IB化学 核心笔记

学科特点

Structure 1: 物质的微粒性质模型

1.1 物质的微粒性质介绍

我们先来理解化学中最基础的分类——元素、化合物和混合物。这三个概念看似简单，但它们的区别是整个化学大厦的基石。

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元素（Elements） 是物质的基本构成单元，只包含一种类型的原子，无法通过化学方法分解。想象一下纯金、纯氧，它们都是元素。

化合物（Compounds） 则是由不同元素的原子以固定比例化学键合而成。比如水永远是 H₂O，氢氧比例总是 2:1。

混合物（Mixtures） 包含多种元素或化合物，但它们没有固定比例，也没有化学键合，可以通过物理方法分离。

混合物分离方法

关于合金

合金（如黄铜）通常被认为是混合物，因为组成金属之间没有化学键合，比例可变。它们是固溶体，一种金属的原子随机分布在另一种金属的晶格中。

Kinetic Molecular Theory (KMT) 和物态

KMT 帮助我们理解物质的不同状态。关键在于粒子的排列和运动：

状态	粒子排列	粒子运动	符号
固体 (Solid)	紧密、规则排列	在固定位置振动	(s)
液体 (Liquid)	紧密、随机排列	可以相互滑动	(l)
气体 (Gas)	相距很远、随机排列	快速、随机运动	(g)
水溶液 (Aqueous)	溶解在水中	-	(aq)

Question

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那为什么有些状态变化是 吸热 的，有些是 放热 的呢？

吸热过程 ()：需要吸收能量来克服分子间作用力（IMFs），增加粒子间距和运动。比如熔化、汽化、升华。

放热过程 ()：分子间作用力形成时释放能量，粒子减速并靠近。比如凝固、凝结、凝华。

理解相变

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温度和状态变化

温度 （单位：Kelvin）是粒子平均动能 的度量。

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1.2 原子核结构

原子的基本结构

原子由一个带正电、高密度的原子核（包含质子和中子/核子）和围绕原子核运动的带负电的电子组成。

亚原子粒子

核符号 告诉我们很多信息：

• 原子序数 ()：质子数
• 质量数 ()：质子数 + 中子数
• 中子数：
• 电子数：中性原子中 = ；离子中 = - 电荷

计算粒子数

Problem

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同位素（Isotopes）

同位素是指同一元素（相同 /相同质子数）但中子数不同（不同 ）的原子。

比如碳有三种常见同位素：、、。它们的化学性质几乎相同（因为电子数相同），但物理性质略有不同（因为质量不同）。

相对原子质量 () 不是整数，因为它是所有天然同位素质量的加权平均值：

其中丰度分数 =

计算相对原子质量

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质谱图（Mass Spectra）

质谱图在 y 轴上显示相对丰度，在 x 轴上显示质荷比 ()。对于 1+ 离子， 对应同位素质量。峰的高度表示该同位素的相对丰度。

读图技巧

质谱图直接告诉你：哪些同位素存在（x 轴位置），以及它们的丰度如何（y 轴高度）。

1.3 电子排布

这是 IB 化学的核心重点之一！电子排布和发射光谱的理解至关重要。

发射光谱和电磁波谱

发射光谱是如何产生的？当原子中的电子被激发到更高能级后，返回到更低能级时，会以光子的形式释放能量差。

能量、频率、波长的关系

连续光谱 vs 线状光谱：

• 连续光谱：显示所有波长，颜色平滑过渡（如太阳光通过棱镜）
• 线状光谱：只在特定、离散的波长处有光（暗背景上的亮线），证明了电子只存在于离散的能级

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氢原子线状发射光谱

氢原子光谱是线状光谱，证明了离散能级的存在。

不同系列的谱线对应电子跃迁到不同的能级：

• Lyman 系列：跃迁到 （最高能量，紫外区）
• Balmer 系列：跃迁到 （可见光区）
• Paschen 系列：跃迁到 （较低能量，红外区）

谱线会聚现象

在更高能量/频率处，谱线会汇聚（越来越密集），因为能级间距随着远离原子核而减小。

主能级

每个主能级 最多可以容纳的电子数由公式 给出：

Question

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亚能级和轨道

主能级被分为亚能级，按能量递增顺序：

轨道的形状和数量

电子填充规则

轨道是空间中电子出现概率高的区域。每个轨道最多容纳 2 个自旋相反的电子。

填充电子时，必须遵循三个原则：

1. Aufbau 原理（构建原理）：从最低能量的轨道开始填充
2. Hund 规则：在填充简并轨道（如三个 p 轨道）时，电子必须先以相同自旋单独占据每个轨道，然后再配对
3. Pauli 不相容原理：一个轨道最多容纳 2 个电子，且自旋必须相反

电子排布练习

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完整排布 vs 简化排布（稀有气体核心）：

• 完整：
• 简化：

特例：Cr 和 Cu

铬（Cr）和铜（Cu）比较特殊，会将一个 4s 电子提升到 3d 亚能级，以获得半满 () 或全满 () d 亚能级的更低能量：

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第一电离能 ()

第一电离能是指将一个原子中的一个电子完全移除所需的能量。

在发射光谱中，会聚极限（谱线汇聚成连续谱的地方）对应电子完全脱离原子，这就是电离。该处光子的能量就是 （每个原子）：

其中 是普朗克常数， 是光速， 是波长。

IE₁ 的趋势

但是有不连续性（discontinuities）！

1. 新 p 亚能级的开始（如 Al < Mg）：3p 电子能量略高/屏蔽效应略强于 3s
2. p 轨道中电子配对（如 S < P）：配对的 p 电子受到排斥，更容易移除

理解 IE₁ 趋势

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逐级电离能（Successive IE）

逐级电离能不断增大，因为每次从越来越带正电的离子中移除电子。

当电离能出现大幅跃升时，说明电子从新的、更内层的主能级（更靠近原子核）中移除。第一次大跃升之前移除的电子数等于外层电子数，决定了元素的族数。

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1.4 用质量计数粒子：摩尔

摩尔和阿伏伽德罗常数

摩尔（mol） 是物质的量的 SI 单位。1 摩尔物质包含的基本单元（原子、分子、离子等）数量等于阿伏伽德罗常数 ()，即 。

Question

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相对原子质量和相对分子质量

相对原子质量 () 和相对分子质量/相对式量 () 都没有单位。

（对于分子或离子化合物）是化学式中所有原子的 之和。

摩尔质量

摩尔质量 () 的单位是 g mol⁻¹，数值上等于 或 。

核心公式：

其中 是物质的量（mol）， 是质量（g）， 是摩尔质量（g mol⁻¹）。

摩尔计算

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经验式和分子式

经验式（Empirical Formula, EF）：原子的最简整数比。

从质量百分比确定 EF 的步骤：

1. 假设 100 g 样品
2. 将每种元素的质量转换为摩尔数 ()
3. 将所有摩尔数除以最小值，得到最简整数比

分子式（Molecular Formula, MF）：分子中原子的实际数量。由 EF 和摩尔质量确定：

其中整数

确定分子式

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摩尔浓度

摩尔浓度 ( 或 ) 的单位是 mol dm⁻³（或 mol L⁻¹）。

其中 是溶液体积（dm³）。

单位换算

1 dm³ = 1 L = 1000 cm³ = 1000 mL

阿伏伽德罗定律

阿伏伽德罗定律指出：在相同温度和压强下，相同体积的所有气体包含相同数量的分子 ()。

这意味着反应气体的摩尔比（来自平衡方程式）也是体积比。

1.5 理想气体

理想气体模型和假设

理想气体是一个基于四个主要假设的理论模型：

理想气体假设

真实气体的局限性

真实气体偏离理想行为，因为两个主要假设是错误的：

1. 低温时：IMFs 变得显著，粒子相互吸引，施加的压强比理想气体小
2. 高压时：粒子体积不再可忽略，测量的体积比理想气体大

何时真实气体偏离理想行为

记住：低温、高压时，真实气体表现最不理想！

气体定律

对于固定质量的理想气体：

• （恒温）——波义耳定律
• （恒压）——查理定律
• （恒容）——盖-吕萨克定律

在特定温度和压强下，理想气体的摩尔体积是常数（如 STP 时为 22.7 dm³ mol⁻¹）。

理想气体方程

理想气体方程综合了所有气体定律：

其中：

• 是压强（Pa）
• 是体积（m³）
• 是物质的量（mol）
• 是气体常数
• 是温度（K）

单位一定要对

使用理想气体方程时，务必确保单位正确：P 用 Pa，V 用 m³，T 用 K！

当条件改变时（固定物质的量），使用综合气体定律：

理想气体方程应用

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Structure 2: 化学键和结构模型

2.1 离子模型

离子的形成

原子通过得失电子来达到最近的稀有气体的稳定满壳层结构。

• 金属（第 1、2、13 族）失去电子形成阳离子（正离子）
• 非金属（第 15、16、17 族）获得电子形成阴离子（负离子）
• 过渡金属可形成不同电荷的离子（可变氧化态）

Question

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离子化合物的命名和化学式

离子键是相反电荷离子之间的静电吸引力。

化学式通过平衡总正电荷和负电荷至零来推导。

命名规则：阳离子在前，阴离子在后（二元化合物的阴离子加后缀 -ide）。

写离子化合物化学式

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离子化合物的物理性质

离子化合物以三维晶格结构存在，用经验式表示。

离子化合物的特性

晶格能

晶格能（Lattice Enthalpy） 是离子键强度的度量。它受到以下因素影响：

• 离子半径：半径越小 → 键越强
• 离子电荷：电荷越高 → 键越强（静电吸引力更强）

记忆技巧

小离子、高电荷 = 强离子键 = 高晶格能 = 高熔点

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学习进度检查

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Congratulations! You've completed all items!

• 理解元素、化合物、混合物的区别

  能够分类并解释分离方法
• 掌握 KMT 和物态变化

  能够解释吸热和放热过程
• 理解原子结构和同位素

  能够计算粒子数和相对原子质量
• 掌握电子排布规则

  能够写出元素的电子排布（包括特例）
• 理解发射光谱和电离能趋势

  能够解释趋势和不连续性
• 熟练进行摩尔计算

  质量、浓度、气体体积相互转换
• 掌握理想气体方程

  能够应用 PV = nRT 解决问题
• 理解离子化合物的性质

  能够解释物理性质和晶格能影响因素

Reset Progress

总结与提醒