大學化學課件：緒論

1、大學化學,緒 論,化學(chemistry)是在原子和分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用及相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學。 化學涉及存在于自然界的一切物質(zhì)以及由人類創(chuàng)造的新物質(zhì)，它還涉及存在于自然界的許多變化以及由化學家和物理學家發(fā)明和創(chuàng)造的新變化。,一、 化學的定義,化學變化的基本特征： 1. 化學變化是質(zhì)的變化； 2. 化學變化服從質(zhì)量守恒定律； 3. 化學變化過程伴隨能量變化。, 是自然科學的基礎(chǔ)學科之一，是一門承上啟下的中心學科。,二、化學的地位, 化學是理論與應(yīng)用并重的科學，其應(yīng)用為人類創(chuàng)造了大量物質(zhì)財富。 化學不斷制造出新分子、新物質(zhì)，為其他技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。,* 掌握近代化學基本

2、理論、基本知識（化學反應(yīng)基本原理，平衡過程及其利用，物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能）和基本技能。 * 了解這些理論知識和技能在工程實際的應(yīng)用。 * 培養(yǎng)科學思維、科學方法、創(chuàng)新精神。,三、 工科大學化學的教學目的,參考書籍： （1）大學化學 、 金繼紅 主編、 化學工業(yè)出版社； （2） 其他教科書，如 物理化學、 無機化學上冊、 大學化學、 無機及分析化學。,網(wǎng)絡(luò)視頻： 1.物理化學、朱文濤、 清華大學, 第1、2、3、5章; 2.結(jié)構(gòu)化學 、孫宏偉、南開大學, 第6章; 3. 無機化學、大學化學、無機及分析化學, 自己找視頻, 第4章。,第一章 物質(zhì)的聚集狀態(tài),大學化學,通常情況下，物質(zhì)三種可能的聚集狀態(tài)（

3、物質(zhì)分子集合的狀態(tài)）: 氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)(gaseous state, liquid state, and solid state)。處于某種聚集狀態(tài)的物質(zhì)相應(yīng)稱為氣體、液體和固體(gas, liquid, and solid)。,氣、液、固三種聚集態(tài)各有特點。氣體分子間距離相距甚遠，其本身的體積遠小于容器的容積，氣體分子間作用力很小，加之分子的無規(guī)則運動，就使得氣體具有高擴散性和高壓縮性，沒有一定的形狀和體積。液體分子間的平均距離較氣體小得多，分子間的作用力較大，較難壓縮，因此，液體雖然沒有固定的形狀，但卻有一定的體積。固體粒子結(jié)合緊密，不能自由運動，既難于壓縮，更不能流動。因此，固體有一定

4、的形狀和體積。,The structure of ice,聚集狀態(tài)在一定條件下相互轉(zhuǎn)化。例如：分子間作用力使分子聚集在一起，在空間形成一種較規(guī)則的有序排列。當溫度升高時，分子熱運動加劇。分子的熱運動力圖破壞固體或液體的有序排列而變成無序狀態(tài)，物質(zhì)的宏觀狀態(tài)就可能發(fā)生變化，由一種聚集狀態(tài)變?yōu)榱硪环N聚集態(tài)。例如從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，或從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。,繼續(xù)升高溫度，氣態(tài)分子熱運動加劇，當溫度足夠高時，原子會彼此分離，分子分裂成原子的過程稱解離。若進一步升高溫度，原子的外層電子會擺脫原子核的束縛成為自由電子。失去電子的原子成為帶電的離子，這個過程稱為電離。當電離產(chǎn)生的帶電離子數(shù)量很多時，電離的氣體行為將主

5、要取決于離子和電子間的庫侖作用力而與普通氣體不同。這是物質(zhì)的第四種聚集狀態(tài)，稱等離子態(tài)。 氣體、液體和等離子體都可在外力場作用下流動，所以也統(tǒng)稱為流體。液體和固體分子間空隙小，故稱為凝聚態(tài)。,氣體的特征:,1、 擴散性(氣體的擴散是指氣體分子會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，直到氣體物質(zhì)濃度處處均等。) 2、壓縮性 3、無一定的體積和形狀,通常用n、p、T、V來描述氣體的狀態(tài)。,1.1 氣體,1. 波義耳定律,在一定溫度下，一定量氣體的體積與其壓力的乘積為一常數(shù)。,大多數(shù)氣體只是在低壓下服從波義耳定律。,1.1.1理想氣體的狀態(tài)方程,（n， T 一定）,2. 蓋呂薩克定律,一定量的氣體在壓力

6、一定時，其體積與熱力學溫度T的商為常數(shù)。,t 為氣體的攝氏溫度，熱力學溫度T的單位為開爾文，符號為K。,在低壓下服從蓋呂薩克定律。,（n， p 一定）,3. 理想氣體狀態(tài)方程,理想氣體(ideal gas)是分子間沒有作用力，分子本身沒有體積的一種氣體。,低壓、高溫下的氣體可近似看成理想氣體。在壓力趨于零時，所有實際氣體可視為理想氣體。,結(jié)合波義耳定律、蓋呂薩克定律和阿伏伽德羅定律（等溫等壓下，氣體的體積和它的物質(zhì)的量成正比）得到理想氣體狀態(tài)方程。,p是氣體的壓力，單位是Pa（帕斯卡），V是氣體體積，單位是m3，n是氣體物質(zhì)的量，單位是mol（摩爾），T是熱力學溫度，單位是K（開爾文）， ，稱

7、為摩爾氣體常量。,（Vm為摩爾體積，單位m3mol-1）,理想氣體狀態(tài)方程,在p、V、T的非零區(qū)間，p、V、T、n的關(guān)系準確地符合pV=nRT的氣體稱為理想氣體。,可以像使用普通數(shù)字一樣對國際單位（SI單位）進行乘、除運算。 注意非SI單位與SI單位之間的換算關(guān)系，如 1 min=60 s “量值”用“數(shù)值”和“單位”的乘積表示： 量值=數(shù)值單位 物理量的符號用“斜體字母”表示，“數(shù)值”和“單位”用“正體”表示。例如 V=2.35 m3 V/m3=2.35,關(guān)于單位的幾點說明,摩爾氣體常量（R）數(shù)值和單位,因為,則,標準狀況下1 mol 氣體的體積為22.4 L。,1. 氧氣鋼瓶的體積為50

8、dm3，20 時，鋼瓶內(nèi)氣體的壓力為1.5 MPa，用理想氣體狀態(tài)方程估算氧氣的質(zhì)量。 解：由理想氣體狀態(tài)方程，得 氧氣的摩爾質(zhì)量為32 gmol-1，鋼瓶中氧氣的質(zhì)量為,2. 25 時，0.8000 g氬氣充于0.5000 dm3的瓶中，瓶內(nèi)氣體的壓力為99.285 kPa，計算氬氣的摩爾質(zhì)量和在標準狀況（0 ，101.325 kPa）下氬氣的密度。 解： 設(shè)氬氣的摩爾質(zhì)量為M，理想氣體狀態(tài)方程變形為 （15）,氣體的密度 ，式（15）可變換為,1.道爾頓分壓定律,各組分的物質(zhì)的量之和為混合氣體總物質(zhì)的量：,，某組分的分壓力(partial pressure)，等于該氣體與混合氣體溫度相同并

9、單獨占有總體積V時所表現(xiàn)的壓力。,1.1.2分壓定律和 分體積定律,道爾頓分壓定律： 在溫度與體積一定時，混合氣體的總壓力p等于各組分氣體的分壓力pB之和。 只適用于理想氣體混合物，對于低壓下的真實氣體混合物也可近似適用。,令,xB稱為組分B的物質(zhì)的量分數(shù)或摩爾分數(shù)，所有組分的摩爾分數(shù)之和等于1。,分壓定律也可表示為組分B的分壓等于總壓p乘以組分B的摩爾分數(shù)xB。,分壓定律:,3. 實驗室中用金屬鋅與鹽酸反應(yīng)制取氫氣，用排水集氣法在水面收集氫氣。25 、100 kPa下收集了350 cm3的氣體，計算收集的氫氣的質(zhì)量。已知25 時水的飽和蒸氣壓為3.1690 kPa。 解：用排水集氣法收集到的

10、氣體包括水蒸氣和氫氣。已知25 時水的飽和蒸氣壓為3.1690 kPa，由分壓定律可知，氫氣的分壓為 氫氣的物質(zhì)的量：,氫氣的摩爾質(zhì)量 ，收集的氫氣的質(zhì)量為,2. 阿馬格分體積定律,右邊各項是溫度為T, 壓力為p的組分B單獨存在時所占據(jù)的體積。,（B組分的分體積）,阿馬格分體積定律：在溫度與壓力一定時，混合氣體的總體積V等于各組分氣體的分體積VB之和。,某組分的分體積(partial volume)等于該氣體與混合氣體溫度、壓力相同并單獨存在時占有的體積。,分體積定律也可表示為組分B的分體積VB等于總體積V乘以組分B的體積分數(shù)B或摩爾分數(shù)xB。,（體積分數(shù)）,分體積定律,阿馬格分體積定律嚴格講

11、只適用于理想氣體混合物，但對于低壓下的真實氣體混合物也可近似適用。,4. 空氣主要由N2及O2組成，它們的體積分數(shù)分別為79%和21%，試求空氣的平均摩爾質(zhì)量。 解：設(shè)空氣的總質(zhì)量為m，總物質(zhì)的量為n，則平均摩爾質(zhì)量為： 氣體的摩爾分數(shù)等于體積分數(shù)，所以,范德華方程：,a和b都是與物質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)。a與分子間的吸引力大小有關(guān)，越容易液化的氣體，氣體分子間的引力越大，a越大；b與分子本身的體積有關(guān)，分子體積越大，b越大。,1.1.3實際氣體,5. 40 時，1.00 mol CO2氣體，存儲于1.20 dm3的容器中，實驗測得壓力為1.97 MPa，試分別用理想氣體狀態(tài)方程和范德華方程計算CO

12、2氣體的壓力，并和實驗值比較。 解：用理想氣體狀態(tài)方程計算 計算值與實驗值誤差 由表1.1查出CO2的 ，,計算值與實驗值誤差,一種或幾種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中所形成的系統(tǒng)稱為分散系統(tǒng)(disperse system) 。 溶液(solution)是一種物質(zhì)以分子或離子的狀態(tài)均勻地分布在另一種物質(zhì)中形成均勻的分散系統(tǒng)。 膠體被分散的物質(zhì)的粒子半徑約為10-910-7。,1.3 溶液,為方便起見，通常將溶液中的組分區(qū)分為溶劑(solvent)和溶質(zhì)(solute)。,不同的物質(zhì)在形成溶液時往往有熱量和體積的變化，有時還有顏色的變化。溶解過程不是單純的物理變化，也不是單純的化學變化，而是復(fù)雜的物理

13、化學變化。,根據(jù)溶質(zhì)的種類，溶液分為電解質(zhì)溶液和非電解質(zhì)溶液兩種。,1）物質(zhì)B的物質(zhì)的量分數(shù)（物質(zhì)B的摩爾分數(shù)）,nB是溶液中各組分的物質(zhì)的量總和。,是一個量綱為1的量。,定義：,nB是物質(zhì)B的物質(zhì)的量。,1.3.1溶液濃度表示法,2）物質(zhì)B的質(zhì)量分數(shù),定義：,mB是物質(zhì)B的質(zhì)量。,mB是溶液中各組分的質(zhì)量總和。,是一個量綱為1的量。,3）溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度,定義,質(zhì)量摩爾濃度的單位是molkg-1。,其優(yōu)點是（1）可以用準確稱樣的方法配制溶液；,（2）濃度不隨溫度而改變。,nB是物質(zhì)B的物質(zhì)的量；mA是溶劑的質(zhì)量。,4）物質(zhì)B的物質(zhì)的量濃度,定義：,物質(zhì)的量濃度的常用單位為moldm-3。,nB是物質(zhì)B的物質(zhì)的量，V是溶液的體積。,20 時，將2.50 gNaCl溶于497.5 g水，若此溶液的密度為,1.002 gcm-3，求該溶液的質(zhì)量摩爾濃度、物質(zhì)的量濃度、 物質(zhì)的量分數(shù)及質(zhì)量分數(shù)。,解：NaCl的摩爾質(zhì)量：,H2O的摩爾質(zhì)量：,。,，,溶液體積,溶液的質(zhì)量摩爾濃度,物質(zhì)的量濃度,物質(zhì)的量分數(shù),質(zhì)量分數(shù),作業(yè),二、計算題 2，4，5，7 ，9 （1， 3， 6自己練習，不交） 注意：7題，分別寫出始、末態(tài)的物質(zhì)的量。 9題，先設(shè)有1 dm3或