物质及其变化

第一章 物质及其变化,第一节 物质的聚集状态 1-1 气体 1-2 液体 1-3 固体 1-4 等离子体,第二节 化学反应中的质量关系和能量关系 1-1 质量守恒定律 1-2 反应热效应 焓变 1-3 热化学方程式 1-4 热化学定律,1-5 生成热（生成焓）,1-1 气体 1. 理想气体状态方程式 2. 混合气体分压定律 3. 混合气体分体积定律,1. 理想气体状态方程式,理想气体的假设： 分子没有质量、没有体积、没有作用力 理想气体状态方程式 P V = n R T （T为热力学温度）,1-1 气体,注： 8.314 Pa m3 mol-1 K-1 8.314 kPa L mol-1 K-1 8314 Pa L mol-1 K-1,= 8.314 Pa m3 mol-1 K-1,在标准状态下（SI）：P=101.3256103Pa, Vm=22.41410-3m3, n=1.000mol, T=273.15K,理想气体状态方程式的运用,(2) 理想气体状态方程式几种特殊情况的应用： P V = n R T P, n 恒定，则为盖吕萨克(ay-Lussac)定律 ：V1/V2= T1/T2,(1) 求P、V、 n、 T四个物理量之一。适用于温度不太低、压强不太高的真实气体。, V, n 恒定：则为查理 (Chuurle) 定律：P1/P2 = T1/T2 T, n 恒定，则为波意耳 (Boyle) 定律：P1V 1= P2V 2 T, P 恒定：则为阿佛加德罗(Avogadro) 定律：V1/ V2 = n1/ n2,(3) 理想气体状态方程式的其它运用, 求分子量（摩尔质量）Mr PV =nRT =(m/M) RT M=mRT/PV 求密度（) = m/V P(m/) = nRT = P(m/n)/(RT) M= m/n = (PM)/(RT),2. 混合气体分压定律,组分气体：混合气体中的每一种气体就称为组分气体。 分压力：混合气体中每一组分气体在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体的分压力。,nA,nB,nB,nA,PA,PB,P总,T、V相同,nA,nB,P总 = PA + PB + （T，V恒定）,同理,或,混合气体分压定律：混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。,V,RT,),n,n,(,B,A,+,=,=,V,RT,n,P,总,总,例1 （P3）：在0.0100 m3容器中含有2.5010-3 mol H2, 1.0010-3 mol He 和 3.0010-4 mol Ne，在35时总压为多少?,解: p(H2) =,解题思路一：,V,RT,+nc ),n,n,(,B,A,+,=,=,V,RT,n,P,总,总,解题思路二：,P总=PA+PB+PC,p(He) =,= 256 Pa,p(Ne) =,= 76.8 Pa,= 640 Pa,解法二： P总 =,n(总)RT,V,=,n(H2) + n(He) + n(Ne)RT,V,P总 = P(H2)+P(H2O) +P(H2O)= (640+256+76.8) Pa = 973 Pa,例2 :（P3）用锌与盐酸反应制备氢气: Zn(s) + 2H+ Zn2+ + H2(g), 如果在25时用排水法收集氢气, 总压为98.6 kPa (已知25时水的饱和蒸气压为3.17kPa), 体积为2.5010-3 m3. 求: （1）试样中氢的分压是多少? （2）收集到的氢的质量是多少?,解题思路：,P总 = PA + PB,PAV =nART =(m/M) RT,解: (1) 用排水法在水面上收集的气体为被水蒸气饱和了的 氢气, 试样中水蒸气的分压为3.17 kPa, 根据分压定律:,P(H2) = P总 - P(H2O) = (98.6-3.17) kPa = 95.4 kPa,(2) P(H2)V= n(H2)RT =,m(H2) =,=0.194g,P总 = P(H2) + P(H2O),分体积的概念:,某气体的分体积是指和混合气体具有相同温度（T）和相同压力（P总）时该气体所占的体积。,（T，P恒定）,3. 混合气体分体积定律,混合气体分体积定律：,例:在27,101.3 kPa下,取1.00L混合气体进行分析,各气体的体积分数为:CO 60.0%,H2 10.0%, 其他气体为30.0%.求混合气中:(1) CO和H2的分压;(2) CO和H2的物质的量.,解题思路：,P总 VA = nA R T,（1）,（2）,PAV总 = nA R T,解:(1),P(CO)= P(总),=101.3 kPa0.600=60.8 kPa,P(H2)=P(总),=101.3 kPa0.100=10.1 kPa,（2）n(H2)=,=4.0010-3 mol,n(CO)=,=2.4010-2 mol,或n(H2）,n(CO)=,=4.0010-3 mol,=2.4010-2 mol,气、液之间的转化与平衡,1-2 液体,气体的液化 问题：1）是否所有气体都可以液化？ 2） 什么样的条件下可以液化？ 例： 冬天带眼镜进屋时，镜片会变得模糊。 家庭用液化气，主要成分是丙烷、丁烷，加压后变成液体储于高压钢瓶里，打开时减压即气化。 但有时钢瓶还很重却不能点燃。是因为C5H12 或C6H14等高级烷烃室温时不能气化。,温度,压力,气体性质,Tc 以下，均可,临界常数：,临界温度 Tc: 每种气体液化时，各有一个特定温度叫临界温度。 在Tc 以上，无论怎样加大压力，都不能使气体液化。 临界压力 Pc: 临界温度时，使气体液化所需的最低压力叫临界压力。 临界体积 Vc: 在Tc 和 Pc 条件下，1 mol 气体所占的体积叫临界体积。 均与分子间作用力及分子质量有关。,临界现象,Tb （沸点） 室温 Tc 室温， 室温下加压不能液化,Tb 室温， 室温下加压可液化,Tb 室温 Tc 室温， 在常温常压下为液体,2. 液体的气化,（1）蒸发: 液体表面的气化现象叫蒸发,吸热过程,蒸发 冷凝 “动态平衡”,饱和蒸气压：与液相处于动态平衡的这种气体叫饱和蒸气，它的压力叫饱和蒸气压，简称蒸气压。,饱和蒸气压的特点： 温度恒定时，为定值； 2. 气液共存时，不受量的变化； 3. 不同的物质有不同的数值。,蒸气压曲线:,曲线为气液共存平衡线； 曲线左侧为液相区； 右侧为气相区。,蒸气压,温度,正常沸点,（2）沸腾:,带活塞容器， 活塞压力为 P,沸点与外界压力有关。外界压力等于101 kPa (1 atm)时的沸点为正常沸点，简称沸点。,当温度升高到蒸气压与外界气压相等时，液体就沸腾，这个温度就是沸点。,热源,沸腾是在液体的表面和内部同时气化。,参见蒸汽压曲线,例：水的沸点为 100 C ，但在高山上，由于大 气压降低，沸点较低，饭就难于煮熟。 而高压锅内气压可达到约10 atm，水的沸点约在180 C左右，饭就很容易煮烂。,“过热”液体：温度高于沸点的液体称为过热液体，易产生爆沸。 蒸馏时一定要加入沸石或搅拌，以引入小气泡，产生气化中心，避免爆沸。,固体分为晶体与非晶体 晶体的特性：晶体有一定的几何外形、有固定的熔点、某些性质具有各向异性、有一定的对称性、面角守恒。非晶体不具有上述性质。,1-3 固体,1-4 等离子体 气体在一定条件下发生电离，当电离度大到一定程度时，这种已发生电离的气体就是等离子体。如日光灯管中的气体，霓虹灯中的氩、氖，它们经放电后即成为等离子体。,第二节 化学反应中的质量关系和能量关系,内容提要 研究热和其他形式能量相互转化之间关系的科学被称为热力学。本节在复习热力学第一定律的基础上，要了解有关的基本概念；重点是焓变的定量计算。,基本概念,体统和环境 热力学中把研究的对象叫做体系；体系以外但与体系密切相关的部分叫做环境。体系可分为孤立体系（和环境之间既无物质交换也无能量交换）；封闭系统（体系与环境之间只有能量的传递，而没有物质的交换）；敞开体系（体系与环境之间既有物质交换又有能量传递）。,状态和状态函数 一个体系的状态，可由它的客观物理性质如温度、压力等来描述。描述体系状态的物理量叫做状态函数，如T、P、U、V、G、S、H。状态函数改变了，状态函数也随之改变；状态函数的改变值只与体系的始态和终态有关而与体系变化的具体途径无关。当体系由始态变化到终态再由终态变化到始态时，状态函数的变化值为零。,状态函数的性质：,状态,状态,状态,H1,H2,H3,H1=H2+H3,(P1, V1, T1),(P2, V2, T2),(P3, V3, T3),（1）是单值函数，一个状态由一组确定的状态函数表述； （2）其改变量只与始、终态有关，与途径无关； （3）状态函数的集合（和、差、积、商）也为状态函数。,2-1 质量守恒定律 参与化学反应前各种物质的总质量等于反应后全部生成物的总质量。,2-2 反应热效应 焓变 反应热效应 在等温，体系只做体积功的条件下，化学过程中体系吸收或放出的热称为此过程的热效应（也称为反应热）。 焓变 热力学将（U+PV）定义为一个状态函数，叫做焓（H）,单位为J，即H=U+PV，当不作非体积功时，恒压下体系发生反应时的热效应等于体系的焓变H，即QP=H。,标准摩尔生成焓（简称标准生成焓） 在热力学标准态下，由最稳定单质生成1mol纯物质的等压热效应称为标准摩尔生成焓，用符号fH 表示，单位为J mol-1或 KJ mol-1 ，并规定在标准状态下最稳定单质的摩尔生成焓为零，一些物质的fH 可从有关手册中查到。 摩尔焓变 当反应发生了1mol反应时所引起的体系的焓的变化，称为反应的摩尔焓变，用符号fH 表示，单位为 KJ mol-1,.,.,.,m,m,m,m,标准摩尔焓变 当反应体系中物质的温度相同，且均处于标准态时，反应的摩尔焓变称为该反应在该温度下的标准摩尔焓变，以符号rH (T)表示。,2-3 热化学方程式,表示化学反应热效应关系的方程式称为热化学方程式。 热化学方程式要注明反应条件（如温度、压力及参加反应物质的聚集态）及反应的热效应，若不注明温度和压力，都是指反应在298K及100KPa下进行。,m,标准状态 习惯上热力学标准态（简称标准态）规定为：对于气体，标准态是压力为P 及温度T下时且具有理想气体性质的气体。在SI中P =100KPa，叫做标准压力；对于液体，标准态是压力为P 及温度为T时的纯液体；对于固体是压力为P 及温度为T时的纯固体。,H2(g) + O2(g) = H2O (g) = -241.8 kJ/mol 25 C, 标准状态，r: reaction (化学反应） m: mol (摩尔） : 热力学标准状态（标态） 注意： 反应物、产物要配平 标明物质的状态 反应的焓变（热变化），是指“1 mol 反应”， 与反 应式的写法有关。 逆反应的热效应与正反应的热效应数值相同而符号相反。,例如:,标态： 气态时, 为100 kPa 溶液时，1 mol / kg, 稀溶液时，1mol / L 纯液体、纯固体：标准压力（ 100 kPa)下的纯净物。,2-4 热化学定律,热化学定律是化学家归纳总结大量实验事实后得出的化学反应中热量变化规律 (1) 在相同条件下，正反应与逆反应的H数值相等，符号相反。如在298K时： H2(g) + O2(g) H2O(g)； r H =-241.8KJ mol-1 H2O(g) H2(g) + O2(g)； r H =241.8KJ mol-1 (2)黑斯定律: 一个反应若能分成两步或多步实现，则总反应的H等于各步反应H之和。,m,2,1,.,2,1,m,.,例如： (1) C(石墨) + O2(g) = CO2(g) rH (1)= -393.5 kJ/mol (2) CO(g) + O2(g) = CO2(g) rH (2) = -283.0 kJ/mol (3) C(石墨) + O2(g) = CO(g) rH (3) = ? 反应 (3) = 反应(1) 反应(2) rH (3) = rH (1) rH (2) = -110.5 kJ/mol,m,2,1,2,1,m,m,m,m,m,例4 （P11）：已知298K时，有下列反应：,求反应：,解：反应,可以看作下列二步反应之和：,m,m,=,+,=,_,=-393.51-(-282.99)KJmol-1=-110.52KJmol-1,2-5 生成热（生成焓）,标准摩尔生成焓（简称标准生成焓） 在热力学标准态下，由最稳定单质生成 1mol 纯物质的等压热效应称为标准摩尔生成焓，用符号fH 表示，单位为kJ/mol。标准摩尔生成焓可化学手册上查得。如： 物质 是否稳定态单质 fH Br2(g) 否 30.907 Br2(l) 是 0 C (石墨） 是 0 C (金刚石） 否 1.897 白磷 是 0 红磷 否 -17.6 稳定态单质的生成焓等于零。,m,m,m,对于化学反应:,例：3 Fe2O