1、2010.9,無機化學,主講：秦華,2010.9,緒 言,化學的分支學科簡介,一級學科 二級學科 三、四級學科 無機化學 無機材料化學 半導體化學 有機化學 無機元素化學 感光材料 分析化學 生物無機化學 陶瓷材料 化學 物理化學 無機配位化學 儲能材料 結構化學 無機固體化學 永磁材料 生物化學 金屬有機化學 超導材料 稀土化學 納米材料,2010.9,無機化學課程的主要內(nèi)容,物 質(zhì) 的變化規(guī)律,物質(zhì)的制備與性質(zhì),物質(zhì)的形態(tài)與結構,氣液固體 原子結構 分子結構 晶體結構,化學熱力學 化學動力學 酸堿平衡 沉淀平衡 氧化還原 絡合平衡,元素通論 s,ds區(qū)元素 p區(qū)元素 d區(qū)元素 f區(qū)元素 定

2、性分析,2010.9,1 學習態(tài)度 社會需要與個人志向相結合，求實創(chuàng)新。 2 學習方法 培養(yǎng)良好學習習慣，提高課堂聽課效率。 3 做到三習 課前預習、課后復習，適當練習。 4 課堂筆記 教材為主，教參為輔，廣泛閱讀期刊。 5 重視實驗 加強基本功訓練。不懷疑不見真理。 6 多多交流 大學的學習不單純是理論知識的學習。,無機化學學習方法,2010.9,第一章 化學反應中的質(zhì)量和能量關系,一、理想氣體狀態(tài)方程和分壓定律,二、化學計量數(shù)與反應進度,三、化學反應中的能量關系,主要內(nèi)容：,2010.9,1.1 物質(zhì)的聚集態(tài)和層次,第一章 化學反應中的質(zhì)量和能量關系,1 物質(zhì)三態(tài),1.1.1 物質(zhì)的聚集態(tài)

3、,2010.9,2 等離子態(tài),2010.9,1.1.2 物質(zhì)的層次,2010.9,1.2 化學中的計量,1.2.1 相對原子質(zhì)量和相對分子質(zhì)量,第一章 化學反應中的質(zhì)量和能量關系,1 相對原子質(zhì)量 （原子量）,元素：具有相同質(zhì)子數(shù)的一類單核粒子的總稱。,同位素：質(zhì)子數(shù)相等而中子數(shù)不等的同一元素不同原子互稱為同 位素。,例如：氧元素有三種同位素：16O、17O、18O,碳元素有兩種同位素：12C、13C。,在周期表上占有同一位置，化學行為幾乎相同，但原子質(zhì)量不同，從而其質(zhì)譜行為、放射性轉變和物理性質(zhì)(例如在氣態(tài)下的擴散本領)有所差異。,2010.9,相對原子質(zhì)量（Ar)：元素原子的平均質(zhì)量與核素

4、12C原子質(zhì)量的 1/12之比。,2 相對分子質(zhì)量（Mr）（分子量）,分子或特定單元的平均質(zhì)量與核素12C原子質(zhì)量的1/12之比。,一個分子的相對分子質(zhì)量等于分子內(nèi)所有原子的相對質(zhì)量 之和。,1.2.2 物質(zhì)的量（n）及其單位,1 單位：mol,1mol=6.0221023 (NA)個,2 物質(zhì)的量分數(shù)（摩爾分數(shù)Xi）,混合物中，某組分i的物質(zhì)的量與混合物的物質(zhì)的量之比。,2010.9,1.2.3 摩爾質(zhì)量（M）和摩爾體積（Vm）,單位：kgmol-1或gmol-1,1.2.4 物質(zhì)的量濃度（Cn）,單位：molL-1,單位：m3mol-1或Lmol-1,1、摩爾質(zhì)量,2、摩爾體積,2010.

5、9,1 理想氣體狀態(tài)方程式,PV=nRT,P：Pa； V：m3； n：mol； T：K； R：8.314Jmol-1K-1,理想氣體標準狀況,P=101325Pa，T=273.15K，n=1mol，V=22.41410-3 m3,1.2.5 氣體的計量,2010.9,2 理想氣體分壓定律,分壓強(Pi) ：在相同溫度下，組分氣體單獨占有與混合氣體相同 體積時所產(chǎn)生的壓強。,分體積(Vi)：組分氣體與混合氣體具有相同的溫度、壓強時所占 有的體積。,Dalton分壓定律：混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體的分壓之和。,2010.9,適用條件：1、理想氣體； 2、組分氣體必須處于混合氣體相同的環(huán)

6、境中。,2010.9,分壓定律的應用,2010.9,例1：A，B兩種氣體在一容器中混和， 下面表達式哪些是正確的？ 1PAVA=nART 2PV=nART 3PVA=nART 4PAV=nART 5PA(VA+VB)=nART 6(PA+PB)VA=nART,P總V分 = P分V總 = n分RT,2010.9,例2：某容器的容積為2.0L，其中裝有O2、H2、Ar，各氣體的物質(zhì) 的量分別為：n O2 =0.2mol n H2 =0.5mol nAr=0.1mol，溫度保持 在300K，求混合氣體總壓與各組分氣體的分壓。,解：PV=nRT P=nRT/V,P總= P O2 + P H2 + P

7、Ar=249kPa+624kPa+125kPa=998kPa,2010.9,例題3 氧是人類維持生命的必需氣體，缺氧生命就會死亡，過剩的氧會使人致病，只有在氧氣的分壓維持21kPa才能使人體維持正常代謝過程。在潛水員自身,攜帶的水下呼吸器中充有氧氣和氦氣 （He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得氣栓?。?2010.9,某潛水員潛至海水30m處作業(yè)，海水的密度為1.03gcm-3，溫度為20。在這種條件下，若維持O2、He混合氣中p(O2)=21kPa氧氣的體積分數(shù)為多少？以1.000L混合氣體為基準，計算氧氣的分體積和氮的質(zhì)量。（重力加速度取9.807m/s2） 解：T=（273+2

8、0）K=293K 海水深30m處的壓力是由30m高的海水和海面的大氣共同產(chǎn)生。海面上的空氣壓力為760mmHg，則 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,若混合氣體體積為1.000L時，,2010.9,1.2.6 化學計量化合物,化學計量化合物（整比化合物）：具有確定組成且各元素原子 互成簡單正數(shù)比的化合物。,非化學計量化合物（非整比化合物）：組成不固定且各元素原 子不成簡單正數(shù)比的化合物,例如：,FeO的組成：

9、Fe 0.840.95 O,FeS：Fe 0.900.93 S,超導材料：YBaCu3O 7-x，x0.1,2010.9,1.3 化學反應中的質(zhì)量關系,質(zhì)量守恒定律：反應前后各元素的原子總數(shù)相等。,1.3.2 化學計量數(shù)（）與反應進度,對于任意的化學反應：aA+bB=cC+dD,A=-a,B=-b,C=c,D=d,0= A A+B B+c C+D D,0=i I（化學計量式）,1.3.1 應用化學方程式的計算,1 化學計量數(shù),2010.9,2 反應進度（）,定義：反應進度（ ）是用來表示反應進行的程度。,d ni =i d,例如： H2(g)+I2(g)2HI(g),=1mol,單位：mol,

10、2010.9,反應進度必須對應具體的反應方程式！,反應進度舉例,2010.9,白磷的燃燒,1.4 化學反應中的能量關系,2010.9,1. 體系與環(huán)境,體系：被研究對象,環(huán)境：系統(tǒng)外與其密切相關的部分,既有物質(zhì)交換又有能量交換,只有能量交換,既無物質(zhì)交換，也無能量交換,1.4.1 基本概念和術語,2010.9,敞開體系,封閉體系,隔離體系,2010.9,2 體系的性質(zhì)、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù),（1） 體系的性質(zhì),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）體系的狀態(tài),體系的狀態(tài)確定，體系的性質(zhì)亦確定。,（3）體系

11、的狀態(tài)函數(shù),當體系的所有性質(zhì)都有確定值時，體系處一定狀態(tài)。,用來表征體系特性的宏觀性質(zhì)，叫做體系的狀態(tài)函數(shù),P V n T均為狀態(tài)函數(shù),特點： （1）是單值函數(shù)，一個狀態(tài)由一組確定的狀態(tài)函數(shù)表述； （2）其改變量只與始、終態(tài)有關，與途徑無關； （3）狀態(tài)函數(shù)的集合（和、差、積、商）也為狀態(tài)函數(shù)。,2010.9,1molN2 T=273.15K P=101325Pa V=22.4L,恒溫加壓,1molN2 T=273.15K P=202650Pa V=11.2L,（）,P=50662.5Pa V=44.8L,P=405300Pa V=5.6L,恒溫減壓,恒溫加壓,恒溫加壓,恒溫減壓,（）,（）,

12、P=101325Pa V=-11.2L,（始態(tài)）,（終態(tài)）,2010.9,3. 熱和功,熱（Q）：,體系和環(huán)境之間因溫差而傳遞的能量。,功（W）：,除了熱以外，其它各種形式被傳遞的能量。,符號規(guī)定： 體系由環(huán)境吸熱Q為+；體系向環(huán)境放熱Q為-。 環(huán)境對體系作功W為+；體系對環(huán)境作功W為-。,注意： 功和熱與變化的路徑有關，不是狀態(tài)函數(shù)。,2010.9,4. 熱力學能（內(nèi)能，U）,說明：內(nèi)能(U)是狀態(tài)函數(shù)，是體系的容量性質(zhì)，具有加合性。其絕對值無法測定，可測定其變化值。,5. 熱力學第一定律（能量守恒定律）,在任何過程中，能量是不會自生自滅的，只能從一種形式轉 化為另一種形式，在轉化過程中能量

13、的總值不變。,數(shù)學表達式：U=Q+W,內(nèi)能是體系內(nèi)一切能量的總和，包括體系內(nèi)各種物質(zhì)的分子或 原子的位能、振動能、轉動能、平動能、電子的動能以及核能 等等。,2010.9,環(huán)境,體系,反應物,放熱反應過程的能量變化,環(huán)境,反應物,體系,吸熱反應過程的能量變化,2010.9,例2 某體系開始的內(nèi)能為U1，(1)它從環(huán)境吸收600J的 熱量，并對環(huán)境作功450J； (2)它從環(huán)境吸收100J的熱量，環(huán)境對它作功50J。 求內(nèi)能的變化值U及終態(tài)內(nèi)能U2。,解：(1) U=Q+W=600J+(-450J)=150J,U=U2-U1,U2=U1+150J,(2) U=Q+W=100J+50J=150J,

14、U=U2-U1,U2=U1+150J,說明：體系的始態(tài)、終態(tài)相同，內(nèi)能的變化量相同，內(nèi)能是狀態(tài) 函數(shù)；而熱和功的變化與具體路徑有關，所以熱和功不是狀態(tài)函數(shù)。,2010.9,1.4.2 反應熱和反應焓變,定義：H=U+PV QP=H2-H1=H H稱為焓， H稱為焓變。,P恒定，并且體系不作非體積功，此時的反應熱稱為恒壓反應熱， 用Qp表示:,Qp= U-W= U+P V=(U2-U1)+P(V2-V1)= (U2-U1)+(PV2-PV1) =(U2 +PV2 )-(U1+PV1),1.等壓反應熱和反應焓變,2010.9,說明：(1) 恒壓反應熱Qp= H,(2) 符號規(guī)定：放熱反應： H0。

15、,(3) H是狀態(tài)函數(shù)。即焓變H只取決于體系的始態(tài)和 終態(tài)，與過程無關。,H和U一樣不能確定其絕對值，只能確定其變化值。,(5) 對于反應物和生成物均為固體或液體的化學反應， V很小， 可近似認為： H U。,2010.9,例5 已知化學反應：NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s) 298.15K, 101325Pa下， H=-175.3KJ.mol-1 ，求該反應的內(nèi)能變化。,Qp和Qv的關系,同一反應的恒壓反應熱和恒容反應熱不同，它們的關系為：Qp = Qv + n RT； H = U + n RT,解： U= H- nRT= -175.3kJ.mol-1 (-2)8.314J.mol

16、-1.K-1 298.15K =-170.3kJ.mol-1,2010.9,2. 熱化學方程式,(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,書寫熱化學方程式應注意問題：,（1） 標明物質(zhì)的聚集狀態(tài)。g-氣態(tài)；l-液態(tài)；s-固態(tài)。,（2） 反應物、產(chǎn)物要配平,（3） 反應的焓變（熱變化），是指“1 mol 反應”， 與反應式 的寫法有關。,（4） 正、逆反應焓變

17、的絕對值相等，符號相反。,因此：2H2O(l)2H2(g)+O2(g) H=,571.66kJ.mol-1,2010.9,總反應的 rHm= rHm(1)+ rHm(2)+rHm(3),定律: 若一個化學反應分幾步進行，則反應總過程的焓變等于各步焓變之和。 H= H1+ H2+H3+,2010.9,氧彈量熱計,2010.9,1.4.3 應用標準摩爾生成焓計算標準摩爾反應焓變,對于氣相系統(tǒng)，每種氣態(tài)物質(zhì)的壓力均處于標準壓力p的 狀態(tài)稱為標準態(tài)；對于液體或固體，其標準態(tài)是指處于標準壓 力p下的純液體或純固體；對于理想溶液，其標準態(tài)是指處于 標準壓力p下，濃度為標準濃度c時的狀態(tài)，即為該溶液的標 準

18、態(tài)。,1.熱力學標準狀態(tài) (standard state),國家標準規(guī)定： 標準壓力 p = 100kPa； 標準濃度 c = 1moldm-3； 參考溫度 T = 298.15K （標準態(tài)沒有規(guī)定溫度）。,2010.9,2. 標準摩爾生成焓,定義：一定溫度，標準態(tài)下，由最穩(wěn)定的純態(tài)單質(zhì)生成1mol某物質(zhì)時的熱效應，稱為該物質(zhì)的標準生成焓。,符號：fHm,單位：kJ.mol-1,說明：1 表示標準態(tài)。,2 fHm (最穩(wěn)定單質(zhì)) =0,2010.9,3. fHm多為負值。且對于同一類型物質(zhì)，可通過fHm 判斷其相對穩(wěn)定性。 fHm越負，其越穩(wěn)定。,2010.9,3. 標準摩爾反應焓變(rHm )的計算,根據(jù) Hess 定律 rHm ( I ) + rHm ( II ) = rHm (III) 即 rHm = i f Hm ( 生 ) + i f Hm ( 反 ),2010.9,例7 計算恒壓反應：2Al(s)+Fe2O3(s)Al2O3(s)+2Fe(s)的標準反應熱, 并判斷此反應是吸熱還是放熱反應？,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(Fe