物质:状态、性质与万物为何变化
在现行 Chemistry CBE 中，考查的是依据质量守恒书写与配平化学方程式，以及识别五大反应类型——化合、分解、单置换、双置换、燃烧（TEKS 9A、9B）。开头部分的物质状态、物理性质与化学性质的区分、混合物与纯净物，属于基础背景知识，并不是 2020 Chemistry TEKS 的学习目标（student expectation）。
在现行 Chemistry CBE 中，受考查的是反应类型（化合、分解、单置换、双置换、燃烧）以及依据质量守恒书写与配平化学方程式（TEKS 9A、9B）。物质的状态、物理性质与化学性质的区分、混合物与纯净物属于基础背景知识，并不在 2020 Chemistry TEKS 的学习目标（student expectation）之列。我们保留这些内容，是因为这些化学知识本身是真实的，而受考查的内容默认你已掌握它们。
物质是所有占据空间且具有质量的东西
这个看似平常的定义其实做了很多工作。光不是物质(没有质量,也没有日常意义上的体积)。磁场不是物质。但化学研究的一切——原子、分子、离子、溶液、气体、你呼吸的空气——都是物质。
物质以状态存在。三种物质状态:
- 固体——形状确定,体积确定。微粒在固定位置振动。
- 液体——形状不定(随容器形状而变),体积确定。微粒之间可以互相滑动。
- 气体——形状和体积都不定(充满容器)。微粒自由运动,彼此相距很远。
(等离子体——高温下的电离气体——是第四种状态,考得较少。)
描述性质的两种方式
强度性质不随样品大小变化:密度、温度、颜色、熔点、折射率。一勺水银和一整个奥运会泳池的水银,密度都是 13.6 g/cm³。
广度性质会随样品大小变化:质量、体积、总热量、长度。泳池里的水银质量比一勺要大得多。
另外分开来看:
- 物理性质——不改变物质本身即可观察到(颜色、熔点、密度)。
- 化学性质——描述该物质如何反应(可燃性、与酸反应能力)。
物理变化 vs 化学变化
物理变化只改变形态,不改变本质。冰融化成水仍然是 H₂O——分子没有改变,只是重新排列。撕纸、把糖溶解在水里、把水烧开——都是物理变化。
化学变化会形成具有新性质的新物质。铁生锈(Fe + O₂ → Fe₂O₃)、木材燃烧(燃烧反应)、小苏打+醋起泡(酸碱反应)。原本的物质消失,出现新的物质。
需要记住的五个化学变化标志:
- 颜色变化(而非物理混合造成的颜色变化)
- 产生气体(不是因为沸腾而产生的气泡)
- 生成沉淀(由澄清液体产生不溶性固体)
- 放热/发光(或温度持续变化)
- 难以逆转(烧过的木头无法"取消燃烧")
需要注意的是,这些迹象是"提示",不是"铁证"。有的物理变化也会伴随明显的能量吸收或放出(例如冰融化吸热、水蒸气液化放热)。真正判断依据依然是:反应前后的物质是否是同一种物质。若分子式发生变化,即可判断为化学变化。
纯净物 vs 混合物
- 纯净物——只有一种成分。要么是元素(单一原子种类:Au、O₂、Fe),要么是化合物(以固定比例化学结合的原子:NaCl、H₂O、CO₂)。
- 混合物——两种或多种物质在物理层面混合,可以用物理方法分离。
- 均相混合物 = 各处成分均匀(盐水、空气、黄铜)
- 非均相混合物 = 各处不均匀,区域清晰(油+水、沙+水、麦片)
质量守恒——第一原则
在任何宏观化学反应中,质量既不能被创造也不能被消灭。反应物的总质量等于产物的总质量。(拉瓦锡在 1789 年通过密封瓶实验证明了这一点。)
这为什么重要:任何化学方程式都必须配平——两侧原子种类和数量都必须相同。如果开始有 2 mol H₂ 和 1 mol O₂,你不可能只得到 1 mol H₂O——左边有 4 个 H 原子,而右边只有 2 个。配平后的方程式是 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O。
必须一眼认出的五种反应类型
- 化合(合成)反应: A + B → AB。两种或多种反应物结合成一种产物。例:2 H₂ + O₂ → 2 H₂O。
- 分解反应: AB → A + B。一种化合物分解为更简单的物质。例:2 KClO₃ → 2 KCl + 3 O₂。
- 单置换反应: A + BC → AC + B。较活泼的元素置换出另一元素。例:Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu。
- 双置换反应: AB + CD → AD + CB。两种化合物交换成分,常生成沉淀、气体或水。例:AgNO₃ + NaCl → AgCl(s) + NaNO₃。
- 燃烧反应: 燃料 + O₂ → CO₂ + H₂O + 能量。在空气中燃烧碳氢化合物。例:CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O。