普通化学原理第一,二章：绪论.doc

第一章：绪论一.尽快熟悉，适应和掌握大学的学习规律1.大学与中学的差别 .学习目的不同 .课程内容不同 .学习要求不同 .学习的时间安排不同 .学习的方法不同2.大学的学习方法 .提高听课效率 .记好笔记 .及时复习 习题与讨论3.尽快掌握大学的学习规律，做学习的主人二.化学与医学 化学是研究物质的性质以及从一个物质转变到其它物质的反应的科学。 化学与物理： 共同点：都是以物质为研究对象的姐妹学课 不同点： 宏观：化学是研究物质变化的规律 物理是研究物质运动的规律 微观：化学研究分子 物理研究原子，电子，质子，中子，介子等 化学和物理相互依存，物理是化学的理论基础，而化学为物理提供了物质基础。 自然科学包括数学，天文，地质，生物，化学和物理等学科。 化学与其它自然科学学科的关系见下图：化学是一门中心学科，医学（药学）是综合学科。 医学是生命科学的最核心部分，现代生命科学的成果最终都体现在医学上，用于拯救人类的生命。 生命科学从经验的，表象的科学发展到今天分子层次的科学，化学是生命科学-医学的最重要的基础。 如：人体各部分组成：毛发，皮肤，骨骼，肌肉，血液等的成分，分子及结构。 人体各种生理，病理，代谢的现象与作用，是由1000多种生 物酶催化反应组合而成。 药物，药理及诊断学。三.化学分类化学可分为无机，有机，分析，物化和高分子五个二级学科。本课程讲述的化学原理，将涉及各个二级学科。四.教材介绍 特点：.板块式： 相互间有联系，又有一定的独立性，可按不同的要求 组合。.内容丰富，有不同的层次和深度。 怎样正确使用： 以上课的内容为主线，按需查阅。 相关的基础-补习 相邻的内容-横向拓宽 跳开的内容-纵向深化 本学期共64个学时（期中考2学时） 准备2本习题本，每周四交作业第二章：气体与溶液一.理想气体定律1.概述.高中物理的复习。.气体是物质的一种物理状态。所谓物质的气、液、固“三态”，气态就是其中之一 。一般指常温常压下气态物质。 1750年前只知道一种气体-空气，现已知其精确组成： N2: 0.78110 O2: 0.20983 Ar: 0.00934 CO2: 0.00034 Ne: 1.3210-5 He: 5.210-6 CH4: 1.310-6 Kr: 1.110-6 H2: 510-7 N2O: 310-7 Xe: 8.710-7 H2O: 00.07 O3: 0710-8CO: 0210-8 NO2: 0210-8 SO2: 0110-8 现已知气体有：单质： He, Ne, Ar, Kr, Xe, H2, N2, O2, F2, CI2, O3. 化合物： （ ） （） （） B2H6 Cn (n3) 氢化物 NO, NO2, N2O BF3 烷， 烯， 炔 H3, PH3, AsH3 CO, CO2, (CN)2 NF3, PF3, PF5 CF4, C2F4 AsF5 SiH4, SiF4 () () SO2, SO3, H2S, H2S2 HF, HCI, HBr, HI OF2, SF2, SF6 CI2O, CIO2 在非常温常压下气态物质将更多。2.气体的宏观性质 .可压缩性（空气中分子距离约为分子直径的5倍） .可无限膨胀（倾向充满容器） .可互相溶解，混合 经验告诉我们，在一定温度和压强下，一定量气体常有一定的体积。所以气体的状态可由 V, P, T, n ( m 质量/M摩尔质量 ) 来描述。单位及换算国际单位（SI）制：千克米秒制体积单位： SI 制中为m3（立方米），往往太大，常用L(dm3), 或mL(cm3)。温度单位： T（温标） K（绝对温度） C（摄氏温度） F（华氏温度） t K = ( t C + 273 ) K 0 C = 37 F t F= ( 32+1.8 t C ) F压力（压强）单位：符号：P单位 SI制：帕斯卡(Pa) 1 Pa = 1Nm-2 = 1kg m-1 s-2 其他：标准大气压(atm) 1 atm = 101,325 Pa 乇(torr) 1 torr = (1/760 ) atm = 133.322 Pa 毫米汞柱(mmHg) 1 mmHg = 1 torr = 133.322 Pa 巴(bar) 1 bar = 1105 Pa 磅每平方英寸(psi，lbin-2) 14.6960 psi = 14.6960 lbin-2 = 1 atm人体的标准血压： 90/60 mmHg 12.0/8.0 Kpa注意：本教材主要使用atm作为压力单位。3.理想气体方程式 ( PV = nRT ) 气体体系的宏观状态是由T、P、V和n四个宏观性质决定的，T、P、V 和n 就是气体体系的状态变量。气体的这些状态变量之间有一定的内在联系，用数学语言说：在四个状态变量之间存在着某种函数关系。描述这种函数关系的数学方程式称为气体状态方程式。理想气体定义：.气体分子只视作空间中一个质点，不占有体积。.分子间没有作用力，不会缔合。 只有在温度较高，压力很低时，实际气体才可以近似地看作为理想气体。一般在上述条件下理想气体方程式可适用于任何气体。 理想气体方程式含四个变量，这在基于实验结果的自然定律中很少见，它是由自1660年至1850年近200年的实验研究，由先后发现的三个定律综合而成的.温度恒定时，体积与压力的关系 1660年，波义耳 (R. Boyle) 定律： P1V1=P2V2= = 常数 文字描述：一定温度下，一定量气体的体积与压强成反比 。.压力恒定时，体积与温度的关系 1780年，查理盖 吕萨克(Charles-Gay-Lussac)定律 : V1/T1=V2/T2= = Vi/Ti T= t +273 一百年后，把T定为热力学温标K ( Kelvin ) 文字描述：一定压强下，一定量气体的体积与绝对温度成正比。 .压力和温度恒定时，体积与含量的关系 1813年，阿佛伽德罗(Avogadro)定律 : V = K (P,T ) n 文字描述：等温等压下，气体的体积和它的化学量成正比。 在相同温度和压力下，等体积的不同气体的摩尔数相同。即在标准条件（STP） 0C 1 atm下，1 mol 气体的体积 = 22.415 L。.理想气体状态方程式 1850年，克拉贝龙（Clapeyron）方程式综合以上三个定律导出：始态 P1, V1, T1, n 终态 P2, V2, T2, n 1.等温： P1V1= P2V2 (1)2.等压：V2/T1=V2/T2 V2=V2(T1/T2) 代入（1） P1V1= P2 （V2T1/T2） P1V1/ T1= P2V2/ T2= = 常数= nR故： PV = nRT （R气体常数）在标准条件（STP） 0C 1atm下，1 mol 气体的体积=22.415L时，代入上述方程式，得出： R= 1atm 22.415L/273.15K 1 mol = 0.08206 atm L mol 1 K-1 = 82.06 atm mL mol -1K-1 = 62.367 mmHg L mol -1K-1 = 8.315 KPa L mol -1K-1 注意：不同的压力单位，需用不同的R值！ Pa = N/m2 KPa L = Pa m3 = N m = J 1atm L = 101.325 Kpa L = 101.325 J 则：R = 8.315 J mol -1K-1 = 1.987 Cal mol -1K-1 在热力学部分常用，请记住！4.理想气体状态方程式的应用.直接应用于气体状态的计算例1：27 C , 1atm下,10g N2应占多少体积？解： P=1 atm, T = 273+27=300K, n=10/28 mol V = nRT/P = ( 10/28 mol 0.08206 atm Lmol 1K-1 300K)/ 1 atm = 8.79 L.间接应用如气体分子量的测定（极限密度法） PV = nRT =（W/M）RT, M= （W/PV）RT则：M=（d/p）RT，一般只要测量压力和密度就可测得气体的分子量。但许多实际气体与理想气体有偏离，计算结果偏差较大。如 CH3F 在 273.15K（0.00 C ）时：p (atm) d d/p1.0000 1.5454 1.5454 0.6667 1.0241 1.5361 0.3333 0.5091 1.5274 此时可以d/p p作图，得一直线，外推至p=0，d/p=1.5177，以次值计算： M=1.5177 0.08206 273.15=34.020 M实=34.0335.气体分压定律（Doltons Law）1.理想气体定律适用于单一组分的气体也适用于混合气体，如空气。2.设有A, B, C, 三种气体的混合气体置于体积为V 的容器中，则： P总V总 = n总RT n总= nA+ nB+ nC若 nA的 A 气体单独置于 V 容器 PAV总=nART nB的 B 气体单独置于 V 容器 PBV总=nBRT nC的 C 气体单独置于 V 容器 PCV总=nCRT 有 P总V总= n总RT P总= n总RT/ V总= （ nA + nB + nC ）RT/ V总 = nART/ V总+ nBRT/ V总+ nCRT/ V总 = PA + PB + PC Pi = 分压分压定律： 一定温度下，混合气体的总压等于各气体成份的分压强之和 ，而各组分气体分压力与该组分气体单独占据容器时的压力相等。3. pi与ni 的关系 Pi/P总= ni /n总 Pi= P总 ni /n总 ni /n总 = O 摩尔分数 （溶液浓度的表示方法之一） 故：分压= 总压 摩尔分数 4. Vi 分体积-混合气体中各组分气体占据的体积 Vi = niRT/P总 V总 = VA + VB + +Vi文字表达：在容器中混合气体各组分气体所占据的体积，相当于该 组分在P总压力下的体积-分体积。 P总 Vi 与pi，ni 的关系 Vi/V总 = ni /n总 = Oi = Pi/P总 即 Pi V总 = P总 Vi Vi= V总 Pi / P总 可知： Pi为 ni 在 V总 时的压力 Vi为 ni 在 P总 时的体积注意： Pi Vi niRT 是没有物理意义的！5.分压定律的应用 利用 Dolton 分压定律可处理混合气体的问题，对化学反应来说是很重要的。例1. 在20，76.00 cm Hg 时，通过排水集气法在水面上收集得到氧气500 ml，已知20时水的饱和蒸汽压17.5mm Hg，求：.该气体在 75 cm Hg 和 50 时的体积解： n总 不变，故： n2= P2V2 / RT2 = n1= P1V1 / RT1 V2 = P1V1T2 / T1 = (75.0010 500 323) / (75.00 10 293) = 558.5 ml.该气体含氧多少克？解：收集气体中含水蒸汽 PH2O = 17.5mm Hg 则：PO2=（ 760.0-17.5 ） mm HgPO2V总 = nRT = ( m/M ) RT m = M PO2 V总 / RT = 32.00 (760.0-17.5)500 / (62367293) = 0.65 g.该气体在 STP 时的体积解：在 1 atm, 273 K 时H2O蒸汽压降至4.58 mm Hg，多余水汽凝聚为液态，可忽略不计。 则： PO2=（ 760.0-4.58 ) mm Hg =755.42 mm Hg V总= m / M (RT/PO2 ) = 0.65 273 62367/（32.0755.42） = 458 ml （从分压求总体积）.气体经干燥剂处理后，在 STP 时的体积？解：除去水蒸汽后，为纯的氧气，此时体积为VO2 VO2 = m RT /MP总 = 0.65 273 62367/ （32.0 760） = 455 ml 或： VO2 /V总 = PO2/P总 VO2 = 458 （760-4.58 ）/760= 455 ml （从总压求分体积） 上面我们讨论的对象均为理想气体，而实际气体总是有偏差的，尤其在温度低，压力高时偏差更大，因而在实际应用时必须加以校正。如 Van Der Waal 方程： 其中 a 和 b 是分别用于校正压力和体积的参数，其数值随气体的种类不同而不同。 这部分内容在 p197第8章气态中有较详细的叙述，大家可以自己学习。二. 液态与溶液 1.液态 液态和固态的分子间有很大的相互作用力，因而受到约束，不再具有气体的特性。液态和固态又称作为凝聚态。.液体的蒸发，蒸气压与相平衡 第九章讨论了固体，液体的蒸气压，蒸气压与温度的关系，固、液、气三相平衡及相互转变的关系，这对我们后面的学习如溶液的依数性非常重要。希望大家能认真阅读。 液体的蒸气压：液体界面上的分子受到相互作用力是不平衡的，故具有逸出液体的倾向，运动速度越快的分子逸出的可能性越大。这种逸出的液体分子就是该液体的蒸气。同时，在界面外的逸出分子也有返回溶液的可能。在一定的条件下（如压力，温度等）会达到平衡，平衡时空气中逸出分子的分压就是该液体的蒸气压。 由于温度越高，分子运动的速度越大，则蒸气压也越高。当蒸气压等于大气压时，液体沸腾，此时气液平衡的温度即为沸点。 固体表面分子也有类似的倾向，也有蒸气、平衡和蒸气压，蒸气压与温度的关系也一样。（如 I2，樟脑等） 当在1 atm*时，固液达到平衡时的温度为熔点或凝固点（对水而言则为冰点） 而固气达到平衡时的温度（不经过液态）为升华点。 * 严格的物理熔点，应指蒸气压为1 atm 时的固液平衡.相律与相图 （吉布斯 1876年） 相律是多相之间达到平衡时一定要符合的规律。 数学表达式： f = K- + 2 其中： f 为自由度， K 为组份， 为相 对单组份： K = 1， （表示纯物质） 上式变为： f = 3 - 如： = 1 f = 2 P,T 都是变量 面 = 2 f = 1 P或T 只有一个可变 线 = 3 f = 0 P,T 都不能变 点 用图解法描绘体系相平衡的图形称为相图。纯物质的相平衡由温度和压强二个变量决定，它们的相图是以压强为纵坐标、温度为横坐标的平面图。 相图在材料科学，化学等方面是非常重要的概念（如炼钢，多组分蒸馏等）。本课程只讨论单组分相图。 下面看二个相图：a). 水的相图OA：冰的蒸气压曲线OB：水的蒸气压曲线 OC：凝固点曲线C: 2000.5 atm -20临界点： 218 atm 374.2 沸点 (B.P)： 1 atm 100 冰点 (M.P): 1 atm 0.0 三相点： 0.06 atm 0.01液/气过冷曲线可至 -45b). CO2的相图OA： CO2的升华曲线OB： CO2的蒸气压曲线 OC：凝固点曲线白色区域：气相独立存在的区域 灰色区域：液相独立存在的区域 黑色区域：固相独立存在的区域临界点： 73 atm 31.1三相点： 5.1atm -56.6升华点： 1 atm -78.5超临界态：是气体和液态不能区分的状态。 超临界态的CO2是一种环保，无毒，无害的有机物萃取剂，广泛应用于医学及食品工业。超临界态的 H2O 中氢键几乎全部破坏，密度很低，具有很高的扩散性，很快的传输能力，能与多种有机物如戊烷，甲苯等以任比例相溶，与各种气体如氧，空气，氢，氨等一样。对有机物和氧来说是极好的熔剂。任何有机物在400600时能迅速分解成CO2和H2O。 如：二噁英 在600630 ， 252 atm, 只需 0.1 min，99.99%分解！.摩尔分数 溶质（或溶剂）摩尔数与溶液总摩尔数之比 c溶质 = n溶质/( n溶质 + n溶剂 ) ; c溶剂 = n溶剂 / ( n溶质 + n溶剂 ) c溶质 + c溶剂 = 1小结：a. 以溶质和溶液相对量表示法b.溶质 摩尔数 mol 溶液 体积 L 体积摩尔浓度：C M 摩尔数 摩尔数 摩尔分数: c 质量 g 质量100g 质量百分浓度：% 质量 g 体积 100ml 体积百分浓度：%( g/ml)b.以溶质和溶剂相对量表示法 溶质 摩尔数 mol 溶剂 质量1000g 质量摩尔浓度： m 质量 g 质量100g 溶解度：S 质量浓度之间或体积浓度之间换算很简单，可直接进行。 质量浓度与体积浓度之间换算，必须知道溶剂和溶液的密度！配制百分浓度有一种简便的混合规则，很实用。 其中： A, B 浓度(X) ,(Y)为浓度值 A1, B1 加量(Z-Y), (X-Z)为加入值 而： Z 为需配制的溶液浓度例1.用多少65% H2SO4溶液和水来配制25% H2SO4溶液？ 用25份重量的65% H2SO4溶液和40份重量的水混合即可。例2. 用多少 50%(g/ml) 和 5% (g/ml) 葡萄糖溶液来配制500ml 10% (g/ml)葡萄糖溶液? ( 5 / 40+5 ) 500 ml = 55.5 ml ( 40/40+5 ) 500 ml = 444.5 ml 即取50%(g/ml) 的葡萄糖溶液55.5 ml和5% (g/ml) 葡萄糖溶液444.5 ml 混合即可。2. 溶液.概述 定义：溶液是由二种或二种以上纯物质的均相混合物。其中量大的物质叫溶剂，量小的物质叫溶质。均相：指不同物种以分子或离子状态均匀分散的稳定体系。 从外表看：任何部分都是均匀的，没有物理分界面。 从内部结构看：物种微粒没有局部聚集，离析的趋势：溶液存在形态：由气，液，固物态构成，并以其中任一形态存在。 气气 如空气 液固 如Na汞齐 气液 如汽水 固固 如合金 气固 如H2溶于Pd 固液 如海水 液液 如酒而 液气 如气雾，气溶胶 固气 如浮尘 则不是真溶液 其它不属于真溶液的有： .胶体溶液（胶体分散系，溶胶） 分散相半径 1nm 100 nm该体系对光有散射作用-丁道尔现象 .悬浊液（分散相为固体），乳浊液（分散相为液体） 分散相半径 100 nm，如黄河水，牛奶等 气态溶液已在分压定律部分已讨论，本节只讨论液态溶液。 .溶剂与溶质 水溶液： 水为溶剂，其它被溶物为溶质 汽液，固液： 液体为溶剂 液液： 以量大的组分为溶剂 .浓度和溶解度（此部分很重要） 浓度：溶液的状态 溶解度：溶液的性质 1）.浓度 代表：溶液组的量度；溶剂和溶质的相对含量 由于历史原因及各行业的习惯，溶液浓度的表示方法很多。可分成质量浓度和摩尔浓度二种，每种又有质量表示法和体积表示法。2）.溶解度.定义：溶质X的饱和溶液是指与未溶解完的溶质X处于平衡状态的溶液。该溶液的浓度就是溶质 X在该溶剂中的溶解度。 因此饱和溶液必须与溶质共存。否则,可能是不饱和溶液-加入溶质会继续溶解。也可能是过饱和溶液-加入晶种等会析出溶质。注意：不饱和溶液不一定是稀溶液。 饱和，过饱和溶液不一定是浓溶液。 可以用任何一种浓度表示方式来表示溶解度。但作为溶解度的常用单位是：100克溶剂溶解溶质的克数（g/100g） 10 g 易溶 110 g 可溶 10.1 g 微溶 n2 则 rP1 = c 2 Pi0 = （Pi0 M1 / 1000） m 设 （Pi0 M1 / 1000）为常数 Kp 则 rP1 = Kp m 水的 Kp = (1 atm 17.5 mm Hg18 g/mol)/(1000g760 mmHg) = 4.110-4 atmmol-1 此公式与沸点上升，凝固点下降公式的形式一致。 但 n2 /（n1+ n2 ） n2 / n1 近似引入了误差。如上例： c 2 = n2 /（n1+ n2 ）= 0.0475 rP1 = 0.0059 atm P1 =0.1252-0.0059 = 0.1193 atm若： c 2 = n2 /n1= 0.0499/1.00 = 0.0499 rP1 = 0.04990.1252 atm = 0.0062 atm P1 =0.1252-0.0062 = 0.1190 atm比较二种计算引入的误差： rP1： 相对百分误差 = （0.0062-0.0059）/0.0059 = 5% P1： 相对百分误差 = （0.1193-0.1190）/0.1193 = 0.25%因而，用近似公式求 P1，误差不大，可以接受。 用近似公式求rP1，则误差就偏大了。 如果已知 溶液的 rP，则可溶质的分子量。例：在323K，200 g C2H5OH 中溶解溶质22.08 g，该溶液的蒸气压为27.66 Kpa C2H5OH P0(323K)=29.28 KPa ，试求溶质的分子量。已知 rP1 = 29028 27.66 = 1.62 KPa n1= 200 /46 =4.3478 n2=22.08/ M 2 rP1 = n2 /（n1+ n2 ） Pi0 （n1+ n2 ）rP1 = n2 Pi0 n1 rP1+ n2 rP1 = n2 Pi0 n1 rP1= n2 （ Pi0rP1 ） n2 = n1 rP1 /（ Pi0rP1 ）= n1 rP1 / P1 22.08 / M 2 = n1 rP1 /P1 M 2 = 22.08 P1 / n1 rP1 = 22.0827.66 /4.34781.62 = 86.71 g/mol n2=22.08/M 2 = 0.2546若用近