化学

Mendeleev’s Periodic Table

Element Symbol	English	Atomic Number
H	Hydrogen	1
He	Helium	2
Li	Lithium	3
Be	Beryllium	4
B	Boron	5
C	Carbon	6
N	Nitrogen	7
O	Oxygen	8
F	Fluorine	9
Ne	Neon	10
Na	Sodium	11
Mg	Magnesium	12
Al	Aluminium	13
Si	Silicon	14
P	Phosphorus	15
S	Sulfur	16
Cl	Chlorine	17
Ar	Argon	18
K	Potassium	19
Ca	Calcium	20
Sc	Scandium	21
Ti	Titanium	22
V	Vanadium	23
Cr	Chromium	24
Mn	Manganese	25
Fe	Iron	26
Co	Cobalt	27
Ni	Nickel	28
Cu	Copper	29
Zn	Zinc	30

IUPAC systematic naming scheme on atomic numbers

digit	symbol
0	nil
1	un
2	bi
3	tri
4	quad
5	pent
6	hex
7	sept
8	oct
9	enn

物质的组成、分类及其变化

组成物质的三种粒子(从宏观讲，物质是由元素组成的。从微观讲，构成物质的粒子有原子、分子和离子等。)

• 分子是保持物质化学性质的一种微粒原子
• 原子是参与化学反应的最小微粒
• 离子是带有电荷的原子或原子团

元素与原子的区别

• 元素：宏观概念，只表示种类，不表示个数
• 原子：微观概念，既表示种类，又表示个数

元素是表示物质的宏观组成，如水是由氢元素和氧元素组成原子表示物质的微观组成，如 1 个水分子是由 2 个氢原子和 1 个氧原子组成

化合价与化学式 (化合价的价数等于每个该原子在化合时得失电子的数量)

• 有关化合价的规定或规律
  1. 单质中元素的化合价为零
  2. 氢元素为+1 价，氧元素为-2 价
  3. 金属元素为正价；非金属元素与金属化合时为负价，与氧化合时为正价
  4. 有些元素在不同的物质中，具有不同的化合价
  5. 在化合物的化学式中，元素的正负化合价的代数和为零
• 化学式的书写
  1. 单质的化学式 用数字表明一个单质分子中所含的原子个数，若为 1 时，可不写，如：O2、Cl2、Fe、P、He、Ne 等
  2. 化合物的化学式 正价元素的符号写在左方负价元素的符号写在右方。若化合物中含有复杂离子或原子团时，也是正价在左，负价在右

物质分类

• 纯净物和混合物
  1. 宏观角度是以物质的种类来区分。纯净物只由一种物质组成；混合物则由两种或多种物质组成
  2. 微观角度是以分子的种类来区分。纯净物只含有 → 种分子；混合物则含有两种或两种以上的 分子。 结晶水合物如 CuS04·5H20、Na2C03 · 10H20 等，其中结晶水的数量是一定的，所以，它们是纯净物，不是混合物。
• 单质与化合物
  1. 宏观角度是以元素的种类来区分。由同一种元素组成的纯净物称为单质；由不同种（即两种 或多种）元素组成的纯净物称为化合物。
  2. 微观角度是以组成分子的原子种类来区分。单质的分子由一种元素的原子构成；化合物的分 子则由两种或多种元素的原子所构成。 有些元素可以形成多种单质。这些由同一种元素形成的不同单质，互称同素异形体。例如：金 刚石、石墨和 C60 是碳元素的同素异形体，氧气和臭氧是氧元素的同素异形体。

无机物分类

• 氧化物(由氧元素和另一种其他元素组成的二元化合物，叫做氧化物。如 CuO、S02 等。氧化物可 分为：)
  1. 酸性氧化物 (能跟碱起反应生成盐和水的氧化物，叫做酸性氧化物。例如 CO2、S03 等。从组成上看，非金 属氧化物大多数是酸性氧化物。)
  2. 碱性氧化物 (能跟酸起反应生成盐和水的氧化物，叫做碱性氧化物。例如 CuO、CaO 等。从组成上看，金属 氧化物大多数是碱性氧化物。)
  3. 两性氧化物 (既能与酸起反应生成盐和水，又能与碱起反应生成盐和水的氧化物，叫做两性氧化物。例如 Al203 就是一个常见的两性氧化物。)

有机化学(Organic chemistry)是研究有机化合物的来源、制备、性质、结构、应用机器有关理论和方法的科学

有机化合物特点：

• 可燃性
• 熔点较低
• 不导电
• 难溶于水
• 化学反应速度慢且反应复杂
• 多种异构现象

有机化合物结构是指分子的组成、分子中原子相互结合的顺序和方式、价键理论、分子中电子云分布、三位结构和分子中原子或原子团的相互影响，有机化合物的结构理论包括价键理论、分子轨道理论和共振论

价键理论的基本要点：

• 形成共价键的两个电子，必须自旋方向相反
• 共价键有饱和性，元素原子的共价书等于该原子的未成对电子数
• 当形成共价键时，原子轨道重叠越多，新城的键越强，称最大重叠原理

共价键重叠方式 σ键（头对头）和π键（肩对肩）

杂化轨道理论：能级相近的原子轨道，重新组合成新的原子轨道，成为杂化轨道。杂化轨道数目等于参与杂化的原子轨道数目包含原原子轨道的成分。杂化轨道的方向性更强，成键能力增大。

碳原子SP3杂化

• S轨道能量低，P轨道能量高
• 1个S轨道和3个P轨道进行杂化，形成4个形状一样，能量相同的SP3杂化轨道
• 每个SP3杂化轨道，S成分占1/4，P成分占3/4
• 轨道夹角109°28′，SP3空间构型为正四面体

碳原子SP2杂化

• 1个S轨道和3个P轨道进行杂化，形成3个SP2杂化轨道，有1个P轨道不参与
• 轨道夹角120°，空间构型为平面三角形

碳原子SP杂化

• 1个S轨道和3个P轨道进行杂化，形成2个SP杂化轨道，有2个P轨道不参与
• 轨道夹角180°，空间构型为直线型

有机红外光谱IR

红外光是电磁波的一种，波长（λ，单位cm）和频率（ν，Hz） v = c / λ (c, 光速3x10^10cm*s-1)

分子的振动包括整个分子的振动和分子局部的振动。红外光谱主要是分子局部振动，即基团或化学键振动所产生的。

• 伸缩振动（stretching vibration）,用v表示，原子间沿键轴方向伸长或缩短。又分对称和不对称伸缩振动，该振动仅改变键长，不改变键角
• 弯曲振动（beding vibration），用δ表示，形成化学键的两个原子之一与键轴垂直方向做上下或左右弯曲。该振动只改变键角，不改变键长

红外光谱是用连续改变波长的红外光照射样品，当其一波长的红外光能量恰好与化学键振动所需的能量相同时，就会产生吸收形成吸收峰。用波长（λ）或波长的倒数-波数(cm-1)和透光率（transmittance, T）为坐标作图，就得到红外吸收光谱（infrared spectra, 简称IR）

红外谱图解析基本步骤（鉴定已知化合物）

1. 观察特征频率区：判断官能团，以确定所属化合物的类型
2. 观察指纹区：进一步确定基团的结合方式
3. 对照标准图谱验证

核磁共振NMR（Nuclear Magnetic Resonance）基本原理：一个自旋的核如果不处在外加磁场中，它的自旋取向是任意的；如果放于磁场中，自旋取向有2I+1个，(对于1H，I=1/2)，核在外加磁场中有两个自旋取向，一个与外加磁场同向（α自旋态），另一个与外加磁场反向（β自旋态）当外界提供的能量等于ΔΕ时，则核能就从低能级自旋状态向高能级自旋状态跃迁，即发生核磁共振。质子发生共振时所需要的能量等于两种取向的能级差（ΔΕ），它与外加磁场强度成正比。

核磁共振条件：

• ΔΕ = hν=2μH0
• ν = (2μh)H0

ν为电磁波频率；h为普朗克常数；H0为外加磁场强度

化学位移：在照射频率确定时，同种核因在分子中的化学环境不同而在不同共振磁场强度下显示吸收峰的现象。该现象是由核外电子的屏蔽效应引起的。

屏蔽效应（Shielding Effect）: 有机化合物中氢核与“裸露”的氢核不同，他们周围还有电子，在外加磁场作用下，产生电子环流，从而产生感应磁场，其方向与外加磁场（H0）相反，因而使氢核实际感受到磁场强度要比外加磁场强度稍弱些。为了发生核磁共振，必须提高外加磁场强度，去抵消电子运动产生的对抗磁场的作用。这种氢核外围电子对抗外加磁场所起的作用，成为屏蔽效应。

标准物质-四甲基硅烷(CH3)4SI. TMS

• 屏蔽效应强，共振信号在高场区（Δ值规定为0），绝大多数吸收峰均出现在它的左边。
• 结构对称，是一个单峰
• 容易回收（B.P低），与样品不反应，不缔合

吸收峰的面积与图谱分析：

• 在核磁共振谱中，吸收峰占有的面积与产生信号的质子数目成正比。目前的核磁共振仪都装有自动积分仪，各峰的面积用阶梯曲线表示，峰面积与积分曲线高度成正比。
• 一个化合物究竟有几组吸收峰，取决与分子中H核的化学环境。有几种不同类型的H核，就有机组吸收峰。

烷烃Alkane的命名

• 普通命名法
• 系统命名法
• IUPAC nomenclature