第一堂课_工科化学

1 绪论 Prologue 学什么 What 为什么要学 Why 怎么学习 How 参考书 Referencebook 2 教材 普通化学 第五版 浙江大学普通化学教研组编王明华徐端钧周永秋张殊佳修订高等教育出版社 北京出版年 2002年7月 3 绪论 化学是在原子 分子层次上研究物质的组成 结构 性质及其变化规律的一门科学 它涉及存在于自然界的物质 如矿物 空气中的气体 海洋里的水和盐 动植物体内的化学成分 以及由化学家创造的新物质 它涉及自然界的变化 如因闪电而着火的树木 生命过程中的化学变化 还有那些由化学家发明创造的新变化 作为自然科学中的一门基础学科 化学是当代科学技术和人类物质文明迅猛发展的基础和动力 是一门中心的 实用的和创造性的科学 是一门古老而又生机勃勃的科学 4 化学是一门既古老又年轻的科学 主要是研究物质的分子转变规律的科学 化学是研究和创造物质的科学 同工农业生产和国防现代化 同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系 化学与物理一起属于自然科学的基础学科 研究现状 2000年 化合物 2000万种时间分辨率 1fs空间分辨率 0 1nm分析所需最小量 10 13g 5 1化学的定义与分支学科 化学是在原子和分子水平上研究物质的组成 结构和性能及其变化规律和变化过程中能量关系的学科 无机化学 无机物有机化学 碳氢化合物及衍生物分析化学 测量和表征物理化学 所有物质系统高分子化学 高分子化合物若干新分支 核化学 环境化学 绿色化学 生物化学等等 定义 化学的分支学科 6 1 1无机化学 元素化学配位化学同位素化学无机固体化学无机分离化学无机合成化学物理分离化学生物无机化学金属有机等 一门研究无机物质一般指除了炭以外的化学元素及化合物的组成 结构 性质变化 制备及相关理论和应用的科学 现代无机化学的主要分支学科有 7 1 2分析化学 定性分析重量分析电化学分析光谱分析波谱分析质谱分析热谱分析色谱分析光度分析放射分析状态分析和物相分析化学计量学等 研究物质化学组分和化学结构的方法及其有关理论的一门学科 分析化学按其分析方法分为化学分析和仪器分析 按其分析要求分为成分分析 定量分析和结构分析 按其分析对象分为无机分析和有机分析 按分析试样量多少 可分为常量分析 半微量分析 微量分析和衡量分析 分析化学的重要分支学科有 8 1 3有机化学 元素有机化学天然有机化学有机固体化学有机合成化学有机光化学物理有机化学生物有机化学立体化学理论有机化学有机分析化学等 碳化合物的化学或碳氢化合物及其衍生物的化学 是有机物的结构性质 合成及其有关理论的科学 有机化学的重要分支有 9 1 4物理化学 化学热力学化学动力学结构化学量子化学胶体与界面化学催化学热化学光化学电化学磁化学高能化学计算化学晶体化学 由化学热力学 化学动力学和结构化学 物质结构 三部分组成 化学热力学研究化学反应中能量的转化以及化学反应的方向和限度 化学动力学研究化学反应进行的速度以及化学反应中的机理 而结构化学则是一量子力学为基础研究原子 分子 晶体内部的结构以及物质性质的关系 物理化学的重要分支学科有 10 1 5高分子化学 无机高分子化学天然高分子化学功能高分子高分子合成化学高分子物理化学高分子光化学等 以高分子化合物为研究对象的科学 包括高分子化合物的合成方法 反应机理 反应热力学 反应动力学 高分子化合物改行 高分子化合物材料的加工成型以及高分子化合物的应用 高分子化学的重要分支学科有 11 2化学的地位和作用 化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一 化学将在设计 合成功能分子和结构材料以及从分子层次阐明和控制生物过程 如光合作用 动植物生长 的机理等方面 为研究开发高效安全肥料 饲料和肥料 饲料添加剂 农药 农用材料 如生物可降解的农用薄膜 生物肥料 生物农药等打下基础 利用化学和生物的方法增加动植物食品的防病有效成分 提供安全的有防病作用的食物和食物添加剂 改进食品储存加工方法 以减少不安全因素等 都是化学研究的重要内容 12 各种结构材料和功能材料与粮食一样永远是人类赖以生存和发展的物质基础 化学是新材料的 源泉 从超导体 半导体到催化剂 药物控释载体 纳米材料等都需要从分子和分子以上层次研究材料的结构 20世纪化学模拟酶的活性中心的研究已取得进展 21世纪量子计算机 生物计算机 分子器件 生物芯片等新技术 标志着 分子电子学 和 分子信息技术 的到来 这就要求化学家作出更大的努力 设计 合成所需要的各种物质和材料 化学继续推动材料科学发展 13 化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障在满足生存需要之后 不断提高生存质量和生存安全是人类进步的重要标志 化学可从三个方面对保证生存质量的提高做出贡献 通过研究各种物质和能的生物效应 找出最佳利用方案 研究开发对环境无害的化学品和生活用品 研究大环境和小环境 如室内环境 中不利因素的产生 转化和与人体的相互作用 提出优化环境建立洁净生活空间的途径 健康是重要的生存质量的标志 维持健康状态靠预防和治疗两方面 以预防为主 预防疾病是21世纪医学的中心任务 化学可以从分子水平了解病理过程 提出预警生物标志物的检测方法 建议预防途径 14 化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用 在能源和资源方面 未来化学要研究高效洁净的转化技术和控制低品位燃料的化学反应 新能源如太阳能以及高效洁净的化学电源与燃料电池等都将成为21世纪的重要能源 这些研究大多都需要从化学基本问题作起 否则 很难取得突破 矿产资源是不可再生的 化学要研究重要矿产资源 如稀土 的分离和深加工技术以及利用 化学是生命科学的重要支柱 15 普通化学 是一门现代化学概论课程 通过化学反应基本规律和物质结构理论的学习 使学生了解当代化学学科的概貌 能运用化学的理论 方法 观点审视人们关注的环境 能源 材料 生命和健康等社会热点问题 了解化学对人类社会的作用和贡献 对工科专业 着重把化学理论 方法与工程技术的观点结合起来 用化学的观点分析工程技术中的化学问题 本课程的内容可分为三部分 理论化学 包括化学热力学 化学动力学和物质结构基础 基本知识和应用化学 包括单质和化合物的知识 化学与环境 能源 材料 生命和健康等 实验化学 主要是理论和性质的验证 重要数据的测定 应用化学实验的设计等 并训练实验基本操作和现代仪器的使用等 16 3学习的目的 内容和要求 17 如何学好本门课程 要做到从以下几点 一 要学好基本功 基本概念和基本知识 二 要重视能力的训练培养 三 要加强全面的科学素养 四 提高课堂效率 1 课前预习 浏览一遍今天老师要讲什么 在心理上有个准备 2 课堂上 准备一笔记本 注意听记 这是提高听课效率确保不走神 能跟上讲课思路的最佳方法 其二 笔记内容为课后复习以及期末的复习重要依据 3 下课时 请静坐1分钟时间 回顾一下本节课讲了什么 4 课后复习总结 包括做习题 看参考书等 希望对每一单元以自己的方法 思路能总结一页 期末时只要看自己的总结就能复习全书 18 学习要求 了解定容热效应 qv 的测量原理 熟悉qv的实验计算方法 了解状态函数 反应进度 标准状态的概念和热化学定律 理解等压热效应与反应焓变的关系 等容热效应与热力学能变的关系 掌握标准摩尔反应焓变的近似计算 了解能源的概况 燃料的热值和可持续发展战略 第1章热化学与能源 19 目录 1 1反应热的测量1 2反应热的理论计算1 3常见能源及其有效与清洁利用1 4清洁能源与可持续发展选读材料核能 核燃料和核能的来源 核电的优势与发展趋势本章小结 20 1 1反应热的测量 系统 作为研究对象的那一部分物质和空间 环境 系统之外 与系统密切联系的其它物质和空间 1 1 1几个基本概念 1系统与环境 环境TheSurroundings 21 开放系统有物质和能量交换 封闭系统只有能量交换 隔离系统无物质和能量交换 图1 1系统的分类 22 2相 系统中任何物理和化学性质完全相同的 均匀部分称为相 根据相的概念 系统可分为 单相 均匀 系统多相 不均匀 系统 相与相之间有明确的界面 思考 1 101 325kPa 273 15K 0 C 下 H2O l H2O g 和H2O s 同时共存时系统中的相数为多少 2 CaCO3 s 分解为CaO s 和CO2 g 并达到平衡的系统中的相数 23 3状态与状态函数 状态就是系统一切性质的总和 有平衡和非平衡态之分 如系统的宏观性质都处于定值 则系统为平衡态 状态变化时 系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化 24 状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数 当系统的状态发生变化时 状态函数的变化量只与系统的始 末态有关 而与变化的实际途径无关 图1 2状态函数的性质 以下例子说明 当系统由始态变到终态时 系统的状态函数压力p和体积V的变化量与途径无关 25 例如 一定量理想气体的状态变化 可以有下图所示两种不同的途径 始T1 273KP1 1 105Pa态V1 2m2 终T2 273KP2 2 105Pa态V2 1m2 T3 273KP3 1 106PaV3 0 2m2 减压 加压 加压 26 只要始态和终态确定 状态函数的变化值就是一定的 P P2 P1 2 105Pa 1 105Pa 1 105Pa V V2 V1 1m2 2m2 1m2 27 广度性质和强度性质 状态函数可分为两类 1 广度性质又称容量性质特点 广度性质的量值与体系中物质的量成正比 具有加和性 如质量 体积 热容量等 2 强度性质特点 强度性质的量值只决定于体系的自身特性 与体系中物质的量无关 无加和性 如温度 压力 密度等 28 思考 力和面积是什么性质的物理量 它们的商即压强 热力学中称为压力 是强度性质的物理量 由此可以得出什么结论 力和面积都是广度性质的物理量 结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量 推论 摩尔体积 体积除以物质的量 是什么性质的物理量 29 4过程与途径 系统状态发生任何的变化称为过程 实现一个过程的具体步骤称途径 思考 过程与途径的区别 设想如果你要把20 C的水烧开 要完成 水烧开 这个过程 你可以有多种具体的 途径 如可以在水壶中常压烧 也可以在高压锅中加压烧 30 5化学计量数 一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系 通式为 B称为B的化学计量数 符号规定 反应物 B为负 产物 B为正 附例1 1应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式 N2 3H2 2NH3 解 用化学反应通式表示为 0 N2 3H2 2NH3 31 6反应进度 反应进度 的定义 反应进度的单位是摩尔 mol 它与化学计量数的选配有关 nB为物质B的物质的量 dnB表示微小的变化量 或定义 思考 反应进度与化学反应方程式的书写有关吗 32 1 1 2反应热的测量 反应热指化学反应过程中系统放出或吸收的热量 热化学规定 系统放热为负 系统吸热为正 摩尔反应热指当反应进度为1mol时系统放出或吸收的热量 思考 反应热有定容反应热和定压反应热之分 前者的反应条件是恒容 后者的反应条件是恒压 用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热 答 定容反应热 等容 反应热可在弹式量热计中精确地测量 测量反应热是热化学的重要研究内容 33 1反应热的实验测量方法 设有nmol物质完全反应 所放出的热量使弹式量热计与恒温水浴的温度从T1上升到T2 弹式量热计与恒温水浴的热容为Cs J K 1 比热容为cs J K 1kg 1 则 由于完全反应 n因此摩尔反应热 图1 3弹式量热计 34 示例 例1 1联氨燃烧反应 N2H4 l O2 g N2 g 2