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化学反应

AP 化学 · 知识点 4

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7:42

化学反应

一条镁金属带。用火焰接触它,它会燃烧——燃烧——发出刺眼的光。剩下的不再是镁。它是……

英语旁白 · 英中内嵌字幕

4.1

化学反应导论

教学大纲

学习目标 4.1.A: 识别物质发生化学变化和物理变化的证据。

  • 4.1.A.1 当一种物质的性质发生改变但其组成未发生变化时,即发生了物理变化。物质状态(固、液、气)的改变或混合物的形成/分离是常见的物理变化。
  • 4.1.A.2 当物质转化为新物质(通常具有不同的组成)时,即发生了化学变化。产生热量或光、生成气体、生成沉淀以及/或颜色改变,可作为化学变化发生的潜在证据。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
Magnesium burning: a chemical reaction rearranges atoms and releases energy as light and heat
Magnesium burning: a chemical reaction rearranges atoms and releases energy as light and heat

A chemical reaction 化学反应 rearranges atoms into new substances. Possible evidence includes a color change, a gas or precipitate 沉淀 forming, or a temperature change. These observations alone do not prove that new substances formed. Atoms are conserved, so an equation must be balanced – the same count of each element on both sides.

探索

是化学反应还是不是?

判断每个观察结果是化学反应的迹象还是仅仅是物理变化。

词汇 训练
English 中文 拼音
chemical reaction/ˈkemɪkl rɪˈækʃn/ 化学反应 huà xué fǎn yìng
precipitate/prɪˈsɪpɪteɪt/ 沉淀 chén diàn
4.2

净离子方程式

教学大纲

学习目标 4.2.A: 用配平的化学方程式或净离子方程式表示物质的变化: i. 对于物理变化。 ii. 对于给定的反应物和/或产物身份信息。 iii. 对于给定化学反应中的离子。

  • 4.2.A.1 所有物理和化学过程都可以用配平的方程式进行符号化表示。
  • 4.2.A.2 化学方程式代表化学变化。这些变化是原子重新排列形成新组合的结果;因此,任何化学变化的表示在变化发生前后都必须包含相等数量的每种元素的原子。因此,方程式表明质量和电荷在化学反应中是守恒的。
  • 4.2.A.3 配平的分子方程式、完整离子方程式和净离子方程式是用于表示化学反应的不同符号形式。用于表示反应的形式取决于其使用的上下文。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

When writing aqueous ionic equations, split dissolved strong electrolytes into ions; keep insoluble solids and weak electrolytes in their appropriate forms. A net ionic equation 净离子方程式 shows only the species that actually change, leaving out the spectator ions 旁观离子 that appear unchanged on both sides. It captures the real chemistry (e.g. $\text{Ag}^+ + \text{Cl}^- \rightarrow \text{AgCl}(s)$).

Mixing two solutions can form an insoluble precipitate
Mixing two solutions can form an insoluble precipitate
词汇 训练
English 中文 拼音
net ionic equation/net aɪˈɒnɪk ɪˈkweɪʒn/ 净离子方程式 jìng lí zǐ fāng chéng shì
spectator ions/spekˈteɪtə ˈaɪɒnz/ 旁观离子 páng guān lí zǐ
4.3

反应的表示方法

教学大纲

学习目标 4.3.A: 用一致的粒子模型表示给定的化学反应或物理过程。

  • 4.3.A.1 以各种形式书写的配平化学方程式可以转换为符号化的粒子表示图。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

The same reaction can be shown as a symbolic equation, a particulate drawing (atoms and molecules), and a macroscopic observation (what you see). Moving between these levels – connecting the equation to the particles to the beaker – is a core skill.

A balanced equation has the same number of each atom on both sides
A balanced equation has the same number of each atom on both sides
探索

观察反应的三种层次

将每个描述按化学家工作的层次进行排序。

4.4

物理变化与化学变化

教学大纲

学习目标 4.4.A: 解释宏观特征与键相互作用之间的关系,适用于: i. 化学过程。 ii. 物理过程。

  • 4.4.A.1 涉及化学键断裂和/或形成的过程通常被归类为化学过程。仅涉及分子间相互作用变化的过程(如相变)通常被归类为物理过程。
  • 4.4.A.2 有时物理过程也会涉及化学键的断裂。例如,盐在水中的溶解既可以被视为物理过程也可以被视为化学过程,这一观点有合理的论证依据;该过程涉及离子键的断裂,以及离子与溶剂之间形成离子-偶极相互作用。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

A physical change 物理变化 alters form but not identity (melting, dissolving); a chemical change 化学变化 makes new substances by breaking and forming bonds. Dissolving salt is physical; the salt is unchanged and recoverable.

A physical change rearranges the same molecules; a chemical change makes new ones
A physical change rearranges the same molecules; a chemical change makes new ones
探索

物理变化还是化学变化?

对每种变化进行分类。

词汇 训练
English 中文 拼音
physical change/ˈfɪzɪkl tʃeɪndʒ/ 物理变化 wù lǐ biàn huà
chemical change/ˈkemɪkl tʃeɪndʒ/ 化学变化 huà xué biàn huà
4.5

化学计量

教学大纲

学习目标 4.5.A: 根据化学反应的配平方程式,解释反应物和生成物数量的变化。

  • 4.5.A.1 由于在化学反应过程中原子必须守恒,因此可以利用已知的反应物数量来计算生成物的数量,或者利用已知的生成物数量来计算反应物的数量。
  • 4.5.A.2 配平化学方程式中的系数包含了关于参与反应的物质数量比例的信息。这些数值可用于涉及摩尔概念的化学计算中。
  • 4.5.A.3 化学计量计算可以与理想气体定律及涉及摩尔浓度的计算相结合,对气体和溶液进行定量研究。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Stoichiometry 化学计量 uses the balanced equation's mole ratios to relate amounts of reactants and products. The path is always grams → moles → (mole ratio) → moles → grams. The limiting reactant 限量反应物 runs out first and sets the maximum product (the theoretical yield 理论产量); the percent yield compares actual to theoretical.

The limiting reactant runs out first and decides how much product forms
The limiting reactant runs out first and decides how much product forms

Worked example. How much water forms when $4.0\ \text{g}$ of hydrogen burns in excess oxygen? $2\text{H}_2+\text{O}_2\rightarrow2\text{H}_2\text{O}$. Convert to moles, cross the mole ratio ($2:2=1:1$ here), convert back:

$$n(\text{H}_2)=\frac{4.0}{2.0}=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;n(\text{H}_2\text{O})=2.0\ \text{mol}\;\Rightarrow\;m=2.0\times18=36\ \text{g}.$$

Worked example (limiting reactant). $10.0\ \text{g}$ of N$_2$ reacts with $5.0\ \text{g}$ of H$_2$ ($\text{N}_2+3\text{H}_2\rightarrow2\text{NH}_3$). Which runs out? Moles: $n(\text{N}_2)=10.0/28.0=0.357$, $n(\text{H}_2)=5.0/2=2.5$. The reaction needs $3$ H$_2$ per N$_2$; you have $2.5/0.357=7.0$, far more than $3$, so N$_2$ is limiting. It makes $2\times0.357=0.714\ \text{mol}$ of ammonia ($12.1\ \text{g}$), with hydrogen left over.

探索

按摩尔比缩放反应物和产物

平衡方程式固定了物种之间的摩尔比。产物量与限制反应物成正比,并按该比例缩放。

词汇 训练
English 中文 拼音
Stoichiometry/ˌstəʊɪkɪˈɒmətri/ 化学计量 huà xué jì liàng
limiting reactant/ˈlɪmɪtɪŋ rɪˈæktənt/ 限量反应物 xiàn liàng fǎn yìng wù
theoretical yield/θɪəˈretɪkl jiːld/ 理论产量 lǐ lùn chǎn liàng
4.6

滴定导论

教学大纲

学习目标 4.6.A: 根据滴定剂和待测物的量识别滴定中的等当点,假设滴定反应进行完全。

  • 4.6.A.1 滴定法可用于测定溶液中待测物的含量。滴定剂含有已知浓度的某种物质,该物质能与待测物发生特异性且定量的反应。当待测物被滴定剂中的反应物质完全消耗时,即达到滴定的等当点。等当点的到达通常通过某一性质(如颜色)的变化来指示。这种可观察到的现象称为滴定终点。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English
An acid–base titration curve

A titration 滴定 finds an unknown concentration by reacting it with a solution of known concentration until they reach the equivalence point 等当点 (stoichiometrically equal). From the known volume and concentration, use the mole ratio to find the unknown. An indicator or a pH curve signals the endpoint.

Titration apparatus: a burette delivers a known solution into a conical flask
Titration apparatus: a burette delivers a known solution into a conical flask

Worked example. $25.0\ \text{mL}$ of hydrochloric acid is exactly neutralized by $30.0\ \text{mL}$ of $0.100\ \text{M}$ NaOH. Find the acid's concentration. The reaction is $1:1$, so the moles match:

$$n(\text{NaOH})=0.0300\times0.100=3.00\times10^{-3}\ \text{mol}=n(\text{HCl}),\qquad [\text{HCl}]=\frac{3.00\times10^{-3}}{0.0250}=0.120\ \text{M}.$$

A titration setup: reacting volumes from a burette find the concentration of an unknown solution
A titration setup: reacting volumes from a burette find the concentration of an unknown solution
探索

滴定酸并找到等当点

向酸中添加碱会缓慢提高pH,然后在等当点处急剧上升,此时酸和碱的摩尔数相等。陡峭的跳跃定位了该体积。

词汇 训练
English 中文 拼音
titration/taɪˈtreɪʃn/ 滴定 dī dìng
equivalence point/ɪˈkwɪvələns pɔɪnt/ 等当点 děng dāng diǎn
4.7

化学反应的类型

教学大纲

学习标准 4.7.A: 识别反应为酸碱反应、氧化还原反应或沉淀反应。

  • 4.7.A.1 酸碱反应涉及化学物种之间一个或多个质子($\text{H}^+$ 离子)的转移。
  • 4.7.A.2 氧化还原(红ox)反应涉及化学物种之间一个或多个电子的转移,这由相关物种氧化数的变化所指示。燃烧是氧化还原反应的一个重要子类,指某物种与氧气发生反应。对于碳氢化合物而言,完全燃烧的产物是二氧化碳和水。
  • 4.7.A.3 在氧化还原反应中,电子从被氧化的物种转移到被还原的物种。
    • 排除说明: AP 考试不考查“还原剂”和“氧化剂”这两个术语的含义。
  • 4.7.A.4 可以为反应物和生成物中的每个原子分配氧化数;这是识别氧化还原反应中被氧化和被还原物种的一种有效方法。
  • 4.7.A.5 沉淀反应通常涉及在水溶液中混合离子以生成难溶或微溶的离子化合物。所有钠盐、钾盐、铵盐和硝酸盐均可溶于水。
    • 排除说明: AP 考试不考查除 4.7.A.5 中隐含规则之外的“溶解性规则”的死记硬背内容。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

Common patterns include synthesis (combining), decomposition (breaking apart), combustion (with oxygen, releasing energy), precipitation (forming an insoluble solid), acid–base (proton transfer), and redox (electron transfer). Recognizing the type helps predict the products.

Acid-base reactions move protons; redox moves electrons; precipitation forms a solid
Acid-base reactions move protons; redox moves electrons; precipitation forms a solid
探索

分类该反应

根据反应模式对每个方程式进行分类。

4.8

酸碱反应导论

教学大纲

学习目标 4.8.A: 根据涉及这些物种的质子转移,识别布朗斯特-劳里酸、碱以及/或共轭酸碱对。

  • 4.8.A.1 根据定义,布朗斯特-劳里酸是质子供体,布朗斯特-劳里碱是质子受体。
  • 4.8.A.2 仅在水溶液中,水在许多酸碱反应中发挥重要作用,因为其分子结构使其能够接受溶解物种提供的质子并向其提供质子。
  • 4.8.A.3 当酸或碱在水中电离时,可以识别共轭酸碱对并比较它们的相对强度。
    • 排除说明: AP 考试不考查路易斯酸碱概念。AP 化学的重点在于水溶液中的反应。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

An acid 酸 donates a proton ($\text{H}^+$); a base 碱 accepts one (Brønsted–Lowry). For an aqueous acid reacting with a hydroxide base, the net neutralisation is: $\text{H}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{H}_2\text{O}$. Strong acids ionise essentially completely in dilute water; soluble strong hydroxide bases dissociate into ions. Weak acids and bases establish equilibria.

Bronsted-Lowry: an acid donates a proton to a base, forming two conjugate pairs
Bronsted-Lowry: an acid donates a proton to a base, forming two conjugate pairs
探索

沿 pH 刻度移动

pH 用于衡量溶液的酸碱性。每增加 1 个 pH 单位,氢离子浓度就会发生 十倍 的变化;7 为中性,低于此值为酸性,高于此值为碱性。

词汇 训练
English 中文 拼音
acid/ˈæsɪd/ 酸 suān
base/beɪs/ 碱 jiǎn
4.9

氧化还原反应

教学大纲

学习目标 4.9.A: 利用半反应表示配平的氧化还原反应方程式。

  • 4.9.A.1 氧化还原反应的配平化学方程式可以由半反应构建而成。

来源:College Board AP 课程与考试说明

English

In a redox 氧化还原 reaction, electrons transfer between species. Oxidation 氧化 is loss of electrons (oxidation number rises); reduction 还原 is gain (oxidation number falls). Track changes with oxidation numbers, and remember every oxidation is paired with a reduction – the electrons lost equal the electrons gained.

Redox is electron transfer: the reducing agent is oxidised, the oxidising agent reduced
Redox is electron transfer: the reducing agent is oxidised, the oxidising agent reduced

Worked example. Find the oxidation number of manganese in permanganate, $\text{KMnO}_4$. Potassium is $+1$ and each oxygen is $-2$ (four of them, $-8$). The whole formula is neutral, so $(+1)+\text{Mn}+(-8)=0$, giving $\text{Mn}=+7$ – its maximum, which is why permanganate is a powerful oxidizing agent (it can only gain electrons).

Common mistakes.

  • Splitting a precipitate or a weak acid into ions. In a net ionic equation only dissolved strong electrolytes are written as ions; $\text{AgCl}(s)$, water and $\text{CH}_3\text{COOH}$ stay whole.
  • Choosing the limiting reactant by the smaller mass. Compare moles, divided by the coefficients: in the example above, 10.0 g of N$_2$ is the larger mass but it runs out first.
  • Rounding moles early. Carry an extra figure through the working ($0.357$, not $0.36$) and round only the final answer.
  • Using mL in $n=cV$. Change to litres first: $30.0\ \text{mL}=0.0300\ \text{L}$.
  • Calling dissolving a chemical change because the solid "disappears". Dissolving salt is physical: the ions are unchanged and the salt comes back when the water evaporates.
  • Mixing up oxidation and reduction. Oxidation is loss of electrons (the oxidation number rises); the species oxidised is the reducing agent.
探索

观察氧化还原反应中的电子转移

在氧化还原反应中,一种物质被氧化(失去电子),另一种被还原(获得电子)。跟随电子从金属转移到非金属。

词汇 训练
English 中文 拼音
redox/rɪˈdɒks/ 氧化还原 yǎng huà huán yuán
Oxidation/ˌɒksɪˈdeɪʃn/ 氧化 yǎng huà
reduction/rɪˈdʌkʃn/ 还原 huán yuán
4.9

考试技巧

English
  • Balance every equation and work in moles — convert grams→moles, cross the mole ratio, then convert back.
  • Find the limiting reactant by comparing mole ratios; it sets the maximum product (theoretical yield).
  • In redox, remember OIL RIG: oxidation is loss of electrons, reduction is gain; every oxidation is paired with a reduction.
  • For titrations use the balanced ratio to link the known and unknown at the equivalence point.
  • A net ionic equation shows only the species that change; leave out spectator ions.

该知识点的互动课程

逐步完成,配合即时检查练习。

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