化学反应中的质量关系和能量关系.ppt

无机化学无机化学 Inorganic chemistryInorganic chemistry 2 课程简介: 无机化学是化学学科的重要基础课，四大化学之一。 第一门化学基础课，是后继化学课及专业课的基础。 是培养化工、材料、环境等各类专业工程技术人才的整体知识结构及能 力结构的重要组成部分 性质和作用 课程设置与要求 主要内容：化学反应的基本原理（1-4章，重点掌握） 物质结构的基础理论（5-8章，理解） 主要元素及化合物的基本知识（9-15章，了解） 无极实验的基本技能（16章，了解） 目的：培养学生具有分析解决一般无机化学实际问题的能力，具有进行无 机化学实验和自学无机化学书刊的能力 第一章 化学反应中的 质量关系和能量关系 第一节 物质的凝聚态和层次 4 1 物质的聚集态和层次 聚集态 物质三态：气体、液体、固体 等离子态：高温、辉度放电、射线辐射等条件下气体分子部分或 全部解离为 粒子状态，呈现出与有别于气、液、固三态的一种新物态。 物质的层次 层次空间尺度遵循运动规律实例 宇观103m相对论力学地球、太阳、星云 宏观10-8106m牛顿力学交通工具 介观10-910-7m牛顿力学和量子力学纳米材料与科学 微观10-8m量子力学原子、分子、电子、核子 第一章 化学反应中的 质量关系和能量关系 第二节 化学中的计量 u具有确定质子数和中子数的一类单 核粒子称为核素。 u元素是具有相同质子数的一类单核 粒子的总称。 u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。 自然界中氧有三种同位素: 16O 17O 18O 含量/% 99.759 0.037 0.204 碳也有三种同位素： 12C 13C 14C 含量/% 98.892 1.108 6 1.2.1 相对原子质量和相对分子质量 例如： Ar(H) = 1.0079 Ar(O) = 15.999 相对原子质量(Ar) 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。 7 1.2.1 相对原子质量和相对分子质量 例如： Mr(H2O)= 18.0148 18.01 Mr(NaCl)= 58.443 58.44 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。 相对分子质量(Mr) 1.2.1 相对原子质量和相对分子质量 8 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：n 单位：摩尔（mole）、mol 物质的量 1.2.2 物质的量及其单位 9 系统中的物质的量若为1mol，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。 0.012 kg 12C所含的碳原子数目称为阿 伏加德罗常数Avogadro（NA） (6.0221023个)。 1.2.2 物质的量及其单位 10 1mol H2表示有NA个氢分子 2mol C表示有2NA个碳原子 3mol Na+表示有3NA个钠离子 4mol (H2+O2)表示有4NA个 (H2+O2)的特定组合体，其中含有4NA 个氢分子和2NA个氧分子 1.2.2 物质的量及其单位 11 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 1.2.2 物质的量及其单位 12 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 =1/5 x(N2)=4mol/(1+4)mol =4/5 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 摩尔分数 1.2.2 物质的量及其单位 13 例如：1mol H2的质量为2.0210-3kg H2的摩尔质量为2.0210-3kgmol-1 某物质的质量(m)除以该物质的物质的量(n) M = m/n M的单位：kgmol-1或gmol-1 摩尔质量 1.2.3 摩尔质量和摩尔体积 14 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 = 0.022414 m3mol-1 = 22.414Lmol-1 22.4Lmol-1 某气体物质的体积(V)除以该气体物质的量(n) Vm = V/n 单位： m3mol-1 摩尔体积 1.2.3 摩尔质量和摩尔体积 15 混合物中某溶质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：molL-1 例如 若1L的NaOH溶液中含有0.1 mol 的NaOH，其浓度可表示为： c(NaOH) = 0.1 molL-1 物质的量浓度简称为浓度 物质的量浓度(cB) 1.2.4 物质的量浓度 16 理想气体状态方程 pV = nRT p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 1.2.5 气体的计量 17 适用对象 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。 1.2.5 气体的计量 18 实验测知1mol理想气体在标准状况下的体积为 22.41410-3 m3, 则 101.325103Pa22.41410-3 m3 1mol273.15K = = R= pV/nT = 8.3144 Pam3mol-1K-1 = 8.3144 Jmol-1K-1 1.2.5 气体的计量 摩尔气体常数 19 1) 求摩尔质量 M = mRT/pV 2) 求密度 = m/V = pM/RT 或 M = RT/p 1.计算p,V,T,n中的任意物理量 2.确定气体的密度和摩尔质量 1.2.5 气体的计量 理想气体状态方程的应用 20 气体的分压(pB) 气体混合物中，某 一分气体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 = pB 理想气体分压定律 1.2.5 气体的计量 21 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/V p = nRT/V 将两式相除，得 pB nB p n 为组分气体B的摩尔分数 nB n p pB B = n= n n nB Bp p 则则 总压与分压的关系 1.2.5 气体的计量 22 同温同压下,气体物质的量与其体积成正比则 V VB B n n B B V nV n = = pB nB p n 而 而 所以所以 pB = p VB V 总压与分压的关系 1.2.5 气体的计量 23 总压与分压的关系 1.2.5 气体的计量 24 解 m(CO2) 5.00g M(CO2) 44.01gmol-1 n(CO2)= = =0.114mol p(CO2)= = Pa n(CO2)RT 0.1148.314303.15 V 1.0010-2 =2.87104 Pa p(N2)=p-p(O2)-p(CO2)=(9.33-2.67-2.87)104Pa =3.79104 Pa 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 1.2.5 气体的计量 25 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： 分子型物质化学式分子式 气态氯化铝AlCl3Al2Cl6 水H2OH2O 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。 1.2.6 化学计量化合物 26 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43 原子比恒为11 化学计量化合物 1.2.6 化学计量化合物 27 第一章 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 化学计量数()【读音nju:】 化学反应 cC + dD = yY + zZ 移项 0 = -cC - dD + yY + zZ 令 -c =C、-d =D、y =Y、z =Z 规定，反应物的化学计量数为负， 产物的化学计量数为正。 1.3.2 化学计量数与反应进度 29 因此，对任一化学反应 cC + dD = yY + zZ 可得： 0 BB B 可简化写出化学计量式的通式： 0 =CC +DD +YY + ZZ B包含在反应中的分子、原子或离子 B (物质)B的化学计量数 化学计量数() 1.3.2 化学计量数与反应进度 30 例 N2 + 3H2 = 2NH3 0 = N2 3H2 + 2NH3 =(N2)N2 +(H2)H2 +(NH3)NH3 N2、H2、NH3的化学计量数 (N2) =1、(H2) =3、(NH3) = 2 表明反应中每消耗1mol N2和3mol H2，生成2mol NH3 1.3.2 化学计量数与反应进度 化学计量数() 31 对于化学计量方程式 d = dnB /B nBB的物质的量；反应进度，单位为mol BB的化学计量数 开始时0=0, 、 nB = 反应进度为时： nB =B 1.3.2 化学计量数与反应进度 反应进度() 【读音ksai】 0 BB B 改写为 dnB = B d 32 nB =B 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()及各自的计量 系数(B)有关。 1.3.2 化学计量数与反应进度 反应进度() 33 例 反应：N2 + 3H2 = 2NH3 N2、H2、NH3的化学计量数 (N2) =1、(H2) =3、(NH3) = 2 根据 nB/B 可确定反应进度。 n(Nn(N 2 2 )/mol)/mol n(Hn(H 2 2 )/mol)/mol n(NHn(NH 3 3 )/mol)/mol/mol/mol 0 0 0 0 0 0 0 0 -1/2-1/2 -3/2-3/2 1 1 1/21/2 -1-1-3-3 2 2 1 1 -2-2-6-6 4 4 2 2 对同一化学反应方程式，反应进度 ()的值与选用反应式中何种物