浙江大学普通化学讲义

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1、首页上一页下一页末页教材：普通化学(第五版)浙江大学普通化学教研组编王明华 徐端钧 周永秋 张殊佳 修订高等教育出版社，北京 出版年：2002年7月1首页上一页下一页末页绪论化学是一门既古老又年轻的科学。化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和国防现代 化，同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。 化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学，主要是研 究物质的分子转变规律的科学。 化学与物理一起属于自然科学的基础学科。研究现状(2000年) 化合物2000万种 时间分辨率：1 fs 空间分辨率：0.1nm 分析所需最小量：10-13 g。2首页上一页下一页末页1 化学的定义与分支学科化学是在

2、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 无机化学：无机物 有机化学：碳氢化合物及衍生物 分析化学：测量和表征 物理化学：所有物质系统 高分子化学：高分子化合物 若干新分支：环境化学、核化学等等定义 ：化学的分支学科3首页上一页下一页末页2 化学的地位和作用v 化学仍是解决食物短缺问题的主要学 科之一 v 化学继续推动材料科学发展v 化学是提高人类生存质量和生存安全 的有效保障v 化学在能源和资源的合理开发和高效 安全利用中起关键作用v 化学是生命科学的重要支柱4首页上一页下一页末页3 学习的目的、内容和要求学习目的 了解当代化学学科的概貌 用化学的观

3、点分析、认识生活和工作中的化学问题学习内容 理论化学：两条“主线” 应用化学： 化合物知识；化学在相关学科中的应用 实验化学学习要求 辨证的思维 发展的眼光 实践的方法5首页上一页下一页末页热化学与能源第1章6首页上一页下一页末页学习要求： 了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验 计算 方法 。 了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律 。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力 学能变的关系。 掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。 了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。7首页上一页下一页末页目录1.1 反应热的测量1.2 反应热的理论计算1.3 常见能源及其有效

4、与清洁利用1.4 清洁能源与可持续发展选读材料 核能. 核燃料和核能的来源. 核电的优势与发展趋势本章小结8首页上一页下一页末页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统 只有能量交换1.1.1 几个基本概念 1 系统与环境图1.1 系统的分类隔离系统 无物质和能量交换9首页上一页下一页末页2 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。根据相的概念，系统可分为： 单相（均匀）系统 多相（不均匀）系统 相与相之间有明确的界面 。思考：1) 101.325kPa，273.15K(

5、0C)下，H2O(l), H2O(g) 和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少。2) CaCO3(s)分解为CaO (s)和CO2(g)并达到平衡的系统中 的相数。10首页上一页下一页末页3 状态与状态函数状态函数 用于表示系统性质的物理量X 称状态函数，如气体的 压力p、体积V、温度T 等。状态就是系统一切性质的总和。有平衡和非平衡 态之分。如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态 。 状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或 全部变化。11首页上一页下一页末页状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数。 当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始、末态有关，而与变化的实际途

6、径无关。图1.2 状态函数的性质以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数 压力p和体积V的变化量与途径无关。系统压力从3p变为p12首页上一页下一页末页广度性质和强度性质状态函数可分为两类： 广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等 。强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力 等。思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强( 热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出什 么结论？推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质 的物理量的商是一个强度性质的物理量。13首页上一页下一页末页4 过程与途径 系统状态

7、发生任何的变化称为过程；可逆过程 体系经过某一过程，由状态变到状态之后， 如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这 样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近 平衡条件下进行的过程。 实现一个过程的具体步骤称途径。思考：过程与途径的区别。 设想如果你要把20 C的水烧开，要完成“水烧开”这个过 程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常压烧 ；也可以在高压锅中加压烧。14首页上一页下一页末页5 化学计量数一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒 关系， 通式为：B 称为B 的化学计量数。符号规定： 反应物： B为负；产物：B为正。附例1.1 应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化

8、学反 应计量方程式：N2 + 3H2 = 2NH3 解：用化学反应通式表示为：0= - N2 - 3H2 + 2NH315首页上一页下一页末页6 反应进度反应进度 的定义：反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关 。nB 为物质B的物质的量，d nB表示微小的变化量。或定 义思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？有关。如对于反应： 0 = N2 3H2 + 2NH3 ，当有1mol NH3生成时，反应进度为0.5mol。若将反应写成则反应进度为1 mol。16首页上一页下一页末页1.1.2 反应热的测量反应热指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。 热化学规定：系统放热为负

9、，系统吸热为正。 摩尔反应热指当反应进度为1 mol时系统放出或吸 收的热量。思考：反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者的反应 条件是恒容，后者的反应条件是恒压。用弹式量热计测量的 反应热是定容反应热还是定压反应热？答：定容反应热（等容）反应热可在弹式量热计中精确地测量。测量反应热 是热化学的重要研究内容。17首页上一页下一页末页1 反应热的实验测量方法设有n mol物质完全反应，所 放出的热量使弹式量热计与 恒温水浴的温度从T1上升到 T2，弹式量热计与恒温水浴 的热容为Cs(JK-1)， 比热容 为cs(JK-1kg-1 )，则：由于完全反应， = n 因此摩尔反应热：图1.3 弹式量

10、热计18首页上一页下一页末页示例 例1.1 联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知 ：解：燃烧0.5g联氨放热为19首页上一页下一页末页2 热化学方程式 表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方 程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相 应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如： 标明反应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态；书写热化学方程式时应注意：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)； 2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； 若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。20首页上一页下

11、一页末页 反应热与反应式的化学计量数有关； 一般标注的是等压热效应qp。思考：qp与qv相同吗？。不相同21首页上一页下一页末页1.2 反应热的理论计算 并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应 ：2C(s) + O2(g) = 2CO(g)思考：为什么上述反应的反应热无法实验测定？实验过程中无法控制生成产物完全是CO。因此，只能用理论方法来计算反应热。22首页上一页下一页末页1.2.1 热力学第一定律封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸 收热q，从环境得功w，则系统内能的增加U (U2 U1)为： U = q + w热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力 学中的的应用。其中，内能现称

12、为热力学能。23首页上一页下一页末页1 热力学能系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平 动、转动、振动以及电子运动和核运动。思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在 10000m高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上。 两者的内能相同吗？ 相同。内能的特征： 状态函数 无绝对数值 广度性质由于分子内部运动的相互作用十分复杂，因此目前尚无法 测定内能的绝对数值。24首页上一页下一页末页2 热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。热的符号规定：系统吸热为正，系统放热为负。热量q不是状态函数25首页上一页下一页末页3 功与体积功在物理或化学变化

13、的过程中，系统与环境除热以 外的方式交换的能量都称为功。功的符号规定： （注意功符号的规定尚不统一） 系统得功为正，系统作功为负。 由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体 积功w体。所有其它的功统称为非体积功w 。功w也不是状态函数思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2) 钢瓶中；将理 想气体的温度提高20C时，是否做了体积功？1)做体积功，2)未做体积功。w= w体+ w 26首页上一页下一页末页思考：水能变油吗？热无序能；功有序能；能的品位不同。一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q ，得功 w，变到状态2,热力学能U2，则有：U1U2q 0w 0U = q +w27首页上一

14、页下一页末页4 体积功w体的计算等外压过程中，体积功 w体= p 外(V2 V1) = p外V pp外 = F / Alp外 = F / A，l = V / A2， 因此，体积功 w体= F l = (p外 A) (V/A)= p外 V 图1.4 体积功示意图28首页上一页下一页末页5 理想气体的体积功理想气体的定义：气体分子不占有体积，气体分子之间的作用力为 0的气态系统被称为理想气体。 理想气体的状态方程：附例1.2 1 mol理想气体从始态100kPa, 22.4dm3经等温恒外 压p2 = 50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。解：终态平衡时的体积为：负值表示系统对外做功。29首页上一

15、页下一页末页6.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。30首页上一页下一页末页波谱分析概要*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

16、据波谱强度可进行 定量分析。图1.13 500 MHz核磁共振波谱仪31首页上一页下一页末页1. 2. 2 化学反应的反应热与焓通常把反应物和生成物具有相同温度时，系统吸收或 放出的热量叫做反应热。 根据反应条件的不同，反应热又可分为： 定容反应热恒容过程，体积功w体 = 0，不做非体积功 w =0时，所以 ， w= w体+ w =0 ，qV = U 定压反应热 恒压过程，不做非体积功时， w体= p(V2V1)，所以 qp = U + p(V2V1) 思考：这两个公式有什么用处？可以利用这两个公式计算反应热。32首页上一页下一页末页1 焓 qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p