#1 电子排布式
核外电子按能量不同分成不同能层，按能量大小递增表示为 \(\mathrm{K, L, M, N, O, P, Q, \cdots}\)（实际上就是字母表顺序）。能层内部分为不同能级，按容纳的原子轨道个数递增表示为 \(\mathrm{s, p, d, f, \cdots}\)（这个要背一下），第 \(i\) 个能层有 \(i\) 个能级。不同能级按顺序分别有 \(1, 3, 5, 7, \cdots\)（正奇数数列）个原子轨道，其中每个原子轨道最多容纳 \(2\) 个电子，所以不同能级分别能容纳 \(2, 6, 10, 14, \cdots\) 个核外电子。
\(\ce{Na}\) 的电子排布式为 \(\ce{1s^2 2s^2 2p^6 3s^1}\)，其实就是把所有能级摆出来。其中“系数”表示当前能级所在的能层的序数，“指数”表示当前能级容纳了几个核外电子。发现 \(\ce{1s^2 2s^2 2p^6}\) 恰好是 \(\ce{Ne}\) 的电子排布式，所以可以简化书写：\(\ce{[Ne] 3s^1}\)，在只关心最外层电子时比较有用。容易发现，中括号内元素的每一个能层都被填满了。
把电子排布式中的最外层电子提取出来，叫做价电子排布式。相应的，最外层电子又叫做价电子。最外层电子实际上指的是最外面一个能层的电子。
设一个能层能容纳 \(2n\) 个电子，则该能层有 \(0, n, 2n\) 个电子时最稳定。电子总是去能量最低的能层。
#2 铁的生锈
前提：铁与水接触。
吸氧反应
- \(\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}\)。
- \(\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}\) 或 \(\ce{O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O}\)。
- \(\ce{Fe^2+ + 2OH- -> Fe(OH)2}\)。
- \(\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O -> 4Fe(OH)3}\)。
- \(\ce{2 Fe(OH)3 -> Fe2O3 . \mathcal{n} H2O + (3 - \mathcal{n}) H2O}\)。
阳极区的 \(\ce{Fe}\) 首先放出两个电子，让它本身变成 \(\ce{Fe^2+}\)，溶解到表面的水膜中。两个电子则留存在金属铁中，通过金属铁本身移动到阴极区。
到达阴极区的电子会被吸附到金属铁与水膜接触的界面，让 \(\ce{O2}\) 得以获得电子，生成 \(\ce{OH-}\)。实际上，如果我们把 \(\ce{+4e-}\) 移到右边：
可以发现这正是电解水中阳极区发生的反应！
显然，反应需要足够的 \(\ce{O2}\)。同时，这种反应速率较慢，因为 \(\ce{O2}\) 扩散和 \(\ce{Fe^2+}\) 溶解都较慢，是瓶颈。
析氢反应
- \(\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}\)。
- \(\ce{2H+ + 2e- -> H2}\)。
- \(\ce{Fe^2+}\) 与阴离子结合，形成盐。
显然，反应发生需要足够的 \(\ce{H+}\)。实际上，两种反应可以同时发生，主要在弱酸性环境下同时发生。
当然，这种反应就比较快了，因为瓶颈较少。反应快意味着反应物消耗也快，所以溶液的 pH 会随着反应的进行而升高，因为 \(\ce{H+}\) 被消耗。
这个反应释放氢气，而且一般不生成典型的铁锈，看上去就像 \(\ce{Fe}\) 凭空消失一样。但有时会生成不溶于水的盐：
- 存在特定阴离子：水中存在 \(\ce{CO3^2-}\) 或 \(\ce{HCO3-}\) 时，可以生成 \(\ce{FeCO3}\)，难溶于水。
- pH 升高：导致 \(\ce{e-}\) 消耗不完，让 \(\ce{Fe^2+}\) 水解，形成 \(\ce{Fe(OH)2}\)。
#3 氯碱工业
指电解饱和 \(\ce{NaCl}\) 溶液以生产 \(\ce{NaOH}\)、\(\ce{Cl2}\) 和 \(\ce{H2}\) 的工艺。
在阳极，因为 \(\ce{Cl-}\) 比 \(\ce{OH-}\) 更容易失电子，所以 \(\ce{Cl-}\) 失电子，发生氧化反应：
失掉的电子从导线到达阴极，与 \(\ce{H+}\) 结合，因为 \(\ce{H+}\) 比 \(\ce{Na+}\) 更容易得电子：
于是溶液中的 \(\ce{H+}\) 和 \(\ce{Cl-}\) 不断被消耗，只剩下 \(\ce{Na+}\) 和 \(\ce{OH-}\)，\(\ce{Na+}\) 向阴极区定向流动，\(\ce{OH-}\) 向阳极区定向流动，于是溶液中形成电流，且溶液转变成 \(\ce{NaOH}\)。但是在碱性溶液中，\(\ce{H+}\) 较少，所以此时阴极发生以下反应：
\((+) + (-)\) 得
#4 侯氏制碱法
- \(\ce{NaCl + NH3 + CO2 + H2O -> NaHCO3 (s) + NH4Cl}\)。
- \(\ce{2NaHCO3 ->[\Delta] CO2 + Na2CO3 + H2O}\)。
此方法被用于工业制 \(\ce{Na2CO3}\)，同时可以产出 \(\ce{NH4Cl}\)。
注意：第一步需要用饱和 \(\ce{NaCl}\)，让 \(\ce{NaHCO3}\) 无法溶解，只能沉淀。
优点：
- 物质可以被循环利用：第一步用到的 \(\ce{H2O}\) 和 \(\ce{CO2}\) 在第二步都有产出，直接循环利用。
- 可以顺带产出 \(\ce{NH4Cl}\)：把第一步的液体过滤出来，然后添加 \(\ce{NaCl}\)，最后冷却结晶。
- 原料易获取，没有废料。
#5 复盐
字面意思，把两个简单盐拼到一起得到的盐。当然，这两种盐需要能拼到一起。怎么样能拼到一起呢？结构相似就可以。比如 \(\ce{K2SO4}\) 和 \(\ce{Al2(SO4)3}\)：
（上图为 \(\ce{K2SO4}\)。）
（上图为 \(\ce{Al2(SO4)3}\)。）
发现两者的晶体结构十分相似，都是 \(\ce{S}\) 外面连着两个 \(\ce{O}\) 和两个 \(\ce{O-}\)，所以结晶时可以混到一起结晶，形成 \(\ce{KAl(SO4)2}\)。
因为 \(2 \ce{KAl(SO4)2}\) 比起 \(\ce{K2SO4 + Al2(SO4)3}\) 晶格能更大，所以溶解时需要更大的能量，表现出溶解度降低。其它复盐同理。
#6 标准电极电势
我们想要衡量一个微粒想释放 / 接受电子的倾向。下文以 \(\ce{Zn}\) 举例。
这个东西无法直接测量，所以我们找一个参照物 \(\ce{H+/ H2}\)。我们让 \(\ce{Zn^2+/ Zn}\) 和 \(\ce{H+/ H2}\) 竞争，看是谁给对方塞电子。
测量方法
我们以 \(\ce{Zn}\) 和 \(\ce{Cu}\) 举例。
我们需要强制让 \(\ce{e-}\) 从导线过，所以用两个烧杯，其中溶液浓度均为 \(\ce{1 mol/L}\)。
但如果只这样，一有 \(\ce{e-}\) 从导线过，左边就带正电（\(\ce{Zn - 2e- -> Zn^2+}\)），它就会把后续的 \(\ce{e-}\) 吸回来。所以我们让一个负离子（\(\ce{Cl-}\)）去补位，维持电中性。同理，右边需要一个正离子（\(\ce{K+}\)）去补位。
于是我们在两个烧杯之间放一个 \(\ce{KCl}\) 盐桥（浸泡过 \(\ce{KCl}\) 溶液的琼脂），这样就可以同时给两边补位了。用 \(\ce{K+}\) 和 \(\ce{Cl-}\)，是因为这两个离子移速相近。如果移速相差大，那么无法同时补上位，就会有误差。
但是 \(\ce{Ag+}\) 又该如何应对？我们换成 \(\ce{KNO3}\) 即可。
为什么不直接用 \(\ce{KNO3}\)？因为 \(\ce{NO3-}\) 在酸性条件下有氧化性，可能会反应。
至于氢电极，我们用一块表面镀有铂黑（以吸附氢气）的铂片，浸泡在 \(\ce{1 mol/L}\) 的酸溶液中。向溶液中不断通入 \(\ce{100 kPa}\) 的 \(\ce{H2}\)，让铂片吸附它即可。
比较方法
以 \(\ce{Cu}\) 和 \(\ce{H2}\) 举例。读电压表，电压的绝对值就是 \(E^{\circleddash} (\ce{Cu^2+/ Cu})\) 的绝对值，因为我们规定 \(E^{\circleddash} (\ce{H+/ H2}) = 0\)。
至于正负，如果电子流向氢电极，则 \(E^{\circleddash} (\ce{Cu^2+/ Cu}) < 0\)（\(\ce{Cu^2+}\) 的氧化性弱于 \(\ce{H+}\)），否则 \(> 0\)。
比较时，如果 \(E^{\circleddash} (\ce{Cu^2+/ Cu}) < E^{\circleddash} (\ce{Zn^2+/ Zn})\)，则 \(\ce{Cu^2+}\) 的氧化性弱于 \(\ce{Zn^2+}\)，否则强于 \(\ce{Zn^2+}\)。
#7 中和反应中的少量与过量
以 \(\ce{NaHCO3}\) 和 \(\ce{Ca(OH)2}\) 举例。
\(\ce{NaHCO3}\) 少量
以 \(\ce{NaHCO3}\) 为 1 份，因为总可以给整个方程乘一个系数，使得它为 1 份。我们认为另外一个可以给出任意数量的微粒。
那么有 1 个 \(\ce{HCO3-}\)，需要一个 \(\ce{OH-}\) 和 \(\ce{Ca^2+}\) 来中和掉它。于是
\(\ce{Ca(OH)2}\) 少量
以 \(\ce{Ca(OH)2}\) 为 1 份，那么需要 2 个 \(\ce{H+}\) 来中和 2 个 \(\ce{OH-}\)。多余的 2 个 \(\ce{CO_3^2-}\)，一个与 \(\ce{Ca^2+}\) 结合产生沉淀，另一个在溶液中游离。于是
方法
以少量的为 1 份。少量的需要多少，过量的就给多少，多余的注意是否会沉淀或出气体等。
注意事项
如果遇到难溶性物质，那么它就是少量的。因为只有它溶解的部分才会电离，而它溶解的部分又很少，所以就少量了。
#8 \(\ce{MnO4-}\) 的还原
上面是 \(\ce{MnO4}\) 沿相邻价态逐级还原的过程。
\((1) + (2) + (3)\)：
根据你朴素的情感，你应该能猜出 \(\ce{H+}\) 浓度越高，反应越会向右进行。所以理论上，溶液越酸，还原出的 \(\ce{Mn}\) 化合价越低。
这是对的。在任何条件下都发生 \((1)\)，在中性 / 酸性条件下发生 \((2)\)，在酸性条件下发生 \((3)\)。所以 \(\ce{MnO4-}\) 的还原产物：
- 在碱性条件下为 \(\ce{MnO4^2-}\)。
- 在中性条件下为 \(\ce{MnO2}\)。
- 在酸性条件下为 \(\ce{Mn^2+}\)。
#9 \(\ce{HNO3}\) 的还原
\(\ce{N}\) 在 \(\ce{HNO3}\) 中的化合价是 \(+5\)，处在高价态。所以它倾向于抢夺电子，可以降到 \(+4, +2, +1, 0, -3\) 价。
在 \(\ce{HNO3}\) 很浓时，\(\ce{NO3-}\) 很多，这时电子反而是少的那一方。每一个可能抢不到很多电子，所以这时只能还原到 \(+4\) 价——\(\ce{NO2}\)（红棕色）。
稀一点就是 \(\ce{NO}\)。
再稀一点，同时加入活泼金属（\(\ce{Zn, Fe}\) 等）单质，就可以做到 \(\ce{N2O}\)（笑气）。
再稀一点就是 \(\ce{N2}\)。
再稀一点就是 \(\ce{NH3}\)。但是注意到溶液里全是水，所以 \(\ce{NH3 . H2O <=> NH4+ + OH-}\)，所以这时出的实际是 \(\ce{NH4+}\)。此处要注意一下溶液里水是否足够多。
#10 电解饱和食盐水
发现 \(\ce{Cl-}\) 变成了 \(\ce{Cl2}\)，所以可以猜出 \(\ce{Cl-}\) 在正极失电子：
为什么不出 \(\ce{O2}\)？因为 \(\ce{Cl-}\) 更容易失电子。
电子通过导线流到负极。继续观察，发现水电离出的 \(\ce{H+}\) 变成了 \(\ce{H2}\)，所以可以猜出 \(\ce{H+}\) 在负极得电子：
剩下的就是 \(\ce{OH-}\)。
发现 \(\ce{Cl2}\) 和 \(\ce{OH-}\) 反应，所以要使用阳离子交换膜把两极隔开。具体的：
- 先放入阳离子交换膜。
- 在正极一边加入饱和食盐水，另一边加蒸馏水。
- 开始电解。
这时，正极处会出 \(\ce{Cl2}\)，另一边出 \(\ce{OH-}\)，这两个离子被隔开。同时，\(\ce{Na+}\) 会通过交换膜，让负极处的液体变成 \(\ce{NaOH}\)。
如果你比较叛逆，不使用阳离子交换膜，那么 \(\ce{Cl2}\) 会和 \(\ce{OH-}\) 反应出 \(\ce{ClO-}\)，这时是 84 消毒液。如果环境温度恰好在 \(40 \sim 90\) 摄氏度之间，则 \(\ce{ClO-}\) 会歧化出 \(\ce{ClO3-}\) 和 \(\ce{Cl-}\)。总反应式：