无机化学绪论课件

绪 言一、课程体系 “无机化学”是化工类专业（含化工、环境、生物、食品、材料等）的第一门基础课，它是由课堂讲授和实验两部分组成。1.课堂讲授 分为两个部分：一是无机化学的理论部分，包括化学反应原理和物质结构理论，另一部分是元素化学，主要讲述周期系中各族元素及其化合物的基本知识，占总学时的60；2.实验 通过实验来巩固、加深和扩大课堂讲授的内容，培养独立工作的能力和实事求是的科学态度，占总学时的40。2024/6/281 绪 言2023/7/291 二、教材：1.无机化学第三版（面向21世纪教材）天津大学无机化学教研室 编 杨宏孝 凌芝 颜秀茹 修订 （高等教育出版社出版）2.无机化学实验第三版 华东化工学院无机化学教研室编 （高等教育出版社出版）2024/6/282 二、教材：2023三、参考书1.无机化学第四版 （面向21世纪教材）袁万钟主编，高等教育出版社出版（工科国家级重点教材）2.现代基础化学（上海市“九五”重点教材）朱裕贞主编 化工出版社出版2024/6/283三、参考书1.无机化学第四版 （面向21世纪教材）2四、教学安排 总学时数：为110学时，上学期60学时，下学期50学时，课堂讲授6570学时，实验4045学时。五、教学方法 讲授方法：重点和难点讲授，部分内容自学。学习方法：课内认真听讲，做好笔记，课后及时复习，按时完成作业。六、成绩考核 期末考试成绩（80）平时成绩（20）。2024/6/284四、教学安排 总学时数：为110学时，上学期第一章第一章 化学反应中的质量关系和化学反应中的质量关系和 能量关系能量关系能量关系是本章的重点能量关系是本章的重点2024/6/285第一章 化学反应中的质量关系和 一.理想气体状态方程和分压定律(一).理想气体状态方程 pV=nRT (压力不太高，温度不太低）pPa,V-m3,n-mol,T-K(热力学温度)，R-摩尔气体常数（提问：单位是什么？）1mol的气体在标准状况（p=101.325kPa，T=273.15K）下，体积为22.414103m3，故 2024/6/286一.理想气体状态方程和分压定律(一).理想气体状态方程(二).道尔顿分压定律 气体混合物中其一组分气体（B）对器壁所施加的压力，称为该气体的分压（PB），它等于相同温度下，该气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力。混合气体的总压力等于各组成气体分压力之和，此经验规则称道尔顿分压定律。数学表达式：P=PB 2024/6/287(二).道尔顿分压定律 2023/7/297 若组分气体B和混合气体物质的量分别为nB和n。混合气体体积为V，则它们的压力分别为 （1）（2）（1）（2）得（3）2024/6/288 若组分气体B和混合气体物质的量分别为nB和n。混合(nB/n)为组分气体B的摩尔分数，含义：混合气体中任一组分气体的分压（pB）等于该气体B的物质的量分数与总压之积。同温同压下 pVB=nBRT (4)pV=nRT (5)(4)(5)得 (6)VB为分体积混合气体中组分气体B与混合气体的压力（P）和温度（T）在相同条件下占有的体积。2024/6/289(nB/n)为组分气体B的摩尔分数，2023/7/2将（6）式代入（3）中 得：表明：混合气体中任一组分气体的分压力等于该气体体积分数（或百分数）与总压之积。注意：分压定律适用于理想气体，对低压下的真实注意：分压定律适用于理想气体，对低压下的真实气体混合物近似适用。气体混合物近似适用。2024/6/2810将（6）式代入（3）中 得：2023/7/2910二二、化化学学计计量量化化合合物物和和非非计计量量化化合合物物（简）：（简）：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。非化学计量化合物组成可在一个较小范围内变动，但基本结构保持不变的化合物。如WO2.92，PdH0.8等。又称非整比化合物或贝多体。2024/6/2811二、化学计量化合物和非计量化合物（简）：2023/7/291三、化学计量数与反应进度三、化学计量数与反应进度（一）化学计量数（）某化学方程式 cC+dD=yY+zZ 按数学式移项 0=-cC dD+yY+zZ 此称化学计量方程式.若令 可简化化学计量方程式的通式：0=B表示包含在反应中的分子、原子或离子，即反应物和生成物；为数字和简分数，称为物质B的化学计量数。规定：取负值，取正值。这样 、分别为C、D、Y、Z物种的化学计量数 2024/6/2812三、化学计量数与反应进度2023/7/2912例：N2+3H2=2NH3 化学计量式：0=-N2-3H2+2NH3=各物质化学计量数：=-1 表明反应中每消耗1molN2和3molH2必生成2molNH3。2024/6/2813例：N2+3H2=2NH32023/7/2913（二）反应进度：为了表示化学反应进行的程度，国际规定了一个量反应进度（）。对化学计量方程式 0=微分式：则 若从反应开始时 0的nB（）积分到时的nB（）,可得：=则 2024/6/2814（二）反应进度：为了表示化学反应进行的程度，国际规定了一个量则 的单位为mol。对产物而言，若 ，nB()0，则 nB=2024/6/28152023/7/2915例如：N2 +3H2 =2NH3即反应开始 nB/mol 3.0 10.0 0 0 t时 nB/mo1 2.0 7.0 2.0 -1.0 -3.0 2.0 1.02024/6/2816例如：N2 +3H2 =可见：同一反应方程式，反应进度的值与选用反应式中何种物质的量的变化无关。但同一化学反应如化学反应方程式写法不同，亦即 不同，相同反应进度时对应各物质的量的变化（）会有区别。2024/6/2817 可见：同一反应方程式，反应进度的值与选用反应式中何种物化学方程式 (若 )1 1 3 2 2024/6/28182023/7/2918四、化学反应中的能量关系四、化学反应中的能量关系 专门研究能量相互转换规律的一门科学热力学。利用热力学的基本原理研究化学反应的学科化学热力学。本节重点介绍热力学理论研究化学反应的能量变化关系中若干基本概念、术语和符号以及有关计算。2024/6/2819四、化学反应中的能量关系 专门研究能量相互转换规律的（一）基本概念和术语1、体系和环境体系作为研究对象的那部分物质或空间。环境体系之外与体系密切联系的其它物质或空间。如一支试管中装一定量NaCl水溶液，再加一定量AgNO3的混合溶液，作为研究的对象的这试管中的溶液混合物（含可能有的沉淀）为体系，而试管和试管外的密切关联的物质和空间则为环境。2024/6/2820（一）基本概念和术语1、体系和环境2023/7/2920 按照体系和环境间能量和物质的交换情况，可将体系分为以下三类：敞开体系体系与环境间既有物质交换，又 有能量交换。封闭体系体系与环境间，没有物质交换但 有能量交换 孤立体系体系与环境间，物质与能量均不 发生交换。2024/6/2821 按照体系和环境间能量和物质的交换情况，2023/7/29体系分类体系和环境间交换物质能量敞开体系封闭体系孤立体系2024/6/2822体系分类体系和环境间交换物质能量敞开体系封闭体系孤立 2、状态和状态函数 聚集状态在一定条件下物质质点聚集的物理形态。有气、液、固、等离子体等之分,但化学热力学的“状态”是用一系列宏观物理量来描述，决定体系状态的那些物理量称为体系的性质。体系的状态指体系中一切客观性质的综合。如确定一瓶气体的状态，可用p、V、T和气体物质的量n来描述。2024/6/2823 2、状态和状态函数2023/7/2923 当体系的所有性质都有确定值时，该体系处于一定状态，反过来，若体系状态确定了，则体系中一切宏观性质也就有了确定的数值。如果体系中某种或几种性质发生变化，则体系状态也就发生了变化。这种能够表征体系特征的每个个别的宏观性质，称为体系的状态函数。2024/6/2824 当体系的所有性质都有确定值时，该体系处于一定状态，反 体系与环境中的一些物理量如功和热并不是状态函数。状状态态函函数数的的特特征征是：体系状态发生变化时，状态函数的改变量，只与体系的始态和终态有关，而与状态变化的具体途径无关。2024/6/2825 体系与环境中的一些物理量如功和热并不是状态函数。例如1mol理想气体 始态 终态 p1=101325Pa p2=1013250P P=P2-P1=911925PaV1=22.41410-3m3 V2=4.4810-3m3 V=V2-V1=-17.9210-3m3T1=273K T2=546K T=T2-T1=273K2024/6/2826例如1mol理想气体 2023/7/29263、热和功 热和功是体系状态发生变化时与环境交换或传递能量的两种不同形式。热体系与环境间因温度不同（因而存在温差）而传递的能量。功除热以外，其它各种形式被传递的能量都称为功。功有多种形式，如机械手作的机械功，电能作的电功，化学反应作体积功等等。2024/6/28273、热和功2023/7/2927 在化学反应中涉及较广的是体积功，即由于化学反应发生引起体系体积变化反抗外力作用而与环境交换的功，称为体积功；其他功统称非体积功。通常热量Q，功W，单位均为焦耳(J）或千焦（kJ）。它们数值的正负号使用是人为规定的，根据国际最新规定，以体系的能量得失为标准：2024/6/2828 在化学反应中涉及较广的是体积功，即由2023/7/2（1）若体系能量增加（即从环境得到能量）：Q0（体系吸热），W0（环境对体系作功）；（2）若体系能量减少（即体系损失能量）：Q0（体系放热），WV1（始态）W（膨胀）=FL-=-P外压强AL=-P（V2-V1）=-PV02024/6/2829（1）若体系能量增加（即从环境得到能量）：-=-P外压强A反之，气缸内气体恒定外压作用被压缩V2（终态）0 注意，由于热和功是体系发生状态的某过程中改变与环境间交换能量的两种形式，因此热和功途径有关不仅与体系的始、终态有关，而且还与过程的具体，所以它们不是状态函数。2024/6/2830反之，气缸内气体恒定外压作用被压缩V2（终态）V1（始态）4、热力学能 体系内部所有能量的总和，称热力学能（曾称内能），符号为“U”，体系内部的能量很多，如体系内分子、原子、离子等的内动能；分子、原子、离子间的相互作用能（含位能和化学键）；分子内部各种微粒如原子、原子核，电子等运动的能量与粒子间的相互作用等等。由于这些内部质点运动和相互作用的复杂性，因而到目前为止（任何）体系的热力学能的绝对值难以测定。2024/6/2831 4、热力学能2023/7/2931 但它是体系自身的属性，体系在一定状态下，其热力学能应有一定的值，故U是状态函数，因为“U”是状态函数，其改变量U只与体系的始、终态有关，而与变化过程的途径无关.2024/6/2832 但它是体系自身的属性，体系在一定状态下，2023/7/25、能量守恒 在孤立体系中能量不会自生自灭，但可从一种形式变为另一种形式，其总量不变，这个经验规律即称能量守恒定律。若一个封闭体系，体系从环境吸热（Q），又从环境得功（即环境对体系作功）（W），则热力学能从U1变到U2的状态。此即为热力学第一定律的数学表达式，含义是：封闭体系热力学能U的变化等于体系吸收的热和体系从环境所得的功的总和。即能量守恒定律在热、功传递过程中的具体表述。2024/6/28335、能量守恒2023/7/2933（二）反应热和反应焓变 1、恒压反应热和反应焓变 反应热化学反应时，若体系不做非体积功，且反应终态的温度恢复反应始态的温度时体系吸收或放出的热量。通常化学反应是在恒压条件下进行的，（如敞口进行的化学反应），如果体系不做非体积功，终态温度等于始态温度，这过程的反应热称为恒压反应热QP。2024/6/2834（二）反应热和反应焓变2023/7/2934 对于有气体参加或生成的反应，可能会引 起体积变化（），则体系对环境作功，对于封闭体系，体系只作体积功的恒压过程，由热力学第一定律可得到：令H=U+PV，H称为焓，因U、P、V均为状态函数，所以H H也是状态函数。也是状态函数。2024/6/2835 对于有气体参加或生成的反应，可能会引 2023/7/显然H的绝对值目前也难测到。其能测定并有实际意义的则是状态改变时焓的改变值 ，称焓变。由上式可得：QP=（U2+PV2）-（U1+PV1）=H2-H1=2024/6/2836 显然H的绝对值目前也难测到。其能测定并有实际意义的则 即：在恒压及反应始、终态温度相等条件下，反应热等于生成物与反应物的焓差，即恒压反应热等于体系的焓变。如：恒压（298.15K）下2H2(g)+O2（g）2H2O（g）QP=-483.64kJmol-1体系的焓值减小（，表明此反应为放热反应。恒压（298.15K）下 N2（g）+2O2(g)2NO2（g）QP=66.36kJmol-1体系的焓值增加（，表明此反应为吸热反应。2024/6/2837 即：在恒压及反应始、终态温度相等条件下，2023/72、热化学反应方程式 表示化学反应与热效应（反应热）关系的方程式，称为热化学反应方程式。2H2（g）+O2(g)2H2O（g）QP=-483.64kJmol-1 此式表示：在298.15K，100kPa（P）下，当反应进度为1mol时，放出483.64kJ的热量，rHm称摩尔反应焓变。2024/6/28382、热化学反应方程式2023/7/2938 书写热化学方程式应注意以下几上几点：（1）要注明反应的温度和压力，如果是100 kPa，298.15K可略去不写。严格说，T对H是有影响的，但一般影响不大，故计算在其它温度下仍可按298.15K时处理。（2）必须按物质的聚集状态，气g(gas)，液l（liguid），固s（solid），若上式中H2O为l，则Qp=-571.66kJmol-1 2024/6/2839 书写热化学方程式应注意以下几上几点：2023/7/293（3）同一反应，化学计量方程式不同，QP也不同，例如 H2(g)+H2O(g)Qp=(4)正逆反应的Qp绝对值相同，但符号相反。2024/6/2840（3）同一反应，化学计量方程式不同，QP2023/7/294 3、赫斯定律 反应热一般可通过实验测出，但有的反应热难测定，如C(s)+（g）CO(g)的 Qp。但C（s）燃烧生成CO2(g)(恒温、恒压下)可按两种不同途径完成。2024/6/2841 3、赫斯定律2023/7/2941 1840年俄籍瑞士人，G.H.Hess，根据大量的实验结果总结出一条规律：一个化学反应如果分几步完成，则总反应热等于各步反应的反应热之和，称赫斯定律。Qp=QP1+QP2从热力学观点，化学反应的 只取决于反应的始、终态，与反应途径无关，且恒温恒压下：Qp=2024/6/2842 1840年俄籍瑞士人，G.H.Hess，根据大量20故赫斯定律为：=+则QP1=(-393.51)-(282.98)kJ =-110.53kJmol-1 应用此定律，不仅可计算某些恒压反应热 ，从而可以减少大量实验测定工作，且还可计算难以或无法用实验测定的某些反应的反应热。2024/6/2843故赫斯定律为：=+2023/7/294（三）应用 计算 1、标准状态 出于理论研究的需要，化学热力学规定了物质的标准状态（简称标准态）。气体 下纯气体的状态 液体、固体 下，最稳定的纯液体、纯 固体的状态 液液中的溶质 下，质量摩尔浓度为1molkg-1（常近似为C=1molL-1）时的状态（的 具 体 数 值 1993年 国 际 标 准 化 组 织 统 一 采 用101.325kPa 100 kPa，数值改动后除对某些热力学常数有微小变动外，一般影响不大。）物质标准态并无温度的规定。2024/6/2844（三）应用 计算2023/7/29442、标准摩尔生成焓（）在标准态下，由最稳定的纯态单质生成单位物质的量的某物质时的焓变或恒压反应热（Qp），称为该物质的标准摩尔生成焓。其单位为kJmol-1，T通常为298.15K。如C（s）+O2（g）CO2（g）=-393.51kJ.mol-1=（CO2,g)，显然根据 的定义，（最稳定纯态单质）=0。2024/6/28452、标准摩尔生成焓（）2023/7/2945 同种元素有多种单质时（同素异性体）以最稳定的纯态单质的 =0,如C中的石墨，C（石墨）C(金刚石)=1.895kJmol-1 (金刚石)=1.895kJmol-1 可通过查热力学数据表知道最稳定的单质是那一种，如P有白磷、红磷等单质，查表 （白磷）=0,而 （红磷）=-17.6 kJmol-1。可知白磷是磷的最稳定的单质。根据 可计算 ，也可用于判断同类型化合物的相对稳定性。2024/6/2846 同种元素有多种单质时（同素异性体）以最2023/7/294同类型化合物 Na2O Ag2O /kJmol-1 稳定性-434.2 -31.0加热不分解 537K(264)以上分解所以，代数值越小，该化合物越稳定。2024/6/2847同类型化合物 Na2O 3、利用 计算 根据 的定义和赫斯定律可以导出该计算方法是：化学反应的标准摩尔反应焓变等于所有生成物的标准生成焓的总和减去所有反应物的标准摩尔生成焓的总和。对一般的化学反应 cC+dDyY+zZ各物均处于温度为T（通常用298.15K）的标准状态下，则 =y (Y)+z (Z)-c (C)+d (D)2024/6/28483、利用 计算2023/7/2948用化合计量数表示简化为：=i (生成物)+i.(反应物）=例：计算恒压反应 4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)的 判断它是吸热还是放热反应？2024/6/2849用化合计量数表示简化为：2023/7/2949解：=4 (NO,g)+6 (H2O,g)+(-4)(NH3，g)+(-5)(O2,g)=(490.25+6(-241.8)-4(-46.11)=-905.48kJ.mol1因 0可判断此反应是放热反应。也可用此式计算其中某种物质的 。（当已知 时 ）2024/6/2850解：=2023/7/2950例：已知下列反应(1）2Cu2O(s)+O2(g)4CuO(g);()1=-292kJmol1（2）CuO(s)+Cu(s)Cu2O（s）;()2=-11.3kJmol1不查 数据表，计算CuO(s)的 =?解;（2)式2=(3)式 2CuO(s)+2Cu(s)2Cu2O(s)（)3=2()2=22.6kJ.mol1（3）式+(1)式=(4)式：2Cu(s)+O2(g)2CuO(s)()4=()3+()1=314.6kJmol1 (CuO，s)=2024/6/2851例：已知下列反应解;（2)式2=(3)式2CuO(s)+2基本要求：1.能应用物质的f Hm计算r Hm（任何反应）；2.熟悉化学反应质量关系和能量关系中常用的一些基本概念、符号和术语。2024/6/2852基本要求：2023/7/2952