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1、海洋海洋化学化学材料材料生命生命航天航天资源资源信息信息环保环保无无机机化化学学有有机机化化学学分分析析化化学学物物理理化化学学高高分分子子化化学学化化学学物物理理无机化学选用教材选用教材无机化学无机化学第第四四版，天津大学主编，高教出版社版，天津大学主编，高教出版社主要参考书主要参考书无机化学无机化学大连理工大学主编，高教出版社大连理工大学主编，高教出版社大学化学原理及应用大学化学原理及应用樊行雪等主编，樊行雪等主编，化学工业出版社化学工业出版社无机化学主要内容无机化学主要内容vv化学反应基本原理化学反应基本原理化学反应基本原理化学反应基本原理 化学反应中的能量关系，化学反应方向、速率和限度
2、，化学反应中的能量关系，化学反应方向、速率和限度，溶液中的离子平衡、氧化还原反应。溶液中的离子平衡、氧化还原反应。vv结构化学基础结构化学基础结构化学基础结构化学基础 原子结构、分子结构、晶体结构、配合物结构。原子结构、分子结构、晶体结构、配合物结构。vv元素化学元素化学元素化学元素化学 稀有气体、卤素、氧族元素、氮族元素、碳族与硼族元稀有气体、卤素、氧族元素、氮族元素、碳族与硼族元素、碱金属与碱土金属、过渡元素、镧系和锕系元素。素、碱金属与碱土金属、过渡元素、镧系和锕系元素。 1. 初初步步掌掌握握化化学学热热力力学学、化化学学平平衡衡、基基础础电电化化学学、近代物质结构、元素周期律等基本原
3、理。近代物质结构、元素周期律等基本原理。 2. 运用基本原理去掌握有关无机化学中元素和化合运用基本原理去掌握有关无机化学中元素和化合物的基本知识，并具有对一般无机化学问题进行理论物的基本知识，并具有对一般无机化学问题进行理论分析和计算的能力。分析和计算的能力。 3. 为今后学习后继课程及新理论、新实验打下必要为今后学习后继课程及新理论、新实验打下必要的无机化学基础。的无机化学基础。学学习习无无机机化化学学目目的的第第1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系1.2 化学中的计量化学中的计量1.4 化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系1.3 化学反应中的质量关系化学
4、反应中的质量关系1.1 物质的聚集态和层次物质的聚集态和层次物质的聚集态物质的聚集态?三态？四态？五态？六态？三态？四态？五态？六态？气态、液态、固态、等离子态气态、液态、固态、等离子态物质的层次物质的层次?宇观、宏观、介观、微观宇观、宏观、介观、微观物质的聚集态和层次物质的聚集态和层次物质的聚集态和层次物质的聚集态和层次1.2.1 相对原子质量和相对分子质量相对原子质量和相对分子质量 相对原子质量（相对原子质量（Ar）元素的平均原子质量与核素元素的平均原子质量与核素12C原子质量的原子质量的1/12之比。之比。ArAr相对分子质量（相对分子质量（Mr） 物质的分子或特定单元的平均质量与核素物
5、质的分子或特定单元的平均质量与核素12C原子质量原子质量的的1/12之比。之比。Mr(H2Mr化学中的计量化学中的计量1.2.2 物质的量及其单位物质的量及其单位 物质的量物质的量 (n / mol) 用于计量指定的微观基本单元（如用于计量指定的微观基本单元（如分子、原子、离子、电子等微观粒子或其特定组合）的分子、原子、离子、电子等微观粒子或其特定组合）的一个物理量。一个物理量。 1 mol NA个微观基本单元个微观基本单元0.012 kg 12C所含的碳原子数目所含的碳原子数目阿伏加德罗常数阿伏加德罗常数(NA 1023)在使用摩尔单位时，一定要指明基本单元在使用摩尔单位时，一定要指明基本单
6、元 摩尔分数摩尔分数（无量纲）（无量纲） 混合物中，混合物中，B的物质的量的物质的量(nB)与混合物与混合物的物质的量的物质的量(n)之比。之比。例如例如，在含有在含有1 mol O2和和 4 mol N2的混合物中：的混合物中：x(O2) = 1 mol / (1+4) mol = 1/5x(N2) = 4 mol / (1+4) mol = 4/5注注意意化学中的计量化学中的计量1.2.3 摩尔质量和摩尔体积摩尔质量和摩尔体积1.摩尔质量摩尔质量(M / kgmol1或或gmol1)某物质的质量（某物质的质量（m）除以该物质的物质的量（）除以该物质的物质的量（n）M = m / n2.摩尔
7、体积摩尔体积 (Vm / Lmol1) 某气体物质的体积（某气体物质的体积（V）除以该气体物质的量（）除以该气体物质的量（n）Vm = V / n在标准状况在标准状况 (273.15 K及及101.325 kPa )下，下，任何理想气体的摩尔体积为任何理想气体的摩尔体积为Vm = 0.022414 m3mol1 = 22.414 Lmol1 22.4 Lmol1化学中的计量化学中的计量1.2.4 物质的量浓度物质的量浓度物质的量浓度物质的量浓度(cB / mol L1) 混合物中某物质混合物中某物质B的物质的量的物质的量(nB)除以混合物的体积除以混合物的体积cB = nB/V例：例：160.
8、00 g NaOH (s)溶于少量水中，再将所得溶液稀释溶于少量水中，再将所得溶液稀释 至至2.0 L，试计算该溶液物质的量浓度。，试计算该溶液物质的量浓度。MrM(NaOH) = 40.00 g mol1解：解：M(NaOH)n(NaOH) =m(NaOH)=160.00 g40.00 g mol1= 4.00 mol4.00 molVc(NaOH) = n(NaOH)=2.0 L = 2.0 mol L1化学中的计量化学中的计量1.2.5 气体的计量气体的计量pV = nRTp 气体的压力，气体的压力，Pa; V 气体的体积，气体的体积，m3n 气体的物质的量，气体的物质的量，molT 气
9、体的热力学温度，气体的热力学温度，KR 摩尔气体常数摩尔气体常数。 1.1.理想气体状态方程理想气体状态方程R =pVnT=101.325103 Pa22.414103m31 mol273.15 K= 8.314 Pa m3 mol1 K1= 8.314 J mol1 K1 适用条件：气体压力不太高、温度不太低适用条件：气体压力不太高、温度不太低, ,分子间的距离大，分子间的距离大， 分子本身的体积和分子间的作用力均可忽略。分子本身的体积和分子间的作用力均可忽略。化学中的计量化学中的计量2. 理想气体分压定律理想气体分压定律 道尔顿分压定律：道尔顿分压定律： 混合气体的总压力等于各组分气体的分
10、压力之和，即混合气体的总压力等于各组分气体的分压力之和，即 气体气体B和混合气体的物质的量分别为和混合气体的物质的量分别为nB和和n ，则，则:p = pB pV = nRTpB = nB(RT/V) p = n(RT/V) pB/p = nB/n 或或 混混合合气气体体中中任任一一组组分分的的分分压压pi等等于于该该气气体体的的物物质质的的量量分分数数与总压之积。与总压之积。 分压定律的中一种表示式分压定律的中一种表示式 pB= (nB/n)p化学中的计量化学中的计量1.3.1 应用化学反应应用化学反应 方程式的计算方程式的计算 例例 氯碱工业用电解法制取氯气，若每投入氯碱工业用电解法制取氯
11、气，若每投入9.0 102 kg NaCl，制得，制得的氯气在标准状况下只有的氯气在标准状况下只有150 m3，试计算其产率。，试计算其产率。解解： 2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 + Cl22.0 mol22.4 103 m3n(NaCl)xn(NaCl) =m(NaCl)M(NaCl)=9.0 102 103 g(22.99 + 35.45) g mol1= 1.5 104 mol=2.0 mol =1.5 104 mol 22.4 103 m3x1.7 102 m3产率产率=实际产量实际产量理论产量理论产量 100% =150 m31.7 102 m3 100% = 88
12、%利用化学反利用化学反应方程式应方程式反应物量反应物量产量产量产量产量反应物量反应物量化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系1.3.2 化学计量数与反应进度化学计量数与反应进度1. 化学计量数（化学计量数（ / 无量纲）无量纲）cC + dD = yY + zZ0 = cC dD + yY + zZ 令令 c C，d D ，y Y ，z Z 则则 0 = C C + D D + Y Y + Z Z化学计量数通式：化学计量数通式： B 反应中的分子、原子或离子反应中的分子、原子或离子 B 化学化学计量数，整数或简分数计量数，整数或简分数例如例如 N2 + 3H2 2NH3 0 = N2 3H2
13、 + 2NH3 = (N2 )N2 + (H2)H2 + (NH3 )NH3 (N2 )= 1 (H2)= 3 (NH3 )=2化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系2. 反应进度反应进度( / mol)表示化学反应进行的程度的量表示化学反应进行的程度的量2 CO (g) + O2 (g) = 2 CO2 (g) 各物质的量的变化为各物质的量的变化为 nCO2 = 2 n / mol， nCO = 2 n / mol， nO2 = n / mol 参与反应各物质的量参与反应各物质的量变化变化与相应的与相应的化学计量数化学计量数之比之比必然相等必然相等令令 nB / B = 或或 dnB /
14、B = d 当当 = 0 时，表示没有反应发生。时，表示没有反应发生。当当 = 1 mol 时时，表示反应按计量方程自左向右进行。表示反应按计量方程自左向右进行。化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系如如 N2 + 3H2 2NH3 反应开始之前，反应物足够多，产物为反应开始之前，反应物足够多，产物为0 (N2 ) = 1, (H2) = 3, (NH3 ) = 2 根据根据 = nB/ B同一方程式，同一方程式， 值与选用何种物质的值与选用何种物质的 n进行计算无关；进行计算无关；同一方程式写法不同，相同同一方程式写法不同，相同 值时对应各物质的值时对应各物质的 n不同。不同。 n(N2
15、)/ mol n(H2)/ mol n(NH3 )/ mol / mol00001/23/211/213212642当当 = 1mol 时：时：化学反应方程式化学反应方程式 n(N2 )/mol n(H2)/mol n(NH3 )/mol1/2N2 + 3/2H2 NH3 1/2 3/21N2 + 3H2 2NH3 1 32化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系(kg)(m)(s)(K)(mol)(A)(cd)SI制：制：质量质量m长度长度l时间时间t温度温度T物质的量物质的量n电流强度电流强度I发光强度发光强度化学量纲：化学量纲：摩尔质量摩尔质量M摩尔体积摩尔体积Vm物质的量浓度物质的量浓
16、度cB化学计量数化学计量数B反应进度反应进度 计算时，单位一定要统一计算时，单位一定要统一(gmol 1)(Lmol 1)(molL 1)理想气体状态方程：理想气体状态方程：(无量纲无量纲)(mol)回顾回顾1.4.1 基本概念和术语基本概念和术语1. 1. 1. 1. 体系与环境体系与环境体系与环境体系与环境体系体系: 被研究的对象被研究的对象环境环境: 与体系相联系的客观物质世界与体系相联系的客观物质世界体体系系与与环环境境间间可可以以有有具具体体的的界面，也可以是假想的界面界面，也可以是假想的界面化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系敞开体系敞开体系敞开体系敞开体系封闭体系封闭体系封闭
17、体系封闭体系孤立体系孤立体系孤立体系孤立体系 能量交换能量交换 物质交换物质交换v状态状态(state): :体系宏观性质的综合表现。体系宏观性质的综合表现。v状态函数状态函数(state function): 描述体系状态的物理量描述体系状态的物理量， 如：如：n, ,V, T, ,p, , 等。等。状态一定，状态函数一定状态一定，状态函数一定状态变化，状态函数也随之而变状态变化，状态函数也随之而变状态函数的变化值只与始态、终态有关状态函数的变化值只与始态、终态有关, , 与变化与变化途径途径无关无关例如：例如：1mol p1=101325 PaT1 = 273 K V1 = 22.4 L1
18、mol p2= 1013250 PaT2= 546 K V2= 4.48 L V = V2 V1= (4.48 22.4) L= 17.9 L T = T2 T1= (546 273) K = 273 K p = p2 p1= (1013250 101325) Pa = 911925 Pa2. 2. 状态和状态函数状态和状态函数状态和状态函数状态和状态函数特征特征化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系vv功功功功(work)(work)：体系体系与环境之间与环境之间除热之外除热之外以其它形式传递的能量以其它形式传递的能量以以W表示表示非体积功：非体积功：非体积功：非体积功：除体积功之外的功，
19、除体积功之外的功，如电功等。如电功等。vv热热热热(heat)(heat)：体系与环境间因温差而体系与环境间因温差而传递的传递的能量能量以以Q表示表示规定：规定：体系体系吸热吸热 Q 0 体系放热体系放热 Q 0 体系失功体系失功 W 0 反应为吸热反应反应为吸热反应 H 0 反应为放热反应反应为放热反应Qp = U + p V = U2U1 + pV2pV1 = (U2 + pV2) (U1 + pV1) 焓变焓变 H具有能量单位，以具有能量单位，以kJmol1表示表示反反应应焓焓变变( (H / kJmol1) )状态状态函数函数?化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系热化学方程式：热化
20、学方程式：表示化学反应与热效应关系的方程式。表示化学反应与热效应关系的方程式。 注明反应条件（温度、压力）注明反应条件（温度、压力） 标明聚集态标明聚集态 Qp具有容量性质具有容量性质( (可加减可加减) ) 正逆正逆反应的反应的Qp绝对值相同，符号相反绝对值相同，符号相反 热量变化的正确写法热量变化的正确写法Qp rHm = 241.82 kJmol 1 rHm摩尔反应焓变摩尔反应焓变2. 热化学方程式热化学方程式H2 (g) + O2 (g) H2O (g)12298.15K100 kPa说说明明化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系赫赫斯斯定定律律（G.H.Hess Law)：一一定定
21、的的化化学学反反应应，无无论论是是一一步步完成，还是分几步完成，它们的热效应总是相同的。完成，还是分几步完成，它们的热效应总是相同的。应应用用赫赫斯斯定定律律不不仅仅可可计计算算某某些些恒恒压压反反应应热热，还还可可计计算算难难以以或或无法用实验测定的反应热。无法用实验测定的反应热。3. 赫斯定律赫斯定律其其实实质质是是反反应应的的热热效效应应只只与与反反应应的的始始态态与与终终态态有有关关，而而与与变变化的途径无关。化的途径无关。例例 计算计算298.15 K和标准状态下，和标准状态下，C(石墨石墨) + O2(g) = CO (g)的热效应的热效应Qp。已知：已知：(1) C(石墨石墨)
22、+ O2(g) = CO2 (g) Qp,1= 393.5 kJmol1 (2) CO(g) + O2(g) = CO2 (g) Qp,2= 283.0 kJmol 112化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系解解:Qp,2QpQp,1Qp,1 = Qp + Qp,2Qp = Qp,1 Qp,2= 393.5 kJ mol1 (283.0 kJ mol1)= 110.5 kJ mol1 说明石墨不完全燃烧生成说明石墨不完全燃烧生成CO(g)所放出的热量只有石墨所放出的热量只有石墨完全燃烧生成完全燃烧生成CO2(g)所放出热量的所放出热量的1/4。CO(g)CO2(g)C(石墨石墨) + O2
23、(g)12+ O2(g)12+ O2(g)12化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系解解解解: :(3) 2 (1) 2 (2) 2 即为所求反应式的热效应即为所求反应式的热效应Q = 2Qp,3 2Qp,2 2Qp,1= 2 (20.60 kJmol 1) 2 (285.83 kJmol 1) 2 (32.64 kJmol 1)= 595.74 kJmol 1该反应为吸热反应该反应为吸热反应例例例例 求下列反应的热效应求下列反应的热效应2Ag2S(s) + 2H2O(l) = 4Ag(s) + 2H2S(g) + O2(g)已知已知： (1) 2Ag(s) + S(s) = Ag2S(s)
24、 Qp,1= 32.64 kJmol 1 (2) H2(g) + O2(g) = H2O(l) Qp,2= 285.83 kJmol 1 (3) H2(g) + S(s) = H2S(g) Qp,3= 20.60 kJmol 112化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系 标标准准条条件件：气气体体混混合合物物中中，各各气气态态物物质质分分压压均均为为p，溶溶液液中中溶质浓度（有效浓度或溶质浓度（有效浓度或活度活度）均为）均为c 。物质物质标准态标准态气体气体标准压力标准压力(p = 100 kPa)下纯气体的状态下纯气体的状态液体、固体液体、固体标准压力标准压力(p = 100 kPa)下最
25、稳定的下最稳定的纯液体、纯固体的状态纯液体、纯固体的状态溶液中的溶质溶液中的溶质标准压力标准压力(p)下质量摩尔浓度为下质量摩尔浓度为1 molkg1 (近似为近似为1 molL1) 1. 标准态标准态处于标准条件下的物质，称为处于标准态下。符号处于标准条件下的物质，称为处于标准态下。符号 “”1.4.3 应用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变应用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变T?切记切记: 对给定物质的标准态对给定物质的标准态, 仅温度未作限定仅温度未作限定, 所有所有标准热力标准热力学数据都仅是温度的函数学数据都仅是温度的函数! (可查可查数据以数据以298.15K 下下为多为多)化学
26、反应中的能量关系化学反应中的能量关系标标准准摩摩尔尔生生成成焓焓：在在恒恒定定的的温温度度和和标标准准态态下下，由由最最稳稳定定的单质生成单位物质的量的纯物质的焓变的单质生成单位物质的量的纯物质的焓变 / kJmol1 f formationm fH又如又如 C(石墨石墨, s) + O2(g) = CO(g)通常使用通常使用298.15 K的标准摩尔生成焓数据的标准摩尔生成焓数据2. 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓(H2O, l ) = 285.83 kJmol 1m fH如如 H2 (g) + O2 (g) H2O (l)12(CO, g) = 110.54 kJmol1 m fH 0 由最
27、稳定单质生成该化合物时由最稳定单质生成该化合物时吸收吸收热量热量 = 0 处于标准态最稳定的单质处于标准态最稳定的单质 m fHm fHm fH化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系Na2O 比比 Ag2O的热稳定性要好的热稳定性要好对稳定性不同的同素异形体对稳定性不同的同素异形体热力学选石墨为热力学选石墨为C的基准物的基准物C(金刚石金刚石) C(石墨石墨) = 1.897 kJmol 1m fH根根据据 值值可可判判断断同同类类型型化化合合物物的的相相对对稳稳定定性性，代数值越小，化合物越稳定代数值越小，化合物越稳定m fH例如：例如： Na2O Ag2O / kJmol 1 414.2
28、 31.0稳定性稳定性 加热不分解加热不分解 537 K以上分以上分解解m fH化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系cC + dD = yY + zZ i 物质物质i的化学计量数的化学计量数3. 标准摩尔反应焓变的计算标准摩尔反应焓变的计算标准摩尔反应焓变：标准摩尔反应焓变：标准态下，反应或过程的摩尔焓变标准态下，反应或过程的摩尔焓变 / kJmol 1 r reactionm rH = i (生成物生成物) + i (反应物反应物)m rHm fHm fH y (Y) + z (Z) c (C) + d (D)m rHm fHm fHm fHm fH1. 注意生成物、反应物各组份的注意生
29、成物、反应物各组份的聚集状态聚集状态2. 不要遗漏化学反应方程式中各组份的化学计量数不要遗漏化学反应方程式中各组份的化学计量数3. 化学反应的焓变与化学化学反应的焓变与化学反应方程式有关反应方程式有关说明：说明：化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系= 65.21 kJmol 1 解：解：解：解：+CaO(S) + H2O(l)Ca(OH)2(s)m rHm3 fH + + = m1 fHm2 fHm rHm3 fH = ( + )m rHm3 fHm1 fHm2 fH = (CaO, s) = 635.13 kJmol 1m1 fHm fH = (H2O, l) = 285.83 kJmo
30、l 1m2 fHm fH = (Ca(OH)2, s) = 986.17 kJmol 1 m fHm3 fH = (Ca(OH)2, s) (CaO, s) + (H2O, 1) m rHm fHm fHm fH例例例例 已知恒压反应已知恒压反应: CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(s)计算此反应的标准摩尔反应焓变。计算此反应的标准摩尔反应焓变。m1 fHCa(s) + O2(g)12m2 fHH2(g) + O2(g)12化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系例例 计算铝粉和三氧化二铁反应的计算铝粉和三氧化二铁反应的 (298.15K) 已知：已知： / kJ mol 1 0
31、 824.2 1675.7 0解：解： = i (生成物生成物) + i (反应物反应物)m rHm fHm fHm rHm rH = (Al2O3) + 2 (Fe) 2 (Al) (Fe2O3) = 11675.7 + 20 20 ( 824.2)kJ mol 1 = 851.5 kJ mol 1 m rHm fHm fHm fHm fH 0, 放热反应放热反应m rH化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系由键焓估算反应热由键焓估算反应热 例例 求求298.15 K和标准态下，和标准态下，H2(g) + F2(g) = 2HF(g) 的的 。解：解： H = i Hb(反应物反应物) +
32、 i Hb(生成物生成物) H + 2 Hb(H F) = Hb(F F) + Hb(H H) H = Hb(F F) + Hb(H H) 2 Hb(H F) +H2(g) + F2(g) 2HF(g) H H = (436 + 158) 2 566 kJ mol 1 = 538 kJ mol 1m rH2F(g) H22H(g) H1 H3 H + H = H + H123 H = Hb(H H)1 H = Hb(F F)2 H = 2 Hb(H F)3反应物反应物生成物生成物化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系例例 试由键焓估算试由键焓估算298 .15 K时，乙烷分解为乙烯和氢气反应
33、：时，乙烷分解为乙烯和氢气反应：H3CCH3(g) H2C=CH2(g) + H2(g) 的的 H 解：解：HCCHH HH HHC CHH H乙烷结构乙烷结构乙烯结构乙烯结构 H = 6 Hb(CH) + Hb(CC) 4 Hb (CH) + Hb(C=C) + Hb(HH) = 6 416 + 356 4 416 + 598 + 436 kJ mol 1 = 154 kJ mol 1化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系总结总结一、概念一、概念系统和环境系统和环境状态函数状态函数过程与途径过程与途径热和功热和功热力学能热力学能U焓焓H = U + PV二、计算二、计算热力学第一定律：热力学第一定律： U = Q + W ( 封闭系统，不做非体积功封闭系统，不做非体积功 )物质的标准摩尔生成焓物质的标准摩尔生成焓 fHm（p, cB, 298.15K）计算计算反应的标准摩尔焓变反应的标准摩尔焓变 rHm = ( i fHm) 生成物生成物 + ( i fHm )反应物反应物回顾回顾
