上科版高一化学第一章《物质及其变化》学案.docx
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上科版高一化学第一章《物质及其变化》学案
上科版高一化学第一章《物质及其变化》学案
学习要求:
1.掌握理想气体状态方程式及其应用;
2.掌握道尔顿分压定律;
3.明确液体的蒸气压、液体沸点的含义及应用;
4.学会盖斯定律及应用;
5.会正确书写热化学方程式,明确其含义;
第一节物质的聚集状态
物质是由分子或原子构成的,它们都以一定的形态存在于自然界,但物质是由无数个分子、原子聚集而成,对于单个的分子或原子没有什么状态可言。
在常温、常压下,物质通常有气体(gas),液体(liquid)和固体(solid)三种存在状态,通称为物质的“三态”。
在一定的温度和压力条件下,同一种物质的“三态”可以相互转化。
此外,现已发现物质还有第四种存在形式―等离子体状态。
物质的存在状态主要由其组成微粒间的相互作用力所决定。
从微粒间相互作用的强弱来看,一般来说,气体微粒间的作用最弱,液体微粒间的作用较强,固体微粒间的作用最强。
物质的每一种聚集状态有各自的特征。
在一定的条件下,物质总是以一定的聚集状态参加化学反应,对于某一特定的反应,由于物质的聚集状态不同,其反应的速率和能量关系也不同。
在化学反应中,气体物质与其它反应物接触面积大,使得反应能充分进行,例如液体燃料燃烧时尽量使之气化,以便燃烧完全。
一、气体的一般性质和理想气体状态方程式
物质处在气体状态时,气体分子间的距离远大于气体分子本身的大小,分子间的引力非常小,各个分子都在作无规则地高速运动(布朗运动),因此,可认为气体的存在状态几乎和它们的化学组成无关,致使气体具有许多共同性质,主要是扩散性和可压缩性,这对于研究气体的存在状态带来了方便。
气体没有固定的形状和体积,将气体引入任何形状和体积的容器中,由于它可向各个方向运动,都能自动扩散并均匀地充满整个容器(扩散性);又由于气体分子间的距离很大,所以气体又很容易被压缩(可压缩性),这给气体的贮存和运输带来了很大的方便。
有关气体的研究,对于原子论和近代化学的发展起着重要的作用。
(一)理想气体的经验公式
气体的存在状态主要由四个因素决定,即体积、压力、温度和物质的量。
从17~19世纪,许多科学家研究了在较低压力下的气体性质,从大量实验事实总结出一些经验规律:
1.波义耳定律在一定温度下,一定量气体的体积(V)与它的压力(p)成反比,即:
或
(1–1)
2.查理定律在一定压力下,一定量气体的体积(V)和热力学温度(T)成正比,即:
或
(1–2)
热力学温度也称绝对温度,其单位名称为开尔文,用符号K表示,它与摄氏温度(t℃)的关系为:
(1–3)
3.阿佛加德罗定律在一定的温度与压力下,气体的体积(V)与其物质的量(n)成正比,即:
或
(1–4)
(二)理想气体状态方程式
上述有关气体性质的三个实验定律,各自都反映了气体行为的一个侧面,如果综合上述三个定律,就可得到下面的关系式:
或
这一恒量称为摩尔气体常数(简称气体常数),用符号R表示,代入上式可得:
(1–5)
式中
式(1–5)称为理想气体状态方程式,它反映了决定气体存在状态的四个物理量,即:
体积、压力、温度和物质的量之间的关系。
气体常数可由实验测定。
如测得1.000mol气体在273.15K、101.325Pa的条件下所占有的体积为22.414×10–3m3,代入(1–5)式则得:
我们把行为完全符合(1–5)式要求的气体叫理想气体。
理想气体实际上是不存在的,它是一种科学的抽象,是一种人为的气体模型,它要求气体分子间完全没有作用力,气体分子本身完全不占有体积,实际气体都不能完全符合这一要求。
但是当实际气体处子低压(低子数百千帕)、高温(高于273K)的条件下,这时分子间距离甚大,气体的体积已远远超过分子本身所占的体积,因而可忽略后者,而且分子间作用力也因分子间距离拉大而迅速减小,故可把它近似地看作理想气体。
例1在298.15K下,一个体积为50dm3的氧气钢瓶,当它的压力降为1500kPa时,试计算钢瓶中剩余的氧气质量为多少?
解:
由理想气体状态方程(1–5)式可得:
氧气的摩尔质量为32.00g·mol–1,所以剩余的氧气质量为:
30.26mol×32.00g·mol–1=968.3g≈0.97kg
答:
钢瓶中剩余的氧气质量为0.97kg。
(三)理想气体分压定律和分体积定律
我们在日常生活、工业生产以及科学实验中所遇到的气体大多为混合气体,如空气就是一种混合气体。
气体的特性之一是具有扩散性,能够均匀地充满整个容器。
在任何容器内的气体混合物中,如果各组分气体间不发生化学反应,则在达到扩散平衡时,每一种气体都能均匀地分布在整个容器内,它所产生的压力和它单独占有整个容器时所产生的压力相同。
也就是说,一定物质的量的气体在一定容积的容器中所产生的压力仅与温度有关。
各组分气体占有与混合气体相同体积时所产生的压力叫做该组分的分压力(pi)。
例如,0℃时,1mol氧气在容积22.4L的容器内所产生的压力是101.3kPa。
如果向容器内加入1mol氮气并保持容器体积不变,则氧气的压力还是101.3kPa,但容器内的总压力却增大一倍,可见,1mol氮气在这种状态下产生的压力也是101.3kPa。
英国科学家道尔顿(J.Dalton)总结了这些实验事实,得出下列结论:
某一气体在气体混合物中产生的分压等于它单独占有整个容器时所产生的压力;而气体混合物的总压力等于其中各气体分压力之和,这就是气体分压定律,它有两种表现形式:
分压定律可表示为:
(1–6)
图1–1是分压定律的示意图[(a),(b),(c),(d)为体积相同的四个容器]。
图中(a),(b),(c)中的砝码表示A,B,C三种气体单独存在时所产生的压力。
(d)表示A,B,C混合气体所产生的总压。
理想气体定律同样适用于气体混合物,如混合气体中各气体物质的量之和为
,温度T时混合气体总压为
,体积为V,则由(1–5)式可得:
如以
表示混合气体中组分i的物质的量,
表示其分压力,V为混合气体体积,温度为T,则:
将该式除以上式可得:
,(1–7,a)
或
(1–7,b)
令
,则:
(1–7,c)
其中
为组分气体的物质的量与混合气体物质的量总数之比,称为该组分的物质的量分数即摩尔分数。
(1–7,c)式表明,混合气体每一组分气体的分压力等于混合气体总压力乘以该组分的摩尔分数,这是分压定律的另一表达形式。
道尔顿分压定律对于研究气体混合物非常重要。
在实验室中常用排水集气法收集气体(图l–2)。
用这种方法收集的气体中总是含有饱和的水蒸气。
在这种情况下所测出的压力应是混合气体的总压力。
即:
P(总压)=P(气体)+P(水蒸气)
水的饱和蒸气压仅与水的温度有关,其值可从相关手册中查出。
表1–1水的饱和蒸汽压
温度(℃)
饱和蒸气压(kPa)
温度(℃)
饱和蒸气压(kPa)
温度(℃)
饱和蒸气压(kPa)
0
5
10
15
20
25
30
0.611
0.872
1.228
1.705
2.338
3.167
4.243
35
40
45
50
55
60
65
5.623
7.376
9.583
12.330
15.740
19.920
25.000
70
75
80
85
90
95
100
31.160
38.540
47.340
57.810
70.100
84.510
101.325
例2用锌和盐酸制备氢气:
Zn(s)+2H+==Zn2++H2(g),如果在25℃时用排水集气法收集氢气,总压为98.6kPa(已知25℃时水的饱和蒸气压为3.17kPa),收集的气体体积为2.50×10–3m3。
求:
(1)试样中氢的分压;
(2)收集到的氢的质量;
(3)若经干燥剂干燥后,在相同的条件下能得到多少体积的干燥氢气?
解:
(1)用排水集气法收集的气体为被水蒸气饱和了的氢气,其总压等于氢气的分压与水蒸汽的分压之和,由分压定律可得:
p(总)=p(H2)+p(H2O)
p(H2)=p(总)–p(H2O)=(98.6–3.17)kPa=95.4kPa
(2)
(3)
在实际工作中,进行混合气体分析时,也常用体积分数来表示混合气体的组成。
当组分气体的温度和压力与混合气体相同时,即温度相同时组分气体单独承受混合气体总压力的情况下,组分气体所占有的体积称为该组分的分体积,混合气体的总体积等于各组分气体的分体积之和:
(1–8)
图1–3中(a),(b),(c)分别表示A,B,C三种组分气体的分体积。
(d)为混合气体的总体积。
分体积定律:
根据理想气体的气态方程式,同温同压下,各气体物质体积比必等于它们的“物质的量”之比。
即,
分体积与总体积之比
,称组分气体的体积分数,它在数值上即等于其摩尔分数,即
(1–9)
气体的分压力与气体的分体积概念的定义前提条件不同,分压力是在总体积一定的情况下求得的,而分体积是在各组分气体单独承受总压力的条件下求出的。
例3在18℃时,取0.200L煤气进行分析,得到有关气体的含量为CO59.4%,H210.2%,其它气体为30.4%。
假设测定是在100kPa的压力下进行的,试求煤气中CO和H2的物质的量及物质的量分数。
解:
由(1–9)式可知,CO和H2的分压如下:
由于组分气体物质的量分数与体积分数相等,所以CO物质的量分数应为0.594,H2的物质的量分数应为0.102。
二、液体
液体分子间的距离比气体小得多,分子间的相互作用较强。
液体分子运动既不像气体分子那样呈现自由运动状态,也不像固体分子那样呈现出规则排列。
液体具有较好的流动性,有一定的体积而无一定形状,与气体相比,液体的可压缩性小得多。
这种既有较强的分子间作用力又有较好流动性的特点,使得一些物质可以很好地溶解在液体中,成为均匀的溶液。
如对气体加压或降温,或同时加压并降温,气体可凝聚为液体,将液体冷却又可凝固为固体;反之,对固体加热可熔化为液体,液体受热又可气化为气体。
在化学上把我们所研究的对象内物理和化学性质完全相同的部分叫一相,固–液、液–气之间的转化称为相变,相变时两相之间的动态平衡称相平衡。
(一)液体的蒸发:
物质的分子始终处于不断的热运动中,在液体中分子运动的速度及分子具有的能量各不相同,大多数分子具有中间的平均能量状态。
液体表面某些运动速度较大的分子所具有的能量足以克服分子间的吸引力而逸出液面,成为气态分子,这一过程叫做蒸发。
在一定温度下,蒸发将以恒定速度进行。
在敞口容器中液体会气化变成气体而进入外部空间,直到全部液体都蒸发;而在密闭容器中液体的蒸发却是有限度的。
在一定温度下,密闭容器中的液体分子一方面进行蒸发变成气态分子;另一方面,一些气态分子撞击液体表面会重新返回液体,这个与液体气化现象相反的过程叫做凝聚。
初始时,由于没有气态分子,凝聚速度为零,随着气态分子逐渐增多,凝聚速度逐渐增大,直到凝聚速度等于蒸发速度,即在单位时间内,脱离液面变成气体的分子数等于返回液面变成液体的分子数,达到蒸发与凝聚的动态平衡。
此时,在液体上部的蒸气量不再改变,蒸气便具有恒定的压力。
在恒定温度下,与液体平衡的蒸气称为饱和蒸气,饱和蒸气的压力就是该温度下该液体的饱和蒸气压,简称蒸气压。
蒸气压是物质的一种特性,常用来表征液态分子在一定温度下蒸发成气态分子的倾向大小。
蒸气压的大小取决于液体的本性而与液体的量无关。
在某温度下,蒸气压大的物质为易挥发物质,蒸气压小的为难挥发物质。
例如,20℃时,水的蒸气压为2.36kPa;乙醇的蒸气压是5.85kPa。
液体的蒸气压总是随温度的升高而增大。
蒸气压与温度的关系可以用作图的方法表示出来。
以压力为纵坐标,温度为横坐标作图得液体的蒸气压曲线,曲线上的每一点代表相应液体与蒸气呈平衡状态时的温度和压力(见图1–5)。
(二)液体的沸点
加热敞口容器中的液体时,气化现象先仅发生在液体表面,随着温度升高,液体的蒸气压将增大,当温度增加到蒸气压等于外界压力时,气化不仅在液面上进行,并且也在液体的内部发生。
内部液体的气化产生了大量气泡上升到液面,随即破裂而逸出,这种现象叫做沸腾。
此时,气泡内部的压力至少应等于液面上的压力,即外界压力(对敞口容器即大气压力),而气泡内部的压力为蒸汽压。
故液体沸腾的条件为液体的蒸气压等于外界压力,沸腾时的温度叫做该液体的沸点。
蒸发和沸腾是液体气化的两种形式。
液体在常压下(101.325kPa)的沸点,称液体的正常沸点。
如,水在101.325kPa压力下的沸点为100℃(373.15K)。
显然,液体的沸点随外界压力而变化,增大外压可使液体的沸点升高;相反,降低外压可使液体在较低温度下沸腾。
如我国昆明的地势高,气压低,在这里水的沸点只有96℃。
青藏高原气压更低,水的沸点就更低了。
在化学上利用这一性质,对于在正常沸点下易分解、氧化或正常沸点很高的物质,在减压下对其进行蒸馏操作,以达到分离或提纯的目的。
这种在低于大气压下进行蒸馏的操作过程称为减压蒸馏,减压蒸馏是分离和提纯液体的一种主要方法。
需要注意,在实验中常遇到把液体加热到沸点时并不沸腾,必须超过沸点后才能沸腾的现象,这一现象称为过热,其液体称为过热液体。
过热液体一旦沸腾便相当剧烈,液体往往大量溅出,造成事故,所以过热现象对生产和实验是有害的。
实验中给液体加热时,常常要加入沸石和搅拌,这些都是减少过热现象的有效措施。
三、固体
固体可由原子、离子或分子组成,这些微粒之间的作用力最强,使它们只能在一定的平衡位置上作热振动。
因此,固体具有一定体积和形状以及一定程度的坚实性(刚性)。
将液体的温废降低到一定程度,可以转化为固体,这个过程称为液体的凝固,相反的过程称为熔化。
凝固是一种放热过程,熔化则是吸热过程。
多数固体物质受热时能熔化成液体,但有少数固体(蒸气压较大)受热后并不经液体阶段而是直接变成气体,这种现象叫做升华,如在寒冷的冬天,冰雪会因升华而消失;另一方面,一些气体在一定的条件下也可直接变成固体,这一过程叫凝华,晚秋降霜就是凝华过程。
与液体一样,固体物质也有一定的蒸气压,并随着温度的升高而增大,只是绝大多数固体的蒸气压很小。
利用升华现象可以提纯一些挥发性固体物质如碘、萘等。
固体可分成晶体和非晶体两大类,多数固体都是晶体。
与非晶体相比较,晶体通常有如下特征。
(一)晶体的一般特征
1.有一定的几何外形
自然界的晶体一般都有规则的几何外形。
如图1–6所示,发育完整的食盐晶体是立方体,石英(SiO2)晶体是六角柱体,方解石(CaCO3)晶体是菱形体(也称三方晶体)。
不过,有一些物质在形成晶体时,由于受到外界条件的影响,并不具备完整的外形,却具有晶体的性质。
如很多矿石和土壤的外形不象水晶等那样有规则,但它们基本上属于结晶形态的物质。
大多数无机和有机化合物,甚至植物的纤维和动物的蛋白质都可以以结晶形态存在。
非晶体如玻璃、松香、石蜡、动物胶和沥青等,没有一定的几何外形,所以又叫无定形体。
可见,几何外形并不是晶体与非晶体的本质区别。
2.有固定的熔点
在一定的外界压力下,将晶体加热到某一温度(熔点)时,晶体才开始熔化,在晶体全部熔化之前,即使继续加热,温度仍保持恒定不变,直到晶体全部熔化,这时所吸收的热能都消耗在使晶体从固态转变为液态。
然后,继续加热温度才会升高,这说明晶体都具有固定的熔点。
常压下冰水共存系统的温度始终为0℃。
非晶体则不同,加热时先软化(塑化)成粘度很大的物质,随着温度的升高粘度不断变小,最后成为流动性的熔体,从开始软化到完全熔化的过程中,温度是不断上升的,没有固定的熔点,只能说有一段软化的温度范围,例如松香在50~70℃之间软化,70℃以上才基本成为熔体。
我们把非晶体开始软化的温度叫软化点。
3.某些性质各向异性
晶体的某些性质(如光学性质、力学性质、导热导电性和机械强度等),从晶体的不同方向去测定时,常常是不同的。
例如云母特别容易按纹理面(称解理面)的方向裂成薄片;石墨晶体内,平行于石墨层方向比垂直于石墨层方向的热导率和电导率大的多。
晶体的这种性质称为各向异性。
非晶体是各向同性的。
晶体和非晶体性质上的差异,反映了两者内部结构的差别。
X射线衍射分析结果表明,晶体内部微粒(原子、离子或分子)的排列是有次序的、有规律的,它们总是在不同方向上按某些确定的规则重复性地排列,这种有次序的、周期性的排列规律贯穿于整个晶体内部,而且在不同方向上的排列方式往往不同,因而造成晶体的各向异性。
非晶体内部微粒的排列是无次序的、不规律的。
如图1–7为石英晶体和石英玻璃(非晶体)中微粒排列示意图。
晶体与非晶体之间并不存在不可逾越的鸿沟。
在一定条件下,晶体与非晶体可以互相转化,例如把石英晶体熔化并迅速冷却,可以得到石英玻璃。
涤纶熔体若迅速冷却,可得无定形体;若慢慢冷却,则可得晶体。
由此可见,晶态与非晶态是物质在不同条件下形成的两种不同的固体状态。
第二节化学反应中的质量关系和能量关系
利用化学反应我们可以获得不同性质的产物和能量。
化学反应总是伴随着能量的变化。
本节讨论化学反应所遵循的两个基本定律,即质量守恒定律和能量守恒定律,这对于科学实验和生产实践都有重要的指导意义。
一、质量守恒定律
“在化学反应中,质量既不能创造,也不能毁灭,只能由一种形式转变为另一种形式”,这是质量守恒定律的文字表述。
从宏观上看,化学反应是由反应物转变为生成物,既有旧的物质的消耗,也有新的物质的生成;从微观上看,则是物质内部的分子、原子、离子或原子团的重新排列和组合。
质量守恒定律不但是化学上的一个基本定律,也是自然界物质发生一切变化所遵循的一个普遍定律。
质量守恒定律应用于化学反应,具体表现为化学反应方程式。
要正确地反映化学反应中各物质的质量关系,反应方程式的配平是利用化学反应方程式进行计算的必要前提。
二、化学反应中的能量关系
化学反应的实质是反应物分子中旧键的削弱、断裂和产物分子中新键形成的过程,即化学键的重组,前者需要吸收能量,后者则会释放能量,因此,化学反应过程必然伴随有能量的变化。
例如:
煤燃烧时放热;原电池反应可产生电能,电解食盐水要消耗电能;叶绿素在光作用下使二氧化碳和水转化为糖类。
化学反应的能量变化有多种表现形式,如热、电、光、声等,反应热是最常见的能量变化形式。
(一)基本概念和术语
1.系统和环境
宇宙间各事物总是相互联系的。
为了研究方便,常把要研究的那部分物质和空间与其它物质或空间人为地分开。
被划分出来作为研究对象的那部分物质或空间称为系统(或体系);系统之外并与系统有密切联系的其它物质或空间称为环境。
例如:
一杯水,如果只研究杯中的水,水就是系统,而杯和杯以外的物质和空间则为环境。
按照系统和环境之间物质和能量的交换情况,可将系统分为以下三类:
敞开系统–––––系统和环境之间,既有物质交换,又有能量交换。
封闭系统–––––系统和环境之间,没有物质交换,但有能量交换。
孤立系统–––––系统和环境之间,既没有物质交换,又没有能量交换。
2.状态和状态函数
任何系统都可以用一系列宏观可测的物理量(系统的性质),如物质的种类、质量、体积、压力、温度等来描述系统所处的状态,即系统的状态就是这些性质的综合表现。
当系统的所有性质都有确定值时,我们说系统处于一定的状态。
我们把这些能够表征系统状态的宏观性质的物理量称为状态函数。
系统的各个状态函数之间是互相制约的。
例如,对于理想气体来说,如果知道了它的压力、体积、温度和物质的量,这四个状态函数中的任意三个,就能用理想气体状态方程式确定第四个状态函数。
通常把系统变化前的状态称为始态,变化后的状态称为终态。
状态函数具有如下特征:
(1)系统的状态确定后,每一个状态函数都具有单一的确定值,而与系统如何形成和将来变化无关;
(2)系统由始态变化到终态,状态函数的改变值仅取决于系统的始态和终态,与系统变化的途径无关;
(3)系统经历循环过程后(始、终态相同),各个状态函数的变化值都等于零。
掌握状态函数的性质和持点,对于学习化学热力学是很重要的。
因为,状态函数的特性是热力学研究问题的重要基础,也是进行热力学计算的依据。
3.过程与途径
系统状态发生的变化叫过程,而完成状态变化的具体步骤则称作途径。
像气体的升温、压缩,液体蒸发为蒸气,晶体从液体中析出以及发生化学反应等等,均称进行了一个热力学过程。
应该指出,系统在一定的始态和终态之间完成状态变化的具体途径可能有无数条,但其状态函数的变化量则总是相同的,与所经历变化的具体途径无关。
例如,把20℃的水升温至35℃,可以通过如下的途径达到:
直接升温至35℃;先冷却至0℃然后升温至35℃等等,但其状态函数(温度T)的改变量却相同,即△T=T(终态)–T(始态)=15℃。
这是因为在状态一定时,状态函数就有一个相应的确定值;始态和终态一定时,状态函数的改变量就只有一个唯一的数值。
4.热力学能(U)
热力学能(以往称为内能)是系统内部能量的总和,用符号“U”表示。
它包括系统内部各种物质的分子平动能、分子间转动能、分子振动能等。
由于系统内部质点运动及相互作用的复杂性,因而热力学能的绝对值难以确定。
不过既然它是系统自身的属性,系统在一定状态下,其热力学能应有一定的数值,因此热力学能(U)是一个状态函数,其改变量(△U)只取决于系统的始、终态,而与系统变化过程的具体途径无关。
5.热和功
系统处于一定状态时,具有一定的热力学能。
在状态变化过程中,系统与环境之间可能发生能量的交换,使系统和环境的热力学能发生改变。
这种能量交换通常有热和功两种形式。
系统和环境之间因温差而传递的能量称为热;除热以外,其它各种形式被传递的能量都称为功。
功有多种形式,化学反应涉及较广的是那种由于系统体积变化反抗外力作用而与环境交换的功,这种功称为体积功。
除体积功外的其它功统称为非体积功(如电功等)。
通常以Q表示热量,以W表示功,它们的单位均以焦耳(J)或千焦耳(kJ)来表示。
必须注意,既然热和功都是系统发生某过程时与环境之间交换或传递能量的两种形式,因此热和功不仅与系统始、终态有关,而且与变化的具体途径有关,所以热和功不是状态函数。
6.能量守恒(热力学第一定律)
人们经过长期实践认识到,在孤立系统中能量是不会自生自灭的,它可以变换形式,但总量不变,这就是能量守恒定律。
若一个封闭系统,环境对其作功(W),并从环境吸热(Q),使其热力学能由U1的状态变化到U2的状态,根据能量守恒定律,系统热力学能的变化(△U)为:
△U=U2-U1=Q+W(1–10)
此即为热力学第一定律的数学表达式,它的含义是指封闭系统热力学能的变化等于系统吸收的热与系统从环境所得的功之和,实为能量守恒定律在热传递过程中的具体表述。
(二)反应热效应
化学反应系统与环境进行能量交换的主要形式是热。
通常把只做体积功,且始态和终态具有相同温度时,系统吸收或放出的热量叫做反应的热效应。
按反应条件的不同,反应热效应又可分为:
恒容热效应(QV)和恒压热效应(Qp)。
1.恒压热效应和反应焓变
通常化学反应是在恒压条件下进行的,如在敞口容器内进行的反应,如果系统不作非体积功,此过程的反应热称为恒压热效应,由符号QP表示。
对有气体参加或产生的反应,可能会引起体积变化(由V1变到V2),则系统对环境所做的体积功为:
W=–p(V2–V1)
对于封闭系统,系统只作体积功的恒压过程,由热力学第一定律可得出:
△U=QP+W
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- 物质及其变化 上科版 高一化学 第一章 物质 及其 变化