3.元素的化合价与原子结构的关系
元素的化合价与原子结构有密切的关系，特别是元素原子的最外层电子数直接影响着元素的化合价，对副族元素来说元素原子未充满的次外层或倒数第三层的电子也影响着元素的化合价。因此，将与元素化合价有关的最外层、次外层或倒数第三层的电子称为价电子。
在周期表中，主族元素的最高化合价等于它最外层的价电子数，也就是该元素的族数，非金属元素的最低化合价等于最外层达到8个电子稳定结构所需要的电子数，即族数－8＝最低化合价。例如氯元素处于ⅦA族，那么它的最高化合价为＋7，最低化合价为7－8＝－1。同样，碳元素处于第ⅣA族，它的最高化合价为＋4，最低化合价为4－8＝－4。
元素周期律和元素周期表最初是在1869年由俄国化学家门捷列夫发现并编制的，直到20世纪才发展到现在的形式。它是学习化学的工具，指出了元素及其化合价的性质变化规律。
第三节 化学键和分子结构
一、化学键
物质通常以分子形式或晶体形式存在，分子是由原子组成的。那么，原子是怎样互相结合成分子的呢？为什么它们能形成数以万计的物质呢？这就要在原子结构的基础上进一步探讨，经化学专家测定得出相邻的原子与原子之间存在着相互作用，破坏它，将它们分开要消耗比较大的能量。这种相邻原子间的强烈相互作用通常叫做化学键。
化学键主要分成离子键、共价键、金属键三种。
（一）离子键和离子晶体
1.离子键
我们都知道食盐主要由氯化钠组成，它是由金属钠和氯气发生反应生成的，在反应时，钠原子最外层的一个电子失去，转移到氯原子最外层上去了，形成了带一个单位正电荷的钠离子（Na＋）和带一个单位负电荷的氯离子（Cl－），这两种电子的最外层都达到了8个电子，相似于零族元素的稳定结构。钠离子和氯离子由于分别带着相反的电荷而产生静电吸引彼此靠近，但是另一方面两离子中的电子与电子、原子核与原子核之间还存在相互排斥作用，Na＋和Cl－离子又不能靠得很近，这两种作用使两种离子保持着一定的距离，吸引和排斥达到平衡，这就形成了钠离子和氯离子之间稳定的化学键。
可以用电子式表示氯化钠的生成。
像氯化钠那样，阴、阳离子通过静电引力所形成的化学键叫做离子键。
凡是活泼的金属和活泼的非金属反应时都能形成离子键。
2.离子结构的特点
主族元素形成的简单离子，最外层电子一般达到2或8的稳定结构，具有稀有气体的原子结构，除H＋外层无电子及Li＋、Be2＋的最外层是2个电子外，其他的最外层均为8个电子。副族元素和第Ⅷ族元素形成的简单金属离子，它们的最外层常常是不饱和的，例如Cu2＋最外层为17个电子，Fe2＋为14个电子，但有时也是饱和的，例如Zn2＋和Ag＋最外层均为18个电子饱和的稳定结构。
一般来说，阳离子的半径比相应的原子小，例如Na原子半径为1．86×10－8cm，Na＋的半径为0．97×10－8。而阴离子的半径比相应的原子大，如Cl原子的半径为0．97×10－8cm，而Cl－的半径为1．81×10－8cm。对具有相同电子层结构的离子，随着核电荷数的增加，离子半径逐渐减小。离子所带电荷的符号和数量与原子成键时得失电子有关。例如，Ca氧化生成氧化钙时，每个钙原子失去两个电子形成钙离子，每个氧原子得到两个电子形成氧离子。
3.离子晶体
由离子键形成的物质在常温下一般以晶体的形式存在。这种由阴阳离子通过离子键形成的有规则的排列的晶体称为离子晶体。例如氯化钠、氧化镁、氟化钙都是离子晶体。在离子晶体中，由于离子键比较牢固，因此离子键的结合比较紧密，造成离子晶体具有较高的熔点和较大的硬度，难以拉伸，不易挥发，大多数能溶于水等性质。
（二）共价键
1.共价键的形成
很多分子是以共价键相结合的，例如氢气（H2）、氯化氢（HCl）、二氧化碳（CO2）等。
下面以氢气微粒来说明共价键的形成。
当两个氢原子充分接近时，每个氢原子上的核外电子，不但受到自己原子核的吸引，而且被另一个氢原子核所吸引，改变了氢原子原有的运动状态，这样，氢原子上的电子不是被转移到另一个氢原子上去，而是围绕这两个氢原子核运动，为两个氢原子所共用。每个氢原子核外有2个共用电子，构成了具有氦原子的稳定结构，形成了氢分子。
氢分子的形成过程可以用电子云的重叠形象地说明。当两个氢原子相互接近时，因各自受对方原子核的吸引，使两个原子的电子云发生部分重叠，形成稳定的氢原子，电子云的重叠越多，分子就越稳定。
像氢分子那样，原子间通过共用电子对（电子云重叠）所形成的化学键，叫做共价键。在化学上常用一根短线表示共价键，氢分子可用H-H来表示它们的结构，它的电子式为。
其他的双原子分子的形成，例如N2、Cl2、HCl、HB、H2O等均以共价键相结合，成为分子。
氮分子的形成过程中，它的共用电子对不是一对而是三对，叫做共价三键。
HCl、H2S、H2O虽然由不同原子以共价键相结合，但形成过程也与H2相似。
2.非极性键和极性键
在单质分子中，同种原子形成共价键，两个原子吸引电子的能力相同，共用电子对不偏向任何一个原子，成键的原子都不显电性。这样的共价键叫做非极性共价键，简称非极性键。例如H-H键、Cl-Cl键都是非极性键。
在化合物分子中，不同种原子形成共价键，由于不同原子吸引电子的能力不同，共用电子对必然偏向吸引电子能力较强的原子一方，因而吸引电子能力较强的原子就带部分负电荷，吸引电子能力较弱的原子就带部分正电荷。这样的共价键叫做极性共价键，简称极性键。例如，在HCl分子里，Cl原子吸引电子的能力比H原子强，共用电子对偏向Cl原子一端，使Cl原子带部分负电荷，H原子带部分正电荷。因此，HCl分子可以表示为。
在离子键里，电子从一个原子完全转移给另一个原子；在非极性键里，电子对平均地为两个原子所共有。可见，极性键处于离子键到非极性键的过渡状态，也就是说，离子键和共价键并没有绝对的界限。
第四节 化学反应速率 化学平衡
一、化学反应速率
（一）化学反应速率
化学反应速率是指化学反应进行快慢的程度，通常用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增大来表示。浓度的单位一般是摩/升，反应速率的单位就是摩/（升·分）［mol/（L·min）］或摩/（升·秒）［mol/（L·s）］。
例如，二氧化硫的氧化反应，如开始时二氧化硫的浓度是2mol/L，反应2min后，二氧化硫的浓度变成1．6mol/L，这就是说在这2min内，二氧化硫的平均反应速率为0．2mol/（L·min）。
（二）影响化学反应速率的因素
影响化学反应速率的最主要因素是参加反应的物质的性质。不同的化学反应，速率不同。对于同一个化学反应来说，它的速率还要受到许多外界条件的影响，如浓度、压强、温度和催化剂等。
1.浓度对化学反应速率的影响
当其他条件不变时，增加反应物浓度，可以增大反应速率。
例如，硫在纯氧中燃烧比在空气中燃烧剧烈得多，这说明硫和氧的化合反应在氧的浓度增大时进行得快。
在硫代硫酸钠溶液跟稀硫酸的反应中：
Na2S2O3＋H2SO4Na2SO4＋SO2＋S↓＋H2O
硫代硫酸钠溶液的浓度不同时，析出硫的速率不同，溶液变混浊所需时间就不同，浓度大时析出硫很快，溶液很快就变浑了；浓度小时析出硫较慢，溶液变浑也较慢。
2.压强对化学反应速率的影响
对于有气体参加的反应，当其他条件不变时，增大反应物的压强，可以增大反应速率。由于增大压强就相当于增大气体反应物的浓度，因此压强对反应速率的影响，跟反应物浓度对反应速率的影响是一致的。对于只有固体、液体或溶液参加的反应，由于改变压强对它们的体积改变很小，可以认为对反应速率没有影响。例如合成氨反应中，增大压强可以加快反应速率；而在酸碱溶液的中和反应中，改变压强就对反应速率不产生什么影响。
3.温度对化学反应速率的影响
当其他条件不变时，升高温度，可以增大反应速率。
许多化学反应在温度较低时并不发生或进行得很慢，但在高温时就会剧烈反应，例如碳酸氢铵在常温时能够分解，温度越高，分解快。
4.催化剂对化学反应速率的影响
催化剂是指在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有改变的物质。催化剂也叫触媒。催化剂在化学反应中所起的作用叫做催化作用。
其他条件如光、超声波、激光、放射线、电磁波、反应物颗粒的大小、扩散速率、溶剂等对反应速率也有影响。例如，许多物质要保存在棕色瓶中，就是为了防止或减缓由光引起的化学反应。又如煤粉燃烧就比煤块燃烧快得多。
二、化学平衡
化学反应速率研究的是反应进行的快慢，化学平衡研究的是反应进行的方向和程度，也就是向什么方向进行和多少反应物能转化为生成物的问题。
（一）可逆反应
在化学反应中，把向生成物方向进行的反应叫正反应，向反方向进行的反应叫逆反应。在同一条件下，既能向正反应方向进行，同时又能向逆反应方向进行的反应叫做可逆反应。可逆反应通常用“”表示，例如，二氧化碳溶于水生成碳酸的反应就是可逆反应，可表示为
CO2＋H2OH2CO3
还有许多反应，在同一条件下，不能同时向两个方向进行，而只能以一个方向进行，例如，由氯酸钾制取氧气，可以认为氯酸钾几乎全部分解，这类反应可以看作不可逆反应。
（二）化学平衡
在一定条件下，可逆反应中正反应速率和逆反应速率相等，反应混合物中各组成成分的含量保持不变的状态，叫做化学平衡状态。
在可逆反应中，反应开始时，反应物的浓度大，正反应速率大。随着反应的进行，反应物的浓度逐渐减小，正反应速率就相应减小，生成物的浓度逐渐增大，逆反应速率相应增大。反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，这是反应物和生成物的浓度不再发生变化，也就是达到化学平衡状态。
化学平衡状态主要有三个特征：
“动”——化学平衡是动态平衡，在平衡时，正反应速率等于逆反应速率，正反应和逆反应都在进行，它们的速率都不为零。
“定”——条件不改变，可逆反应达到平衡时，反应混合物中各组成成分的含量一定。
“变”——条件改变时，正反应速率和逆反应速率都要发生变化，反应混合物中各组成成分的含量也要改变，化学平衡发生移动，建立新的平衡。
（三）化学平衡的移动
化学平衡是可逆反应在一定条件下的一种相对稳定状态，反应条件改变时，平衡混合物中各组成成分的含量也随着改变而达到新的平衡状态，这叫做化学平衡的移动。
浓度、压强和温度的改变都可以使化学平衡发生移动。
1.浓度对化学平衡移动的影响
当一个化学反应达到平衡，其他条件不变时，增大反应物浓度或减小生成物浓度，平衡会向正反应方向移动；减小反应物浓度或增大生成物浓度，平衡会向逆反应方向移动。
例如，在氯化铁溶液中加入硫氰化钾溶液，可以生成氯化钾和红色的硫氰化铁，达到平衡以后，再加入氯化铁溶液或硫氰化钾溶液，可以看到溶液的红色加深，这说明增大反应物浓度，平衡向生成硫氰化铁的方向移动。
FeCl3＋3KSCNFe（SCN）3＋3KCl
应该注意的是，上面所提到的浓度的改变是指溶液或气体的浓度改变。对于固体，一般认为它的浓度是常量，不必考虑它对化学平衡移动的影响。
2.压强对化学平衡移动的影响
处于平衡状态的反应混合物里，不管是反应物或生成物，只要有气态物质存在，改变压强也常常会使化学平衡移动。实验证明，增大压强，会使化学平衡向气体体积缩小的方向移动。例如，在合成氨的反应中：N2（g）＋3H2（g）2NH3（g），1体积N2与3体积H2反应生成2体积NH3，即反应后气体的总体积减小了。
对于达到平衡的这一反应，增大压强，会使平衡向正反应方向移动；减小压强，会使平衡向逆反应方向移动。
应该注意的是，对于没有气体参加，也没有气体生成的反应或反应前后气体总体积不变的反应，仅仅改变压强不会使化学平衡发生移动。例如：
H2（g）＋I22HI（g）
3.温度对化学平衡移动的影响
在吸热或放热的可逆反应里，反应混合物达到平衡状态以后，改变温度也会使化学平衡移动。实验证明，当其他条件不变时，升高温度，化学平衡向吸热反应方向移动；降低温度，化学平衡向放热反应方向移动。
以二氧化氮跟四氧化二氮互相转化的反应为例，生成四氧化二氮的反应是放热的，因此降低温度，平衡向生成四氧化二氮的方向移动，有更多的四氧化二氮生成。
2NO2（g）N2O4（g）
