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1、工科大学化学配套课件目录绪论绪论第一章第一章物质的聚集状态与环境保护物质的聚集状态与环境保护第二章第二章化学反应的能量与方向化学反应的能量与方向第三章第三章化学平衡和反应速率化学平衡和反应速率第四章第四章水溶液中的化学平衡水溶液中的化学平衡第五章第五章物质结构基础物质结构基础第六章第六章氧化还原反应与电化学基础氧化还原反应与电化学基础第七章第七章化学与工程材料化学与工程材料第八章第八章化学安全知识与意外防护化学安全知识与意外防护工科大学化学绪论化学的研究对象及作用1化学的学科分支2化学的学科特点3化学学科的发展趋势4目录“工科大学化学”的学习内容50.1化学的研究对象及其作用化学是研究物质组成
2、、结构、性质和变化规律的科学,是自然科学领域的重要基础学科。化学研究原子、离子、分子和超分子,其中最低物质层次是原子。超分子是分子借助分子间的弱相互作用力,通过自组装构成的具有高级结构的聚集体。化学是一门在原子、分子和超分子层次研究物质组成、结构、性质和变化规律的科学。0.1化学的研究对象及其作用化学是人类文明的基石,是人类认识世界、改造世界的重要方法和工具,与人类的衣食住行、社会发展、科技进步息息相关。化学是化学是人类的无尽财富,引导着发现与创造,是最具有创新性的学科之一,是现代科学技术发展的重要基础。化学是不断发明和制造对人类更有用的新物质的科学,化学带来重大的发明与创造,支撑了人类社会的
3、可持续发展,引领了科学与技术进步。0.2化学的学科分支无机化学分析化学有机化学研究无机化合物性质、组成、结构和变化规律的分支学科。20世纪以来,无机化学有了更加蓬勃的发展,航天航空、石油能源、信息科学等领域的进步,推动了无机化学与这些领域的交叉融合,出现了无机材料化学、生物无机化学、固体无机化学、无机金属化学等新兴学科。研究物质组成、结构的分析方法及其理论的分支学科,是化学研究的重要支撑。分析化学根据研究方法和手段不同,可分为化学分析和仪器分析。近年来,随着新方法和新技术的逐步引入,分析化学学科也逐步细分出多个分支学科,如光谱分析、热谱分析、电化学分析、色谱分析和质谱分析等。研究碳氢化合物及其
4、衍生物组成、结构、性质、合成及其应用的分支学科。有机化学的结构理论和分类形成于19世纪下半叶。随着有机化学研究的不断深入,该学科与其他新兴学科交叉融合,又逐步诞生出新的学科分支,如天然有机化学、物理有机化学、金属有机化学等,使有机化学显现出强大的生命力。ABCD物理化学用物理学的原理和实验手段研究化学变化基本规律的分支学科。1887年,范特霍夫创办了物理化学杂志,标志着物理化学学科分支的形成。物理化学发展到今天,已逐渐形成了多个分支,如结构化学、化学热力学、化学动力学、催化化学、胶体与界面化学、光化学、磁化学和结晶化学等。0.3化学学科的特点化学是一门理论和实践相结合的学科,遵循从实践中来、到
5、实践中去、从个体到全面等原则,经历着对局部事实归纳和分类,提出规律、概念和假设,再对假设进行验证的过程。化学起源于实验又依赖于实验,是一门以实验为基础的自然科学。人们通过实验不断认识物质的化学性质,揭示化学反应规律,检验化学原理。0.3化学学科的特点化学理论研究对于化学探索具有重要的指导意义。在化学的发展历史中,每一次化学理论的突破都会促进化学学科的迅猛发展。20世纪末,计算机技术的快速发展,使利用量子学理论进行分子模拟和分子设计的研究崭露头角。总之,化学是理论与实践紧密联系、共同发展的学科,在学习化学理论的同时,应重视实验技能的培养,促进化学学科的全面发展0.4化学学科的发展趋势化学自诞生以
6、来,为人类文明的发展和进步起到了巨大的推动作用。进入21世纪,化学将面临全新的挑战和任务。1)解决人类关切的能源、资源、环境、健康等重大实际问题。2)进一步与各学科交叉融合,拓展学科生长点。3)全面深入开展超分子、介观领域、多尺度问题等方面的研究。化学的发展将为人类社会创造出一个个奇迹!0.5“工科大学化学”的学习内容大学化学是化学学科的导论课程,主要介绍化学的基础知识、基本原理和研究方法。工科大学化学将结合工程实践需要,介绍诸如物质的聚集状态与环境保护、化学反应的能量与方向、化学平衡和反应速率、水溶液中的化学平衡等内容。使学生掌握近代化学基本理论、基础知识及技能在工程实践中的基本应用,提高其
7、发现问题、分析问题和解决问题的能力,为后续学习和工作奠定一定的化学基础。工科大学化学1.物质的聚集状态与环境保护气体1溶液2固体3目录环境保护与可持续性发展4气体1.11.1.1理想气体理想气体物质在自然界中的存在形式是多样的。在一定温度和压强下,物质所处的相对稳定的状态称为聚集状态,包括气态、液态、固态、等离子体态等,其中气体是一种最简单的聚集状态。指气体分子为没有体积的质点,分子之间没有相互作用力,分子之间的碰撞及分子与容器器壁间碰撞没有能量损失的气体。实际上,理想气体是不存在的。高温、低压条件下,气体可近似看作是理想气体。pV=nRT （1-1）式(1-1)为理想气体状态方程。1.1.2
8、气体分压定律实际生产过程中,经常遇到的是气体混合物。混合气体中各组分气体的含量,可以用其分压来表示。在混合气体中,某组分气体B对周围环境施加的压强pB称为该组分气体B的分压,即气体B对总压的贡献。分压等于相同温度下,组分气体单独占有与混合气体相同体积时具有的压强。混合气体的总压等于各组分气体的分压之和,这种关系称为道尔顿分压定律。（nB/n）是组分气体B的物质的量分数（摩尔分数），可用yB表示，1.1.3大气污染与防治1.大气污染的形成大气污染的形成，有自然原因和人为原因。目前，世界各地的大气污染主要是人为原因。形成大气污染的主要因素：污染源、大气状态和受体。大气污染分为三个过程为：污染物排放
9、、大气运动的作用、相对受体的影响。因此，大气污染的程度与污染物的性质、污染源的排放、气象条件和地理条件等有关。1.1.3大气污染与防治2.大气污染的来源(1)工业污染源工业污染源包括燃料燃烧排放的污染物,生产过程中的排气及生产过程中排放的矿物和金属粉尘。(2)生活污染源这种污染源主要为家庭炉灶排气,是一类排放量大、分布广、危害性不容忽视的空气污染源。(3)汽车尾气汽车尾气污染指由汽车排放的废气造成的环境污染,主要污染物为碳氢化合物、氮氧化物、一氧化碳等,可以引起光化学烟雾。1.1.3大气污染与防治3.大气污染物（1）颗粒物颗粒物指除气体之外,包含于大气中的物质,包括各种固体、液体和气溶其中有固
10、体的灰尘、烟雾以及液体的云雾和雾滴,其粒径范围主要在2000.1m之间。（2）硫氧化物硫常以SO2、H2S的形态进入大气,也有以亚硫酸及硫酸(盐)微粒的式进入大气。（3）碳氧化物碳氧化物主要是CO和CO2。CO主要由含碳物质不完全燃烧产生。（4）氮氧化物氮氧化物是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4等的总称,统写为NOx。其中造成大气污染的主要是NO和NO2。1.1.3大气污染与防治4.大气污染的治理方法根据大气污染物的存在状态不同,大气污染的治理方法可分为：(1)颗粒污染物常采用除尘法来治理。除尘方法和设备的种类很多,选择适合的除尘方法和设备,除需考虑当地大气环境质量、尘的环境容许标准、
11、排放标准、设备的除尘效率及有关经济技术指标外,还必须了解尘的特性,如粒径、粒度分布、形状、密度、黏性等。(2)气态污染物主要有吸收、吸附、催化、燃烧、膜分离等治理方法。吸收分为物理吸收和化学吸收，大多采用化学吸收。溶液1.21.2.1溶液浓度的表示方法1.质量分数混合物中,组分B的质量mB与混合物总质量 m总之比,用wB表示,单位为1。混合物中，组分B的物质的量nB与混合物总的物质的量n总之比，即为组分B的摩尔分数，又称物质的量分数，用xB表示，单位为1。2.摩尔分数1.2.1溶液浓度的表示方法3.质量摩尔浓度在溶液中，溶质B的物质的量nB除以溶剂A的质量mA，即为溶质B的质量摩尔浓度，用bB
12、表示，单位为molkg-1。在溶液中，物质B的物质的量nB除以溶液的体积V，即为物质B的摩尔浓度，用cB表示，单位为molL-1。4.摩尔浓度1.2.2稀溶液的依数性1.液体的蒸气压下降一定温度下,置于密闭容器中的液体(如水)存在液体的汽化和气体的凝结两个过程。例如当气体凝结速率=液体汽化速率时,液体与其蒸气处于平衡状态，此状态下的蒸气称为饱和蒸气,饱和蒸气所具有的压力称为该液体的饱和蒸气压,简称蒸气压。液体的蒸气压是液体的重要性质。一般纯液体的蒸气压随温度的升高而增大；液体的蒸气压越大越易挥发。（1）溶液的蒸气压1.2.2稀溶液的依数性（2）蒸气压下降实验发现一定温度下,在纯溶剂(如水)中加
13、入少量难挥发非电解质(如糖、甘油等),所形成稀溶液的蒸气压总是低于纯溶剂的蒸气压，这种现象称为蒸气压下降。式中：式中：xB-溶质溶质B的摩尔分数，的摩尔分数，xA-纯溶剂纯溶剂A的摩尔分数的摩尔分数 p*-纯溶剂的蒸汽压纯溶剂的蒸汽压1.2.2稀溶液的依数性2.溶液的沸点上升和凝固点下降当液体的蒸气压等于外压时,液体就会沸腾,此时的温度称为液体的沸点,用Tb表示。液体的沸点随外压的升高而增大,标准大气压下H2O的沸点称为正常沸点,通常所说液体的沸点指正常沸点。液体的正常凝固点指在101kPa外压下,该物质的液相与固相达到平衡时的温度。即:凝固点是液相与固相蒸气压相等时的温度,用Tf表示。（1）
14、液体的沸点与凝固点1.2.2稀溶液的依数性（2）液体的沸点上升随着温度的升高,固态纯溶剂、液态纯溶剂和溶液饱和蒸气压都升高,同一温度下,溶液的饱和蒸气压纯溶剂的饱和蒸气压。当溶液的温度达到纯溶剂的沸点Tb时,溶液的蒸气压仍低于外压,溶液不沸腾,必须提高温度,直至溶液的蒸气压等于外压时,溶液才能沸腾。Kb 称为沸点升高系数，单位为K mol 1 kg1.2.2稀溶液的依数性（3）液体的凝固点下降一定压强下,对于难挥发非电解质稀溶液,当达到纯溶剂的凝固点Tf时,溶液的蒸气压仍小于纯溶剂的蒸气压,溶液不会凝固,只有继续降低温度,达到Tf时,固体纯溶剂蒸气压才等于溶液的蒸气压,溶液才能凝固。由此可见,
15、凝固点降低依然和溶液的蒸气压下降相关。Kf 称为沸点升高系数，单位为K mol 1 kg1.2.2稀溶液的依数性3.渗透压容器中,左边为溶剂(如纯水),右边为溶液(如糖水),中间用半透膜隔开。开始时两端液面高度相等,随着渗透进行,右端水柱逐渐增高,渗透达到平衡。在一定温度下,为了阻止渗透作用的进行,必须向溶液施加的最小压力称为渗透压,用符号表示。1.2.2稀溶液的依数性难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降和产生渗透压,都与溶液B中所含溶质的数量有关,与其种类和本性无关,称为溶液的依数性,也称为稀溶液通性或稀释定律。1.2.3水资源保护水污染分为自然污染和人为污染两大类,以后者
16、为主。水污染也可根据污染物种类、性质分为物理性污染(如热、放射性物质)、化学性污染(如无机物、有机物)、生物性污染(如细菌蚊霉素)。有毒物质对水体的危害性非常大,例如重金属汞、镉、铅、铬、砷等,只需少量便可污染大片水体。部分重金属可在微生物作用下转化为金属有机化合物,产生更大的毒性,并通过食物链积累,进入人体,使蛋白质、酶失去活性,导致中毒。1.水污染（1）重金属污染1.2.3水资源保护自农药问世并大量使用后,有毒合成有机物成为水体污染的主要来源,主要有滴滴涕(DDT)、六六六、多氯联苯(PCB)等。这些物质性质稳定、难降解、对水体危害大、危及面广。曾经有人在生长于南极的企鹅体内测出DDT,在生长于北冰洋的鲸鱼中测出PCB（2）有机物污染1.2.3水资源保护污水中碳、氮、磷等植物生长所必需的营养物质过剩,使得藻类、浮游生物迅速繁殖,不但大量消耗掉水中的氧,而且遮挡阳光,导致水中的鱼类和其他生物大量死亡、腐烂,水质恶化,这种现象称为水体富营养化。富营养化污染发生于海洋,将使海洋中的浮游生物暴发性增殖、聚集而引起水体变色,称为赤潮。富营养化污染发生于淡水,将引起蓝藻、绿藻、硅藻等藻类迅速生
