康奈爾大學(xué)留學(xué)生應(yīng)該了解的9個(gè)基本化學(xué)定律!

化學(xué)是分析、測(cè)試和研究不同原子、電子、元素、分子和許多其他粒子之間的相互作用和反應(yīng)的科學(xué)分支。化學(xué)反應(yīng)每天都在我們身邊發(fā)生，因?yàn)榛瘜W(xué)相互作用和反應(yīng)并不是隨機(jī)發(fā)生的，而是受許多化學(xué)定律的支配，這些定律是科學(xué)家多年前為人類文明所發(fā)現(xiàn)的。在本文中，我們將介紹 9 條主要的化學(xué)定律，以及它們是如何發(fā)揮作用的... 讓我們開(kāi)始吧!

一、化學(xué)定律

化學(xué)定律有很多，并隨著每一次新的發(fā)現(xiàn)而變化和發(fā)展。這些定律與我們所知道的所有其他定律共同作用，制約著其他現(xiàn)象和反應(yīng)。無(wú)論是生物定律、數(shù)學(xué)定律還是物理定律，它們都被視為 "自然法則"。

在化學(xué)中，有三個(gè)定律被認(rèn)為是 "化學(xué)基本定律"，它們是

a.質(zhì)量守恒定律

b.恒定比例定律

c.多比例定律

在化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，您可能與這些定律有過(guò)密切的接觸，但不一定知道它們的真正名稱。在此，我們將對(duì)它們逐一進(jìn)行詳細(xì)討論。

1.質(zhì)量守恒定律

質(zhì)量守恒定律可追溯到 1789 年安托萬(wàn)-洛朗-德-拉瓦錫的發(fā)現(xiàn)，他指出"質(zhì)量在化學(xué)反應(yīng)中既不產(chǎn)生也不消滅"。換句話說(shuō)，即使對(duì)于一個(gè)封閉的系統(tǒng)，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物的總質(zhì)量在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中和反應(yīng)的任何時(shí)候都保持不變。

這一結(jié)論已被計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所證明，因?yàn)閹缀跛刑烊淮嬖诘脑卦诘厍虮砻嫫毡榇嬖诘臈l件下都非常穩(wěn)定。這為現(xiàn)代化學(xué)奠定了基礎(chǔ)。這一定律是公認(rèn)的現(xiàn)代原子理論的基石之一，與質(zhì)量守恒定律和定比例定律并列。這些定律共同強(qiáng)化了道爾頓的假設(shè)和概念，即物質(zhì)是由物質(zhì)的組成元素(即原子)的各種不可分割的組合構(gòu)成的。

2.穩(wěn)定關(guān)系定律

該定律又稱恒定比例定律或普魯斯特定律，由法國(guó)化學(xué)家路易-普魯斯特根據(jù)他在硫化物、金屬氧化物和硫酸鹽方面的研究成果于 1779 年首次發(fā)表。不過(guò)，化學(xué)家安托萬(wàn)-拉瓦錫(Antoine Lavoisier)和約瑟夫-普里斯特利(Joseph Priestley)最早提到了這一定律。

根據(jù)該定律"構(gòu)成特定化合物的單個(gè)元素?zé)o論其來(lái)源如何，都以固定的比例(按質(zhì)量計(jì))存在"。

為了更好地理解，一個(gè)純水分子總是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成，比例是眾所周知的 2:1。一克純水(如果你對(duì)數(shù)字感興趣的話)含有約 0.11 克氫原子和 0.88 克氧原子。另一個(gè)遵循這一定律的化合物的著名例子是甲烷。一個(gè)甲烷分子需要四個(gè)氫原子和一個(gè)碳原子。

這一定律的例外情況是非化學(xué)計(jì)量化合物，即不同樣品中元素的比例各不相同。眾所周知，含有不同同位素組成元素的樣品和天然聚合物也會(huì)違背這一定律。二氧化氮分子(NO2)的氮氧原子數(shù)比為 1:2，質(zhì)量比為 14:32(或 7:16)。因此，它不符合標(biāo)準(zhǔn)比例定律。

這一定律最初并未受到科學(xué)界的歡迎，反而遭到了強(qiáng)烈反對(duì)。直到道爾頓提出原子理論，這一定律才被采納。瑞典化學(xué)家雅各布-貝采里烏斯于 1811 年建立了理論與定律之間的聯(lián)系，這一定律才被采納。

3.多重關(guān)系定律

1804 年，英國(guó)氣象學(xué)家約翰-道爾頓提出了所謂的道爾頓定律，沿用了英國(guó)氣象學(xué)家約翰-道爾頓將元素組合成化合物的思想。根據(jù)這一定律"當(dāng)元素結(jié)合成化合物時(shí)，原始元素的比例可以用小整數(shù)的比率來(lái)表示"。例如，碳和氧反應(yīng)生成一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)，CO 與氧的比例為 1:1，CO2 與碳的比例為 1:2，兩者都是簡(jiǎn)單整數(shù)。

4.化學(xué)公式

一個(gè)人的化學(xué)素養(yǎng)體現(xiàn)在他能夠形成和使用簡(jiǎn)單的通用語(yǔ)言，輕松地表達(dá)和表示化合物、分子甚至單個(gè)元素。它們都是通過(guò)幾個(gè)字母和數(shù)字來(lái)表達(dá)一系列反應(yīng)和相互作用的。

這種通用語(yǔ)言被稱為化學(xué)式。其定義如下"用化學(xué)符號(hào)和數(shù)字字符表示一個(gè)單位化合物組成的表達(dá)式"。請(qǐng)不要混淆 "化學(xué)式 "和 "結(jié)構(gòu)式 "的定義和使用。"結(jié)構(gòu)式 "是一種二維圖形，顯示組成分子或化合物的原子的空間關(guān)系。

化學(xué)式完全取決于化合物中連續(xù)原子的數(shù)量及其比例，用數(shù)字表示。這些化學(xué)式可以很簡(jiǎn)單，如 H(指氫)，也可以很復(fù)雜，如 CH3CH2OH(指乙醇)。

二、有機(jī)化學(xué)定律

有一個(gè)特殊的化學(xué)分支專門(mén)用于學(xué)習(xí)和理解(但不是死記硬背)有機(jī)化合物以及它們之間的所有相互作用和關(guān)系。有機(jī)化學(xué)要求真正熱愛(ài)化學(xué)的學(xué)生理解和記憶所有化合物的定律和命名法。這個(gè)分支受許多 "普通 "化學(xué)定律的支配，但也受其他特殊定律的支配，以適應(yīng)該分支的特殊性。

除了學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)外，有機(jī)化學(xué)還可以很好地歸入 "黃金法則 "的范疇。堆肥、有機(jī)燃料、酒精、尿素和丙酮都是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ?jiàn)的有機(jī)化合物。

1.阿伏加德羅定律

如果您只在入門(mén)課程中學(xué)習(xí)過(guò)化學(xué)，那么您可能已經(jīng)接觸過(guò)阿伏加德羅定律。這一著名定律指出"在相同的溫度和壓力下，相同體積的氣體含有相同數(shù)量的分子"。

這一經(jīng)驗(yàn)定律于 1811 年提出，以都靈大學(xué)物理學(xué)教授阿梅代奧-阿伏伽德羅的名字命名。然而，他的定律直到 1958 年才被科學(xué)界接受，當(dāng)時(shí)意大利化學(xué)家斯坦尼斯勞-坎尼扎羅(Stanislao Cannizzaro)提出的化學(xué)邏輯體系完全基于這一定律。

阿米迪奧提出，在相同的溫度和壓力下，理想氣體在相同的體積內(nèi)具有相同數(shù)量的分子!這個(gè)特殊的分子數(shù)在科學(xué)上被稱為阿伏加德羅數(shù)，等于 6.02214076 x 1023 個(gè)分子。

其數(shù)學(xué)表示如下

V α n 或

V/n = κ

其中

V：氣體的體積

n：氣體物質(zhì)的數(shù)量(以摩爾為單位)

k：給定溫度和壓力下的常數(shù)

在兩種條件下，相同化合物和物質(zhì)之間的比值表示為：V1/n1=V2/n2。

這個(gè)等式給出了氣體的摩爾數(shù)與體積的比值，其中氣體的摩爾數(shù)與體積成正比。

2.波義耳定律

"在恒溫條件下，一定量氣體的壓強(qiáng)與其所占體積成反比變化"。波義耳定律是另一個(gè)描述和處理氣體壓縮和膨脹的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。它由物理學(xué)家羅伯特-波義耳于 1662 年提出，其數(shù)學(xué)公式如下。

p α 1/V 或

pV = K

其中

P：氣體施加的壓力

V：氣體占據(jù)的體積

K：比例常數(shù)

如果將氣體置于容器中，并在容器內(nèi)或通過(guò)容器做功，則可利用以下關(guān)系確定壓力值：

p1V1 = p2V2。

這一定律在許多應(yīng)用中都有實(shí)際應(yīng)用，本篇有趣的文章將討論其中的一些應(yīng)用： 波義耳定律的 3 個(gè)最重要應(yīng)用"。

3.查爾斯定律

科學(xué)家雅克-查爾斯在 1780 年代未發(fā)表的著作中提出了這一定律，也被稱為 "體積定律"。該定律指出"如果壓力保持不變，恒量氣體所占的體積與其絕對(duì)溫度成正比"。坦率地說(shuō)，這一定律描述了氣體在加熱時(shí)如何有利于膨脹。

數(shù)學(xué)公式如下

V a T，或

VT = K。

如果進(jìn)行比較，我們可以使用以下公式：

V1/T1 = V2/T2。

從這些等式中我們可以得出結(jié)論：溫度和體積之間存在反比關(guān)系。

4.蓋-呂薩克定律

該定律由法國(guó)化學(xué)家約瑟夫-蓋-呂薩克(Joseph Gay-Lussac)于 1808 年提出，是氣體定律的另一個(gè)重要基石。它指出"假定質(zhì)量和體積不變，完全氣體的壓力和溫度成正比"。

該定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

P a T，或

P/T = K。

請(qǐng)注意，T 是氣體的絕對(duì)溫度，而不是任何隨機(jī)溫度。

蓋-呂薩克效應(yīng)在我們的日常生活中隨處可見(jiàn)。例如，在冬天觀察汽車輪胎氣壓是否下降，或者觀察家中的丙烷罐。輪胎和丙烷罐會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而顯示出較高或較低的壓力。

5.完美氣體定律

這也被稱為 "一般氣體方程"。盡管該定律有一些局限性，但它是許多不同條件下氣體行為的良好近似值。

該定律由 Benoît Paul Émile Clapeyron 于 1834 年提出，是前面提到的所有定律，即阿伏加德羅定律、波義耳定律、查爾斯定律和蓋-呂薩克定律的結(jié)合。

該定律指出"對(duì)于給定質(zhì)量和恒定體積的完全氣體，施加在其容器兩側(cè)的壓力與其絕對(duì)溫度成正比。

數(shù)學(xué)表達(dá)如下

pV = nRT、

其中

n：氣體分子數(shù)

R：完全氣體常數(shù)。

在開(kāi)始計(jì)算之前，請(qǐng)確保所使用的溫度 (T) 單位為開(kāi)爾文。R = 8,3145 J.K-1.mol-1，或 m3⋅Pa⋅K-1⋅mol-1。一般來(lái)說(shuō)，這種關(guān)系的簡(jiǎn)單性促使我們將氣體視為理想氣體，除非有相反的充分理由。

化學(xué)，尤其是有機(jī)化學(xué)，是一門(mén)不斷發(fā)展的科學(xué)，它是控制我們生活中一切事物的許多基本規(guī)律和原則的基礎(chǔ)。其他化學(xué)定律，如法拉第定律、格雷厄姆定律和亨利定律等，都是基本的定律，而且完全吻合。

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