第一章物质及其变化

第一章物质及其变化教学要求1．了解物质的聚集状态和相，掌握分压定律、分体积定律及其计算。2．会利用理想气体方程式进行有关计算。3．熟悉热力学第一定律及其相关概念。4．掌握化学反应热效应。5．掌握热化学方程式；反应热、反应焓变的计算；盖斯定律及有关计算。教学时数6学时第一节物质的聚集状态各种物质总是以一定的聚集状态存在的。常温、常压下，通常有气、液、固三种聚集状态，各具特征，在一定条件下可相互转化。1、气体（g）：分子间作用力小，无一定的体积和形状，具有扩散性和可压缩性。2、液体（l）：分子间作用力介于气体和固体之间，有一定的体积，无固定的形状，具有流动性。3、固体（s）：具有一定体积、一定形状，及一定程度的刚性。1.1气体气体的存在状态主要由体积V、压力P、温度T和物质的量n四个因素决定，称为气体的状态函数。１.理想气体状态方程式只有位置而没有大小，且气体分子之间没有相互作用力的气体，称为理想气体。显然理想气体是一种假设的情况，真实气体当压力不太高且温度不太低时可看作是理想气体。描述理想气体体积、压力、温度和物质的量之间关系的方程式称为理想气体状态方程式。当体积和温度一定时，理想气体的压力与其物质的量成正比：np；当压力和温度一定时，理想气体的体积与其物质的量成正比：nV；一定物质的量的理想气体的压力或体积都与温度成正比：np；或nV。我们将这几个式子合并在一起，得：nRTpV（理想气体状态方程式）式中：p(压力)V（体积）n（物质的量）T（温度）R(常数)标准单位Pam3molK8.314R是一个与气体种类无关的常数，称为摩尔气体常数或简称气体常数。当式中各量单位取国际单位制：压力（Pa）、体积（m3）、n（mol）时，R数值可由标准状况下1mol理想气体的状态函数值求得：2.气体分压定律1）混合气体(如空气)和组分气体(如组成空气的氧气、氮气等)：2）分压力：各组分气体占有与混合气体相同的体积时所产生的压力叫做该组分气体的分压力（pi）。混合气体的压力称为总压。3）道尔顿分压定律：英国科学家道尔顿于1801年通过大量的实验总结出：混合气体的总压等于各组分气体的分压之和。ippppp321混合气体的状态同样可用理想气体状态方程式来描述：RTnVp总总对于每一种组分气体，都有RTnVpii则总总nnppii总总nnppii我们把总nni叫做混合气体中组分气体i的摩尔分数，总ppi叫做组分气体i的压力分数。例1．在0.0100m3容器中含有2.50×10-3molH2，1.00×10-3molHe和3.00×10-4molNe，在35℃时总压为多少？解：==8.314N·m·mol-1·K-1R====pVnT101325Pa×22.414×10－3m31.000mol×273.15K==8.314J·mol-1·K-1p总==p(H2)+p(He)+p(Ne)==640+256+76.8==973(Pa)3．气体的分体积定律当组分气体的压力和温度与混合气体相同时，组分气体单独存在时所占有的体积称为各组分气体的分体积，则混合气体的总体积等于各组分气体的分体积之和。V=V1+V2+V3+…＋Vi则Vi/V总=ni/n总Vi=V总×ni/n总P总可通过压力表测出，Pi则很难被直接测出，可通过分析、计算求得：PiV=niRT（1）P总V=n总RT（2）由（1）÷（2），得：Pi/P总=ni/n总=Xi（摩尔分数）∴Pi=XiP总计算分压的关键在于如何求得组分气体的摩尔分数。求混合气体的摩尔分数，常用的方法是通过混合气体进行气体分析，测得各组分气体的体积分数总VVi。1.2液体1.液体的蒸汽压：当液体的蒸发速率与其气体的凝聚速率相等时，达到动态平衡。此时，液面上方该种液体的蒸汽为饱和蒸汽，饱和蒸汽的压力为该温度下的饱和蒸汽压。液体的饱和蒸汽压（简称蒸汽压）与液体的性质有关，可表示液体挥发能力的大小。饱和蒸汽压越大，液体的挥发能力越强。饱和蒸汽压与温度有关：温度越高，饱和蒸汽压越大。如水的饱和蒸气压在0℃为61.3Pa，在室温25℃为3.173kPa，在100℃时为101.325kPa。例2．如果在25℃时用排水集气法由锌和盐酸制备氢气：Zn(s)+2H+==Zn2+p(H2)======640Pan(H2)RTV2.50×10-3mol×8.314J·mol-1·K-1×(273+35)K0.0100m3p(He)======256Pan(He)RTV1.00×10-3mol×8.314J·mol-1·K-1×(273+35)K0.0100m3p(Ne)======76.8Pan(Ne)RTV3.00×10-4mol×8.314J·mol-1·K-1×(273+35)K0.0100m3+H2(g)，总压（实验室大气压）为98.6kPa(已知25℃时水的饱和蒸汽压为3.17kPa),收集的气体体积为2.50×10-3m3。求：（1）试样中氢的分压；（2）收集到的氢的质量；（3）若经干燥剂干燥后能得到多少体积的干燥氢气？（由学生自己做）（4）干燥剂共吸收了多少体积的水蒸汽？（由学生自己做）解：(1)在实验室中用排水集氢法收集的气体的总压等于氢气的分压与水蒸汽的分压之和，同时也等于实验室的大气压。所以：p总=p(H2)+p(H2O)p(H2)=p总－p(H2O)=98.6kPa－3.17kPa=95.4kPa(2)(3)此问题可有多种解法：(4)水蒸汽的摩尔分数:n(H2O)/n(总)==p(H2O)/p(总)==3.17÷98.6==3.22%V(H2O)==2.50×10-3m3×3.22%==8.04×10-5m3在这个问题中已经使用了一个混合气体的分体积概念。当组分气体具有与混合气体相同的温度和压力时的体积就称为该组分气体的分体积，上题中氢气的分体积是2.41×10-3m3，而水蒸汽的分体积是8.04×10-5m3。并且混合气体的总体积等于各组分气体的分体积之和。V（总）==V1+V2+…+Vi并且：Vi/V（总）==ni/n（总）2.液体的沸点：当液体的饱和蒸汽压等于外界压力时，液体沸腾，此时的温度为沸点。m(H2)=p(H2)VM(H2)RT95.4×103Pa×0.00250m3×2.02g·mol-18.314J·mol-1·K-1×298K==0.194gV(H2)=m(H2)RTPv0.194g×8.314J·mol-1·K-1×298K98.6×103Pa×2.02g·mol-1==2.41×10-3m3外压降低，沸点也降低。在101325Pa的大气压下，液体的沸点为正常沸点。如水的bp为100℃，乙醇的为78.4℃。3.固体固体的升华及气体的凝华(下霜)晶体的特征：有一定的几何外形、固定的熔点、各向异性。第二节化学反应中的质量关系和能量关系2.1质量守恒定律:化学反应前后物质的总质量相等.2.2反应的热效应：焓变化学反应的实质是化学键的重组。键的断裂和生成过程会有能量变化，能量变化常以热能的形式表现。键的断裂需吸收热量；而键的生成会放出热量。一般的反应常在恒压条件下（在敞口容器中）或恒容条件下（密闭容器中）进行。在恒温下不做非体积功的化学反应过程中吸收或放出的热量，叫做该化学反应的热效应（反应热）。在恒容条件下的反应热是与体系的内能的变化有关：UUUQV21在恒压条件下一个化学反应的热效应可用体系的一个状态函数——焓（H）的变化值来表示：HHHQp反应物生成物当0H时，为吸热反应，当0H时，为放热反应。2.3热化学方程式：表示化学反应及其热效应的化学方程式称为热化学方程式。写热化学方程式时，除标出热效应外，还应注意：1.注明各物质的温度和压力，在298K下可不注明；温度和压力不同，反应热数值也不同。2.注明各物质的聚集状态：气、液、固。如：2Fe(s)+1.5O2(g)→Fe2O3(s)△rHmΘ(298K)=-8241kJ·mol-1式中的“r”是指“reaction”，以区别于某种物质的焓变；右上标表示“标准”是指标准压力100KPa；右下标“m”是指反应进度是以摩尔为单位的。在写热化学反应方程式时还应注意：反应的热效应与反应方程式的计量系数有关。如:2H2(g)+O2(g)→2H2O(g);△rHmΘ(298K)==-483.6kJ·mol-1H2(g)+1/2O2(g)→H2O(g);△rHmΘ(298K)==-241.8kJ·mol-12.4热化学定律1.化学反应热与反应的方向有关。在相同情况下，正、逆反应的焓变数值相等，但符号相反。2.黑斯（Hess）定律：化学反应无论是一步完成还是分几步完成，其总反应的热效应总是等于各分步反应的热效应之和。实质是：化学反应的热效应只与始态和终态有关，而与反应的途径无关,即可以把一个总的变化看成是一系列化学反应的总结果。它是能量守恒定律的特殊表现形式。例：已知298K时，（1）C(s)+O2(g)→CO2(g)；△r1HmΘ＝-393.51kJ·mol-1。（2）CO(g)+1/2O2(g)→CO2(g)；△r2HmΘ＝-282.99kJ·mol-1。求反应：（3）C(s)+1/2O2(g)→CO(g)的热效应△r3HmΘ。解：反应（1）等于反应（2）+（3），∴△r1HmΘ＝△r2HmΘ+△r3HmΘ△r3HmΘ＝△r1HmΘ-△r2HmΘ＝-110.52kJ·mol-1黑斯定律的重要意义，在于能使热化学方程式像代数方程式一样进行加、减运算，从而求出那些难于测量或无法测量的反应热效应。2.5生成热（生成焓）焓是与压力、体积、温度一样的状态函数，每一种物质在一定的状态下都有一个确定的焓值。我们规定：在标准压力和一定温度下（通常为298K），由最稳定单质生成1mol某种化合物时的热效应，叫做该化合物的标准摩尔生成热，简称生成热或生成焓。以△fHmΘ表示，其单位为kJ·mol-1。据上述定义，最稳定单质的标准摩尔生成热为0，O2(g)、H2(g)、Br（l）、I2（s）在298.15K，100KPa时的标准摩尔生成热为0；石墨是C元素的最稳定单质。由生成热的数据可很方便地计算一个化学反应的热效应：△rHmΘ＝（∑△fHmΘ）生成物－（∑△fHmΘ）反应物例：求下列反应的标准反应热：Fe3O4(S)+4C(石墨)→3Fe(S)+4CO(g)解：查得Fe3O4(S)、CO(g)的标准生成热分别为-1117.3kJ·mol-1，-110.54kJ·mol-1。∴△rHmΘ＝〔3×0+4×（-110.54）〕-〔1×（-1117.3）+4×0〕＝679.97kJ·mol-1