普通化学大学化学一课件.ppt

贵州大学化工学院,普 通 化 学 课 件（general chemistry）,单位：贵州大学化工学院制作人：李翠芹,贵州大学化工学院,绪 论,主要内容一、对已学化学知识的回顾与总结二、化学的研究对象与范围三.化学发展史 教学目的与教学内容 要求与考核,贵州大学化工学院,中学化学,无机：无机元素及化合物的相关知识,有机：有机化合物的相关知识,基本概念与理论,大学化学涉及,无机元素及化合物,卤素：、l、r、t,碱金属：Li、Na、K、Rb、Cs,氧族元素：、e、Te、Po,族元素：、s、Sb、Bi,族元素：C、Si、Ge、Sn、Pb,金属元素：Mg、Al、Fe等,贵州大学化工学院,基本概念及理论,物质的组成、性质和分类,化学用语,表示构成物质的微粒的化学用语,表示物质宏观组成的化学用语,表示物质变化的化学用语,化学中常用的计量：摩尔等,化学反应基本类型：氧化还原反应等：,溶液：溶解度等概念,物质的结构：化学键、晶体等,元素周期律和周期表：主族和副族,化学反应速率，化学平衡：重点,电解质溶液：,弱电解质的电离平衡,盐类的水解,原电池及电解池,反应进行的方向,反应速率,反应进行的程度,化学平衡的移动,氧化剂、还原剂相对强弱的比较,氧化还原反应方向的判断,氧化还原反应进行程度的衡量,反应进行的方向,贵州大学化工学院,1 化学的研究对象 化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的学科。2 化学的研究范围 物质的组成、结构、物理与化学性质、制备方法与工艺；物质各种聚集状态（包括晶体、非晶体、流体、等离子体、介观与纳米态）下的性质、功能与应用。,贵州大学化工学院,化学的分支(二级)学科：无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和高分子化学等；应用方面(交叉边缘学科)有燃料化学、环境化学、材料化学、生物化学、放射化学、激光化学、地质化学、计算化学、能源化学、绿色化学、化学信息学、纳米化学、化学生物学等。大学化学作为一门基础课程，是对化学科学各分支的基础知识作一整体的介绍。二化学的地位 是自然科学的核心一级学科。是自然科学中处于承上启下地位的中心学科。,贵州大学化工学院,贵州大学化工学院,贵州大学化工学院,三.化学发展史 四次革命,首次给元素下了一个清晰的定义，被益为化学中的牛顿,使化学成为一门实验科学,建立了价键理论,贵州大学化工学院,波义耳1661年发表了“怀疑派化学家”(The ScepticalChymist)，指出:“化学不是为了炼金，也不是为了治病，它应当从炼金术和医学中分离出来，成为一门独立的科学”。波义耳极为崇尚实验，指出，“空谈毫无用途，一切来自实验”。他把严密的实验方法引入化学研究，使化学成为一门实验科学。,恩格斯的评价：“把化学确立为科学”被誉为“化学之父”（墓碑语）。,贵州大学化工学院,法国化学家拉瓦锡1783年出版名著“关于燃素的回顾”，提出燃烧的氧化学说。拉瓦锡1789年出版了“初等化学概论”，首次给元素下了一个科学和清晰的定义：“元素是用任何方法都不能再分解的简单物质”。以科学元素说取代了传统思辨的旧元素论。揭开了困惑人类几千年的燃烧之谜，以批判统治化学界近百年的“燃素说”为标志，发动了第二次化学革命，被誉为“化学中的牛顿”。,贵州大学化工学院,英国化学家道尔顿创立科学原子论(化学原子论)，揭示了各种化学定律、化学现象的内在联系，成为说明化学现象的统一理论，完成了化学领域内一次极为重大的理论综合。有人称为近代化学史上的第三次化学革命。1803年，道尔顿提出了原子学说：元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同，不同元素的原子的形状、质量及各种性质则不相同，原子的质量（而不是形状）是元素最基本的特征；不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成化合物。化合物的原子称为复杂原子，它的质量等于其组合原子质量的和。,贵州大学化工学院,1807年道尔顿发表化学哲学新体系，全面阐述了化学原子论的思想。1930年，美国化学家鲍林（L.Pauling，19011994）和德国物理学家J.C.Slater（19001976）把量子力学处理氢分子的成果推广到多原子分子体系，建立了价键理论（VBT）。阐明了共价键的方向性和饱和性，指出了由于原子轨道重叠方式不同而形成的键和键这两种基本共价键类型。,贵州大学化工学院,1931年，为解释甲烷分子的空间构型，鲍林又根据波函数叠加原理，提出了杂化轨道理论。作为价键理论的重要补充，较满意地解释了共价多原子分子的空间构型。代表作“化学键的本质”至今仍是一部权威性著作。还提出电负性、键参数、杂化、共振、氢键等概念。在生物化学领域提出了蛋白质分子多肽链的螺旋结构。在量子化学和结构化学领域，几乎到处可以看到鲍林的足迹。1954年获诺贝尔化学奖，1962年获诺贝尔和平奖,贵州大学化工学院,四.教学目的与教学内容 目的 使同学具有必备的近代化学基本理 论、基本知识和基本技能；了解这些理论知识和技能在工程实际 的应用；培养高素质人才。使同学成为知识 面宽、基础扎实、有开拓创新能力的 高素质人才。,贵州大学化工学院,教学内容 基本理论和基本知识：热化学（热力学）；化学反应的方向、程度和速率；水化学；电化学（动力学）；物质结构基础；元素化学。工程实际应用：能源、大气污染、水污染、金属腐蚀及防止、金属材料及表面处理,贵州大学化工学院,五.要求与考核 理论课：重点弄清各章的内容。课 堂上认真听讲、课后认真复习与消化、认 真完成作业。实验：是课程的重要环节，做实验能加深 与巩固对基本理论和知识的理解；能训练 基本操作技能，培养独立操作、观察记 录、分析归纳写报告等多方面的能力以 及科学工作方法。要求：写好预习报告，不得迟到缺席，独 立操作，独立写实验报告。,贵州大学化工学院,成绩评定方法：理论课+实验课 平时：30（包括考勤、课题提问、完成作业情况、实验等）考试：70%,贵州大学化工学院,第 1 章热 化 学 与 能 源,普 通 化 学 课 件（general chemistry）,贵州大学化工学院,教学基本要求,1.掌握系统、环境、相、状态函数、化学计量数、反应进度的概念和热化学定律。,2.掌握化学反应中的焓 变在一般条件下的意义。理解定压反应热(qp)与反应中的焓变的关系。了解qv与反应中的内能变的关系掌握化学反应的标准摩尔焓变的近似计算。,3.适当了解能源中的燃料燃烧反应的热效应。了解能源的概况、燃料的热值和可持续发展战略。,贵州大学化工学院,（一）反应热的测量,（二）反应热的理论计算,1几个基本概念,1热力学第一定律,2化学反应的反应热与焓,3反应标准摩尔焓变的计算,主要内容,贵州大学化工学院,1.1.1 几个基本概念,作为研究对象的那一部分物质；,系统之外，与系统密切联系的其它物质。,1.系统：,2.环境：,1-1 反应热效应的测量,贵州大学化工学院,封闭系统,三种热力学系统：,孤立系统,孤立系统是一种科学的抽象,对于科学研究有重要意义.,敞开系统,贵州大学化工学院,应用相的概念需区分：*相与聚集态不同；,3 相：,系统可分为:单相（均匀）系统；多相（不均匀）系统。相与相之间有明确的界面。,系统中任何物理和化学性质完全相同的部分。,*相数与物质种类数；,*相与界面的关系。,一种物质的不同聚集态，不同相,同聚集态不同相,不同物质同聚集态同或不同相,贵州大学化工学院,4.状态与状态函数,（1）系统的状态：指用来描述系统的诸如压力p，体积V，温度T，质量m和组成等各种宏观性质的综合表现。（）状态函数：用来描述系统状态的物理量,（）在系统状态变化时，状态函数的改变量只与系统的始、末态有关而与过程无关。,即：X=X2-X1,状态函数的三个特点：状态一定，其值一定；殊途同归，其值相等；周而复始，值变为零。,问题：在一定条件下，由氯化钠的过饱和溶液、冰、乙醇溶液、氮气和氢气组成的系统中，有几种组分，几个相？几个聚集态？,贵州大学化工学院,途 径 1,状态函数按其性质可分为两类广度性质：将系统分成若干部分时，系统的性质等于各部分性质之和，广度性质的量值与系统中物质的量成正比，具有加和性，如体积、热容、物质的量、质量、熵、焓和热力学能均有加和性。,贵州大学化工学院,强度性质：此类性质不具有加和性，其量值与系统中物质的量多少无关，仅取决于系统本身的特性如温度、压力、密度、黏度、硬度等均是强度性质系统的某种广度性质除以物质的量或质量后就变成强度性质，如体积是广度性质，而密度是强度性质。,、过程与可逆过程过程：系统的状态发生的任何变化称为过程，实现这个过程的具体步骤称为途径。可逆过程：系统经过某过程由状态变到状态后，当系统沿该过程的逆过程回到原来状态时，若原来对环境产生的饿一切影响同时被消除，这种理想化的过程称为热力学可逆过程。,贵州大学化工学院,、化学计量数和反应进度,B表示反应中物质的化学式，是B的化学计量数，是量纲为1的量，对反应物取负值，对产物取正值。反减少，产增加。对同一个反应，化学计量数与化学方程式的写法有关，例如合成氨的反应,若写作：,将任意方程式：aA+bBYy+Zz 写做：aAbBYy+Zz并表示成：,贵州大学化工学院,、反应进度 的定义式为:对于一般反应式（1.1a）,（1.2）,式中，,对于有限的变化，有,对于化学反应来讲，一般选尚未反应时，因此,以合成氨为例,反应前物质的量n1/mol反应某时刻物质的量n2/mol,30 0,8 24 4,贵州大学化工学院,则反应进度为,可见，对同一反应方程式，不论选用哪种物质表示反应进度均相同。,但若将合成氨反应式写成：,对于上述物质的量变化，则求得，同一反应，反应方程式写法不同，就不同，因而 也不同，所以当涉及反应进度时，必须指明化学反应方程式。,当反应按所给反应式的系数比例进行了一个单位的化学反应时，即，这时反应进度 就等于1mol。我们就说进行了1mol化学反应，简称摩尔反应。,贵州大学化工学院,1.1.2反应热的测量1.反应的热效应 化学反应时所放出或吸收的热称为反应的热效应，简称反应热。反应热一般可用测定一定组成和质量的某种介质（如溶液或水）的温度的改变，再用下式求得qcsms(T2-T1)csmsT=CST2.测量反应热的步骤1）准确称量反应物(固态或液态）装入钢弹内，通入氧气，密封;2）将钢弹安放在一钢质容器中，向容器内加入足够的已知质量的水，使钢弹淹没，钢弹与环境绝热;3）精确测定系统的起始温度(T1);4）电火花引发反应，测量系统(包括钢弹及内部物质、水和金属容器等)的终态温度(T2)。,贵州大学化工学院,3 测量装置氧弹式量热计(calorimeter),贵州大学化工学院,贵州大学化工学院,C叫做量热计常数（calorimeter constant）为弹液(如水)和热量计部件(如杯体，钢弹,温度计,搅拌棒和引燃丝等)热容之和.(例如盛水2000g的弹式热量计的常数为10.1 kJK-1),4.计算：,q-q(H2O)+qb-C(H2O)T+CbT-CT,弹式量热剂中环境所吸收的热可分为两部分：主要的部分是加入的吸热介质水所吸收的，另一部分是金属容器等钢弹部件所吸收的，前一部分的热以q(H2O)表示，则后一部分热以qb表示，若钢弹部件的总热容以Cb表示，则则系统的反应热为,贵州大学化工学院,注意：1）反应热与反应进度之比，即等于摩尔反应热2）弹式量热计（在密闭容器中）测得的是定容反应热qv，而在敞口容器中或在火焰热量计中测得的是定压反应热qp。一般来说“实测的反应热”均指定容反应热qv，而反应热均指定压反应热qp。,贵州大学化工学院,1.2反应热的理论计算,1.2.1热力学第一定律1.热力学第一定律：在任何过程中能量不会自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变，这就是能量守恒定律，又称能量守恒与转化定律。将能量守恒定律应用于热力学中即称为热力学第一定律。,2 热力学能,即内能系统内部能量的总和。包括平动能、,振动能、转动能、分子间势能、电子运动能等。符号U，单位kJmol-1热力学能是状态函数。,贵州大学化工学院,3 热,符号：q，单位：kJ；q不是状态函数；系统吸热：q 0；系统放热：q 0,热力学中将能量交换形式分为热和功。,热是：系统与环境因温度不同而传递的能量。是微粒无序运动而传递的能量,4 功：系统与环境交换能量的另一种形式功。微粒有序运动而传递的能量,功分为：体积功 W(W=-pV)；(w=FS=pmS=pV)非体积功 W。单位：kJ。W 不是状态函数；系统对环境作功:W 0。,贵州大学化工学院,q 0,W 0,U=q+W,5 热力学第一定律数学表达式,一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q，对环境做功W，变到状态2,热力学能U2，则有：,1.2.2 化学反应的反应热与焓 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热。根据反应条件的不同，反应热又可分为定容反应热和定压反应热两种。,贵州大学化工学院,1.定容反应热 在恒容、不做体积功的条件下,根据热力学第一定律：,此式表明，定容反应热全部用于改变系统的热力学能，或说定容反应热等于系统热力学能的增量。,2.定压反应热,在恒压，只做体积功条件下，,根据热力学第一定律：,3.焓,贵州大学化工学院,上式可化为：,0，0 恒压反应系统吸热。,是焓的增量，称为焓变,4.与 的关系与盖斯定律,恒温、恒压过程和恒温、恒容过程的热力学可认为近似相等，即,由上面两式可得出同一反应的 与 的,关系为,式中V为恒压过程的体积变化。对于液态和固态的系统V0,贵州大学化工学院,所以,对于有气态物质参与的系统，V是由于各气体的物质的量发生变化引起的。若任一气体的物质的量变化为n(Bg),则由于各种气体的物质的量的变化引起系统的体积变化：,根据，故,等式两边均除以反应进度，即得化学反应摩尔定压热与摩尔定容热之间的关系式。,或,式中 为反应前后气态物质化学计量数的变化，对反应物取负值，对生成物取正值。,贵州大学化工学院,盖斯定律：在恒容或恒压条件下，化学反应的反应热只与反应的始态和终态有关，而与变化途径无关。利用已精密测定的反应热数据来求算难以测定的反应热。例如：已知在298.15K和标准条件下：,则反应（1）-反应（2）=反应（3）所以,推理：任一化学反应可以分解为若干最基本的反应（生成反应），这些生成反应的反应热之和就是该反应的反应热。,贵州大学化工学院,如：AB+CD=AC+BD H A+B=AB H1;C+D=CD H2;A+C=AC H3;B+D=BD H4。则：H=H4+H3-H1-H2,1.2.3 反应标准摩尔焓变的计算1.热力学标准状态与物质的标准摩尔生成焓,热力学关于标准态的规定,（1）气体物质的标准态是在标准压力(P=100.00kPa)时的(假想的)理想气体状态;,（2）溶液中溶质B的标准态是:在标准压力p 时的标准质量摩尔浓度b=1.0mol.kg-1,并表现为无限稀薄溶液时溶质B(假想)的状态;,贵州大学化工学院,标准摩尔生成焓 单质和化合物的相对焓值，规定在标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质时反应的焓变叫做该物质的标准摩尔生成焓。生成焓是说明物质性质的重要数据，生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。一般选用T=298.15K为参考温度，298.15K下各物质的标准摩尔生成焓，以 表示，常用单位为,（3）液体或固体的标准态是:在标准压力p 时的纯液体或纯固体。,规定水合氢离子的标准摩尔生成焓为零。,2.反应的标准摩尔焓变,在标准状态时反应的焓变叫做该反应的标准摩尔焓变，其一般计算式为,贵州大学化工学院,对于任一化学反应反应的标准摩尔焓变（省略了温度）的计算式可写成：,若系统的温度不是298.15K，反应的焓变会有些改变，但一般变化不大，即反应的焓变基本不随温度变化。即：,贵州大学化工学院,注 意,1 fHmB(298.15K)是热力学基本数 据，可查表。单位：kJ.mol-1,2 rHm(T)rHm(298.15K)；,3 C（石）、H2（g）、O2（g）皆为参考态元 素。参考态元素的标准摩尔生成焓 为零。如：fHm(O2,g)=0,4 由于fHmB与nB成正比，在进行计 算时B的化学计量数B 不可忽略。,贵州大学化工学院,例2.计算联氨(N2H4)在空气中完全燃烧时反应的标准摩尔焓变rHm（298.15K)。解：,=0+2(-285.83)-50.63-0kJ.mol-1=-622.3kJ.mol-1,贵州大学化工学院,例3：计算反应 Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S)的标准摩尔焓变。解：Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S),fHm/kJ.mol-1 0 64.77-153.89 0,(-153.89)+0-0-64.77kJ.mol-1-218.66 kJ.mol-1,贵州大学化工学院,1-3 能源及其有效与清洁利用,能源是指能提供能量的源泉或资源。人类的文明始于火的使用，燃烧现象是人类最早的化学实践之一，燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人类巧妙地利用化学变化过程中所伴随的能量变化，创造了五光十色的物质文明。,现代社会的生产和生活离不开能源。能源既是工农业生产中必需的物质基础，也是人类赖以生存的物质条件之一。随着社会的发展，能源供需之间将会出现越来越尖锐的矛盾。因此，如何节约能源，研究和发展利用新能源，就引起了世界范围内极大的关注。,1.3.1世界能源的结构与能源危机1.能源的分类 按形成条件分类，分成一次能源和二次能源,贵州大学化工学院,一次能源：从自然界中直接取得而不改变其基本形态的能源二次能源：需依靠其它能源经加工、转换而得到的能源。按其能否进行再生，分为再生能源和非再生能源再生能源：一次能源中，不会随着人们的使用而减少非再生能源：随着人们的使用而减少按其污染程度分为污染型能源和清洁型能源污染型能源：煤和石油是污染型能源清洁型能源：电能、太阳能、氢能和燃料电池等是清洁型能源。2.世界能源的结构与消耗石油和天然气比例下降（储量减少），煤上升，核电迅速增加。,贵州大学化工学院,一.能源的分类及消费情况,贵州大学化工学院,能源消费结构及其变化情况：,贵州大学化工学院,二.煤、石油和天然气,三.能源开发 新能源,2.氢能：是一种理想的最有前途的二次能源，特点是热值高（为煤的6倍左右）；原料是水，资源用之不尽；无污染。,煤、石油和天然气是当今人类利用得最为普遍，最为广泛的能源，因而也是与我们目前生活、生产关系最为密切，影响最大的能源。,rHm-286kJ.mol-1,最理想的制取氢气的方法是用太阳能分解水，核心是寻找适合紫外光分解水的催化剂，21世纪可能会有重大突破。目前用过渡金属化合物储氢，寻找更有效的储氢方法是氢能成功利用的重要课题。,1.能源开发与可持续发展,贵州大学化工学院,3.太阳能,太阳能是指太阳辐射能，是地球上最根本、最丰富的能源。煤、石油中的化学能是由太阳能转化而成的，风能、生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳能是非常巨大的。太阳能利用的难题是能量密度较低，太阳能的收集与转换是关键课题。,光转变为热能（通过集热器进行光热转换）；光转变为电能（通过太阳能电池进行光电转换）；光转变为化学能（光解制氢与氧）。此外，核能、地热能、生物能、潮汐能、风能等也是目前清洁的新能源开发研究领域。,目前利用方式有三种：,贵州大学化工学院,氢能、太阳能、核能、生物质能是目前重点开发的新能源。太阳能光解制氢及高性能储氢合金的研究是目前的焦点与热点。,4.新能源开发的重点与热点,贵州大学化工学院,小结：U=q+w(封闭系统)U=qv（定容，w0）H=qp（定压，w0),标准摩尔生成焓fHm 处于标准压力下的稳定单质生成标准压力下1mol纯物质的反应焓叫做物质的标准摩尔生成焓。,反应的标准摩尔焓变rHm 由标准摩尔生成焓计算反应的标准摩尔焓变公式为,贵州大学化工学院,1、在Fe(s)、Fe2O3(s)、CO(g)、CO2(g)、H2O(g)组成的系统中含有（）1）三个相 2）二个相 3）五个组分 4）三种组分2、在有过饱和氯化钠的溶液、冰、水蒸汽、氮气的密闭系统中，有（）1）三种组分、三相 2）三种组分、四相3）四种组分、三相 4）四种组分、四相,