绪论 《大学化学》课程的性质 化学的研究对象一一在原子、分子水平上,研究物质的组成、结构、性能, 物质的化学变化规律及变化中的能量关系。 扫描隧道显微镜( Scamingtunneling microscope--STM), 分辨率:1010m,如锗晶体上苯分子的STM图像 大学化学课程的性质一一基础课程,对化学作一整体的阐述和讨论。 “化学导论” 课程特点:1)简明、概括地反映化学学科的一般原理、基本规律和硏究方法 2)用化学的观点分析、认识工程技术中的化学问题,起化学与工 程技术间的桥梁作用。 现代科学技术发展的特点和素质教育的需要 现代化学的成就与社会文明进步 1)高分子材料2)微电子聚合物3)超导材料
1 绪 论 1《大学化学》 课程的性质 化学的研究对象——在原子、分子水平上，研究物质的组成、结构、性能， 物质的化学变化规律及变化中的能量关系。 扫描隧道显微镜（Scamingtunneling microscope ——STM）， 分辨率：10-10m， 如锗晶体上苯分子的 STM 图像 大学化学课程的性质——基础课程，对化学作一整体的阐述和讨论。 “化学导论” 课程特点：1）简明、概括地反映化学学科的一般原理、基本规律和研究方法 2）用化学的观点分析、认识工程技术中的化学问题，起化学与工 程技术间的桥梁作用。 ·现代科学技术发展的特点和素质教育的需要 ·现代化学的成就与社会文明进步 1)高分子材料 2)微电子聚合物 3) 超导材料
化学是一门中心的、实用的和创造性的科学 2.《大学化学》课程的任务 1)了解近代化学的基本理论,掌握必要的化学基本知识和基本技能。 2)了解化学在工程技术上的应用,能运用化学的观点来理解相关学科中涉 及化学的有关问题。 3)学会正确的学习方法和研究问题的方法。 3.《大学化学》课程的学习内容 1)化学变化宏观规律(第一篇) 2)物质的微观结构理论(第二篇) 3)化学与环境、材料、能源 4.《大学化学》课程的学习方法 ·作笔记 ·做作业,课外自学 ·做实验(单独一门课程)实验预习及报告 5.参考书 [1]天津大学无机教研室大学化学,天津大学出版社,1994 [2]王华明化学与现代文明,浙江大学出版社,1998 3]唐有祺化学与社会,高等教育出版社,1997 「4]华彤文等普通化学原理(第2版),北京大学出版社,1993 [S]浙江大学普通化学教硏室普通化学(第4版),高等教育出版社,1995
2 ·化学是一门中心的、实用的和创造性的科学 2．《大学化学》课程的任务 1）了解近代化学的基本理论，掌握必要的化学基本知识和基本技能。 2）了解化学在工程技术上的应用，能运用化学的观点来理解相关学科中涉 及化学的有关问题。 3）学会正确的学习方法和研究问题的方法。 3． 《大学化学》课程的学习内容 1）化学变化宏观规律（第一篇） 2）物质的微观结构理论（第二篇） 3）化学与环境、材料、能源 4．《大学化学》课程的学习方法 ·作笔记 ·做作业，课外自学 ·做实验（单独一门课程） 实验预习及报告 5．参考书 [1] 天津大学无机教研室.大学化学，天津大学出版社，1994 [2] 王华明.化学与现代文明，浙江大学出版社，1998 [3] 唐有祺.化学与社会，高等教育出版社，1997 [4] 华彤文等.普通化学原理（第 2 版），北京大学出版社，1993 [5] 浙江大学普通化学教研室.普通化学（第 4 版），高等教育出版社，1995
第一篇化学反应的基本规律 Basic Rule of chemical Raction 引言 化学反应是化学研究中的一个中心课题 例:C6H12O6s)+6O2(g)→6CO2(g)+6H2O() 问题的引入 反应能否发生?( direction) ·能量变化多少?( (energy)1」化学热力学解决 反应的转化率多少?( extent) 反应速率? 反应历程与反应机理 化学热力学( thermodynamics) 化学动力学( kinetics 近代化学理论基础 物质结构理论( structure of matter) 第1篇教学内容 化学热力学基础★ 化学反应速率 化学平衡★ 电化学及其应用★
3 第一篇 化学反应的基本规律 Basic Rule of Chemical Raction 引言 化学反应是化学研究中的一个中心课题 例： C6H12O6(s) + 6O2(g) → 6CO2(g) + 6H2O(l) 问题的引入 ⚫ 反应能否发生？（direction）II ⚫ 能量变化多少？ (energy) I 化学热力学解决 ⚫ 反应的转化率多少？(extent) II ⚫ 反应速率？ ⚫ 反应历程与反应机理 化学热力学（thermodynamics） 化学动力学(kinetics) 近代化学理论基础 物质结构理论(structure of matter) 第 1 篇教学内容： 化学热力学基础 ★ 化学反应速率 化学平衡 ★ 电化学及其应用 ★
第1章化学热力学基础(讲授6学时) Chapter 1 thermodynamics 本章教学内容 热化学和焓。化学反应的热效应,△Hm、△H"m。 化学反应方向的判断。熵与吉布斯自由能。GH公式及其在实践中的应用 本章教学要求 (1)了解状态函数的意义。了解化学反应焓变在一般条件下的意义。理解等压热 效应与反应中的焓变的关系。了解等容热效应与化学反应中内能变的关系 (2)初步掌握化学反应的标准摩尔焓变的近似计算 (3)了解化学反应中的熵变和吉布斯自由能变在一般条件下的意义。初步掌握化 学反应的标准摩尔吉布斯自由能变的近似计算,能应用摩尔吉布斯自由能变 和标准摩尔吉布斯自由能变判断反应进行的方向。 本章教学重点: U、H、S、G及△U、△H、△S、△G △H一计算热效应 △G一一判断反应的方向、限度 本章习题1:P271,3,4,5 本章习题2:P2810,11,1315
4 第 1 章 化学热力学基础（讲授 6 学时） Chapter 1 thermodynamics 本章教学内容 热化学和焓。化学反应的热效应，△rH θ m、△fH θ m。 化学反应方向的判断。熵与吉布斯自由能。G-H 公式及其在实践中的应用。 本章教学要求 (1) 了解状态函数的意义。了解化学反应焓变在一般条件下的意义。理解等压热 效应与反应中的焓变的关系。了解等容热效应与化学反应中内能变的关系. (2) 初步掌握化学反应的标准摩尔焓变的近似计算。 (3) 了解化学反应中的熵变和吉布斯自由能变在一般条件下的意义。初步掌握化 学反应的标准摩尔吉布斯自由能变的近似计算，能应用摩尔吉布斯自由能变 和标准摩尔吉布斯自由能变判断反应进行的方向。 本章教学重点： U、H、S、G 及△U、△H、△S、△G △H——计算热效应 △G——判断反应的方向、限度。 本章习题 1: P27 1, 3, 4, 5 本章习题 2: P28 10, 11, 13 15
概述 热力学——研究自然界中各种形式能量之间相互转化规律及能量转化对物质的 影响的科学。 化学热力学一一用热力学的基本原理研究化学现象及与化学有关的物理现象 热化学一一应用热力学第一定律研究化学变化中的能量转化问题 例:1)Fe2O3+CO→Fe+CO2 2)N2+3H2→NH3 通过化学热力学可以从理论上进行预测并指导社会实践。 本章重点讨论:U、H、S、G及△U、△H、△S、△G △H一一计算热效应 △G一一判断反应的方向、限度。 1基本概念 1.1体系( ( system)与环境( (surroundings) 体系:作为研究对象的物质或空间。 环境:体系外,与其密切相关的其他部分。 体系分类: ·敞开体系( open system):既有物质交换,又有能量交换 封闭体系( closed system)无物质交换,但有能量交换 ·孤立体系( isolated system)既无物质交换,又无能量交换
5 概述： 热力学——研究自然界中各种形式能量之间相互转化规律及能量转化对物质的 影响的科学。 化学热力学——用热力学的基本原理研究化学现象及与化学有关的物理现象。 热化学——应用热力学第一定律研究化学变化中的能量转化问题。 例： 1）Fe2O3+CO → Fe+CO2 2）N2 + 3H2 → NH3 通过化学热力学可以从理论上进行预测并指导社会实践。 本章重点讨论： U、H、S、G 及△U、△H、△S、△G △H——计算热效应 △G——判断反应的方向、限度。 1.1 基本概念 1.1.1 体系(system)与环境(surroundings) 体系：作为研究对象的物质或空间。 环境：体系外，与其密切相关的其他部分。 体系分类： ·敞开体系(open system): 既有物质交换，又有能量交换 ·封闭体系(closed system) 无物质交换，但有能量交换 ·孤立体系(isolated system) 既无物质交换，又无能量交换
1.1.2体系的性质(φ properties一体系的宏观特征。如:T、p、v、m等 ·广度性质:( extensIve property):其量值与体系中物质的量成正比, 具有加和性。 强度性质:( Intensive property):其量值与体系中物质的量无关,取决于体系 自身的特性,一般不具有加和性。 11.3体系的状态与状态函数( state function) 描述体系,须确定T、P、V、组成.一系列物理化学性质,这些性质的总和, 就确定了体系的状态。 (1)体系的状态是体系物理、化学性质的综合表现 (2)体系的性质与状态有一一对应的关系,体系的每一个物理、化学性质都是 状态的函数,简称状态函数 (3)状态函数的特性 1)相互联系 2)状态函数的变化量只决定于体系变化过程的始态和终态,与变化的途径无 关 例:T一一是状态函数 △T=T2
6 1.1.2 体系的性质(properties)——体系的宏观特征。如：T、p、v、m 等 ·广度性质：(extensive property)：其量值与体系中物质的量成正比， 具有加和性。 ·强度性质：(intensive property)：其量值与体系中物质的量无关，取决于体系 自身的特性，一般不具有加和性。 1.1.3 体系的状态与状态函数(state function) 描述体系，须确定 T、P、V、组成……一系列物理化学性质，这些性质的总和， 就确定了体系的状态。 （1）体系的状态是体系物理、化学性质的综合表现 （2）体系的性质与状态有一一对应的关系，体系的每一个物理、化学性质都是 状态的函数，简称状态函数。 （3）状态函数的特性： 1）相互联系； 2）状态函数的变化量只决定于体系变化过程的始态和终态，与变化的途径无 关。 例：T——是状态函数 T3 T1 T2 △T = T2 - T1 T4
注意:功(work)和热heat)不是状态函数 12热化学( thermo-chemistry)和焓 (enthalpy) 1.2.1热力学第一定律( First law of thermodynamics 热力学第一定律的两个重要的实践基础 1)第一类永动机的失败 2)焦耳热功当量实验的成功 ·能量守恒与转化定律( Law of conservation of energy)用于热力学中即是热力学 第一定律 任何体系的能量一般可分为三个部分 E= Ek+ Ep+U 热力学第一定律数学表达式: △U=U2-U1=Q-V (1.1) (1)内能U(热力学能, internal energy, thermal energy) 一一体系内部能量的总和, 特点:1)内能是体系的状态函数,△U=U2-U1 2)其绝对值无法确定。 (2)热 Q(heat) 体系与环境由于存在温度差别而交换的能量称热量,简称热 1)热不是体系的性质,与变化过程有关,不能说体系有多少热,只能是体系在 变化过程中吸收或放出多少热
7 注意：功(work)和热(heat)不是状态函数. 1.2 热化学(thermo-chemistry)和焓(enthalpy) 1.2.1 热力学第一定律(First law of thermodynamics) 热力学第一定律的两个重要的实践基础： 1）第一类永动机的失败 2）焦耳热功当量实验的成功 ·能量守恒与转化定律(Law of conservation of energy)用于热力学中即是热力学 第一定律 任何体系的能量一般可分为三个部分： E = Ek + EP + U 热力学第一定律数学表达式： ΔU =U2-U1=Q - W (1.1) （1） 内能 U（热力学能, internal energy, thermal energy） ——体系内部能量的总和， 特点：1）内能是体系的状态函数，△U = U2 – U1 2）其绝对值无法确定。 （2）热 Q (heat) 体系与环境由于存在温度差别而交换的能量称热量，简称热。 1）热不是体系的性质，与变化过程有关，不能说体系有多少热,只能是体系在 变化过程中吸收或放出多少热
2)规定:体系吸收热,Q>0,体系放热Q0;环境对体系做功,W<O 122焓与化学反应的热效应 (1)焓( enthalpy)和焓变 设:1)体系的变化过程为等压过程 2)体系在变化过程中只做体积功 QP=ΔU+ (12) W体=P外ΔVP=P2=P外 QP=(U2U1)+P外△V (U2-Un)+P外(V2-V1) (U2-U1)+(P2V2-P1V1) =(U2+P2V2)-U+PV)
8 2）规定：体系吸收热, Q>0; 体系放热 Q0; 环境对体系做功, W<0. 1.2.2 焓与化学反应的热效应 （1）焓(enthalpy)和焓变 设：1）体系的变化过程为等压过程 2）体系在变化过程中只做体积功 QP=ΔU+W 体 (1.2) W 体=P 外ΔV P1=P2=P 外 QP=（U2-U1）+P 外ΔV =（U2-U1）+P 外(V2-V1) =（U2-U1）+（P2V2-P1V1） =（U2+P2V2）-(U1+P1V1) (1.3)
·定义:H=U+PV,复合状态函数焓 得:QP=H2-H1=△H 在封闭体系,只做体积功等压过程,体系与环境交换的热Qp=△H ·始的性质 I)复合状态函数,U+PV,能量量纲,绝对值无法确定 2)物理意义不直观,仅在特定条件下(封闭体系、只做体积功、等压过程)才有 吸热 endothermic),Qp>0,ΔH>0焓增( positive) 放热( exothermic),Qp<0,△H<0焓减( negative) 3)广度性质,具有加和性 4)与聚集状态和温度有关, State:H( (solid)<H( liquid)H(gas) Temperature: H(higherPH(lower) 5)化学反应,QP=△H= pRoducts- Reactants 6)H是状态函数,△H(正向)=-△H(逆向) (2)热效应 1)定义:体系在物理或化学的等温等压或等温等容的过程中,不做非体积功时 所吸收或放出的热称为过程的热效应 注意;(1)等温过程T始=T终=T环 (2)热不是状态函数,与过程有关。直接反应与做成电池后就不相同,因 为电池放电与非体积功 区别:热(量):广泛的,只要有温度差就存在
9 ·定义: H=U+PV, 复合状态函数,焓 得: QP=H2-H1=ΔH (1.4) 在封闭体系，只做体积功,等压过程，体系与环境交换的热 QP=ΔH ·焓的性质 1) 复合状态函数，U+PV, 能量量纲, 绝对值无法确定 2) 物理意义不直观, 仅在特定条件下(封闭体系、只做体积功、等压过程)才有 QP=ΔH 吸热(endothermic)，QP>0, ΔH>0 焓增(positive) 放热(exothermic)， QPH(lower) 5) 化学反应, QP=ΔH=ΣHproducts -ΣHreactants 6) H 是状态函数，ΔH(正向)= -ΔH(逆向) (2)热效应 1）定义:体系在物理或化学的等温等压或等温等容的过程中，不做非体积功时 所吸收或放出的热称为过程的热效应. 注意; (1)等温过程 T 始 = T 终 = T 环 (2)热不是状态函数，与过程有关。直接反应与做成电池后就不相同，因 为电池放电与非体积功. 区别: 热(量):广泛的，只要有温度差就存在
热效应:特定的热,有限制条件。 2)等压热效应:通常在大气压下发生的反应(或相变),P1=P2=P外的等压过程, 其热效应称等压热效应,用￠P表示。O可用绝热式量杯测量,从而测定过程 的△H 由于大多数反应过程是在等压下发生的,且QP=△H,通常用ΔH代替Qp.表示 过程热效应 3)等容热效应Qy△V=0,W体=0 热力学第一定律:△U=QW 得:△U=Qv (1.5) (3)化学反应的标准摩尔焓变△Ha 1)热力学标准态与△rH 热力学标准态体系中各固体、液体物质都处于P下的纯物质;气体在P下表 现出理想气体( perfect /ideal gas性质的纯气体状态 在标准状态下化学反应的焓变称为化学反应的标准焓变,用△H8表示。 温度不是标准状态的规定条件,但因多数数据都在29815K下的标准焓变,记 为:ΔH0(29815K),单位:kj 因为在大气压下的化学反应常是只做体积功的等压过程,此时,Qp=△H,因而 常用△H9(298.5K)表示化学反应的热效应,书写热化学方程式 标出反应热效应的化学反应方程式称为热化学方程式 例:C(s) +O2(g)=Co2(g △rHm6=-393.5kj.mol
10 热效应：特定的热，有限制条件。 2）等压热效应：通常在大气压下发生的反应（或相变），P1=P2=P 外的等压过程， 其热效应称等压热效应，用 QP 表示。QP 可用绝热式量杯测量，从而测定过程 的ΔH 由于大多数反应过程是在等压下发生的，且 QP=ΔH，通常用ΔH 代替 QP，表示 过程热效应。 3）等容热效应 QV ΔV=0，W 体=0 W 非体积=0 热力学第一定律： ΔU=Q-W 得： ΔU=QV (1.5) (3)化学反应的标准摩尔焓变ΔrH m 1)热力学标准态与ΔrH Ө 热力学标准态:体系中各固体、液体物质都处于 P Ө下的纯物质；气体在 P Ө下表 现出理想气体(perfect /ideal gas)性质的纯气体状态. 在标准状态下化学反应的焓变称为化学反应的标准焓变，用ΔrH Ө表示。 温度不是标准状态的规定条件，但因多数数据都在 298.15K 下的标准焓变，记 为: ΔrH Ө(298.15K)，单位：kj 因为在大气压下的化学反应常是只做体积功的等压过程，此时，QP=ΔH,因而 常用ΔrH Ө(298.15K)表示化学反应的热效应,书写热化学方程式. 标出反应热效应的化学反应方程式称为热化学方程式 例： C（s）+ O2（g）= CO2（g） ΔrHm Ө = -393.5 kj.mol-1