第一章+物质的聚集状态1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,普 通 化 学,(General Chemistry),华 伟 明,电话：,65642409 (,内线：,22409),实验室,手机：,办公室：国权路,579,号催化楼,301,室,教材与参考书,教材,：,现代化学原理,（上、下册）,参考书：,普通化学原理,华彤文等编著，（北京大学出版社）,课件,PPT,登录, 普通化学,A(,上,),资源,作业,成绩评定,课堂纪律,普通化学,A(,上,),的简单介绍,对化学的基本概念和原理作,初步介绍,，为深入学习,其它化学课程,打下良好基础,第一章 物质的聚集状态（气体,、,液体,、,溶液、固体）,第二章 原子的电子结构,第三章 化学键和分子结构,第四章 化学热力学,普通化学,A(,下,),第一章 化学热力学,第二章 化学平衡通论,第三章 化学动力学,第四章 水溶液中的离子平衡：弱酸弱碱的电离平衡、沉淀,-,溶解平衡、配位平衡,第五章 氧化还原反应和电化学,第六章 元素化学,绪 论,什么是化学,?,化学是自然科学中的基础学科之一。化学是一门在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。化学与人类生活有着密切的关系,化学,对人类社会作出了巨大贡献,为了生存的需要，人们必须在有限的土地上生产出更多的粮食和农产品，化学承担着化肥和化学农药的重大责任,能源也是人类生存的必要条件之一，然而石油、煤和天然气等化石能源日趋减少：合理而又综合地利用这些资源；开发新的能源,(,核能、化学电源等,),。化学是能源的开拓者,石油：,1.258,万亿桶，可开采,42,年,天然气：,185.02,万亿立方米，可开采,60,年,煤炭：,8260,亿吨，,可开采,122,年,(,集中分布在亚太地区和北美洲,),BP,世界能源统计,2009,世界化石能源,我国化石能源,石油：,155,亿桶，仅占全球总量的,1.2%,天然气：,2.46,万亿立方米，仅占全球总量的,1.3%,煤炭：,1145,亿吨，占全球总量的,13.9%,化学是材料的研制者，每一种新材料的出现都将人类生活质量推向一个新的台阶。,20,世纪,50,年代，出现了半导体材料，于是我们有了微型化和便携式的电器。,60,年代发明了聚合反应的催化剂，人类就进入了高分子时代。,新的合成药物层出不穷，大大提高了人类的平均寿命，从,1900,年的,45,岁到现在的将近,80,岁,随着经济的发展和人口的增长，人类赖以生存的环境也在受到日益严重的污染。化学是环境的保护者,George A. Olah, et al., Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy,2006,胡金波等译,跨越油气时代,:,甲醇经济,2007,化学和自然科学其它领域的联系,化学在自然科学中的地位,化学的,分支学科,化学所涵盖的内容广泛而丰富，它是主要从三个方面研究物质的科学,利用各种分析方法测定物质由哪些原子以什么比例组成，原子间以什么作用力结合在一起，它们具有什么样的空间排布,用化学合成手段制造出各种组成和结构的化合物和材料,阐明并控制化学反应的全过程,化学是一级学科，其分支学科称为二级学科。按研究对象或研究目的不同，可将化学分为：无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学、生物化学等二级学科。二级学科以下还可细分为三级学科，如：催化是物理化学的分支学科。,无机化学,最古老的化学分支，早期的化学研究基本属于无机化学范畴。是研究无机物的组成、结构、性质、互相转变及应用的科学,随着无机化学研究范围不断扩展并与其他学科交叉、渗透，形成了元素化学、无机合成化学、配位化学、生物无机化学、无机固体化学、原子簇化合物化学、超分子化学等三级学科,有机化学,是研究有机化合物的来源、合成方法、组成、结构、性能、应用及有关理论的科学。复杂生命现象的研究对象主要是有机分子，因此,有机化学的深入研究也为研究生物活性物质与解决生命科学的课题提供必要的基础与条件,主要内容包括：天然产物化学、有机合成化学、物理有机化学、元素有机化学、生物有机化学、染料化学等,分析化学,根据化学和物理学的原理，应用各种方法和仪器，用以鉴别和测定物质的化学组成、结构、存在形式及有关组分的含量等的科学,按任务可分为定性分析、定量分析和结构分析；按分析方法可分为化学分析和仪器分析。以化学反应为基础的分析方法称为化学分析法，是分析化学的基础；利用特定仪器并以物质的物理化学性质为基础的分析方法称为仪器分析法,现代分析化学正向快速、准确、灵敏、微量、微区、表面、自动化等方向发展。主要内容包括：光谱分析、电化学分析、色谱分析、质谱分析、核磁共振、表面分析、放射化学分析、单分子,(,原子,),检测、生化分析等,物理化学,以物理学的原理和实验技术为基础，研究化学变化基本规律的科学。是化学的基础理论，涵盖从微观到宏观对结构与性质的关系、化学过程机理及其控制的研究,主要内容包括：化学热力学、化学动力学、结构化学、量子化学、电化学、催化化学、胶体化学、单分子科学等,高分子化学,是研究高分子化合物的分离、提取、结构、性能、合成方法、成型加工等的科学,主要内容包括：高分子合成化学；高分子物理；功能高分子及器件；高分子加工与成型；高分子高级结构、尺度与性能的关系；通用高分子材料等,化学学科在其发展过程中还与其它学科交叉结合而形成各种新兴学科。例如：生物化学；材料化学；放射化学；应用化学；激光化学；地质化学；环境化学；计算化学；能源化学；绿色化学；化学信息学；纳米化学；化学生物学,当前化学发展的总趋势,宏观 微观,(,纳米化学、单分子化学,),静态 动态,(,飞秒化学,),定性 定量,(,超微量分析,),体相 表相,(,表面、界面分析技术等,),描述 理论,分子 器件，等。,当前化学的主要任务和发展动向,开发最佳的化学过程,(,原子经济反应、绿色化学,),以社会需要为导向，寻找和设计最佳的化合物和材料,发展分析测试新方法,化学研究的六个发展趋势,不同学科之间的交叉和融合：生命科学中的基本化学问题；,材料科学中的基本化学问题；可持续发展的基本化学问题,(,绿色化学、环境化学、能源化学,),理论和实验更加密切结合,更加重视尺度效应：分子以上层次、尺度效应和多尺度问题,合成化学的新方法,造成污染的传统化学向绿色化学的转变,新实验方法的建立和方法学研究,第一章,物质的聚集状态,固体（,Solid,）,液体（,Liquid,）,气体（,Gas,）,三种物态之间可随温度或压强变化而互相转化,物质的聚集状态,（物质的三态）,第四态：等离子体（,Plasma,）。当温度足够高，外界提供的能量打破了气体分子中的原子核和电子的结合，气体就电离成由自由电子和正离子组成的电离气体，即等离子体。等离子体的意思是指其中粒子所带的正、负电量是相等的。例：等离子电视。,液体与固体之间的过渡状态：液晶（,Liquid crystal,）。液晶既具有液体的性质（流动性），也具有晶体的性质（光学和电学性质与液体不同，很象晶体，是各向异性）。例：液晶显示器、液晶电视,一,.,气 体,成 份,摩尔分数,成 份,摩尔分数,N,2,0.7808,N,2,O,5,10,-7,O,2,0.2095,Xe,8.7,10,-8,Ar,0.00934,SO,2,1,10,-6,CO,2,0.00033,O,3,1,10,-7,Ne,1.82,10,-5,NO,2,2,10,-8,He,5.24,10,-6,I,2,1,10,-8,CH,4,2,10,-6,NH,3,1,10,-8,Kr,1.14,10,-6,CO,1,10,-8,H,2,5,10,-7,NO,1,10,-8,海平面上干燥空气的组成,气体的特性：,具有可扩散性和可压缩性,无固定形状,密度很小,可以以任何比例混合,不同的气体化学性质不同（,H,2,、,O,2,），但它们表现出来的宏观性质（,P、T、n、V）,却非常相似。,气体的状态变量：,P、T、n、V,P,压强，,T,温度，,n ,化学量（物质的量），,V ,体积,1,.,理想气体状态方程,任何一种物质：,V = f (T, P, n),对于液体和固体，该关系式非常复杂。但是不同的气体在一定的条件下（,高温低压,）都符合同一个关系式,理想气体：,（,a,）气体分子有质量但没有体积,（,b,）,气体分子,间除了弹性碰撞外，无其它相互作用力,PV = n,RT,理想气体状态方程,真正的理,想气体是不存在的，但在,高温低压,条件下，实际气体接近于理想气体，为什么？,简单推导：假设一定量的某种气体，由始态（,P,1,V,1,T,1,）变到终态（,P,2,V,2,T,2,）,n,保持不变，分两步进行，每步只涉及两个变量。,P,2,V,T,1,P,1,V,1,T,1,P,2,V,2,T,2,等压,等温,始态,终态,问题：,T,1, T,2,V,V,2,?,（,1,）等温变化,波义耳定律,：一定温度下，一定量气体的体积与压强成反比。,PV,=,常数,P,1,V,1,= P,2,V V = P,1,V,1,/P,2,波 义 耳,（,2,）等压变化,查理盖,吕萨克定律,：一定压强下，一定量气体的体积与,绝对温度,成正比。,查 理,假定终态为：,P,3,V,3,T,3,，,.,，,P,i,V,i,T,i,常数,= nR,PV = nRT,在实际运用理想气体状态方程时，要注意两点：,（,1,）在不同的条件下，它有不同的表现形式,（,2,）单位和单位的匹配,单位：,SI,制和非,SI,制,P,：,Pa,（,SI,）,kPa,，,atm,，,mmHg,，,torr,，,bar,1 atm = 760 mmHg = 760 torr = 101.3 kPa = 1.013,10,5,Pa,1 bar = 1000 mbar = 100 kPa = 10,5,Pa,V,：,m,3,（,SI,）,dm,3,（,L,），,cm,3,（,mL,）,1 m,3,= 10,3,dm,3,= 10,6,cm,3,T,：热力学温度（或绝对温度），,K,T,（,K,）,= 273.15 + t,（,o,C,）,n,：物质的量或化学量，,mol,，,mmol,在,PV = nRT,中，,n,的单位只能是,mol,R,：摩尔气体常数（量纲，,R = PV/(nT),），,P44 /,表,23,8.314 Pa,m,3,mol,-1,K,-1,8.314 kPa,L,mol,-1,K,-1,0.08206 atm,L,mol,-1,K,-1,单位的匹配：,T,K,，,n mol,P,：,Pa kPa atm,V,：,m,3,L L,R:,8.314 8.314 0.08206,R,：能量单位，,8.314 J,mol,-1,K,-1,Pa,m,3,= J,推导,：,例,1. 30,o,C,，,1atm,下，体积为,1.0,10,4,L,的,He,气球上升至,0.60atm,，,-20,o,C,高空后，体积有多大？,解：上升前：,P,1,，,V,1,，,T,1,；上升后：,P,2,，,V,2,，,T,2,n,不变，所以有：,例,2. 实验测,得,310,o,C，101.3kPa时,，单质气态磷的密度为,2.64g/dm,3,，求,：该气体的分子量及气态磷的分子式,P,x,？已知：,P的原子,量为,30.96 g/mol,。,极限密度法测定气态物质的精确分子量,表明：在压强为0,1,atm,范围内，以,P/,对,P,作图，直线在,P/,轴上的截距应为：(,P/,),0,= RT/M 。,P,为,0,1,atm,P. 50-51,（了解）,25.00,o,C,时，,(,CH,3,),2,O,的,P/,P,图,= 46.071 (,g mol,1,),1,L,4,L,a) 1 atm O,2,真空 混合后：,b),真空 2,atm N,2,混合后：,c),1 atm O,2,2 atm N,2,混合后:,P = ?,2.,混合气体,Dolton(,道尔顿,),分压定律,Dolton,分压定律适用条件,：,(1),无化学反应发生,(2),只适用于理想气体,T,保持不变,Dolton,分压定律：,在,温度与总体积恒定时，混合气体的总压等于各组分气体的分压强之和,。,Dolton,分压定律的数学表达式:,上面的例子中：,P,总,=,p,O2,+ p,N2,= 0.2 + 1.6 = 1.8 atm,分压,：一定温度下，混合气体中单个组分气体单独占有总体积时所表现的压强。分压不可以测量。,P,总,=,P,A,+ P,B,+ P,C,+,+ P,i,+,每一组分气体都是理想气体，则有：,P,A,= n,A,RT/V,总,P,B,= n,B,RT/V,总,P,i,= n,i,RT/V,总,P,总,=,n,A,RT/V,总,+ n,B,RT/V,总,+,+ n,i,RT/V,总,+,= (n,A,+ n,B,+,+ n,i,+,)RT/V,总,=n,总,RT/V,总,又因为：,（,Dolton,分压定律的另一种表达方式,）,（物质的量分数）,Dolton,分压定律的其它表达形式,在,温度和总压强恒定,的条件下，混合气体的总体积等于各组分气体的分体积之和。,分体积,：一,定温度下，混合气体中单个组分气体在压强为,P,总,时所占有的体积。分,体积,不可以测量。,V,总,=,V,A,+ V,B,+ V,C,+,+ V,i,+,P,总,V,i,= n,i,RT,例,3.,在25,o,C，758mmHg,时从水面收集到饱和有水蒸气的氢气152,mL。,已知：25,o,C,时,水的饱和蒸气压,为23.76,mmHg。,计算：,（1）,H,2,的分压；（2）收集到的,H,2,的物质的量；（3）干燥,H,2,的体积。,(1) P,H2,= 758, 23.76 = 734.24 (mmHg),(2) P,H2,V,总,= n,H2,RT,(3),解法一,P,总,V,H2,= n,H2,RT,解法二,例,4.,在25,0,o,C，PCl,5,全部气化并能部分转化为,PCl,3,和,Cl,2,，,现将2.98,g PCl,5,置于1.00,L,的容器中，在25,0,o,C,全部气化后，测得其总压为113,kPa。,计算：容器中各气体的分压。,已知：,M,PCl5,208.5 g/mol,解法一,V,总,、,T,不变，摩尔数之比等于分压之比，因此，摩尔数的变化可以用分压的变化来表示,PCl,5,PCl,3,+ Cl,2,初始：,P,PCl5,0,0 0,转化：,x x x,平衡：,P,PCl5,0,x,x,x,62.2,x,+,x,+,x,= 113,x,= 50.8 (kPa),平衡时，,P,PCl5,= P,PCl5,0,x,= 62.2 50.8 = 11.4 (kPa),P,PCl3,= P,Cl2,=,x,= 50.8 (kPa),PCl,5,PCl,3,+ Cl,2,初始：,n,PCl5,0,0 0,转化：,x x x,平衡：,n,PCl5,0,x,x,x,解法二,P,总,V,总,= n,总,RT,113,1 = (0.01429+,x,)8.314(273.15+250),x,= 0.01169 (mol),平衡时，,3,.,实际气体方程,实际上，气体分子本身是有体积的，它们占有容器的一部分空间。而且分子间确实存在着某种吸引力（气体能液化的事实可说明）。,在高温低压的条件下，实际气体可当作理想气体来处理。在其它条件下（尤其是在低温高压条件下），实际气体不再适用理想气体状态方程，可以用一些经验方程来描述它的行为，常用的是,van der Waals,（范德华）方程。,1881,年,van der Waals,提出的修正的气态方程：,P,：,实际气体的压强，,V,：,实际气体的体积,。,a,b,为,van der Waals,常数，分别用于校正压强和体积，与气体自身的性质有关。,压强的校正，体积的校正,van der Waals,H,2,、,O,2,和,CO,2,的,PV,P,图,实际气体行为的状态图,理想气体,1 mol,273.15 K,作业：,P45,：,1,，,3,P47,：,3,（水的摩尔质量为,18.0 g/mol,）,P48,：,10,（,K,ClO,3,的摩尔质量为,1,22.55,g/mol,O,2,的摩尔质量为,3,2.0,g/mol）,对应书上的内容：,P1,P5,，,P36, 50,上,P205,下, 207,上,预习：,P228, 234,（例,9,1,不要求，热力学推导,不要求,）,