入門化學線上/物質的物理和化學性質

2.1 純物質和混合物

在第 1 章中，我們瞭解到原子是由電子、質子和中子組成的，原子核中質子的數量（原子序數）決定了該元素的標識。例如，原子核中含有六個質子的原子是碳原子；七個質子使其成為氮原子；八個質子使其成為氧原子，等等。元素週期表根據原子序數對這些元素進行排列，目前已知有超過 116 種元素。

由於我們周圍世界中存在著顯然超過 116 種不同的型別物質，我們可以看出我們遇到的大多數物質不是純元素，而是由不同元素組合而成的。在化學中，我們稱之為化合物，我們將其定義為由兩種或多種元素以恆定比例組合而成的物質。例如，水是一種由兩個氫原子鍵合到一個氧原子組成的化合物。我們可以使用元素化學符號的下標來表示這種化合物中氫與氧的比例。因此，水（兩個氫和一個氧）可以寫成 H₂O。這種水的簡寫符號稱為化學式。對於任何化合物，化學式都告訴我們存在哪些元素以及元素之間的比例。稍後我們將看到水是化合物的一種特殊子型別，稱為分子化合物。在一個分子中，原子不僅以恆定比例鍵合在一起，而且它們也以特定的幾何排列方式鍵合在一起 (圖 2.1)。在下一章中，我們將更深入地瞭解元素如何在化合物中鍵合在一起，但首先我們將檢查一些化學物質的性質。

當我們談論純物質時，我們指的是隻含有一種物質的東西。這可以是單個元素或單個化合物，但你所檢查的這種物質的每一個樣本都必須包含完全相同的東西，具有固定且明確的一組性質。如果你將兩種或多種純物質混合在一起，我們稱之為混合物。混合物可以始終再次分離成組成的純物質，因為混合物中不發生組成物質原子的鍵合。化合物可能與構成它的元素有很大的不同性質，但在混合物中，物質保持其自身的性質。例如，鈉是一種柔軟的閃亮金屬，而氯是一種刺鼻的綠色氣體。這兩種元素可以結合形成化合物氯化鈉（食鹽），它是一種白色晶體固體，沒有任何鈉或氯的性質。但是，如果你將食鹽與黑胡椒混合，你仍然可以看到它們的單個顆粒，如果你有耐心，可以用鑷子將它們仔細地分離成純鹽和純胡椒。(圖 2.2)

混合物根據其組成的均勻性分為兩種型別。第一種稱為不均勻混合物，其特點是混合物的不同樣本可能具有不同的組成。例如，如果你開啟一個盛有混合堅果的容器，並取出一些小樣本進行檢查，這些樣本中的花生與杏仁的比例總是略有不同，無論你混合得多麼仔細。不均勻混合物的常見例子包括泥土、碎石和蔬菜湯。(圖 2.3)

另一方面，在均勻混合物中，你檢查的任何樣本都將與任何其他樣本具有完全相同的組成。在化學中，最常見的均勻混合物型別是溶液，一種物質完全溶解在另一種物質中。想象一下純糖溶解在純水中形成的溶液 (圖 2.4)。你檢查的溶液的任何樣本都將具有完全相同的糖與水的比例，這意味著它是一種均勻混合物。即使在均勻混合物中，組成的物質的性質通常也是可以識別的。因此，糖水嚐起來很甜（像糖）並且是溼的（像水）。與具有固定、明確比例的化合物不同，在混合物中，可以改變每種組成的物質的量。例如，當你在一杯茶中加入少量糖，而在另一杯茶中加入大量糖時，每杯茶都將包含茶和糖的均勻混合物，但它們的味道將不同。但是，如果你加入太多糖，以至於有些糖無法溶解並留在底部，那麼混合物就不再是均勻的了，它是不均勻的；你可以很容易地將這兩種成分分離出來。

練習 2.1 區分物質和混合物

物質的狀態

如第 2.1 節所述，一個水分子由兩個氫原子與一個氧原子鍵合而成 (H₂O)。所有水分子都完全相同（元素比例相同，幾何鍵合模式相同），但我們遇到的水在我們周圍世界中存在三種不同的形式。在低溫下，水以固態（冰）存在。隨著溫度升高，水以液態存在，在高溫下，以水蒸氣，即氣態存在。圖 2.5 展示了一個同時存在這三種狀態（或相）的例子。水的這三種形式代表了物質的三種狀態：固體、液體和氣體。物質狀態是物質的物理性質的例子。其他物理性質包括外觀（光亮、暗淡、光滑、粗糙）、氣味、導電性、導熱性、硬度和密度，僅舉幾例。我們將在下一節更詳細地討論密度，但首先讓我們檢查物質的狀態以及它們在原子層面的差異。

如果冰、液態水和水蒸氣都由相同的分子組成，那麼是什麼導致了它們的性質差異？到目前為止，我們一直在討論分子，就好像它們是靜止的一樣，但實際上，它們一直在運動。在化學中，我們經常用分子運動論 (KMT) 來解釋物質的狀態。動這個詞指的是運動，分子運動論表明原子和分子總是在運動。與這種運動相關的能量被稱為動能。粒子具有的動能與其溫度成正比，正是水分子在不同條件下的動能決定了三種狀態的水的不同性質，如圖 2.5 所示。

原子和分子在不同條件下以不同的方式運動，這是因為它們相互吸引的力，稱為分子間力。 分子間力是一個通用術語，它描述了所有原子和分子之間都具有一定的內在吸引力。這些吸引力遠弱於將分子結合在一起的鍵，但在大量原子或分子叢集中，所有這些吸引力的總和可能相當大。

現在，考慮一群聚集在一起並透過這些吸引力保持在一起的分子或原子。在低溫下，分子或原子將保持粘在一起，形成一個形狀和結構明確的塊，就像水以冰塊的形式存在一樣。這被稱為固相。在原子層面上，固體中的分子或原子緊密堆積，儘管它們仍然快速運動，但它們的運動非常小，可以認為它們圍繞一個固定位置振動。在這裡，可以將一把小磁鐵粘在一起形成一個固體塊作為類比(圖 2.6)。固體和液體是物質最緊密堆積的狀態。由於分子間力的存在，固體具有確定的形狀，這與放置它們的容器無關。當能量被新增到系統中時，通常以熱量的形式，單個分子或原子獲得足夠的能量來克服它們之間的一些吸引性分子間力，以便相鄰的粒子可以自由地相互移動或滑動。這種物質狀態被稱為液相。與固體一樣，在液體中，吸引力足夠強，可以將分子或原子緊密地保持在一起，因此它們不易壓縮並具有確定的體積。然而，與固體不同的是，粒子會流動（相互滑動），因此它們可以呈現其容器的形狀，如圖 2.7所示。

最後，如果向系統中投入足夠的能量，單個分子或原子將獲得足夠的能量來完全打破它們之間的所有吸引力，並且它們可以自由地分離並在整個容器體積中快速移動。這被稱為氣相，氣相中的原子或分子將完全填充它們所佔據的任何容器，並呈現其容器的形狀和體積。由於氣體中的粒子之間有很大的空間，因此氣體是高度可壓縮的，這意味著分子可以被壓縮得更緊密，以適應更小的空間(圖 2.8)。我們都熟悉壓縮氣體罐，其中氣體的可壓縮性被利用，使得大量的 gas 可以被運輸到很小的空間中。 圖 2.9 顯示了固體、液體和氣體中原子狀態的簡單圖形表示。

回到水的例子，在低溫下，水以固態冰的形式存在。當固體被加熱時，水分子獲得足夠的能量來克服它們之間最強的吸引力，冰熔化形成液態水。這種從固相到液相的轉變在每個物質的固定溫度下發生，稱為熔點。固體的熔點是該固體的物理性質之一。如果我們從液體分子中去除能量，它們會減速到足以使吸引力發揮作用，並且會形成固體。發生這種情況的溫度稱為凝固點，與熔點相同。

隨著更多能量被投入系統，水被加熱，分子開始越來越快地移動，直到系統中最終有足夠的能量來完全克服吸引力。當這種情況發生時，水分子可以自由地彼此飛散，填充它們所佔據的任何容器並變成氣體。從液相到氣相的轉變在每個物質的固定溫度下發生，稱為沸點。與熔點一樣，沸點是液體的另一個物理性質。

可以使用一個簡單的圖表來顯示典型物質的相變，該圖表顯示物理狀態，並透過熔點和沸點的轉變進行分隔。例如，如果您被告知純物質在其沸點之上 15˚ C，則可以使用該圖來繪製相對於沸點的溫度。因為您高於沸點，所以物質將存在於氣相中。

示例 2.1 物質的物理狀態

然而，我們剛剛建立的狀態變化規則有一些例外。例如，冰是固體，內部的分子透過分子間力牢固地結合在一起。然而，表面分子是暴露的，它們有機會從環境中吸收能量（想象一下陽光明媚的日子裡的一塊雪）。如果這些表面分子中的一些吸收了足夠的能量，它們可以打破束縛它們的吸引力並以氣體的形式逸出（水蒸氣），而無需經歷液相。從固體直接轉變為氣體的過程稱為昇華。相反的過程，從氣體直接轉變為固體的過程稱為凝華。乾冰（固體二氧化碳；CO₂）可能是最常見的不會熔化而僅昇華的固體，如圖 圖 2.10 所示。乾冰的這種特性使其成為運輸易腐物品的良好製冷劑。它非常冷，可以很好地冷凍東西，但在運輸過程中變暖時不會融化成混亂的液體。

就像固體中的表面分子可以直接進入氣相一樣，液體中的表面分子也從環境中吸收能量並進入氣相，即使液體本身低於沸點。這就是汽化（蒸發）的過程。相反的過程，從氣體到液體的轉變，稱為冷凝。液體物質會發生汽化，任何液體上方的空間都會有該物質的分子處於氣態。這被稱為液體的蒸汽壓，蒸汽壓（在給定溫度下）是液體物質的另一個物理性質。

總結我們對物質不同狀態的瞭解

在氣體中

• 分子或原子高度分離，使氣體高度可壓縮，
• 粒子之間的吸引力很小，使氣體能夠呈現其容器的形狀和體積。

在液體中

• 分子或原子緊密間隔，使液體比氣體不易壓縮得多，
• 粒子之間的吸引力中等，使分子或原子可以相互移動或滑動，
• 液體具有確定的體積，但會呈現其容器的形狀。

在固體中

• 吸引力很強，使原子或分子保持在相對固定的位置，
• 相鄰的原子或分子緊密排列，使固體不可壓縮，並賦予其獨立於其容器形狀和大小的確定形狀。

練習 2.2 物質狀態

2.3 密度、比例性和量綱分析

在上一節中，我們學習了物質的狀態。物質在一定條件下（如溫度和壓力）的物理狀態是物質的內含性質。內含性質定義為物質固有的性質，不依賴於樣品大小。密度，即物質的質量與體積之比，是內含性質的另一個例子。 (圖 2.11)

如果你拿起相同大小的鋁和金的樣本，你會立即注意到其中一個比另一個重得多。金的原子質量是鋁的原子質量的七倍多，因此儘管兩個樣本的大小相同，但金塊的質量明顯大於同樣大小的鋁塊。我們可以說金比鋁更緻密。

將此量化為定量測量，一立方厘米的金子質量為19.3克（請記住，一立方厘米是邊長正好為1釐米的立方體的體積，其單位為cm³[http://askthenerd.com/COL/images/2.12.html ;參見圖2.12]。我們定義密度為物質的質量與體積之比。對於金子，質量為19.3克，體積為1 cm³。金子的質量與體積之比為$\left({}^{19.3{\text{ g}}}\!\!\diagup \!\!{}_{{\text{1 cm}}^{\text{3}}}\;\right)$，金子的密度（d）寫為d = 19.3 g/cm³。

回到我們的鋁塊，透過實驗，一立方厘米的鋁質量為2.70克。鋁的質量與體積之比為$\left({}^{2.{\text{70 g}}}\!\!\diagup \!\!{}_{{\text{1 cm}}^{\text{3}}}\;\right)$，因此鋁的密度為2.70 g/cm³，大約是金子的7倍少。

密度是所有物質（固體、液體和氣體）都可以測量的物理性質。對於固體和液體，密度通常以g/cm³為單位報告。氣體的密度遠低於固體和液體的密度，通常以克/升（g/L）為單位，請記住1.4節中定義的升為1000 cm³。 表2.1給出了一些常見固體、液體和氣體的密度。

我們之前使用的密度定義是物質的質量與體積之比。這也可以表述為“質量每單位體積”。在這種情況下，每這個詞意味著質量和體積之間存在數學關係。在這種情況下，這種關係是質量與體積的比率。每當兩個因素可以透過比率或分數相關聯時，我們就可以使用單位 分析 來解決與這些因素相關的計算題。對於密度，這個比率是質量與體積的比率。如果一塊鐵的質量為23.4克，體積為3.00 cm³，則鐵的密度可以計算如下

d = $\left({}^{\text{mass}}\!\!\diagup \!\!{}_{\text{volume}}\;\right)$

d = $\left({}^{2{\text{3}}{\text{.4 g}}}\!\!\diagup \!\!{}_{{\text{3}}{\text{.00 cm}}^{\text{3}}}\;\right)$ 或，d = 7.80 g/cm³

在這個計算中，我們的兩個實驗數字是23.4和3.00。這兩個數字都有三位有效數字（請記住，3.00 中的尾隨零是有效的，因為該數字帶有小數點）。因此，我們的答案也必須精確到三位有效數字，即7.80。

練習2.3 密度計算

示例2.3 計算固體密度：轉換長度以查詢體積。

示例2.4 計算固體密度：轉換質量和體積。

示例2.5 計算固體密度：轉換質量。

2.4 化學性質、物理變化和化學變化

一塊金子可以被錘成非常薄的金箔（它是所有元素中延展性最好的）。然而，金箔中的金仍然只是元素金，除了樣品的物理外觀外，什麼都沒有改變。如果你取任何固態純物質並將其熔化或轉化為氣體，情況也是如此。物質的原子或分子結構沒有改變，它只是具有不同的物理外觀。不改變物質化學性質並且不產生新的物質的外觀變化被稱為物理變化。純碳，以煤球的形式存在，可以被砸成細粉，而不會改變它仍然只是元素碳的事實（因此，這是一個物理變化），但是如果純碳在氧氣存在的情況下被加熱，就會發生其他事情。碳會慢慢消失（通常會燃燒），而碳原子現在會以與氧氣結合的化合物的形式出現，化學式為CO₂。二氧化碳與我們開始使用的碳或氧氣完全是不同的物質。例如，碳是黑色的固體，而二氧化碳是無色的氣體。當物質的化學成分發生變化併產生新的物質時，你就知道發生了化學變化。 (圖2.13)

就像我們為物質定義了一組物理性質一樣，我們也可以定義一組化學性質。化學性質只是一組物質可能發生的化學變化。對於元素鎂 (Mg)，我們可以說化學性質包括

• 與氧氣反應形成 MgO，
• 與鹽酸反應形成 MgCl₂ 和氫氣 (H₂)，
• 與固體二氧化碳（乾冰）反應形成 MgO 和碳。

化學變化幾乎總是可以透過我們的感覺之一檢測到。因此，當鎂與氧氣反應（在空氣中燃燒）時，會產生明亮的白色火焰，會放出熱量，閃亮的金屬鎂會轉化為易碎的白色粉末 (MgO； (圖2.14a). 在與鹽酸（溶解在水中的 HCl 分子）的反應中，固態金屬鎂會消失，會逸出氫氣 (H₂) 氣泡，會產生熱量，並會形成含有 MgCl₂ 的透明溶液 (圖2.14b). 在與固體二氧化碳（乾冰）的反應中，會產生明亮的白色火焰，會放出熱量，閃亮的金屬鎂會轉化為易碎的白色粉末和固體碳 (圖2.14c). 通常，當你試圖識別化學變化時，要注意是否有熱量或光、是否有氣體逸出、顏色是否發生變化或是否從原本透明的溶液中形成新的固體產物。

練習2.4 化學變化和物理變化

2.5 質量守恆定律和化學變化

當物質發生化學變化時，它們的物理狀態通常會發生巨大變化。然而，儘管發生了這種巨大變化，物質既不會損失也不會產生。我們可以用金屬鎂與氧氣反應生成氧化鎂來證明這一點 (圖2.14). 如果你要將金屬鎂和空氣密封在一個玻璃容器中，稱重，加熱以促進反應，然後再次稱重容器，你會發現總質量沒有變化。產物的質量，氧化鎂，將正好等於反應物質的質量（氧氣和金屬鎂）。

這類似於 18 世紀 70 年代法國化學家拉瓦錫進行的一個實驗，他用密封的容器加熱金屬錫 (Sn) 與空氣。這和其他當時的實驗提供了導致質量守恆定律的資料。正式地，該定律指出，當物質發生化學反應形成新的物質時，物質總質量沒有可檢測到的變化。

簡單來說，守恆定律 指的是，無論發生何種化學變化，反應物的總質量都必須等於生成物的總質量。有時，這也被表述為質量守恆 或化學反應中質量既不會增加也不會減少。例如，木炭在氧氣中燃燒時，（木炭 + 氧氣）的質量必須等於產生的（二氧化碳、水蒸氣和灰燼）的質量。質量守恆是現代化學的基礎原理之一。

學習要點

• 化合物定義為由兩種或多種元素以固定比例結合而成的物質。在像水這樣的化合物中，我們用每個元素化學符號的下標來表示元素的比例（氫和氧）。因此，水（兩個氫和一個氧）用化學式 H₂O 表示。在分子中，原子不僅以固定比例結合在一起，而且還以特定的幾何排列結合在一起。
• 純物質只包含一種物質；它可以是單一的元素或單一的化學化合物。兩種或多種純物質混合在一起構成混合物；你總是可以透過簡單的物理方法分離混合物。
• 非均相混合物不均勻，不同樣品的混合物將具有不同的組成。均相混合物是均勻的，你檢查的任何樣品都將具有與任何其他樣品完全相同的組成。在化學領域，最常見的均相混合物是溶液。
• 在適當條件下，任何純物質都可以存在於三種不同的狀態：固體、液體和氣體。物質的狀態是物質物理性質的例子。其他物理性質包括外觀（光亮、暗淡、光滑、粗糙）、氣味、導電性、導熱性、硬度和密度等。
• 固體具有確定的形狀和體積。液體具有確定的體積，但會呈現容器的形狀。氣體既沒有確定的形狀也沒有確定的體積，它們都由容器的形狀和體積決定。
• 分子動理論 (KMT) 通常用於解釋物質的物理狀態。KMT 認為，原子和分子總是在運動，並透過稱為分子間力的吸引力鬆散地結合在一起。在固體中，與原子或分子相關的動能（運動能）不足以打破這些力，粒子基本上固定在彼此相鄰的位置。在液體中，有足夠的動能來打破一些吸引力，使粒子能夠“滑動”在一起，但沒有足夠的能量讓它們逃逸。在氣體中，有足夠的動能完全克服這些力，粒子之間沒有相互作用。
• 從固體到液體的狀態變化發生在特定溫度（稱為熔點（或凝固點））；這種溫度是物質的獨特物理性質。同樣，從液體到氣體的轉變發生在沸點。從固體直接到氣體的轉變稱為昇華。
• 強度性質定義為物質的固有性質，與樣品大小無關。密度，即物質的質量與體積之比，是強度性質的典型例子。
• 密度透過取物質樣品的質量並將其除以該樣品的體積來計算。固體的密度通常使用克每立方厘米 (g cm^-3) 的單位表示；液體的密度以克每毫升 (g mL^-1) 表示，氣體的密度以克每升 (g L^-1) 表示，儘管可以使用任何質量和體積單位的組合。請記住，1 mL 的體積與 1 cm³ 相同，1 L 只是 1000 mL。
• 物理變化是外觀上的變化，不會改變物質的化學性質，也不會產生新的物質。當發生化學變化時，會產生新的物質。就像物理性質描述物質的外觀或強度性質一樣，化學性質描述了該物質可能發生的化學變化的集合。
• 質量守恆定律（質量守恆）簡單地說，當物質發生化學反應（經歷化學變化）形成新的物質時，物質的總質量沒有可檢測的變化。

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