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2023/6/25 16:12:00
>>课堂随笔:物质的分类

分类,是为了效率更高的找到我们要找的目标物,或者寻找物质的共性。

去超市购买商品,我们看到,蔬菜类目下,放的是各类蔬菜,如大白菜、上海青、广东菜心等,而在奶粉区,就可以看到婴儿奶粉按照品牌整齐排列,只要找到类目,我们寻找商品就很容易。

在广州图书馆,那么多的藏书,我们可以看每一层进门的指引,还有电脑上面的索引,很快就可以找到我们要的书在那一层,哪一个书架,编号是多少。

人类目前的科学技术,每天都在发现新的物质,每天都有新的未知被解释,但仍然有很多的未知领域等待我们去开拓。为了节省时间,分类就是一个好方法,比方说,同学们高考后,上大学的时候,就会有很多专业供选择,这就是最初的分类。

比方说一个同学选择了化学系,在大学本科阶段,要学习很多门化学相关的课程,例如《无机化学》《有机化学》《物理化学》《分析化学》《结构化学》《化工原理》《无机化学实验》《有机化学实验》《分析化学实验》《中级无机化学》《高等有机化学》等等,这位同学经过四年本科的学习,发现对天然产物有效成分提取很感兴趣,选择了天然产物化学作为研究方向,考取了相应专业的硕士研究生,这个分类就更专业了,等到读博士的时候,就专门研究甾体和杂萜成分的修饰,越来越精细了,而同课题组的其他同学,选择的也许是醌类、挥发油的研究。如此,全世界那么多的研究机构,研究的方向非常丰富,突破了化学这个学科,有的还是交叉学科,或者又创造了一个新的分类。所以,科学的进步,需要这些研究者分享成果,实事求是,团结合作。

目前的元素周期表中,居住着118种元素,这肯定不是终点,人类对整个世界的认知还非常少,而且不能以地球上的元素判定宇宙中的元素种类也只有这百来种。

这些元素,有些是天然存在的,有一些是人造元素,有些同位素还具有放射性,元素的原子之间通过各种方式,组成了我们眼睛可以看到的、眼睛看不到但仪器可以看到的物质世界。

如果把物质世界看作是原子组成的,原子有情感吗?为什么人类有喜、怒、哀、乐等情绪?还有贪、嗔、痴、慢、疑、怨恨、恼怒、烦等等佛学称为业障的真实存在?

当一只鸡被束缚着,即将宰杀的时候,它也会恐惧,反抗,身体开始产生毒素,人类吃了这只鸡,毒素也跟着进了人体。从物质不灭的角度,这只鸡身上的元素,可能在它之前也是来自于一个生灵,但是重新组合成了这只鸡。你能保证这只鸡身上含有的元素,以前不是来自一个你的同类吗?再回到刚才所说的,为何会有情感,根据佛学观点,人有八识,除了物质,这个生物体内还需要“神”,这个神不是神仙的神,而是可以看作一种场,一种能量,推动生物生、老、病、死的看不见的力量。

不同的角度,看这个世界也是不同的,我们不要去抬高其中一个,而去贬低另外一个,而是要多学习,多感受,比方说,即使是科学,有时候也会有局限性。那么我们怎么分类,就是一个问题了。

中国传统文化,把世界分为地、水、火、风四大。人体也可以看作四大的组合,骨骼是地,血液、淋巴液等属于水,体温是火,肺部、呼吸系统属于风。学中医的同学,要好好研究《黄帝内经》这本书,这是关于医理的,老祖宗传承下来的经典,我们要重视,不能受西方影响,而轻视或者否定自己的文化。

有一个经典的佛学故事,印宗法师在广州法兴寺讲解《涅槃经》的时候,十二神幡在风中摇摆,法师问众人,是什么在动?有人回答风动,有人回答幡动,而六祖惠能大师此时正在下面求学,回答说,是心动。如果用佛学解释,当然是惠能大师的悟性更高。

一户人家正在举行祝寿的喜宴,一家人刚好站在不远处,一五岁小朋友说,好多人啊,那个老奶奶好开心啊,还有大蛋糕吃;小朋友的父亲说,四伯母已经80岁了,高寿啊,子孙满堂,晚年幸福,祝愿她长命百岁,而和这一家有些摩擦的三姨却斜着眼睛,冷嘲热讽,她最欺负我了,以前分田地,最好的给自己,最差的给我们家,她狗眼看人低,我家穷,她理都不理,而别家有钱,她经常送鸡鸭、糖果给人家。同样是评价一个人,不同的人看的角度也不同,这不是由“心”决定的吗?

南怀瑾先生问,你见过自己的脸吗?同学说见过,在镜子里见过,在水面上见过。但是,镜子中的自己,是经过光的反射形成的相反的影像,那不是真的自己。戴近视眼镜的同学,你看自己的手是不是变小了?而你摘掉近视眼镜,再看,你的手变模糊了,但是变大了。那哪一个才是你的手呢?你眼镜中的世界是真实的吗?

我们要分类,现在来看,是从科学的角度进行分类,但要注意,科学并不是绝对的,分类是可以多角度的,很多当时觉得有道理的分类,当新的理论和方法出来后,就可能是错误的。分类绝对不是那么简单的一件事,也不是一分类就不能更改,我们可以尝试根据某种原则进行分类。

我以前学英语的方法,比方说及一个单词,“English”,这么记:“阴沟里洗”,因为那时候我还不会读音标,也没有学习标准的口语发音。后来学了多年的英语,慢慢学会了根据音标来读单词,还可以根据词根、前后缀来认识单词,或者根据上下文猜测单词的意义。

我们来到高中,必修的第一册,开篇就是物质的分类,学生们在初三才学习了一年的化学,对化学的认识有多深呢?有同学提前学习过高中、甚至大学的内容,当然,方法、技巧掌握了一些,对学科本质的理解比没有学习过的同学要深刻吧。有的同学,对化学,有点像我最初记单词的情况,还不太理解化学是怎么回事。但我们可以去尝试。

第一种大的分类,我们可以将物质分为纯净物和混合物。纯净物,是完全由同一种物质组成的,若干个氧分子O2聚集在一起形成氧气这种物质,那么氧原子有多种同位素,由一个O-16原子和一个O-18原子组成的一个氧分子,与两个O-17原子组成的氧分子,都是氧气,它们在一起还是叫做纯净物,主要是形成的分子都是两个氧原子组成的双原子分子,分子是直线型,非极性分子。但是,如果由三个氧原子形成的臭氧分子混杂进来,就不能叫做纯净物了,只能叫做混合物,因为氧气和臭氧分子结构不同,性质也不同。

胆矾,五水硫酸铜,带有结晶水,也属于纯净物,因为我们看到的化学式,并不是独立的一个分子,而是在胆矾晶体中,铜离子、硫酸根离子和水分子的比例是115,我们不能把水看作没有任何关联的水,而是与铜离子之间有某种作用力的水。

空气,就是典型的混合物了。含有单独的氮气分子、氧气分子、二氧化碳分子、稀有气体的单原子分子、还有粉尘、各类悬浮物等,这些物质之间结构有区别,性质有区别,它们的共同体就属于混合物,而且随着海拔、环境的改变,空气的成分也会有区别。而水蒸气冷凝成液态水,水结冰,并没有改变水分子的结构,只是分子之间的距离发生了改变。这样的物态变化是物理过程,这三种形态的水都是纯净物。不要以为物质只有三个形态,还有等离子体、超固态、辐射场态、反物质、超临界流体、非晶态、液晶态、超流态、超导态、玻色-爱因斯坦凝聚态、费米子凝聚态、超离子态等,这只是人类认知之内的,还有认知之外的。

纯净物,进一步分类,可以分为单质、化合物。

单质,新教材的分类是金属、非金属、稀有气体。从元素周期表来看,金属元素较多,有90余种,非金属只有10余种,结构比较稳定的氦氖氩氪氙氡属于稀有气体。根据它们的某些性质进行的分类。

我们在高一要学习的元素,包括钠、铝、氯、硫、氮、硅、铁、铜等。

化合物就非常多了,世界上绝大多数纯净物都是化合物,也就是说不同元素的合作,是最普遍的存在方式。

酸、碱、盐、氧化物,是常见的分类,但还不够全面,我们往后面学习的过程中,会遇到更多的分类。

先来说酸,酸的定义,初中给出的是不是“电离出来的阳离子全部是氢离子的物质就是酸”?同样的,碱的定义就成了“电离出来的阴离子全部是氢氧根离子的物质就是碱”。那水是酸还是碱呢?它两个定义都符合啊,它既可以是酸,也可以是碱,有什么关系呢?到了大学,我们管可以得电子的物质叫做酸,可以失电子的物质叫做碱。氯化铝就是酸(路易斯酸),所以,分类是为了研究方便,角度不同,分类也将不同。

按照是否含有氧元素,酸分为含氧酸和无氧酸,硫酸、硝酸、碳酸都含有氧,属于含氧酸,氢硫酸、氯化氢、氟化氢等属于无氧酸。

按照一个分子最多可以电离出来的氢离子的个数,可以分为一元酸、二元酸、三元酸等等。例如,氯化氢是一元酸,乙酸(CH3COOH)虽然含有4个氢原子,但只有羧基的氢可以电离,只能属于一元酸。

根据在水溶液中的电离程度,分为强酸和弱酸,在水溶液中完全电离的酸,就是强酸,如氢氯酸、氢溴酸、氢碘酸、高氯酸、硝酸、硫酸,而在水溶液中不完全电离的酸只能叫弱酸,例如亚硫酸、磷酸、氢氟酸、亚硝酸、甲酸、冰醋酸、碳酸、氢硫酸、次氯酸、氢氰酸、硅酸、苯酚、碳酸氢根离子、氢氧化铝、水。在后面学习元素周期律的时候,高氯酸比硫酸酸性强,为什么100%电离,还有强弱之分?水是它们的拉平效应,在水中它们完全电离,都是强酸,但是将它们溶解在冰醋酸中,电离程度就有区别了,高氯酸的电离程度大于硫酸,就区分开来了,醋酸就是这些水中强酸的区分效应溶剂。

还有根据沸点高低、无机或者有机物、氧化性强弱等角度来进行分类的。

同样的,碱也可以根据在水中的电离程度,分为强碱和弱碱。氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡等完全电离的碱属于强碱。而一水合氨、氢氧化铁等部分电离的碱属于弱碱。在选择性必修一中,还会学习沉淀溶解平衡,氢氧化铁在水溶液中会有溶解和电离的连续过程,合并起来是沉淀溶解平衡,而将它分类为弱碱的原因,是电离和结合同时都在进行所致。

盐,可以分为正盐、酸式盐、碱式盐、复盐、混盐等,还有一些类盐,只是为了研究方便。氯化钠是正盐,只电离出金属离子和酸根离子,而碳酸氢钠可以电离出钠离子、碳酸根离子和氢离子,所以称为酸式盐,酸式盐不一定显酸性,要看电离和水解的程度,碳酸氢根离子水解能力强于电离能力,溶液显碱性,而亚硫酸氢根离子电离能力强于水解能力,则显酸性。

碱式盐,大家见得不多,碱式碳酸铜等矿物,碱式氯化镁等。五水硫酸铜虽然带有结晶水,还是属于正盐。什么是复盐、混盐呢?明矾,十二水硫酸铝钾,或者二十四水硫酸铝-硫酸钾,一种酸根配多种金属离子,就是复盐,金属离子重复出现,而硫酸氯化铁,一种金属离子配多种酸根,就可以称为混盐。

碳化钙,也就是电石的主要成分,CaC2,可以看作类盐,类似于盐,钙离子好说,那么碳负离子,我们可以看作酸根。

氧化物的分类,常见的有酸性氧化物、碱性氧化物、两性氧化物、不成盐氧化物等。这些分类并没有包罗万象。

这几个定义,是在高中才出现的。这个时候,同学们可以以自己熟悉的二氧化碳和氧化钙为例,理解酸性氧化物和碱性氧化物的定义。

二氧化碳,可以和氢氧化钠溶液反应,生成碳酸钠和水,把二氧化碳换成碳酸,与氢氧化钠溶液反应,得到的产物也是碳酸钠和水。我们把二氧化碳这种,可以和碱反应生成盐和水的氧化物就叫做酸性氧化物。

找酸性氧化物的时候,可以先找一种含氧酸,然后一个或多个分子间脱水,形成与成酸元素相同价态的氧化物,例如五氧化二磷、二氧化硫、三氧化硫、二氧化硅等,要注意,二氧化硅是难溶于水的,而二氧化碳可以溶于水中和水反应生成碳酸。

氧化钙,和盐酸反应,生成氯化钙和水,换成氢氧化钙的时候,与盐酸反应,产物也是氯化钙和水,所以,在这一点上,氧化钙的行为就是碱。所以,把能与酸反应生成盐和水的氧化物就叫做碱性氧化物。

而后面我们要学习的氧化铝,既可以和酸反应,生成盐和水,又可以和碱反应生成盐和水,就属于两性氧化物,在元素周期表中金属和非金属元素的交界处,可以找到一些这样的物质,还有氧化锌、氧化镓等。

不成盐氧化物,可以这样看,一氧化碳,二氧化氮,没有对应价态的含氧酸,也就没有相应价态的含氧酸盐。当然,二氧化氮可以和氢氧化钠溶液反应,生成硝酸钠、亚硝酸钠和水,但氮元素的价态,从+4变成了+5+3,发生了改变。

那么,四氧化三铁、过氧化氢怎么分类呢?分别属于复杂氧化物,过氧化物。

如果将化合物按照是否具有有机物的特性,分为无机物和有机物。有机化合物是含有碳元素的一类化合物,但碳酸、碳酸盐、碳酸氢盐、氰化钾、硫氰酸钾、碳化钙等物质虽含有碳元素,也属于无机物。

有机物,我们可以分为烃和烃的衍生物,烃就是只含有碳、氢两种元素的有机物,如甲烷、乙炔、苯等。烃的衍生物种类繁多,如卤代烃、醇、酚、醚、醛、酮、羧酸、酯、胺等等。

一种物质,也可以按照不同的标准,分属不同的类别。硫酸钠,属于钠盐、硫酸盐、正盐、白色物质、轻金属盐、化合物、无机化合物、易潮解的物质、易溶于水的物质、高熔点物质、离子化合物、含有离子键和共价键的化合物、熔融和溶于水可以导电的化合物,等等,当你尝试分类的时候,比就会尽可能多的挖掘这种物质的性质,进行分类。

不同的物质、不同的标准,不同的意图,分类方法也不同。严谨、包容、开放,这是科学的态度。

 

张伟 | 阅读全文 | 回复(0) | 引用通告 | 编辑
  • 标签:反思 随笔 感悟 化学 
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