高淑娟大连理工大学无机化学第01章ppt课件.ppt

热烈欢迎来自全国各地的新同学 身体好 学习好 心情好 让我们共同成就美好的明天 无机化学InorganicChemistry主讲教师 高淑娟主教材 无机化学基础教程辅助教材 无机化学学习指导大连理工大学出版社 化学 实用的 创造性的中心科学 无机化学 一个古老的学科 近60多年来飞跃发展 与其他学科交叉产生许多边缘学科 无机化学的前沿领域 配位化学 金属有机化学 无机材料化学 生物无机化学 超分子化学等 无机化学课程 高等学校化学化工类专业以及近化学类专业的第一门重要化学基础课 无机化学内容 1 化学反应基本原理 第1 7章 2 物质结构基础理论 第8 11章 3 元素化学基本知识 第12 18章 无机化学前沿 新能源与新材料绿色化学与原子经济与其它学科的联系 无机化学 特点及对策特点 内容多 规律性差 难度大 讲授方式 难点突破 学习方法 预习 笔记 总结 博揽群书 几点教学要求1 课前预习 认真听课 记好笔记 及时复习 2 按时 认真 独立完成作业 作业本 解题规范 字迹工整 注意有效数字 有问题及时答疑 认真做好实验 培养实验技能和创新能力 教学参考书1 吉林大学等宋天佑等无机化学 上 下册 高等教育出版社 北京师范大学等无机化学 第四版上 下册 高等教育出版社 武汉大学等无机化学 第三版 上 下册 高等教育出版社 4 C E Housecroft A G SharpeInorganicChemistry2ndEdition2005 5 宋天佑简明无机化学高等教育出版社20076 华南理工大学古国榜无机化学 第二版 化学工业出版社20077 邵学俊等无机化学 第二版 上 下册 武汉大学出版社20038 苏小云等工科无机化学 第三版 华东理工大学出版社20049 黄可龙等无机化学科学出版社2007 第一章气体 1 1理想气体状态方程式 1 2气体混合物 1 3气体分子运动论 1 4真实气体 1 5大气化学 1 1理想气体状态方程式 1 1 1理想气体状态方程式1 1 2理想气体状态方程式的应用 具有可压缩性和扩散性 气体的最基本特征 主要表现在 1 气体没有固定的体积和形状 2 不同的气体能以任意比例均匀地混合 3 气体是最容易被压缩的一种聚集状态 理想气体 物理模型人们将符合理想气体状态方程式的气体 称为理想气体 理想气体分子之间没有相互吸引和排斥 分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略 理想气体实际上并不存在 可以把温度不太低 压力不太高的真实气体当做理想气体处理 PV nRT 波义耳定律 Boyle sLaw PV 常数 n T一定 查理 盖 吕萨克定律 Charles Gay Lussac sLaw V T 常数 n P一定 Kelvintemperaturescale 阿伏加德罗定律 Avogadro sLaw V n 常数 T P一定 1 1 1理想气体状态方程 1 理想或接近理想 温度 压力 2 只适用于完全封闭的气体 R PV nT PVm T 101 325 103Pa 22 414 10 3m3 273 15K 8 314J mol 1 K 1 注意点 如果压强 体积单位为atm和L 则R 0 082L atm mol 1K 1 3 R的取值随压力单位的变化而不同 标准状况下任何理想气体的体积为T 273 15K P 1atm 1 1 1理想气体状态方程 pV nRTR 摩尔气体常数在STP下 p 101 325kPa T 273 15Kn 1 0mol时 Vm 22 414L 22 414 10 3m3 R 8 314kPa L K 1 mol 1 1 1 2理想气体状态方程式的应用 1 计算p V T n四个物理量之一 应用范围 温度不太低 压力不太高的真实气体 2 气体摩尔质量的计算 M Mrg mol 1 例 某氧气钢瓶的容积为40 0L 27 时氧气的压力为10 1MPa 计算钢瓶内氧气的物质的量 解 V 40 0L 4 0 10 2m3 T 27 273 15 K 300 15Kp 10 1MPa 1 01 107Pa由pV nRT得 m V 3 确定的气体密度 有关气体体积的化学计算 例 为了行车的安全 可在汽车中装备上空气袋 防止碰撞时司机受到伤害 这种空气袋是用氮气充胀起来 的 所用的氮气是由叠氮化钠与三氧化二铁在火花的引发下反应生成的 总反应是 6NaN3 Fe2O3 s 3Na2O s 2Fe s 9N2 g 在25 748mmHg下 要产生75 0L的N2 计算需要叠氮化钠的质量 解 根据化学反应方程式所显示出的n NaN3 与n N2 的数量关系 可以进一步确定在给定条件下 m NaN3 与V N2 的关系 6NaN3 Fe2O3 s 3Na2O s 2Fe s 9N2 g 6mol9molMr NaN3 65 01P 748mmHg 99 73kPaT 298Km NaN3 390 06gV N2 223 6Lm NaN3 V N2 75 0Lm NaN3 131g 1 2气体混合物 1 2 1分压定律1 2 2分压定律的应用 1 2 3分体积定律 组分气体 理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体 分压 组分气体B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B的分压 1 2 1气体的分压定律 n n1 n2 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 p p1 p2 或p pB 分压的求解 xB B的摩尔分数 例题某容器中含有NH3 O2 N2等气体的混合物 取样分析后 其中n NH3 0 320mol n O2 0 180mol n N2 0 700mol 混合气体的总压p 133 0kPa 试计算各组分气体的分压 解 n n NH3 n O2 n N2 0 320mol 0 180mol 0 700mol 1 200mol p N2 p p NH3 p O2 133 0 35 5 19 95 kPa 77 55kPa 1 2 2分压定律的应用 P6例题1 3 P7例题1 4 1 2 3分体积定律 分体积 混合气体中某一组分B的分体积VB是该组份单独存在并具有与混合气体相同温度和压力时所占有的体积 V V1 V2 称为B的体积分数 例1 某一煤气罐在27 时气体的压力为600kPa 经实验测得其中CO和H2的体积分数分别为0 60和0 10 计算CO和H2的分压 解 根据 p CO 0 60 600kPa 3 6 102kPap H2 0 10 600kPa 60kPa 例2氧是人类维持生命的必需气体 缺氧生命就会死亡 过剩的氧会使人致病 只有在氧气的分压维持21kPa才能使人体维持正常代谢过程 在潜 水员自身携带的水下呼吸器中充有氧气和氦气 He在血液中溶解度很小 N2的溶解度大 可使人得气栓病 某潜水员潜至海水30m处作业 海水的密度为1 03g cm 3温度为20 在这种条件下 若维持O2 He混合气中p O2 21kPa 氧气的体积分数为多少 以1 000L混合气体为基准 计算氧气的分体积和氦的质量 重力加速度取9 807m s2 解 T 273 20 K 293K海水深30m处的压力是由30m高的海水和海面的大气共同产生 海面上的空气压力为760mmHg 则P g hw 1个大气压 760mmHg 1 013bar 101kpa 9 807m s2 1 03 103kg m 3 30m 101kPa 3 03 103kg m 3 s 2 101kPa 303kPa 101kPa 404kPa 若混合气体体积为1 000L时 基本假设A 气体是大量分子的集合体 相对于分子与分子间的距离以及整个容器的体积来说 气体分子本身的体积是很小的 可忽略不计 因此常可以将气体分子当作质点来处理 1 3气体分子动理论 KineticMolecularTheory B 气体分子不断地作无规则运动 均匀分布在整个容器之中 C 气体分子对器壁的碰撞是弹性碰撞 碰撞前后能量不损失 J C Maxwell L Boltzmann R Clausius 推导 设边长L的一个主方箱子 其中有N个气体分子 每个分子的质量为M 速度为u 假设有N 3气体分子沿x轴方向运动 其动量为mu 分子撞在左面箱壁后 以原来的速度向右飞 因为是弹性碰撞 其动量为 mu 因此每撞壁一次 分子的动量就改变了2mu 一个分子平均起来看 它向左各右运动跨越容器 与器壁A连续两次碰撞之间所走的距离为2L 所以每个分子每秒的动量改变量为 N 3个分子每秒的动量改变量为 单位时间内的动量改变 F 所以压强为 P 压强 F S F L2 即 实际上压强为所有分子的共同作用 假设ni个分子的速度为ui 则 其中 定义 称为均方根速率 所以 pV 为单原子分子的平均动能 根据统计物理学 与PV nRT相比较 nR Nk 则 K的物理意义是分子气体常数或玻尔兹曼常数 P T宏观物理量 是大量分子集合体微观量的平均值 所以说温度和压力这两个物理量具有统计平均的含义 这是气体分子论的一项重要成果 代入 PV NkT 气体分子速度分布与能量分布 了解 Distributionofgasmolecularspeedsandenergy 1 气体分子的速度 在许多情况下 我们必须知分子的速度 根据气体分子的运动论的基本公式可求速度 方均根速度urms 例题 求在0 C时氢分子的速度 气体分子的运动完全是无序的 在一秒钟内 一个分子同其它分子一般要经过几百万次的碰撞 而每次碰撞都将使分子的运动速度和方向发生变化 使它的路程很曲折 从而到达目的地的时间很长 2 分子的速度分布和能量分布 A 常数 k 波尔兹曼常数 m 气体分子质量 f u 速度分布函数 表示在速度为u的单位速率区间的气体分子数占分子总数的分数与速度u及温度T有关的函数 a 气体分子的速度分布 气体分子的速度分布图 阴影的面积 分子速度u在ui ui dui 之间的分子数占总分子数的百分数 um最可几速度 mostprobablerate ua算术平均速度 mathematicalaveragerate urms方均根速度 rootmeansquarerate urms ua um 1 00 0 921 0 816 T3 T2 T1 b 气体分子的能量分布 略 T3 T2 T1 表示能量大于和等于E0的所有分子的分数 随温度的提高具有较高能量的分子百分数随之增加 高能量的分子倾向于参加化学反应 所以马克斯韦 波尔兹曼公式对研究反应速度非常重要 格拉罕姆扩散定律 Graham slawofeffusion 在恒压条件下 某一温度下气体的扩散速率与其密度 或摩尔质量 的平方根成反比 这就是气体扩散定律 实验定律 表达式 1 4真实气体 1 4 1真实气体与理想气体的偏差1 4 2VanderWaals方程 1 4 1真实气体与理想气体的偏差 理想气体状态方程式仅在足够低压力下适合于真实气体 产生偏差的主要原因是 气体分子本身的体积的影响 分子间力的影响 P13几种气体的PV nRT P图 理想气体 三 实际气体定律 TheRealGasLaw 1 实际气体与理想气体的偏差 小的非极性分子偏差小大的极性强的分子偏差大 1mol气体的PV RT p曲线 1molN2的PV RT p曲线 不同温度 温度高时接近理想气体 对于复杂分子的作用 缺少准确的数据 大致规律性为 近程排斥 中程吸引 远程为零 当斥力起主要作用时 PV nRT 因为在这种情况下如果增大压力 由于排斥力的抵抗 气体的体积也不会变小 所以V实际偏大 产生偏差 故PV nRT 当吸引力起主要作用时PV nRT 这是由于分子之间存在的吸引力 使分子对外界的压力变小 所以P实际偏小 产生负偏差 故PV nRT 对PV偏离理想值的解释 1 4 2VanderWaals方程 a b分别称为Vanderwaals常量 此方程描述实际气体状态方程 实际气体状态方程 vanderwaalsequation 2 分子间的引力 压力校正项 两点修正 a b称为vanderWaal sconstant V nb Videal等于气体分子运动的自由空间 1 分子自身的体积 体积校正项 分子间吸引力正比于 n V 2内压力P a n V 2Pideal Preal a n V 2 表1 1某些气体的VanderWaals常量 例题分别按理想气体状态方程式和Vanderwa ls方程式计算1 50molSO2在30摄氏度占有20 0L体积时的压力 并比较两者的相对误差 如果体积减少为2 00L 其相对误差又如何 解 已知T 303K V 20 0L n 1 50mol a 0 6803Pa m6 mol 2 0 5636 10 4m3 mol 1 1 5 1大气层的分布1 5 2大气中氮与氧的循环1 5 3臭氧耗损1 5 4温室效应1 5 5酸雨1 5 6光化学烟雾 1 5大气化学 1 5 1大气层的分布 对流层 10Km平流层 15 35Km 同温层 散逸层 热电离层 1 5 2大气中氮与氧的循环氮的循环 氧的循环 1 5 3臭氧耗损 臭氧层处于平流层 O3的形成始于在240nm以下的太阳辐射下O2的光分解 O2O O反应活性很高的O原子与O2结合形成O3 O O2 M O3 M臭氧自身吸收200nm 300nm的uv 而发生分解 O3O O2 臭氧耗损 在STP条件下 臭氧层厚度仅仅有3mm 本世纪七十年代中期科学家们已关切到某些氟氯烃对臭氧层的有害影响使用中的氟氯烃最终大多逃逸到大气中 然后扩散到平流层中 在175 220nm波长的uv辐射下引起分解 CFCl3 CFCl2 ClCF2Cl2 CF2Cl Cl 臭氧耗损所形成的活泼的Cl原子再发生下列反应 Cl O3 ClO O2ClO O Cl O2最终导致O3从平流层中被除去 关键是Cl原子对臭氧破坏的催化作用 1个Cl原子能破坏10万个O3分子 1986年在南极上发现了臭氧洞 在北极圈附近臭氧减少的情形不那么严重 在过去的十年里北极的臭氧减少了3 4 1992年的测量揭示出在美国 加拿大和欧洲的最北部分的上空ClO的含量令人惊奇的高 这暗示着北极将在近年内出现大的臭氧洞 臭氧耗损 大气中的CO2仅占0 33 左右 它是控制气候的关键角色 CO2对地球温度的影响常被称作温室效应 在全球生态系统中的循环见图 1 5 4温室效应 全球生态系统中的循环 温室效应 地球从太阳辐射100 5000nm波长范围吸收能量 主要是400 700nm范围内的可见光区 因为地球表面温度低 它所释放的热辐射是波长大于4000nm的红外辐射 这种IR辐射只能被水分子和二氧化碳所