绪论 、化学的地位及作用 自然科学在纵向方面分为三个层次:工程技术、技术科学、基础科学 化学是一门基础学科,它是在分子、原子或离子等层次上研究物质的组成、结构和性质以 及可能发生的变化和变化中的能量转换 化学理论已渗透到许多技术学科当中,如采矿和冶金工业的需要,推动了无机和分析化学 的发展;纺织、印染、煤、石油的综合利用又使有机化学向前迈进了一大步。 二、四大化学 化学在发展过程中逐步形成了许多分支学科,如四大化学"这些都属于纯粹的化学 无机化学:以所有元素及其化合物(除C、H化合物及其衍生物)为研究对象 有机化学:以C、H化合物及其衍生物为研究对象 分析化学:研究物质的化学组成和鉴定方法及其原理 物理化学:以应用物理测量方法和数学处理方法来研究物质及其反应,以寻求化学性质和 物理性质间本质联系的普遍规律。 另外,随着化学在不同领域中的应用,又产生了许多应用化学:如工业化学、高分子化学 放射化学、环境化学、生物化学、半导体化学等等 三、本课程的目的及主要内容 1、目的:化工类专业一门重要的基础课,是后续化学课程的基础 2、主要内容:主要是研究无机物的组成、结构、性质、制备、应用以及其变化的基本原理。 本教程分为两部分:化学理论与元素及其化合物 其中化学理论又分为:四大平衡(化学平衡、酸碱平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原平衡 及结构理论 、学习方法: (1)理论课 大学的学习模式:每节课的讲授内容多,讲授内容重复性小,作业量少,无课堂练习,强 调自学能力的提高。针对大学学习特点,提出如下要求 ①课堂认真听讲,跟上教师讲授思路,有弄不懂的问题暂且放下,待以后解决,不然,由 于讲授速度快,容易积累更多的疑难问题 ②作好课堂笔记,留下一定的空白处,做标记,提出问题,写出结论 (2)实验课 化学是以实验为基础的学科,实验对于理论的理解十分重要。 目的掌握基础实验技能,通过实验深化理论问题的理解和记忆,提高分析问题和解决问题的 能力 要求预习报告,实验记录实验报告
1 绪 论 一、化学的地位及作用 自然科学在纵向方面分为三个层次：工程技术、技术科学、基础科学。 化学是一门基础学科，它是在分子、原子或离子等层次上研究物质的组成、结构和性质以 及可能发生的变化和变化中的能量转换。 化学理论已渗透到许多技术学科当中，如采矿和冶金工业的需要，推动了无机和分析化学 的发展；纺织、印染、煤、石油的综合利用又使有机化学向前迈进了一大步。 二、四大化学 化学在发展过程中逐步形成了许多分支学科，如"四大化学"这些都属于纯粹的化学。 无机化学：以所有元素及其化合物（除 C、H 化合物及其衍生物）为研究对象； 有机化学：以 C、H 化合物及其衍生物为研究对象； 分析化学：研究物质的化学组成和鉴定方法及其原理； 物理化学：以应用物理测量方法和数学处理方法来研究物质及其反应，以寻求化学性质和 物理性质间本质联系的普遍规律。 另外，随着化学在不同领域中的应用，又产生了许多应用化学：如工业化学、高分子化学、 放射化学、环境化学、生物化学、半导体化学等等。 三、本课程的目的及主要内容 1、目的：化工类专业一门重要的基础课，是后续化学课程的基础。 2、主要内容：主要是研究无机物的组成、结构、性质、制备、应用以及其变化的基本原理。 本教程分为两部分：化学理论与元素及其化合物 其中化学理论又分为：四大平衡（化学平衡、酸碱平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原平衡） 及结构理论。 3、学习方法： （1）理论课 大学的学习模式：每节课的讲授内容多，讲授内容重复性小，作业量少，无课堂练习，强 调自学能力的提高。针对大学学习特点，提出如下要求： ①课堂认真听讲，跟上教师讲授思路，有弄不懂的问题暂且放下，待以后解决，不然，由 于讲授速度快，容易积累更多的疑难问题。 ②作好课堂笔记，留下一定的空白处，做标记，提出问题，写出结论。 （2）实验课 化学是以实验为基础的学科，实验对于理论的理解十分重要。 目的:掌握基础实验技能,通过实验深化理论问题的理解和记忆,提高分析问题和解决问题的 能力。 要求:预习报告,实验记录,实验报告
第一章化学反应中常见的物质聚集状态 11物质的“三态”一一气态、液态和固态 各种物质总是以一定的聚集状态存在的 气、液、固为三种聚集状态,各具特征,在一定条件下可相互转化。晶体熔化为液体,需 要吸收一定的热量。液体蒸发为气体也要吸收热量。由此可见,相同质量的同一种物质具有的 能量,以气态最高,液态次之,固态最低 气体(g):扩散性和可压缩性; 液体(1):流动性、无固定形状、一定条件下有一定体积 固体(s):具有一定体积、一定形状及一定程度的刚性 液体既有较强的分子间作用力又有较好流动性的特点使得其它一些物质可以溶解在液体 中,成为均匀的溶液。许多反应及生命活动的起源、发展和演化都是在溶液环境中进行的 12理想气体状态方程式 气体的存在状态主要决定于四个因素:P、V、T、n,而几乎与它们的化学组成无关。反映 这四个物理量之间关系的式子叫气体状态方程式 理想气体:分子间完全没有作用力,分子只是一个几何点,没有体积 实际上所碰到的气体都是真实气体,只有在温度不太低,压力不太高时,实际气体的存在 状态才接近于理想气体,可以用理想气体的定律进行计算 理想气体状态方程:(p8) pV=nRT(1-3) P T R 标准单位 K 8.314J, K.I. mol-I R:常数,可由实验测得 lmol气体在273.5K(0℃),101.325kPa下测得其体积224×103m 这是理想气体的状态方程式,而实际上气体分子本身必然占有体积,分子之间也具有引力, 因此应用该方程进行计算时,不可避免地存在偏差。对于常温常压下的气体,这种偏差很小 随着温度的降低和压力的增大,偏差逐渐增大。 1-3式可改写为 pV=(WBMRT(1-4) 1-3式、1-4式主要用它来求气体及易挥发性物质的分子量。在一定温度下,测得气体压力 P、体积Ⅴ及重量WB,就可根据公式求出气体的分子量。上述公式也可用来计算气体的质量或 压力。两方程在化学平衡、化学动力学、化学热力学中都有所应用 在使用本方程时,必须特别注意R的数值及单位,R的值随所用压力和体积的单位不同而 改变(详见化学平衡一章)
2 第一章 化学反应中常见的物质聚集状态 1.1 物质的“三态”――气态、液态和固态 各种物质总是以一定的聚集状态存在的： 气、液、固为三种聚集状态，各具特征，在一定条件下可相互转化。晶体熔化为液体，需 要吸收一定的热量。液体蒸发为气体也要吸收热量。由此可见，相同质量的同一种物质具有的 能量，以气态最高，液态次之，固态最低。 气体（g）：扩散性和可压缩性； 液体（l）：流动性、无固定形状、一定条件下有一定体积； 固体（s）：具有一定体积、一定形状及一定程度的刚性。 液体既有较强的分子间作用力又有较好流动性的特点使得其它一些物质可以溶解在液体 中，成为均匀的溶液。许多反应及生命活动的起源、发展和演化都是在溶液环境中进行的。 1.2 理想气体状态方程式 气体的存在状态主要决定于四个因素：P、V、T、n，而几乎与它们的化学组成无关。反映 这四个物理量之间关系的式子叫气体状态方程式。 理想气体：分子间完全没有作用力，分子只是一个几何点，没有体积。 实际上所碰到的气体都是真实气体，只有在温度不太低，压力不太高时，实际气体的存在 状态才接近于理想气体，可以用理想气体的定律进行计算。 理想气体状态方程：（p8） pV=nRT (1-3) P V n T R 标准单位 Pa m 3 mol K 8.314J﹒K -1﹒mol-1 R：常数，可由实验测得。 1mol 气体在 273.15K（0℃），101.325kPa 下测得其体积 22.4×10-3m3。 这是理想气体的状态方程式，而实际上气体分子本身必然占有体积，分子之间也具有引力， 因此应用该方程进行计算时，不可避免地存在偏差。对于常温常压下的气体，这种偏差很小， 随着温度的降低和压力的增大，偏差逐渐增大。 1-3 式可改写为： pV=(WB/M)RT (1-4) 1-3 式、1-4 式主要用它来求气体及易挥发性物质的分子量。在一定温度下，测得气体压力 P、体积 V 及重量 WB，就可根据公式求出气体的分子量。上述公式也可用来计算气体的质量或 压力。两方程在化学平衡、化学动力学、化学热力学中都有所应用。 在使用本方程时，必须特别注意 R 的数值及单位，R 的值随所用压力和体积的单位不同而 改变(详见化学平衡一章)
13分压定律 1混合气体分压定律 801年,由 Dalton(道尔顿)总结实验结果提出,因此又称为 Dalton分压定律 两种或两种以上不会发生化学反应的气体混合,混合气体的总压力等于各组分气体的分压力之 A、容器中注入30mLN2,压力为300mmHg B、容器中注入20mLO2,压力为200mmHg C、容器中注入30mLN2+20mLO2,压力为500mmHg p总=∑p 饭:分压力(简称分压),气体混合物中各组分气体的压力,等于该气体单独占有与混合 相同体积时所产生的压力。 理想气体定律同样适用于混合气体: pV=nRT,pgV=naRI=∑pV=∑nRT pi:分压;V:总体积 p可通过压力表测出,p则很难被直接测出,可通过分析、计算求得: V=nirt(1) psv=naRT(2) 由(1)÷(2),得:p/pg=n/ns=x(摩尔分数 pi-P e xi (1-5) p:=peni/ns (1-6)(p9) 同理:V=Vax=Vgn/na(1-7) 由上述三式推出:p/ps=v/a=n/ns(1-8) 分压定律三个要点: (1)混合气体的总压力等于各组成气体的分压力之和 (2)各组分气体的分压力等于其摩尔分数乘以总压力 (3)各组分气体的分压等于其体积分数乘以总压力 2分压的计算 计算分压的关键在于如何求得组分气体的摩尔分数。 求混合气体的摩尔分数,常用的方法是通过混合气体进行气体分析,测得各组分气体的体 积分数:Vi/Vg 已知在250℃时PCls能全部气化,并部分离解为PCl和Cl2。现将2.98 ePCIs置于1.00L容 器中,在250℃时全部气化后,测定其总压力为1134kPa。其中有哪几种气体?它们的分压各 是多少?
3 1.3 分压定律 1 混合气体分压定律 1801 年，由 Dalton（道尔顿）总结实验结果提出，因此又称为 Dalton 分压定律。 两种或两种以上不会发生化学反应的气体混合，混合气体的总压力等于各组分气体的分压力之 和。 A、容器中注入 30mLN2，压力为 300mmHg B、容器中注入 20mLO2，压力为 200mmHg C、容器中注入 30mLN2+20mLO2，压力为 500mmHg 即：p 总=∑pi pi：分压力（简称分压），气体混合物中各组分气体的压力，等于该气体单独占有与混合 气体相同体积时所产生的压力。 理想气体定律同样适用于混合气体： piV = niRT，p 总 V = n 总 RT====>∑piV= ∑niRT pi：分压；V：总体积 p 总可通过压力表测出，pi 则很难被直接测出，可通过分析、计算求得： piV=niRT（1） p 总 V = n 总 RT（2） 由（1）÷（2），得：pi/p 总= ni/n 总= xi（摩尔分数） ∴ pi=p 总 xi （1-5） pi=p 总 ni/n 总 （1-6）(p9) 同理：Vi=V 总 xi=V 总 ni/n 总（1-7） 由上述三式推出：pi/p 总=Vi/V 总=ni/n 总（1-8） 分压定律三个要点： (1)混合气体的总压力等于各组成气体的分压力之和； (2)各组分气体的分压力等于其摩尔分数乘以总压力； (3)各组分气体的分压等于其体积分数乘以总压力。 2 分压的计算 计算分压的关键在于如何求得组分气体的摩尔分数。 求混合气体的摩尔分数，常用的方法是通过混合气体进行气体分析，测得各组分气体的体 积分数：Vi/V 总。 例 1-1： 已知在 250℃时 PCl5 能全部气化，并部分离解为 PCl3和 Cl2。现将 2.98gPCl5 置于 1.00L 容 器中，在 250℃时全部气化后，测定其总压力为 113.4kPa。其中有哪几种气体？它们的分压各 是多少？
解:设PC反应了Xmol 开始时mo数:2.98/208.22=00143mol PC.+ Cl 开始时mo数:00143 0.0143-X 平衡时:P。V1134×103×1.00×103 8314×(273+250) =0.0261mol ns=00143×+X+x=00261 X=0.0118mol 平衡时的mo数: 00143-0.0118=00025mo Pci=ncr=0.0118mol 根据P=PXn Ppci6=1134×0002500261=109ka Ppc=Pe2=1134×0.01180.0261=5125kPa 例1-2: 134gCaC2与H2O发生如下反应:CaC2(s)+H2O()=C2H(g)+Ca(OH(s)产生的C2H2气体用 排水集气法收集,体积为047L。若此时温度为23C,大气压为99X103kPa,该反应的产率为 多少?(已知23℃时水的饱和蒸气压为28X103kPa) 解:产率=实际产量/理论产量 先求出23℃,99×103KPa时c2H的理论产量 n趣论=CaC2mol数=1.34/641=00209mol 排水法收集时:P=Pcm2+Po PcH2=P-PB0=99×10-28×10=962×10KP na= PoH? v=962×10×10×0471×100814ml 314×296 产率=ns/n×10%=0.0184/00209×100% 14液体的蒸气压 水蒸气压:在一定温度下,将纯水放在密闭容器中当Ⅴ燕发=V凝达到平衡时,在水面上的
4 例 1-2： 1.34gCaC2 与 H2O 发生如下反应：CaC2(s)+H2O(l)=C2H2(g)+Ca(OH)2(s)产生的 C2H2 气体用 排水集气法收集，体积为 0.471L。若此时温度为 23C，大气压为 99X103kPa，该反应的产率为 多少？（已知 23℃时水的饱和蒸气压为 2.8X103kPa） 1.4 液体的蒸气压 水蒸气压：在一定温度下，将纯水放在密闭容器中当 V 蒸发＝V 凝聚达到平衡时，在水面上的
蒸气压力,称为这个温度时的饱和水蒸气压。 15溶液的蒸气压拉乌尔定律 1溶液浓度的表示法及其换算 在一定量的溶液或溶剂中所溶解溶质的量称为溶液的浓度。 溶液浓度可以分为两大类:质量浓度和体积浓度 质量浓度 质量百分浓度[%mm):每100份重的溶液中所含溶质的质量份数 质量摩尔浓度(mol.Kg-):每1000克重的溶剂中所含溶质的摩尔数。 重容百分浓度(g.L):1L溶液中所含溶质的克数 体积浓度: 体积百分浓度[%(W):每100份体积的溶液中所含溶质的体积份数 体积摩尔浓度(mol.L):在1L溶液中所含溶质的摩尔数。 注:几种固体试剂的混合质量份数或液体试剂的混合体积份数可表示为(1+1)、(4+2+1) 另外,还有一种浓度表示法称为摩尔分数。摩尔分数(X):某种物质在溶液中的摩尔数与溶 液中溶质与溶剂的总摩尔数之比叫该物质的摩尔分数。在稀溶液的通性、蒸气压下降及化学平 衡中求分压都使用摩尔分数 溶液浓度换算主要掌握各种浓度定义,就能方便地进行换算,不必死记硬背公式 2稀溶液的通性 所谓稀溶液的通性,是指由于溶质的加入使溶剂本身的一些性质发生变化,如蒸气压下降 沸点上升、凝固点下降。这类性质与溶剂本质有关,与溶质本质无关,仅与溶质的摩尔分数或 重量摩尔浓度有关。溶质的分子在溶液中所占的比例越大,即溶液浓度越大,溶液蒸气压下降 得越低,沸点上升越高,凝固点下降越低。所以有些教科书中将稀溶液的通性又称为溶液的依 数性 (1)溶液的蒸气压 当在水中加入蔗糖等难挥发的非电解质时,由于表面层的水分子一部分被溶质分子占据, 单位时间内逸出液面的水分子数目减少,所以在较低蒸气压下就可建立V藏发=V凝的平衡。其 结果是溶液的蒸汽压总是低于纯溶剂的蒸气压 拉乌尔定律:恒温下,在稀溶液中,溶液(溶剂)的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶液 中溶剂的摩尔分数,而与溶质的本性无关。 即:pA=pAxA(1-9)。pA为纯溶剂的蒸气压,xA为溶剂的摩尔分数 根据拉乌尔定律可推得,在一定温度下,稀溶液的蒸气压下降和溶质的摩尔分数成正比: ∠P=pAxB(1-10) xB为溶质的摩尔分数 上述公式适用于难挥发非电解的稀溶液
5 蒸气压力，称为这个温度时的饱和水蒸气压。 1.5 溶液的蒸气压 拉乌尔定律 1 溶液浓度的表示法及其换算 在一定量的溶液或溶剂中所溶解溶质的量称为溶液的浓度。 溶液浓度可以分为两大类：质量浓度和体积浓度。 质量浓度： 质量百分浓度[%(m/m)]：每 100 份重的溶液中所含溶质的质量份数。 质量摩尔浓度(mol．Kg -1 )：每 1000 克重的溶剂中所含溶质的摩尔数。 重容百分浓度(g．L -1)：1L溶液中所含溶质的克数。 体积浓度： 体积百分浓度[%(V/V)]：每 100 份体积的溶液中所含溶质的体积份数。 体积摩尔浓度(mol．L -1 )：在 1L 溶液中所含溶质的摩尔数。 注：几种固体试剂的混合质量份数或液体试剂的混合体积份数可表示为（1+1）、（4+2+1） 等。 另外，还有一种浓度表示法称为摩尔分数。摩尔分数(X)：某种物质在溶液中的摩尔数与溶 液中溶质与溶剂的总摩尔数之比叫该物质的摩尔分数。在稀溶液的通性、蒸气压下降及化学平 衡中求分压都使用摩尔分数。 溶液浓度换算主要掌握各种浓度定义，就能方便地进行换算，不必死记硬背公式。 2 稀溶液的通性 所谓稀溶液的通性，是指由于溶质的加入使溶剂本身的一些性质发生变化，如蒸气压下降、 沸点上升、凝固点下降。这类性质与溶剂本质有关，与溶质本质无关，仅与溶质的摩尔分数或 重量摩尔浓度有关。溶质的分子在溶液中所占的比例越大，即溶液浓度越大，溶液蒸气压下降 得越低，沸点上升越高，凝固点下降越低。所以有些教科书中将稀溶液的通性又称为溶液的依 数性。 (1)溶液的蒸气压 当在水中加入蔗糖等难挥发的非电解质时，由于表面层的水分子一部分被溶质分子占据， 单位时间内逸出液面的水分子数目减少，所以在较低蒸气压下就可建立 V 蒸发＝V 凝聚的平衡。其 结果是溶液的蒸汽压总是低于纯溶剂的蒸气压。 拉乌尔定律：恒温下，在稀溶液中，溶液（溶剂）的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶液 中溶剂的摩尔分数，而与溶质的本性无关。 即：pA=pA ﹡ xA （1-9）。pA ﹡为纯溶剂的蒸气压，xA 为溶剂的摩尔分数。 根据拉乌尔定律可推得，在一定温度下，稀溶液的蒸气压下降和溶质的摩尔分数成正比： ⊿P＝pA ﹡ xB （1-10） xB为溶质的摩尔分数。 上述公式适用于难挥发非电解的稀溶液
(2)溶液的沸点和凝固点 液的沸点上升和凝固点下降的根本原因是由于溶液的蒸气压下降 沸点,当某一液体的蒸气压等于外界压力时,该液体即沸腾,这时的温度就是该液体的沸 点。由于溶液的蒸气压低于纯溶剂的蒸气压,所以只有升高温度,才能使溶液的蒸气压等于外 界大气压。同理,某物质的凝固点是固液两相蒸气压相等时的温度。当水和冰在0℃时蒸气压 都等于46mmHg,所以0℃为水的凝固点。当水中加入蔗糖等非电解质,冰的蒸气压不变,而 溶液的蒸气压下降,只有在低于0℃时才能使冰和溶液的蒸气压相等。所以,溶液的沸点上升 和凝固点下降的根本原因是溶液蒸气压下降。由于溶液的蒸气压下降与溶液的质量摩尔浓度成 正比,所以沸点上升与凝固点下降也与溶液的质量摩尔浓度成正比。总结如下: ∠tb=KbmB(1-11) ∠tr=Kmg(1-12) 上述公式仅适用于非电解质难挥发性物质的稀溶液,Kb为摩尔沸点升高常数,Kr为摩尔凝 固点下降常数,其数值与溶剂本质有关。mB为质量摩尔浓度。 16电解质水溶液中的状况
6 (2)溶液的沸点和凝固点 溶液的沸点上升和凝固点下降的根本原因是由于溶液的蒸气压下降。 沸点，当某一液体的蒸气压等于外界压力时，该液体即沸腾，这时的温度就是该液体的沸 点。由于溶液的蒸气压低于纯溶剂的蒸气压，所以只有升高温度，才能使溶液的蒸气压等于外 界大气压。同理，某物质的凝固点是固液两相蒸气压相等时的温度。当水和冰在 0℃时蒸气压 都等于 4.6mmHg，所以 0℃为水的凝固点。当水中加入蔗糖等非电解质，冰的蒸气压不变，而 溶液的蒸气压下降，只有在低于 0℃时才能使冰和溶液的蒸气压相等。所以，溶液的沸点上升 和凝固点下降的根本原因是溶液蒸气压下降。由于溶液的蒸气压下降与溶液的质量摩尔浓度成 正比，所以沸点上升与凝固点下降也与溶液的质量摩尔浓度成正比。总结如下： ⊿tb＝KbmB （1-11） ⊿tf＝KfmB （1-12） 上述公式仅适用于非电解质难挥发性物质的稀溶液，Kb 为摩尔沸点升高常数，Kf为摩尔凝 固点下降常数，其数值与溶剂本质有关。mB为质量摩尔浓度。 1.6 电解质水溶液中的状况