大学无机化学第四版第一章课件.ppt

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1、College of Material Chemistry and Chemical Engineering,Welcome to Hangzhou Normal University,1.1 物质的聚集态和层次 1.2 化学中的计量,第一章 化学反应中的质量关系和能量关系,1.4 化学反应中的能量关系,1.3 化学反应中的质量关系,1.1 物质的聚集态和层次,1.1.1 物质的聚集态1.1.1.1 物质三态 日常生活中人们接触到的自然界物质通常有气体（gas）、液体（liquid）和固体（solid）三种聚集状态。其中气体、液体属流态，液体、固体属凝聚态。 在一定条件下，气、液、固三态还可以

2、共存，如在0.01 C、611.6 Pa下，水、冰、水蒸气可以共存。,1.1.1.2 等离子态 在足够高的温度或辉光放电条件下，气体分子会部分甚至几乎完全解离为原子并进一步电离为气态离子。一般情况下，这种电离的气体包含正、负电荷总数相等的正离子、电子，以及少量电中性的原子、分子。当电离产生的带电粒子达到一定的密度并能持续存在足够长的时间，这种高电离的气体与原来未电离时相比较，性质上（导电性、粒子间作用力、受磁场的影响以及化学反应活性等）发生了根本性的变化，呈现为一种有别于气、液、固三态的新物态等离子态（plasma state），意指其中粒子所带的正电荷量和负电荷量相等。 只要急剧加热到2万摄

3、氏度左右，所有物质都呈等离子态。,由于等离子体的独特性能，等离子体技术在许多科技领域获得广泛应用，除了被应用于照明、金属焊接、表面镀膜、表面刻蚀等一般性的技术领域外，在化学、化工领域如化学合成、高分子聚合、溅射制膜、化学气相沉积及发动机废气治理等方面均有应用。尤其是冷等离子体技术，在化学、化工领域更具有实用价值，原因是高能量的电子可使反应物分子、原子电离激活为活性粒子而利于反应，而且反应又能在较低的温度下进行。 自然界中的物质除了有气、液、固、等离子态以外，在特殊条件下还有超固体、中子态、磁性超流态以及辐射场态等。,1.1.2 物质的层次物理学家把自然界中的物质按个体（或粒子）的空间尺度大小及

4、运动规律划分为三个层次：层次 空间尺度 遵循运动规律 实例宇观 106m 相对论力学 地球、太阳、星云宏观 (10-8106) m 牛顿力学 交通工具微观 (10-1010-8) m 量子力学 原子、分子、电子、核子,但是，随着高分辨电子显微镜的应用和制备纳米级（1nm=10-9m）材料技术的发展，科学家们发现在宏观物体和微观粒子区间“接壤”处的一些物质，如直径处于纳米级（1100 nm）的粒子，其运动既不同于宏观物体，又有别于微观粒子，可称为介观粒子的物质层次。从此物理学发展出一个新的分支介观物理学，化学也出现了一个研究方向纳米材料与技术。,1.2 化学中的计量,1.2.1 相对原子质量和相

5、对分子质量,1) 相对原子质量 （原子量）,元素：具有相同质子数的一类单核粒子的总称。,同位素：质子数相等而中子数不等的同一元素不同原子互称为同位素。,例如：氧元素有三种同位素：16O、17O、18O,碳元素有两种同位素：12C、13C。,在周期表上占有同一位置,化学行为几乎相同,但原子质量不同,从而其质谱行为、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散本领)有所差异。,相对原子质量（Ar)：元素原子的平均质量与核素12C原子质量的 1/12之比。,2) 相对分子质量（Mr）（分子量）,分子或特定单元的平均质量与核素12C原子质量的1/12之比。,一个分子的相对分子质量等于分子内所有原子的相对质

6、量之和。,1.2.2 物质的量（n）及其单位,1) 单位：mol,1mol = 6.0221023 (NA)个,混合物中，某组分i的物质的量与混合物的物质的量之比。,例如：Ar(H)=1.0079 Ar(O)=15.999,2) 物质的量分数（摩尔分数Xi）,描述微观基本单元：molecule, atom, ion, electron,1) 摩尔质量（M）,单位：kgmol-1或gmol-1,2) 摩尔体积（Vm）,1.2.3 摩尔质量和摩尔体积,1.2.4 物质的量浓度,CB = nB/V,Unit: molL-1,1.2.5.1 理想气体状态方程式,1.2.5.2 理想气体状态方程式的应用

7、,1.2.5 气体的计量,气体的最基本特征： 具有可压缩性和扩散性。,人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为理想气体。 理想气体分子之间没有相互吸引和排斥，分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略。,1.2.5.1 理想气体状态方程式,V = nRT R- 摩尔气体常量在STP下，p =101.325kPa, T=273.15Kn=1.0 mol时, Vm=22.414L=22.41410-3m3,R=8.314 kPaLK-1mol-1,理想气体状态方程式：,1. 计算p，V，T，n四个物理量之一。,2.气体摩尔质量的计算,M = Mr gmol-1,1.2.5.2 理想气体状态方程

8、式的应用,用于温度不太低，压力不太高的真实气体。,pV = nRT, =, = m / V,3.气体密度的计算,1.2.5.3.1 分压定律,1.2.5.3 气体混合物,* 1.2.5.3.3 分体积定律,1.2.5.3.2 分压定律的应用,组分气体： 理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。分压： 组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压。,1.2.5.3.1 分压定律,分压定律：,混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。 p = p1 + p2 + 或 p = pB,n =n1+ n2+,分压的求解：,x B B的摩尔分数,例题：某容器中含有

9、NH3、O2 、N2等气体的混合物。取样分析后，其中n(NH3)=0.320mol，n(O2)=0.180mol，n(N2)=0.700mol。混合气体的总压p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。,解：n= n(NH3)+n(O2)+n(N2),=1.200mol,=0.320mol+0.180mol+0.700mol,p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa,1.2.5.3.2 分压定律的应用,例题: 可以用亚硝酸铵受热分解的方法制取纯氮气。反应如下： NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g)如果在19、

10、97.8kPa下，以排水集气法在水面上收集到的氮气体积为4.16L，计算消耗掉的亚硝酸铵的质量。,解： T =(273+19)K = 292K p=97.8kPa V=4.16L292K 时，p(H2O)=2.20kPaMr (NH4NO2)=64.04,NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g)64.04g 1molm(NH4NO2)=? 0.164mol,n(N2) =,m(NH4NO2) =,=10.5g,=0.164mol,例题：某潜水员潜至海水30m处作业，海水的密度为1.03gcm-3，温度为20。在这种条件下，若维持O2、He混合气中p(O2)=21kPa，氧气的体积分数

11、为多少？以1.000L混合气体为基准，计算氧气的分体积和氮的质量。(重力加速度取9.807m/s2),解：T=(273+20)K=293K海水深30m处的压力是由30m高的海水和海面的大气共同产生。海面上的空气压力为760mmHg，则：,p=g hw+,=9.807 N/kg-1 1.03103kgm-330m+101kPa=3.03105 Nm-2 +101kPa=303kPa+101kPa=404kPa,若混合气体体积为1.000L时，,1.2.5.4.1 真实气体与理想气体的偏差,1.2.5.4 真实气体,1.2.5.4.2 Van der Waals 方程,理想气体状态方程式仅在足够低

12、的压力下适合于真实气体。,产生偏差的主要原因是：气体分子本身的体积的影响；分子间力的影响。,1.2.5.4.1 真实气体与理想气体的偏差,a,b分别称为van der waals常量。,(V-nb)=Videal等于气体分子运动的自由空间b为1mol气体分子自身体积的影响。 分子间吸引力正比于(n/V)2 内压力 p=a(n/V)2 pideal=preal+a(n/V)2,1.1.5.4.2 Van der Waals 方程,表1-1 某些气体的Van der Waals 常量,例题：分别按理想气体状态方程式和van der waals方程式计算1.50mol SO2在30摄氏度占有20.0

13、L体积时的压力，并比较两者的相对误差。如果体积减少为2.00L，其相对误差又如何？,解：已知：T =303K，V=20.0L，n=1.50mol， a=0.6803Pa m6 mol-2， b=0.563610-4m3 mol-1,1.2.6 化学计量化合物和非计量化合物,化学计量化合物（整比化合物）：具有确定组成且各元素原子互成简单正数比的化合物。,非化学计量化合物（非整比化合物）：组成不固定且各元素原子不成简单正数比的化合物,例如：,FeO的组成：Fe 0.840.95 O,FeS：Fe 0.900.93 S,TiO: TiO0.74-1.67,CoFe2O4,1.3 化学反应中的质量关系

14、,1.3.1 应用化学反应方程式的计算,1.3.2 化学计量数与反应进度,1.3.1 应用化学反应方程式的计算,Page 7, Just like those in high school,1.3.2 化学反应计量式和反应进度,物质B的化学计量数,化学反应计量式：,A=-a， B=-b， Y=y， Z=-z 。,反应进度：,单位是mol,即：化学计量数（）为反应方程式中物质的系数，对于反应 物：为负；对于产物，为正。,反应进度必须对应具体的反应方程式。,2.0 7.0 2.0 (mol),3.0 10.0 0 (mol),t0时 nB/mol 3.0 10.0 0 0,t1时 nB/mol 2

15、.0 7.0 2.0,t2时 nB/mol 1.5 5.5 3.0,1.4 化学反应中的能量关系,1.4.1 基本概念和术语,1.4.2 反应热和反应焓变,1.4.3 应用标准摩尔生成焓计算 标准摩尔反应焓变,1.4.1 热力学术语和基本概念,1.4.1.1 系统和环境,1.4.1.4 相,1.4.1.3 过程,1.4.1.2 状态和状态函数,1.4.1.1 系统和环境,系统：被研究对象。,环境：系统外与其密切相关的部分。,敞开系统：与环境有物质交换也有能量交换。,封闭系统：与环境无物质交换有能量交换。,隔离系统：与环境无物质、能量交换。,体系的性质,T=273.15K P=101325PaV

16、=22.4L n=1mol,T,P、V、n,具有加和性,不具有加和性,1.4.1.2 状态和状态函数,状态：系统的宏观性质的综合表现。状态函数：描述系统性质的物理量。(p,V,T)特点：状态一定,状态函数一定。 状态变化,状态函数也随之而变,且 状态函数的变化值只与始态、终态 有关,而与变化途径无关。,始态,终态,（）,（）,1.4.1.3 过程,定温过程：始态、终态温度相等，并且过程中始终保持这个温度。T1=T2定压过程：始态、终态压力相等，并且过程中始终保持这个压力。p1=p2定容过程：始态、终态容积相等，并且过程中始终保持这个容积。V1=V2,1.4.1.4 相,均相系统(或单相系统)非

17、均相系统(或多相系统),系统中物理性质和化学性质完全相同的且与其他部分有明确界面分隔开来的任何均匀部分，叫做相。,1.4.2 热力学第一定律,1.4.2.1 热和功,1.4.2.5 Hess定律,1.4.2.4 焓变和热化学方程式,1.4.2.3 热力学第一定律,1.4.2.2 热力学能,1.4.2.1 热和功,系统与环境之间由于存在温差而传递的能量。,1.热( Q ),热不是状态函数。规定：系统吸热：Q 0； 系统放热： Q 0。,系统与环境之间除热之外以其它形式传递的能量 。,非体积功 功不是状态函数,体积功：,系统对环境做功，W0（得功）,2.功( W ),规定：,1.4.2.2 热力学

18、能,热力学能(U)： 系统内所有微观粒子的全部 能量之和，也称内能。 U是状态函数。,热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径无关。,1.4.2.3 热力学第一定律,对于封闭系统热力学第一定律为：,热力学定律的实质是能量守恒与转化定律。,U2 = U1 + Q + WU2 - U1 = Q + W,1.4.2.4 焓变和热化学方程式,1.焓和焓变,对于封闭系统，在定容过程中， V = 0，W = 0,QV为定容反应热。,在定压过程中，,焓：,焓变：,Qp = H,状态函数,反应的摩尔焓变 rHm,2.热化学方程式,在一定条件下，化学反应,反应的摩尔热力学能变rUm,热化学方程式：,标准状态：

19、,表示化学反应及其反应热(标准摩尔焓变)关系的化学反应方程式。,2H2(g)+O2(g) 2H2O(g),(298.15K) = -483.64kJmol-1,称为反应的标准摩尔焓变。,气体：T，p = p =100kPa,液、固体：T，p 下，纯物质,溶液：溶质B，bB=b =1molkg-1,cB=c =1molL-1,2H2(g)+O2(g) 2H2O(g),(298.15K) = -483.64kJmol-1,聚集状态不同时， 不同。,2H2(g)+O2(g) 2H2O(l),(298.15K) = -571.66kJmol-1,化学计量数不同时， 不同。,(298.15K) = -2

20、41.82kJmol-1,H2(g)+ O2(g) H2O(g),对于无气体参加的反应，W = pex V=0,有气体参加的反应：,3. rUm与rHm 的关系,=,4. 标准摩尔生成焓,在温度T下,由参考状态单质生成物质B(B=+1)的标准摩尔焓变，称为物质B的标准摩尔生成焓。,(B,相态,T) ，单位是kJmol-1,H2(g)+ O2(g) H2O(g),(H2O ,g,298.15K) = -241.82kJmol-1,(参考态单质,T)=0,5. 标准摩尔燃烧焓,在温度T下, 物质B (B= -1)完全氧化成指定产物时的标准摩尔焓变，称为物质B的标准摩尔燃烧焓。,(B,相态,T) ，

21、单位是kJmol-1,(CH3OH ,l,298.15K) = -440.68kJmol-1,1.4.2.5 Hess定律,始态,终态,中间态,化学反应不管是一步完成还是分几步完成，其反应热总是相同的。,或,=,例：已知298.15K下，反应：,计算298.15K下，CO的标准摩尔生成焓。,应用：1.利用方程式组合计算,(1) = -393.5kJmol-1,(2) = -282.98kJmol-1,解：利用Hess定律,途径1,途径2,解法二：,(1),(3),(2),(1),(2),(3),2. 由标准摩尔生成焓求反应的标准摩尔焓变,=?,=,=490.25+6(-241.82) -4 (-46.11)-0kJmol-1,=905.4 8kJmol-1,结论： aA + bB yY + zZ,3. 由标准摩尔燃烧焓计算反应的焓变,结论： aA + bB yY + zZ,(3),