1、1,普通化学,2,绪论,一.化学及分类,1.化学:化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学,3,2. 化学的分支学科,结构化学: 物质结构 高分子化学：高分子化合物 若干新分支：材料化学、环境化学、生物化学、医药化学、能源化学、核化学、工业化学等等,无机化学：无机物 有机化学：碳氢化合物及衍生物 物理化学：所有物质系统 分析化学：测量和表征,4,二.普通化学课程内容,(一)基础理论部分 1.热化学 2.化学平衡 3.水化学 4.电化学 5.物质结构,5,(二)元素化合物及应用部分 1.无机化合物 2.高分子化合物 3.生物大分子基础 4.仪器分析
2、基础,6,(1)浙江大学： (第六版) (2)大连理工大学, (3)同济大学：,参考书,7,大连理工 大学出版社,大连理工大学普 通化学教研组编,大连理工大学普 通化学教研组编,8,同济大学 普通化学 教研组编,同济大学 出版社,9,三、为什么学？如何学？,WHY？,HOW？,生活中的化学,10,11,12,13,人才培养,14,专业应用,国家注册一级结构工程师基础考试包括： 公共基础课：高等数学、普通物理、普通化学、理论力学、材料力学、流体力学、计算机应用基础、电工电子技术、工程经济 专业基础课：土木工程材料、工程测量、职业法规、土木工程施工与管理、结构设计、结构力学、结构试验、土力学与地基
3、基础,国家注册一级 结构工程师,16,17,化学在专业工程中应用,化学教育是培养“基础扎实、知识面宽、能力强、素质高”的迎接新世纪挑战的高级工程科技人才所必需的。,18,方法要求,19,四、成绩分布 （1）平时-40%： 包括:考勤、课堂纪律、平时小测验、作业、实验。 （2）期末测验-60%,20,热化学与能源,第1章,21,热化学:研究化学反应中热量变化定量关系的学科,主要内容: 1、反应热的测量； 2、反应热的计算； * 3. 能源,22,1 .1 反应热的测量,系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。 环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和 空间。,开放系统 有物质和能量交换,封闭系
4、统 只有能量交换,一.几个基本概念,1. 系统与环境,隔离系统 无物质和能量交换,23,2. 相,相:系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称为相。 相与相之间有明确的界面,气体:无论几种气体只有1相即单相; 液体:互溶为1相,如乙醇水溶液;不互溶为多相,如水与油; 固体:几种固体则为几相.(互熔则为一相),24,CaCO3(s) = CaO (s) + CO2(g),CaCO3(s) = Ca2+ (aq) + CO32-(aq),CaSO4 (s）+ CO32- (aq）=CaCO3 (s）+ SO4 2- (aq）,25,3. 状态与状态函数,状态:系统一切性质的总和 (综合表现)
5、。,当描述系统的一切性质处于定值时，系统处于一定状态。,26,状态函数可分为两类：,广度性质：其量值具有加和性。如体积V、质量m等。,强度性质：其量值不具有加和性。如密度、温度、压力等。,27,状态函数的性质,（2）其变化量只与系统的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。,（1）是状态的单值函数一一对应关系,例1.压力：3p-1p 例2，减肥：m1m2 例3.体温：36-39,28,图1.2 状态函数的性质,29,殊途同归,值变相等 周而复始,值变为零,30,4. 化学计量数,N2 + 3H2 = 2NH3,0= - N2 - 3H2 + 2NH3,化学反应方程通式为：,31,B :称为B 的
6、化学计量数。 符号规定： 反应物： B为负；产物：B为正。,N2 + 3H2 = 2NH3,(N2 )= -1, (H2)= -3, (NH3)= 2,32,5. 反应进度,反应进度 的定义：,单位:摩尔（mol）,nB（0）：B反应开始时物质量,),0,(,),(,B,B,B,n,n,n,x,x,-,=,n(): B反应至某一时刻物质量,33,例:N2 + 3H2 = 2 NH3 反应前物质量n1/mol: 10 30 0 反应至某一时刻物质量n2/mol: 8 24 4 = n2(N2)-n1 (N2)/ (N2 )=(8-10)mol/(-1)=2mol= n2(H2)-n1 (H2)/
7、 (H2 )=(24-30)mol/(-3)=2mol= n2(NH3)-n1 (NH3)/ (NH3)=(4-0)mol/2=2mol,34,注意： 反应进度与反应方程式的书写有关,当=1mol时,称1摩尔反应或摩尔反应, 即1molN2和3molH2反应生成2molNH3,如合成氨反应可写为: 1/2N2 + 3/2H2 = NH3,35,二. 反应热的测量,反应热(q):化学反应中吸收或放出的热量。,摩尔反应热(qm):指当反应进度为1 mol时系统放出或吸收的热量.,系统放热 q0。,36,1. 反应热的实验测量方法,(1)弹式量热计:用于测定有气态物质参加且反应热变化较大的反应热效应
8、.如煤,汽油,天然气等燃烧反应热.,图1.3 弹式量热计,弹式量热计测定的反应热为等容反应热,以qv表示,C（S） + O2(g) = co2(g) qm= -393.5kJ/mol,37,(2)保温杯式量热计:用于测定常温常压下水溶液进行的反应.反应本身不涉及气体,反应热不大,热量能全部被溶液所吸收.,例:Zn(s) +CuSO4(aq)= ZnSO4(aq)+Cu(s),保温杯式量热计测定的是等压反应热,以qp表示,38,39,2. 热化学方程式,(2)标明物质聚集状态,(1)标明温度和压力:未注明T, p, 皆指在常温常压,2H2(g)+O2(g)=2H2O (g)；,2H2(g)+O2
9、(g)=2H2O (l)；,(2)聚集状态：g气态l-液态S-固态aq-水溶液,40,1 .2 反应热的理论计算,有的反应的反应热是不可以实验测定。如：,2C(s) + O2(g) = 2CO(g),一. 热力学第一定律,能量守恒定律在热力学中的的应用。,41,1. 化学反应中的能量形式,(1)热力学能(内能U) 系统内部运动能量 的总和。包括： 分子的平动、转动、振动及电子能。,内能的特征：是状态函数无绝对数值,42,(2)热(q):在物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为热。,热量q：不是状态函数；系统放热 q0。,43,(3)功(w):在物理或化学变化的过程中，系统
10、与环境除热以外的方式交换的能量都称为功。,功w：不是状态函数系统得功 w0，系统作功 w0,44,体积功（ w体）:由于系统体积发生变化而与环境所交换的功。 非体积功（ w ）:体积功以外的所有其它的功。如表面功,电功等。,w= w体+ w ,45,1)w体的计算: 等外压过程中， w体= p 外(V2 V1) = p外V,2)理想气体的体积功:,理想气体的状态方程：,w体 = p外V = - n(g) RT,46,热力学第一定律的数学表达式,2.封闭系统热力学第一定律,47,(1)等容过程:当体系不作非体积功,V=0, w=0,W=-pV + w=0,u = qv,即：内能的变化量在数值上等
11、于等容热效应,48,(2)等压过程:当体系不作非体积功,w =0 w体= p (V2 V1) = pV,u=qp+W= qp p (V2 V1),W= p (V2 V1),49,qp=u+ p (V2 V1),定义: H= u + p V 焓, 状态函数,=(u 2- u 1)+p (V2 V1),= (u 2 + p V2) (u 1 + p V1),50,1）等压热效应在数值上等于焓的增量。 2）可以通过H的计算求出的qp值。,qp = H,qp=H2-H1,系统放热 H 0。,51,1.盖斯定律 :在恒压或恒容的条件下，化学反应的热效应只与反应的始态或终态有关而与变化的途径无关。,始态
12、C(石墨) + O2(g),终态 CO2(g),中间态 CO(g) + O2(g),二.反应热效应的理论计算,52,盖斯（1802-1850） 俄国化学家,53,盖斯定律示例,54,盖斯定律推论：若化学反应相加减，则其反应热也随之相加减。,注意： （1)方程式乘系数，反应热也乘系数； （2)反应方向改变，反应热符号改变。,55,2.反应标准摩尔焓变rH m的计算,(1) 热力学标准态：,1）气体物质：标准压力(p=100kPa ) 下表现出理想气体性质的纯气体状态.,2）溶液:标准压力p 下，质量摩尔浓度为m (1.0mol.kg-1)的理想溶液, 本书采用近似C=1moldm-3,3)纯液体
13、或固体:标准压力p下的纯液体或纯固体。,56,(2)物质的 标准摩尔生成焓,指定单质：最稳定的单质。 如C：石墨(s)；P: 白磷(s)，,标准摩尔生成焓:标准状态，指定单质生成单位物质的量的纯物质时反应的焓变称为该物质标准摩尔生成焓。,C（石墨）+O2（g）= CO2（g），rHm =fHm（285.15K，CO2，g）=-393.51kJmol1,57,规定:,1）指定单质的标准摩尔生成焓为0。 fH m (单质)=0,2）水合氢离子的标准摩尔生成焓为0。 fH m (H+,aq)=0,fH m (C，石墨)=0fH m (C，金刚石)=1.9kJmol1,58,rH m(298.15K)
14、 = gfH m(G,298.15K)+dfH m(D,298.15K) - afH m(A,298.15K)+ bfH m(B,298.15K) 单位： kJmol1,任一反应: aA +bB = gG +dD,(3) 反应的标准摩尔焓变的计算,59,注意事项：,（1）系数；聚集态,（2）标准摩尔焓变近似认为不受温度影响,fH m（H2O，l） = - 285.8kJmol-1 fH m（H2O，g） = - 241.8kJmol-1,60,解：,例1、试计算铝热剂焊接点火反应的热效应,fH m(298.15K)/ kJmol1 : 0 -824.2 -1675.7 0,标准摩尔反应焓变计算
15、示例,61,2、对比常用燃料甲烷、乙炔、汽油的热效应,（1）甲烷完全燃烧放出的能量。,CH4 (g) +2O2 (g) =CO2 (g) + 2H2O(L),（2）乙炔完全燃烧放出的能量,63,（3）汽油辛烷完全燃烧放出的能量。,64,1.3 常见能源及其有效与清洁利用,能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。,思考：能源对于人类的重要性，为什么能源科学被列为当今社会的三大支柱之一。,能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。,能源是我们赖以生存的重要物质基础。,65,1.3.1 世界能源的结构与能源危机,1.能源的分类,表1.2 能源的分类,66,2. 世界能源的结构和消耗,图1.7
16、 世界消耗的一次能源结构,67,3. 能量消耗前六名的国家,图1.8 世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）,趋势（比例）：石油和天然气下降；煤炭上升；核电上升。,68,4. 能源危机,本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降。可利用之“有效能”减少了，于是产生了能源危机,69,1.3.2 煤炭与洁净煤技术,我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。SO2和粉尘是煤燃烧的主要一次污染物，其中的SO2是造成酸雨的主要原因。 所以煤炭的开采和燃烧都会引起环境污染。,思考：我国能源的现状有何特点？,答：1）能源总量丰富，但人均不足；2）能源结构不合理，优质能源比例
17、太小煤炭占一次能源的76%，天然气消耗只有世界平均的76%，石油消耗只占世界平均的1/3。3）能源利用率低，能耗高浪费严重。,70,1. 煤炭的成分与热值,煤炭的主要成分：,碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。,71,2. 洁净煤技术,洁净煤技术于1986年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一。,合成汽油,(新型液态燃料),72,1.3.3 石油和天然气,石油,石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。,思考：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地在哪儿？,答：世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省的大
18、庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。,73,1. 石油燃料产品,石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青等产品。,思考：以上产品中最重要的是什么？,汽油。,95%的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为5572之间，在汽油中加入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到7988，为了防止铅在汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅，与尾气一同排入大气。,思考：汽车尾气污染物是什么？如何解决？,答：主要污染物：NO、CO、HC和含铅化物等。 解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。,74,2.
19、天然气,天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷，常与石油伴生。其热值约为55.6MJ kg-1。,天然气的优点：,可直接应用,易于管道输送,污染少,思考：西气东送具有哪些重要意义？,75,3. 沼气和生物质能,植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产生的气体称为沼气。,沼气约含60%的甲烷，其余为二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。,思考：可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家使用过沼气吗？,答：农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。,生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃气体。,答：都是。沼气也属于生物质能。柴火是生物质能的直接利用。,思考：沼气和柴火是生物质能吗
20、？,76,4. 可燃冰未来的新能源,天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。 CH4xH2O (s)。,形成条件：低温高压如0，76 MPa。 储量：尚难正确估计，各文发表的数据相差较大。预测总量相当于161万亿吨煤，可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的23倍。 分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一半。 开采难，储量丰富。,77,1.3.4 煤气和液化气,思考：与煤气相比，液化气有哪些优点？,答：无毒、低污染、热值高于煤气。,液化气作动力 绿色汽车 燃料电池（各国竞争发展）
21、。,78,1.4 清洁能源与可持续发展,思考1：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是无限的(不考虑太阳的寿命)？ 思考2：你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？,1：矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的能源（如太阳能）和核能是无限的。,2：开放性的结论,1992年，联合国环境于发展大会上提出了社会、经济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源作为最紧缺的资源对人类社会的可持续发展起着关键的作用。,79,1.4.1 能源开发与可持续发展,我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。,图1.9 治理前的热电厂,最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核
22、能和生物质能等。,可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。,80,1.4.2 氢能,氢能是一种理想的二次清洁能源。,氢能的优点热值高，其数值为142.9MJ kg-1。燃烧反应速率快，功率高原料是水，取之不尽产物是水，不污染环境,思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些方面的问题？,经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用。,81,1. 氢气的制取,太阳能光解,电解,思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？,从经济上考虑是不可行的。,利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有前途的制氢方法。是研究的热点。,82,2. 氢气的储运,氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的
23、储存和运输是一个比较困难的问题。,合金贮氢法,原理：氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合物，这些化合物在合适的条件下可以释放出氢气。如镧镍合金：,开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的热门分支。,83,1.4.3 太阳能,太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式。,思考：如何利用太阳能？,太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形式，主要有以下三种：,转换为热能转换为电能转换为化学能,图1.10 太阳能电池,84,1. 转换为热能,思考：太阳能热水器的工作原理？,太阳能热水器是目前广泛利用太阳
24、能最典型的一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能，是目前直接利用太阳能的最主要方式。,将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子的有效吸收。,思考：太阳光能的缺点是什么？,1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。 2、对天气的依赖性强。,85,2. 转换为电能,思考：你能举出光能转换为电能的例子吗？,光电池是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导体材料中的电子就可以吸收光子而跃迁到导带并产生电动势。,光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、人造卫星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。,86,3. 转换为化学能,植物
25、能够从空气中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太阳能进行光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储存能量。,思考：你能举出一些将光能转换为化学能的例子吗？,太阳能光解制氢是近几年的热门研究课题。这是将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。,模拟光合作用也是各国科学家感兴趣的课题。,思考：如果你烧过柴火，你有没有意识到你正在间接地利用太阳能？,87,选读材料 核能,核能的产生主要有两种方式，核裂变和核聚变。释放的能量用质能方程计算：,在中子的轰击作用下，较重原子核分裂成轻原子核的反应称为核裂变反应。,. 核燃料和核能的来源 核裂变反应,88,该反应损失质量m = 0.2118gmol-1，能量变化为：
26、,此能量相当于634.5吨标准煤完全燃烧所释放的能量。,核裂变是链式反应，不加控制则可制造成原子 弹；如加以控制，例如使用慢化剂水，重水和石墨，则可建造成核电站。,89,图1.11 氢弹爆炸,太阳能就是氢的核聚变能，经计算1mol 聚变放出的能量为：,由于氢原子质量小，如折合成每g物质反应的热量， 则氢聚变所释放是能量是相同质量的铀裂变能量的3倍多。,90,. 核电的优势与发展趋势,发展核能是必由之路 由其优势决定：高密度、清洁、经济、安全的能源。,核电的发展趋势 (1) 热堆的应用。应用广泛但燃料利用率很低；完善、智能化。 (2) 快堆的应用。核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高。加快研究和
27、开发。,(3)可控热聚变堆。处于基础研究阶段，前景诱人。,91,图1.12 秦山核电厂外景,秦山核电站二期工程施工现场,鸟 瞰 一 期,92,热力学能的组成部分和波谱分析概要*,(1)平动能 Ut：质点在三维空间的平动运动有关的能量。通常只有流体质点具有该能量。,(2)转动能Ur：质点环绕质心转动所具有的能量。单原子气体没有该能量。,(3)振动能 Uv：与分子或多原子离子中的组成原子间相对的往复运动有关的能量。物质具有零点震动能。,(4)电子能 Ue：原子核与电子之间的相互作用系统所具有的能量。它是化学反应中能量变化的主要部分。,以上形式的能量依次增大，且它们均是量子化的。,93,波谱分析概要*,利用物质发射或吸收电磁辐射波来进行定性及定量分析的测试方法。 一般地，根据波长可进行定性分析； 根据波谱强度可进行定量分析。,图1.13 500 MHz核磁共振波谱仪,94,本章小结,了解若干热力学基本概念（如状态函数、热力学标准态、反应进度、焓等）和定容热效应q的测定; 理解热化学定律及其应用；掌握反应的标准摩尔焓变的近似计算； 了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发展战略。,第一章作业： P29-31，习题 6；17； 10（1）、（2）；14；15,95,
