进了该分支学科的发展。 物理化学是从化学变化与物理变化的联系入手，研究化学反应的方向和 限度（化学热力学）、化学反应的速率和机理（化学动力学）以及物质的微 观结构与宏观性质间的关系（结构化学）等问题，它是化学学科的理论核心。
1887 年 Ostwald W 和 van't Hoff J H 合作创办了《物理化学杂志》，标志 着这个分支学科的形成。随着电子技术、计算机、微波技术等的发展，化学 研究如虎添翼，空间分辨率现已达 10-10m，这是原子半径的数量级，时间分辨 率已达飞秒级（1fs=10-15s），这和原子世界里电子运动速度差不多。肉眼看 不见的原子，借助于仪器的延伸已经变得可以摸得着，看得见的实物，微观 世界的原子和分子不再那么神秘莫测了。



① 国际单位制（SI）中，原子量称为相对原子质量。

　　在研究各类物质的性质和变化规律的过程中，化学逐渐发展成为若干分 支学科，但在探索和处理具体课题时，这些分支学科又相互联系、相互渗透。 无机物或有机物的合成总是研究（或生产）的起点，在进行过程中必定要靠 分析化学的测定结果来指示合成工作中原料、中间体、产物的组成和结构， 这一切当然都离不开物理化学的理论指导。
　　化学学科在其发展过程中还与其他学科交叉结合形成多种边缘学科，如 生物化学、环境化学、农业化学、医化学、材料化学、地球化学、放射化学、 激光化学、计算化学、星际化学等等。在 21 世纪即将来临之际，社会需要化 学科学做什么？化学工作者能为社会做哪些贡献？这是世人关心的话题之 一。
　　
3.化学变化的特征


　　化学变化也叫化学反应，参与化学反应的反应物性质和状态可以千差万 别，控制化学反应的外界条件（如温度、压力等）也可以是各种各样，但所 有的化学反应都具有以下两个特点：
　　（1）化学反应遵守质量守恒定律 化学变化是反应物的原子，通过旧 化学键破坏和新化学键形成而重新组合的过程。以氢气在氯气中燃烧生成氯 化氢气体的反应为例，在燃烧过程中氢分子的 H－H 键和氯分子的 Cl－Cl 键 断裂，氢原子和氯原子通过形成新的 H－Cl 键而重新组合生成氯化氢分子。 在化学反应过程中，原子核不发生变化，电子总数也不改变，因此，在化学 反应前后，反应体系中物质的总质量不会改变，即遵守质量守恒定律。这 条定律是组成化学反应方程式和进行化学计算时的依据。上面讲到的氢气在 氯气中的燃烧反应，可用下列方程式表示：
H2+Cl2=2HCl
　　在日常生活中物质的质量单位通常采用千克（kg）或克（g）表示。由于 化学中所涉及的原子、分子等微粒，质量大都在 10-26kg 数量级，即使是蛋白 质、核酸等大分子，一个分子的质量也大都在 10-20kg 以下，目前还不能直接 进行称量。为此，在化学中采用大量微粒的集合体为基本量的方法来解决 这个问题，“物质的量”就是化学中常用的一个这类的物理量。国际单位制
（SI）中规定物质的量的基本单位为摩尔，其符号为 mol，它的定义是：
摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的微粒数目与12g碳（12 C）
的原子数目相等，则这个系统物质的量为 1 摩尔（lmol）。根据实验测定 12g
碳中含有原子数目是 6.022×1023 个，这个数称为阿伏加德罗常数（N ）。 摩尔（mol）是物质的量的单位，而不是质量单位。物质的量、物质的质
量与摩尔质量之间的关系可用下式表示：
物质的质量

摩尔质量

? 物质的量

　　摩尔这个单位的应用为化学计算带来了很大方便。化学反应方程式中， 反应物和生成物之间质量关系比较复杂，而从摩尔单位看则很简单。例如通 过下列化学反应方程式和有关化合物的摩尔质量就很容易看到 1 吨碳酸钙在 完全分解时应得到 0.56 吨氧化钙和 0.44 吨二氧化碳：
CaCO3 CaO+CO2
摩尔质量/kg·mol-1 100 56 44
　　　　　　　　　　1 吨 0.56 吨 0.44 吨 在生产和科学实验中经常用这类方法计算原料配比和理论产量。有不少
化学反应是在溶液中进行的，要定量计算反应物和生成物之间的质量关系， 就必须了解溶液及溶液浓度的表示法。一种物质以分子或离子状态分散于另 一种物质中所构成的均匀而稳定的体系叫溶液。把蔗糖放入水中，固态的糖 粒消失形成糖水溶液。（通常把蔗糖称为溶质，水称为溶剂）。溶液是一种 混合物，在溶液中溶质和溶剂的相对含量可以在一定范围内变化，为了定量 地描述溶液中各组分的相对含量，采用了一些表示浓度的方法，常用的浓度 表示方法是物质的量浓度，即：单位体积溶液中所含溶质的物质的量，其单 位是 mol·L-1：


浓度 ?

溶质的物质的量 溶液的体积

　　利用化学反应方程式：2NaOH+H2SO4=Na2SO4+2H2O可以计算出完全中和20mL 浓度为 1.0mol·L-1NaOH 溶液需要浓度为 2.0 mol·L-1 的 H SO 溶液 10.0mL。
2 4
上述计量关系，若用质量单位进行计算，就显得麻烦了。凡涉及溶液的计量 问题，都要用浓度进行计算。
　　（2）化学变化都伴随着能量变化 在化学反应中，拆散化学键需要吸 收能量，形成化学键则放出能量，由于各种化学键的键能不同，所以当化学 键改组时，必然伴随有能量变化。在化学反应中，如果放出的能量大于吸收 的能量，则此反应为放热反应，反之则为吸热反应。我们以下列方式表示化 学反应的能量变化，也叫热化学方程式。例如：
1

H 2 (g) ? 2 O2 (g) ? H 2 O(l) ? 286kJ
1

(1)


?1

或 H 2 (g) ? 2 O2 (g) ? H 2 O(l)

△H ? ?286kJ * mol

(2)

式中（g）和（l）分别代表物质处于气态和液态，若是固态，则用（s）
代表。第①式在右边写+286kJ，表示在生成 1molH2O（l）时有 286kJ 热产生， 这是放热反应。这种写法直观，容易理解，中学化学课本就是这样的写法。 但化学专业书刊中都按第②式书写，因为化学反应方程式的着眼点是质量守 恒，把原子结合的变化和热量变化用加号连在一起欠妥，此外在化学热力学 问题中对一个化学反应而言还有熵变（△S）、自由焓变（△G）等需要注明， 而△H 的数值又随温度压力的不同而不同，因此用第②式表示为宜。请注意， 这两式的+、－号恰相反，△H 代表生成物的 H 值与反应物的 H 值之差，△H 为负值，即生成物的 H 值小于反应物，那末体系就是放热；反之△H 为正值， 表示生成物的 H 值大于反应物，所以体系要吸热。还有△H 的单位不是 kJ，
而是 kJ·mol-1，在此 mol-1 是代表“每摩尔这样的反应”而不是指每摩尔 H O 或每摩尔 H2 或每摩尔 O2，所以若有 2molH2 和 1molO2 起反应，其△H 值则为－
572kJ·mol-1：
2H （g）+O （g）→2H O(l) △H=－572kJ·mol-1
类似情况，下列三式都表示 N2 和 O2 起反应所伴随的热量变化。
1

N (g ) ? O

(g) ? NO

(g) ? 34 kJ

2 2 2 2
1

N (g ) ? O

(g) ? NO

(g)

△H ? ?34 kJ * mol ?1

2 2 2 2
?1

N 2 (g) ? 2O 2 (g) ? 2 NO 2 (g)

△H ? ?68kJ * mol

　　化学反应是否能进行？进行的程度和速率如何？选择什么温度和压力最 为适宜？这些问题都与该反应的热效应有关。工农业生产和人民生活所需要 的能量，主要来自煤、煤气、石油气或天然气等的燃烧过程，这些化学变化 过程的热效应作为能量的来源，或简称为“能源”。
　　本书以当今社会各界共同关心的环境、能源、材料、生命等热门话题为 经线，以化学基本概念为纬线进行编写。最基本的概念如原子结构、化学键、 化学计算等，以中学化学和物理为基础，作必要的复习，然后适当提高，以 便深化对化学知识的理解。希望读者能通过化学事例了解自然科学在社会发 展中的作用和地位，自然科学和社会科学的相互依存，以利于科学文化素质
　　
的提高。

复习题

1.下列几种变化，哪些属化学变化？哪些属物理变化？
（1）铁的生锈 （2）从海水晒盐
（3）蜡烛燃烧 （4）蔗糖溶于水中
2.下列说法是否合理？请举例说明。
（1）发展农业最需要的化学产品有化肥、农药和塑料薄膜等；
（2）化学是污染环境的祸首；
（3）化学在科技发展中，处于中心位置；
（4）我们生活在“化学世界”里。
　　3.Mendeleev 发现周期律时知道几种元素？现在知道几种元素？以后是 否还能发现新元素？
4.现代科技的空间分辨本领和时间分辨本领各是什么数量级？
5.化学在自然科学的分类中属一级学科，它的二级分支学科有哪些？
6.判断下列几种说法是否正确，并说明理由。
（1）原子是化学变化中的最小微粒，它由原子核和核外电子组成；
（2）原子量就是一个原子的质量；
（3）4gH2 和 4gO2 所含分子数目相等；
（4）0.5mol 的铁和 0.5mol 的铜所含原子数相等；
（5）物质的量就是物质的质量；
（6）化合物的性质是元素性质的加合。
　　7.硫铵（NH4）2SO4、碳铵 NH4HCO3 和尿素 CO（NH2）2 三种化肥的含氮量各 是多少？哪种肥效最高？
8.10g NaOH 配制成 1L 溶液，求该溶液的浓度（单位：mol·L-1）。若从
中取出 25mL，其浓度是多少？其中有多少摩尔的 Na ？
9.实验室常用 36.5％的盐酸溶液，密度为 1.19g·mL-1，问该溶液的浓度
（单位：mol·L-1）是多少？
10.H2 和 O2 化合生成 H2O 的过程中，哪些化学键断裂？哪些化学键生成？
　　11.碳酸钠 Na2CO3 俗称纯碱，也叫苏打，它是一种用途甚广的化工原料， 在国民经济和社会发展的统计公报中，常用 Na2CO3 的产量作为工业生产发展 的指标之一。Na2CO3 可以用 NaCl，NH3·H2O 和 CO2 为原料，按下列化学反应方
程式制造。那么每生产 100 吨纯碱，理论上需要多少吨 NaCl？同时还能得到
多少吨 NH4Cl？
NaCl+NH3·H2O+CO2=NaHCO3+NH4Cl
2NaHCO2=Na2CO3+CO2+H2O
12.绿色植物在太阳光作用下，借叶绿素可以将空气中的 CO2 和 H2O 转变
为碳水化合物，同时放出 O2，这个过程叫光合作用，可以用下列热化学方程
式表示：


6CO 2

叶绿色
? 6 2 ???? 6 12 6


? 6O 2

△H ? ?


289


kJ * mol? 1

( 碳水化合物)
　　这是生命世界最重要的最基本的化学反应之一。按此化学方程式计算， 每生成 100kg 碳水化合物，需要吸收多少千焦太阳能？
　　
第 1 章 原子结构和元素周期律


　　原子、分子现在已是大家所熟悉的名词，但人们对原子、分子的认识却 经历了漫长而艰辛的过程。因为原子、分子非常微小（原子直径在 10-10m 数 量级，砂粒是 10-4m 数量级），过去人们无法直接看见它，而只能通过观察 宏观现象，经过推理去认识它们。根据实验事实提出原子的理论模型，再由 新的实验事实检验其正确性。本世纪 80 年代科学家们用扫描隧道电镜和原子 力显微镜才观察到原子和分子的排布情况。
　　有关原子结构的知识已是自然科学的重要基础知识之一。在化学变化 中，原子核不发生变化，只是核外电子的运动状态发生变化，致使原子结合 方式有了变化。因此要了解和掌握物质的性质及其变化规律，首先必须了解 原子内部结构，特别是核外电子的运动状态。
　　
1.1 人类对原子的认识


　　19 世纪初英国科学家 Dalton J 总结各种元素化合时的质量比例关系， 提出了原子学说，他认为物质由原子组成，原子不能创造，也不能毁灭且在 化学变化中不可再分割，它们在化学反应中保持本性不变。同一种元素的原 子质量、形状和性质完全相同，不同元素的原子则不相同。他为原子描 绘了一个最初的模型，并且合理地解释了化学反应所遵循的质量关系，从物 质结构的微观角度揭示了宏观化学现象的本质。因此，原子学说的提出在化 学发展史上具有重大的科学意义。随着科学技术的发展，许多新的实验现象 的出现，尤其是电子、X 射线和放射性现象的发现，使人们修正了原子不可 再分割的观念，进而探讨原子的组成及其内部结构的奥秘。
　　19 世纪后期，物理学家在研究低气压下气体的放电现象时发现了电子， 进一步的实验又证明电子是一种带负电并具有一定质量的微粒，电子能从各 种不同物质中分离出来，说明电子普遍存在于原子中。既然电子是原子的一 个组成部分，电子又是带负电荷的微粒，而整个原子是电中性的，说明在原 子中还存在着某种带正电荷的组成部分，而且它所带正电荷的电量必定和原 子中所含电子的负电总量相等。1911 年英国物理学家 Rutherford E 通过α 粒子散射实验证明，原子中这个带正电荷的部分集中在一起，被称为原子核。 在此实验的基础上，Rutherford E 提出了带核的原子模型：原子由原子核 和核外电子组成，原子核带正电荷，并位于原子中心，电子带负电荷， 在原子核周围空间做高速运动，就像行星绕太阳运转一样。原子核所带的 正电荷数（简称核电荷数）与核外电子所带负电荷总量相等，所以整个原子 是电中性的。原子很小，原子核更小，如果把原子看成是乒乓球体，则原子 核只有大头针尖大小，所以，原子内部绝大部分是空的，而原子的质量几乎 全部集中在原子核上。
原子核也具有复杂的结构，它由带正电荷的质子和不带电荷的中子组
成。因此，核电荷数由质子数决定，核电荷数的符号为 Z： 核电荷数（Z）=质子数=核外电子数
有关电子、质子和中子的基本数据如下页表。
由于电子、质子、中子以及原子质量都很小，计算不方便，因此，通常
用它们的相对质量来计量。国际上选用12 C = 12作为原子量标准，即以一个
12 C原子的质量 (1.9927 ? 10- 26 kg) 的1 / 12


粒子 质量/kg 电荷/c 电荷/e 电子 9.1093897 × 10-31 － 1.60217733 － 1 质子 1.6726231 × 10-27 +1.60217733 +1 中子 1.6749286 × 10-27 0 0

定义为原子质量单位（atomic mass unit，u），1u=1.6605402×10-27kg。
电子、质子和中子的相对质量分别为 0.00055u，1.00728u 和 1.00866u。如 果电子的质量忽略不计，原子的相对质量的整数部分就等于质子相对质量（取 整数）和中子相对质量（取整数）之和，这个数值叫做质量数，用符号 A 表 示，中子数用符号 N 表示，则：

　　　　　　质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N） 因此，只要知道上述三个数值中的任意两个，就可以推算出另一个数值
来。例如知道硫原子的核电荷数为 16，质量数为 32，则： 硫原子的中子数=A－Z=32－16=16
归纳起来，如以A X代表一个质量数为A，质子数为Z的原子，那
么构成原子的粒子间的关系可以表示如下：
? ?质子 Z个
A ?原子核?

原子( Z X)?
?

?中子

(A ? Z)个

?核外电子 Z个
　　具有相同质子数（即核电荷）的同一类原子的总称为元素。迄今已知元 素的数目为 111 种。同种元素的原子的质子数相同，但中子数不一定相同， 因此其质量数也可以不相同，这些具有相同质子数而有不同质量数的原子互
1 2 3
为同位素。例如氢元素有3种同位素：1H，1 H和1 H，分别称为氢
（氕）、重氢（氘）和超重氢（氚），氘和氚是制造氢弹的材料。元素铀（U）

234

235

238

235

有92 U，92

U，92

U3种同位素，92 U是制造原子弹的材料和核反应堆的

燃料。在天然存在的某种元素中，不论是游离态还是化合态，各种同位素所 占的原子百分比一般是不变的。我们平常所用的元素原子量，是按各种天然 同位素原子所占的一定百分比算出来的平均值。例如氧的原子量可按下表所 列的氧同位素丰度（百分比）和原子质量（以 u 为单位）求得：
氧的同位素 丰度 原子质量/u 16 O
8
17 O
8
18 O
8 0.99759
0.00037
0.00204 15.99491
16.99913
17.99916 氧的原子量 15.9994

我国化学家张青莲教授长期从事同位素和原子量测定工作，他主持的科
研小组自 1991 年以来曾对铟（In）、锑（Sb）、铈（Ce）、铕（Eu）、铱（Zr） 等元素的原子量进行了精确的测定，他们的研究成果已被国际原子量委员会 采纳使用。
原子的组成和内部结构的奥秘被逐步揭示以后，接踵而来的问题是原子
核外电子是怎样运动的？是否仍然可以用经典力学来描述？

1.2 核外电子的运动状态


　　电子是质量极轻、体积极小、带负电荷的微粒，它在原子这样大小的空 间（直径约为 10-10m）内做高速运动。它的运动和普通宠观物体不同，它具 有自己的特殊规律。

1.2.1 电子云的概念


对宏观物体的运动，可以用经典力学来描述。例如火车在轨道上奔驰， 人造卫星按一定轨道围绕地球运行，都可以测定或根据一定的数据计算出它 们在某一时刻所在的位置和速度，并能描绘出它们的运动轨迹。而在原子核 外运动的电子则不同，它不遵循经典力学的规律，必须用 20 世纪初创立的量 子力学理论来描述。现已经证明电子在核外空间所处的位置及其运动速度 不能同时准确地确定 ，也就是不能描绘出它的运动轨迹。在量子力学中采 用统计的方法，即对一个电子多次的行为或许多电子的一次行为进行总的研 究，可以统计出电子在核外空间某单位体积中出现机会的多少，这个机会在 数学上称为概率密度。例如氢原子核外有一个电子，这个电子在核外好像是 毫无规则地运动，一会儿在这里出现，一会儿在那里出现，但是对千百万个 电子的运动状态统计而言，电子在核外空间的运动是有规律的，在一个球形 区域里经常出现，如一团带负电荷的云雾，笼罩在原子核的周围，人们称之 为电子云。这团“电子云雾”呈球形对称，如图 1－1 所示。电子云是电子 在核外空间出现概率密度分布的一种形象描述。原子核位于中心，小黑点 的密疏表示核外电子概率密度的大小。











1.2.2 四个量子数 量子力学对核外电子运动状态的描述引出四个量子数，即电子的运动状
态可以用四个量子数来规定。主量子数 n，角量子数 l，磁量子数 m 和自旋量 子数 ms。其中 n，l 和 m 三个量子数确定电子在空间运动的轨道，称为原子
轨道。当然电子运动并不是真有确定的轨道，量子力学理论认为电子在整个 原子空间都有可能出现，只是在各处出现的概率密度不同，因而运动状态也 不同。电子不仅在核外空间不停地运动，而且还做自旋运动，自旋量子数 ms 规定电子自旋运动状态。所以，电子的运动状态通常由 n，l，m 三个量子数 决定轨道运动，由 ms 决定自旋运动。这四个量的具体含义和取值大致如下。 主量子数 n 它规定了核外电子离核的远近和电子能量的高低。由近及 远，由低至高，n 可取正整数 1，2，3，4?n 值越大，表示电子离原子核越 远，能量越高。反之，n 越小，则电子离核越近，能量越低。由于 n 只能取

正整数，所以电子的能量是分立的不连续的，或者说能量是量子化的。这也 相当于把核外电子分为不同的电子层，凡 n 相同的电子属于同一层。习惯用 K，L，M，N，O，P 来代表 n=1，2，3，4，5，6 的电子层。
　　角量子数 l 它描述的是电子在原子核外出现的概率密度随空间角度的 变化，即决定原子轨道或电子云的形状。l 可取小于 n 的正整数，即 0，1，2，?， n－1，如 n=4，l 可以是 0，1，2，3，相应的符号是 s，p，d，f?例如 l=0， 就用 s 表示，l=1 用 p 表示等等。对含有多于 1 个电子的原子（或称多电子 原子），当 n 相同时，l 越大，电子的能量越高。因此，常把 n 相同，l 不同 的状态称为电子亚层，一个电子层可以分为几个亚层。如 n=2（L 层），有两 个亚层，即 l=0 和 1，相应的原子轨道符号为 2s 和 2p；当 n=3（M 层）时，
有 l=0，1，2 三个亚层，可分别用 3s，3p 和 3d 表示。以此类推。
磁量子数 m 它规定电子运动状态在空间伸展的取向。 m 的数值可取
0，±1，±2，?，±l。对某个运动状态可有 2l+1 个伸展方向。s 轨道的 l=0， 所以只有一种取向，它是球对称的。p 轨道 l=1，m=－1，0，+1，所以有三种 取向，用 Px，Py 和 Pz 表示。图 1－2 为 s 和 p 原子轨道轮廓图。s 轨道在空 间伸展取向呈球对称，而 px 轨道伸展取向垂直于 yZ 平面，py 取向垂直于 xz
平面，而 Pz 取向则垂直于 xy 平面。

　　图 1－2 原子轨道轮廓图（s 状态对原点是对称的，p 状态是反对称的。 图中 s 状态、p 状态的标度大小并不相同）
自旋量子数 ms 电子除绕原子核运动外，它本身还做自旋运动。电子
自旋运动有顺时针和逆时针两个方向，分别用m = + 1 和m = － 1 表示，
s 2 s 2
也常用↑和↓符号表示自旋方向相反的电子。表 1－1 归纳了四个量子数的关 系。

表 1 － 1 量子数和原子轨道
量子数 原子轨道 电子层可容纳 电子总数 n l m ms 名称 容纳电子数 1 （ K 层） 0 0 ± 1/2 ls 2 2 × 12=2

2 （ L 层） 0 0 ± 1/2 2s 2
2 × 22=8 1 +1 ± 1/2

2p

6 0 ± 1/2 － 1 ± 1/2





3 （ M 层） 0 0 ± 1/2 3s 2





2 × 32=18 1 +1 ± 1/2

3p

6 0 ± 1/2 － 1 ± 1/2 2 +2 ± 1/2


3d


10 +1 ± 1/2 0 ± 1/2 － 1 ± 1/2 － 2 ± 1/2












4 （ N 层） 0 0 ± 1/2 4s 2











2 × 42=32

1 +1 ± 1/2

4p

6 0 ± 1/2 － 1 ± 1/2


2 +2 ± 1/2


4d


10 +1 ± 1/2 0 ± 1/2 － 1 ± 1/2 － 2 ± 1/2




3 +3 ± 1/2




4f




14 +2 ± 1/2 +1 ± 1/2 0 ± 1/2 － 1 ± 1/2 － 2 ± 1/2 － 3 ± 1/2

四个量子数的物理意义及数值之间的相互关系都是量子力学在处理波动
方程时求解得到的，并有物理和化学的实验依据，本书不做阐述。这里仅把 这些结论作为描述电子运动状态的符号使用。

1.2.3 核外电子排布


　　多电子原子的核外电子排布可用四个量子数描述，它们遵循以下三条原 理。
　　
　　保里不相容原理 在一个原子中没有两个电子具有完全相同的四个量 子数。或者说一个原子轨道上最多只能排两个电子，而且这两个电子自旋方 向必须相反。因此一个 s 轨道最多只能有 2 个电子，p 轨道最多可以容纳 6 个电子。按照这个原理，表 1－1 归纳了各个原子轨道上可容纳最多的电子 数，从表中可得出第 n 电子层能容纳的电子总数为 2n2 个。
　　能量最低原理 自然界一个普遍的规律是“能量越低越稳定”。原子中 的电子也是如此。在不违反保里原理的条件下，电子优先占据能量较低的原 子轨道，使整个原子体系能量处于最低，这样的状态是原子的基态。
原子轨道能量的高低（也称能级）主要由主量子数 n 和角量子数 l 决定。
当 l 相同时，n 越大，原子轨道能量 E 越高，例如 E1s＜E2s＜E3s；E2p＜E3p
＜E4p。当 n 相同时，l 越大，能级也越高，如 E3s＜E3p＜E3d。当 n 和 l 都不
同时，情况比较复杂，必须同时考虑原子核对电子的吸引及电子之间的相互 排斥力。由于其他电子的存在往往减弱了原子核对外层电子的吸引力，从而 使多电子原子的能级产生交错现象，如 E4s＜E3d，E5s＜E5s。Pauling 根据光 谱实验数据以及理论计算结果，提出了多电子原子轨道的近似能级图，如图
1－3 所示。用小圆圈代表原子轨道，按能量高低顺序排列起来，将轨道能量 相近的放在同一个方框中组成一个能级组，共有 7 个能级组。电子可按这种 能级图从低至高顺序填入。
洪特规则在能量相等的轨道上，自旋平行的电子数目最多

　　时，原子的能量最低。所以在能量相等的轨道上，电子尽可能自旋平行 地多占不同的轨道。例如碳原子核外有 6 个电子，按能量最低原理和保里不 相容原理，首先有 2 个电子排布到第一层的 1s 轨道中，另外 2 个电子填入第 二层的 2s 轨道中，剩余 2 个电子排布在 2 个 p 轨道上，具有相同的自旋方向， 而不是两个电子集中在一个 p 轨道，自旋方向相反。
　　作为洪特规则的补充，能量相等的轨道全充满、半充满或全空的状态比 较稳定。
根据以上原则，电子在原子轨道中填充排布的顺序为 1s 2s 2p3s 3p 4s
3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d? 下面我们运用核外电子排布的三原则来讨论核外电子排布的几个实例。 氮（N）原子核外有 7 个电子，根据能量最低原理和保里不相容原理，首
先有 2 个电子排布到第一层的 1s 轨道中，又有 2 个电子排布到第二层的 2s 轨道中。按照洪特规则，余下的 3 个电子将以相同的自旋方式分别排布到 3 个方向不同但能量相同的 2p 轨道中。氮原子的电子排布式为 1s2 2s2 2p2。

这种用量子数 n 和 l 表示的电子排布方式，叫做电子构型或电子组态，右上 角的数字是轨道中的电子数目。也可以用下式比较形象地表明这些电子的磁 量子数和自旋量子数：





氖（Ne）原子核外有 10 个电子，根据电子排布三原则，第一电子层中有
2 个电子排布到 1s 轨道上，第二层中有 8 个电子，其中 2 个排布到 2s 轨道 上，6 个排布到 2p 轨道上。因此氖的原子结构可以用电子构型表示为 1s2 2s2
2p6。这种最外电子层为 8 电子的结构，通常是一种比较稳定的结构，称为稀 有气体结构。
　　钠（Na）原子核外有 11 个电子，按照电子排布顺序，最后一个电子应填 充到第三电子层上，它的电子构型为 1s22s2 2p6 3s1。为了避免电子结构式 书写过繁，通常把内层电子已达到稀有气体结构的部分写成“原子实”，以 稀有气体的元素符号外加方括号来表示，因此钠原子的电子构型也可以表示 为[Ne]3s1。
　　钾（K）原子核外有 19 个电子，由于 3d 和 4s 轨道能级交错，第 19 个电 子填入 4s 轨道而不填入 3d 轨道，其电子构型为 1s2 2s2 2p63s2 3p6 4s1 或
[Ar]4s1。同理 20 号元素钙（Ca）的第 19，20 个电子也填入 4s 轨道，钙原
子的电子构型为[Ar]4s2。
　　铬（Cr）原子核外有 24 个电子，最高能级组中有 6 个电子。铬的电子构 型为[Ar]3d54s1，而不是[Ar]3d44s2。这是因为 3d5 的半充满结构是一种能量 较低的稳定结构。
根据核外电子排布原则和光谱实验的结果，可确定原子的核外电子排
布。附录 1 列出了各元素的原子核外的电子构型。 电子排布原理是概括了大量事实后提出的一般规律，因此绝大多数原子
的核外电子的实际排布与这些原理给出的结果是一致的；然而有些副族元
素，特别是第五、六、七周期的某些元素，实验测定结果并不能用电子排布 原理完满地解释。因此，对于某一个具体元素的原子电子排布情况，要以光 谱实验的结果为准，原理总是有其相对近似性的，科学的任务是承认矛盾， 发展原理，使它更加符合实际。

1.3 元素周期律


　　在化学知识系统化的过程中，周期律起了重要的作用。这个定律使人们 对化学元素的认识形成了一个完整的自然体系，使化学成为一门系统的科 学。自 Dalton 提出原子和原子量概念之后，测定各种元素原子量的工作进展 迅速，到 19 世纪中叶，已积累了 60 多种元素的原子量数据。科学家们开始 研究原子量与元素性质之间的关系。[俄]Mendeleev DI 和[德]Meyer J L 等 分别根据原子量的大小，将
表 1 － 2 Mendeleev D I 的第一个周期律图表 （ 1869 年）
Ti=50 Zr=90 ？=180. V=51 Nb=94 Ta=182. Cr=52 NO=96 W=186.
Mn=55 Rh=104 ， 4 Pt=197 ， 4
Fe=56 Ru=104 ， 4 Ir=198. Ni=Co=59 Pl=106 ， 6 Os=199.
H=1 Cu=63 ， 4 Ag=108 Hg=200.
Be=9 ， 4 Mg=24 Zn=65 ， 2 Cd=112
B=11 Al=27 ， 4 ？=68 Ur=116 Au=197 ？
C=12 Si=28 ？=70 Sn=118 N=14 P=31 As=75 Sb=122 Bi=210 ？
O=16 S=32 Se=79 ， 4 Te=128 ？
F=19 Cl=35 ， 5 Br=80 I=127
Li=7 Na=23 K=39 Rb=85 ， 4 Cs=133 Ti=204
Ca=40 Sr=87 ， 6 Ba=137 Pb=207
？=45 Ce=92
？ Er=56 La=94
？ Yt=60 Di=95
？ ln=75 ， 6 Th=118 ？


表 1-4 元 素 周 期 表 与 原 子 的 价 电 子 构 型



1



























18


13 14 15 16 17























F 区：(n-2)f1~14(n-1)d0~2ns2
57~71
镧系元素 s2df 57 La d1 58 Cc f1d1 59 Pr f3 60 Nd f4 61 Pm f5 62 Sm f6 87~103
锕系元素 s2df 89 Ac d1 90 Th d2 91 Pa d1f2 92 U
d1f3 93 Np f4d1 94 Pu f6
63 Eu f7 64 Gd d1f7 65 Tb f9 66 Dy f10 67 Ho f11 68 Er f12 69 Tm f13 70 Yb f14 71 Lu d1f14 95 Am f7 96 Cm d1f7 97 Bk f9 98 Cf f10 99 Es f11 100 Fm f12 101 Md
(f13) 102 No
(f14) 103 Lr
(d1f14)

元素进行分类排队，发现元素性质随原子量的递增呈明显的周期性变
化。1869 年 Mendeleev 提出周期律及其具体表现形式的周期表如图表 1－2 所示，1871 年又作修改，如表 1－3 所示。他根据周期律修正了铟（In）、 铀（U）、钍（Th）、铯（Cs）等 9 种元素的原子量，他还预言了 3 种新元素 及其特性，并暂取名为类铝、类硼、类硅，这就是 1871 年发现的镓（Ga）、
1880 年发现的钪（Sc）和 1886 年发现的锗（Ge）。这些新元素的原子量、 密度和物理化学性质都与 Mendeleev 的预言惊人相符，周期律的正确性立即 获得举世公认。至于认识周期律的内在原因，则到本世纪 30 年代量子力学发 展并弄清了各元素的核外电子排布之后，人们才知道元素在周期表中的位置 决定于原子的核外电子结构，特别是与最外层电子排布密切有关。表 1－4 是目前常用的周期表，并注明了外层电子结构，形式虽与当年 Mendeleev 周 期表有所不同，但关于周期、主族、副族等基本概念还是一脉相承的。1882
年 Mendeleev DI 和 Meyer J L 共获英国皇家学会的最高荣誉－－戴维奖章。
现在已知的 111 种元素在周期表里各就各位，有条不紊，横向分为 7 个周期， 纵向分为 18 列，其中 1～2 和 13～18 列（即 IA～ⅧA）为主族元素，第 3～
12 列（即ⅢB～ⅡB）为副族元素。
表 1 － 5 周期与能级组的关系
周期 能级组 能级组内各原子轨道 元素数目 1
2
3
4
5
6
7 Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ ls
2s2p
3s3p
4s3d4p
5s4d5p
6s4f5d6p
7s5f6d 2
8
8
18
18
32
23 未完

按原子核外电子排布的规律可知随原子核电荷（即原子序数）递增时，
最外层电子数目总是由 s1 至 s2p6 重复变化，一个周期相应于一个能级组，它 所包含的元素数目恰好等于该能级组所能容纳的最多电子数目。各周期与相 对应的能级组的关系如表 1－5 所示。
参考表 1－4，按价电子构型的不同，周期表可以分为 s，p，d，ds 和 f
五个区。
s 区元素：包括ⅠA 和ⅡA 族（第 1 和第 2 列），价电子构型为 ns1~2；
p 区元素：包括ⅢA～ⅧA 族（第 13～18 列），价电子构型为 ns2np1~6；
d 区元素：包括ⅢB～ⅧB 族（第 3～10 列），价电子构型为 ns1~2（n－1）
d1~10，常称为过渡元素；
ds 区元素：包括ⅠB～ⅡB 族（第 11～12 列），价电子构型为 ns1~2（n
－1）d10；
f 区元素：包括镧系和锕系元素，价电子构型为（n－2）f1~14（n－1）

d0~2ns10。这些元素本应插入主表相应位置中，只是便于按正常篇幅安排，才 将它们取出放在周期表下方。
　　主族元素的族数=原子的最外层电子数目=主族元素的最高化合价 数。
　　元素的化学性质很大程度上取决于价电子数。在同一族中，不同元素虽 然电子层数不相同，然而都有相同数目的价电子数。例如碱金属最外层都是 n1，卤族元素都是 ns2np5。因此，同一族元素性质非常相似，碱金属都容易 失去一个 s 电子，成为正一价离子，表现出很强的金属性质。卤素最外层有
7 个电子（s2p5），有夺取一个电子形成负离子的倾向，是典型的非金属。在
表 1－4 中右边阶梯式的黑线是金属元素和非金属元素的分界线。 过渡元素都是金属元素，它们的特征是随着原子序数增加而增加的电子
排在较内层的 d 或 f 轨道上，而最外层只有 1～2 个电子。这些元素除了能失 去最外层电子外，还能失去次外层上的电子。例如钛（22Ti）电子构型为
[Ar]3d24s2，它可以失去 1 个或 2 个 4s 电子，也还可以失去 1 个或 2 个 3d
电子，即最多能失去 4 个电子。因此钛的化合价变化较多，可以是+1，+2，
+3 或+4 价。可以形成多种价态的化合物，是过渡元素的特点，这些化合物常 呈现美丽多彩的颜色。
元素周期表是概括元素化学知识的一个宝库，且其内容随着化学知识的
增加而不断丰富。对某个元素可以从周期表中直接获得下列信息：元素的名 称、符号、原子序数、原子量、电子结构、族数和周期数；可以从元素周期 表中的位置判断元素是金属还是非金属，并可估计其电离能、密度、原子半 径、原子体积和化合价等等。周期表包含了大量的化学信息，所以我们应该 学会使用周期表。

1.3.2 元素的周期性质


　　原子核外电子排布具有周期性变化规律，因此与原子结构有关的一些元 素性质如电离能、电子亲和能和电负性等也随之呈现显著的周期性。
电离能 气态原子失去一个电子成为一价气态正离子所需吸收的能量
称为原子的第一电离能（I1），即
A(g)+I1→A+(g)+e-
　　气态一价正离子再去掉一个电子成为二价正离子所需的能量，称为第二 电离能 I2，第三和第四电离能可以类推。电离能中第一电离能 I1 最小，也最 重要。各元素第一电离能数据列入表 1－6，第一电离能随原子序数 Z 变化的 关系示如图 1－4 所示。在 I1－Z 的曲线上，各种稀有气体的电离能处于极大 值，而碱金属处于最小值。这是由于稀有气体的原子形成全充满电子层，从 全充满电子层上移去一个电子是很困难的，要吸收较多的能量。碱金属价电 子层只有一个电子，很容易失去，电离能较小，但若再失去第二个电子就很 困难了，所以碱金属容易形成一价正离子。在主族元素表 1-6 元素的第一电
离能

H
13.598 Li
5.392 Be
9.322 Na
5.139 Mg
7.646 K
4.341 Ca
6.113 Sc
6.54 Ti
6.82 V
6.74 Cr
6.766 Mn
7.435 Fe
7.870 Co
7.635 Rb
4.177 Sr
5.695 Y
6.38 Zr
6.84 Nb
6.88 Mo
7.099 Tc
7.28 Ru
7.37 Rh
7.46 Cs
3.894 Ba
5.212 La
5.577 Hf
7.0 Ta
7.89 W
7.98 Re
7.88 Os
8.7 Ir
9.1 Fr Ra
5.279 Ac
6.9
I1
He
24.587 B
8.298 C
11.260 N
14.534 O
13.618 F
17.422 Ne
21.564 Al
5.986 Si
8.151 P
10.486 S
10.360 Cl
12.967 Ar
15.759 Ni
7.635 Cu
7.726 Zn
9.394 Ga
5.999 Ge
7.899 As
9.81 Se
9.752 Br
11.814 Kr
13.999 Pd
8.34 Ag
7.576 Cd
8.993 In
5.786 Sn
7.344 Sb
8.641 Te
9.009 I
10.451 Xe
12.130 Pt
9.0 Au
9.225 Hg
10.437 Tl
6.108 Pb
7.416 Bi
7.289 Po
8.42 At Rn
10.748

本表数据录自 Robert C. West,”CRC Hardbook of chemistry and Physics”, 63 rd ed.1988—
89，E78—79。表中数据单位为电子伏特(eV)，将其乘以 96.4846，所得数据单位即为 kJ·mol-1。















中，同一周期元素的电离能 I1，基本上随着原子序数的增加而增加，例 如第三周期 Na，Mg→Cl，Ar 的电离能逐渐增大。而同族元素的电离能随原子 序数的增加而减小，如 IA 族的 Li，Na，K，Rb，Cs 的电离能依次减小。因此 位于周期表左下角的碱金属铯（Cs）的 I1 最小，最容易失去电子成为正离子， 金属性最强。而位于周期表右上角的稀有气体元素氦（He）的 I1 最大。同一 周期中 I1 并非单调的上升，例如 Be，N，Ne 的 I1 都较相邻两元素为高，这是 由于它们的原子轨道上的电子填充时出现了全满，全空或半满的情况。致于 副族元素，同一周期元素的最外层价电子相同，因而第一电离能差别不大， 也没有明显的规律性。
　　
　　电子亲和能 气态原子获得一个电子成为一价负离子时所放出的能 量，称为电子亲和能（Y），即
A(g)+e-→A-(g)+Y 由于电子亲和能的实验测定比较困难，因此数据可靠性较差，数据也不
完全。图 1－5 给出了周期表中原子序数为 1～20 的元素电子亲和能随原子序 数的周期性变化情况。
















　　原子的电负性 原子的电负性概念最早由 Pauling L 提出，用以量度 分子中原子对成键电子吸引能力的相对大小。原子电负性越大，表明其在 分子中吸引成键电子的能力越大；原子电负性越小，其在分子中吸引成键电 子的能力也越小。例如 H 和 Cl 的电负性分别为 2.1 和 3.0，那么在 HCl 分 子中 Cl 对成键电子吸引力比 H 大，即成键电子偏向 Cl。各元素电负性数据 见表 1－7。原子电负性随原子序数的周期性变化如图 1－6 所示。同一周期 元素，由左向右电负性逐渐增大；同一族元素，从上至下电负性逐渐减小。 因此电负性大的元素集中在周期表的右上角如 F，C，O，N 等，电负性小的元 素位于周期表的左下角如 Cs，Ba，Rb 等。金属元素的电负性较小，非金属元 素的电负性较大。电负性是判断元素金属性的重要参数。
表 1-7 元素的电负性 x



H
2 · 1

B
2.0 C
2.5 N
3.0 O
3.5 F
4.0 Al
1.5 Si
1.8 P
2.1 S
2.5 Cl
3.0 Co
1.9 Ni
1.9 Cu
1.9 Zn
1.6 Ga
1.6 Ge
1.8 As
2.0 Se
2.4 Br
2.8 Rh
2.2 Pd
2.2 Ag
1.9 Cd
1.7 In
1.7 Sn
1.8 Sb
1.9 Re
2.1 I
2.5 Ir
2.2 Pt
2.2 Au
2.4 Hg
1.9 Tl
1.8 Pb
1.9 Bi
1.9 Po
2.0 At
2.2

数据摘自 L.Pauling and P.Pauling, “Chemistry”,1975,p.175。
















电负性差别大的元素之间化合生 成离子键的倾向较强，电负性相同或近似的非金属元素相互以共价键结合。 电负性相等或相近的金属元素相互以金属键结合。有关化学键的内容见第 3 章。元素周期律是人们在长期科学实践活动中积累了大量感性资料后总结出 来的自然科学规律，它把自然界众多元素看作有内在联系的统一整体。量子 力学又从理论上阐明了原子核外电子排布的周期规律性。可以说元素周期律 对学习化学知识至关重要，正确运用元素周期律对开展化学研究也是至关重 要的。例如在 1987 年发现了钡（Ba）、钇（Y）、铜（Cu）复合氧化物具有 高温超导特性，全世界掀起“超导热”，化学家们顺着周期律对ⅡA 族（如 Ca，Sr）、ⅢA 族（如 Sc 和 La 系元素）、ⅠB 和ⅡB 族（如 Ag，Au，Zn，Cd） 等各种元素的复合氧化物体系进行了“全面搜索”。也可以说一个多世纪以 来化学家们一直在为耕耘周期表而忙碌。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
复习题

1.写出下列原子的原子序数、电子数、质子数、中子数和质量数。
2 H，3 H，19 F，117Sn，235 U
1 1 9 50 92
2.填写下表。
元素符号 质子数 中子数 电子数 电荷数 128 Te 2 ?
52



195 Pt
78 33


16


20
23 42


16


20
28

54
16




20 3+





2+

3.写出决定原子结构的 n，l，m 和 ms 四个量子数取值规定及其物理意义。
4.当 n＝4 时，角量子数可以取哪些值？用原子轨道符号表示之。
5.原子核外电子的排布遵循哪些规则？
　　6.写出原子序数为 6，8，11，24，29 的元素其核外电子排布，指出它们 在周期表中的位置，并写出名称和符号。
7.按第一电离能大小排列下列各组元素。
（1）Be，Mg，Ca
（2）Ga，Ge，In
（3）Be，B，C，N，O
（4）He，Ne，Ar
8.什么是元素的电负性？周期表中元素电负性的变化规律如何？
9.下列哪些元素容易得电子成为负离子？哪些容易失电子成为正离子？ O，Na，I，B，Sr，Al，Cs，Ba，S，Se
10.第 31 号元素镓（Ga）就是当年 Mendeleev 预言过的类铝，现在是半
导体材料之一。写出它的核外电子排布并按外层电子结构说明它在周期表中 的位置。写出镓的最高价氧化物、氯化物的化学式。Ga（OH）3 是否属两性氢
氧化物？砷化镓 GaAs 核外电子总数与哪种元素 2 个原子的核外电子总数相 等？

第 2 章 能源


　　能源、材料和信息被称为人类社会发展的三大支柱。所谓能源是指提供 能量的自然资源。人类的文明始于火的使用，燃烧现象是人类最早的化学实 践之一，燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学变化过 程中所伴随的能量变化，创造了五光十色的物质文明。从人类社会的发展历 史进程，可以从中找到能源品种的不断开发不断更替的作用。根据各个历史 阶段所使用的主要能源，可以分为柴草时期、煤炭时期和石油时期。
　　柴草时期 从火的发现到 18 世纪产业革命期间，树枝杂草一直是人类 使用的主要能源。柴草不仅能烧烤食物，驱寒取暖，还被用来烧制陶器和冶 炼金属。
　　陶器是人类利用火制造出来的第一种自然界不存在的材料，世界古文明 发源地都在新石器时代中后期出现过陶器。把自然界的粘土，加水调和，揉 捏成一定形状的泥坯，晾干后用柴火烧烤，使粘土中部分成分发生化学变化， 冷却后即成为质地坚硬的陶器。制陶技术经过几千年的发展演变后出现的瓷 器，至今还受到人们青睐。制陶技术的成熟也为金属冶炼和铸造技术的发展 提供了条件。
金属冶炼技术的发展史中，以铜为先，翠绿色的孔雀石和深蓝色的蓝铜
矿是铜的两种常见矿石，它们的主要成分是碱式碳酸铜。铜的熔点比较低，
是 1083℃（铁的熔点是 1537℃）。在陶制容器中用木炭可将碱式碳酸铜还原 成金属铜，然后铸成各种形状的器皿和用具。考古学已证实在公元前 3000 年，亚、非、欧广大地区已普遍掌握了用木炭炼铜的技术。金属材料的出现 加速了人类文明的进程。
能源中煤炭和石油天然气的重要性虽已居首位，但柴草作为生活能源却
从未间断过，不少发展中国家的农牧民至今仍以柴灶为主。在能源危机的呼 唤中，这种最古老的能源品种，又以它的容易再生而再度受到关注。可以说 人类是在利用柴火的过程中，产生了支配自然的能力而成为万物之灵的。
煤炭时期 煤炭的开采始于 13 世纪，而大规模开采并使其成为世界的
主要能源则是 18 世纪中叶的事了。1769 年，瓦特发明蒸汽机，煤炭作为蒸 汽机的动力之源而受到关注。第一次产业革命期间，冶金工业、机械工业、 交通运输业、化学工业等的发展，使煤炭的需求量与日俱增，直至 20 世纪
40 年代末，在世界能源消费中煤炭仍占首位（见表 2－1）。
　　煤是发热量很高的一种固体燃料。它的主要成分是碳（C），还有一定量 的氢（H）和少量的氧（O）、氮（N）、硫（S）和磷（P）等。煤是既含有机 物也含无机物的复杂混合物。煤可以直接当燃料使用，但从物尽其用的角度 来看，应多提倡煤的综合利用。例如煤经过干馏（隔绝空气情况下强热）， 可以分别得到焦炭、煤焦油和焦炉气。焦炭可以供炼铁用；煤焦油可提取苯、 萘、酚等多种化工原料；从焦炉气中也可提取一定量的化工原料，也可直接 作为气体燃料，其污染性远低于直接烧煤。
　　煤炭的利用使人类获得了更高的温度，推动了金属冶炼技术的发展，工 业革命后 100 多年生产力的发展促进了人类近代社会的进步。
　　石油时期 第二次世界大战之后，在美国、中东、北非等地区相继发现 了大油田及伴生的天然气，每吨原油产生的热量比每吨煤高一倍。石油炼制 得到的汽油、柴油等是汽车、飞机用的内燃机燃料。世界各国纷纷投资石油
　　
的勘探和炼制，新技术和新工艺不断涌现，石油产品的成本大幅度降低，发 达国家的石油消费量猛增。到 60 年代初期，在世界能源消费统计表里，石油 和天然气的消耗比例开始超过煤炭而居首位。表 2－1 列举世界能源消费情 况，摘自联合国《能源统计》（1991）。
表 2 － 1 1950 － 1990 年世界能源消费量和构成
年份 消费量
万吨标准煤 * 在消费量中所占比例/％ 煤炭 石油 天然气 水电和核电 1950
1960
1970
1980
1990 239 194
292 420
643 956
852 391
1147 610 60.9
49.5
33.5
30.8
27.3 27.2
33.3
44.0
44.2
38.6 10.1
15.1
20.1
21.5
21.7 1.8
2.1
2.4
3.5
12.4

* 各种不同品牌的煤和石油，它们的发热量是不同的。统计部门按其发
热量折算，以便比较。标准煤的发热量定为 29.26 MJ·kg-1。若某种原煤的 发热量为 20.92MJ·kg-1，那末 1kg 这种原煤就相当于 0.7150 kg 标准煤
（ 20.92 = 0.7150 ）。若某种原油的发热量为41.88MJ ·kg -1，那末1kg
29.26
这种原油就可折算为1.431kg标准煤（ 41.88 = 1.431）。
29.26
从表 2－1 中数据一方面可以看到从 1950 至 1990 年的 40 年间，世界能 源消耗增长速度是相当快的；另一方面也可看到各种能源在消费中所占百分 比有明显变化：煤的比例下降，石油和天然气、水电和核电都呈增长趋势（因 天然气与石油共生，经常把两者合起来统计）。由表中数据看，1960 年时， 在能源总消费中，煤占 49.5％，石油和天然气占 48.4％，相差无几，此后石 油和天然气的比例增大而居领先地位，目前实际上是多种能源互补的局面。 煤和石油资源在地球上的分布是不均匀的，我国的煤炭资源比较丰富，石油 资源则比较贫乏。60 年代初发现大庆油田后，能源结构大为改观，但现在我 们是石油净进口国，随着工农业的发展，供需矛盾还将日益严峻。表 2－2 列举我国的能源消费量和构成，数据摘自《中国统计年鉴》（1995）。
表 2 － 2 中国的能源消费和构成
年份 消费量
万吨标准煤 在消费量中所占比例\% 煤炭 石油 天然气 水电 1955
1960
1970
1980
1990
1992
1994 6 968
30 189
29 291
60 275
98 703
108 900
122 737 93.0
93.9
80.9
72.2
76.2
74.9
75.0 4.9
4.1
14.7
20.7
16.6
18.0
17.4 －
0.5
0.9
3.1
2.1
2.0
1.9 2.1
1.5
3.5
4.0
5.1
5.1
5.7