工程化学电子教案

工程化学电子教案,生物工程系化学教研室童志平2003年5月,目录,第一章化学反应的热效应与能源利用1.1化学反应的热效应1.2化学反应热效应的计算1.3能源第二章化学反应的基本原理2.1化学反应的方向2.2化学反应进行的程度和化学平衡2.3化学反应速率第三章溶液与离子平衡3.1稀溶液的通性3.2水溶液中的酸碱平衡3.3配离子的解离平衡,3.4难溶电解质的多相离子平衡第四章电化学原理及其应用4.1原电池与电极电势4.2电极电势的应用4.3电解及其应用第五章物质结构基础5.1原子结构的近代理论5.2多电子原子结构和原素周期系5.3化学键与分子和晶体结构5.4分子间作用力与表面张力第六章化学与材料6.1材料科学发展简介6.2金属及合金材料,6.3电子管和半导体材料6.4无机非金属材料第七章化学与环境保护7.1大气的机构和组成7.2大气污染的现状与发展7.3大气污染的控制7.4臭氧层空洞7.5温室效应及其控制对策7.6光化学烟雾7.7环境与可持续发展的概念7.8可持续发展的形成与实施7.9中国的可持续发展第八章化学与生命8.1生物小分子与生物大分子的关系,8.2生物小分子简介8.3生物大分子的形成8.4生物大分子的高级结构8.5生命的起源8.6达尔文与进化论8.7生物进化的证据和历程8.8人类的起源和进化第九章现代分析测试技术9.1红外光谱9.2紫外光谱9.3质谱9.4核磁共振谱,工程化学课程简介,该课程系统介绍现代化学的基础理论和基本知识以及在工程中的应用，并结合相关学科，对当前社会热点问题展开讨论，内容包括化学反应热效应；化学热力学和动力学基础；溶液与离子平衡；电化学与金属腐蚀；物质结构基础；化学与材料；化学与生命；化学与环境保护；现代分析测试技术以及能培养学生掌握实验基本技能的、内容丰富的工程化学实验。,通过本课程的学习使学生不仅对化学的基本理论、化学与相关学科之间的联系有所了解和掌握，还能用化学的观点去分析问题和解决问题，用化学的观点审视现代工程与人类、社会和环境的关系，培养他们正确的科学观、科学的社会观，提高科学素养。,工程化学课程教学大纲,一、本课程性质和任务工程化学是高等学校工科专业不可缺少的一门重要基础课，是化学与工程技术间的桥梁，是培养全面发展的现代工程技术人员素质和能力的重要组成部分。通过物质结构基础；化学热力学基础；化学反应的基本规律；电化学等基础知识的学习及化学实验；使学生了解现代化学的基本理论和实验技术，能在工程技术中以化学的观点分析问题和解决问题，对一些涉及化学的工程实际问题有初步分析的能力，培养学生正确的学习和研究方法。,二、本课程教学内容及基本要求（一）化学反应热效应与能源利用教学内容：化学反应热效应；化学反应热效应的计算；能源。基本要求：理解热力学第一定律和化学反应焓变的意义；掌握测定化学反应热效应的原理和方法；掌握化学反应标准摩尔焓变的计算；了解能源的类别及利用。本章建议学时：3学时。,（二）化学反应的基本原理教学内容：化学反应的方向；化学反应进行的程度和化学平衡；化学反应速率。基本要求：理解混乱度和熵的概念；掌握化学反应标准摩尔吉布斯函数变的计算及判断反应进行的方向；理解化学平衡的概念；掌握平衡常数与吉布斯函数变的关系；掌握影响平衡移动的因素；了解化学反应速率及其影响因素。本章建议学时：5学时。,（三）溶液与离子平衡教学内容：稀溶液的通性；水溶液中的酸碱平衡；配离子的解离平衡；难溶强电解质的多相离子平衡。基本要求：初步掌握稀溶液的通性及应用；掌握酸碱平衡、缓冲溶液的概念；能进行溶液Ph值的计算；掌握配离子的解离平衡及移动规则并作简单的计算；掌握溶度积规则及应用。本章建议学时：6学时。,（四）电化学与金属腐蚀教学内容：原电池及其电动势；电极电势及其应用；电解及其应用；金属腐蚀及其防止。基本要求：了解电极电势的概念及产生原因，能正确书写电极反应、电池反应及原电池符号；掌握能斯特方程的计算；了解电解的基本原理并能正确判断电解产物；了解电解的应用以及金属腐蚀及防护原理。本章建议学时：6学时。,（五）物质结构基础教学内容：原子结构的近代理论；多电子原子结构和元素周期系；化学键与分子和晶体结构；分子间作用力与表面张力。基本要求：了解原子核外电子运动状态的基本特征及有关基本概念；掌握四个量子数的意义和取值规则；掌握原子核外电子排布规律与周期表的关系；掌握化学键的基本类型以及共价键的形成条件和本质；掌握杂化轨道理论要点及不同类型分子的构型；了解分子间作用力和氢键对物质性质的影响；了解晶体结构和表面张力对物性的影响。本章建议学时：4学时。,（六）化学与材料教学内容：金属及合金材料；电子管和半导体材料；无机非金属材料；磁性材料；有机高分子化合物及材料。基本要求：了解各类材料的结构、特性及应用。本章建议学时：4学时。,（七）化学与环境保护教学内容：大气污染及其防治；水资源的可持续利用与水污染防治；固体废弃物及其处理；可持续发展与新的科技革命。基本要求：熟悉大气污染、水污染、固体废弃物污染及其防治；理解清洁生产、绿色制造的意义。本章建议学时：4学时。,（八）化学与生命教学内容：生物大分子、蛋白质、多肽和氨基酸；酶、核酸、常用药物。教学要求：了解生物大分子的基本结构单元、立体结构及基本功能。本章建议学时：4学时。,（九）现代分析测试技术简介教学内容：常用仪器分析法介绍；仪器分析法的发展趋势。教学要求：了解气相色谱、原子吸收光谱、红外光谱、电位分析等分析方法的基本原理及应用。本章建议学时：4学时。,（九）现代分析测试技术简介教学内容：常用仪器分析法介绍；仪器分析法的发展趋势。教学要求：了解气相色谱、原子吸收光谱、红外光谱、电位分析等分析方法的基本原理及应用。本章建议学时：4学时。,（十）实验教学内容与基本要求1分析天平的使用基本要求：掌握全自动电光分析天平的构造原理及操作使用方法；掌握物质质量的称量方法。2水中钙镁离子总量的测定基本要求：掌握滴定分析的基本操作；能够准确测定自来水中Ca2+、Mg2+离子的总量。,3纯水质制备与水质检验基本要求：了解自来水中常见的杂质离子及其定性鉴定方法；掌握电导率仪的使用方法，能准确测定自来水、蒸馏水、去离子水的电导率。4化学需氧量（CODcr）的测定基本要求：了解化学需氧量及其测定的意义；掌握氧化还原滴定法测定化学需氧量的原理和方法。,5电化学基本要求：了解原电池、电解池的组成及有关的化学反应；掌握离子浓度与电极电势的关系；了解分解电压的测定原理及测定方法。6盐酸溶液的配置与标定基本要求：掌握盐酸溶液的配置与标定方法。7化学反应焓变的测定基本要求：了解测定化学反应焓变的原理和方法；学会作图法处理实验数据。,8电解质溶液基本要求：了解测定醋酸解离常数的原理和方法；掌握缓冲溶液的配制及其性质；了解难溶电解质的多相离子平衡及溶度积规则。9配合物的制备和性质基本要求：了解配离子的形成、解离平衡及其移动；了解影响配离子稳定性的因素；了解螯合物的形成和特征。,10镜湖水质综合评价（综合型、设计型实验）基本要求：了解镜湖水质定量分析的全过程。本章建议学时：32学时（实验学时）,三、对学生能力的培养要求通过本课程的学习使学生不仅对化学的基本理论、化学与相关学科之间的关系有所了解和掌握，还能用化学的观点去分析问题和解决问题，用化学的观点审视现代工程与人类、社会和环境的关系，培养他们正确的科学观、科学的社会观，提高科学素养，增强他们分析社会实际问题和决策判断的能力，使之成为全面人才。四、执行大纲的几点说明教材中第六、七、八、九章内容根据各专业具体情况由任课教师选讲其中二章。,绪论,一、工程化学简介,1.化学是研究物质组成、结构和性质及其变化规律的科学。2.21世纪人类最为关注的环境、能源、信息、材料和生命等问题都与化学有密切的关系。3.化学学科是一门试验性很强的学科。,二、基本概念,1.系统与环境将某一物体的一部分从其它部分划分出来，作为我们研究的对象，这一部分物体，我们称为“系统”。系统以外的部分叫作“环境”。（1）敞开系统：系统和环境之间既有物质交换，又有能量交换。,（2）封闭系统：系统和环境之间没有物质交换，只有能量交换。（3）孤立系统：系统和环境之间既没有物质交换，也没有能量交换。,2.状态和状态函数某一热力学系统的状态是系统的物理性质和化学性质的综合表现。规定系统状态的性质的物理量称为状态函数。3.过程和途径系统状态所发生的一切变化我们称为“过程”，如“恒温过程”、“恒压过程”。,在系统状态变化时，由一始态到另一终态，可以经由不同的方式。这种由同一始态到同一终态的不同方式就称为不同的“途径”。,4.聚集状态和相系统中任何分布均匀、物理性质和化学性质均相同的部分称为相。5.化学方程式的一般形式,0=2NH3N23H2,第一章化学反应热效应能源利用,内容提要任何化学变化中体系的能量都会改变，化学反应发生时可以吸热或放热，这是最常见的能量改变。本章主要讨论有关化学变化过程中的热效应的计算和测量，并适当介绍能源的利用问题。,目的要求：（1）了解化学反应中的能量形式。理解热力学第一定律的意义。（2）理解化学反应中焓变的意义，了解等压热效应（qp）与等容热效应（qv）关系。（3）掌握测定化学反应热效应的实验原理和方法。（4）掌握化学反应的标准摩尔焓变的计算。（5）了解能源的主要类别及其利用。,1.1化学反应热效应,1.热力学第一定律(1)能的意义对于我们研究的系统，其内部各种能量的总和，称为“内能”，用符号U表示，其变化值为：U=UBUA(2)能的互变能量可以从一种形式转变为另一种形式。,在能量的转换过程中，它既不能无中生有，也不能无形消灭，遵循能量守恒定律。(3)能量的传递因温度不同而交换或传递的能量称为热，其它的能量传递形式叫作“功”。W=P外(V2V1),图4.1气体膨胀对外作功示意图,(4)热力学第一定律,能量有多种形式，可以互相转换和传递，但既不能消失也不能创生。热力学第一定律定量地表示了这种关系：U=U2U1=Q+W,2.化学反应热效应,一般的化学反应，只涉及到体积功而不做其它形式的功，在热化学中，通常把只做体积功，反应前后温度相同时，系统吸收或放出的热称为反应的热效应。(1)恒容反应热当化学反应在密闭容器中进行时，反应前后体积V保持不变（=0），此时的热效应称作恒容热效应，记为QV。,根据热力学第一定律的数学式，由于系统只做体积功，表示恒容热效应QV等于反应系统内能的变化量。U=Q+WV=0,W=0,U=QV,(2)恒压热效应,大多数化学反应是在恒压条件下进行的。例如，在开口容器中进行的液的反应，或保持恒定压力的气体反应（外压力不变，系统压力与外压相等），都属于恒压过程。为保持系统压力恒定，一般说反应体积会发生变化，反应后体积增加时，系统对外做功；体积减小时，环境对系统做功。当只做体积功而不涉及其它形式的功时，热力学第一定律的数学式为,(3)热效应的测量,将已知质量的反应物全部装入钢弹内，密封后将纲弹安放在一金属（钢质）容器中，然后往此金属容器内加入已知质量的水将钢弹淹没。用精确刻度至0.01的温度计精确测定系统的起始温度后，用电火花引发反应，反应放出的热使系统（包括钢弹及内部物质、水和金属容器等）的温度升高。这一过程的热效应（即内能变化），可由水量、水温的变化、水的热容、量热计的热容等通过热平衡方程式计算得出。,1.2化学反应热效应的计算1.热化学方程式,书写热化学方程式时，先写出反应的化学方程式，而后在方程式的右边写出相应的焓变（因大多数化学反应均在常压下进行），两者之间用逗号或分号隔开。例如：,在书写热化学方程式时，还要注意以下几点：,要注明反应的条件（温度和压力）。要注明各物质的聚集状态以及晶型。,热化学方程式中的反应热数值表示一个已经完成的反应所放出或吸收的热量。,2.标准摩尔生成焓和反应的标准摩尔焓变,反应的标准摩尔焓变在标准条件下反应的摩尔焓变叫做反应的标准摩尔焓变，以rHm表示，单位为kJmol-1。,物质的标准摩尔生成焓在标准态下，由稳定的单质生成单位物质的量的纯物质时反应的焓变叫做该物质的标准摩尔生成焓。以fHm(298.15K)表示。对水溶液中的离子反应，则:fHm(H+,aq,298.15K)=0,aA+bB=gG+dD,解：查书未附录并在各物质下标出之:,例1.1利用标准摩尔生成焓数据，求合成氨触煤的还原反应的rHm(298.15K)=？,1.3能源,1.能源的种类能源是指能够向人们提供能量的自然资源。人类的生存和活动以及工农业生产，无不需要能量。能源的发展是社会生产力发展的主要标志之一，各国经济发展的事实表明，一个国家的国民生产总值与其能耗基本成正比。因此，要发展经济，就必须大力发展能源生产。,在能源的构成中，又有一次能源和二次能源之分。通常把以现成的形式存在于自然界中的，可直接利用的，称一次能源。如煤、石油、天然气等属于一次能源。需由其它能源经人工处理而获得的能源，则称为二次能源。如电能、汽油、柴油、甲烷、酒精、氢能等属于二次能源。,2.化石燃料由古生物的残骸，在地层中经受高压，高温和细菌等作用逐渐形成的煤、石油和天然气被称为化石燃料，它们是人类利用的主要能源。它们在燃烧时，能放出大量的热。由于这些物质都是组成复杂的混合物，其品质常用每克物质燃烧时放出的热量（称为热值）来表示。,(1)煤煤是固体化石燃料，是组成和结构都相当复杂的有机物与无机物组成的混合物。煤炭有很大的储量，