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第二章 物质的化学组成和聚集状态

§2.1 物质的化学组成
练习题(p.23)
1．
化学式或名称
名称或化学式
配位中心
配位体
配位原子
配位数
K[Pt(NH3)C13]
三氯一氨合铂(Ⅱ)酸钾
Pt(Ⅱ)
NH3,Cl―
N,Cl
4
Na2[Zn(OH)4]
四羟合锌(Ⅱ)酸钠
Zn(Ⅱ)
OH―
O
4
[Ni(en)3]SO4
硫酸三乙二胺合镍(Ⅱ)
Ni(Ⅱ)
H2NCH2CH2NH2
(en)
N
6
[Co(NH3)5Cl]C12
二氯化一氯五氨合钴(Ⅲ)
Co(Ⅲ)
NH3,Cl―
N,Cl
6
Na2[CaY]
乙二胺四乙酸合钙(Ⅱ)酸钠
Ca(Ⅱ)
(－OOCCH2)2NCH2-
CH2N(CH2COO－)2
(EDTA或Y4－)
N,O
6
Ni(CO)4
四羰合镍(0)
Ni(0)
CO
O
4
氯化二氨合银(I)
[Ag(NH3)2]C1
Ag(I)
NH3
N
2
六氰合铁(Ⅱ)酸钾
K4[Fe(CN)6]
Fe(Ⅱ)
CN
N
6
其中, 螯合物有: ( 3) [Ni(en)3]SO4 和( 5) Na2[CaY]

2．答: 金刚石、 石墨和碳团簇都是碳的同素异形体。金刚石的C原子之间经过共价键形成原子晶体, 是天然产物中硬度最大、 熔点最高(3 550℃)、 不导电的贵重材料; 石墨晶体中同层原子间以共价键结合, 平面结构的层与层之间则以分子间力结合。由于层间的结合力较弱, 容易滑动, 因此有导电性和滑动性, 用于铅笔芯、 润滑材料、 电极材料。碳团簇, 如C60, 是由60个碳原子以20个六边形和12个五边形相间组成的32面体球形分子, 形如足球, 具有类似”烯烃”的某些反应性能, 也称”足球烯”, 球碳团簇及其衍生物在超导电性、 半导体、 非线性光学等方面具有奇异性能。碳纳米管是一种由单层或多层石墨卷成的纳米微管, 多层碳管各层之间的间隔为石墨的层间距。碳管两头能够是空的, 也可被半个C60或更大的球碳所封闭。碳纳米管能够是不同禁带宽度的半导体, 能够用于未来电子工业制造电子器件和超薄导线, 使电子芯片集成度更高, 体积更小, 也是制备高强度轻质材料的理想组元。

3． Sn1－xCnxO2 , 存在于黑漆古铜镜中, 是表层耐磨物质;
Y2O2S:Eu3+ , 可用作彩色电视的发光材料;
GaAs1-xPx, 制备发光二极管的材料。
( 另外还能够举出许多例子)

4．聚苯乙烯中的链节、 重复单元都是, 聚合度是n。
聚酰胺—610,有两个链节: 和, 两个链节组成一个重复单元, 聚酰胺的聚合度是2n。
【注意】高分子化合物的重复单元能够包含不同的链节, 聚合度以链节数来计量。特别注意, 在聚酰胺化学式中, 名称后的第一个数字指二元胺的碳原子数, 第二个数字指二元酸的碳原子数, 因此聚酰胺—610是由己二胺和癸二酸为单体缩聚而得的。

5．
名称
化学式
类型
聚丙烯

碳链高分子
聚丙烯腈

碳链高分子
尼龙—66

杂链高分子
聚二甲基硅氧烷

元素有机高分子

6．
高分子名称
单体化学式
命名
聚乙烯
CH2＝CH2
乙烯
聚丙烯
CH3CH＝CH2
丙烯
聚氯乙烯
ClCH＝CH2
氯乙烯
聚苯乙烯

苯乙烯
聚四氟乙烯
CF2＝CF2
四氟乙烯
聚异戊二烯

2-甲基-1, 3-丁二烯
( 异戊二烯)
聚酰胺
H2N(CH2)6NH2
HOOC(CH2)4COOH
己二胺
己二酸

己内酰胺
聚甲基丙烯酸甲酯

2-甲基-丙烯酸甲酯
聚环氧乙烷

环氧乙烷
聚丙烯腈
CH2＝CHCN
丙烯腈
聚丙烯酰胺

丙烯酰胺
聚对苯二甲酸乙二(醇)酯

HO CH2 CH2OH
1, 4-苯二甲酸( 对苯二甲酸)
乙二醇
酚醛树脂
, HCHO
苯酚
甲醛
聚二甲基硅氧烷

二甲基二羟基硅烷
ABS
CH2＝CHCN,
CH2＝CH—CH＝CH2,
丙烯腈, 1, 3-丁二烯, 苯乙烯

7．答: 蛋白质分子是一条或多条多肽链构成的生物大分子, 多肽链由氨基酸经过肽键( 酰胺键, —CO—NH—) 共价连接而成, 相对分子质量可从一万到数百万。各种多肽链都有自己特定的氨基酸顺序, 人体蛋白质由20种氨基酸组成, 除脯氨酸外, 其它19种均是α-氨基酸, 结构通式为R—CH(NH2)COOH, R是每种氨基酸的特征基团。蛋白质有不同层次的结构, 分为一级、 二级、 三级和四级结构。多肽链中氨基酸的数目、 种类和连接顺序称为蛋白质的一级结构; 多肽链中若干肽段在空间的伸张方式, 如α-螺旋、 β-折叠等称二级结构; 多肽链在二级结构基础上, 依靠基团相互作用进一步卷曲、 折叠而成的更复杂的三维空间结构称三级结构; 两条或两条以上具有三级结构的多肽链按特定方式结合而成的聚合体称四级结构。一级结构又称为基本结构, 二级结构以上属高级结构。一般只有那些具有高级结构的蛋白质才有生物活性。
脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)由磷酸、 脱氧核糖或核糖、 有机碱组成, 有机碱分别为腺嘌呤( Adenine) , 鸟嘌呤( Guanine) , 胞嘧啶( Cytosine) , 胸腺嘧啶( Thymine) 和尿嘧啶( Uracil) , 简称A, G, C, T, U。它们的基本结构单元是单核苷酸, 单核苷酸经过3’, 5’-磷酸二酯键互相连接形成多核苷酸链。DNA和RNA结构之间的主要区别在戊醛糖和嘧啶碱上。核酸与蛋白质一样, 也有特殊的空间结构, DNA经过碱基互补配对原则形成双螺旋结构。

DNA和RNA的基本化学组成
组成
DNA
RNA
酸
H3PO4
H3PO4

戊
醛
糖

脱氧核糖

核糖

有
机
碱
嘌呤碱

腺嘌呤( A) 鸟嘌呤( G)

腺嘌呤( A) 鸟嘌呤( G)
嘧啶碱

胞嘧啶( C) 胸腺嘧啶( T)

胞嘧啶( C) 尿嘧啶( U)

单
核
苷
酸

3’－腺嘌呤脱氧核苷酸 5’－胸腺嘧啶脱氧核苷酸

3’－ 鸟嘌呤核苷酸 5’－ 尿嘧啶核苷酸

8．( 1) 金属有机, C—O, C—O, 化学气相沉积。( 2) DNA, RNA, 蛋白质。

§2.2 固 体
练 习 题 ( p.32)
1．( 1) B, F。 ( 2) D。 ( 3) C、 D、 E、 F。 ( 4) A。

2．熔点高低为: MgO > CaO > CaF2 > CaCl2。因为电荷之间作用力为f = k(Q+Q－)/(r++r－)2, 典型离子晶体的熔点与其作用力有相同的变化规律, 其中以Q+、 Q－为主, r+、 r－ 为参考。

3．熔点高低为: SiC > SiBr4 > SiF4。因为粒子间作用力大小与晶体的熔点高低规律一致, SiC是原子晶体, SiF4和SiBr4为分子晶体, 原子晶体以共价键结合, 分子晶体以分子间力结合, 共价键作用强于分子间力。在同为分子晶体的SiF4和SiBr4中, SiBr4 的相对分子质量大于SiF4, 前者分子间力大于后者。

4．因为钠卤化物是离子晶体, 而所列硅卤化物均为分子晶体。离子晶体以离子键结合, 离子间作用力大, 而分子晶体以分子间力结合, 分子间力较离子键弱, 因此硅卤化物的熔点总比钠卤化物的低。离子键强弱随电荷数增大而增强, 而分子间力随相对分子量的增大而增强, 因此两者间变化规律不一致。

5．(1) 熔点由高到低为: BaCl2 > FeCl2 > AlCl3 > CCl4。因为BaCl2 为典型的离子晶体, 熔点较高; FeCl2 和AlCl3同为过渡型晶体, 高价态的倾向于形成共价键为主的分子晶体, 熔点、 沸点较低; 低价态的倾向于形成以离子键为主的离子晶体, 熔点、 沸点较高。正离子价态越高, 吸引负离子的电子云的能力越强; 负离子的半径越大, 其电子云越易被正离子吸引过去。结果减弱了正、 负离子间作用力。故AlCl3 比FeCl3 更偏向于分子晶体, 熔点更低; CCl4 则为典型的分子晶体, 熔点更低。
(2) 硬度从大到小为: SiO2 > BaO > CO2。因为SiO2 是原子晶体, 硬度最大; BaO是典型的离子晶体, 硬度较大; CO2 为典型的分子晶体, 硬度最小。

6．耐高温金属: W (钨, 熔点3 410℃), Re (铼, 熔点3 180℃) 。W 和Re 用于测高温的热电偶材料。
易熔金属: Hg (汞, 熔点－38.87℃), 用于测体温的温度计。Sn (锡, 熔点231.9℃), 用于制作自动灭火设备、 锅炉安全装置、 信号仪器(表)、 电路中的保险丝等的合金材料。

7．非晶态线型高分子聚合物在不同温度下能够呈现出玻璃态、 高弹态和粘流态等三种不同的物理状态。低温时处于玻璃态, 此时不但高分子的整个分子链不能运动, 连个别的链节也不能运动, 变得如同玻璃一般坚硬。当温度升高到一定程度时, 高分子的整个链还不能运动, 但其中的链节已能够自由运动了, 此时在外力作用下所产生的形变可能达到一个很大的数值, 表现出很高的弹性, 称为高弹态。当温度继续升高, 使整条分子链能够自由运动, 成为流动的粘液, 此时称为粘流态。
由玻璃态向高弹态转变的温度叫做玻璃化温度( Tg) 。由高弹态向粘流态转变的温度叫做粘流化温度( Tf) 。塑料的Tg高于室温, 橡胶的Tg低于室温。作为塑料, 要求在室温下能保持固定的形状, 因此Tg越高越好。作为橡胶, 要求能够保持高度的弹性, 因此Tg越低越好。Tf是高分子化合物成型加工的下限温度。温度高, 流动性大, 便于注塑、 浇塑和吹塑等加工。但Tf过高可能引起分解, 高分子化合物的分解温度是成型加工的上限温度。对高分子材料的加工来说, Tf越低越好; 对耐热性来说, Tf越高越好。Tg与Tf差值越大, 橡胶的耐寒、 耐热性也越好, 其应用温度范围越宽。

8．( 1) 基于橡皮室温下处于高弹态这一力学特征。室温下橡皮塞处于高弹态, 在外力作用下能产生形变, 表现出很高的弹性, 故能够密封容器口使其不漏气。
( 2) 基于BaCl2 的高温稳定性。BaCl2 是典型的离子晶体, 熔点高, 稳定性较好, 不易受热分解, 其熔融态可用作高温时某些金属的加热或恒温介质, 即盐浴剂, 使该经高温处理的金属慢慢冷却保持晶形。
( 3) 基于金属有机化合物中化学键的不同稳定性。过渡金属有机化合物中, M—C键不是典型的离子键, 键能一般小于C—C键, 容易在M—C处断裂, 用于化学气相沉积( CVD) , 能沉积成高附着性的金属膜, 致密的金属膜附着在玻璃上制得镜子。

§2.3 液体和液晶
练 习 题(p.44)
1．( 1) 饱和, 方向, 降低, 氢, 氧
( 2) 1 kg 溶剂
( 3) , -SO3―, —C17H35, , , 油包水型乳状液
( 4) 8, 润湿剂; 16-18, 洗涤剂、 增溶剂。
( 5) 热致液晶, 溶致液晶

2． (1) pH大小: 10℃时 > 20℃时 > 50℃时,
因为pH = －1g[c(H+)／cθ], Kwθ= [c(H+)／cθ]·[c (OH－)／cθ], Kwθ 随温度升高而升高, 故 c(H+) 随温度升高而升高, pH随温度升高而减小。
(2) 电导率大小: 10℃时 < 20℃时 < 50℃时, 因为KWθ随温度升高, 电离出来的OH－、 H+ 都增加, 因此电导率增大。
(3) 凝固点高低: 0.1 mol×kg－1 > 0.2 mol×kg－1 > 0.5 mol×kg－1, 因为, , 表示溶液的凝固点下降值, 、 分别表示纯溶剂和溶液的凝固点; 是溶质的质量摩尔浓度, 单位为mol·kg-1, 为凝固点下降常数, 取决于纯溶剂的特性而与溶质特性无关。
(4) 凝固点高低: C6H12O6的 > NaCl的 > Na2SO4的, 因为C6H12O6 是非电解质, NaCl 和Na2SO4 是强电解质, 在水溶液中电离出的离子数不同, 0.1 mol·kg-l NaCl和0.1 mol·kg-l Na2SO4 溶液的实际质点的质量摩尔浓度分别为0.2 mol·kg-l 和0.3 mol·kg-l, 根据凝固点下降公式, 凝固点随质点数的增加而降低。
(5) 渗透压高低: 0.1 mol×kg－1 < 0.2 mol×kg－1 < 0.5 mol×kg－1, 因为 P=cRT, 浓度增大, 渗透压也增大。

3．(1) 水的气化热( 100℃时的气化热为40.67 kJ·mol-1) 很大, 水气化成水蒸气时要吸收大量热, 水的摩尔热容( 25℃时为75.4 J·mol-1·K-1) 也很大, 使水升高温度需要吸收较大的热, 水温受环境温度影响较小, 因此水是廉价安全的制冷剂和载冷剂。
( 2) 水的摩尔热容很大, 使水升高温度能够吸收较大的热, 工厂常见喷水来降温。
( 3) 雪熔化成水需要从环境中吸收熔化热( 在101.325 kPa时为6kJ·mol-1) 。
( 4) 表面活性物质具有润湿作用, 含有表面活性物质的水溶液容易在固体表面铺展开来而润湿整个表面。
( 5) 表面活性物质浓度大于临界胶束浓度时, 溶液中内部的表面活性物质分子的憎水基之间互相以分子间力缔合形成胶束, 胶束中能使溶液溶解一些原本不溶或微溶于水的物质, 即表面活性物质具有增溶作用。
( 6) 含有少量表面活性物质的水溶液容易在固体表面铺展开来而润湿整个表面, 带走油污, 水剂价廉、 安全无毒, 而汽油、 煤油等有机溶剂存在一定毒性, 因此用溶有表面活性物质的水剂清洗油污是一项既节能又安全的措施。
( 7) 乳化燃料指由燃料油( 煤油、 汽油、 柴油、 重油、 渣油) 和水组成的油包水型
乳化液。水是分散相, 均匀地悬浮在油中, 燃料油则包在水珠的外层。由于水的沸点低于燃料, 高温下包裹在油滴中的水珠发生”微爆”作用, 使油滴变得更小, 有利于燃烧。另外, 能够发生水煤气反应等化学作用, 即: C + H2O = CO + H2, C + 2 H2O = CO2 + 2 H2, CO + H2O = CO2 + H2,
2H2 + O2 = 2H2O

, 使燃烧反应更趋完全。因此, 乳化燃料能够节约能源、 减少污染。

4．
物质
化学式
作用
四乙基铅
(C2H5)4Pb
提高汽油辛烷值, 高度有效抗爆剂
甲基叔丁基醚
CH3—O—C(CH3)3
提高汽油辛烷值
硝酸异辛酯
CH3CH2 CH2 CH2 CH(CH2 CH3)CONO2
柴油十六烷值改进剂
2,6-二叔丁基对甲酚

抗氧化剂

5．常见表面活性物质的分类、 结构举例
阴离子型
类别
羧基酸类
烷基磺酸类
烷基芳基磺酸类
硫酸酯类
结构式
R—COONa
R—SO3Na

R—OSO3Na
名称
C17H35COONa
硬脂酸钠
(肥皂主要成分)

烷基酰胺磺酸钠

十二烷基苯磺酸钠

2-乙基-己基硫酸钠
阳离子型
类别
胺基盐类
季铵盐类
吡啶盐类
结构式

名称
氯化烷基胺

溴化十六烷基三甲基铵
烷基氯代吡啶
非离子型
类别
酯类
醚类

结构式

名称
失水山梨醇( 斯盘)
聚氧乙烯基醇醚( 平平加型)
聚氧乙烯烷基苯酚醚( OP型)
两性
型
结构式

名称
烷基二甲基铵丙酸
卵磷脂
高分子型
类别
阳离子型
阴离子型
结构式

名称
聚-4-乙烯溴化十二烷基吡啶
聚丙烯酸钠

§2.4 气体和等离子体
练 习 题(p.51)
1．(A)
2．(A)

3．(1)据pi = (ni/n)p,
因此有: p(O2) = 100 kPa×0.21 = 21 Pa,
p(N2) = 100 kPa×0.78 = 78 kPa,
p(CNO2) = 100 kPa×0.01 = 1.0 kPa。
(2) 因为pV = nRT , V = 2V0 , 因此p’(CO2) = p(CO2) = 0.50 kPa 。

4． (1) 空气的相对湿度 = p(H2O, 实) / p(H2O, 饱)×100%
查表, 20℃时p(H2O, 饱) = 0.2339 kPa, 则
相对湿度 = (0.1001/0.2339)×100% = 42.80%。
(2) 若温度降低到10℃, 此时水的实际蒸气压为:
p(H2O.实) = 0.1001kPa×283.15 / 293.15 = 0.09669 kPa
查表, 10℃时p(H2O,饱) = 0.1228 kPa
因此, 相对湿度 = (0.09669 / 0.1228)×100% = 78.73%.

5．小于5.6 CO2 、 SO3, H2CO3 、 H2SO4。

6．温室气体CO2、 SO3、 O3、 N2O和CFxClx 等,引起臭氧层破坏的有N2O、 CFxClx 等气体。

7．在对流层: 温室效应, 杀菌作用, 老化作用; 在平流层: 防紫外线。