第一章化学反应中的质量和能量关系21561.pptx
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1、化学是研究物质的化学是研究物质的组成组成、结构结构、性质性质及及化学反应化学反应的科学。的科学。因此因此,化学是材料科学的基础之一化学是材料科学的基础之一.从更广泛的角度来讲从更广泛的角度来讲,研究和应用化学的水平将研究和应用化学的水平将对对社会生产力发展社会生产力发展和和人民生活质人民生活质量提高量提高起着关键作用。起着关键作用。1 1、化学仍是解决食物短缺问题的主要学科化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一之一 化肥、饲料、农药、化肥、饲料、农药、塑料薄膜,以及塑料薄膜,以及食品储存加工方法食品储存加工方法2、化学在能源和资源的合理开发和高效、化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关
2、键作用安全利用中起关键作用 燃料转化技术、开发新能源燃料转化技术、开发新能源3 3、化学是提高人类生存质量和生存安化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障全的有效保障 材料科学、药物化学、环境化学等材料科学、药物化学、环境化学等增加常识:如能源问题、环境问题等,增加常识:如能源问题、环境问题等,以及以及 常见分子的结构。常见分子的结构。学习无机化学的目的:学习无机化学的目的:n n培养科学素养:从基本化学反应热的事实培养科学素养:从基本化学反应热的事实入手,如何建立化学热力学。入手,如何建立化学热力学。化学热力学的用途:计算出任意化学反应的化学热力学的用途:计算出任意化学反应的反应热;反应能
3、否自发进行;自发进行的限反应热;反应能否自发进行;自发进行的限度;通过电化学的相关内容,把理论与实际度;通过电化学的相关内容,把理论与实际结合起来。结合起来。l l固、液、气体,怎么提炼出共性问题进行固、液、气体,怎么提炼出共性问题进行研究。研究。普通化学,同济大学编普通化学,同济大学编北京:高等教育出版社,北京:高等教育出版社,20047n n第十一章第十一章 现代化学应用讲座现代化学应用讲座n n推荐书籍推荐书籍大学化学教程:原理应用领沿,丁廷帧,高等教育出版社,20037n n下篇:介绍等离子体化学、小分子活化、下篇:介绍等离子体化学、小分子活化、超分子化学、单分子科学和化学、电化学超分
4、子化学、单分子科学和化学、电化学电容器电容器新储能装置、分离膜新储能装置、分离膜环保环保技术新星、飞秒化学、可燃冰技术新星、飞秒化学、可燃冰天然气天然气水合物、绿色化学、碳纳米管和软物质等水合物、绿色化学、碳纳米管和软物质等3030个专题。个专题。科学教育的内涵科学教育的内涵:学习过去的几百年里科学家对自然世界学习过去的几百年里科学家对自然世界运转方式的发现。运转方式的发现。学习如何像一个科学家那样解决问题,学习如何像一个科学家那样解决问题,使用证据、运用逻辑,真正理解科学过使用证据、运用逻辑,真正理解科学过程是如何进行的。程是如何进行的。物质的聚集体物质的聚集体n n物质在一定的温度和压力所
5、处的相对稳物质在一定的温度和压力所处的相对稳定的状态,称为物质的定的状态,称为物质的聚集(状)态聚集(状)态,它们构成的系统称为它们构成的系统称为聚集体聚集体。n n物质一般有三个聚集态(为固、液、气物质一般有三个聚集态(为固、液、气态)。态)。n n等离子态为气态,但带电荷,等离子态为气态,但带电荷,1.2 化学中的计量化学中的计量n n物质发生化学反应时通常伴随物质发生化学反应时通常伴随质量质量和和能能量量变化。变化。n n例:例:24.324.3克镁条在空气中燃烧,不仅发克镁条在空气中燃烧,不仅发出耀眼的白光,释放热量,而且最后生出耀眼的白光,释放热量,而且最后生成成40.340.3克氧
6、化镁。克氧化镁。n n从更普遍的角度出发,需要研究它们表从更普遍的角度出发,需要研究它们表示方法,再研究变化规律示方法,再研究变化规律n n相对分子质量相对分子质量:就是元素的平均原子质就是元素的平均原子质量与量与1212C C原子质量的原子质量的1/121/12之比。之比。物质的量实质的计量单位是物质的量实质的计量单位是“个个”,但个,但个的数值太小,与宏观相联系时,采用的数值太小,与宏观相联系时,采用6.0231023个作为一个单位,即个作为一个单位,即1mol。这个单位可以指原子、分子、离子,但要这个单位可以指原子、分子、离子,但要注意指明注意指明具体的物质具体的物质。这个单位可以有分数
7、或小数。这个单位可以有分数或小数。溶液浓度的表示方法溶液浓度的表示方法 1 1 B B的质量分数:的质量分数:如如 7wt%7wt%2 2 B B的摩尔浓度:的摩尔浓度:c cB B=单位:单位:molL-3wB=溶液浓度的表示方法溶液浓度的表示方法4 4 物质物质B B的物质的量分数的物质的量分数(摩尔分数摩尔分数):x xB B=6 6 物质物质B B的质量浓度的质量浓度(密度密度):d dB B=单位单位:kgm-31.2.5 气体的计量气体的计量 理想气体理想气体:1 1、分子之间的距离大;、分子之间的距离大;2 2、分子本身的体积和作用力可以忽略。、分子本身的体积和作用力可以忽略。理
8、想气体状态方程理想气体状态方程:pV=nRT R=8.314J mol-1 k-1实际气体在实际气体在压力低压力低、温度高温度高的情况下接近的情况下接近理想气体,可以用该方程来处理。理想气体,可以用该方程来处理。气体的分压气体的分压n n对于多组分的气体混合物,其中某一组分对于多组分的气体混合物,其中某一组分气体气体B B对器壁所施加的压力称为该气体的分对器壁所施加的压力称为该气体的分压(压(P PB B),等于相同温度下该气体单独占有,等于相同温度下该气体单独占有该体积时的压力。该体积时的压力。混合气体的总压力等于各组分气体的分混合气体的总压力等于各组分气体的分压之和。压之和。p=pBpBV
9、=nBRTpV=nRT组分气体组分气体B和混合气体的物质的量分别为和混合气体的物质的量分别为nB和和n,它们的分压为:,它们的分压为:该公式表明:气体该公式表明:气体B B的分压实质上是一的分压实质上是一个个浓度浓度的概念。的概念。n n解(解(1)n(CO2)=m(CO2)/M(CO2)=5.00/44.01=0.114mol p(CO2)=n(CO2)RT/V=0.1148.314303.15/0.01=2.87104Pa22页页-6 例例30下,在一个容积为下,在一个容积为10.0L的容的容器中,器中,O2、N2、与、与CO2混合气体的总压力为混合气体的总压力为93.3kPa,其中,其中
10、p(O2)为为26.7kPa,CO2的含量为的含量为5.00g,求(求(1)容器中)容器中CO2的分压;的分压;(2)N2的分压;的分压;(3)O2的摩尔分数。的摩尔分数。(2)p(N2)=p p(O2)p(CO2)=(9.332.672.87)104 =3.79104Pa(3)n(O2)/n =p(O2)/p =2.67/9.33=0.2861.2.6 化学计量混合物和非化学计量混合物和非n n化学计量化合物化学计量化合物是具有确定组成,而且各是具有确定组成,而且各种元素的原子数目互成简单整数比的化合种元素的原子数目互成简单整数比的化合物,又称物,又称整比化合物整比化合物。非化学计量化合物非
11、化学计量化合物的原子偏离整数比,的原子偏离整数比,而且组成可在一个较小的范围内变动,而且组成可在一个较小的范围内变动,又保持结构基本不变,又称又保持结构基本不变,又称非整比化合非整比化合物物。现代许多新材料属于这类化合物。现代许多新材料属于这类化合物。0=aA bB yY+zZ即即 0=BB 计量系数计量系数B,其中,其中反应物取反应物取“”,产物产物取取“+”,这与随反应的进行,反应物减少,产这与随反应的进行,反应物减少,产物增加相一致。物增加相一致。对任一化学反应:对任一化学反应:aA+bB=yY+zZ 移项得:移项得:B表示反应中任意的物质,表示反应中任意的物质,B是是B的化学的化学计量
12、数计量数。这就是化学计量式的通式。这就是化学计量式的通式。1.3.2 化学计量数和反应进度化学计量数和反应进度n n合成氨的反应写成合成氨的反应写成 n n N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)时时n n (N2)=1;(H2)=3;n n (NH3)=2化学计量数只表示当按计量反应式反应时各化学计量数只表示当按计量反应式反应时各物质转化的比例数,与反应式的写法有关。物质转化的比例数,与反应式的写法有关。n n若写成若写成 N2(g)+3/2 H2(g)=NH3(g)则则(N2)=,(H2)=3/2,(NH3)=1n n对于其逆反应,氨分解反应,写成下面的对于其逆反应,氨分解反应,写成下面
13、的形式形式 0=N2(g)+3 H2(g)-2NH3(g)n n (N2)=1,(H2)=3,(NH3)=-2 t=0nA nB nY nZt=t化学反应进度(化学反应进度(,读,读“克赛克赛”),单位为),单位为摩尔(摩尔(molmol)描述化学反应进行的程度。描述化学反应进行的程度。aA+bB=yY+zZ 反应进度反应进度 对于一般化学反应式的定义为:对于一般化学反应式的定义为:用反应进度用反应进度表示一个化学反应进行表示一个化学反应进行的程度,最大的优点是:的程度,最大的优点是:无论进行到任无论进行到任意时刻,采用任意一个反应物或产物,意时刻,采用任意一个反应物或产物,所得得数值都是一样
14、的。所得得数值都是一样的。化学计量式为化学计量式为 0=BB 下面以合成氨反应举例下面以合成氨反应举例t0时 nB/mol 3.0 10.0 0 0 t1时 nB/mol 2.0 7.0 2.0 t2时 nB/mol 1.5 5.5 3.0 反应进度必须对应具体的反应方程式。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)=0=0,反应还未进行。,反应还未进行。=1mol,=1mol,则反应完全按方程化学反应计则反应完全按方程化学反应计量数进行,即量数进行,即amolAamolA与与bmolBbmolB反应物完全反应物完全作用生成作用生成ym
15、olYymolY和和zmolZzmolZ产物,这时的反产物,这时的反应进度为应进度为1mol1mol,简称,简称摩尔反应摩尔反应。aA+bB=yY+zZ1 1 基本概念和术语基本概念和术语 在热力学中,为了明在热力学中,为了明确讨论或研究的对象,确讨论或研究的对象,常常将常常将所研究的一部分所研究的一部分物质或空间物质或空间与其余的物与其余的物质和空间分开,就构成质和空间分开,就构成体系体系(又称物系、(又称物系、系统系统)1.4 化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系 系统可以是系统可以是实际存在的实际存在的,也可以是也可以是想想象的象的。系统系统与环境间的界面可以是与环境间的界面可以是真
16、实真实的界面,也可以是虚构的界面。的界面,也可以是虚构的界面。与系统相联系的其他部分称为与系统相联系的其他部分称为环境环境,即即体系外与其密切相关的部分体系外与其密切相关的部分 。敞开体系:与环境有物质交换也有能敞开体系:与环境有物质交换也有能量交换。量交换。封闭体系:与环境无物质交换有能量封闭体系:与环境无物质交换有能量交换。交换。孤立体系:与环境无物质、能量交换。孤立体系:与环境无物质、能量交换。体系的分类体系的分类状态函数状态函数:描述系统性质的物理量。:描述系统性质的物理量。(p,V,Tp,V,T)状态一定状态一定,状态函数一定。状态函数的变化状态函数一定。状态函数的变化只与始态、终态
17、有关只与始态、终态有关,而与变化途径无关。而与变化途径无关。始态始态终态终态()()系统可以用一系列物理量来描述其状态,系统可以用一系列物理量来描述其状态,系统的系统的状态状态是这些性质(物理量)的综合是这些性质(物理量)的综合表现。表现。3 热和功 系统与环境之间由于存在系统与环境之间由于存在温差温差而而传递的能量。传递的能量。1.1.热热(Q Q)热不是状态函数热不是状态函数。规定:系统吸热:规定:系统吸热:Q Q 00;系统放热:系统放热:Q Q 0 0。系统与环境之间除热之外以其它系统与环境之间除热之外以其它形式传递的能量形式传递的能量 。非体积功的概念非体积功的概念pexV1体积功体
18、积功:系统对环境做功,系统对环境做功,W W000(得功)(得功)2.2.功功(W W )规定:规定:n n系统对环境做功,即封闭系统膨胀(从系统对环境做功,即封闭系统膨胀(从V V1 1到到V V2 2),因为系统失去能量,),因为系统失去能量,w w应为负值。应为负值。膨胀时,膨胀时,W=PW=P(V V2 2 V V1 1 )0 0,W=W=P P(V V2 2 V V1 1 )n n同理,环境对同理,环境对系统做功,系统得功,系统做功,系统得功,q q应应为正值。为正值。W=W=P P(V V2 2 V V1 1 )n n体积功的表达式为:体积功的表达式为:W=P(V2 V1)功不是状
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- 第一章 化学反应 中的 质量 能量 关系 21561
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