科學：小學教師指南/化學反應

您周圍看到的任何物體都是由透過化學鍵結合在一起的分子組成的。這些鍵是在化學反應中形成的。一些反應在原子或分子之間形成鍵，而另一些反應則破壞這些鍵。例如，植物利用陽光作為能量來源，驅動一系列化學反應，將二氧化碳和水轉化為糖分子。在分解水分子的過程中，氫原子成為糖的一部分，但氧原子沒有被利用——它們相互結合併產生 O²，它離開植物葉，進入大氣層，成為您現在呼吸的氧氣。植物可以將這些糖分子組合成更大的分子，如澱粉，甚至木材。反過來，當您吃菠菜葉或土豆，或者燃燒木材時，您會破壞糖分子之間的鍵。一個有趣的發現是，為了做到這一點，您需要使用氧氣（透過呼吸獲得），並且在分解食物的過程中，您會產生二氧化碳和水！儲存在這些化學鍵中的能量有助於溫暖您的身體，並作為新化學反應的能量來源，使您能夠在細胞內構建新的分子。

在形成化學鍵時，瞭解價電子的概念非常重要，它指的是原子周圍外層“殼”或“雲”或“軌道”中的電子。最外層佔據的殼中的電子決定了原子的化學性質。基本上，隨著更多電子的新增，它們會自動以一種使它們彼此儘可能遠離（因為它們的負電荷相互排斥），同時仍然被原子核吸引的方式排列。為了我們的目的，只要知道第一個殼只能容納 2 個電子。當第一個殼充滿時，電子就開始填充下一個殼，該殼可以容納 8 個電子。額外的殼可以容納更多的電子，但讓我們重點強調，擁有一個充滿的外層電子層非常穩定。為了幫助理解，我們將根據元素在元素週期表中的位置，為不同的元素分配一些“個性”。

有些原子不會與任何其他原子結合——它們完全不活潑。它們可以在元素週期表的右端最後一列找到，被稱為惰性氣體。它們的個性是“自豪”和“自命不凡”，它們拒絕與任何人玩耍，也永遠不會分享。它們不活潑的原因是它們的外層（價）電子層已滿。氦是那一列中的第一個元素，它只有 2 個電子，完美地填滿了第一個電子層。接下來是氖——它有 10 個電子，即 2 加 8——同樣，外層電子層自然地完全滿了。所有其他原子都“希望”它們能像它們的“高貴”表親一樣。它們會以某種方式發生反應，使它們更接近於擁有自己的外層電子層已滿。對於一些原子來說，完成外層電子層的最快方法是去除一個或兩個電子（如果您的外層電子層只有一個電子，並且您將其捐贈給另一個原子，那麼該電子層就會消失，下面的完整電子層就變成了外層電子層），而對於其他原子來說，它們需要新增一個或兩個電子。如果您的第一個電子層有 2 個電子，第二個電子層有 8 個電子，第三個電子層有 7 個電子（氯，Cl），那麼您非常希望再獲得一個電子，這樣您就可以像您隔壁的高貴鄰居氬一樣。另一方面，如果您的第一個電子層有 2 個電子，第二個電子層有 8 個電子，第三個電子層有 1 個電子（鈉，Na），那麼您非常希望去除 1 個電子（這將使您看起來像高貴的氖）。在純態下，氯和鈉都具有危險的反應性，但一旦它們相互找到，鈉將它的電子捐贈給氯，那麼兩者都變得非常穩定且不活潑。這種電子交換將在離子鍵下進一步討論。如果為了得到一個充滿的外層電子層，您需要 2 個或 3 個或 4 個電子，那麼與其他人共享電子更容易，這將在共價鍵下討論。

四種鍵合型別

離子鍵

鈉和氟原子發生氧化還原反應形成氟化鈉。鈉失去其外層電子以獲得穩定的電子構型，該電子以放熱的方式進入氟原子（產生熱量）。然後，帶相反電荷的離子——通常是大量離子——相互吸引形成固體。

原子可以給出或獲取電子以達到類似於它們的惰性氣體表親的狀態，但它們永遠不能改變它們的質子數。處於原始狀態的原子具有與質子數量相同的電子數量，負電荷抵消正電荷，因此原子是電中性的。如果它增加了一個電子，它將最終帶 -1 的電荷，因為它現在比質子多 1 個電子。如果另一個原子減去一個電子，它將最終帶 +1 的電荷（因為它比電子多一個質子）。有些原子會給出 1 個電子（元素週期表的第一列），而另一些原子則願意給出 2 個電子（第二列）。

離子是指失去或獲得電子的原子，這使得它們成為陽離子（它們帶正電荷，因為它們失去了一個或多個電子）或陰離子（它們帶負電荷，因為它們獲得了一個或多個電子）。只有當另一個原子願意接收它時，才能給出電子，因此當電子轉移發生時，陽離子和陰離子會同時產生。現在您有兩個原子彼此相鄰，它們都很高興並且不活潑，因為它們的外層電子層已滿，但它們現在帶電，並且電性地相互吸引！帶正電荷的陽離子被吸引到帶負電荷的陰離子。帶正電荷和帶負電荷的離子透過靜電吸引保持在一起。

最著名的離子化合物是 NaCl 或氯化鈉，也稱為食鹽。它使我們的牛排、玉米、雞蛋、爆米花和咖啡的味道更好。. . 等等。你不往咖啡裡放鹽嗎？忽略我說的話。任何“鹽”（如氯化鎂或氯化鉀）都是離子鍵的結果。它們可以形成晶體，因為帶電原子以模式排列，但晶體易溶於水（極性水分子能夠包圍離子並將它們從彼此身邊拉開）。

鹽中的鈉或 Na 實際上是 Na⁺，而氯或 Cl 實際上是 Cl^-；鈉在原始狀態下在其外層電子層中只有一個電子——透過放棄這個電子，它就會有一個完整的外部電子層。氯在其外層電子層中有 7 個電子，透過再獲得一個電子，它就完成了它的外層電子層。在反應之前，鈉和氯都是危險的元素，但一旦它們完成了從鈉到氯的電子轉移，它們就變得化學惰性（不活潑）。

為了再次強調，元素週期表中的原子按列排列，具有相似的性質。元素週期表右側的倒數第二列是鹵素（氟、氯等）。這些是最具電負性的原子，這意味著它們非常想要一個電子，以至於它們準備從任何東西那裡偷一個電子！（這就是氯氣危險的原因——它會迅速與您的眼睛和皮膚髮生反應，在它獲取電子的過程中灼傷您）。這些原子在反應過程中總會獲得一個電子，因此它們作為離子會帶負電荷。該列左側的原子能夠獲得兩個電子。在元素週期表的最左側（第一列），您會得到鹼金屬和鹼土金屬（分別是鋰和鈹以及它們下面的元素），它們總是失去電子並帶正電荷。

當元素相互作用並將一個電子完全從一個原子轉移到另一個原子時，就會形成離子鍵。它被認為是一種弱鍵，因為離子只通過電性相互吸引，而不是化學性結合在一起（您只需將晶體放入水中就能破壞離子鍵）。將其與共價鍵進行比較，在共價鍵中，電子在原子之間共享。

共價鍵

原子擁有電子。鍵由電子和原子組成，原子要麼共享電子，要麼奪取電子。共價鍵是電子的“共享”。結果是原子緊密地結合在一起，形成分子！共價鍵非常強，幾乎你周圍所有的物體都是透過共價鍵連線在一起的（一個例外是如果你正在觀察鹽晶體——它們透過離子鍵連線在一起！）。一個原子，碳，就像一個快樂、慷慨的孩子，想要與每個人分享。碳在其外層電子殼層中有 4 個電子——從其他原子中奪取 4 個電子太難了，而放棄 4 個電子也同樣太難了。相反，碳說：“如果你與我分享，我也會與你分享。”碳與許多不同型別的原子相處得很好，包括氫。氫是最小的原子，只有一個質子和一個電子。氫很想擁有 2 個電子，但它太小了，無法從任何人那裡奪取電子。但是如果有人願意分享，氫總是準備好了。碳會與氫共享一個電子，與另一個氫共享另一個電子，與另一個氫共享第三個電子，與第四個氫共享第四個電子！這將是 CH₄，即甲烷氣體。或者，兩個碳原子可以相互共享一個電子，然後它們各自有 3 個額外的電子可以共享，所以你可以得到 C₂H₆，即丁烷氣體。碳對生命至關重要，因為它可以形成 4 種不同的共價鍵——它就像樂高積木或拼插玩具，可以將各種東西連線在一起。甚至塑膠也是用主要由碳和氫構成的長分子製成的！

通常的慣例是，兩種元素在週期表上越靠近，它們之間形成共價鍵的可能性就越大，因為它們具有相似的電子親和力（對電子的渴望）。兩個氧原子都具有很高的電負性，並且將在 O₂ 分子中彼此平等地共享電子。記住，共價意味著與電子共存，或在兩個不同原子的價層之間共享相同的電子。現在我剛說過共價鍵更可能在彼此相鄰或彼此靠近的原子之間形成。水具有共價鍵，但氧和氫相隔很遠！！但它們都是非金屬。原子型別（即非金屬、金屬、鹼金屬、鹵素、氧族元素等）也可以決定鍵型別，通常相同型別的原子在週期表上被分組在一起。

一個水分子，顯示極性。電子在氧原子周圍停留的時間更長，導致一端帶輕微負電荷（紅色陰影），而氫原子端帶輕微正電荷（藍色陰影）。

共價鍵可以是極性的或非極性的。非極性共價鍵就像 H-H（氫氣 H₂）或 Cl-Cl（有毒的氯氣，Cl₂）或（C-C）碳-碳鍵。這些是具有完全相同親和力或電負性的兩種原子。這類似於說我們有兩個相同力量的雙胞胎，分別拉著一根繩子的兩端。繩子沒有移動。因此，電子在鍵中的參與者之間是平等共享的，原子兩端彼此沒有任何區別——沒有“極性”，所以它們是“非極性的”。油脂、油漆、蠟、汽油和大多數氣體是非極性化合物的例子。

由於電負性差異，水的 O-H 鍵極性很強。共價鍵是共享、共享、共享。因此，鍵關係中的一種原子越自私，其共價性就越低，但我們不會稱之為“非共價共價”。這沒有意義。相反，它被稱為極性共價鍵，以表明電子共享關係的單邊性（即在 O-H 鍵中，電子大部分時間都與氧原子在一起，因為氧原子的拉力很強）。把氧原子想象成一個欺負人。它可能會奪走你的電子（並變成離子），但它更有可能“共享”你的電子，就像一個欺負人可能會“共享”一支鉛筆給你一樣，只要你與他共享一支鋼筆，鉛筆和鋼筆大部分時間都放在欺負人的桌子上！因此，當氧原子與一個氫原子共享一個電子時，氫原子會感覺自己的外層電子殼層滿了（因為它從只有 1 個自己的電子變成了現在擁有 2 個電子），但兩個電子與氧原子在一起的時間比與氫原子在一起的時間更長。氧原子透過形成 2 個共價鍵來感覺自己的外層電子殼層滿了，因為它需要 2 個來完成軌道。這就是水分子是 H₂O 的原因。但由於氧原子電負性更強，所以所有電子與氧原子在一起的時間都比與兩個氫原子在一起的時間更長。這會導致分子的氧原子側略微帶負電，而氫原子側略微帶正電——換句話說，分子的兩側並不相同，因此它具有極性。（不要為氫原子感到難過——它有一個以它命名的特殊鍵！）。

氫鍵

氫鍵是在不同分子之間或單個較大分子不同部分之間產生的部分靜電吸引力。換句話說，它類似於離子鍵，但較弱，因為吸引力不是在兩個離子（具有完全的 +1 或 -1 電荷）之間產生的，而是在具有極性並且只具有部分正電荷或負電荷的分子之間產生的。它有點像兩個非常弱的磁鐵——它們彼此吸引，但這種鍵也很容易斷裂。當氫 (H) 與更具電負性的原子（如氮 (N)、氧 (O) 或氟 (F)）結合時，會發生氫鍵，其中氧原子是最常見的例子。我們討論了水分子中的極性，以及水分子之間產生的氫鍵賦予水一些獨特的性質，這些性質將在其他地方討論。即使氫鍵是我們討論的最弱的鍵型別，它在生物學上也是很重要的——蛋白質的三維結構依賴於氫鍵，DNA 的兩條鏈透過氫鍵連線在一起（因為它們很弱，這也允許鏈解開以便複製），並且氫鍵在纖維素、棉花和其他纖維中很重要。

金屬鍵

金屬鍵非常重要——事實上，週期表上大多數元素都是金屬，它們相互形成牢固的鍵。但是，我們不會深入討論這些鍵的性質，因為金屬鍵會非常混亂（它已經困擾了化學家和物理學家很長時間了！）。簡單地說，金屬就像超級共享者，當它們與其他金屬在一起時。它們並不完全共享電子來填充其外層電子殼層，事實上，它們並沒有很好地抓住自己的電子——相反，金屬原子核“漂浮”在一片非定域電子海或電子雲中。每個原子核都被周圍的電子雲強烈吸引，從而賦予金屬強度。每個原子核都具有質子和中子（大、帶電、緻密的中心），金屬原子很大。例如，元素銅 (Cu) 的原子序數為 29，因此晶格（排列）中的每個銅原子在原子核中都有 29 個質子和 29 個電子可以捐獻給電子海，電子海是銅質量的一部分。考慮到一枚舊的銅便士大約有 3 X 10²² 個原子，這真是一個巨大的電子數！！因此，每次你看到一塊金屬時，不要驚訝於人類是從金屬而不是塑膠、木材或其他固體中創造了他們的電力。其他原子周圍 simply 沒有足夠的電子在漂浮。這就是電力的本質！電子的運動。金屬的電子在原子之間非常自由地移動，這種電子排列是金屬許多特性的原因——它們有光澤，具有延展性（可以在不破裂的情況下彎曲和成形），它們很強，它們可以很好地與其他金屬結合（形成黃銅或不鏽鋼等合金），並且它們是優良的電和熱導體。金屬還可以與非金屬（尤其是氧氣）結合，通常這就是它們在自然界中以礦石形式緊密結合在岩石中的方式。金、銀和鉑金是“貴金屬”，因為它們不反應，不會腐蝕，並且被人類賦予了特殊的價值，長期以來被用作藝術品、珠寶和貨幣。

將不同比例的金屬組合成合金可以改變純金屬的特性，以產生所需的特性。製造合金的目的是通常為了使它們更不容易破碎、更硬、更耐腐蝕，或者具有更理想的顏色和光澤。在今天使用的所有金屬合金中，鐵合金（包括鋼、不鏽鋼、鑄鐵等）是最常見的。能夠從礦石中提取金屬，並能夠將金屬組合成合金，是人類歷史上的重要步驟（青銅器時代和鐵器時代）。

近東古代的大致時間線；在青銅器時代，青銅是最硬的金屬合金；鐵器時代的到來不是因為能夠提取鐵，而是因為能夠透過在鐵中新增碳來製造鋼鐵工具和武器。

製造和破壞分子

放熱和吸熱

放熱和吸熱反應可以根據它們的詞根來區分。Exo- “出去”，Endo- “進來”，thermic- “熱”。放熱反應釋放能量，而吸熱反應需要能量。因此，有時在反應方案中你會看到。. A + B ---> C + D + 熱量或 A + B ---> C + D + 焦耳數。在這兩個例子中，你都會看到熱量或焦耳位於反應的產物側，這意味著熱量被釋放了。在類似的例子中，你會看到熱量位於反應物側，這意味著反應發生需要熱量或能量輸入。

吸熱反應和放熱反應基本上是相反的。但我們必須記住，反應中所需的熱量或釋放的熱量並不代表反應速度或熱力學可用性。如果一個反應是放熱的，它通常是自發的（它會自行發生），但這並不意味著它會很快或很慢。因此，有一些類別可以相互關聯，但就目前而言，我們定義放熱反應（釋放熱量）和吸熱反應（需要熱量）。

放熱過程	吸熱過程
製作冰塊	融化冰塊
雲層中形成雪	霜轉化為水蒸氣
水蒸氣凝結成雨	水的蒸發
蠟燭火焰	氣相中原子形成陽離子
亞硫酸鈉和漂白劑混合	烘焙麵包
鐵生鏽	煮雞蛋
燃燒糖	透過光合作用產生糖
形成離子對	分離離子對
氣相中原子結合形成分子	將氣體分子分開
將水和強酸混合	將水和硝酸銨混合
將水與無水鹽混合	從水合物製備無水鹽
結晶液體鹽（如化學暖手寶中的醋酸鈉）	熔化固體鹽
核裂變	八水合氫氧化鋇晶體與乾燥的氯化銨反應
將水與氯化鈣混合	亞硫醯氯 (SOCl₂) 與七水合硫酸鈷反應

氧化還原

氧化還原反應是兩個物體之間的電子轉移。為簡化起見，這種型別的反應本應簡單地稱為“電子轉移”，但它被稱為氧化還原反應，因為 1) 氧化是指金屬暴露於氧氣時發生的現象——例如，鐵變成鐵鏽。早期的化學家認識到這一點，並說鐵被氧化了。後來，當深入研究這種型別的反應時，人們發現並不一定需要氧氣參與。人們還意識到，參與反應的另一個試劑的電荷會發生損失或減少。因此，還原和氧化同時發生，有時這種反應被稱為“氧化還原”。在氧化還原反應中，離子、分子或原子的氧化數透過失去或獲得電子而發生變化。記住氧化還原反應過程的一種方法是使用助記符 OIL RIG。OIL = 氧化是失去 (電子)，而 RIG = 還原是獲得 (電子)。

還原
氧化劑 + e^– ⟶ 產物
(電子獲得；氧化數降低)

氧化
還原劑 ⟶ 產物 + e^–
(電子損失；氧化數升高)

氧化還原半反應

在氧化還原反應中，總是有一個接受者和一個供體，因為電子正在轉移。打個比方，在貨幣交換中，如果一個人去商店，這個人就會損失金錢，而商店則會透過交易獲得金錢。氧化和還原是相輔相成的。沒有一方，另一方就不存在。有一個Crash Course 影片關於氧化還原反應，如果你想了解更多資訊。

透過氧化還原反應過程，分子被構建和分解。

演示強氧化劑和還原劑之間的反應。當將少量甘油（還原劑）新增到高錳酸鉀粉末（強氧化劑）中時，會發生劇烈的反應，並伴隨自燃。

酸鹼反應

酸是一種能夠捐贈質子或氫離子 (H⁺) 的分子。請記住，氫有一個質子、一個電子，沒有中子。如果你從氫中移除電子，剩下的東西被稱為氫離子（因為它帶電荷），但你也可以說剩下的是一個質子。在某些情況下，人們會談論質子的捐贈，而在其他情況下，他們會談論氫離子的捐贈——它們是同一件事！強酸的解離（分離）非常強。例如，當鹽酸 HCl 與水混合時，它幾乎完全分解成 H⁺ 和 Cl^-（只有很少的 HCl 分子保持完整）。醋是一種弱酸。它最初是 CH₃COOH，分解成 CH₃COO^- 和 H⁺。但是，許多分子保持完整。透過捐贈更少的 H⁺，它被認為是一種弱酸。請記住，pH 是 H⁺ 濃度的量度。

鹼是一種接受 H⁺ 的分子，從而將其從溶液中移除。羥基離子 (OH^-) 是最常見的接受 H⁺ 的鹼（因為如果你將 H⁺ 和 OH^- 結合起來，你會得到 H₂O，即水），所以有時鹼被定義為捐贈羥基離子的分子。與酸一樣，強鹼的解離比弱鹼更完全。苛性鈉或氫氧化鈉 (NaOH) 是一種非常強的鹼。小蘇打或碳酸氫鈉 (NaHCO₃) 是弱鹼的一個例子。

在酸鹼反應中，酸和鹼會相互中和併產生鹽。一個簡單的例子是將我們的強酸鹽酸與我們的強鹼氫氧化鈉混合。HCl + NaOH --> H₂O + NaCl

鹽酸的酸性被中和，氫氧化鈉的鹼性被中和——我們將兩種危險的化學物質混合在一起，製成了鹽水！當將醋和小蘇打混合在一起時，會釋放二氧化碳氣體 (CO₂)，但也會中和酸和鹼。

這是一個關於酸鹼反應的過度簡化的討論，但對於我們的目的來說應該足夠了。