大学化学1-2章.pptx

大学化学 刘科伟四川大学化学学院Email liukw 第一章绪论 学习方法1 大学与中学学习的区别 自觉性2 笔记3 实验 大学化学的教学安排教学内容1 基本原理部分 重点 2 12章2 化学元素部分 13 17章3 仪器分析 18章成绩评定总评成绩 30 平时成绩 70 考试成绩平时成绩 作业 出勤 化学概论化学是什么 化学是研究物质变化的一门学科两层含义 化学是自然科学的一个分支化学的研究对象是物质变化 即化学运动自然科学是关于无机自然界和包括人的生物属性在内的有机自然界的各门科学的总称 化学有什么作用 是满足人类和社会需要的中心学科两层含义 人类的生存离不开化学 衣食住行 社会的发展离不开化学 科学技术是第一生产力 2010年中国最大的上市公司前10名中 市值排名 第一 中国石油天然气公司第二 中国石化公司 化学发生 发展 古代化学实用和自然哲学时期 我国的四大发明Aristotle的原性学说 热 冷 湿 干 炼金术 炼丹术医化学时期 本草纲目燃素学说时期 Aristotle 前384 322 近代化学天平的使用 定量化学研究 拉瓦锡的氧化理论罗蒙诺索夫的质量不灭定律Avogardro定律等元素周期律 化学成为系统的科学 现代化学物理学在19世纪末20世纪初的新发现 电子 原子核 放射性 量子力学等化学在微观方面进行广泛而深入的研究 进一步促进了化学理论的发展 化学研究领域广泛 研究专门化 分工明细 化学分支学科的出现无机化学 有机化学 分析化学 物理化学等与其它学科相互渗透 相互交叉产生新的边缘学科生物化学 材料化学 化学与生物学的关系生命科学中的许多问题 已经成为化学和生物学的共同研究对象恩格斯早在19世纪就指出 生命是蛋白质的化学 现代生物学已经证明 生命的主要物质就是蛋白质与核酸等生物大分子 1902年诺贝尔化学奖获得者德国化学家Fisher 糖类和嘌呤化合物的合成Skou 丹麦 和Boyer 美 及Walker 英 由于发现维持细胞中Na 和K 浓度平衡的酶 并阐明其作用机制 以及发现能量分子三磷酸腺苷 ATP 的形成过程 而获得1997年诺贝尔化学奖 日裔美国科学家下村修 OsamuShimomura 美国科学家马丁 查尔菲 MartinChalfie 以及美国华裔科学家钱永健 这三位科学家因在发现和研究绿色荧光蛋白方面做出贡献而获2008年诺贝尔化学奖奖这种蛋白为生物与医学实验带来革命 它发出的荧光像一盏明灯 帮助研究人员照亮生命体在分子层面和细胞层面的诸多反应 多聚酶链式反应 polymerasechainreaction PCR技术 是目前分离和筛选目的基因的一种有效方法 可用来进行性别检查 而发明此技术的Mullis 美 则获得1993年诺贝尔化学奖协助诊断 非典 SARS 的SARSCoronavirusPCR荧光检测试剂盒综合应用PCR和TaqMan技术 对SARSCoronavirus核酸进行检测 北京的一位中学生问诺贝尔化学奖获得者英国化学家Kroto教授 C60即碳族化学的研究 而获得1996年诺贝尔化学奖 人们都说21世纪是生命科学和信息科学的世纪 你能否告诉我化学有什么用 我们为什么要学习化学呢 Kroto回答说 正是因为21世纪是生命科学和信息科学的世纪 所以化学才更为重要 主要参考书 1 胡常伟主编 大学化学 第二版 北京 化学工业出版社 20092 申泮文主编 近代化学导论 上册 北京 高等教育出版社 2002年3 武汉大学 吉林大学 无机化学 上 下册 北京 高等教育出版社 20004 美 L 罗森堡 M 爱波 斯坦著 大学化学习题精讲 孙家跃 杜海燕译 北京 科学出版社 2002 第二章物质的聚集态及相变化 内容介绍气体 理想气体状态方程 分压定律实际气体VanderWaals方程液体 气化 凝固 水的相图 介稳现象固体 自学 图2 1物质的三态及相互变化示意图 第一节气体 理想气体 是一种人为的假想气体模型定义 假设分子只有位置 不占体积 仅是一个具有质量的几何点 并且分子之间没有相互吸引力 分子之间和分子与器壁之间的碰撞不损失动能理想气体具有两个特征 什么样的实际气体接近理想气体 高温 低压气体是由独立并处于剧烈运动的分子组成 分子间相距很远以致于分子间作用力很小可以忽略 分子本身占有的体积与气体所占有的整体空间相比很小 也可以忽略高温 低压气体可视为理想气体 理想气体状态方程气体的性质P 压强V 体积T 温度n 物质的量Boyle 波义尔 定律 恒温 PV 常数Gay Lusses 盖 吕莎克 定律 恒压 V T 常数Avogadro 阿伏加德罗 定律 恒温恒压 V n 三定律合并 理想气体状态方程PV nRT当P T V n全部用国际单位制时 即P pa T k V m3 n mol 时R 8 314J mol 1 k 1理想气体状态方程也可表述为 P CRTC 物质的量的浓度 mol m3 分压定律分压 Pi 指某组分在相同温度下 单独占有混合气体的体积时所具有的压强PiV niRT 2 Dalton分压定律 混合气体的总压等于组成混合气体的各气体的分压之和P总 Pi P1 P2 P3 又P总V n总RT 3 2 3 Pi P总 ni n总 xi 称为气体的摩尔分数 则 Pi xiP总 4 同理求得 V总 Vi V1 V2 V3 Vi xiV总其中 分体积Vi指某组分在相同温度下 单独占有混合气体总压时所具有的体积 分体积定律 例2 4 实验室采用在MnO2催化下加热分解KClO3制备氧气 若在20 99 5kPa下 用排水取气法要收集1 5dm3的氧气 至少需要多少克KClO3分解 已知20 下水的饱和蒸气压p H2O 2 34kPa分析 排水取气法收集的气体实际上是一包含氧气和水蒸气的混合气体 根据分压定律pO2 p总 p水根据理想气体状态方程式即可算出nO2 解 需要收集的氧气的物质的量为nO2 p O2V总 RT 0 0598mol分解反应为 2KClO3 2KCl 3O22 nKClO3nO2则 nKClO3 2nO2 3nKClO3 0 0399mol需要的KClO3为0 0399mol 122 55g mol 1 4 890g 实际气体 特性 由于分子间相互吸引作用产生内聚力 削弱了分子对器壁的碰撞作用 使得P实 P理 由于分子本身占有体积 使得V实 V理若将实际气体的压力和体积各引入一个校正项 则理想气体状态方程式的形式便可适用于实际气体 p an2 V2 V nb nRT VanderWaals方程其中 a b为VanderWaals常数 an2 V2是压强校正项 nb是体积校正项一般 沸点越高的物质 a值越大 不同的物质 b值差异较小压缩因子 自学 图2 2CO2气体的等温线 摩尔体积 Vm 1摩尔物质的体积304 1K以上随压强升高 Vm减小304 1K以下 随压强升高 Vm减小 但曲线上出现一水平段304 1K线 出现一拐点c c点处气 液两相界面消失 体系呈混沌状态 拐点c称为临界点 criticalpoint c点的温度称为临界温度Tc c点的压强称为临界压力pc 1mol气体在Tc和pc下的体积称为临界摩尔体积Vm c Tc pc Vm c统称为临界参数Tc是气体可以被加压液化的最高温度 高于临界温度 无论加多大的压强也不能使气体液化 pc是在临界温度下 气体加压液化的最低压强 即临界温度时 若压强在pc以上 该物质总是以气态形式存在一般情况下 物质的沸点Tb Tc超临界流体 自学 第二节液体 液体的通性1 具有确定的体积和可变的形状2 膨胀性和压缩性比气体小的多3 互溶性4 表面张力 表面张力 液体表面分子由于受到液体内部分子的吸引力液体有自动缩小表面的趋势 称这种收缩力为表面张力 用 表示 量纲为N m 1 即作用在单位边界上的收缩力一般极性越强的液体 表面张力越大温度升高 表面张力减小 图2 3表面张力示意图 液体的气化 vaporization 定义 液体表面一些具有较高动能的分子 可能克服表面和内部相邻分子对它的吸引作用 进入气相即发生气化 蒸发 反之 称为凝结 液体气化 凝结示意图 饱和 蒸气压p 气化速率和凝结速率相等 即液相和气相达到平衡时 气相的压力沸点 Tb 当p p外时 气 液平衡时的温度气化热 气化焓 指定温度和压强下 液体气化所吸收的热量 用 vapH表示 Clapeyron Clausius方程 Clapeyron Clausius方程也适用于固 气平衡即升华 sublimation 液体的凝固 一定压强下 固 液平衡时的温度称为液体的凝固点 Tf 可由步冷曲线上的水平段求出 图2 4纯液体的步冷曲线 AB段 液相冷却降温区BC水平段 固 液共存区CD段 固相冷却降温区液体的凝固点 Tf 固液平衡时的温度固体的熔点 Tm 等于对应液态态物质的凝固点 图2 5水的相图 相 指体系内物理化学性质均匀的部分 称为一相问题 空气和生理盐水各为多少相 OA线 水的沸点曲线A点为临界点OB线 水的凝固点随压强变化的曲线OC线 冰的升华曲线 OC 线 过冷水的蒸气压曲线O点为三相点 注意三相点并不是水的凝固点 1相 介稳现象过热 恒压下加热液体 达到沸点却不沸腾 超过沸点才沸腾的现象过饱和 恒温下 达到其液相的饱和蒸气压而不发生凝结 或者 恒温下溶液浓度已大于某物质的饱和溶解度而不析出晶体的现象过冷 恒压下冷却液体 达到凝固点而不凝固的现象 弯曲表面的附加压力pa当液面为凸面时 由于表面张力的收缩作用 会产生一个指向液体内部的附加压力pa 即此时液体表面所受力为p po pa当液面为凹面时 会产生一个指向气相内部的附加压力pa 即此时液体表面所受力为p po pa pa 2 r r为弯曲液面的曲率半径可见 液体的表面张力越大 曲率半径越小 附加压力就越大根据Clapeyron Clausius方程可以看出 正是由于附加压力的存在 才会产生过热现象 图2 6过热液体示意图 凹 凸 液面的液体在毛细管升高 下降 凹 凸 液面的蒸气压小于 大于 平液面的蒸气压 液相中的气泡受力为p泡