化学物质的分类？类比推理007

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  liuwei4150 2008-10-16 00:00:00

  化学物质是化学运动的物质承担者，也是化学科学研究的物质客体。这种物 质客体虽然从化学对象来看只是以物质分子为代表，然而从化学内容来看则具有 多种多样形式，涉及到许许多多物质。因此，研究化学物质的分类就显得非常重 要。 按照物质的连续和不连续（分立的）形式，首先可以把化学物质分为连续的 宏观形态的物质，如各种元素、单质与化合物，以及不连续的微观形态的物质， 如各种化学粒子等两大类物质。 一、化学粒子的分类 化学粒子的种类也是纷繁多样的。根据现代化学的研究成果，我们可以把它 们分为原子、分子、离子、自由基、胶粒、络合粒子、高分子、活化分子、活化 配位体化合物和生物大分子等等。这些物质粒子中的每种粒子都有其自身的组成 和结构。它们之间是有区别的，然而又是相互联系的。 原子被看作是化学变化中保持本性不变的Z小粒子。 分子是由原子构成的粒子，是化学运动的主要承担者，在化学反应中发生质 变。 离子是原子（或原子团）失去或得到电子形成的带电粒子。 自由基是含有未配对电子的不带电荷的物质粒子。它主要是从有机化合物分 子进行分解而形成的，又称游离基。 胶粒是在分散体系中线性大小介于1 ～100nm （1nm=10-7cm）的带电分散相 粒子。它是由分子聚积成的胶核和离子组成的复杂粒子。 络合离子现今通称为配位粒子。它是由ZX离子（或原子）与其它一些粒子 （离子或分子）通过配位键结合起来的荷电的或中性的复杂粒子。 高分子则是由大量原子以共价键结合起来的大分子。分子量高达几千到几百 万（而一般有机化合物分子量约在500 以下）。如以来源划分，可分为天然高分 子化合物（如蛋白质、淀粉和纤维素等）和合成高分子化合物（如塑料、合成橡 胶、合成纤维等）；如以组成和结构划分，又可分为由同一结构单元（单体分子） 多次重复联结成的高聚物高分子（如聚乙烯、聚丙烯等），以及由不同结构单元 形成，并具有特殊生命功能的生物高分子（如蛋白质和核酸等）。 随着化学科学的发展，本世纪以来又相继发现了诸如活化分子、活化配位体 化合物等一些新的物质粒子。 在上述这些化学粒子中，原子是基础，原子核外的电子是桥梁，其它粒子则 是以原子为基础通过电子的转移、结合（配对）、接受而形成的。 研究化学粒子的分类，可以充分证明化学粒子多样性的统一，具有重要意义。 这是我们确立化学科学在自然科学体系中的地位和在化学科学内部进行分类的重 要基础。化学粒子是化学研究内容所包含的物质客体。它使化学同物理学和生物 学等学科相区别；同时这些学科又从不同角度研究一些相同的化学粒子，又使化 学同物理学和生物学等学科发生联系和相互过渡。在化学科学的内部，随着人们 对化学粒子多样性的深入研究，不断分化出许多新的分支学科。例如19世纪在原 子—分子学说的基础上，人们把化学分成无机化学和有机化学等；后来发现了配 位粒子，人们就从其中分化出配位体化学；再往后又分化出研究离子行为的电化 学和溶液化学；研究胶粒及其组成的分散体系的胶体化学；研究高分子物质的高 分子化学；以及研究生物大分子行为的生物化学等。可以预料，随着化学的发展， 还会发现新的化学粒子，人们对化学粒子分类的研究，也必将日益深入。 二、化学元素的分类 化学物质的宏观连续状态，可以分为单质和化合物两大类，而它们又都是由 元素构成的。 人类认识的元素目前已达109 种。其中有94种是在自然界中已找到的天然元 素，15种是人造元素。 对元素的分类早在19世纪初就开始研究了。在门捷列夫之前已有不少化学家 从事过化学元素的分类研究。例如波登科弗、格拉法斯通、杜马、尚古都等人从 各个角度出发对元素进行分类。或以元素电化序为分类标准，或以原子价，或以 原子量顺序为分类标准等，其中比较重要的分类成果是“三素组”、“八音律” 和“迈尔曲线”。 “三素组”是1829年由段柏莱纳创立的。他把已知元素中的十五种分作五组， 每组中包含着三个性质相似的元素，故称“三素组”。他指出在三个同组的元素 中，中间元素的原子量等于前后相邻的二个元素原子量的算术平均值。而英国人 纽兰兹则试着把元素按原子量大小的顺序排列起来。1865年他发现“第八个元素 是diyi个元素的某种重复，就像音乐中八度音程的第八个音符一样”，被称为元 素分类的“八音律”。德国化学家迈尔经过细致的分类研究，指出“元素的性质 为原子量的函数。”他把原子量作为横坐标，以原子体积为纵坐标，绘成了原子 体积曲线，结果是相似的元素在曲线上都占据着类似的位置。如此，显示了原子 体积和原子量的函数关系。这就是的迈尔曲线。 1869年，门捷列夫在前人工作的基础上，着重研究了对元素的综合性分类。 他指出“不管人们愿意不愿意……，在元素的质量和化学性质之间一定存在某些 联系……因此就应该找出元素特性和它们原子量之间的关系。”他把当时已知的 63种元 表6 —1 门捷列夫diyi次发表的元素周期系（1869年） O пъITъC иCTE мъI эпEHTOB ъ OCHOBaHHO йHaиX ъaTOMHOM ъB ъC ъиX иM ичeCKOM ъCXO ДCTB ъ。 Ti=50 Zr=90 ？=180. V=51 Nb=94 Ta=182. Cr=52 Mo=96 W=186. Mn-55 Rh=104.4 Pt=197.4 Fe=56 Ru=104.4 Ir=198 ， Ni=Co=59 Pl=106.6 Os=199. H=1 Cu=63.4 Ag=108 Hg=200. Be=9.4 Mg=24 Zn=65.2 Cd=112 B=11 Al=27.4？=68 Ur=116 Au=197 ？ C=12 Si=28？=70 Sn=118 N=14 P=31 As=75 Sb=122 Bi=210 ？ O=16 S=32 Se=79.4 Te=128？ F=19 Cl=35.5 Br=80 I=127 Li=7 Na=23 K=39 Rb=85.4 Cs=133 Tl=204. Ca=40 Sr=87.6 Ba=137 Pb=207. ？=45 Ce=92 ？Er=56 La=94 ？Yt=60 Di=95 ？In=75.6 Th=118？ 素进行分类，首次创立了元素周期表（表6 —1 ）。 门捷列夫diyi次对元素做了本质性的分类。后来由于人类认识的元素越来越 多，特别是19世纪末物理学的一系列新发现，使莫斯莱把门捷列夫的分类又推向 新的水平。至今人们已对元素的分类形成了更加完备的认识。元素周期律是应用 化学分类方法取得成功的典范。 在化学物质中比较简单的是单质，它是由相同元素组成的物质，可分为三类 ：金属、非金属和稀有气体。 三、化合物的分类 对化合物的分类，是研究化学物质分类的一个主要内容。现在通行的化合物 分类方法是按化合物分子的不同来分类。首先分为无机化合物和有机化合物。 无机化合物中，按分子的组成与结构方式不同可分为氧化物、碱、酸和盐类。 而每类化合物当然又可以进一步分类。例如在氧化物中，可以分为酸性氧化物、 碱性氧化物和两性氧化物三大类；无机酸类又可以分为含氧酸（如H2SO4 ）和无 氧酸（如HCl ）两类。同样，碱类和盐类均可以进一步分类。 对有机化合物，人们通常根据碳干的不同把它们分为链状化合物、碳环化合 物和杂环化合物三大类。其中，碳环化合物又可分为脂环类化合物和芳香族化合 物。有机化合物也可以依照其它标准分为脂肪族、脂环族、芳香族和杂环化合物 四大类。在脂肪族化合物分子中碳原子与碳原子之间结成了链状结构，所以也就 是上述的链状化合物；脂环化合物分子里含有碳环，但其性质与脂肪化合物类似， 故称脂环化合物；芳香族化合物的分子结构中都含有由六个碳原子组成的苯环， 在环上的碳原子间由单键和双键交替连接着而构成了特殊的大π健，其性质与脂 肪族、脂环族不同；杂环化合物的环状结构中除碳原子外，还有其它原子（如N 、 S 、O 等），只有类似于芳香族化合物的特性。 在有机化合物中，还可以把含有相同官能团的化合物归为一类（表6 —2 ）。 这样就可把有机化合物分为烃、醇、酚、醛、酮、羧酸、醚、胺、卤化物、硝基 化合物，磺酸化物等类型。例如羧酸类化合物中均含有相同的官能团——羧基（ ）， 决定着这一类化合物所具有的共同特性：均显 表6-2 有机化合物按官能团分类 酸性（虽然强弱有所不同）；均能与醇反应生成酯；核磁共振谱均有较大的 σ值（10.5～12）等。由此可见，一定的官能团可以赋予分子一定的特性，不同 的官能团则可导致物质性质的巨大差异。因此，我们只要知道了某种物质含有哪 些官能团，即可推测出它所具有的基本性质；反之，也可以由物质的某些性质， 推断出其分子内具有什么样的官能团。所以，这种以官能团进行有机化合物的分 类，会给化学研究工作带来很大方便，提高有效性。 四、化学试剂的分类 化学试剂作为检验各种化学物质的质量标准，是一种重要的实际应用的化学 物质。通常是把它们分为无机化学试剂、有机化学试剂和生化试剂三大类。 1.无机化学试剂通常有两种不同分类标准。 其一是按用途分类。苏联化学家库兹涅佐夫在其所著的《化学试剂与制剂手 册》中，从分析的角度出发，把无机试剂分为4 大类：（1 ）用作溶剂的试剂， 包括各种酸类、碱类及各种不同的“熔合物质”，如焦硫酸盐、碱金属的碳酸盐、 氟化物等；（2 ）分离试剂，有沉淀试剂、提取溶剂等，如硫化物、碳酸盐、氢 氧化物……；（3 ）用于检验的试剂，如氧化剂、还原剂、基准物质、用于分析 中的各种试剂等；（4 ）辅助试剂，如络合物的形成剂、用作缓冲溶液的试剂、 指示剂等。随着科学技术的发展，无机试剂的用途越来越广，又出现了诸如电子 工业试剂、仪器分析试剂、生化试剂等。 其二是按无机试剂的性质分类。把试剂分为金属、非金属、化合物。又把化 合物分为氧化物、酸、碱、盐等。苏联H.Г。克留乞尼科夫所著《无机合成手册 》中把无机试剂分为9 类：（1 ）金属，如锌、铜等；（2 ）非金属，如硼、硅 等；（3 ）氧化物，如氧化铁、二氧化钼等；（4 ）氢化物，如氢化锂、氢化钙 等；（5 ）卤化物，如三氯化铁、四氯化硅等；（6 ）含氧酸，如高氯酸、钨酸 等；（7 ）含氧酸盐，如硝酸钡、硫酸钠等；（8 ）硫化物、氮化物、碳化物及 与它们类似的二元化合物，如碳化钙、氮化镁、硫化汞、碘化铝等；（9 ）络合 物，如氯铂酸钾、三氟合锌酸钾等。 2.有机试剂由于种类繁多、结构复杂、用途广泛，目前尚无统一的分类标准。 常用的是按用途和反应机构两种分类法。 按用途分类时有机试剂可分为2 类：（1 ）分析试剂，是直接用于无机离子 或化合物分析测定的试剂，即通常的有机试剂，诸如有机沉淀剂、共沉淀剂、萃 取剂、显色剂、金属指示剂、络合剂、基准物质和在容量分析中配制操作溶液的 有机试剂等；（2 ）辅助试剂，包括用于溶解和萃取的有机溶剂、用于调节溶液 pH值的缓冲剂，另外还有掩蔽剂、氧化- 还原剂、凝聚剂、保护胶体和层析剂等。 按反应机构分类时，依据有机试剂与无机离子或化合物的反应类型不同，可 以分为4 类：（1 ）形成正盐的试剂，包括有机酸、酸性化合物和有机碱，都能 与无机离子形成电价结合的盐，其中羧酸、胂酸、膦酸、酸性硝基化合物（如2 ， 4 ，6-）常用作阳离子沉淀剂。有机碱则用作阴离子沉淀剂；（2 ） 中性络合剂，在反应过程中能与金属离子或化合物形成络合物，通常都是含氮杂 环化合物和有机胺。此外还有中性磷酸酯，如磷酸三丁酯（TBP ）；（3 ）形成 螯合盐的试剂，如8-羟基喹啉；（4 ）其它类型有机试剂。 3.生化试剂主要有4 类分类方法。 （1 ）按生物体组织中所含有的或代谢过程中所产生的物质来分类。包括蛋 白质、多肽、氨基酸及其衍生物、核酸、核苷酸及其衍生物、酶、辅酶、糖类、 脂类及其衍生物、甾类和激素、生物碱、维生素、胆酸盐、植物生长调节物质和 卟啉类及其衍生物等。 （2 ）按在生物学研究中的用途和新技术的发展来分类。可分为电泳试剂、 色谱试剂、离心分离试剂、免疫试剂、标记试剂、组织化学试剂、分子重组试剂、 诱变剂和致癌物质、杀虫剂、培养基、缓冲剂、电镜试剂、蛋白质和核酸的沉淀 剂、缩合剂、超滤膜、临床诊断试剂、抗氧化剂、染色剂、防霉剂、去垢剂和表 面活性剂、生化标准品试剂和分离材料等。 （3 ）按生物体的物质特性作为研究生物体的工具来分类。如外源凝集素、 血液分级部分、KJ素、代谢和酶YZ剂、环磷酸化合物、免疫试剂和组织培养 试剂等。 （4 ）根据生物学中比较活跃领域中的一些新颖技术方法使用的试剂而分类， 如亲和层析材料、发色基团酶底物、培养基、固定化酶、组蛋白等。 五、化学物质的多维分类 关于化学物质的分类，目前正随着化学的发展而不断进行新的尝试。近十年 来，我国化学家、北京大学徐光宪教授正致力于探索一种新的化学物质分类 法，即分子分类法或“多维分类”法。1982年，在中日美三国金属有机化学讨论 会上，他提出了分子的（n ×c π）四维分类法及有关的七条结构规则①。在新 的分类法中，他提出了分子片的概念。分子片是处于原子和分子之间的一个中间 层次的概念。例如无机化合物中的硫酸根（SO42- ）、碳酸根（CO32- ）等和有 机化合物的官能团，都可视为分子片。每个分子片都由ZX原子和配位体所组成。 应用这种分子的分类方法，可以把数以百万计的各种有机的和无机的分子看作是 各由若干分子片所组成。按照（n ×c π）四维分类法把所有的分子分成4 大类 型，即单片分子、双片分子、多片分子（含链式、环式、多环式和原子簇化合物） 和复合分子（可看作是由链、环、簇的的各种组合而成的复杂原子）等4 大类型。 组成这些分子的分子片又可以按它的价电子数的多少分为25类。对同一类分子片， 还可以按其ZX原子所属的周期不同进一步分类。这样，使用分子片的概念并运 用四维分类法与结构规则，就可以把所有的分子进行分类。同时还可以由分子式 去估算分子的结构类型，预见新的原子簇化合物和金属有机化合物，并探讨它们 的反应性能等。

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