普通化学第一章.ppt

是在是在原子和分子水平上原子和分子水平上研究物质的研究物质的组成、结构、性能及其变化规律和组成、结构、性能及其变化规律和变化过程中能量关系的学科。变化过程中能量关系的学科。研究的对象：研究的对象：原子、分子、生物大分子、超原子、分子、生物大分子、超分子以及物质凝聚态等层次。分子以及物质凝聚态等层次。What is chemistry？计算与信息科学物理学天文学工程科学生命科学材料科学数学地学化学化学化学的重要作用化学的重要作用废水处理废水处理新药开发新药开发优化能源优化能源提供材料提供材料 给水排水工作就是和水打交道，无论是给水工程还是排水工程，都和水的组成、性质、水中溶解物密切相关，因此相应的化学知识是合格的给水排水工程技术人员知识结构中不可或缺的。治理环境污染、保护生命之水，提供合格的饮用水和生产用水，都必须首先打好化学基础。本课程的教学内容本课程的教学内容普通化学化学反应基本原理化学热力学化学动力学水化学电化学物质结构理论原子分子和晶体结构无机材料与高分子材料课程的考核方式课程的考核方式Thermochemistry and energyThermochemistry and energyThermochemistry and energy 系统的状态函数及其特点。系统的状态函数及其特点。 用实验方法测量化学反应的热效用实验方法测量化学反应的热效应应弹式热量计测量定容反应热。弹式热量计测量定容反应热。 根据热力学第一定律，从理论上计根据热力学第一定律，从理论上计算化学反应的热效应。算化学反应的热效应。1 系统与相系统与相1.1 1.1 反应热的测量反应热的测量系统系统The System1.1.1基本概念基本概念（1 1）敞开系统：）敞开系统：系统与环境间既有能量交换，又有物质交换。系统与环境间既有能量交换，又有物质交换。（2 2）封闭系统：）封闭系统：系统与环境间有能量交换，没有物质交换。系统与环境间有能量交换，没有物质交换。（3 3）孤立系统：）孤立系统：系统与环境间既没有能量交换，也没有物质系统与环境间既没有能量交换，也没有物质交换。交换。本章主要讨论的就是封闭系统本章主要讨论的就是封闭系统系统的分类系统的分类 定义：系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分。 特点：每个相之间有明确的界面相之间有明确的界面。相与物质的量的多少无相与物质的量的多少无关。关。 对于气体：不论有多少种，均视为一相。 对于液体：按照互溶程度来划分。 对于固体：一般含有多少种，就有多少相。相与物态不一样！相与物态不一样！（1）系统的状态）系统的状态：系统各种宏观性质：系统各种宏观性质的总和。的总和。（例如质量、温度、压力、体积、密度、（例如质量、温度、压力、体积、密度、组成等性质）组成等性质）由此可见，系统的状态是用系统的各种由此可见，系统的状态是用系统的各种宏观性质来描述的，这些宏观性质就叫做宏观性质来描述的，这些宏观性质就叫做状态函数。状态函数。状态函数的特点：状态函数的特点：状态一定，其值一定。状态一定，其值一定。殊途同归，值变相等。殊途同归，值变相等。周而复始，值变为零。周而复始，值变为零。各个状态函数之间有着一定的各个状态函数之间有着一定的联系。联系。（例如理想气体状态方程: PV=nRT） 例如，一定量理想气体的状态变化，可以有下图例如，一定量理想气体的状态变化，可以有下图所示两种不同的途径：所示两种不同的途径：始始 T T1 1273 K 273 K p11 110105 5 PaPa态态 V V1 12 m2 m3 3 T T3 3273 K 273 K p3 31 110106 6 PaPaV V3 30.2 m0.2 m3 3 终终 T T2 2273 K 273 K p2 22 210105 5 PaPa态态 V V2 21 m1 m3 3 加压加压加压加压减压减压p p2 2 p1 1 2 210105 5 PaPa1 110105 5 PaPa1 110105 5 PaPaV V V V2 2 V V1 1 1m1m3 3 2m2m3 3 -1m-1m3 3相同的结论相同的结论：（a）广度性质）广度性质 （又称容量性质）（又称容量性质） 特点：广度性质的数值与体系中物质的量成正特点：广度性质的数值与体系中物质的量成正比。具有加和性。比。具有加和性。 如质量、体积热力学能等。如质量、体积热力学能等。（b）强度性质）强度性质 特点：强度性质的量值只决定于体系的自身特点：强度性质的量值只决定于体系的自身特性，与体系中物质的量无关。无加和性。特性，与体系中物质的量无关。无加和性。 如温度、压力、密度等。如温度、压力、密度等。3、过程与可逆过程、过程与可逆过程系统从一个状态一个状态（始态）变化到另一个状态另一个状态（终态），叫做经历了一个过程。过程。实现这一过程的具体步骤叫做途径。途径。显然：一个过程可以由不同的途径来实现。显然：一个过程可以由不同的途径来实现。可逆过程：可逆过程：当系统从一个状态变化到另一个状态，再沿着原来的过程的逆过程逆过程复原后，环境也同时复原环境也同时复原的过程。例如，等温可逆过程。可逆相变过程。可逆过程的特点：可逆过程的特点： 速度无限慢，时间无限长。 效率最高。 是理想的，实际上不存在。是一种科学抽象（类似物理上的质点。）对于给定的化学反应：aA + bB = gG + dD上述方程式可写为：0 = -aA - bB + gG + dD 也即： 0 = （vBB）vB化学计量数化学计量数 显然，对于反应物，反应物，vB为负，为负， 对于生成物，生成物，vB为正。为正。vA = -a ，vB = -b ，vD = d，vG = g vB =（g + d）- （a + b） 对于化学反应：0 = vBB，定义= nB/vB又因为尚未反应时，=0，因此： =nB()-nB(0) /vB反应进度的特点：1：用任何反应物或生产物来表示反应进行的程度时，所得的值都相等。2：因为vB与化学方程式的写法有关，故反应进度与化学方程式的故反应进度与化学方程式的写法也有关。写法也有关。3：反应进度等于1mol时，我们就说进行了1mol化学反应。规定吸热，规定吸热，q为正值，放热，为正值，放热，q为负值。为负值。公式中，q表示一定量的物质在一定条件下的反应热，cs表示吸热溶液的比热容。ms表示吸热溶液的质量。Cs表示吸热溶液的热容。利用弹式热量计测定反应热的步骤：利用弹式热量计测定反应热的步骤：精确称取一定量的反应物，装入钢弹。密闭后将钢弹放在金属容器中，精确称取一定量的反应物，装入钢弹。密闭后将钢弹放在金属容器中，在钢弹和金属容器之间加入足够多的水，使容器与外界绝热。在钢弹和金属容器之间加入足够多的水，使容器与外界绝热。精确测定环境的起始温度精确测定环境的起始温度T1。用电火花引发反应。用电火花引发反应。反应结束后，精确测定环境的终态温度反应结束后，精确测定环境的终态温度T2 q = -q(H2O)+qb =-C(H2O)T+Cb bT其中：q为水吸收的热量， qb为金属容器等钢弹组件吸收的热量。利用弹式热量计求反应热的公式：利用弹式热量计求反应热的公式：利用弹式热量计所测的反应热为利用弹式热量计所测的反应热为定容反应热！定容反应热！将0.500gN2H4(l)在盛有1210gH2O的弹式热量计的钢弹内（通入氧气）完全燃烧尽。吸热介质的热力学温度由293.18K上升至294.82K。已知钢弹组件在实验温度时的总热容Cb为848J.K-1,水的比热容为4.18J.g-1.K-1。试计算在此条件下联氨完全燃烧所放出的热量，并根据写出的化学方程式求出该反应的摩尔反应热。解：首先写出该反应的化学方程式：N2H4(l)+O2(g)N2(g)+2H2O(l)根据公式：对于0.500gN2H4的定容燃烧热q：有：有：q= -C(H2O)+Cb T= -4.18.g-1.K-11210g+848J.K-1)(294.82K-293.18K)= -9690J= -9.69KJ. 而该反应的反应进度为： =0-0.500g/32.0g.mol-1/(-1) 故该反应的摩尔反应热为： qm= q/ = -620KJ.mol-1表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。由于反应热与系统中参加反应的物质的状态有关，故书写热化学方程式时要注明：该反应的摩尔反应热qm。 若吸收热量，则若吸收热量，则qm0,若放出热量，则若放出热量，则qm0该反应所处的温度和压力温度和压力（若反应在T=298.15K，p=100KPa下进行，则可不注明）反应物和生成物的聚集状态聚集状态。例: 2H2(g)+O2(g)2H2O(l) qm= -571.6KJ.mol-1热化学方程式热化学方程式1.2.1 热力学第一定律热力学第一定律能量守恒定律： 自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同的形式，它自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同的形式，它可以从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一可以从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，但在转化和传递过程中个物体，但在转化和传递过程中,能量的总量不变。能量的总量不变。能量守恒定律在热力学中的应用，称为热力学第一定律。热力学第一定律的另一表达：第一类永动机不可能制成。热力学第一定律的另一表达：第一类永动机不可能制成。不需要外界供给能量,就能连续对外做功的机器 叫做第一类永动机。热力学第一定律的数学表达：热力学第一定律的数学表达： U =U2-U1= q +w其中：U为系统的热力学能。为系统的热力学能。它包括系统内分子的平动能、转动能、振动能、分子之间的势能和原子之间以及原子内部的能量，也就是说，U是系统内部能量的总和。U的特点：的特点：1、由于系统的状态一定，热力学能就有一定的值，故U也是系统的一种状态函数。也是系统的一种状态函数。2、由于分子和原子的运动相当复杂，故U的绝对值无的绝对值无法确定。法确定。q 为热，指系统与环境之间由于存在温度差温度差而交换的能量。规定系统吸热时，q为正值；系统放热时，q为负值。W为功，指系统与环境之间除热以外以其他形式除热以外以其他形式传递的能量。规定环境对体系做功，功为正值；系统对环境做功， 功为负值。 功和热均与过程有关，因此它们都不是状态函数。因此它们都不是状态函数。 想一想：（想一想：（q+w）是不是状态函数？）是不是状态函数？ 体积功体积功因体系体积变化反抗外力作用与环境交因体系体积变化反抗外力作用与环境交换的能量。又称膨胀功。换的能量。又称膨胀功。 非体积功：除体积功以外的一切功称为非体积功。非体积功：除体积功以外的一切功称为非体积功。又叫其他功。如表面功、电功。又叫其他功。如表面功、电功。功可分为体积功和非体积功两种。功可分为体积功和非体积功两种。功：大量质点以有序运动方式有序运动方式而传递的能量如电子的有序运动而传递的电功质点有序运动而传递的机械功。热：大量质点以无序运动方式而传递的能量。（通过分子之间的碰撞）也即功是有序能，热是无序能功是有序能，热是无序能。因此从能的能的“品位品位”上来说，功的“品位”比热的高。 1、定容反应热 根据热一律：U = q +w 在恒容、不做非体积功时，有 W总= -p V + W非=0 故U = q v q v即为定容反应热想一想：想一想：q v是状态函数吗？是状态函数吗？在在恒压恒压(p1=p2=p)、不做非体积功不做非体积功时，有时，有 W总总= -p V = -p(V2- V1)将上式代入热一律将上式代入热一律U = q +w中，有：中，有：U=U2-U1=qp- p(V2- V1)也即：也即：qp=(U2+pV2)-(U1+pV1)=(U2+p2V2)-(U1+p1V1)令令H=U+PV，则有，则有 qp=H2-H1= H qp为定压反应热。为定压反应热。2、定压反应热、定压反应热 1）H是焓。 2）H 也是状态函数也是状态函数。 U、p、V都是状态函数， H=U + pV也是状态函数,是复合的状态函数。 3）焓和热力学能U一样，具有能量的量纲，由于U的绝对数值未知，所以焓的绝对数值也未知焓的绝对数值也未知。 q p是状态函数吗？是状态函数吗？3、两种反应热的关系 定律内容：定律内容：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，而与变化的途径无关。定律依据：定律依据： qp和qv都是状态函数。定律作用：定律作用：利用已知反应的反应热，计算难以测定的其他反应的反应热。 已知(在298.15K和标准条件下): (1) 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)； rHm,1 = -483.64KJ.mol-1 (2) 2Ni(s)+O2(g)=2NiO(s)； rHm,2 = -479.4KJ.mol-1 试求反应(3)NiO(s)+H2(g)=Ni(s)+H2O(g) 的等压摩尔反应热解： 根据盖斯定律：反应3=反应1-反应2/2 rHm,3 =(rHm,1 -rHm,2)/2 =-483.64-(-479.4)KJ.mol-1/2 =-2.2KJ.mol-1例 1.3 1、热力学标准态、热力学标准态原因：原因：为了确定物质的相对焓值，需要有一个参考标准。定义：定义：在任意温度T下，标准压力标准压力p p?下表现出理想气体性质理想气体性质的纯纯气体状态为气态物质的标准状态， 在任意温度T下，标准压力标准压力p p?下的纯纯液体、纯纯固体为液体、固体物质的标准状态，在任意温度T下，标准压力标准压力p p?下和标准浓度标准浓度c?时的溶液为溶液的标准状态， 其中标准压力其中标准压力p p?=100KPa,标准浓度标准浓度c?=1mol.dm-3 单位：单位：kj 298.15 298.15K，记为：，记为：r rH H（ 298.15298.15K ） 任意温度，记为：任意温度，记为：r rH H（ TK ）定义在热力学标准状态标准状态下，由指定的单质指定的单质生成1mol 纯纯物质物质时反应的焓变称为该物质的标准摩尔生成焓。一般取T=298.15K为参考温度。 符号： fHm (298.15K) (298.15K) 单位：kJmol-1。f表示生成，代表标准状态，m代表生成物为1mol指定的单质一般选择在参考温度和标准压力时最稳定的单质。例如H2(g)、N2(g)、O2(g)、C(石墨）等.想一想：指定单质的想一想：指定单质的标准摩尔生成焓为多少？标准摩尔生成焓为多少？ 1/2H2(g)+ (g)+ 1/2Cl2(g) (g) HCl(g)HCl(g) r rH Hm m (298.15K)= -92.3kJ(298.15K)= -92.3kJmolmol-1-1 HCl(g)HCl(g)的标准生成焓的标准生成焓f fH Hm m( 298.15K( 298.15K） -92.3kJ-92.3kJmolmol-1-1 例例2 CaCO3 (s) 的标准生成焓的标准生成焓 ? ? Ca(s) + C(s) + 3/2O2(g) = CaCO3(s) r rH Hm m (298.15K)= -1206kJ(298.15K)= -1206kJmolmol-1-1 CaCO3(s)的标准生成的标准生成f fH Hm m( 298.15K( 298.15K） -1206kJ-1206kJmolmol-1-1 例例3 金刚石（金刚石（s）的标准生成焓？）的标准生成焓？ C(C(石墨石墨) )C(C(金刚石金刚石) )，r rH Hm m (298.15K)=-1 .9kJ(298.15K)=-1 .9kJmolmol-1-1 C( C(金刚石金刚石) ) f fH Hm m (298.15K) (298.15K) -1 .9kJ-1 .9kJmolmol-1-1 对于水合离子的标准摩尔生成焓，规定以水合氢离子为参考离子。因此： fHm (H (H+ +，aq,298.15K) =0aq,298.15K) =01、生成焓的负值越大负值越大，表明由参考态单质生成它时放出的热量越大，该物质该物质的键能越大，越稳定越稳定。2、由生成焓可以求出一个化学反应的焓变,H 标准态标准态,298.15K aA(l)+bB(aq)标准态标准态,298.15K gG(s)+dD(g)标准态标准态,298.15K 参考态单质参考态单质r rH Hm mgf fH Hm m(G,S)(G,S)+df fH Hm m(D,g)(D,g)af fH Hm m(A,l)(A,l)+bf fH Hm m(B,aq)(B,aq)对于一个化学反应：aA(l)+bB (aq)=gG(s)+dD(g)例1.4例1.5一、核能的来源：核反应核裂变核聚变较重原子核分裂成较轻的原子核很轻的原子核在高温下合成较重的原子核。二、核反应堆的结构： 核燃料：铀-235和钚-239 慢化剂：水、重水和石墨：（作用：使每次裂变放出的中字减速，变成慢中子。）控制棒：镉棒（作用：吸收多余的中子，使核反应平稳进行。）