工程化学教案.doc

工程化学教案教学目标： 使同学们学到和工程技术相关的化学原理：（）物质结构的基本原理原子 , 分子 , 晶体的结构配位化合物的结构表面活性剂的结构（）化学反应中的能量变化化学反应的热效应化学反应的方向性化学平衡化学反应速度（）化学反应的基本原理酸碱反应和同离子效应沉淀反应和沉淀的溶解度配合反应和配合物的稳定性氧化还原反应和电化学 使同学们初步认识化学原理在工程技术实际中的应用（）物质结构对材料性能的影响（）表面活性剂的应用（）同离子效应和缓冲溶液的应用（）沉淀反应和配合反应在水处理中的应用（）电化学原理和金属腐蚀及其防止（）电化学原理在电解加工中的应用（）化学反应在材料防护，环境保护和能源开发中的应用教学形式： 理论课32课时 实验课16课时 总计48课时考核方法： 课下作业成绩结课论文成绩 实验课成绩期末考试成绩第一章 物质的结构和聚集状态原子的结构和元素的金属性和非金属性基本要求：1波函数（原子轨道）和概率密度（电子云）的含义；2四个量子数描述电子的运动状态；3基态原子核外电子的分布式和价层电子构型，简单阳离子的电子分布式，外层电子构型的书写；4元素价层电子构型与在元素周期表中所处位置的关系；5原子半径、电离能、电负性的周期性与元素金属性非金属性的递变。重点: 基态原子核外电子的分布式和价层电子构型,元素在周期表中的位置；难点: 四个量子数描述电子的运动状态一 原子核外电子的运动状态 电子的运动特性1 能量的量子化电子具有一定的能量，处于一定的能级（n）n，能级的能量顺序：电子所处的最低能态称为基态，高于基态的能态为激发态，电子吸收能量可以从基态跃迁到激发态从激发态回到低能态时，电子放出能量以单色光的形式出现，可形成光谱（例如氢原子光谱），谱线的波长（）互相间隔，不连续由，c可知，电子在能级间跃迁吸收或放出的能量（）是一份一份的，不连续的，是基态能量的整数倍，电子运动中能量的不连续性称为量子化2 波粒二象性 电子具有质量（），速度（），因此电子运动具有粒子性， 电子质量非常小，速度非常快（光速），因此电子运动可形成波（例如电子和光一样可发生衍射现象）所以电子运动具有波粒二象性出现的统计性由于电子质量小，速度快，因此不能确切测知某一电子在某时刻的位置，电子出现的规律需通过在某区域出现的几率大小来认识，所以核外电子的运动并不象宏观物体那样具有确定的轨道，原子轨道应看作是电子运动形成的几率波 核外电子运动状态的描述1 波函数（原子轨道）和概率密度（电子云）原子核外电子处于一定的能级，其运动状态与形成的概率波（原子轨道）密切相关，如果把原子轨道看作概率波，可用波函数（，）描述，（，）可通过薛定锷（Schrodinger）方程式求得波函数可认为就是原子轨道波函数（原子轨道）的图形称为角度分布图. 称为概率密度，将核外电子出现几率密度最大的区域用图像描绘，就是电子云电子云的图像即电子云角度分布图.波函数和量子数因为原子轨道的能量是量子化的，因此可以通过一系列相关的量子数描述原子轨道（即波函数）（，）可变换为（r, ，），r与能级相关，而，与电子运动的角速度相关，因此，可用量子数，来描述：主量子数（能级），规定轨道能量；：角量子数（亚层），（），规定轨道图像；亚层符号： ，：磁量子数（轨道），规定轨道方向；，之间的关系：决定的数目，从而决定该能级亚层的数目，取一个值，即，（亚层），可取二个值，（亚层） ,（亚层）和共同决定轨道的能量：的能量顺序： 的能量顺序： 即：决定的数目，从而决定轨道的数目，取一个值，（一个轨道），取,三个值（三个轨道），取，五个值（五个轨道） 若和已确定，即能量已确定，不同的值只区分轨道在空间不同的伸展方向，不影响轨道的能量例如上述三个轨道x，y，z能量相同，五个轨道能量相同，的组合可描述各种原子轨道和的组合可以确定能级和亚层，的组合才能确定原子轨道例如：，：亚层，：轨道符号用量子数表示为：，符号PX用量子数表示为，符号3PY用量子数表示为，1符号PZ用量子数表示为, ，组合确定的原子轨道轨道轨道总数 ( n），2PX ,2PY ,2PZ，+1 ,-1, +2, -23PX ,3PY ,3PZ的五个轨道，0, +1 ,-1 ,+2 ,-20,+1,-1,+2,-2,+3,-34Px ,4Py ,4Pz的五个轨道的七个轨道(3)用四个量子数描述电子的运动状态处于原子轨道中的电子，其自旋有顺时针，反时针二个方向，可用自旋量子数s描述，s取值为： 或故每一个轨道中最多能容纳二个电子，且自旋相反处于一定轨道中的电子，其运动状态可用四个量子数的组合来描述电子运动状态s 2 1/2 -1/21 + 1/2 1/2 622222111110+1+1 -1 -1 1/2 -1/2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 1013333333332222222220+1+1-1-1+2+2-2-2 1/2 -1/2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2各能级中的轨道总数为，可容纳的电子总数为二 基态原子核外电子的分布和元素的金属性和非金属性 核外电子的分布式和价层电子构型1 核外电子分布原理：能量最低原理：能级顺序（能级组） ，属于能级交错现象泡利不相容原理每个轨道最多容纳个自旋相反的电子，每个原子中不可能存在四个量子数完全相同（运动状态完全相同）的二个电子洪特规则在同一亚层中，电子将尽可能单独占不同的等价轨道，且自旋平行例如：三个电子在三个轨道中的分布方式如下图所示： 3(2).核外电子分布式，价电子构型及元素在周期表中的位置按能级组顺序排列电子按主量子数的顺序书写核外电子分布式例如：电子分布式为：4 电子分布式为: 电子分布式为: (半充满稳定态)29电子分布式为： (全充满稳定态)主族元素（），价电子构型：，副族元素（），价电子构型：（）原子结构和元素在元素周期表中的位置元素核外电子分布式价层电子构型周期族区11Na三As16三A24Cr四B26Fe四29Cu101四Bs简单阳离子的电子分布式，外层电子构型阳离子核外电子分布式外层电子构型NaCr FeFe3+元素的金属性和非金属性及其递变规律从元素周期表中看出，元素分为金属元素和非金属元素，金属约占，非金属金属原子容易失去电子变为阳离子，越容易失去电子，金属性越强；非金属原子容易得到电子变成阴离子，越容易得到电子，非金属性越强金属元素分布于区（A，A）和区A，A的部分元素以及全部区（B），s区（ B，B），区的元素元素金属性非金属性的强弱和原子半径，核电荷数，价层电子数有关，可用电负性加以比较.电负性（）是指元素原子与其他原子结合时吸引电子的能力非金属元素电负性越大，非金属性越强，指定非金属性最强的氟（）电负性，金属元素电负性越小，金属性越强，最活泼的金属铯（）电负性才等于 有效核电荷数增大，原子半径减小，电负性增大同一周期自左向右 金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强电子层数增加，原子半径增大，电负性减小同一族自上而下金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱主族元素有效核电荷数，原子半径，电负性递变幅度较大，因此金属向非金属过渡明显；副族元素上述变化幅度较小，因此，金属性递变缓慢，镧系元素（希土金属）变化幅度更小，因此这些元素性质极其相似，以致于很难分离共价键，分子的结构，分子间作用力基本要求：1共价键的本质、特征、类型；2杂化轨道的类型和分子空间几何构型的关系；3共价键的极性和分子的极性的区别；4分子间力（范德华力）和氢键对物质性质的影响：重点: 共价键的本质、特征、类型，分子的空间几何构型和极性；难点: 杂化轨道的类型和分子空间几何构型的关系； 一 共价键，杂化轨道和分子的空间几何构型1. 共价键：两个原子电负性相差不大（ 0.230 0.231 0.197离子电荷 离子键增强熔点（） （）分子晶体分子晶体中的分子间力（包括氢键）越强，熔，沸点越高，硬度越大222Te 2分子量增大分子间力及氢键增强沸点（） 升 高 三.离子极化作用和过渡型晶体 234晶体类型离子晶体 离子晶体 过渡型晶体分子晶体熔点（） 大量区，区，区金属的氯化物，硫化物，如：2，3，2，等熔点低或在水中溶解度小，已不是离子晶体，而属于由离子晶体向分子晶体转变的过渡型晶体转变的原因在于离子极化作用，（）离子极化作用: + - 离子键轨道重迭共价键离子晶体分子晶体离子极化作用越强，键型转变越大，晶型转变越大，产生介于离子晶体和分子晶体之间的过渡型晶体离子极化作用的强弱决定于两个因素，一是离子的极化力，二是离子的变形性阳离子的极化力与电荷半径有关，越高越小，极化力越强，变形性与半径有关，半径越大，越容易变形区，区，区金属离子的半径小，电荷高，极化力大，而，等阴离子半径大，易变形，它们之间组合易产生离子极化作用形成过渡型晶体（）离子极化对物质性质的影响对熔点的影响：2 3阳离子电荷 离子极化作用增强过渡晶体类型偏离子晶体型偏分子晶体型熔点（）对溶解度的影响： g阴离子半径增大键型离子键 过渡键型过渡键型共价键晶体类型 离子晶体 过渡型晶体 过渡型晶体 分子晶体水中溶解度 易溶 难溶， (溶解度降低)四. 混合键型晶体石墨属于层状晶体，晶体中粒子之间作用力有两种：层内碳原子之间以杂化轨道形成键，结合力较强；层间以离域键（大键）相连，结合力较弱，因此各层间较易滑动，因此，石墨适宜作固体润滑剂氮化硼也和石墨一样形成层状晶体，称为白色石墨,是耐高温的固体润滑剂和耐火材料，硅酸盐晶体也属于混合键型晶体，硅氧四面体（4）中，键为共价键，而（4）阴离子和或等阳离子之间则以离子键结合第二章 化学反应中的能量关系化学计量数（）和反应进度（）基本要求：化学计量数和反应进度的概念和意义。一化学计量数对于化学反应随着反应的进行，反应物，不断减少，生成物，不断增多，令：C，D，A，B，代入上式，得：AABBCCDD或i为，（反应物，生成物分子，原子或离子）的化学式量，为正，负整数或简分数，称为物质的化学计量数例如：即：（）（）表明反应每消耗和必生成3二反应进度反应进度表示反应进行的程度 （）（） 例： （mol）： . . .i. . . i= 1.0 mol 反应焓变（）和化学反应的热效应基本要求：1状态函数焓（）及焓变（）2标准摩尔反应焓变（rm，298）和标准摩尔生成焓（fm，298）；3标准摩尔反应焓变（rm，298）的计算。重点：状态函数焓、标准摩尔生成焓的概念和标准摩尔反应焓变的计算。难点: 标准摩尔生成焓和标准摩尔反应焓变的区别。一. 热力学状态函数及其特性化学热力学：研究化学反应中能量转换规律的科学，包括化学反应热效应,方向性和化学平衡状态函数：体系的状态可以用一系列物理量描述，如：，它们均为状态的单值函数，称为状态函数状态函数的值和各个不同状态一一对应状态变化，状态函数值随之变化，其变化值只和始态和终态有关，而与变化的途径无关如: , 211,21111 状态1 U 状态2U1 U2状态3 则12或12，21二状态函数焓（）及焓变（）（）热力学能（内能），功和热热力学能（内能）：体系中所有能量的总和，是状态函数显然，功和热与过程有关，不是状态函数功W分为体积功和非体积功，体积功W（21），非体积功W与体积变化无关，如：电功热Q分为恒压热p和恒容热v热和功的符号：体系得功，吸热为正；即W0, Q0 体系作功，放热为负即W0, Q0（）热力学第一定律（能量守恒）和焓的引出 体系吸热，作功，内能变化U 1 2 热力学第一定律（能量守恒）的数学表达式： ，恒压（21），无非体积功（）时 21p（21），整理后，得 （222）（111）p令则p表明在恒压下的热效应数值上等于过程的焓变三标准摩尔反应焓变（rm，298）及计算：（）标准摩尔生成焓fm，298每种物质i有标准摩尔生成焓，其定义为：在标准态（）和，由稳定单质生成单位物质的量某物质时的焓变（即恒压热），称为该物质的标准摩尔生成焓，表示为fHm，298，单位为稳定单质的标准摩尔生成焓为（）标准摩尔反应焓变rm，298的计算根据各反应物和生成物的标准摩尔生成焓fm，298求反应的标准摩尔焓变rm，298例：求反应） 2（）2（）的标准摩尔焓变rm，298 （）2（） 2（） H1 稳定单质 H2 C(s) + O2(g)21 21rm，298 2fm，298，CO1(-)fm，298，COfm，298，O）即 rHm,298 (fHm298，i）生成物 (fHo,m298，i）反应物将数据代入，rm，298（）（）（）（）例：求乙炔完全燃烧反应的rm，298 5 22()2（）2（）2（） 2fm，（kJmol-1）rm，298（）（）226.75（）若反应为： 5 22（）2（）2（）2（） 2 fm， rm，298（393.5）（241.8）.（）若反应为：22（）2（）2（）2（）显然，rm，298（）（）四.反应焓变的测定: 反应焓变通常用量热法测定. H= c m (T2 - T1) 其中,c为反应体系的比热(Jg-1K-1) m为反应体系的质量( g ) (T2 - T1)为测量中温度计所示最高温度和起始温度之差(K). 五恒压热与恒容热的关系根据热力学第一定律（能量守恒）的数学表达式： ，恒容（21），（）时则v根据则+根据 +吉布斯自由能变化和反应方向的判断基本要求：1状态函数熵（）、物质的标准摩尔熵（m，298）和反应标准摩尔熵变(m，298)的计算；2吉布斯自由能变判据（判据）；3吉布斯公式；4标准摩尔吉布斯自由能变m及其计算；重点：吉布斯自由能变判据、标准摩尔吉布斯自由能变m及其计算难点: 反应标准摩尔熵变的意义；温度对的影响。一.化学反应的自发性及其特征1. 自发过程及其特征以水自发地从高处