自主招生讲义化学反应与能量变化

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1、第一讲 化学反应与能量变化一、化学反应的本质化学反应的本质是能量驱动能量驱动。此处的能量是一个广义概念：G=H-TS。当G0 正向非自发（逆向自发） ；G=0 反应处于平衡状态。一个物质系统的能量高低可以通过H、物质的结构是否对称对称来判断。结构对称性问题还可以用于判断共价分子的极性。从化合价升降及电子的是的观点看，化学反应可分为氧化还原反应和非氧化还原反应。二、氧化还原反应1、氧化还原反应的基本概念及其关系（1）氧化还原反应的基本概念 （2） ne-（3）氧化还原反应的基本原则化合价上降总数相等电子得失总数相等2、氧化还原反应的表示方法（1）双线桥法 MnO2+4HCl(浓)= MnCl2+

2、Cl2+2H2O（2）单线桥法 2KClO3=2KCl+3O2（MnO2催化）3、常见氧化剂与还原剂 （1）常见氧化剂 a 最高价：KMnO4、 K2Cr2O7、 HNO3、 H2SO4(浓) Fe3+ PbO2b 活泼非金属 O3O2Cl2Br2I2c Na2O2(H2O2) HClO(及其盐) MnO2（中间价态氧化性为主）*含氧酸价态越低氧化性越强 HClOHClO3HClO4 H2SO3H2SO4（2）常见还原剂 a 最低价 S(-2) I(-1)b 金属单质 （活动性顺序）c S(+4) (SO2 H2SO3及盐) Fe2+4、氧化还原能力强弱的判断（自发的氧化还原反应中）（1）据反

3、应判断 氧化性：氧化剂氧化产物还原性：还原剂还原产物（2）金属 + 非金属 金属阳离子 + 非金属阴离子还原剂 氧化剂 氧化产物 还原产物氧化性：非金属金属阳离子还原性：金属非金属阴离子O2Cl2Br2I2Ag+ Cu2+ H+ Fe2+ Zn2+.(氧化性)K(H)CuAgI-Br-Cl-OH-(还原性)*注意 Fe3+的氧化性： Br2Fe3+ I25、氧化还原反应的应用（1）氧化还原方程式的配平氧化还原方程式配平的一般步骤标变价 列变化 求总数 配系数配系数时：一得失 二金属 三酸根（非金属） 四 H OKMnO4+HCl=KCl+MnCl2+Cl2+H2OH2S+H2SO4(浓）S+S

4、O2+H2OKClO3+HClCl2+KCl+H2O整体法：若反应物或生成物中有两种元素化合价同时升高或同时降低，配平时，把反应物或生成物中同升或同降的元素看作一个整体，然后在加以配平。 （扩展）FeS2 +O2 =Fe2O3+SO2零价法：当反应中元素化合价不易确定时Fe3C+HNO3=Fe(NO3)3+NO+CO2+H2OFe3O4+ HNO3=Fe(NO3)3+NO+H2O待定系数法 原理：待定系数法是一种数学方法，用它配平化学反应方程式的优点是：配平过程中既不涉及复杂的氧化还原反应，只需根据质量守恒定律，使方程式等号两端同种原子数相等，列方程求解，从而得到正确的配平系数。方法：如果完全

5、按照数学中的待定系数法设未知数求解比较麻烦。通常可设某物质（可以是反应物，也可以是生成物）的系数为 1，该物质要能控制两种或两种以上的元素，其他与之无关的物质可设未知数解方程。解得的数值可能是整数，也可能是分数。若是分数，将所得系数化简为整数。P4O+Cl2POCl3+P2Cl5拆合法对于方程式中有两个或多个相对独立的氧化还原反应的方程式配平，有多套系数。多套系数中只有一组是正确的，即电子转移数最小的一组是正确的。产生多套系数的原因在于这些氧化还原反应方程式之间没有很必然的联系，将它们乘以不同的因子并加和在一起，即出现多套系数的情况。进行拆合时，只在反应物和生成物之间做文章，不得引入中间产物，

6、否则会出现错误。BrF3+H2OHBrO3+ O2+Br2+HF5 BrF3+9H2O3HBrO3+Br2+15HF4BrF3+6H2O3 O2+2Br2+12HF+ 9BrF3+15H2O3HBrO3+ 3O2+3Br2+27HF取互质数：3BrF3+5H2O=HBrO3+ O2+Br2+9HF离子电子法氧化还原反应最大的特点就是能将反应拆成两个半反应，如铝与氢氧化钠溶液的反应：2Al+2NaOH+6H2O2NaAlO2+3H2 + 4H2O 可以拆成正极：6H2O +6e- 6OH-+3H2 负极：Al+ 8OH- - 6e-2AlO2- + 4H2O 离子电子法步骤和要点如下：先将氧化还

7、原反应方程式改写成半反应并配平，然后将两个半反应加和起来，消去半反应式中的电子即可。需要指出的是：可以依照介质情况，在半反应式中加 H+离子或 OH-离子，并利用水的电离平衡使两侧的氧原子数和电荷数均相等。即配平时要注意反应介质和方程式两端氢、氧原子数目，其方法可总结如下：介质多一个氧原子少一个氧原子酸性+2H+O2-H2O+H2O2H+O2-中性+H2O+ O2-2OH-+H2O2H+O2-碱性+H2O+ O2-2OH-+2OH-2H2O +O2-MnO4- 酸性（Mn2+） 中性或弱碱性 MnO2 强碱性 MnO42-例：把锌粉投入用氢氧化钠碱化的硝酸钠溶液，有氨气产生。试写出配平的化学反

8、应方程式。a.先找出发生氧化和还原的元素，并进行配平：Zn2e- Zn2+4+）N5+ + 8e- N3-1 4Zn+N5+4Zn2+ N3- b.将已配平的式中的各元素写出它们在反应条件下实际存在的物种： 4Zn+NO3-4Zn(OH)42-+ NH3 然后对式进行原子配平：4Zn+NO3-+19H+13O2-4Zn(OH)42-+ NH3 c. 根据反应溶液的酸碱性，确定氢氧原子的具体形态，即为 H+和 O2-：4Zn+NO3-+7OH-+6H2O=4Zn(OH)42-+ NH3 d. 将离子方程式改写为化学方程式： 4Zn+NaNO3-+7NaOH-+6H2O=4Na2Zn(OH)42-

9、+ NH3（2）氧化还原反应的有关计算计算的基本原则：电子得失总数相等，化合价上降总数相等（3）电化学（以后讲）三、非氧化还原反应（自主招生 P6-P9）第二讲第二讲 原子结构、元素周期律原子结构、元素周期律一、原子结构1、原子构成 质子 （Z） 相对质量 1.007原子核 中子 （N） 相对质量 1.008核外电子 相对质量 m(p)183612、原子的几个关系 空间关系：原子绝大部分是空间，几乎集中了所有的质量体积极小的核 质量关系：原子核几乎集中了所有质量 电量关系：质子数=核电荷数=核外电子数=原子序数 A=Z+N3、几个概念元素：具有相同质子数的同一类原子的总称核素：具有一定质子数和

10、一定中子数的一种原子称为一种核素XA Z同位素：（具有相同质子数和不同中子数的）同种元素的不同核素互为同位素这三个概念都针对原子核4、同位素的相对原子质量 )(121)()( 12CmXmXAr元素的平均相对原子质量 Ar（X） 公式：Ar（X）=Aa%+Bb%+Cc%+.（近似值为质量数） 同位素的 Ar（X） 丰度（加权平均）Ar（Mg）=2478.7%+2510.13%+2611.17%=24.3247（Mg 的近似平均相对原子质量）二、核外电子的运动状态1、原子模型的演变1803 道尔顿1897 汤姆生1911 卢瑟福（有核模型）1913 波尔理论（行星模型）1926 薛定谔（量子模型

11、） （真正的实体逐渐失去了边界）（经典物理学 1900 年前：牛顿力学，麦克斯韦电磁理论，吉布斯热力学，波尔兹曼统计物理学等组成。1900 年普朗克能量量子化假设的提出，标志着量子理论的诞生。量子力学是自然界的基本规律之一，量子力学的基本原理由薛定谔、海森堡、波恩、狄拉克等人经大量工作总结出来的）2、电子运动的特点与宏观物体运动的区别：（略去所有量子力学理论）a、m 很小（10-31Kg） b、v 很大 107-8m/s c、运动空间极小（1）因此，对于电子的运动，我们无法在一确定的时间确定它的位置，此即海森堡不确定性原理：xph/2。x：位移测不准量，p：动量测不准量，h：普朗克恒量=6.6

12、2610-34Js。不确定性原理（测不准原理）很好地反映了微观粒子的运动特征波粒二象性；根据量子力学理论，对微观粒子的运动对微观粒子的运动规律只能采用统计的方法作出概率性的判断规律只能采用统计的方法作出概率性的判断。 （电子云）（2）玻尔理论简介：（核心概念：定态、基态、激发态、跃迁、能级）由于轨道的能量是量子化即不连续的，而 E=h，因此氢光谱是线状光谱。不连续性是微观世界的重要特征。玻尔理论无法说明氢原子光谱的精细结构；也不能说明多电子原子光谱。（3）波函数和原子轨道：电子的一种运动状态用一定的波函数表示，波函数(n l m) (x,y,z)也可叫做原子轨道，波函数与原子轨道是同义词。波函

13、数与原子轨道是同义词。概率密度|(n l m) (x,y,z)|2，其物理意义为电子在核外空间某处单位体积内出现概率的大小，电子云是概率密度的模糊描述，是从统计的概念出发，对核外电子出现的概率密度做形象化的描述。精确描述：薛定谔方程。宏观物体中的轨道、轨迹，与波函数和原子轨道的意义完全不同。3、核外电子运动状态的描述（1）四个量子数的概念 主量子数 n：取值 1、2、正整数。光谱学中 K L M N O P Q意义：a 决定电子能量高低的主要因素b 描述原子中电子出现概率最大的区域离核的远近。或曰：n 是决定电子层数的 角量子数 l：取值 0、1、2.（n-1）光谱学符号 spdf(g)等，l

14、 取值受 n 的限制。共有 0-（n-1）共 n 个值意义 a 电子绕核运动的角动量由 l 决定b 在多电子原子中电子能量由 n、l 共同决定c 表示原子轨道或电子云的形状：s 球形 p 哑铃形 d 花瓣形 f 更复杂（同层中不同形状的轨道可称为亚层，也叫分层） 磁量子数 m： 取值 0、+1、+2.+l 决定于 l 共 2l+1 个值意义 a 角动量在 z 轴上的分量 Mzb 决定原子轨道在核外空间的取向s：一种取向，p：三种取向或曰简并度为或曰简并度为 3（三种取向的 p 轨道能量相等）等 自旋量子数 ms ：取值 ms=+，只有两个取值21意义：解释原子光谱的精细结构综述：n、l、m 一

15、组三个量子数可决定一个原子轨道，但每个原子中的一个电子的运动状态须用四个量子数 n、l、m、ms来描述，四个量子数确定后，电子在核外空间的运动状态就确定了。（2）核外电子运动状态的图形描述：电子云轮廓图S 电子云：球形，在核外空间半径相同的各个方向上出现的几率相同。1sP 电子云：无柄哑铃形，沿某轴向上电子出现的几率密度最大，在另两轴向上和核附近电子出现的几率密度几乎为零2 pd 电子云：花瓣形原子轨道的角度分布图注意符号与原子轨道的对称性匹配注意符号与原子轨道的对称性匹配（3）影响轨道能量的因素屏蔽效应 引起能及分裂 如：E4s 1.7，发生电子转移，形成离子键； Mg2+Na+ ；Mg2+Ca2+Sr2+Ba2