无机化学(程利平)

《无机化学》是中职-本科贯通教育实践系列的一个分册，是为中本贯通教育编写的一部教材。内容充分注意与中职教材的衔接及与本科后续课程的联系，具有选材适当、系统性好、深浅适中、逻辑性强等优点。同时本书还着意拓宽视野、突出应用、渗透工程意识和培养学生的自学能力。全书内容共分10章，包括化学热力学初步，化学反应进行的方向、速率以及化学平衡，溶液中的化学，电化学基础与应用，原子结构和元素周期系，分子结构与性质，晶体结构与性质，配合物的结构与性质，主族元素，过渡金属等无机化学知识。每章后还附有知识性、前沿性、趣味性的“新视野”阅读材料。《无机化学》除作为中本贯通教育使用外，也可作为高等学校化学、化工类及相关专业（环境、材料、轻工、生态、冶金、地质、纺织等）的无机化学课程教材，亦可供相关科研、工程技术人员参考使用。

程利平，上海应用技术学院化学与环境学院，教研室主任， 副教授，主要教育经历1994.9-1998.7 在河南师范大学化学系攻读化学学士学位 1998.9-2001.3 在昆明理工大学冶金系攻读冶金物理化学硕士学位 2001.3-2004.3 在北京理工大学理学院攻读应用化学博士学位 主要教学、科学研究、实践经历2004.7-至今 在上海应用技术学院化学与环境工程学院任教本人现任上海应用技术学院无机化学教研室主任一职，一直工作在教学工作的第 一线，从事《无机化学》理论及实验课程教学工作10余年，具有丰富的理论及实践教学经验。2014年荣获中国教育学会教育科研优 秀成果壹等奖。任现职以来本人所领衔的教学团队已进行过多门课程的课程建设，包括无机化学、工程化学、普通化学、无机化学实验等课程。编写了《工科无机化学》、《无机化学实验》、《无机化学学习指导》等一系列教材，其中《工程化学》获得了中国石油和化学工业联合会优 秀教材二等奖。本人作为第 一责任人共主持了5项教学研究项目，其中三项已顺利结题，另有2项在研。科研方面，本人在出色地完成教书育人工作的同时，一直奋战在科研工作的第 一线，并取得了丰富的科研成果。承担项目方面，任现职以来作为第 一责任人共主持了4项科研项目：1项上海自然科学基金项目 “靶向于流感病毒神经氨酸酶新位点的抑制剂设计及其合成反应路径的研究（项目编号：15ZR1440400)”目前在研；2项上海市*科研创新项目和1项上海市*优 秀青年教师专项基金项目已顺利结题；作为主要研究人员完成了上海市科委重大项目“偕二氟取代他汀类药物类似物的合成及活性研究（项目编号：10540501300）”的研究工作；目前正作为主要研究人员承担国家自然基金面上项目“新型氟代HMG-CoA还原酶抑制剂的设计与合成” （项目编号：21172148）和“偕二氟取代Combretastatins衍生物的设计与合成”（项目编号：21472126）子项目的研究工作。论文发表方面，在国内外重要期刊上已发表论文30余篇。

第1章 化学热力学初步1

1.1化学中的计量1

1.1.1原子量和分子量1

1.1.2物质的量及其单位1

1.1.3物质的量相关计算2

1.1.4气体的计量3

1.2热力学基本概念及术语5

1.2.1系统与环境6

1.2.2状态与状态函数6

1.2.3热力学能7

1.2.4热与功7

1.2.5热力学定律8

1.3热力学8

1.3.1化学反应热与焓变8

1.3.2化学反应热的计算10

1.3.3标准摩尔生成焓和标准摩尔焓变11

新视野类永动机13

习题14

第2章 化学反应进行的方向、速率以及化学平衡16

2.1化学反应进行的方向16

2.1.1化学反应自发性的判断16

2.1.2吉布斯自由能变与化学反应的方向18

2.2化学反应速率20

2.2.1反应速率的表示方法21

2.2.2反应速率理论22

2.3影响反应速率的因素24

2.3.1反应物浓度与反应速率的关系24

2.3.2反应速率与温度的关系25

2.3.3催化剂与反应速率的关系26

2.4化学平衡28

2.4.1可逆反应和化学平衡28

2.4.2化学平衡常数29

2.4.3多重平衡规则31

2.4.4标准平衡常数与标准摩尔自由能变的关系31

2.4.5有关化学平衡的计算33

2.5化学平衡的移动34

2.5.1浓度对化学平衡的影响35

2.5.2压力对化学平衡的影响36

2.5.3温度对化学平衡的影响38

2.5.4催化剂和化学平衡39

2.5.5平衡移动原理——勒夏特列原理39

2.5.6如何选择合理生产条件的一般原则39

新视野照相术中的化学反应40

习题40

第3章 溶液中的化学42

3.1电解质的分类和酸碱的定义43

3.1.1电解质的分类43

3.1.2酸碱的定义44

3.2水的解离和溶液的pH值46

3.2.1水的解离与离子积常数46

3.2.2溶液的酸碱性和pH值47

3.2.3酸碱指示剂47

3.2.4关于pH值的计算48

3.3一元弱酸、弱碱的解离平衡49

3.3.1一元弱酸、弱碱解离平衡的建立49

3.3.2解离常数和弱酸、弱碱的相对强弱50

3.3.3一元弱酸、弱碱溶液中有关离子浓度的计算50

3.3.4解离度51

3.3.5解离度与解离常数以及弱电解质浓度的关系51

3.3.6多元弱酸的解离52

3.4同离子效应53

3.5缓冲溶液54

3.5.1缓冲溶液的概念54

3.5.2缓冲作用的原理56

3.5.3缓冲溶液pH值的计算56

3.5.4缓冲溶液的选择和配制57

3.5.5缓冲溶液的应用58

3.6盐类的水解58

3.6.1各类盐的水解58

3.6.2影响水解平衡的因素61

3.7沉淀溶解平衡与溶度积62

3.7.1溶度积62

3.7.2溶度积和溶解度62

3.8溶度积规律及其应用64

3.8.1溶度积规则64

3.8.2分步沉淀65

3.9沉淀的溶解和转化68

3.9.1沉淀的溶解68

3.9.2沉淀的转化70

新视野生成硫化物沉淀使金属离子分离的方法简介70

习题72

第4章 电化学基础与应用74

4.1原电池与电极电势74

4.1.1原电池74

4.1.2电极电势76

4.2电极电势的应用78

4.2.1能斯特方程式78

4.2.2浓度对电极电势的影响79

4.2.3电极电势的应用81

4.3*化学电源83

4.3.1一次电池83

4.3.2二次电池84

4.3.3燃料电池85

4.3.4绿色电池85

4.4*电解技术86

4.4.1电解原理86

4.4.2电解电压87

4.4.3电解产物88

4.4.4电解食盐水89

4.4.5电化学技术89

4.5金属的腐蚀与防护91

4.5.1电化学腐蚀91

4.5.2金属防腐技术92

新视野染料敏化太阳能电池95

习题96

第5章 原子结构和元素周期系98

5.1原子结构理论发展简介98

5.1.1早期的原子结构模型98

5.1.2玻尔理论及其原子结构模型98

5.1.3原子结构的量子力学模型99

5.2核外电子的运动状态描述102

5.2.1波函数102

5.2.2电子云102

5.2.3四个量子数104

5.3核外电子的排布及元素周期系106

5.3.1多电子原子的能级106

5.3.2核外电子排布原则107

5.3.3核外电子的排布108

5.3.4原子的电子层结构和元素周期系110

5.4元素基本性质的周期性111

5.4.1原子半径111

5.4.2电离能112

5.4.3电子亲和能113

5.4.4电负性113

5.4.5金属性和非金属性114

新视野微观物质的深层次剖视115

习题116

第6章 分子结构与性质118

6.1路易斯(Lewis)共价键理论118

6.2价键理论119

6.2.1现代共价键理论119

6.2.2共价键的形成119

6.2.3价键理论要点119

6.2.4共价键的特征120

6.2.5共价键的类型120

6.2.6几个重要的键参数122

6.3杂化轨道理论与分子的几何构型123

6.3.1价键理论的局限性123

6.3.2杂化轨道理论的要点124

6.3.3杂化类型与分子几何构型124

6.4分子轨道理论126

6.4.1分子轨道理论的基本观点126

6.4.2形成分子轨道的线性组合三原则127

6.4.3分子轨道的能级128

6.4.4分子轨道中电子填充的原理129

6.4.5分子轨道理论的应用实例129

6.5分子间作用力和氢键130

6.5.1分子的极性和变形性130

6.5.2分子间作用力131

6.5.3分子间作用力与物理性质的关系133

6.5.4氢键134

新视野超分子化学135

习题136

第7章 晶体结构与性质137

7.1晶体的概念137

7.1.1晶体的特性137

7.1.2晶格和晶胞137

7.1.3晶体的基本类型138

7.2离子键、离子晶体138

7.2.1离子键138

7.2.2离子晶体140

7.3原子晶体和分子晶体141

7.3.1原子晶体141

7.3.2分子晶体141

7.4金属键、金属晶体142

7.4.1金属键理论142

7.4.2键型过渡143

7.4.3金属晶体143

7.5混合型晶体144

新视野软物质144

习题146

第8章 配合物的结构和性质148

8.1配合物的基本概念148

8.1.1配合物的组成148

8.1.2配合物的化学式及命名151

8.2配合物的化学键理论152

8.2.1价键理论152

8.2.2判断配合物的空间构型152

8.2.3配合物中配位键的类型155

8.2.4配合物的稳定性、磁性与键型关系156

8.3配合物在水溶液中的稳定性157

8.3.1配位-解离平衡及其平衡常数158

8.3.2配离子稳定常数的应用159

8.4配合物的类型162

8.4.1简单配合物162

8.4.2螯合物162

8.4.3单核配合物和多核配合物164

8.5配合物的应用164

8.5.1分析化学方面164

8.5.2工业生产方面165

8.5.3生物医药方面165

新视野21世纪配位化学在现代化学中的地位166

习题167

第9章 主族元素169

9.1元素概述169

9.1.1地壳中元素的分布和存在类型169

9.1.2元素资源的存在形式及利用169

9.2主族金属(一)——碱金属和碱土金属170

9.2.1碱金属和碱土金属的通性170

9.2.2碱金属和碱土金属的化学性质171

9.2.3单质制备的一般方法172

9.2.4碱金属和碱土金属的氧化物172

9.2.5氢氧化物174

9.2.6碱金属和碱土金属的盐类175

9.3主族金属元素(二)——铝、锡、铅、砷、锑、铋177

9.3.1铝及其重要化合物177

9.3.2锡、铅及其重要化合物179

9.3.3砷、锑、铋及其化合物182

9.4主族非金属元素(一)——卤素184

9.4.1卤素的通性184

9.4.2卤素单质185

9.4.3卤素的氢化物189

9.5主族非金属元素（二）——氧、硫198

9.5.1氧族元素的基本性质198

9.5.2氧及其化合物199

9.5.3硫及其化合物201

9.6主族非金属元素（三）——氮、磷210

9.6.1氮的化合物211

9.6.2磷及其化合物218

9.7主族非金属元素（四）——碳、硅、硼及其化合物223

9.7.1碳及其化合物223

9.7.2硅的化合物227

9.7.3硼的化合物229

新视野石墨烯231

习题232

第10章 过渡金属235

10.1过渡金属元素概述235

10.1.1过渡金属元素的定义及在周期表中的位置235

10.1.2过渡金属元素在自然界中的分布235

10.1.3过渡金属元素的电子层结构及其原子半径236

10.1.4过渡金属元素的氧化态及电离能的变化236

10.1.5过渡金属元素单质及其化合物的物理性质238

10.1.6过渡金属及其化合物的化学性质240

10.1.7过渡金属元素的生物效应242

10.2钛(Ti)242

10.2.1金属钛的性质242

10.2.2钛(Ⅳ)的化合物243

10.2.3钛(Ⅲ)的化合物244

10.3铬(Cr)245

10.3.1金属铬的制取245

10.3.2金属铬的性质及用途245

10.3.3铬(Ⅲ)的化合物246

10.3.4铬(Ⅵ)的化合物247

10.3.5铬(Ⅲ)与铬(Ⅵ)之间的相互转化249

10.3.6含铬废水的处理249

10.4锰(Mn)250

10.4.1金属锰的制备250

10.4.2金属锰的物理、化学性质及其应用250

10.4.3Mn(Ⅱ)的化合物251

10.4.4Mn(Ⅳ)的化合物252

10.4.5Mn(Ⅵ)的化合物和Mn(Ⅶ)的化合物253

10.5铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)254

10.5.1铁、钴、镍的性质与用途255

10.5.2铁、钴、镍化合物的氧化还原性质255

10.5.3铁、钴、镍盐的水解性256

10.5.4铁、钴、镍的重要化合物257

10.5.5重要的铁、钴、镍配合物261

10.6铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)264

10.6.1金属铜、银、金的性质及其应用264

10.6.2金属铜、银、金的冶炼265

10.6.3铜、银、金的重要化合物266

10.7锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)272

10.7.1金属锌、镉、汞的性质及其应用272

10.7.2锌、镉、汞的重要化合物274

新视野铂和钯277

习题278

附录281

附录1标准热力学数据(298.15K, 100kPa)281

附录2弱酸、弱碱的解离常数（298.15K）285

附录3难溶化合物的溶度积常数287

附录4标准电极电势(298.15K)288

参考文献292

元素周期表293

《无机化学》是针对于中本贯通教育本科教育阶段编写的一部教材。本教材的内容将中本贯通人才培养目标、现代教育理论的基本理念以及无机化学课程特点有机地结合起来，根据本阶段学生化学学习的特点、认知规律和心理特征以及化学知识的衔接和逻辑关系而设计。本书是根据我校无机化学教研室教师在长期的教学实践中积累的丰富教学经验并参考全国多所兄弟院校所使用的教材，尤其是基于应用技术类院校的教学经验编写而成的教材,结合当前中本贯通教育的实际情况和学生的学习基础编写而成。在编写过程中注重考虑以下几点：①在内容的选材方面，首先力求符合工科无机化学教学大纲的要求。其次教材内容充分注意与中职教材的衔接及与本科后续课程的联系，加强针对性，注重实用性，同时又保持了课程本身的系统性。②考虑到学生的基础，注意教材内容起点适当。在深度上降低起点和难度，减小坡度，重点突出基础理论知识的应用和实践能力的培养，以便在规定的教学学时内完成。③全书内容共分10章，在内容安排上贯穿三条主线：条是从宏观的热化学开始，引入一些化学热力学和化学动力学基础知识，并在酸碱平衡、沉淀-溶解平衡、氧化还原平衡及配位平衡予以应用；第二条是从微观物质结构基础出发，联系周期系，重点阐述一些典型物质的性质及应用；第三条是理论与实际应用相结合，在阐述物质性质的同时，从其应用出发，渗透工程意识，力求使学生在较好地掌握无机化学基础理论和基本知识的基础上，树立安全生产意识，合理、有效利用资源及环保意识。这三条主线相辅相成，有机结合。④教材编写过程中力求突出学生的学习主体地位，简单明了，便于自学。每章的内容一环扣一环，内容叙述循序渐进、深入浅出、通俗易懂；每章正文内容后附有与本章内容相关的“新视野”部分，以开拓学生的视野，激发学生的学习兴趣，增强学生的求知欲。本课程的总学时数为48~80学时（不包括实验）。可根据教学要求做适当删减。书中打“*”号部分和“新视野”部分不属教学基本要求，只是作为学生开阔视野、拓展知识、激发学习兴趣用，可根据实际教学需要灵活选用。除作为中本贯通教材使用外，本教材也可作为高等学校化学、化工类及相关专业的无机化学课程教材，亦可供相关科研、工程技术人员参考使用。参加本书编写工作的有黄莎华（第1章），李忆平、肖秀珍（第2章），沈绍典、李亮（第3章），周义锋（第4章），郭晓明（第5、6、7章），程利平（第8章、前言及附录部分），周祖新（第9章），李向清、康诗钊（第10章）。全书由程利平统稿并复核。在本书编写过程中，得到我校无机化学教研室许多教师的大力协助和支持，在此表示衷心的感谢！由于编者水平有限，书中纰漏之处亦在所难免，敬请读者不吝赐教。编者2016年秋于上海应用技术大学

7.2.2离子晶体结构特点在离子晶体的晶格结点（在晶格上排有微粒的点）上交替地排列着正离子和负离子，正、负离子通过强的静电引力（离子键）结合在一起。以氯化钠晶体为例（图7-3），化学式NaCl只表示氯化钠晶体中Na 离子数和Cl-离子数的比例是1:1，并不表示1个氯化钠分子的组成。在离子晶体中并没有独立存在的小分子。活泼金属的氧化物、盐类、氯化物、氢氧化物等都是离子晶体，如：CaO、KCl、NaOH、NH4NO3等。 图7-3 氯化钠的晶体结构 性质(1). 由于阴、阳离子间的静电作用力较强，离子晶体一般具有较高的熔点，且离子电荷越多，半径越小，离子间静电作用越强，熔点越高。(2). 离子晶体中，阴阳离子交替地规则排列，当晶体受到较大外力冲击时，各层离子位置发生错位，本来层间阴、阳离子交替变成了阴离子与阴离子、阳离子与阳离子接触，引力变成了斥力，晶体破坏碎，故离子晶体硬而脆，无延展性。(3). 由于强极性的离子与极性溶剂水有较强的作用力，易形成水合离子，故离子晶体一般易溶于水且水溶液导电。几种离子晶体的空间结构由于各种阴、阳离子的半径大小不同，其配位数就不同，离子晶体中阴、阳离子的空间排布也不同，因此可以得到不同类型的离子晶体。常见的三种立方晶系的离子晶体：NaC1型、CsCl型、立方ZnS型。图7-4是这三种类型离子晶体的空间结构。CsCl型属于简单立方晶格，阴阳离子的配位数为8，可看作Cs 与Cl-各自分别组成简单立方晶格，再相互穿插；NaC1型属于面心立方晶格，阴阳离子的配位数为6，也可看作Na 与C1-各分别组成面心立方晶格，再相互穿插。立方ZnS型的离子排列较复杂，阴阳离子的配位数为4。离子晶体空间结构不同的主要原因是阳、阴离子半径比r /r-不同所造成。 图7-4 离子晶体的四种空间构型7.3 原子晶体和分子晶体7.3.1 原子晶体结构特点在原子晶体的晶格结点上排列着原子，原子之间作用力是共价键。以典型的金刚石原子晶体体为例（如图7-5所示）。每个碳原子能形成4个sp3杂化轨道，可以和4个碳原子形成共价键，组成正四面体。晶体中原子间均以共价键相联结，晶体中不存在简单的小分子。 图7-5 金刚石的晶体结构性质由于原子间的共价键强度高，破坏这种键需很高的能量，故原子晶体的熔点一般较高。与离子晶体一样，若晶体受到较大外力冲击时，原子间的共价键被破坏，晶体破碎，故原子晶体硬而脆，无延展性。另外原子晶体不溶于溶剂，不导电。周期系ⅣA族元素碳（金刚石）、硅、锗、灰锡等单质的晶体是原子晶体，其化学式就是它们的元素符号。ⅢA、ⅣA、VA族元素彼此组成的某些化合物如碳化硅(SiC)，氮化铝（AlN）、甚至石英(SiO2)等也都是原子晶体。7.3.2 分子晶体结构特点在分子晶体的晶格结点上排列着分子（极性分子或非极性分子），分子通过分子间作用力结合在一起。在某些分子晶体中还存在氢键。对于稀有气体，虽然晶格质点是原子，但质点间作用力也是微弱的分子间力，故也属于分子晶体。由于分子间力无饱和性和方向性，微粒堆积较紧密，配位数可达12。例如，二氧化碳晶体（干冰）的晶格类型是面心结构，每个顶点和每个面的中心均有一个CO2分子（如图7-6）。 图7-6 二氧化碳的晶体结构性质由于分子间力较弱，分子晶体的硬度较小，熔点一般低于400 ℃，并有较大的挥发性，如碘片、萘晶体等。分子晶体是由电中性的分子组成的，固态和熔融态都不导电，是电绝缘体。但某些分子晶体含有极性较强的共价健，能溶于水产生水合离子，因而能导电，如冰乙酸。许多非金属单质，非金属元素所组成的化合物（包括大多数有机物）都能形成分子晶体。例如卤素单质、单质氢、卤化氢、二氧化硫、水、氨、甲烷等低温下形成的晶体都属于分子晶体。