浓度、压强、温度对化学平衡的影响可以概括成一个原理来表示,这就是勒夏特列原理(或称平衡移动原理)。如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、压强或温度等),平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。
下面把浓度、压强、温度、催化剂等条件对化学反应速率和化学平衡的影响列表加以比较。
(四)合成氨条件的选择
N2+3H22NH3
这是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应,选择适宜条件,可以加快反应速率,提高氨的产率。在实际生产中一般采用压强20~50MPa、温度500℃左右,使用以铁为主体的多成分催化剂(又称铁触媒)。为什么要采用这些条件呢?在工业生产中,要想提高生产效率,就要综合考虑反应速率、转化率、生产成本等多种因素。对这个反应,增大压强有利于提高转化率,但由于压强增大,不仅需要的动力增大,而且对设备的要求也高,生产成本会增大,因此增大压强是受到限制的。由于温度太低,达到平衡所需要的时间就很长,所以温度不宜太低而且要相当高。加入铁触媒,可以大大缩短达到平衡所需要的时间(选择500℃左右,也因为工业用的催化剂在这个温度活性最大)。在生产中,还常常采用以下措施:①把生成的氨及时从平衡混合物中分离出去;②采用循环操作的方法,不断地向循环气中补充氮气、氢气。
第五节 溶液
物质以分子或离子形态均匀地分散到另一种物质中的过程叫做溶解。例如把一些氯化钠洒在一杯水中,过一会儿,就看不见食盐了,这时我们就说氯化钠溶解在水里了。
溶液。一种或一种以上的物质分散到另一种物质里,形成均一的、稳定的混合物叫做溶液。上例中氯化钠溶解在水里就形成氯化钠溶液。溶液各部分的成分、性质都是一样的,这就是它的均一性。条件不变化(水分不蒸发、温度不改变)时,无论放置多长时间,都能够稳定地存在。
溶剂。能溶解其他物质的物质叫做溶剂。溶剂一般是液体。如水是一种最常见的溶剂,上例的氯化钠溶液就是以水为溶剂的。除水以外,还有许多其他物质,如汽油、酒精、四氯化碳等都可以作为溶剂。如果不特殊指明,一般所说的溶液就是指水溶液。
溶质。被溶解在溶剂中的物质叫做溶质。溶质可以是固体、液体、气体。固体、气体溶解于液体时,固体、气体是溶质,液体是溶剂。两种液体互相溶解时,溶质和溶剂是相对而言的,通常把量多的一种叫做溶剂,量少的一种叫做溶质。但当溶液中有水存在时,不论水的量有多少,习惯上都把水看作溶剂。
在生产和实验中,最常用的是水溶液,所以我们主要复习水溶液的有关知识。
(一)饱和溶液和不饱和溶液
在一定温度下,一定量的溶剂里不能再溶解某种溶质的溶液,叫做这种溶质的饱和溶液;还能继续溶解某种溶质的溶液叫做这种溶质的不饱和溶液。
饱和溶液和不饱和溶液在条件改变时,可以互相转变。例如,增加溶剂的量或改变温度,可以使饱和溶液变成不饱和溶液。
(二)溶解度
一种物质溶解在另一种物质里的能力叫做溶解性。溶解性的大小跟溶质和溶剂的性质有关。例如,氯化钠很容易溶解在水里,却不容易溶解在汽油里;油脂很难溶解在水里,但很容易溶解在汽油里。
通常用溶解度来定量地表示物质的溶解性。
1.固体的溶解度
在一定温度下,某种物质在100g溶剂里达到饱和时所溶解的质量,叫做这种物质在这种溶剂里的溶解度。如果没有指明溶剂,通常所说的溶解度就是物质在水里的溶解度。
例如,在20℃时,100g水里最多能溶解36g氯化钠,因此在20℃时氯化钠的溶解度是36g。又如,在20℃时,氯酸钾的溶解度是7.4g,这说明在20℃时,100g水里最多能溶解7.4g氯酸钾。
大部分固态物质的溶解度随温度的升高而增大,如氯化铵、硝酸钾等;少数物质的溶解度受温度影响很小,如氯化钠;极少数物质的溶解度随温度的升高而减小,如熟石灰。
根据物质在水里溶解度的不同,通常把它们分成易溶、可溶、微溶、难溶几类。绝对不溶于水的物质是没有的,但是习惯上把“难溶”称为“不溶”。
2.气体的溶解度
气体的溶解度通常指的是该气体(压强为101kPa)在一定温度下溶解在1体积水里达到饱和状态时的气体体积。如果是非标准状况时的气体体积就要换算成标准状况时的体积。
例如在0℃时,1体积水里可以溶解0.049体积的氧气,氧气在0℃时的溶解度就是0.049。又如氧气在20℃时的溶解度是0.031,说明在20℃时1体积水里能够溶解的氧气体积为0.031。
气体的溶解度随温度的升高而减小,例如给冷水加热时,随着温度的升高,原来溶解在水里的空气,在沸腾以前,就有一部分形成气泡冒出。
压强对气体的溶解度影响较大,压强增大,气体的溶解度也增大,压强减小,气体的溶解度也减小。例如,制汽水时,给二氧化碳气体加压,它在水里的溶解度就增大;打开汽水瓶盖时,压强减小,溶解度也减小,溶解在水里的二氧化碳气体就逸出来。
(三)结晶、结晶水合物
1.结晶
溶质从溶液中析出形成晶体的过程叫做结晶。结晶是溶解的逆过程。用降低饱和溶液温度或蒸发溶剂的方法,都可以使溶质从溶液中结晶出来。例如,把热的硫酸铜饱和溶液冷却,可以得到硫酸铜晶体。又如,把海水引到盐滩上,利用日光和风力使水分蒸发,就得到食盐晶体。
2.结晶水合物
许多物质在水溶液里析出形成晶体时,晶体里常常结合一定数目的水分子,这样的水分子叫做结晶水。含有结晶水的物质叫做结晶水合物。
结晶水合物很多,像胆矾(或叫蓝矾CuSO4·5H2O)、石膏(CaSO4·2H2O)、绿矾(FeSO4·7H2O)、明矾(KAl(SO4)2·12H2O)等。有的晶体不含结晶水,像食盐、硝酸钾等晶体里通常就不含结晶水。
把研碎的蓝色硫酸铜晶体慢慢加热,可以看到蓝色的晶体变成白色粉末,同时放出水蒸气。
在白色硫酸铜粉末上滴加几滴水,白色硫酸铜粉末又变成含有结晶水的蓝色晶体:
CuSO4+5H2OCuSO4·5H2O
上面的现象说明,结晶水合物受热时容易失去结晶水,再遇到水时又可以生成结晶水合物。
3.风化和潮解
有的结晶水合物比较稳定,有的不太稳定。在室温和干燥的空气中,结晶水合物失去一部分或全部结晶水的现象叫做风化。如食用碱块(Na2CO3·10H2O)是无色晶体,把它放在干燥空气中,会逐渐失去结晶水而成为白色粉末。
有些晶体能够吸收空气中的水蒸气在晶体表面逐渐形成溶液,这个现象叫做潮解。
在空气中氯化镁容易潮解,所以含有氯化镁杂质的食盐易吸收空气中的水蒸气,表面变潮湿。
第六节 有机化合物概述
一、有机化合物的特点
有机化合物简称有机物。组成有机化合物的元素是以碳和氢为主,许多有机化合物分子中也常含有氧、氮、硫或卤素等其他元素,所以也常称有机化合物为“碳氢化合物及其衍生物”。有机物与无机物在组成、结构、性质上都有很大的差异。
二、有机化合物的分类
根据分子中组成元素的不同,可以把有机物分为烃(含C、H的化合物)和烃的衍生物(含C、H、O、卤素、N等元素的化合物)。根据分子的结构和官能团的差别,又可把有机物分为烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃、卤代烃、醇、醛、羧酸、酯等(见图1.6)。
三、有机化学中的一些基本概念和术语
(一)烃基
烃基是烃分子失去1个氢原子后所剩余的部分,常用“R-”表示。从不同的烃类可得到不同类型的烃基,如甲烷基(CH3-,简称甲基)、乙烯基(CH2CH-)和苯基-。
(二)同系物和同系列
结构相似,在分子组成上相差1个或若干个CH2原子团的物质互相称为同系物。
例如甲烷、乙烷、丙烷等互为同系物。
各同系物化学性质相似,物理性质随着分子里碳原子的递增,发生规律性的变化。
(三)烃的衍生物和官能团
烃分子里的氢原子被其他原子或原子团所取代,生成一系列新的有机化合物。这些有机化合物,从结构上说都可以看作是由烃演变而来的,所以叫做烃的衍生物。如乙烷分子里的氢原子被羟基所取代而生成乙醇等。
烃的衍生物中取代氢原子的原子或原子团对衍生物的性质起着决定性的作用,这种决定衍生物的化学特性的原子或原子团就叫做官能团(又名功能团)。羟基(-OH)、醛基(-CHO)、羧基(-COOH)等都是官能团,碳碳双键和碳碳三键也分别是烯烃和炔烃的官能团。
(三)同分异构体和同分异构现象
化合物具有相同的分子式,但具有不同结构的现象,叫做同分异构现象。具有同分异构现象的化合物互称为同分异构体。如正丁烷和异丁烷就是丁烷的两种同分异构体。
四、链烷烃的命名
在各类有机物的命名中,烷烃的命名是基础,应重点掌握。