1、2010.9,无机化学,主讲：秦华,2010.9,绪 言,化学的分支学科简介,一级学科 二级学科 三、四级学科 无机化学 无机材料化学 半导体化学 有机化学 无机元素化学 感光材料 分析化学 生物无机化学 陶瓷材料 化学 物理化学 无机配位化学 储能材料 结构化学 无机固体化学 永磁材料 生物化学 金属有机化学 超导材料 稀土化学 纳米材料,2010.9,无机化学课程的主要内容,物 质 的变化规律,物质的制备与性质,物质的形态与结构,气液固体 原子结构 分子结构 晶体结构,化学热力学 化学动力学 酸碱平衡 沉淀平衡 氧化还原 络合平衡,元素通论 s,ds区元素 p区元素 d区元素 f区元素 定
2、性分析,2010.9,1 学习态度 社会需要与个人志向相结合，求实创新。 2 学习方法 培养良好学习习惯，提高课堂听课效率。 3 做到三习 课前预习、课后复习，适当练习。 4 课堂笔记 教材为主，教参为辅，广泛阅读期刊。 5 重视实验 加强基本功训练。不怀疑不见真理。 6 多多交流 大学的学习不单纯是理论知识的学习。,无机化学学习方法,2010.9,第一章 化学反应中的质量和能量关系,一、理想气体状态方程和分压定律,二、化学计量数与反应进度,三、化学反应中的能量关系,主要内容：,2010.9,1.1 物质的聚集态和层次,第一章 化学反应中的质量和能量关系,1 物质三态,1.1.1 物质的聚集态
3、,2010.9,2 等离子态,2010.9,1.1.2 物质的层次,2010.9,1.2 化学中的计量,1.2.1 相对原子质量和相对分子质量,第一章 化学反应中的质量和能量关系,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。,2010.9,相对原子质量（Ar)：元素原子的平均质量与核素
4、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量 之和。,1.2.2 物质的量（n）及其单位,1 单位：mol,1mol=6.0221023 (NA)个,2 物质的量分数（摩尔分数Xi）,混合物中，某组分i的物质的量与混合物的物质的量之比。,2010.9,1.2.3 摩尔质量（M）和摩尔体积（Vm）,单位：kgmol-1或gmol-1,1.2.4 物质的量浓度（Cn）,单位：molL-1,单位：m3mol-1或Lmol-1,1、摩尔质量,2、摩尔体积,2010.9
5、,1 理想气体状态方程式,PV=nRT,P：Pa； V：m3； n：mol； T：K； R：8.314Jmol-1K-1,理想气体标准状况,P=101325Pa，T=273.15K，n=1mol，V=22.41410-3 m3,1.2.5 气体的计量,2010.9,2 理想气体分压定律,分压强(Pi) ：在相同温度下，组分气体单独占有与混合气体相同 体积时所产生的压强。,分体积(Vi)：组分气体与混合气体具有相同的温度、压强时所占 有的体积。,Dalton分压定律：混合气体的总压等于混合气体中各组分气体的分压之和。,2010.9,适用条件：1、理想气体；2、组分气体必须处于混合气体相同的环境中
6、。,2010.9,分压定律的应用,2010.9,例1：A，B两种气体在一容器中混和，下面表达式哪些是正确的？1PAVA=nART 2PV=nART3PVA=nART 4PAV=nART5PA(VA+VB)=nART 6(PA+PB)VA=nART,P总V分 = P分V总 = n分RT,2010.9,例2：某容器的容积为2.0L，其中装有O2、H2、Ar，各气体的物质 的量分别为：n O2 =0.2mol n H2 =0.5mol nAr=0.1mol，温度保持 在300K，求混合气体总压与各组分气体的分压。,解：PV=nRT P=nRT/V,P总= P O2 + P H2 + P Ar=249
7、kPa+624kPa+125kPa=998kPa,2010.9,例题3 氧是人类维持生命的必需气体，缺氧生命就会死亡，过剩的氧会使人致病，只有在氧气的分压维持21kPa才能使人体维持正常代谢过程。在潜水员自身,携带的水下呼吸器中充有氧气和氦气 （He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得气栓病）,2010.9,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=293
8、K 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 +,2010.9,=9.807 m/s2 1.03103kgcm-330m+101kPa =3.03103 kgcm-1 s-2 +101kPa=303kPa+101kPa=404kPa,2010.9,若混合气体体积为1.000L时，,2010.9,1.2.6 化学计量化合物,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 0.840.9
9、5 O,FeS：Fe 0.900.93 S,超导材料：YBaCu3O 7-x，x0.1,2010.9,1.3 化学反应中的质量关系,质量守恒定律：反应前后各元素的原子总数相等。,1.3.2 化学计量数（）与反应进度,对于任意的化学反应：aA+bB=cC+dD,A=-a,B=-b,C=c,D=d,0= A A+B B+c C+D D,0=i I（化学计量式）,1.3.1 应用化学方程式的计算,1 化学计量数,2010.9,2 反应进度（）,定义：反应进度（ ）是用来表示反应进行的程度。,d ni =i d,例如： H2(g)+I2(g)2HI(g),=1mol,单位：mol,2010.9,反应进
10、度必须对应具体的反应方程式！,反应进度举例,2010.9,白磷的燃烧,1.4 化学反应中的能量关系,2010.9,1. 体系与环境,体系：被研究对象,环境：系统外与其密切相关的部分,既有物质交换又有能量交换,只有能量交换,既无物质交换，也无能量交换,1.4.1 基本概念和术语,2010.9,敞开体系,封闭体系,隔离体系,2010.9,2 体系的性质、状态和状态函数,（1） 体系的性质,T=273.15K P=101325Pa V=22.4L n=1mol,T,P、V、n,具有加和性,不具有加和性,2010.9,（2）体系的状态,体系的状态确定，体系的性质亦确定。,（3）体系的状态函数,当体系的
11、所有性质都有确定值时，体系处一定状态。,用来表征体系特性的宏观性质，叫做体系的状态函数,P V n T均为状态函数,特点： （1）是单值函数，一个状态由一组确定的状态函数表述； （2）其改变量只与始、终态有关，与途径无关； （3）状态函数的集合（和、差、积、商）也为状态函数。,2010.9,1molN2 T=273.15K P=101325Pa V=22.4L,恒温加压,1molN2 T=273.15K P=202650Pa V=11.2L,（）,P=50662.5Pa V=44.8L,P=405300Pa V=5.6L,恒温减压,恒温加压,恒温加压,恒温减压,（）,（）,P=101325Pa
12、 V=-11.2L,（始态）,（终态）,2010.9,3. 热和功,热（Q）：,体系和环境之间因温差而传递的能量。,功（W）：,除了热以外，其它各种形式被传递的能量。,符号规定： 体系由环境吸热Q为+；体系向环境放热Q为-。 环境对体系作功W为+；体系对环境作功W为-。,注意： 功和热与变化的路径有关，不是状态函数。,2010.9,4. 热力学能（内能，U）,说明：内能(U)是状态函数，是体系的容量性质，具有加合性。其绝对值无法测定，可测定其变化值。,5. 热力学第一定律（能量守恒定律）,在任何过程中，能量是不会自生自灭的，只能从一种形式转 化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变。,数学表
13、达式：U=Q+W,内能是体系内一切能量的总和，包括体系内各种物质的分子或 原子的位能、振动能、转动能、平动能、电子的动能以及核能 等等。,2010.9,环境,体系,反应物,放热反应过程的能量变化,环境,反应物,体系,吸热反应过程的能量变化,2010.9,例2 某体系开始的内能为U1，(1)它从环境吸收600J的 热量，并对环境作功450J； (2)它从环境吸收100J的热量，环境对它作功50J。 求内能的变化值U及终态内能U2。,解：(1) U=Q+W=600J+(-450J)=150J,U=U2-U1,U2=U1+150J,(2) U=Q+W=100J+50J=150J,U=U2-U1,U2
14、=U1+150J,说明：体系的始态、终态相同，内能的变化量相同，内能是状态 函数；而热和功的变化与具体路径有关，所以热和功不是状态函数。,2010.9,1.4.2 反应热和反应焓变,定义：H=U+PVQP=H2-H1=HH称为焓， H称为焓变。,P恒定，并且体系不作非体积功，此时的反应热称为恒压反应热， 用Qp表示:,Qp= U-W= U+P V=(U2-U1)+P(V2-V1)= (U2-U1)+(PV2-PV1)=(U2 +PV2 )-(U1+PV1),1.等压反应热和反应焓变,2010.9,说明：(1) 恒压反应热Qp= H,(2) 符号规定：放热反应： H0。,(3) H是状态函数。即
15、焓变H只取决于体系的始态和 终态，与过程无关。,H和U一样不能确定其绝对值，只能确定其变化值。,(5) 对于反应物和生成物均为固体或液体的化学反应， V很小， 可近似认为： H U。,2010.9,例5 已知化学反应：NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s) 298.15K, 101325Pa下， H=-175.3KJ.mol-1 ，求该反应的内能变化。,Qp和Qv的关系,同一反应的恒压反应热和恒容反应热不同，它们的关系为：Qp = Qv + n RT； H = U + n RT,解： U= H- nRT= -175.3kJ.mol-1 (-2)8.314J.mol-1.K-1 298.15
16、K=-170.3kJ.mol-1,2010.9,2. 热化学方程式,(1) 2H2(g)+O2(g)2H2O(g) Qp=rHm=-483.6kJ.mol-1,(2) H2(g)+1/2O2(g)H2O(g) Qp=rHm= -241.8kJ.mol-1,(3) 2H2(g)+O2(g)2H2O(l) Qp=rHm=-571.66kJ.mol-1,书写热化学方程式应注意问题：,（1） 标明物质的聚集状态。g-气态；l-液态；s-固态。,（2） 反应物、产物要配平,（3） 反应的焓变（热变化），是指“1 mol 反应”， 与反应式 的写法有关。,（4） 正、逆反应焓变的绝对值相等，符号相反。,因
17、此：2H2O(l)2H2(g)+O2(g) H=,571.66kJ.mol-1,2010.9,总反应的 rHm= rHm(1)+ rHm(2)+rHm(3),定律: 若一个化学反应分几步进行，则反应总过程的焓变等于各步焓变之和。 H= H1+ H2+H3+,2010.9,氧弹量热计,2010.9,1.4.3 应用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变,对于气相系统，每种气态物质的压力均处于标准压力p的 状态称为标准态；对于液体或固体，其标准态是指处于标准压 力p下的纯液体或纯固体；对于理想溶液，其标准态是指处于 标准压力p下，浓度为标准浓度c时的状态，即为该溶液的标 准态。,1.热力学标准状态 (
18、standard state),国家标准规定： 标准压力 p = 100kPa； 标准浓度 c = 1moldm-3； 参考温度 T = 298.15K （标准态没有规定温度）。,2010.9,2. 标准摩尔生成焓,定义：一定温度，标准态下，由最稳定的纯态单质生成1mol某物质时的热效应，称为该物质的标准生成焓。,符号：fHm,单位：kJ.mol-1,说明：1 表示标准态。,2 fHm (最稳定单质) =0,2010.9,3. fHm多为负值。且对于同一类型物质，可通过fHm 判断其相对稳定性。 fHm越负，其越稳定。,2010.9,3. 标准摩尔反应焓变(rHm )的计算,根据 Hess 定
19、律rHm ( I ) + rHm ( II ) = rHm (III)即 rHm = i f Hm ( 生 ) + i f Hm ( 反 ),2010.9,例7 计算恒压反应：2Al(s)+Fe2O3(s)Al2O3(s)+2Fe(s)的标准反应热,并判断此反应是吸热还是放热反应？,解：查表： 2Al(s)+Fe2O3(s)Al2O3(s)+2Fe(s),fHm(kJ.mol-1)：0 -824.2 -1675.7 0,rHm = fHm(Al2O3,s)+2 fHm(Fe,s)-2 fHm(Al,s)+ fHm(Fe2O3,s),=-851.5kJ.mol-1,rHm 0，此反应为放热反应。,2010.9,本章小结,第一章 化学反应中的质量和能量关系,第一节 化学中的计量相对原子质量和相对分子质量；物质的量及其单位；摩尔质量 和摩尔体积；物质的量浓度；气体的计算；化学计量化合物和非计 量化合物 第二节 化学反应中的质量关系化学反应方程式的计算；化学计量系数；反应进度； 第三节 化学反应中的能量关系状态函数的特征、类型 ；过程与途径 热、功、内能及其符号规定 ；第一定律及应用 U= Q W恒压、恒容反应热；焓的定义(H=U+PV)；热化学方程式写法； 盖斯定律；标准生成焓、反应热及其计算,
