个电池，但真要做成一个有实际应用价值的电池并非易事。目前我们最熟悉 而又经常使用的莫过于锌－锰电池和铅蓄电池。
　　锌－锰干电池 以上列举的几种电池有溶液，便于说明原理，但不便于 携带。日常用的收音机，手电筒里使用的都是干电池，其电压一般为 1.5V， 电容量随体积大小而异（分 1 号，2 号，3 号，4 号，5 号等），其结构如图
2－11 所示。外壳用锌皮作为负极，中心为正极，是一根导电性能良好的石
墨棒，裹上了一层由 MnO2，炭黑及 NH4Cl 溶液混合压紧的团块。两个电极之
间的电解液是由 NH4Cl，ZnCl2，淀粉和一定量水组成，将其加热调制成浆糊
并趁热灌入锌筒，冷却后成半透明的胶冻不再流动，但可以导电。锌筒上口 加沥青密封，防止电解液渗出。锌－锰干电池的电极反应为：

锌负极：Zn ? 4NH Cl→(NH

) ZnCl

? 2NH ? ? 2e?


锰正极：MnO

4 4 2 4 4
? H O ? e? →MnO(OH) ? OH ?


在使用过程中，电子由锌极流向锰极（电流方向相反），锌皮逐渐消耗，
MnO2 也不断被还原，电压慢慢降低，最后电池失效。这种电池是一次性消费
品，但锌皮不可能完全消耗掉，所以旧电池可回收锌。锌既然是消耗性的外 壳，在使用过程中就会变薄以致穿孔，这就要求在锌皮外加有密封包装，有 些劣质产品，在使用过程中发生“渗漏”现象，即是没有按要求做的缘故。 铅蓄电池 蓄电池放电到一定程度，可以利用外电源进行充电后再用， 这样充电放电可以反复几百次。汽车的启动电源常用铅蓄电池，其结构如图
2－12 所示。
　　电池内有一排铅锑合金的栅格板，栅孔为细的铅粉泥所填满。栅板交替 由两块导板相联，分别成为顶部的两个电极。整个电极板在使用之前先浸泡 在稀硫酸溶液中进行电解处理，在阳极，Pb 被氧化成为二氧化铅（PbO2），
在阴极，形成海绵状金属铅。干燥


后，PbO2 为蓄电池的正极，海绵状铅为负极

①。所用电解液为 30％的硫

酸（H2SO4），因此这类电池可以也叫酸性蓄电池。放电时，电极反应和电池
反应如下：
2? ? ?

正极：PbO2 ? SO 4

? 4 H

? 2 e

→PbSO 4 ? 2 H 2 O

2 ? ?

负极：Pb ? SO4

→PbSO4 ? 2e

放电反应：PbO2 ? Pb ? 2H 2SO 4 →2 PbSO4 ? 2H 2O
放电之后，正负两极都生成了一层硫酸铅（PbSO4），到一定程度就必须
充电。充电时是将一个电压略高于蓄电池的直流电源与它相接，PbO2 电极上
的 PbSO4 放出电子被氧化为 PbO2，Pb 极上的 PbSO4 接受电子被还原为 Pb，于
是蓄电池的电极恢复原状，又可放电。充电时的电极反应和电池反应恰好是 放电时的逆反应：
2? ? ?

PbO2 极：

PbSO4 ? 2H 2 O→PbO 2 ? SO 4

? 4 H

? 2 e

Pb极：

PbSO4 ? 2e

→Pb ? SO 2?

充电反应： 2 PbSO 4 ? 2 H 2 O→PbO 2 ? Pb ? 2 H 2SO 4
铅蓄电池放电和充电过程可以合并写为：

　　铅蓄电池每个单元电压为 2.0V 左右，汽车用的电瓶一般由 3 个单元组 成，即工作电压在 6.0V 左右。若电容量为几十至 100A，放电时，单元电压 降到 1.8V，就不能继续使用，必须进行充电。只要按规定及时充电，使用得 当，一个电池可以充放电 300 多次，否则使用寿命会大大降低。这种蓄电池 具有电动势高、电压稳定、使用温度范围宽、原料丰富、价格便宜等优点。 主要缺点是笨重、防震性差、易溢出酸雾、维护不便、携带不便等。针对这 些问题，科技工作者认真不断地从电极材料、隔板材料、电解液组成、电池 槽体、整体密封等多方面进行改进。自 80 年代以来各种新型的铅蓄电池逐渐 问世，它们在汽车工业、通讯业、飞机、船舶、矿山、军工等方面都有广泛 应用。在当今各种电池中，就其总产量而言，铅蓄电池还是占 90％。
新技术的发展，迫切要求研制体积小、质量轻容量大、保存时间长的各
种新型化学电源。现在已经商品化的电池有以下几种。
　　碱性蓄电池 日常生活中用的充电电池就属于这类。它的体积、电压都 和干电池差不多，携带方便，使用寿命比铅蓄电池长得多，使用恰当可以反 复充放电上千次，但价格比较贵。商品电池中有镍－镉（Ni－Cd）和镍－铁
（Ni－Fe）两类，它们的电池反应是：





① 等离子体是一种电离气体，它是离子、电子、原子、分子、自由基等粒子的集合体，它是一种导电的流 体。其中正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的，所以称为等离子体。地球表面自然界难于见到等 离子体现象，但在宇宙中，99％的物质都呈等离子态。人工等离子体常见于霓虹灯管、莹光灯管中，在实 验室可用气体放电、光电离、热电离等方法产生等离子体。

反应是在碱性条件下进行的，所以叫碱性蓄电池。 银－锌电池电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电
流是微安或毫安级的，它们所用的电池体积很小，有“钮扣”电池之称。它
们的电极材料是 Ag2O2 和 Zn，所以叫银－锌电池。电极反应和电池反应是：
? ?

负极：

2 Zn ? 4OH

→2Zn(OH )2 ? 4e
? ?

正极：

Ag 2 O 2 ? 2 H 2 O ? 4e

→2 Ag ? 4OH

电池反应：2 Zn ? Ag 2 O 2 ? 2 H 2 O→2 Zn (OH) 2 ? 2Ag
　　利用上述化学反应也可以制作大电流的电池，它具有质量轻、体积小等 优点。这类电池已用于宇航、火箭、潜艇等方面。
燃料电池 氢气（H2），甲烷气（CH4），乙醇（C2H5OH）等物质在氧气
（O2）中燃烧时，能将化学能直接转化为电能，这种装置叫燃料电池。这些
气体分子首先在电极催化剂的作用下离子化，再与 O2 起反应生成 CO2 和 H2O。
这种电池能量利用率可高达 80％（一般柴油发电机只有 40％左右），反应产 物的污染也少。一种 10～20kW 的碱性 H2－O2 燃料电池已成功地用于航天飞 机，在美国、日本还有若干示范性的 CH4－O2 燃料电池发电站，但目前这类 电极成本很高，气体净化要求也高，短期内难于普及。
　　此外，锂－锰电池、锂－碘电池、钠－硫电池、太阳能电池等多种高效、 安全、价廉的电池都在研究之中。化学电源的研究和开发是化学科学的重要 研究领域之一，也是能源工作者研究领域之一。
　　
2.8 节能和新能源的开发


　　国民经济的发展要求能源有相应的增长，人口的增长和生活条件的改善 也需要消耗更多的能量。现代社会是一个耗能的社会，没有相当数量的能源 是谈不上现代化的。现代主要能源是煤、石油和天然气，它们都是短期内不 可能再生的化石燃料，储量都极其有限，因此必须节能。节能不是简单地指 少用能量，而是指要充分有效地利用能源，尽量降低各种产品的能耗，这也 是国民经济建设中一项长期的战略任务。节能问题现已受到各国的普遍重 视，作为能源经济发展的重要政策。自 1973 年和 1979 年石油输出国组织
（OPEC）两次大幅度提高石油价格以来，工业发达国家不可能再依靠廉价石 油来发展经济，美国、日本率先积极开展各种节能技术研究以缓解“能源危 机”的冲击，使单位产品的能耗有明显降低。例如国际先进水平是每炼 1 吨 钢需消耗 0.7～0.9 吨标准煤，而我国目前每吨钢的能耗约为 1.3 吨标准煤， 也就是说我国炼钢的能耗是国际水平的 1.6 倍，所以在我国节能应该有很大 的潜力可挖。
　　一个国家或一个地区能源利用率的高低一般是按生产总值和能源总消耗 量的比值进行统计比较的，它与产业结构、产品结构和技术状况有关。如在
80 年代末，上海市每万元国民经济生产总值要消耗 5.08 吨标准煤，浙江省
是 5.38 吨，而有的省却高达 26 吨，可见它们之间能源利用率差别很大。和 国际相比，我国的能耗比日本高 4 倍，比美国高 2 倍，比印度高 1 倍，所以 若能赶上印度的能源利用率，要实现生产翻一番，似乎不必增加能源消费量。 要实现国民经济现代化，既要开发能源，又必须降低能耗，开源节流必须同 时并举，并且要把节流放到更重要的位置。
能耗高的原因是复杂的，从化学变化释放能量的角度看，无非一是燃烧
是否完全，二是释放的能量是否充分利用。我国的工业锅炉和工业窑炉耗费 全国总能源的 65％，它们是节能潜力最大的行业。设计节能的炉型、选择节 能的燃气比（燃料和空气的比例）、控制锅炉进水温度、及时清理锅炉积垢、 积灰等等都可以节能。供电系统和电能利用系统也是能源消耗量大而能量利 用率低的领域，节能潜力较大。火力发电是将化学能转化为电能，通过电动 机又将电能转化为机械能可以供机床、水泵、通风、电动车、照明等用，这 些能量转化过程中的利用率也大有潜力可挖。例如将发电站的余热与城市供 热供暖相结合，组成电热联产，将分散的供热（热损耗很大）改为集中供热， 都可有效地提高能源利用率；电动机的材料质量、电机结构的改进可以大大 降低损耗；白炽灯的照明效率是荧光灯的一半，研制高效节能灯，并推广使 用，也是节能措施之一。总之围绕着节能工作有许多科学技术问题急待研究， 但要使节能工作真正落到实处，不是单纯的技术问题，还要涉及行政管理、 能源政策、节能法规、能源价格等各方面的因素。
　　我国长期面临能源供不应求的局面，人均能源水平低，同时能源利用率 低，单位产品能耗高。所以必须用节能来缓解供需矛盾，促进经济发展，同 时也有利于环境保护。因此节能是我国的一项基本国策。在节能的同时我们 也要积极开展各种新型能源的研究和探索，目前不成熟的新能源也可能成为 未来的主要能源。当代新能源是指太阳能、生物质能、风能、地热能、和海 洋能等。它们的共同特点是资源丰富、可以再生、没有污染或很少污染，它
　　
们是远有前景，近有实效的能源。以下对这几种新能源作简要介绍①。
　　太阳能 地球上最根本的能源是太阳能。煤、石油中的化学能是由太阳 能转化而成的（见 3.3 和 3.4），风能、生物能、海洋能等其实也都来自太 阳能。太阳每年辐射到地球表面的能量为 50×1018kJ，相当于目前全世界能 量消费的 1.3 万倍，真可谓取之不尽用之不竭，因此利用太阳能的前景非常 诱人。阳光普照大地，单位面积上所受到辐射热并不大，如何把分散的热量 聚集在一起成为有用的能量是问题的关键。太阳能的利用方式是光热转化或 光电转化。
　　太阳能的热利用是通过集热器进行光热转化的，集热器也就是太阳能热 水器。它的板芯由涂了吸热材料的铜片制成的，封装在玻璃钢外壳中。铜片 只是导热体，进行光热转化的是吸热涂层，这是特殊的有机高分子化合物。 封装材料也很有讲究，既要有高透光率，又要有良好的绝热性。随涂层、材 料、封装技术和热水器的结构设计等不同，终端使用温度较低的在 100℃以 下，可供生活热水、取暖等；中等温度在 100～300℃之间，可供烹调、工业 用热等；高温的可达 300℃以上，可以供发电站使用。70 年代石油危机之后， 这类热水器曾有蓬勃发展，特别是在美国、以色列、日本、澳大利亚等国家 安装家用太阳能热水器的住宅很多（10％～35％）。80 年代在美国已建成若 干示范性的太阳能热发电站，用特殊的抛物面反光镜聚集热量获得高温蒸汽 送到发电机进行发电。
太阳能也可通过光电池直接变成电能，这就是太阳能电池、光伏打电池。
它们具有安全可靠、无噪声、无污染、不需燃料、无需架设输电网、规模可 大可小等优点，但需要占用较大的面积，因此比较适合阳光充足的边远地区 的农牧民或边防部队使用。已有使用价值的光电池种类不少，多晶硅（Si）、 单晶硅（掺入少量硼、砷）、碲化镉（CdTe）、硒化铜铟（CuInSe）等都是 制造光电池的半导体材料，它们能吸收光子使电子按一定方向流动而形成电 流。光电池应用范围很广，大的可用于微波中继站、卫星地面站、农村电话 系统，小的可用于太阳能手表、太阳能计算器、太阳能充电器等，这些产品 已有广大市场。
对于利用阳光发电，在美国有 Solar2000 计划，目标是到 2000 年美国太
阳能电池总产量达 1400 兆瓦。日本在 70 年代就制定了“阳光计划”。近年 来，德国的 ELDURADO 计划等也都是致力于太阳能的开发利用。我国自 80 年 代起也开始了太阳能电池的研究，引进了国际先进的技术。太阳能电池现已 有小批量生产，受到西藏无电地区牧民们的欢迎。这种小的太阳能发电装置 可以为一台彩色电视机和一部卫星接收机提供电源，或为家庭照明和家用电 器供电。
生物能 生物能蕴藏在动物、植物、微生物体内，它是由太阳能转化而 来的，可以说是现代的、可以再生的“化石燃料”，它可以是固态、液态或 气态。稻草、劈柴、桔杆等农牧业废弃物是古老的传统燃料，在广大农村仍 是主要能源。但这样的燃料直接燃烧时，热量利用率很低，仅 15％左右，现 用节柴灶热量利用率最多也只能达到 25％左右，并且对环境有较大的污染。



① 涉及电池电极反应时，用正极负极表示电极电势的高低，电极电势高的为正极，电势低的为负极。电流
由正极流向负极，电子由负极流向正极。而涉及电解问题时，则用阴极和阳极表示电极上所发生的变化， 阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。

目前把生物能作为新能源来考虑，并不是再去烧固态的柴草，而是要将它们 转化为可燃性的液态或气态化合物，即把生物能转化为化学能，然后再利用 燃烧放热。农牧业废料、高产作物（如甘蔗、高粱、甘薯等）、速生树木（如 赤杨、刺槐、桉树等），经过发酵或高温热分解等方法可以制造甲醇、乙醇 等干净的液体燃料。在巴西有 800 万辆小汽车用乙醇做燃料；在美国有许多 汽车使用含乙醇的汽油作为燃料；欧共体已建成几座由木屑制甲醇的工厂。 这类生物质若在密闭容器内经高温干馏也可以生成一氧化碳（CO）、氢气
（H2）、甲烷（CH4）等可燃性气体，这些气体可用来发电。生物质还可以在
厌氧条件下生成沼气，这种气化的效率虽然不高，但其综合效益很好。沼气 的主要成分是 CH4，作为燃料不仅热值高并且干净，沼渣、沼液是优质速效 肥料，同时又处理了各种有机垃圾，清洁了环境。我国农村约有 500 万个小 型沼气池作为家用能源。投资建设中型、大型沼气池不仅可用于发电，也可 处理城市垃圾。此外科学家们还成功地培育出若干植物新品种，如巴西的香 胶树（亦称石油树），每株年产 50kg 左右与石油成分相似的胶质。美国人工 种植的黄鼠草，每公顷可年产 6000kg 石油，美国西海岸的巨型海藻，可用以 生产类似柴油的燃料油。把生物质转化为可燃性的液体或气体是使古老能源 焕发青春的途径。
　　风能 这是利用风力进行发电、提水、扬帆助航等的技术，这也是一种 可以再生的干净能源。按人均风电装机容量算，丹麦遥遥领先，其次是美国 和荷兰。我国东南沿海及西北高原地区（如内蒙、新疆）也有丰富的风力资 源，现已建成小型风力发电厂 9 个，发电装机容量 2 万千瓦。风力发电也将 是电力建设的一个方面。
地热能 地壳深处的温度比地面上高得多，利用地下热量也可进行发
电。在西藏的发电量中，一半是水力发电，约 40％是地热电，火力发电只占
10％左右。西藏羊八井地热电站的水温在 150℃左右，台湾清水地热电站水 温达 226℃。温度较低的地热泉（温泉）遍布全国，已打成地热井 2000 多处。
地热能与地球共存亡，地热潜力不容忽视。
　　海洋能 在地球与太阳、月亮等互相作用下海水不停地运动，站在海滩 上，可以看到滚滚海浪，在其中蕴藏着潮汐能、波浪能、海流能、温差能等， 这些能量总称海洋能。从 60 年代起法国、前苏联、加拿大、芬兰等国先后建 成潮汐能发电站，波浪能发电和温差能发电的示范装置也都已问世。我国在 东南沿海先后建成 7 个小型潮汐能电站，其中浙江温岭的江厦潮汐能电站具 有代表性，它建成于 1980 年，至今运行状况良好，并且还在海湾两侧，围垦 农田，种植柑橘，养殖水产，取得很好的综合效益。
　　新能源的开发受到世界各国的重视，但进展缓慢，这是因为技术难度较 大，对所需研究基金的投资要求较高，有些示范装置，效能虽好，但因成本 过高而不易推广。新能源的开发都是综合性项目，涉及化学、物理、电子、 机械、仪表控制等各行各业，其中所需各种新材料，需要化学工作者进行研 制；许多化学过程和反应条件，需化学工作者进行深入细致的研究。总之化 学家将积极参与新能源的开发工作。随着新能源的不断开发，世界能源结构 正向多样化的方向发展。
　　
复习题

1.我国能源消费结构与国际相比有何特点？
2.什么是再生能源和非再生能源？举例说明。
3.能源的利用和能量守恒定律有何联系？
　　4.某种天然气发热量为 38.9MJ·m-3（标准状况），那末 100m3 的这种天 然气相当于多少公斤标准煤？
　　5.原煤、石油气（液化气）、天然气、柴草都是我国的家用能源。试比 较它们的优缺点。
6.煤焦油、焦炉气中的主要成分各是什么？有何重要用途？
7.石油和煤相比，它们的成因和成分有何异同？
8.石油炼制工业主要包括哪些过程？
9.乙烯产量是综合国力的指标之一，根据何在？
10.什么是辛烷值？汽油中添加四乙基铅有什么作用？有什么缺点？
　　11.衰变、裂变、聚变都是原子核反应，举例说明它们的异同。核电站反 应堆发生的是哪种核反应？
12.写出下列几种电池的电池反应（化学反应方程式）。
（1）锌－银电池（Zn－Zn2+和 Ag－Ag+）；
（2）铅蓄电池；
（3）镍－镉蓄电池（碱性可充电电池）；
（4）银－锌电池（Ag－Ag2O2 和 Zn－Zn（OH）2）。
13.当前有实效而又有前景的新能源指哪些，各有何特点？
　　14.美国、日本把节约的能源列为继煤、石油、自然能（水力、风能、地 热、太阳能等）核能之后的“第五常规能源”，这对我国的能源建设有何启 示？
　　
第 3 章 化学键


　　化学变化的实质是原子的重新排列组合，化学变化过程是旧化学键断裂 和新化学键形成的过程。学习化学键知识是掌握化学知识的一把钥匙，化学 键概念是化学基本理论的重要组成部分。化学键是指两个相邻原子之间的相 互作用力或相结合。人们经过一个世纪的探讨，对化学键本质的认识逐步深 化，现在认为最基本的化学键类型有 3 种：离子键、共价键和金属键。下面 分别介绍这 3 种化学键。
　　
3.1 离子键和离子化合物


　　氯化钠（NaCl）是最典型的离子化合物，它是食盐的主要成分。它易溶 于水，熔点较高（801℃），熔融状态的氯化钠能导电，电解产物是金属钠和 氯气：
　2NaCl 熔融? 2Na ? Cl
电解
反之，金属钠在氯气中燃烧，Na 和 Cl2 就化合生成 NaCl。那未钠原子和
氯原子之间是靠什么样的作用力相结合的呢？从原子核外电子结构看，化学 性质很稳定的稀有气体如氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）等亦称惰性气体， 它们的外层电子结构都是 s2p6，也可以说 s2p6（八电子）是一种稳定的电子 结构。从附录 1，可知，钠原子和氯原子的核外电子排布分别是：

11 Na：
17 Cl：

1s2 2s2 2p6 3s1

1s2 2s2 2p6 3p5

　　钠原子失去 3s1 电子而成钠离子 Na+（2），这是稳定的 s2p6 全充满状态。 而氯原子获得 1 个电子则成氯离子 Cl-（1s22s22p63s23p6），这也是稳定的 s2p6 状态。带正电的 Na+和带负电的 Cl-借静电作用力相结合，这种强烈的静 电作用力称为离子键，由离子键结合成的化合物叫离子化合物①，得电子或 失电子的数目叫电价数。氯化钠晶体实际上就是这些 Na+和 Cl-相间配置而 成，见图 3－1（a）。可以将正负离子近似看成球形，每个离子都尽可能多
地吸引异号离子而紧密堆积，见图 3－1（b）。

　　IA 主族碱金属原子核外层都有 s1 电子，都容易失去一个电子而成+1 价 的正离子，而ⅦA 主族卤素原子核外电子结构是 s2p5，它们都容易得到一个 电子而成－1 价负离子。所以碱金属和卤素借离子键形成离子化合物，如氯 化钾（KCl）、氯化铯（CsCl）、氟化铯 CsF）、溴化钾（KBr）等。随正负 离子半径大小不同离子的堆积方式有所差别。如铯原子比钠原子大，所以每
个 Cs+的周围可以配置 8 个 Cl，而 1 个 Na+的周围只能配置 6 个 Cl-。
氯化镁的化学式是 MgCl2 而不是 MgCl，氧化镁的化学式不是 MgO2，而是
MgO，这从核外电子排布、化学键的价数考虑，都是容易理解的：

12 Mg：
17 Cl：

1s2 2s2 2 p 6 3s2

1s2 2s2 2 p 6 3s2 3p 5

8 O：

1s2 2s2 2p 4

Mg 失去 2 个 3s 电子，成为 2s22p6 稳定结构，而 O 得 2 个电子，也形成
2s22p6 结构，所以 Mg2+和 O2-形成 MgO，而 Cl 得 1 个电子即可形成 3s23p6 结



① 尹炼.能源的地位、问题、对策——对我国新能源战略的评估与对策探讨，科技导报，1993（7）：

构，所以 Mg2+可以和 2 个 Cl-化合而成 MgCl2。 原子的电负性表明原子对成键电子吸引能力的大小，参看表 1－7，周期
表里位于右上方的非金属电负性较大，位于左下方的金属电负性较小。电负
性差别越大的原子间越容易形成离子化合物。如 NaCl，CsCl，CaF2 等都是典
型的离子化合物。 正负离子间的静电作用力是很强的，室温下离子化合呈固态，熔点都较
高（NaCl 的熔点是 801℃，CsCl 是 646℃，CaF2 是 1360℃）。熔融状态的离
子化合物可以导电。 离子键的强度可用晶格能（U）的大小来衡量，晶格能是指 1mol 离子晶
体解离成自由气态离子所吸收的能量。如 NaCl 的晶格能为 786kJ·mol-1，即

NaCl(s)→Na(g ) ? 1 Cl
2 2


(g )


U ? 789kJ * mol ?1

CsCl 的晶格能为 657kJ·mol-1，CaF2 则是 2609kJ·mol-1。晶格能的大
小与正负离子电荷数成正比，与正负离子间的距离成反比。晶格能越大，即 正负离子间的结合力越强，所以晶体的熔点就越高，硬度也越大。表 3－1 列举了几种离子晶体中电荷数（z），离子间距离（r0）与晶格能、熔点、硬 度的关系。
表 3 － 1 晶格能 *与晶体性质
离子化合物 电荷数 Z r0
pm 晶格能
?1
kJ * mol 熔点
℃ 莫氏硬度 NaF
NaCl
MgO
CaO 1
1
2
2 231
282
210
240 923
786
3791
3401 993
801
2852
2614 3.2
2.5
6.5
4.5

*晶格能可以用实验数据间接计算，也可以做理论计算。硬度标准分 10
级，等级越高，表示物质越硬。如金刚石的硬度为 10 级，石英（SiO2）为 7
级，方解石（CaCO3）为 3 级等。

3.2 共价键和共价化合物


　　在众多的化合物中共价化合物居多，共价键理论内容丰富也比较复杂， 本节着重介绍以下几个要点。

3.2.1 经典的 Lewis 八隅体规则


　　上面一节已介绍 s2p6 八电子稳定状态及离子键的形成，但两个电负性相 等或相近的原子结合形成分子时（如 H2，O2，N2，HCl 等），显然不可能以 得、失电子的方式形成稳定的八电子结构。1916 年 Lewis 提出共用电子对形 成八隅体的学说，例如 A 和 B 两个 Cl 原子形成 Cl2 时，各有一个电子，既属
于 A 又属于 B，或者说 A 和 B 两个 Cl 原子共有这对电子，那末 A 和 B 原子都 形成稳定的八电子结构。可以·代表 A 原子的外层电子，以×代表 B 原子的 外层电子，也可以用短线代表共用电子对。以下列举若干常见的共价分子的 Lewis 结构式。










　　A 和 B 两个原子间，若共用 2 对电子，则形成双键；共用 3 对电子则形 成三键。C2H4 分子内含有碳碳双键，C2H2 分子内含碳碳三键。Lewis 认为原 子可以通过共用电子对形成八电子稳定结构，这种原子间的作用力称为 共价键。用这个概念可以阐明许多非金属原子间形成共价化合物的规律，至 今仍为化学界采用。但他并未能阐明共价键的本质和特性，成键电子对的两 个电子都带负电，同性相斥，它们是怎样结合的？也有不少共价分子的结构 和性质不能用八隅规则说明。因此随后发展成价键理论。

3.2.2 价键理论


　　随着物理学量子力学的发展，1927 年 Heitler 和 London 用量子力学来 处理 H 原子形成 H2 分子的过程，他们得到了 H2 分子能量（E）与两个 H 原子 核间距（r）的关系曲线，如图 3－2 所示。若原子 A 和原子 B 的两个电子自 旋方向相反，则是图中下面的曲线。当 A 和 B 相接近时（即 r 值减小时），
H2 分子体系能量降低，这是因为 A 原子的核外电子不仅受到 A 原子核的吸引
力，也受到了 B 原子核的吸引，同理 B 的电子既受 B 原子核的吸引，也受 A 原子核的吸引，也可以说是两个原子轨道发生了重叠，两核之间的电子云密 度增大，体系能量降低。当 r=74pm 时，能量为最低值，r 更小时，则因两核 之间库仑斥力增大，能量反而升高。即两核间距离为 74pm 时，形成了稳定的
H2 分子，这和实验测定值相符。若 A 和 B 的电子自旋方向平行，E－r 曲线就
不同了，如图 3－2 上部曲线所示。核间距 r 越小，能量越高，表示两个自旋

方向相同的氢原子不能形成 H2 分子。总之，价键理论继承了 Lewis 共用电子 对的概念，但从量子力学的角度指出成键电子必须自旋相反，并且认为共价 键的本质是两个原子有自旋方向相反的未成对电子，它们的原子轨道发 生了重叠，使体系能量降低而成键。

　　按照价键理论，共价键具有饱和性和方向性。各原子都有确定的不成 对电子，所以它的共价键数是一定的。如 H 和 Cl 都是 1 价，O 和 S 是 2 价，
N 是 3 价，C 是 4 价等。按此推理，不同原子形成共价化合物时均有确定的原
子比，如可以有 HCl，H2S，NH3 和 CH4 等共价化合物，但不可能有 HCl2 或 H4S
分子，这就是共价键的饱和性。另外，电子运动状态在空间分布是有一定取 向的，原子轨道的重叠也是有一定取向的，如 N 原子核外有 3 个未成电子， 其取向分别为 Px，Py，Pz。N2 分子中的三对电子并不在同一个平面上，而是
在 x，y，z 三个互相垂直的方向。这就是所谓的共价键的方向性。共价键的 饱和性和方向性是和离子键相比较而言，离子化合物中正负离子都为 s2p6 结 构，其电荷分布呈球形对称，所以它们可以从各个方向互相接触，并且尽可 能多地和异性离子相接触（配位），配位数的多少决定于正负离子的大小。 对离子化合物而言，无所谓成键的方向性，要考虑离子密堆积和空间利用率。 NaCl 中，Cl-既然没有固定的配位数，也无所谓饱和性。
许多共价化合物如 H2O，HCl，NH3，CH4 等不论在气态、液态或固态都以
独立的分子形式存在，所以在状态变化时，不涉及化学键的变化，只是分子 间作用力发生变化。它们和离子化合物相比，熔点、沸点就低得多，在液态 时也没有带电的微粒，所以不导电，这类物质属分子型共价化合物。也有分 子型的共价单质，如碘（I2）、磷（P4）和硫（S8）的单质都是多原子分子， 原子间有共价键，它们熔点、沸点也不高。













有些共价化合物是原子型的，如优质磨料金刚砂，它的化学式是碳化硅

（SiC），其结构和金刚石相似，如图 3－3 所示。其中一半 C 的位置为 Si 所取代，即每一个 C 原子以四面体向与 4 个 Si 原子相连。同样，每个 Si 原 子也以四面体向与 4 个 C 原子相连，形成了 C 和 Si 相间的巨分子。这类原子 型共价化合物和分子型共价化合物不同，它们的熔点很高，硬度也很大。因 为要使它发生状态变化，将涉及 Si 和 C 之间的共价键的断裂，这是很不容易 的。

3.2.3 杂化轨道理论


　　价键理论对共价键的本质和特点做了有力的论证，但它把讨论的基础放 在共用一对电子形成一个共价键上，在解释许多分子、原子的价键数目及分 子空间结构时却遇到了困难。例如 C 原子的价电子是 2s22p2，按电子排布规 律，2 个 s 电子是已配对的，只有 2 个 p 电子未成对，而许多含碳化合物中 C 都呈 4 价而不是 2 价，可以设想有 1 个 s 电子激发到 p 轨道去了。那末 1 个
s 轨道和 3 个 p 轨道都有不成对电子，可以形成 4 个共价键，但 s 和 p 的成
键方向和能量应该是不同的。而实验证明：CH4 分子中，4 个 C－H 共价键是
完全等同的，键长为 114pm，键角为 109.5°。BCl3，BeCl2，PCl3 等许多分
子也都有类似的情况。为了解释这些矛盾，1928 年 Pauling 提出了杂化轨道 概念，丰富和发展了的价键理论。他根据量子力学的观点提出：在同一个原 子中，能量相近的不同类型的几个原子轨道在成键时，可以互相叠加重 组，成为相同数目、能量相等的新轨道，这种新轨道叫杂化轨道。参看
图 3－4，C 原子中 1 个 2s 电子激发到 2p 后，1 个 2s 轨道和 3 个 2p 轨道重
新组合成 4 个、sp3 杂化轨道，它们再和 4 个 H 原子形成 4 个相同的 C－H 键，
C 位于正四面体中心，4 个 H 位于四个顶角。 杂化轨道种类很多，如三氯化硼（BCl3）分子中 B 有 sp2 杂化轨道，即
由 1 个 s 轨道和 2 个 p 轨道组合成 3 个 sp2 杂化轨道，在氯化铍（BeCl2）中
有 sp 杂化轨道，在过渡金属化合物中还有 d 轨道参与的 Sp3d 和 sp3d2 杂化轨 道等。












　　以上几例都是阐明了共价单键的性质，至于乙烯和乙炔分子中的双键和 三键的形成，还需要有σ键和π键的概念。两个成键原子核间联线叫键轴， 凡原子轨道沿键轴方向“头碰头”的方式重叠成键，称为σ键，如图 3－5 中（a）和（b）所示。另一种是原子轨

道沿键轴方向“肩碰肩”的方式重叠，称为π键，如图 3－5 中（c）


原子的激发态中 2px，2py 和 2s 形成 sp2 杂化轨道，这 3 个轨道能量相等，位
于同一平面并互成 120℃夹角，另外一个 pz 轨道未参与杂化，位于与平面垂
直的方向上。碳碳双键中的 sp2 杂化如下所示。








这 3 个 sp2 杂化轨道中有 2 个轨道分别与 2 个 H 原子形成σ单键，还有 1
个 sp2 轨道则与另一个 C 的 sp2 轨道形成头对头的σ键，同时位于垂直方向的
pz 轨道则以肩并肩的方式形成了π键。也就是说碳碳双键是由一个σ键和
一个π键组成。π键原子轨道的重叠程度小于σ键，容易断裂，所以含有双 键的烯烃很容易发生加成反应。乙炔分子（C2H2）中有碳碳三键（HC≡CH）， 激发态








的 C 原子中 2s 和 2px 轨道形成 sp 杂化轨道。这两个能量相等的 sp 杂化 轨道在同一直线上，其中之一与 H 原子形成σ单键，另外一个 sp 杂化轨道形
成 C 原子之间的σ键，而未参与杂化的 py 与 px 则垂直于 x 轴并互相垂直，它
们以肩并肩的方式与另一个 C 的 py,pz 形成π键。即碳碳三键是由一个σ键
和两个π键组成。这两个π链轨道重叠也较少，因而容易断开，所以含三键 的炔烃也容易发生加成反应。
甲烷、乙烯、乙炔都是最基本的简单有机化合物，以价键理论为基础，
用杂化轨道和σ键π键的概念，很好地解释了它们的结构和性质。

3.2.4 键的极性和分子的极性

　　在 H2（或 I2）分子中，两个成键的 H 原子（或 I 原子）对共用电子对的 吸引能力是相等的，整个分子的正电荷中心和负电荷中心是重合的，这种分 子为非极性分子，H－H（或 I－I）键为非极性共价键。但 HI 分子则是极性 分子，H－I 键是极性共价键。因为 I 的电负性（2.5）大于 H（2.1），所以 H－I 键的共用电子对偏向于 I 的一端。或者说 HI 分子中，I 端显负性，而 H 端为正性。凡由电负性不同的两个原子形成的共价键为极性共价键，它们 的共用电子对偏向电负性大的一方，使电负性大的原子带部分负电荷，电
? ? ? ?
负性小的原子带部分正电荷，可以分别用δ+ 和δ- 表示，如 H — I 。两个
成键原子的电负性差值（△χ）越大，键的极性就越大。当 0＜△χ＜1.7 时，为极性共价键；当△χ＞1.7 时，电子对将完全偏于电负性大的原子一

边，这就和离子键一样了。例如 Cl 的电负性为 3.0，Na 为 0.9，Mg 为 1.2，
Na 和 Cl，Mg 和 Cl 之间△χ值都大于 1.7，因而都形成离子键。由此可见离 子键和共价键虽然是两种不同的化学键，但它们之间有联系，从离子键到共 价键有递变关系。例如 BeCl2 中的 Be（χ=1.5）和 Cl 之间△χ为 1.5，Be
和 Cl 原子形成极性很强的共价键，BeCl2 在室温虽是固体，但熔点（405℃） 比离子化合物如 MgCl2（714℃），CaCl2（782℃）低得多，BeCl2 的性质可以
说是介于离子化合物和共价化合物之间的过渡状态。 键的极性是一种“矢量”，不但有大小，还有方向，它的方向用从正极
到负极的方向表示。分子的极性与键的极性有关，在双原子分子中，键有极 性，分子就有极性，如 HI，HCl 等。但以极性键结合的多原子分子，是否有 极性，还要看分子的空间构型，因为它决定键的方向。若分子结构的对称性
使键的极性互相抵消，则分子没有极性。如 CO2 分中的 C=O 键是极性键，但
由于 CO2 分子呈直线型对称结构，两个 C=O 键的极性大小相等，方向相反，
互相抵消，整个分子就成了没有极性的非极性分子：
← →
C ? C ? O
图 3－6 列举了 CH4，NH3 和 H2O 分子的构型和键角。如 CH4 分子中，C－H
虽是极性键，其中 C 用 4 个 sp3 杂化轨道，以正四面体方向与 H 成键，所以
CH4 也是非极性分子。见图 3－6（a）。而 H2O 则不然，它是极性分子，因为
O 原子用 2 个 sp3 杂化轨道分别和 2 个 H 原子形成σ键，另外两个 sp3 杂化轨 道上各有一对未成键的电子，它们的互斥作用使 H2O 分子中两个 H－O 键间的 夹角为 104.5°，使整个 H2O 分子呈 V 字型，O 为负端，H 为正端，见图 3－6
（C）。NH3 分子的情况和 H2O 相似，N－H 键是极性键，键角为 107°，有一 对未成键电子，因此 NH3 分子有极性。N 为负端，H 为正端，见图 3－6（b）。


　　汽油的主要成分之一是辛烷（C8H18），它由于结构的对称而是非极性分 子，乙醇（C2H5OH）分子一端是极性很小的烷基（C2H5－），另一端是极性较 大的羟基（－OH），它是极性分子。汽油和水不相溶就是因为它们分子极性 差别所致，而乙醇和水的互溶性正是因为它们有极性相似的－OH 基团。
　　价键理论、杂化轨道等共价键概念确实解释了许多化学现象而获得公 认，但也还有不少现象无法解释，因此随后又有价层电子互斥理论、分子轨 道理论、晶体场理论等多种学说的发展和应用，因涉及较深的数学和物理知 识，本书不再介绍。总之，人类对事物内在本质的认识就是这样逐步深入的， 永无止境。
　　
3.3 共价键的键能


　　化学键是两个相邻原子间的强烈相互作用力，要断开化学键，需要吸收 能量，而生成化学键时，则将释放能量，这种能量用键能表示。现行化学键 键能的定义是：在 298K（25℃）和 100kPa 条件下，气态分子断开 1mol 化学键所需的能量叫键能。不同的原子形成不同的化学键，它们的结合力 不同，也就是键能不同。表 3－2 列举一些常见共价键的键能数据，它们的能 量单位用 kJ·mol-1 表示，都是 102 数量级的。
键能数据不是直接测定的实验值，而是根据大量实验数据综合所得的一
种平均近似值。如在 H2O 分子中有 2 个 O－H 键，要断开第 1 个 O－H 键所需
能量为 502kJ·mol-1，而断开第 2 个 O－H 键只需 426kJ·mol-1，表中所列 O
－H 键的键能为 465kJ·mol-1，这是根据多种化合物的 O－H 键的断键能量选 定的。
化学变化过程的实质是原子外层电子的重排，或者说是化学键的改组。
化学变化的热效应就来源于化学键改组时的键能变化。例如天然气的主要
成 分 甲 烷 （ CH4 ） 燃 烧 生 成 CO2 和 H2O ：
表 3 － 2 常见共价键的键能 （ 298K ， 100kPa ）
键能
?1
kJ * mol H F Cl Br I O S N P C Si 单键 H 436
F 565 155
Cl 431 252 243
Br 368 239 218 193
I 297 — 209 180 151
O 465 184 205 — 201 138
S 364 340 272 214 — — 264
N 389 272 201 243 201 201 247 159
P 318 490 318 272 214 352 289 293 264 331
C 415 486 327 276 239 343 289 293 264 331
Si 320 540 360 289 214 368 226 — 214 281 197 双键 C=C 620 C=N 615 C=O 798 C=S 578
O=O 498 N=N 419 S=O 420 S=S 423 叁键 C ≡ C 812 N ≡ N 945 C ≡ N 879 C ≡ O 1072

CH 4 ? 2O 2 ? CO2 ? 2 H 2 O
可用结构简式表明上述反应的化学键改组情况，并参考表 3－2 数据注明 各物质的键能：







由此可见，当 1mol CH4 燃烧时，反应物断键共需吸收的能量为

1660kJ+996kJ=2656kJ ， 而 生 成 物 成 键 共 释 放 能 量 为
1596kJ+1860kJ=3456kJ。即随着 1mol CH4 气体燃烧时，从键能估算，肯定是
一个放热反应，可获得的化学能约为（3456－2656）kJ=800kJ。这是一个大 约值，因为键能本来就是近似平均值，并且按照定义，它只适用于指定在 298K
和 100kPa 条件以及反应物和生成物都处于气体状态的情况。实验直接测定
1mol CH4 完全燃烧时可以放热 800 多千焦。同理可知，辛烷（C8H18，汽油的
主要成分）、氢气等在燃烧时释放的热量也都很高。 科学家们认为“氢能”将是未来的理想能源，地球表面的 70％为水覆盖，
所以 H2O 是丰富的天然资源。若能由 H2O 制得 H2，它的燃烧产物又是 H2O，这
样 H2O→H2→H2O 的循环过程既无污染又可再生，氢气的热值又相当高（见表
3－3），所以氢能是很理想的优质能源，问题在于寻找合理的、成本低廉的 制备 H2 的方法。从理论上说分解1mol H 2O所需的能量等于由1mol H 2 和1/2mol
O2 生成 1mol H2O 所放出的能量（245kJ）。由键能数据可知分解 1mol H2O 需 要吸收的能量约为 245kJ，反之 H2 和 O2 起反应生成 1mol H2O 时，则可放热
约 245kJ。
表 3 － 3 几种燃料的热值比较
燃料 主要成分 化学反应 热值/kJ · g-1 天然气
液化气
汽油
煤
氢能 CH4
C4H10
C8H18

C
H2 CH4+2O2=CO2+2H2O
2C4H10+13O2=8CO2+10H2O
2C8H18+25O2=16CO2+18H2O
C+O2=CO2
1
H 2 ? O 2 ? H 2 O
2 56

50

48

33

123





H 2 O ?

H ? O ? H ?


H 2

H ? H

1
? O
2 2
1
? O ? O
2

断开2mol H ? O键 生成1 mol H ? H
需吸收的能量为 放出能量为436kJ

2 ? 465kJ ? 930kJ

生成0.5 mol O ? O
键放出能量为0.5 ?

498kJ ? 249 kJ



氢能的利用，首先要有足够的能量打开 H－O 键。例如利用电能进行水的
电解是可以获得 H2 气体，制备 1m3 的 H2 约需耗电 4.0～4.5kW。电能本身就是
高效、清洁的能源，消耗电力获得氢能似乎是得不偿失，何况 H2 的储藏和运
输都比电力困难得多，这种方法没有实际应用价值。又如利用化学能使 H2O
分解的水煤气法，在高温下 C 作还原剂，它可以和 H2O 起反应生成 CO 和 H2：
C+H2O=CO+H2
这也是一个吸热反应，所得产物 CO 和 H2 都是可燃气体。制造水煤气虽
然耗费一定的能量，但还是值得的。煤直接作为能源的缺点是污染环境，运 输量大、热效不能充分利用，煤里其他宝贵成分白白烧掉。所以建造煤气工

厂，将煤制成煤气，煤气再作燃料是值得推广使用的方法，这是利用化学变 化获得氢能的实用方法。
　　最为理想的方法当然是利用太阳能分解水，但是水不能直接被太阳能所 分解（否则江河湖海将不堪设想），必须设计一种装置，借助一些能吸收太
阳能并能有效地将其转化为电能或能使 H2O 还原的物质来实现这个目标。目
前虽然困难重重，但光合作用的范例充分说明这个目标一定可以达到，不过 要假以时日罢了。
　　科学家们在这个领域内所做的种种努力再次证明了能量守恒和质量守恒 定律是普遍适用的基本定律。但是 20 世纪以来，有些人利用人类对能源的需 要和对能源危机的恐慌心理，违背和抛弃了科学的基本定律，在国内外不止 一次地出现了“化水为油”的闹剧。这些假发明家宣称发明了神药，只要加 几滴或几克神秘药液，普通的水就变成了可燃的油！这种违背科学的神话曾 欺骗了不少科盲。如 1916 年在美国，埃里克特在记者招待会上表演了他发明 的少量绿色液体，掺入水中可以代油发动汽车，一时成为新闻热点，有汽车 商和银行家愿出巨资作为购买专利的预订金，但最终并未买到专利，而埃里 克特却因欺骗罪被判 7 年徒刑。近十年我国也出现了“水变油”的新闻，在 社会上造成思想混乱。1995 年 3 月，41 位科技界的全国政协委员提出呼吁， 请有关领导单位组织调查“水变油”的投资情况及其对经济建设的破坏后果
（中国科学报，1995 年 8 月 4 日），这说明了这一事件的严重性。它不禁使
人们联想到当年曾风行于世界很多国家的点金术，炼丹术的历史。由此可见， 时代不会自动赋与人们以科学素养，而科学素养的普遍提高对于社会生产与 生活的正常发展都是十分重要的。

3.4 配位键和配位化合物

　　AgCl 是一种难溶于水的白色沉淀，每 100g H2O 中可以溶解 1.35×10-4g AgCl，因此常利用 Cl-与 Ag+生成 AgCl 沉淀反应去检出 Ag+或 Cl-。AgCl 既不 溶于强酸，也不溶于强碱，却易溶于氨水，这是因为 Ag+和 NH3 可以形成可溶 性的[Ag（NH3）2]+：
AgCl+2NH3·H2O [Ag(NH3)2]++Cl-+2H2O
[Ag（NH3）2]+叫银氨络离子或配离子，其中 Ag+和 NH3 用配位键相结合，
这类化合物叫配位化合物，简称配合物，也叫络合物。周期表里 d 区和 f 区 金属元素都容易形成配合物，特别是金属和有机分子形成的配位化合物，普 遍存在于各种体系中。生物化学、催化、分析化学等领域都在广泛研究各类 配位化合物的合成、结构和性质。配位化合物有何特征？配位键与共价键有 何异同？
　　配位化合物是一类比较复杂的分子间化合物，其中含有一个复杂离子， 它是一个稳定的结构单元，可以存在于晶体中，也可以存在于溶液中，可以 是正离子，也可以是负离子。例如：
CuSO4+4NH3 [Cu(NH3)4]SO4 [Cu(NH3)4]2++SO42-
3NaF+AlF3 Na3[AlF6] 3Na++[AlF6]3-
在[Cu（NH3）4]2+中的 4 个 NH3 分子位于同一平面上，以正四边形的方位
与 Cu2+结合，其中 Cu2+位于四边形的中心位置，叫中心体；NH3 分子位于四
边形的顶角，叫配位体；有 4 个 NH3 与 Cu2+相配，因此 Cu2+的配位数为 4；
整个离子叫内界，用方括号括在一起；SO42-则为外界。








Cu2+和 NH3 之间的结合力与共价键略有不同，叫配位键，现以此为例说明 配位键的本质。基态 Cu 的外层电子结构是 3d104s1，失电子成 Cu2+后为 3d9， 其中有 1 个 3d 电子被激发到 4p 轨道之后，能量相近的 1 个 3d，1 个 4s 和 2
个 4p 轨道杂化形成 4 个能量相等的 dsp2 杂化轨道，这是 4 个空轨道。













NH3 分子中 N 原子的 4 个 sp3 杂化轨道上有 3 个未成对电子，可以和 3 个
H 形成 N－H 键，此外还有一对未成键的孤对电子，它们恰好与 Cu2+的 dsp2

杂化空轨道相结合形成配位键。Cu 与 N 之间也共用了一对电子，但这对电子 是由 N 提供的，而 Cu 则提供了空轨道，我们用 N→Cu 表示，箭头指向具有空 轨道的原子，以便与共价键的短线区别。总之，一个原子有杂化空轨道，另 一个原子有孤对电子，两者可结合，借这类结合形成的化学键称为配位键。
[AlF6]3-中的情况也差不多。Al 是中心体，F-是配位体，配位数为 6，内
界带负电荷，配离子为负 3 价，外界是 3 个 Na+。[AlF6]3-为正八面体结构，
Al 位于八面体中心，6 个 F-位于八面体的顶点，这 6 个 F→Al 配位键是等长 的，其中 4 个 F-位于同一平面正四边形的顶角，另外 2 个分别位于四边形的 上方与下方，这 6 个 F-形成的八面犹如一个网兜将 Al3+装在八面体的中心。 这类化合物形象地也叫络合物，“络”字的含义就是指网络或网袋的意思。









　　d 区元素和 f 区元素有足够的 d 轨道和能量相近的 s 轨道、p 轨道进行杂 化，提供若干空轨道；多种负离子或中性分子（可以是简单的无机分子，也 可以是很复杂的的有机分子）中有未成键的孤对电子，这两类原子容易以配 位键相结合形成配位化合物。这类化合物品种繁多，结构复杂，用途广泛， 是现代无机化学的重要研究领域。
　　
3.5 金属键


　　在已知的 111 种元素中，金属占 80%以上。金属与非金属之间通过离子 键或配位键结合，非金属之间则通过共价健结合。那么金属原子之间的结合 力有何特征？例如 Mg 原子核外有 12 个电子（1s22s2sp63s2），其中最外层的
2 个 s 电子不完全属于哪一个镁原子，而能流动于整个金属晶体之中，这些 能自由流动的电子叫自由电子。自由电子和金属原子间产生没有方向性的 “胶合”作用力，称为金属键。金属单质或合金有许多共性：能导热、能 导电、富有展延性、有金属光泽等，这些性质都与金属键的特性有关。对金 属键本质的确切阐述需借助近代物理的能带理论。有关金属晶体的问题还将 在第 7 章介绍。
　　金属键、共价键、离子键是三类不同的化学键，结合力的特性不同，但 它们之间有联系，有过渡状态；既有区别，又有渗透。掌握化学键的基本知 识，有助于了解化学变化的本质和规律，以便更有效地应用。
　　
3.6 分子间作用力和氢键


　　相邻原子间的强烈作用力称为化学键，分子与分子间则有比较弱的作用 力，一般在 10kJ·mol-1 以下。共价键的键能是 102 数量级（见表 3－2）， 而离子键晶格能则是 102～103 数量级（见表 3－1）。极性分子是一种偶极子， 具有正负两极。当它们靠近到一定距离时，就有同极相斥，异极相吸的静电 引力，但这种引力比离子键的晶格能弱得多。极性分子与非极性分子之间作 用力则是由极性分子偶极电场使邻近的非极性分子发生电子云变形（或电荷 位移）而相互作用产生的，如 O2（或 N2）溶于水中，O2 和 H2O 分子间的作用 力就是这种情况。非极性分子与非极性分子之间的作用力来自电子在不停运 动瞬间总会偏于这一端或那一端而产生的瞬间静电引力。原子半径越大越容 易产生瞬间静电引力。稀有气体是单原子分子，这是典型的非极性分子，它 们的液化过程，就是靠这种瞬间静电引力。由氦（He）到氙（Xe）半径依次 递增，瞬间的静电作用力也依次递增，沸点依次升高。
氦（ He ） 氖（ Ne ） 氩（ Ar ） 氪（ Kr ） 氙（ Xe ） 沸点/℃ － 269 － 246 － 186 － 153 － 107 沸点/K 4 27 87 120 166

总之，分子间作用力是由分子之间很弱的静电引力所产生，物质的许
多物理化学性质如沸点、熔点、粘度、表面张力等都与此有关。 氢键是一种特殊的分子间作用力，其能量约在 10～30kJ·mol-1 间。F，
O， N 电负性很强，与 H 形成的共价键显较强极性，共用电子对偏于 F 或 O
或 N 这边而使其为负极，H 则为正极。当另外一个电负性强的原子接近 H 时， 就会产生静电引力。氢原子和电负性强的 X 原子形成共价键之后，又与另 外一电负性强的 Y 原子产生较弱的静电引力，这种作用力叫氢键。可以 表示为：
X－H?Y
　　如第 VIA 族氧（O）、硫（S）、硒（Se）、碲（Te）的氢化物的沸点递 变规律，由 H2Te，H2Se 到 H2S，随分子量的递减，半径递减；随分子间作用 力的减小，沸点递减。但分子量最小的 H2O 的沸点却陡然升高，见图 3－7。 这是因为氧的电负性很强，H2O 分子间形了 O－H?O 氢键，所以 H2O 分子间作
用力大于同族其他氢化物。ⅦA 和 VA 族氢化物沸点的变化规律中，HF 和 NH3
也显得特殊，这也是因为形成了 F－H?F 和 N－H?N 氢键。H2O，HF，NH3
分子间的氢键，在固态、液态都存在，它们许多特性都可以用氢键概念加以 解释。例如绝大多数物质的密度，总是固态大于液态的，但 H2O 在 0℃附近 的密度却是液态大于固态的。这是因为固态 H2O（冰）分子间存在 O－H?O 氢键，使它具有空洞结构，此时冰的密度就小于水，所以冰可浮于水面。详 见第 4 章。


用上述这些简单的无机分子为例容易说明氢键的概念，但这个概念的重 要性却体现在生命化学中。生物体内存在各式各样的氢键。氨基酸是组成蛋





可形成 C=O?H－N 氢键。DNA 双螺旋结构中也有大量氢键相连而成稳定的复 杂结构。在本书第 10 章还将提到这些问题。

复习题

1.离子键属哪类作用力？举例说明哪些元素容易形成离子化合物。
　　2.从化学手册查阅得知下列几种离子化合物的晶格能数据，请写出它们 熔点由低到高的排列顺序。
化合物 NaBr Nal SrO BaO CaO 晶格能/kJ · mol-1 747 704 3223 3401

3.共价键属哪类作用力？举例说明共价键的方向性与饱和性，这和离子
化合物密堆积中配位数的含义有何不同？
　　4.分子型共价化合物和原子型共价化合物的物理化学性能有什么显著差 别？举例说明。
5.参考表 1－7 的电负性数据，下列化合物哪些是离子化合物？哪些是共
价化合物？BaO，MgO，ZnO，NO，CsCl，CaCl2，CuCl2，AlCl3
6.H2 是清洁的高能燃料，现有哪些方法可以由 H2O 制取 H2？
7.“水变油”违背哪些科学基本原理？
8.下列几种叙述是否正确？为什么？
（1）2s 轨道可以和 3p 轨道形成 sp2 杂化轨道；
（2）烯烃中的碳碳双键由一个σ键和一个π组成；
（3）烷烃、烯烃都能发生加成反应，因为都含σ键；
（4）利用键能数据可以估算化学变化的热效应；
（5）分子间作用力和离子键类似都是静电作用力；
（6）由极性键组成的分子，一定是极性分子。
　　9.请将下列几种配位化合物的中心体、配位体、配位数、外界、内界分 别填入空格。
中心体 配位体 配位数 内界 外界 Fe （ NCS ） Cl2
Co （ NH3 ） 6SO4
Na2Zn （ OH ） 4

10.举例说明配位键和共价键的异同。
　　11.研究超导现象经常需要用液氦，它是沸点最低的液体，试用分子间作 用说明它的沸点为什么那么低。
　　12.试比较离子键、共价键、氢键、分子间作用力等能量级的差别及作用 力的特点。
　　
第 4 章 环境与环境污染


　　人类赖以生存的环境由自然环境和社会环境（人工环境）组成。自然环 境是人类生活和生产所必需的自然条件和自然资源的总称，即阳光、温度、 气候、地磁、空气、水、岩石、土壤、动植物、微生物以及地壳的稳定性等 自然因素的总和。而社会环境是人类在自然环境的基础上，为不断提高物质 和精神生活水平，通过长期有计划、有目的地发展，逐步创造和建立起来的 一种人工环境。社会环境是人类物质文明和精神文明发展的标志，它随经济 和科学技术的发展而不断地变化。社会环境的发展既要受到自然规律，又要 受到经济规律和社会发展规律的支配和制约。显然，社会环境的质量对人类 的生活和工作，对社会的进步都影响极大。
? ? 地质环境( 矿藏、温泉、自然遗迹)
? ?
土壤环境
原生 ?
?自然环境( ) 大气环境
次生
? ? 水体环境( 海洋，湖泊，河流等)
?
? ? 生物环境( 森林，草原，野生动植物等)
?

?
人类环境?
? ? ?
? 社会环境

?生产环境( 工业，农业等)
?
?交通环境( 机场，港口，公路，铁路等)
?商业环境( 商业区等)
?
?聚落环境( 院落，村落，城市等)

?( 人工环境) ?
? ?文教环境( 文教区等)
? ?卫生环境( 医院，疗养区等)
? ?
? ?旅游环境( 文物古迹，风景名胜等)
　　以人为中心的环境既是人类生存与发展的终极物质来源，又同时承受着 人类活动产生的废弃物的各种作用。人们通常所说的环境问题主要是指由于 人类不合理地开发、利用自然资源而造成的生态环境的破坏，以及工农业生 产发展和人类生活所造成的环境污染。
本章重点介绍自然环境生态系统的基本知识以及主要的环境污染现象和
其对人体健康的危害。

4.1 环境与生态平衡


　　植物、动物、微生物等各种生物群落组成了生物环境。空气、水、土壤 等则是生物赖以生存的环境，也叫自然环境、非生物环境。生物群落和其生 存环境之间以及生物群落内不同种群生物之间不停地进行物质交换和能量交 换，构成了多种多样的生态系统。例如，一片森林，一带沙漠，一片海洋， 一个村落，一座城市都可视为一个生态系统。它的主要功能是不断进行物质 循环和能量交换。生态系统的群落可以分为：生产者、消费者和分解者。
? ? ?绿色植物
? ?生产者?
? ? ?光合细菌等其他自养生物
? ? ?初级消费者: 草食动物

? 生物成分

?消费者 ?

?( 生物环境) ? ( 动物) ?次级消费者: 肉食动物

生 ? ?
态 ? ?

?
?三级消费者: 大型肉食动物

? ?分解者 微生物, 小型动物
系 ? ?
统 ? ??
? ? 温度, 阳光
?
? 非生物成分 ? 土壤
? ( 自然环境) ? 水, 二氧化碳, 氧气

? ?
?? ??


有机物等

　　生产者 主要指吸收、利用太阳能后通过光合作用合成有机物的绿色植 物。由生产者固定的太阳能和合成的有机物是生态系统能量流动和物质循环 的基础。这一类也称为自养生物。
消费者 指依赖于生产者（绿色植物）而生存的异养生物。按营养方式
的不同可分为两类：初级消费者－－直接以植物为食的食草动物；次级消费 者－－以草食动物为食的肉食动物。还可以有三级消费者等，后者均以前者 为食。依次类推，就使来源于植物中的食物能量通过一系列有机体进行传递 和转移。生物与生物之间通过吃与被吃的食物关系形成一条一环扣一环的链 条，称为“食物链”。如在草原生态系统中，昆虫吃牧草，蛙吃昆虫，蛇吃 蛙，鹰吃蛇??食物链上的每一环节都叫做“营养级”。
分解者 也属于异养生物，又称小型消费者。如存在于生物圈中的微生
物（细菌、真菌等），它们能分解复杂的动植物尸体，并释放出为生产者所 能重新利用的简单化合物，其作用正好和生产者相反。分解者在生态系统的 循环机制中也不可缺少，若没有分解者，地球上将被动植物的遗骸所充斥， 而养分元素也被束缚于其中，就不可能进行循环了，所以分解者在生态系统 的物质循环中也有非常重要的作用。
　　非生物成分（自然环境）包括水、气、矿物质、阳光，以及各种无机物 和有机物。它们组成生物赖以生存的大气、水和土壤等环境。
　　生态系统中能量流动的渠道是食物链和食物网。生态系统内的食物链是 很复杂的。因为自然界中一种动物常常以多种生物为食，所以实际上并不存 在单纯直线式的食物链，而是各种食物链纵横交错，形成复杂的、多方向的 食物网。
能量在生态系统中沿着食物链、食物网，由一个机体转移到另一个机体

中。食物链上每一营养级都将从前面一个营养级获得的能量中的一部分，用 于维持自己的生存和繁殖，然后将剩余的部分传递到下一营养级。人类则处 于食物链的终端。
　　生态系统最初的能量来自太阳，由绿色植物（生产者）的光合作用所吸 收并转化为化学能而储存于物质之中。消费者以食物的形式接受了生产者传 递来的糖类和其中蕴藏的能量，用以构成本身机体的物质和自身活动的能 源。最后分解者又将累积于消费者体内的物质回送到环境中。生态系统中的 这种物质循环是自然界最重要的物质循环，推动这个循环的总能量就是太阳 能。生态系统中能量的流动和物质的循环是同时进行的。物质作为能量的载 体，使能量沿着食物链而逐步转移，成为能流；而能量作为动力，促使物质 的循环。两者相互依存而不可分割，共同体现了生态系统的整体功能。
　　生态系统发展到一定阶段，它的生物种类的组成，各个种群的数量比率 及能量和物质的输入、输出等，都处于相对稳定状态，这种状态称为生态平 衡，这是一种动态平衡。生态系统能自动调节并维持自身稳定结构和正常功 能，但自动调节能力是有一定的限度，当超过这个限度，就会破坏生态平衡， 造成生态失调。
　　破坏生态平衡的因素有自然因素也有人为因素。自然因素主要指火山爆 发、地震、台风、旱涝灾等自然灾害，它们对生态系统的破坏很严重，地域 常有一定的局限性，且出现的频率一般不高。而人为因素是指人类生产和生 活活动引起的对生态平衡的破坏，这是大量的、长期的、甚至是多方面的。 这种人为因素会使环境质量不断恶化，从而干扰了人类的正常生活，对人体 键康产生直接或间接，甚至是潜在的不利影响，这就称为环境污染。
造成环境污染的人为因素主要可分为物理的（噪声、振动、热、光、辐
射及放射性等）、生物的（如微生物、寄生虫等）和化学的（有毒的无机物 和有机物）三个方面。其中化学污染物的数量大、来源广、种类多、性质互 异，它们在环境中存在的时间和空间位置又各不相同，污染物彼此之间或污 染物与其他环境因素之间也还有相互作用和迁移转化等。造成环境污染的具 体来源，既与工农业生产、能源利用和交通运输有关，又与都市的恶性膨胀、 大规模开采自然资源和盲目地大面积改造自然环境等有关。
人口膨胀和盲目发展已成为威胁人类生存和发展的两大问题。人类赖以
生存的地球，虽然环境资源很丰富，环境容量也很大，但毕竟是有限度的。 盲目增加人口、盲目发展生产和消费，必将导致有限资源的短缺和枯竭，加 剧环境的污染和恶化，削弱人类未来生存条件的基础，损害环境质量和生活 质量，造成生态系统的恶性循环。因此，每一位中国公民都要树立“人口意 识”与“环境意识”，自觉地把计划生育、保护和建设环境作为发展经济、 繁荣祖国应尽的义务，自觉克服和扼制那些只讲一时的经济效益，而忽视生 态效益和社会效益的不良倾向。

4.2 自然环境中化学物质的循环


自然环境可分为四个圈层：生物圈、大气圈、水圈和岩石圈，总称生态 圈，这是经过漫长的演化而形成的。各圈层之间有着复杂的物质交换和能量 交换，如图 4－1 所示。
















图 4－1 生物圈、水圈、大气圈和岩石圈中的无机物交换示意图 根据放射性同位素方法推算，地球的年龄约为 46 亿年，自然环境发展历
史可划分为地球的形成、生物的形成和人类的出现三个阶段。
　　地球的形成 地壳内部大量放射性元素的裂变和衰变所释放出的能量 的积聚和迸发，陨星对地表的频繁撞击等，导致了地球火山的强烈活动，使 地球温度升高到出现局部熔融，重元素沉入地心，轻物质浮升到地表，逐渐 形成地壳（岩石圈）、地幔和地核等层次。与此同时，被禁锢在地球内部的
气体不断迸发出来，形成原始大气圈，其主要成分为 H2O，CO，CO2，CH4 和 N2
等。当时不含有氧气，这是一个还原性大气圈。水气凝结后在低凹处汇聚成 海洋（水圈），地表水呈酸性。上述过程历时约 10～15 亿年。显然，早期地 表环境的显著特征是缺氧，也没有臭氧层，太阳辐射中的高能紫外线可直接 射到地面上。
生物的形成 在太阳能和地热能的作用下，简单无机化合物和甲烷等化
合形成了简单有机化合物（如氨基酸、单糖等），并逐步演化为生物大分子
（如蛋白质、多糖等），为生命的产生创造了条件。大气中 O2 的积累主要是
依赖于生物的光合作用。原始海洋中的蛋白质、氨基酸首先形成无氧呼吸的 细菌（原生物），并逐步演化为含有叶绿素的藻类，在水体中进行光合作用 放出游离氧。经历了 20 多亿年的进化，终于在 6 亿年前出现了海洋的生物群，
4 亿年前形成了水陆生物和藻类的生命系统，逐渐形成了生物圈。游离氧的 出现促进了生命的进化，并使地球在 4 亿年前出现了能屏蔽太阳强烈紫外线 辐射的臭氧层，保护了陆地植物的生长。陆地植物的生长和微生物的作用， 产生了土壤层。土壤是岩石与植物相互作用下的产物。土壤层的形成，又使 易于流失的养分在地表上富集起来，从而促使陆地植物更加繁盛，保证了生 物圈的发展与繁荣。
　　人类的出现 人类出现距工业革命约 300 万年。在这 300 万年中人类活 动对环境的化学演化的影响并不明显。而工业革命至今不过 200 年，特别是 近几十年，自然资源和能源的开发速度和规模都是惊人的，不仅将地下矿藏 大量移至地表，把本来固定在岩石中的元素变成了可进入生态环境和人体的
　　
形态，而且将大量的工业废物排入大气、水体和土壤环境中，大大加速了化 学物质在自然环境中的迁移，而且迅速改变了各圈层中化学物质的组成和数 量。更值得注意的是人口剧增对环境造成的冲击。人类为了自身的需要，不 断地向大自然索取，并对与环境的协调长期失去控制，从而引发了近年来倍 受关注的环境问题。
　　人类和其他生物生存的生物圈是在大气圈、水圈和岩石圈的交汇处。生 态系统的物质循环就是自然界的各种化学元素，通过被植物吸收而从环境进 入生物界，并随着生物之间的营养关系而流转，又通过排泄物和尸体的降解 再回到环境中去。如此周而复始，循环不息。
　　生态系统中各种元素的循环是非常复杂的，现仅就其最主要的水、氮、 氧、碳的循环作简要叙述。