《无机化学》天津大学第四版第一章化学反应中的质量关系和能量关系

第一章化学反应中的质量关系和能量关系第1章化学反应中的质量关系和能量关系研究化学反应经常遇到的问题1.化学反应能否自发进行？2.反应进行的速率有多大？3.反应进行的极限(化学平衡)4.反应中的能量变化(热化学)5.反应是如何进行的(反应机理)？第1章化学反应中的质量关系和能量关系第一章化学反应中的质量关系和能量关系基本内容3.阐明化学反应中的质量关系和能量关系1.阐述化学中的计量，以巩固高中化学中的有关概念2.引入化学计量数，反应进度，状态函数,标准态和反应焓变等重要概念第1章化学反应中的质量关系和能量关系会应用热化学方程式和物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变基本要求第一章化学反应中的质量关系和能量关系第1章化学反应中的质量关系和能量关系第一章化学反应中的质量关系和能量关系1-1物质的聚集态和层次1-2化学中的计量1-3化学反应中的质量关系目录1-4化学反应中的能量关系第1章化学反应中的质量关系和能量关系第一节物质的聚集态和层次第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.1.1物质的聚集态物质三态气态(gas)：流态液态(liquid)：流态、凝聚态固态(solid)：凝聚态等离子态“Plasma”I.Langmuir1926定义1:“包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物质聚集状态。”第1章化学反应中的质量关系和能量关系等离子态固态等离子体：晶格中正离子与自由电子组合;半导体中电子与空穴的组合等。液态等离子体：如电解质溶液中正负离子的组合。定义2:“等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。”（国家自然科学基金委，“等离子体物理学发展战略调研报告”，1994年）强调了非凝聚系统，即排除了单纯的固态和液态，但包含了电子束和离子束。第1章化学反应中的质量关系和能量关系定义3:“等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统。”单纯气态：完全或部分电离了的气体非单纯气态：尘埃等离子体雾滴等离子体注:特殊条件下还有超固体、中子态、磁性超流态以及辐射场态等.等离子态第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.1.2物质的层次层次空间尺度遵循运动规律实例宇观106m相对论力学地球、太阳、星云宏观(10-8~106m)牛顿力学交通工具微观(10-10~10-8)m量子力学原子、分子、电子宏观微观纳米级别1nm=10-9m纳米材料与技术第1章化学反应中的质量关系和能量关系第二节化学中的计量第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.1相对原子质量和相对分子质量有确定质子数和中子数的一类单核粒子称为核素。元素是具有相同质子数的一类单核粒子的总称。质子数相等而中子数不等的同一元素的一些原子品种互称为同位素。自然界中氧就有三种同位素:16O17O18O含量/%99.7590.0370.204第1章化学反应中的质量关系和能量关系相对原子质量(Ar)被定义为元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比，以往被称为原子量。例如：Ar(H)=1.00794Ar(O)=15.99941.2.1相对原子质量和相对分子质量第1章化学反应中的质量关系和能量关系相对分子质量(Mr)被定义为物质的分子或特定单元的平均质量与核素12C原子质量的1/12之比。(以前被称为分子量)例如：Mr(H2O)=18.0148≈18.01Mr(NaCl)=58.443≈58.441.2.1相对原子质量和相对分子质量第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.2物质的量及其单位物质的量是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)或其特定组合的一个物理量。符号为n单位为摩[尔]（mole）、mol第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.2物质的量及其单位系统中的物质的量若为１摩尔，表示该系统中所包含的基本单元数与0.012kg12C的原子数目相等。0.012kg12C所含的碳原子数目(6.022×1023个)称为阿伏加德罗常数[Avogadro]（NA）。第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.2物质的量及其单位1molH2表示有NA个氢分子2molC表示有2NA个碳原子3molNa+表示有3NA个钠离子4mol(H2+½O2)表示有4NA个(H2+½O2)的特定组合体，其中含有4NA个氢分子和2NA个氧分子。第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.2物质的量及其单位在使用摩尔这个单位时，一定要指明基本单位(以化学式表示)否则示意不明。例如:笼统说“1mol氢”难以断定是指1mol氢分子还是指1mol氢原子或1mol氢离子第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.2物质的量及其单位摩尔分数在混合物中，B的物质的量(nB)与混合物的物质的量(n)之比，称为组分B的物质的量分数(xB)，又称B的摩尔分数。如含1molO2和4molN2的混合气体中,O2和N2的摩尔分数分别为：x(O2)=1mol/(1+4)mol=1/5x(N2)=4mol/(1+4)mol=4/5第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.3摩尔质量和摩尔体积摩尔质量某物质的质量(m)除以该物质的物质的量(n)M=m/nM的单位kg·mol-1或g·mol-1例如1molH2的质量为2.02×10-3kgH2的摩尔质量为2.02×10-3kg·mol-1第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.3摩尔质量和摩尔体积摩尔体积某气体物质的体积(V)除以该气体物质的量(n)Vm=V/n例如在标准状况(STP)(273.15K及101.325kPa下)，任何理想气体的摩尔体积为：Vm,273.15K=0.022414m3·mol-1=22.414L·mol-1≈22.4L·mol-1第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.4物质的量浓度物质的量浓度(cn)混合物中某物质B的物质的量(nB)除以混合物的体积(V):cB=nB/V对溶液来说，即1L溶液中所含溶质B的物质的量。单位：摩(尔)每升单位符号：mol·L-1例如若1L的NaOH溶液中含有0.1mol的NaOH，其浓度可表示为：c(NaOH)=0.1mol·L-1物质的量浓度简称为浓度第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.5气体的计量物质的量浓度(cn)混合物中某物质B的物质的量(nB)除以混合物的体积(V):cB=nB/V对溶液来说，即1L溶液中所含溶质B的物质的量。单位：摩(尔)每升单位符号：mol·L-1例如若1L的NaOH溶液中含有0.1mol的NaOH，其浓度可表示为：c(NaOH)=0.1mol·L-1物质的量浓度简称为浓度第1章化学反应中的质量关系和能量关系1-1-5气体的计量1.2.5气体的计量理想气体状态方程pV=nRTp——气体的压力，单位为帕(Pa)V——体积，单位为立方米(m3)n——物质的量，单位为摩(mol)T——热力学温度，单位为“开”(K)R——摩尔气体常数第1章化学反应中的质量关系和能量关系理想气体状态方程实际工作中，当压力不太高、温度不太低的情况下，气体分子间的距离大，分子本身的体积和分子间的作用力均可忽略，气体的压力、体积、温度以及物质的量之间的关系可近似地用理想气体状态方程来描述。第1章化学反应中的质量关系和能量关系理想气体状态方程实验测知1mol理想气体在标准状况下的体积为22.414×10-3m3,则101.325×103Pa×22.414×10-3m31mol×273.15K=R=pV/nT=8.3144Pa·m3·mol-1·K-1=8.3144J·mol-1·K-1第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.5气体的计量理想气体分压定律气体的分压(pB)——气体混合物中，某一组分气体B对器壁所施加的压力。等于相同温度下该气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力。道尔顿分压定律——混合气体的总压力等于各组分气体的分压之和。p=ΣpB第1章化学反应中的质量关系和能量关系理想气体分压定律如组分气体B的物质的量为nB混合气体的物质的量为n混合气体的体积为V则它们的压力：pB=nBRT/Vp=nRT/V将两式相除，得pBnBpn＝为组分气体B的摩尔分数nBnpB=pnBn则第1章化学反应中的质量关系和能量关系理想气体分压定律同温同压下,气态物质的量与其体积成正比则VBnBVn=pBnBpn＝而所以pB=pVBV第1章化学反应中的质量关系和能量关系解m(CO2)5.00gM(CO2)44.01g·mol-1n(CO2)===0.114molp(CO2)==Pan(CO2)RT0.114×8.314×303.15V1.00×10-2=2.87×104Pap(N2)=p-p(O2)-p(CO2)=(9.33-2.67-2.87)×104Pa=3.79×104Pa体积为10.0L含N2、O2、CO2的混合气体,T=30℃、p=93.3kPa,其中:p(O2)=26.7kPa,CO2的含量为5.00g,试计算N2、CO2分压。例第1章化学反应中的质量关系和能量关系1-1-6化学计量化合物和非计量化合物1.2.6化学计量化合物能表明组成化学物质的各元素原子数目之间最简单的整数比关系,因此又称最简式。化学式分子式能表明分子型物质中一个分子所包含的各种元素原子的数目。分子式可能和最简式相同，也可能是最简式的整数倍。例如：对于那些非分子型物质,只能用最简式表示例如：离子型化合物氯化钠，习惯上以最简式NaCl表示。分子型物质化学式分子式气态氯化铝AlCl3Al2Cl6水H2OH2O第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.2.6化学计量化合物具有确定组成且各种元素的原子互成简单整数比的化合物，这类化合物又称整比化合物或道尔顿体。例如：一氧化碳中氧与碳质量比恒为4∶3原子比恒为1∶1化学计量化合物第1章化学反应中的质量关系和能量关系第三节化学反应中的质量关系第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.3.1应用反应方程式的计算化学反应方程式：根据质量守恒定律，用元素符号和化学式表示化学变化中质和量的关系式。根据已配平的化学反应方程式中各物种的定量关系来进行计算某物种的量。第1章化学反应中的质量关系和能量关系化学计量数(ν)化学反应cC+dD=yY+zZ移项0=-cC-dD+yY+zZ令-c=νC、-d=νD、y=νY、z=νZ得0=νCC+νDD+νYY+νZZ可简化写出化学计量式的通式：B—包含在反应中的分子、原子或离子。νB—数字或简分数，称为(物质)B的化学计量数。1.3.2化学计量数与反应进度0＝∑BBνB规定，反应物的化学计量数为负，产物的化学计量数为正。第1章化学反应中的质量关系和能量关系例N2+3H2=2NH30=-N2-3H2+2NH3=ν(N2)N2+ν(H2)H2+ν(NH3)NH3N2、H2、NH3的化学计量数ν(N2)=-1、ν(H2)=-3、ν(NH3)=2表明反应中每消耗1molN2和3molH2生成2molNH31.3.2化学计量数与反应进度第1章化学反应中的质量关系和能量关系1.3.2化学计量数与反应进度反应进度0＝∑BBνB对于化学计量方程式dξ=νB-1dnBξ为反应进度,其单位为molnB为B的物质的量,νB为B的化学计量数改写为dnB=νBdξ开始时ξ0=0、nB(ξ0)积分到ξ时的nB(ξ)得：nB(ξ)-nB(ξ0)=νB(ξ-ξ0)则△nB=νBξ第1章化学反应中的质量关系和能量关系反应进度△nB=νBξ即任一化学反应各反应物及产物的改变量(△nB)均与反应进度(ξ)及各自的计量系数(νB)有关。对产物B若ξ0＝0、nB(ξ0)＝0则nB＝νBξ1.3.2化学计量数与反应进度第1章化学反应中的质量关系和能量关系例反应：N2+3H2=2NH3N2、H2、NH3的化学计量数ν(N2)=-1、ν(H2)=-3、ν(NH3)=2当ξ0＝0时,若有足够量的N2和H2、n(NH3)＝0根据nB＝νBξ、ξ＝nB/νBn(N2)/moln(H2)/moln(NH3)/molξ/mol0000-1/2-3/211/2-