1、第 1 章 绪 论,化学的定义,1.1 关于化学,化学的变化特征,化学-分子科学,分子层次上研究物质的组成、结构、性质与转化核心概念与内容：分子内与分子间相互作用(化学键，弱作用)合成与反应结构与性质识别天然物质，创造新物质,化学的分支学科,1.2 关于无机化学,无机化学定义,If organic chemistry is defined as the chemistry of hydrocarbon compounds and their derivatives, inorganic chemistry can be described broadly as the chemistry of
2、 “everything else.”,“元素周期表中除烃和烃的衍生物以外的所有化合物的结构、性质、反应和应用的科学。”,内容丰富，涉及的元素和重多化合物，结构与性质，反应多，体系庞杂，规律性差，被人戏称“无理化学”。,无机化学特点,无机化学课程应该包含的主要内容,Descriptive inorganic chemistry 1 Coordination compounds Main group compounds Transition metal compounds 4 Organometallic compounds 5 Cluster compounds 6 Bioinorganic
3、compounds 7 Solid state compounds,Theoretical inorganic chemistry 1 Qualitative theories 2 Molecular symmetry group theory,Thermodynamics and inorganic chemistry,Mechanistic inorganic chemistry 1 Main group elements and lanthanides 2 Transition metal complexes,Characterization of inorganic compounds
4、 X-ray crystallography, Ultraviolet-visible, IR, NMR, EPR, Mssbauer, Electrochemistry,Redox reactions Reactions at ligands,Synthetic inorganic chemistry,无机化学,元素与分离化学 无机合成化学固体无机化学无机材料化学配位化学团簇化学有机金属化学生物无机化学物理与理论无机化学核化学,教学内容和时间初步安排,1.3 关于本课程的基本情况,教材: 教科书 + 参考书 + 文献,1. 抓脉络，分清楚了解、理解和综合应用三个层次2. 课堂讲授，掌握基本概
5、念和基本内容3. 参考书和文献阅读(中英文)，侧重理解和分析提倡课堂讨论，活跃课堂气氛 （征题）“清晰表达” + “批判思考”,“清晰表达” + “批判思考”,教材：宋天佑等编写。普通高等教育“十一五”国家级规划教材无机化学（第二版）（上下册），高等教育出版社，北京，2009年。,：,参考书：,1、无机化学（第二版），湖南大学何凤姣等编写，科学出版社,2、无机化学（第三版），天津大学无机教研组，高等教教育出版社,3、无机化学（第三版），武汉大学等高校，高等教育出版社,4、项斯芬，姚光庆，中级无机化学，2003年11月，北京大学出版社。5. Gary L. Miessler, Donald A.
6、 Tarr, Inorganic Chemistry, 3rd ed., 2004, Pearson Education.6. D. F. Shriver, P.W. Atkins, Inorganic Chemistry, 4th ed., 2006, Oxford University Press.7. J.E. Huheey, et al, Inorganic Chemistry, Principles of Chemistry and Reactivity, 4th ed., 1993, Harper Collins College Publishers.8. F. A. Cotton
7、 et al, Advanced Inorganic Chemistry, 6th ed., 1999, John Wiley & Sons, Inc. 9. C. E. Housecroft, A. G. Sharpe, Inorganic chemistry, 3rd ed., 2008, Pearson Prentice Hall.10. W.L. Jolly, Modern Inorganic Chemistry, 1991, McGraw-Hill Book Company.,教学环节安排 (除课堂讲授外) 平时成绩（作业、课堂练习 、讨论课） (15分) 测验 （20分) 期中考
8、(25分) 期末考 (40分),Oil Refining: Catalysts for converting crude oil to gasoline,One way to smelt iron is in a blast furnace made from coal and limestone (CaCO3). Huge quantities of air blast in at the bottom of the furnace. The calcium in the limestone combines with the silicates to form slag. At the b
9、ottom of the blast furnace, liquid iron collects along with a layer of slag on top. Periodically, you let the liquid iron flow out andcool.,Steel Refining,Semiconductor Industry,Superconductor,Nanoscience & Nanotechnology,Total Synthesis of Taxol,Need catalysts!,Bioinorganic Chemistry,Hemoglobin,Com
10、mon applications of inorganic chemistryCatalysts: aluminum oxides, zeolites, transition metalsSemiconductors: Si, Ge, GaAs, InPPolymers: silicones, (SiR2)n, polyphosphazenesSuperconductors: NbN, YBa2Cu3O7-x, Bi2Sr2CaCu2OzMagnetic Materials: Fe, SmCo5, Nd2Fe14BLubricants: graphite, MoS2Nanostructured
11、 materials: nanoclusters, nanowires and nanotubeFertilizers: NH4NO3, (NH4)2SO4Paints: TiO2, PbCrO4Disinfectants/oxidants: Cl2, Br2, I2, MnO4-Water treatment: Ca(OH)2, Al2(SO4)3Industrial processes: H2SO4, NaOH, CO2Organic synthesis: reaction catalystsBiology: Vitamin B12, hemoglobin, Fe-S protein,气
12、体,1,2,3,液体和溶液,固 体,1.4 化学基础知识,1.4.1 气 体,理想气体的状态方程,用来描述气体状态的物理量,（1） 忽略分子本身体积，将分子看成有质量的几何点。,理想气体模型的两个假设,（2） 忽略分子间作用力。 且分子与分子之间、分子与器壁之间的碰撞，是完全弹性碰撞 无动能损失。,高温低压下的实际气体接近于理想气体。,在高温和低压下，实际气体分子间的距离相当大，气体分子自身的体积远远小于气体占有的体积，此时分子间作用力极弱。,玻意耳定律,当 n 和 T 一定时，气体的 V 与 p 成反比。,盖吕萨克定律,当 n 和 p 一定时，气体的 V 与 T 成正比。,V T,V n,当
13、 p 和 T 一定时，气体的 V 和 n 成正比。,阿伏伽德罗定律,综合以上三个经验公式，得,实验测得，其比例系数是 R， 则,即 pV = n RT,此式称为理想气体状态方程式。,V T,V n,由 pV = n RT,若压强 p 的单位为 Pa 体积 V 的单位为 m3 温度 T 的单位为 K 物质的量 n 的单位为 mol,则 R = 8.314 J mol1 K1,若压强用 Pa 体积用 dm3 温度用 K 物质的量用 mol 为单位，则,实际气体的状态方程,（1） 实际气体分子间的引力不容忽视；,（2） 实际气体分子自身的体积不容忽视。,实际气体的压力 p实 是碰撞器壁的分子受到内层
14、分子的引力，不能自由碰撞器壁的结果。,则有 p = p实 + p内,用 p内 表示 p实 与 p 的差，,这两部分分子共处一体，浓度一致，故,a:比例系数,则对于 n mol 实际气体 V = V实 n b （2）,设每摩尔分子的体积为 b dm3 mol-1,但实际气体的分子体积不能忽略。,将 （1） 和（2） 代入理想气体状态方程式,pV = nRT,V = V实 nb （2）,当 n = 1 时，范德华方程变为,式中 Vm 为摩尔体积。,a 和 b 称为气体的范德华常数。,不同气体的范德华常数不同。,a 和 b 的值越大，实际气体偏离理想气体的程度越大。,混合气体的分压定律,混合气体：由
15、两种或两种以上的气体混合在一起组成的体系。,组分气体： 组成混合气体的每一种气体。,显然，空气是混合气体，其中的 O2，N2，CO2 等，均为空气这种混合气体的组分气体。,设混合气体的物质的量为 n，各组分气体的物质的量为 ni ，则,组分气体 i 的摩尔分数用 xi 表示，则,总体积与分压,分压是指当组分气体 i 单独存在，且占有总体积时，其具有的压强，用 pi 表示。,总体积是指混合气体的体积，用 V总表示。,pi V = ni RT,总压和分体积,分体积是指当组分气体 i 单独存在，且具有总压时，其所占有的体积，用 Vi 表示。,总压是指混合气体所具有的压强，用 p总 表示。,p总 Vi
16、 = ni R T,道尔顿（Dalton） 进行了大量实验，提出了混合气体的分压定律 ,混合气体的总压等于各组分气体的分压之和。,理想气体混合时，由于分子间无相互作用，故碰撞器壁产生的压力，与独立存在时是相同的。亦即在混合气体中，组分气体是各自独立的。,这是分压定律的实质。,故 pi = p总xi,即组分气体的分压等于总压与该组分气体的摩尔分数之积。,又（3）/（1） 得,又有 pi = p总 xi,即组分气体的分压，等于总压与该组分气体的体积分数之积。,气体扩散定律,气体扩散定律： 同温同压下气态物质的扩散速率与其密度的平方根成反比。,由于气体密度 与其相对分子质量 M 成正比,1.4.2
17、液体和溶液,溶液浓度的表示方法,物质的量浓度,质量摩尔浓度,质量分数,摩尔分数,特点： 1. 较方便，实验室最常用； 2. 由于体积受温度的影响，使用时要指明温度。,溶液中所含溶质 B 的物质的量除以溶液的体积，称为 B 的物质的量浓度，用 cB 表示，常用的单位是 moldm-3, 有时也用 molL1。,溶液中所含溶质 B 的物质的量除以溶剂 A 的质量，称为 B 的质量摩尔浓度，用bB 或 mB 表示，单位是 molkg1。,特点浓度数值不受温度影响。,将纯溶剂置于密闭容器中，它将挥发，液面上方的空间被溶剂分子逐渐占据，上方空间里溶剂分子数逐渐增加，蒸气密度增大，压强也增大。,饱和蒸气压
18、,1 纯溶剂的饱和蒸气压,随着上方空间里溶剂分子个数的增加，分子凝聚回到液相的机会增加。,当凝聚速度和蒸发速度相等时，上方空间的蒸气密度不再改变，体系达到动态平衡。,同一液体，温度越高，蒸气压越大。,饱和蒸汽压属于物质的性质。,液体的蒸气压与气相的体积及液相的量无关。,此时，蒸气的压强也不再改变。这个压强称为该温度下溶剂的饱和蒸气压，用p* 表示。,溶液表面单位时间内蒸发的溶剂分子的数目小于纯溶剂蒸发的分子数目。,当溶液中有难挥发的溶质时，则有部分溶液表面被溶质分子占据。,当凝聚的分子数目与蒸发的分子数目相等时，实现平衡，蒸气的密度及压强不会改变。,2 溶液的饱和蒸气压,这种平衡状态下的饱和蒸
19、气压 p 小于纯溶剂的 p*。,在一定的温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与溶剂的摩尔分数的乘积。,p p* x剂, 拉乌尔定律 （F. M. Raoult）,溶液的饱和蒸气压与纯溶剂的饱和蒸气压之间的数量关系与物质的本性无关。,只与溶质的数量有关。,在一定的温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与溶剂的摩尔分数的乘积。,这类性质称为依数性。,1 蒸气压降低,故 p p*x质,由 p p* x剂 可得 p p*（1x质）,稀溶液的依数性,可得 p* p p* x质,在一定的温度下，难挥发非电解质稀溶液的饱和蒸气压下降值 p 与溶质的摩尔分数成正比。,对于稀溶
20、液，溶质的摩尔分数与其质量摩尔浓度成正比。,故 p = k b,在一定的温度下，难挥发非电解质稀溶液的饱和蒸气压的降低值与稀溶液的质量摩尔浓度成正比。, p p*x质,2 沸点升高和凝固点降低,沸腾 当液体饱和蒸气压力等于外界的压力时，表面和内部同时气化的现象。,沸点 液体沸腾过程中的温度。,凝固点 液体凝固成固体（严格说是晶体）的温度。,凝固点时，液体和固体的饱和蒸气压相等。,若 p固 p液， 则平衡右移，固体熔解;,p固 373 K），溶液的饱和蒸气压才达到 1.013 105 Pa，溶液才沸腾。,结论 稀溶液沸点比纯溶剂升高。,1.013 10 5,611,T2,AA 水BB 水溶液AB
21、 冰,A,A,B,B,273,373,T1,在 273 K 时，溶液饱和蒸气压低于冰的饱和蒸气压，即 p冰 p溶 ，溶液此时尚未达到凝固点。,结论 稀溶液凝固点比纯溶剂低。,只有降温到 T2（ 273 K ）时，溶液才达到凝固点。,溶液的饱和蒸气压的降低，导致溶液沸点升高、凝固点降低。,即 Tb = Tb Tb*,用 Tb 表示沸点升高值，,溶液沸点升高值、凝固点降低值与溶液的饱和蒸气压降低值成正比。,其中 kb 为沸点升高常数，与溶剂的种类有关， 单位是 K kg mol -1。,和 p = kb,b 为稀溶液的质量摩尔浓度。,Tf 表示凝固点降低值， 即 Tf = Tf * Tf,与沸点升
22、高公式相类似，有凝固点降低公式 Tf = kf b,其中 kf 为溶剂凝固点降低常数，与溶剂的种类有关，单位是 K kg mol -1。,b 为稀溶液的质量摩尔浓度。,3 渗透压,半透膜的特点：只允许溶剂 H2O 分子透过，而不允许溶质蔗糖分子透过。,发生渗透现象，即溶剂透过半透膜，进入溶液的现象。,渗透现象产生的原因：,两侧静压相等时，半透膜两侧透过的水分子数不等，单位时间里，进入蔗糖溶液的水分子比从蔗糖溶液进入水中的水分子多些。,渗透现象发生以后：,（1） 水柱的高度降低，静压减小，使右行水分子数目减少;,（2） 蔗糖溶液柱升高，静压增大，使左行水分子数目增加。,（3） 蔗糖溶液变稀，半透
23、膜右侧的水分子的比例增加，亦使左行水分子数目增加。,当过程进行到一定程度时，右行和左行的水分子数目相等。水柱不再降低，同时蔗糖溶液柱亦不再升高，达到平衡。,达到平衡时，液柱高度差造成的静压称为溶液的渗透压。用 表示。,具有渗透压，是稀溶液的依数性质。, 渗透压 kPa c 溶质物质的量浓度 mol dm -3T 热力学温度 K,或 V = nRT,则 R = 8.314 kPa dm-3 mol-1 K-1,依数性计算公式的使用范围：,对于浓溶液或电解质溶液，这些现象同样存在，但不再符合依数性的定量规律。,难挥发非电解质稀溶液。,4 稀溶液依数性的应用,1.4.3 固体,晶体：微观结构有规律排列的固体物质。,非晶体（无定形）：微观结构排列无规律。,根据晶体中微粒之间相互作用的性质，可以将晶体分成 4 种基本类型：分子晶体、离子晶体、原子晶体和金属晶体。,各种晶体的基本性质见下表。,作业P26， 2-1,2-3,2-6,2-7,2-12,2-14,2-16,2-17,
