第01章 化学反应的基本规律

1为什么要学习化学？化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。人类的衣食住行都离不开化学，色泽鲜艳衣料需要化学印染，棉花和羊毛的纺织都需要化学处理。提高粮食产量不仅需要氮、磷、钾等基本肥料，还需含铁、钼、铜、锌等微量元素的特殊肥料，植物的保护需要高效低毒的杀虫剂、除草剂。现代建筑所需要的钢材、水泥、油漆、塑料、玻璃等都是化工产品。制造一辆汽车需要上百种金属和化工原料，总之现代化的科学文明和美好生活都不能缺少“化学”这块基石。2化学的定义与分支化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学无机化学：无机物有机化学：碳氢化合物及衍生物分析化学：测量和表征物理化学：所有物质系统高分子化学：高分子化合物若干新分支：环境化学、核化学等等定义：化学的分支学科：3化学的基础性和中心性4课程学习前言1.课程安排：本课程理论课（60学时）和实验课（15学时，共7个实验）。课程成绩＝理论考试成绩60％+实验成绩30%+平时成绩10％。52.课堂纪律不能迟到早退，不能无故旷课，若请病假或事假必须在我点名前请假，否则一律按旷课处理。3.信息反馈加强师生间的双向沟通，对课程、教学方法等有何要求和意见，可向学习委员或班长反映，或直接找老师。64.课程学习要求（2）作好笔记：记清老师所讲课程内容的纲目、补充的材料和提出的问题和自己没有理解的问题。（1）课前预习：根据教学进度表，在课前学习相关授课内容，做到心中有数。（3）课后复习：主要是整理笔记，有的放矢的参考和查阅参考书，解决课堂未理解的问题，将有关的计算公式和概念制成表格或卡片，以便随时阅读和记忆。7（5）认真作好实验：做到实验前预习本次实验，通过实验验证、补充、巩固课堂知识，掌握实验操作技能，培养严谨的科学作风。（4）及时完成作业：做作业解习题是巩固和加深理解化学理论的具体实践，重点是掌握解题的技巧，每人准备两个练习本，我课后布置作业，要求第二次上课前交给每个班的学习委员。8第一章化学反应的基本规律第一节基本概念9一、体系、环境体系：划分出来的被研究的物质系统、对象。环境：除体系以外的其他所有部分。例如：溶液反应，海洋、地球体系的划分：物质交换能量交换敞开体系有有封闭体系无有孤立体系无无10敞开体系封闭体系孤立体系11二、体系的性质在热力学体系中，温度、压力、体积、密度等宏观性质称作体系的热力学性质（thermodynamicpropertyofsystem），简称为体系的性质。1．广度性质（extensiveproperty）：量值与体系中物质的数量成正比，所以又称容量性质。比如物质的体积、质量、热容量以及随后将介绍的热力学能和焓等都是广度性质。广度性质具有加和性。2．强度性质（intensiveproperty）：量值取决于体系的自身特性，与体系中物质的数量无关，不具有加和性。比如温度、压力、浓度、密度、粘度等即都是体系的强度性质。12思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强(热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论？推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量。13状态函数：表征和确定体系状态的宏观性质，例如：温度、压力、体积、密度、能量、形态等，还有后面将要介绍的热力学函数：U、H、S等。三、状态与状态函数状态：体系的基本性质的集合状态函数的特点：1）状态一定，描述状态性质的值一定2）状态改变时，状态函数的变化值只与始态和终态有关，与变化途径无关3）有些状态函数是相互关联、相互制约的。例如：P、V、T、n四个只有三个是独立的。14101.328kPa328K101.325kPa298K101.325kPa278K恒压过程恒温恒压恒压恒压恒压恒温始态终态101.325kPa278K80kPa278K80kPa328K四、过程与途径过程：体系从始态到终态变化的经过，分为：恒温过程、恒压过程、恒容过程、绝热过程等。途径：完成这一变化经过的具体步骤、路线。15五、热和功当体系的状态发生变化时，体系与环境之间必然伴随着能量的交换，其交换形式可概括为“热”和“功”两种。体系与环境之间因温度的不同而交换或传递的能量称为热（heat）。热的常用符号为Q。除了热以外的一切交换或传递的能量都称为功（work）。功的常用符号为W。热和功的单位都采用J或kJ。16*热和功有正负之分：通常是站在体系的立场来规定的：体系从环境吸热（获得能量），Q为正值；体系向环境放热（损失能量），Q为负值。环境对体系作功（获得能量），W为正值;体系对环境作功（损失能量），W为负值。*功有不同的形式：热力学中涉及最多的功是体系因体积变化而与环境交换的体积功（亦称膨胀功），用We表示；体积功以外的其它功（如电功、表面功等）都称为非体积功（亦称非膨胀功，或有用功），用W’表示。*热和功不是状态函数注意几个问题17六、相与界面体系中物理性质和化学性质完全相同的部分称为相（phase）。将相与相分隔开来的部分称为相界面（简称为界面,interface）。处于界面上的原子或分子的受力情况与相内部的不同，往往存在剩余引力，具有界面能。一般来说，体系中存在的界面越多，能量就会越高，体系也会越不稳定。油水汽水冰汽18硫磺与铁粉混合物两相19七、理想气体状态方程与分压定律1．理想气体和理想气体状态方程如果气体的温度（T）、压力（p）、体积(V)和物质的量（n）之间具有pV=nRT的方程式关系，则该气体就称为理想气体。2.理想气体的特征：1)分子间的作用力忽略不计；2)分子本身占有的体积忽略不计；3)是一个有质量的几何体；严格意义上的理想气体实际上是不存在的。但对实际气体来说，只要温度不是太低，压力不是太高，都可以近似用理想气体状态方程作有关p、V、T、n的计算。20物质的量(n)mol温度T(temperature)T＝(t+273.15)K压力p(pressure)1atm＝760mmHg＝101325Pa≈101kPa≈0.1MPa体积V(volume)1m3＝103L＝103dm3＝106cm3pV=nRT称为理想气体状态方程式21例27℃和101kPa下，1.0dm3某气体质量为0.65g，求它的相对分子质量。解：由理想气体的状态方程pV＝nRT得n＝pV/RT即m/M＝pV/RTmRTMpV0.658.314300/16/1011Mgmolgmol223、混合气体的分压定律混合气体：由两种或两种以上的，相互之间不发生反应的气体混合在一起组成的体系。组分气体：混合气体中的每一种气体注意：混合前后各组分气体的温度和压力不变，均匀充满整个空间。1)物质的量:若混合气体的物质的量为n，各组分气体的物质的量ni则iinn23实验结果：P混合=p氧气+p氢气(总压力等于分压力之和)2）组分气体的分压力*什么叫分压力pi？是指某组分气体在与混合气体处于相同温度、相同体积的条件下该气体单独对器壁所产生的压力。24*对于多组分体系则有因为pi＝niRT/V分压定律的文字表述：在温度和体积恒定时，混和气体的总压力等于各组分气体分压力之和，某组分气体的分压力等于该气体单独占有总体积时所表现的压力。123iippppp所以p＝∑pi＝∑niRT/V＝nRT/V其中n为混合气体总的物质的量25RTnVpiiRTnVpnnppiiPi/P称为气体的压力分数；ni/n称为气体的摩尔分数4）分体积与体积分数3）混合气体中某气体的压力分数和摩尔分数定温定压下，组分气体的体积称为该气体的分体积VinniiVVRTnVpiiVO2+VN2=V混26分压定律的应用例:在100kPa和20℃时，从水面上收集28.4cm3的氢气，问收集的纯氢气有多少摩尔。已知20℃时水的饱和蒸汽压PH2O=2.33kPa解:因为p总=pH2+PH2O所以PH2=P总-PH2O=100-2.33=97.7kPaRTnVpii根据理想气体方程则有27第二节化学反应中的质量守恒和能量守恒第一章化学反应的基本规律28一、化学反应的质量守恒定律质量守恒定律：在化学反应中，物质的质量是守恒的，即参加反应的全部物质的质量总和等于反应后生成物的质量总和。BBB0VB：化学计量数；反应物的VB为负数，产物的VB为正数；VB可以是整数或分数。2H2+O2=2H2OH2+1/2O2=H2O0=-2H2-O2+2H2O=-2×(1×2)-16×2+2×(1×2+16)=-4-32+36=00=-H2-1/2O2+H2O=-1×2-1/2(16×2)+1×2+16=-2-16+18=0291、热力学能（内能）热力学能（内能）——体系内部能量的总和。•构成：分子的平动能、转动能，分子间势能、电子运动能、核能等。•虽然体系的内能尚不能求得,但是体系的状态一定时,内能是一个固定值,因此,U是体系的状态函数。•体系的状态发生变化,始终态一定,则内能变化,即U是一定值,U=U终-U始二、能量守恒——热力学第一定律302、热力学第一定律——能量守恒定律表述：能量只可能在不同形式之间转换，但不能自生自灭。体系向环境释放热量Q或者体系从环境吸收热量Q体系对环境做功W或者环境对体系做功W数学表达式：U=Q+W热力学第一定律又称能量守恒定律。它是人们从生产实践中归纳总结出的规律，是自然界中普遍存在的基本规律。状态1（U1）状态2（U2）31解:从体系角度考虑：从环境吸热，则Q=+100J；对环境做功W=-20J所以U体=Q+W=100-20=80(J)从环境考虑对体系放热，则Q=-100J,接受体系的做功W=+20J所以:U环=-100)+20)=-80(J)总的来说：体系的内能增加了80J,环境的内能减少了80J.则宇宙（体系加环境）的总能量变化量U宇宙=U体+U环=80+(-80)=0能量守恒.例题:某过程中,体系吸热100J,对环境做功20J,求体系的内能改变量和环境的内能改变量。32三、化学反应的热效应把只做体积功，且始态和终态具有相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做化学反应热效应，简称反应热。把热力学第一定律具体应用于化学反应中,讨论和计算化学反应的热量变化,这门学科称为热化学。化学反应热要反映出与反应物和生成物的化学键相联系的能量变,一定要求反应物和生成物的温度相同,以消除反应物和生成物因温度不同而产生的热量差异。33因为：We=pΔV=p×0=0；又因W’=0，则：W=We+W’=0此时：ΔU=Q+W=QV即：热力学能变等于恒容热效应。或说：在恒容的条件下，体系的热效应等于热力学能的变化。1、恒容热效应与热力学能变如果体系的变化是在恒容的条件下，且不做其他非膨胀功。体系向环境释放热量Qv或者体系从环境吸收热量Qv体系对环境做功W或者环境对体系做功W状态1（U1）状态2（U2）34弹式量热计弹式量热计适用于气体以及有机化合物的燃烧反应，测得的反应热,是恒容反应热.352、恒压热效应与焓变在我们的实际生产中，很多的化学反应都是在大气层中即一个大气压（103kpa）条件下进行的，这是一个只有体积有变化，而压力恒定的过程（恒压过程）。为了方便地研究恒压过程中的问题，我们需要引入另一个重要的热力学状态函数——焓。36现设体系的变化是在恒压、只做体积功（不做其他功，如电功等）的条件下进行在此恒压过程中：*若体系的体积膨胀，则对环境做功：We=p(V)=-p(V2-V1)*若体系的体积缩小，则环境对体系做功：We=p(V)=-p(V2-V1)*由于W’=0，所以W=W’+We=p(V)=-p(V2-V1)体系向环境释放热量Qp或者体系从环境吸收热量Qp体系对环境做功W或者环境对体系做功W状态1（U1）状态2（U2）37所以：Qp=(U2-U1)+p(V2-V1)=(U2+pV2)-(U1+pV1)于是根据热力学第一定律，有如下的关系：