1、-作者xxxx-日期xxxx無機及分析化學(上) 教案【精品文檔】長江大學工程技術學院教案/講稿第一講緒一、化學研究的對象 什么是化學？ 研究物質的組成、結構、性質及其變化規律和變化過程中能量關 系的一門科學. 化學研究的對象 化學研究的簡單歷程： 19 世紀-20 世紀上半葉：發現新元素及其化合物，元素周期律的發 現是化學發展史上的里程碑。 20 世紀下半葉：合成新分子 化學具體研究的內容：化學物質的分類、合成、反應、分離、表 征、設計、性質、結構、應用、相互關系。 二、化學的主要分支 無機化學：元素及其化合物(除碳、氫化合物及其衍生物)，研究的 主要內容為元素、單質及無機物的來源、制備、性

2、質、變化和應用. 分析化學：研究物質化學組成和結構的分析方法及其有關理論 按原理分為化學分析（含量在 1%以上的常量組分分析）和儀器分析（一 般適合于微量甚至痕量分析.） 按任務分: 定性分析; 定量分析; 結構分析. 有機化學：研究有機化合物的來源、制備、結構、性 質、應用以 及有關理論的科學，又稱碳化合物的化學。研究的主要內容:有機物性質、 結構、合成方法、有機物間相互轉變及其變化規律和理論. 物理化學：研究所有物質系統的化學行為的原理、規律和方法的學 科。研究主要內容: 化學熱力學、化學動力學、結構化學 三、 無機及分析化學課程的主要內容及課程的性質 1.課程的主要內容: 平衡：從化學熱

3、力學角度研究化學平衡基本原理以及平衡移動的基 本規律.，具體討論酸堿平衡、沉淀生成與溶解平衡、氧化還原平衡、配 位平衡. 結構：研究原子結構、分子結構和晶體結構的基本規律,了解物質的論第頁長江大學工程技術學院教案/講稿性質、化學反應與結構的關系. 性質：在元素周期律的基礎上研究一些主要元素及其重要化合物的 結構、組成、性質及其變化規律,了解一些主要元素及其重要化合物在有 關領域的應用. 應用：應用四大化學平衡的原理進行物質的分離,制備以及測定 2.課程的性質 整合無機化學和分析化學的內容，目的是節約時間，避免重復幾大 類專業學習該門課程。 四、化學在社會中的地位和作用 皮爾達爾（美） ：化學是

4、滿足社會需要的中心學科 福井千一（日） ：化學注定是中心學科的占有者 1、 衣食住行和日常生活 2、 從社會發展看 工業、農業、國防，國際上的熱點問題（例如環境保護、 能源開發、 功能材料、生命過程）都需要化學來解決。 五、怎樣學習化學 動力：好奇心、興趣、責任感、敬業精神 實踐：i hear , i forget ; i read , i remember ; i do , i understand ! 方法：適合自己的學習方法 六、本門課程學習要求和考核方式 學習要求：課前預習、 上課認真聽講、做好筆記、課后復習、獨立 完成作業 考核方式：50%期末測試+50%平時成績（考勤 30%+作業

5、 30%+平時 測試 30%+筆記 10%） 參考書籍： 1.無機及分析化學呼世斌著，高等教育出版社。 2.無機及分析化學 （第三版）南京大學編，高等教育出版社出版 3.無機化學北師大等校編，高等教育出版社。 4.分析化學華中師范大學編，高等教育出版社。 5. 無機及分析化學學習指導.浙江大學編. 高等教育出版社，2004 年第頁長江大學工程技術學院教案/講稿第二講 第一章教學目的： 1.了解分散系的分類及主要特征。 2.掌握溶液濃度的表示方法及濃度的換算。 3.掌握稀溶液的依數性及其定量規律。 4.熟悉膠體的基本概念、結構及其性質等。 5.了解高分子溶液、表面活性物質、乳濁液的基本概念和特征

6、。 教學重點： 1.物質的量、摩爾質量、物質的量濃度等概念； 2.稀溶液的依數性、膠體結構、膠體的穩定性與聚沉方法。 學習難點： 對稀溶液依數性的理解,膠體結構與膠體聚沉。 一、分散系 溶液：凡是由一種或多種物質分散在另一種物質中形成的混合體系。 1.定義 分散系：一種（或幾種）物質分散成為微小粒子分布在另外一種物 質中所構成的系統包括分散質(被分散的物質) 和分散劑（容納分散質的 物質） 分散質和分散劑可以是固體、液體或氣體。 2.分散系的特點：分散質處于被分割成粒子的不連續狀態，分散劑處于連 續狀態 分散系的分類 （1）按聚集狀態分為（表 1-1） 分散質和分散劑的聚集狀態 （2）按分散質

7、粒子大小分類的各種分散系（表 1-2） 低分子或離子分散系、液體分散系和粗分散系 膠體：由顆粒直徑在 10-910-7m 的分散質而組成的體系 二、溶液濃度的表示方法 物質以分子、離子或原子的形式分散于另一種物質中所形成的均勻 穩定的系統(或稱體系)稱為溶液。溶液分為氣體溶液、液體溶液和固體溶 液，通常所說的溶液是指液體溶液。 最常見的溶液是水溶液，簡稱為溶液。溶液和膠體第頁長江大學工程技術學院教案/講稿1、溶液組成量度的表示方法 （1）物質的量濃度nb v cb b 的物質的量濃度 ，單位為 mol l-1。 cb ?nb 物質 b 的物質的量，單位為 mol。 v 混合物的體積，單位為 l

8、 。 注意: 使用物質的量單位 mol 時，要指明物質的基本單元。 例： c(kmno4)=0.10mol l-1 c(1/5kmno4)=0.10mol 的兩個溶液。兩種溶液濃度數值相 l-1 同， 但是， 它們所表示 1 l 溶液中所含 kmno4 的質量是不同的， 前者 15.8 克， 后者為 3.16 克。 （2）質量摩爾濃度bb ?nb mabb 溶質 b 的質量摩爾濃度，單位為 mol -1。 kg nb 溶質 b 的物質的量，單位為 mol。 ma 溶劑的質量，單位為 kg。 （3）摩爾分數?b ?nb nnbb 的物質的量，si 單位為 mol； n 混合物總的物質的量，si

9、單位為 mol； 單位：物質 b 的摩爾分數，量綱為一。 兩組分的溶液系統 ： 溶質 b 的摩爾分數: 溶劑 a 的摩爾分數: 所以?b ?anb na ? nb na ? na ? nb? ?i ? 1?a ? ?b ?1對任何一個多組分系統，則 （4）質量分數?b ?mb m b 的質量分數，量綱為一。第頁長江大學工程技術學院教案/講稿(1) 物質的量濃度與質量分數 n mb mb ?m b ? b ? cb ? b ? ? ? ? v m bv m b m / ? m b m m b cb 溶質 b 的量濃度;? 溶液的密度; wb溶質 b 的質量分數;mb 溶質 b 的摩爾質量。 (2

10、)物質的量濃度與質量摩爾濃度cb ? nb nb nb ? ? ? m v m?cb 溶質 b 的量濃度;? 溶液的密度;m 溶液的質量; nb 溶質 b 的物質的量 講解 p9 例 1-2 三、稀溶液的通性 稀溶液的通性，或者稱為依數性(colligative property) :指稀溶 液蒸氣壓的下降、沸點上升、凝固點下降和稀溶液的滲透壓與溶液中溶 質的獨立質點數有關，而與溶質的本身性質無關。 1.溶液蒸氣壓的下降 飽和蒸氣壓,簡稱蒸氣壓(po) ：將一種純液體（純溶劑）置于一個密 封容器中，當蒸發為氣態的溶劑粒子數目與氣態粒子凝聚成液態的溶劑 粒子數目相等時，這時液體上的蒸氣所具有的壓

11、力稱為溶劑在該溫度下 的飽和蒸氣壓。 拉烏爾定律 法國物理學家拉烏爾(roult f m) 在 1887 年總結出一條關于溶劑蒸 氣壓的規律。 p 由于 所以 =poaa 十 bl，即 al 一 b o p=p （1-b）=po-p ob po-p = p ob p = po-p = p ob p 溶液蒸氣壓的下降值，單位為 pa；?b 溶質的摩爾分數。第頁長江大學工程技術學院教案/講稿結論 : 在一定溫度下，難揮發非電解質稀溶液的蒸氣壓的下降值與 溶質的摩爾分數成正比。拉烏爾定律 2.溶液沸點升高和疑固點下降沸點是指系統中液體的蒸氣壓等于外界壓強時度。在一定的外壓下， 任何純液體都有一定的沸

12、點。外界壓強為 1.0 5pa 時，純水的沸點為 10 100 。 拉烏爾根據實驗結果推導出： tb = kb b b tb溶液沸點的變化值，單位為 k 或 ； bb溶質的質量摩爾濃度，單位為 mol kg-1; kb溶液沸點上升常數， 單位為 k mol-1 或 mol-1, kb 只 kg kg 與溶劑的性質有關，而與溶質的本性無關。不同的溶劑有不同的 kb 值 。 書表 1-3 幾種溶劑的 tb 和 kb 即：難揮發性非電解質稀溶液的沸點升高值與溶質的質量摩爾濃度 成正比，而與溶質的性質無關。需要指出的是: 溶液的沸點不是恒定的， 而純液體有固定沸點，原因是隨著溶液的沸騰，溶劑不斷蒸發，

13、溶液的 濃度逐漸增大，蒸氣壓不斷降低，因此沸點升高數值越來越大, 當溶液達 到飽和后，沸點不再變化。若繼續蒸發，溶液中的溶質就要析出。我們 所說的溶液的沸點是指某溶液剛開始沸騰時的溫度。 溶液的凝固點又稱為冰點，是指液體蒸氣壓與固體純溶劑蒸氣壓相 等時系統的溫度，也是純物質的固相與液相共存 (即達到平衡)時的溫度。 例如冰和水在 0 時蒸氣壓相等，故水的凝固點是 0 ，在此溫度下，第頁長江大學工程技術學院教案/講稿水和冰可以相互轉化，即液體的凝固和固體的熔化處于平衡狀態。 溶液凝固首先是溶液中溶劑的凝固，因此溶液的凝固點實際為溶液 中溶劑的蒸氣壓與固態溶劑的蒸氣壓相等時的溫度。 根據拉烏爾的實

14、驗結果：難揮發性非電解質稀溶液的凝固點降低tf 與溶質的質量摩爾濃度成正比，而與溶質的本性無關。其關系式為: tf=kfbb kf 稱為溶劑的摩爾凝固點下降常數，kf 只與溶劑的性質有關，單位 為: kg mol-1 或 k mol-1。 常見溶劑的 kf 列于表 1 中。 kg tf 溶液凝固點下降值，單位為 k 或 ； bb溶質的質量摩爾濃度，單位為 mo1 kg-1；思考題：1、難揮發物質的溶液在不斷沸騰時，它的沸點是否恒定？在冷 卻過程中它的凝固點是否恒定？2、用測凝固點的方法來估算溶質的相對分子質量。第頁長江大學工程技術學院教案/講稿第三講3、溶液的滲透壓 滲透：由物質粒子通過半透膜

15、單向擴散的現象。 半透膜：在兩個不同濃度的溶液之間，存在一種能有選擇地通過或 阻止某些粒子的物質。 滲透壓：為維持只允許溶劑通過的膜所隔開的溶液與純溶劑之間的 滲透平衡而需要的超額壓力。 1886 年荷蘭物理學家范特荷甫（vant hoff）指出：稀溶液的滲透壓 （）與溶液濃度和溫度的關系是： = nb t 即 = cb t v r r 溶液的滲透壓，單位為 pa； cb溶液的濃度，單位為 mo1 -1； l r氣體常數，為 8.314kpa mol-1 -1； l k t體系的溫度，單位為 k 上式表明：在一定的溫度下，溶液的滲透壓與溶液的濃度成正比， 而與溶質的本性無關。根據溶液的滲透壓，

16、可測定溶質的摩爾質量，特 別是高分子化合物的摩爾質量。 反滲透是在溶液一方所加的額外壓力超過滲透壓，使溶液中的溶劑 分子反向滲透的現象。反滲透方法在海水淡化、污水處理等方面前景較 好，現在關鍵問題是尋找理想的半透膜。 測定溶液滲透壓，估算溶質的相對分子質量。 稀溶液的定理：難揮發、非電解質稀溶液的某些性質(蒸氣壓下降、 沸點上升、凝固點下降和滲透壓)與一定量的溶劑中所含溶質的物質的量 成正比，而與溶質的本性無關。思考題：稀溶液的各項通性，為什么不適用于濃溶液和電解質？四、膠體溶液 膠體分散系： 溶膠 （如 fe(oh)3 膠體和 as2s3 膠體等） 高分子溶液（淀粉溶液和蛋白質溶液等） 1、

17、分散度和表面吸附 分散系的分散度(dispersion degree)常用比表面積來衡量。s?s v第頁長江大學工程技術學院教案/講稿s分散質的比表面積，單位是 m-1； s分散質的總表面積，單位是 m2； v分散質的體積，單位是 m3。 表面能：把物質內部分子拉向表面，須吸收能量, 克服指向物質內部 的力。當這些內部分子轉移出來，形成新表面時，這部分能量就轉變成 表面層分子的勢能，因而表面層分子比內部分子的能量高，高出部分的 能量稱為表面能。 物質分散程物質分散程度越大，比表面越大，表面能就越高。液體 和固體都有自動減小表面能的能力。通常以吸附的途徑來降低物質的表 面能。 表面吸附：物質表面

18、質點吸附其它質點，其為一放熱過程，也是一 個自發過程。 2 、膠團的結構 以稀 agno3 與過量的 ki 反應制備的 agi 溶膠為例，說明膠團結構。ki 過量時形成的 agi 膠團結構示意圖 agi 膠團結構簡式： （agi)m - ni （n-x）k+x- + xk 膠核 電位離子 反離子 反離子 吸附層 擴散層膠粒膠團第頁長江大學工程技術學院教案/講稿式中 m、n、x 分別表示膠核中 agi 的數目，電位離子數和吸附層 中反離子數。m、n、x 皆為不確定的數，即使同一溶膠的不同的膠團, 其 m、n、x 也不相同。 若以過量 agno3 制備 agi 溶膠時，則電位離子是 ag+，而反離

19、子是 no3-，膠團結構式為(agi)m ag+ n (n-x) no3-x+ no3x 例 1：氫氧化鐵溶膠式通過三氯化鐵在沸水中水解而制成的。 fecl3 +h2o=fe(o h) 2cl+2 hcl fe (o h) 2 cl+2h2o=fe(o h) 3+hcl fe ( oh) 2 cl= feo+cl +h2o 其膠團結構式為：fe(oh)3m nfeo+ (n-x)cl x+ xcl 例 2： 硫化砷溶膠的制備通常是將 h2s 氣體通入砷酸溶液中生成淡黃色的 硫化砷溶膠。 h3 aso3+h2s= as2s3+6h2o h2s= hs-+h+ 三硫化二砷膠團結構簡式表示為: (a

20、s2s3)m - nhs (n-x)h+x- + xh 硅膠的膠團結構簡式表示為: (h2sio3)m nhsio3- （n-x）h+x- + xh 注: 在制備膠體時,一定要有穩定劑存在。通常穩定劑就是在吸附層 中的離子。 3膠體溶液的性質 （1）溶膠的光學性質丁鐸爾效應 1869 年， 丁鐸爾(tyndall)在研究膠體時， 將一束光線照射到透明的溶 膠上，在與光線垂直方向上觀察到一條發亮的光柱。這一現象稱為丁鐸 爾效應。 丁達爾效應是膠體所特有的現象，可通過該效應來鑒別溶液與膠體。 光線照射到物體表面時，可能產生兩種情況： 1）顆粒直徑遠遠大于入射光的波長，此時入射光被完全反射，不出 現

21、丁達爾效應 2） 顆粒直徑比入射波長小， 則發生光的散射作用而出現丁達爾現象。 3）顆粒直徑很小，小于 1 nm，對光的散色極弱，則發生光的透色現 象。 溶膠的粒子直徑在 1100nm，一般可見光的波長范圍在 400 760nm第頁長江大學工程技術學院教案/講稿 可見光通過溶膠時便產生明顯的散射作用。 注：高分子溶液、溶質與溶劑沒有明顯的界面，對光的散射作用弱， 其丁鐸爾效應沒有膠體明顯。 （2）溶膠的動力學性質溶膠的布朗運動 在超顯微鏡下看到溶膠的散射現象的同時，還可以看到溶膠中的發 光點并非是靜止不動的，它們是在作無休止、無規則的運動。 產生原因：膠粒受力不平衡及膠粒的熱運動 產生的結果：

22、膠體的擴散作用 動力學穩定性 （3）溶膠的電學性質電泳 電泳：在電場中，溶膠體系的溶膠粒子在分散劑中能發生定向遷移。 根據電泳實驗判斷溶膠粒子的帶電性。 注：溶膠粒子帶電的主要原因 ： （1）吸附作用選擇性吸附與其組成相關的離子 例：氫氧化鐵溶膠，由于 fe(oh)3 對 feo+的吸附因而溶膠帶正電。 （2）電離作用溶膠表面電離，使膠粒帶電 例 ： 硅膠粒子帶電就是因為 h2sio3 電離形成 hsio3-， 并附著在表面而帶 負電。 4膠體的穩定性和聚沉 （1）溶膠的穩定性 聚沉：膠體分散系中的分散質從分散劑中分離出來的過程稱為聚沉 影響溶膠聚沉的因素主要有： 電解質對溶膠的聚沉作用（最重

23、要的方法） 電解質聚沉的主要原因：中和了膠粒的電荷 破壞了膠粒的溶劑 化膜。 聚沉值：指一定時間內，使一定量的溶膠完全聚沉所需要的電解質 的最低濃度。單位 mmol l-1 聚沉能力：是聚沉值的倒數。聚沉值越大的電解質，聚沉能力越小； 反之，聚沉值越小的電解質，其聚沉能力越強。聚沉能力主要決定于膠 粒帶相反電荷的離子的價數。 注:與膠粒帶相反電荷的離子的價數影響最大，價數越高，聚沉能 力越強。 例：對 fe(oh)3 正溶膠：聚沉能力：k3fe(cn)6>mgso4>alcl3第頁長江大學工程技術學院教案/講稿對 as2s3 負溶膠：聚沉能力 alcl3>mgso4>k

24、3fe(cn)6 對帶相同電荷的離子，其聚沉能力隨離子水化半徑的增大而減小。 例： 對帶負電溶膠： 聚沉能力 rb+k+na+li+ ； 2+sr2+ca2+ ba 2+ mg 對帶正電溶膠：聚沉能力 f >cl >br > >i 例： 等體積的溶液和的 agno3 溶液混合制 agbr 溶膠，分別加入相同濃度的下述電解質溶液，其聚沉能力的大小次序序如 何？ (1)kcl,(2) na3po4,(3)mgso4,(4) na2so4 解：2>4>3>1 溶膠的互相聚沉 兩種帶有相反電荷的溶膠按適當比例相互混合，溶膠會發生聚沉。 聚沉的主要原因：膠粒所帶

25、電荷被中和 例： 明礬凈水作用。 天然水中膠態的懸浮物大多帶負電， 明礬在水中水解產生的 al(oh)3 溶膠帶正電，它們相互聚沉而使水凈化。 al(oh)3mn al3+（n-x） so42-2x+x so42溫度對溶膠穩定性的影響 加熱能破壞膠體的主要原因: 膠粒運動加劇,碰撞機會增多。 膠粒所帶電量減少。 （吸附大多數是放熱過程，升溫有利于解析） 膠體本身的濃度過高 原因：濃度過高，碰撞機會增加，導致聚沉 五高分子溶液和乳濁液 自學第頁長江大學工程技術學院教案/講稿第四講 第二章教學目的： 1理解反應進度、系統與環境、狀態與狀態函數的概念； 2掌握熱與功的概念和計算，掌握熱力學第一定律的

26、概念； 3掌握 qp u r h m r h f h r sm r s s m m m m化學反應得一般原理關系及有關計算； 5了解反應速率、基元反應、反應級數的概念；理解活化分子、活化 能、催化劑的概念；了解影響反應速率的因素及其應用。 教學重點： 1功、熱、熱力學能、焓、熵、自由能的概念及含義 2反應焓變、熵變、自由能變的計算方法; 3吉布斯-亥姆霍茲方程及有關應用; 學習難點： 熵的含義、 化學反應中常涉及到的兩個問題: (1) 化學反應進行的方向、程度以及反應過程中的能量變化關系 可能性 化學熱力學 化學熱力學初步和化學反應平衡 (2) 化學反應進行的快慢即化學反應的速率問題 現實性

27、化學動力學 化學反應速率r g m r g f g 的概念及有關計算和應用 m m 4掌握標準平衡常數 k 的概念及表達式的書寫；掌握 r g與 k 的 m一、基本概念和術語1化學反應進度 （1） 化學反應計量方程式 對任一已配平的化學反應方程式有： b ? 物質 b 的化學計量數，量綱為一 0 ? bb?b注意：反應物的化學計量數為負值；生成物的化學計量數為正值1. 3 n 2 ? h 2 ? nh 3 2 2 其化學計量數分別 (nh 3 ) ? 1例： （2）化學反應進度為：? ksai(n 2 ) ? ?1. 2(h 2 ) ? ?3 2表示化學反應進行的程度的物理量，單位 mol。

28、定義式： d ? ?1dn b b或 dn b ? bd第頁長江大學工程技術學院教案/講稿n b ? 物質b的物質的量， b ? 物質b的化學計量數積分式： ? ?1n 或 nb ? b b b 注： 無論以反應物或生成物表示反應進度，其值均相同。 例： n2 ? 3h2 ? 2nh3當 n(nh3 ) ? 1mol時 反應進度的物理意義(nh3 ) 2 n(h2 ) ? 1.5 ? ? ? 0.5mol (h2 ) ?3 ?例aa ? bb ? gg ? dd 若發生了 1mol反應進度的反應，則 n a n b n g n d ? ? ? ? ? 1mol a b g d表明：每消耗掉 a

29、 mol 物質 a 的同時，也消耗掉 b mol 的物質 b，并生成 g mol 的物質 g 和 d mol 物質 d 反應進度與化學反應計量方程式的寫法有關 例:n2 ? 3h2 ? 2nh3 當 n(nh3 ) ? 1mol時1. 3 n 2 ? h 2 ? nh 3 當 n(nh3 ) ? 1mol時 2 22系統和環境 系統：熱力學中所研究的對象?n(nh3 ) 1 ? ? 0.5mol (nh3 ) 2 n(nh3 ) 1 ? ? ? 1mol (nh3 ) 1環境：系統以外與系統密切相關的其它物質和空間 據系統與環境之間的關系，可把系統分為三種： 敞開系統：系統與環境之間既有物質交

30、換又有能量交換。 封閉系統：系統與環境之間沒有物質交換，只有能量交換。 孤立系統：系統和環境之間既無物質交換，又無能量交換 3狀態與狀態函數 狀態：是指系統所有宏觀性質的綜合表現如壓力、溫度、密度、體 積等。狀態函數：描述系統狀態的宏觀性質稱為狀態函數。 狀態函數的特點： （1）它的數值僅僅取決于系統的狀態。狀態一定，狀態函數一定， 狀態變則狀態函數隨之改變。狀態函數變化只與系統的終始態有關，而第頁長江大學工程技術學院教案/講稿與變化的具體途徑無關 （2）系統的狀態函數之間有某種聯系和制約關系 據各宏觀性質是否與系統的物質的量有關狀態函數分為兩類： 廣度性質：凡與系統內物質的量成正比的狀態函數

31、稱為廣度性質， 也叫容量性質，廣度性質具有加合性。如質量、體積等。 強度性質：凡與系統中物質的量無關，僅與體系自身特性有關的性 質，稱為強度性質。強度性質不具有加和性。如濃度、溫度等。 4過程與途徑 過程：起始到終了，稱為一個過程，它是體系狀態變化的經過。據 過程中系統的 p、v、t 變化特點，將過程分為以下幾種： (1)等溫過程： t1=t2=t 環 (2)等壓過程： p1=p2=p 外(3)等容過程： v1=v2 (4)絕熱過程：系統的狀態變化是在絕熱條件下進行的。 (5)循環過程：系統的變化由初始態出發，經歷一系列變化，又回到原來 的初始態。始態和終態為同一狀態，此過程的狀態函數改變量為

32、零。問：一般化學反應屬于什么過程？什么體系？ 一般的化學反應是等溫等壓或等溫等容過程,封閉體系途徑： 系統從始態到終態的變化過程可以采取不同的方式， 每一種方 式就稱為一種途徑。 5熱和功 熱：由于系統與環境間溫度的差異而產生的能量交換形式稱為熱， 用符號 q 表示。熱單位為 j 或 kj。 熱力學規定：系統吸熱，q （體系到能量） ；系統放熱，q （體 系失能量） 功：除熱以外，系統與環境之間以其它形式傳遞的能量稱為功。用 符號 w 表示。功單位為 j 或 kj。 熱力學中規定：系統對環境作功，w （體系失能量） ；環境對系統 做功，w （體系到能量） w 可分為兩類： we 體積功，w 非

33、體積功(有用功) 體積功是由于系統體積發生變化而做的功，其物理意義為系統體積 變化、反抗外壓作用而與環境進行的能量。當系統的壓強與環境的壓強 相等時：p1= p2 =p 外 we=p 外(v2-v1) we= pv若考慮非體系功，則 we= pv+wf第頁長江大學工程技術學院教案/講稿熱和功都是變化過程中交換或傳遞的能量。沒有過程就沒有熱和功， 熱和功都不是狀態函數。 6熱力學能與熱力學第一定律 （1）熱力學能（u） 內能：包括宏觀的能和微觀的能，宏觀的例如動能、勢能；微觀的 例如分子的平動能、轉動能。 熱力學能：指在不考慮系統整體運動的動能和系統整體處于外力場 中所具有的勢能的情況下，系統內

34、所有微觀粒子全部能量之和（包括系 統中分子的平動能、轉動能、振動能、電子運動和原子核內的能量以及 系統內部分子與分子間的相互作用的位能等） ，又稱為內能，用符號 u 表 示，單位 j 或 kj 。 注：熱力學能是狀態函數，其變化量與途徑無關，在實際化學過程 中，u 的絕對值不可能到。 特點：體系得重要狀態函數，廣度性質，具有加和性。 例：50g 水的熱力學能為1.則 100g 水的熱力學能為1 （）熱力學第一定律 熱力學：定量的研究能量相互轉化過程所遵循的科學 熱力學第一定律：將能量守恒與轉化定律用于具體的熱力學系統即 得到熱力學第一定律，具體內容為封閉系統發生狀態變化時，其熱力學 能的變化等

35、于系統與環境傳遞的熱與功的總和。二、熱化學化學反應過程中總是伴有熱量的吸收和放出，熱化學就是把熱力學 理論與方法應用于化學反應中，計算與研究化學反應的熱量及變化規律 的學科。 1化學反應熱效應 指系統發生化學 反應時，在只做體積功不做非體積功的等溫過程中 吸收或放出的熱量。 （1）恒容反應熱 在等溫條件下，若系統發生化學反應是恒容且不做非體積功的過程， 則該過程中與環境之間交換的熱就是恒容反應熱，以符號qv來表示。第頁長江大學工程技術學院教案/講稿據熱力學第一定律u ? q ? w若為恒容過程 v ? 0， 而 w ? ?p v ? w ? 0 ?u ? qv 恒溫恒容過程中系統的熱量變化全部

36、用來改變系 統的熱力學內能。（2）恒壓反應熱 在等溫條件下，若系統發生化學反應是恒壓且只做體積功不做非體 積功的過程，則該過程中與環境之間交換的熱就是恒壓反應熱，其量符 號為 qp 由熱力學第一定律u ? q ? wq ? qp w? ?p?v若為恒壓過程? ?u ? qp ? p?v qp ? u ? p?v ? u ? p(v ? v1 ) 2? u ? (p2 v2 ? p1v1 ) ? p ? p1 ? p 2 ? (u2 ? u1 ) ? (p2v2 ? p1v1 ) ? u2 ? p2 v2 ? (u1 ? p1v1 )即令h ? u ? pvh-焓，具有能量的量綱，無物理意義，狀

37、態函數，絕對值無法確定。? qp ? u 2 ? p 2 v2 ? (u1 ? p1v1 ) ? h 2 ? h1 ? hqp ? h意義：恒壓只做體積功的過程中，封閉系統吸收的熱量全部用于增 加系統的焓。 ? h 0 系統從環境吸熱，吸熱反應 ? h 0 系統向環境放熱，放熱反應 h 和 u 一樣，其絕對值無法測量，但在一定條件下，可以從系統與 環境間熱量的傳遞來衡量系統 h 的變化。h ? u ? p?v ?u ? qv， qp ? h ? qp ? qv ? p?va. 當反應物和生成物都為固態和液態時，反應的 p?v值很小，可 忽略不計, h ? u 。 p? b. 對有氣體參加或生成

38、的化學反應， v 值較大，不可忽略。設為理想氣體 nb (g) ? ? b (g) ? 0bh ? u ? p?v ? h ? u ? nb (g)rth ? u ? nb (g)rt第頁長江大學工程技術學院教案/講稿即使在有氣體參加的反應中，p?v(即 ?n(g)rt)與 ?h 相比也只是一 個較小的值。因此，在一般情況下，可認為：?h 在數值上近似等于 ?u， 在缺少 ?u 的數據的情況下可用 ?h 的數值近似。第頁長江大學工程技術學院教案/講稿第五講2蓋斯定律 1840 俄國化學家蓋斯指出： 在不做其它功并處于恒容或恒壓的情況下，任一化學反應，不論是 一步完成的，還是分幾步完成的，其化學

39、反應的熱效應總是相同的，即 化學反應熱效應只與始、終狀態有關而與具體途徑無關。 根據蓋斯定律，可以間接地求算一些不易直接準確測定或不能直接 測定的反應熱。(1) c(s) ? o 2 (g) ? co 2 (g)， h1 1 (2) c(s) ? o 2 (g) ? co(g)， h 2 2 1 (3) co(g) ? o 2 (g) ? co 2 (g)， h 3 2c(s) ? o2 (g)?h1 co2( ( g) ? ?1. co(g) ? o 2 (g) 2 (1) 條件：在不做體系功和處于恒壓或處于恒容情況下。 ? (2) ? (3) h3 ? h1 ? h2注：為了求反應熱，可把

40、反應設計成分步進行，至于反應是否按設計的途徑進行，則無關緊要。 3標準摩爾反應焓變 （1）摩爾反應焓變 r h m表示當反應進度為 1mol 時的熱效應，單位 kj ? mol?1或 j ? mol?1 如果一反應進度為 ? 的反應焓變為 r h ，則 h ? r hr m（2）物質的標準態 標準狀態：指在溫度 t 及標準壓力 p(100kpa)下的狀態，簡稱標準 態，用 表示。 熱力學中的標準態： a. 純理想氣體物質的標準態是該氣體處于標準壓力 p 下的狀態，混 合理想氣體中任一組分的標準態是該氣體組分的分壓為 p 時的狀態。 b.純液體 （或純固體） 物質的標準態就是標準壓 力 p 下的

41、純液體 （或 純固體） 。 注：在標準態的規定中只規定了壓力 p 并沒有規定溫度 （3）標準摩爾反應焓變 化學反應中，任何物質均處于溫度 t 時的標準狀態下，該反應的摩第頁長江大學工程技術學院教案/講稿爾反應焓變稱為標準摩爾反應焓變，以 r h 表示，t 為熱力學溫度。 m 4、熱化學反應方程式 熱化學反應方程式：表明化學反應與反應熱關系的化學反應方程書 寫化學反應計量方程式。 注意點： a. 同一反應，不同的化學計量方程式，其反應熱的數值不同； b. 應注明參與反應的諸物質的聚集狀態，以 g、l、s 表示氣、液、 固態，聚集狀態不同化學熱效應不同。c(石墨) ? o 2 (g) ? co 2

42、 (g)h ? ?393.509kjmol?1 ? m 1 h ? ? ? 393.509kjmol?1 ? m 21. 1 1 c(石墨) ? o 2 (g) ? co 2 (g) 2 2 2c. 應注明反應溫度，如果在 298.15k，通?？梢允÷圆粚憽(石墨) ? o 2 (g) ? co 2 (g) c( 金剛石) ? o 2 (g) ? co 2 (g)5標準摩爾生成焓h ? ?393.509kjmol?1 ? m h ? ?395.404kjmol?1 ? m在溫度及標準態下，由穩定單質生成 1mol 物質的標準摩爾反應 焓變即為物質在溫度下的標準摩爾生成焓，用 kj ? mol

43、?1 。 f h ，單位 m穩定單質的標準生成焓為零：碳（石墨） ，硫（斜方硫） ，磷（紅磷）如 c(石墨) ? o2 (g) ? co2 (g)h ? ?393.509kjmol?1 ? m則 f h (co2 , g) ? ?393.509kjmol?1 ? m1. 又如 h 2 (g) ? o 2 (g) ? h 2 o(l) h ? ?285.830kj ? mol ?1 m 2 例：指出下列物質中哪 些物質的 f h ? 0 m(a) fe(s) (b) o(g) (c) c(石墨) (d) ne(g) (e) cl 2 (l) 答 (b) (c)例：指出下列反應中哪 個反應的 r

44、h 是agcl(s)的 f h ? 0。 m m(a) ag? (aq) ? cl ? (aq) ? agcl(s) (b) ag(s) ? (c) agcl(s) ? ag(s) ? 1 cl 2 (g) 2 1 cl 2 (g) ? agcl(s) 2(b)(d) ag(s) ? aucl(aq) ? au(s) ? agcl(s)第頁長江大學工程技術學院教案/講稿6標準摩爾燃燒焓 在標準態下 1mol 物質完全燃燒（或完全氧化）生成標準態的產物的反 應熱效 應為該物質的標準摩爾燃燒焓，c hm ，單位 kj ? mol?1 。 完全燃燒：c ? co2 (g) h ? h2o(l) s

45、? so 2 (g) n ? n2 (g) cl 2 (g) ? hcl(aq)7標準摩爾反應焓變的計算 （1）由生成焓求反應熱? ? ?r h m ( i ) ? ? b ? f h m ( b)b? ? ? ? r h m (i ) ? ? f h m (生) ? ? f h m (反)? 提問：298.15k 時物質的標準生成焓可查表， ? r h m 可據上式計算，其它溫度如何計算？ ? ? ? f h m 與溫溫度有關，但 ? r h m (t ) 受溫度影響很小，可用 298.15k 下? ? ? ? 的 ? r h m 近似其他溫度下的代替 ? r h m (t ) ，即 ? r

46、 h m (298.15) ? ? r h m (t )（2）由燃燒焓求反應熱? r h (i) ? rh? (ii ) ? ? r h m (iii) m m ? r h (i) ? rh? (iii) ? ? r h m ( ii ) m m第頁長江大學工程技術學院教案/講稿 r h (i) ? ? (? b )c h (生) ? ? (? b )c h (反) m m mb b r h (i) ? ? (? b )c h (b) m mb第頁長江大學工程技術學院教案/講稿第六講三、 化學反應的方向和限度1化學反應的自發性 自發過程的共同特點 例 自發方向 水流 高 低功正 功做須逆 的向

47、 的功環向 電流 高 低 v v<0 v=0 能具 能具境要 熱 高 低 t t<0 t=0 力 力 有 有對進 氣流 高 低 p p<0 p=0 做 做其行 自發過程：在一定條件下,不靠任何外力的做功就能自動進行的過程自發過程有如下共同特征： (1)自發過程具有單向性。(2)自發過程有一定的限度。(3)自發過程都 可用來做功。(4)所有自發過程的方向都可有判斷的依據。 影響化學反應的自發性的因素： 經過對各種自發過程的研究分析發現，自發過程的方向受兩方面因 素影響：(1)系統傾向于取得最低能量；(2)系統傾向于取得最大混亂度。 即在封閉系統中, 能量降低和混亂度的增大是所有

48、自發過程的推動 力。所謂混亂度，指系統內部微觀粒子排列的混亂程度，用一新的熱力 學函數來量度，s 2 熵 (s) （1）熵的概念 表示體系混亂度的大小的物理量，混亂度越大，熵值越大，反之混 亂度越小則熵值越小。用s來表示推動力 自發條件 限度 h h<0 h=0做功逆向作用s ? klns ? 熵值； k ? 玻耳曼常數； ? 微觀狀態數特征：a、由于混亂度取決于系統的狀態，系統狀態一定時混亂度一定， 其熵也一定, 因此，熵是狀態函數。b、系統的混亂度越大熵值就越大。 （2）熱力學第三定律 在 0k 時,系統內的一切熱運動全部停止,純物質完美晶體的微觀粒子 排列是整齊有序的,微觀狀態數為

49、 1,此時系統的熵值 完美晶體。s* (0k) ? 0 ,*代表第頁長江大學工程技術學院教案/講稿rsm (b) ? sm (b, t)? s* (b,0k)? sm (b, t) m即以s*(0k) ? 0為始態，以溫度 t 時的制定狀態 s (b, t ) ? 0為終態，反應進度為 1mol 時物質 b 的熵變 ，? r s m (b, t ) ? 0 即為物質 b 在該指 定溫度下的摩爾規定熵 sm (b, t ) ? 0 （3）標準摩爾熵 標準狀態下物質 b 的摩爾熵稱為該物質的標準摩爾熵(簡標準熵), 符 ? 號為 sm (b, t) ? 0 ，單位為 j -1 -1。 mol k

50、一些物質的在 298.15k 時的標準熵可查表。 系統熵值的大小有如下規律： (1) 同一物質，聚集狀態不同，則 不同。 ? ? s> (b,? (b, t,s) t) > ? m s (b, t,g) sm(2)同一物質且聚集狀態相同時,溫度越高， ? (b, t) 越大; sm (3)t 一定時，壓強越大，氣體物質的 s? (b, t) 越小; m (4)分子的摩爾質量越大， (b, t) 越大；若分子摩爾質量相近則分子 s? m ? 結構越復雜， sm (b, t) 越大。 （4）標準摩爾反應熵變 熵是狀態函數，對任一反應其標準摩爾反應熵變為sm (b, t,l)m rs ?

51、 ? bs (b) m mb例：計算298.15k 、標準狀態下反應caco 3 (s) ? cao(s) ? co 2 (g)的標準 摩爾反應熵 r s m r s ? v bs (b) m m ? 1 ? s (cao,s) ? 1 ? s (co 2, g) ? (?1)s (caco3, s) m m m ? 39.75? 213.7? 92.9j? mol?1 ? k ?1 ? 160.5j? mol?1 ? k ?1注：物質的 s? (b, t) 隨溫度的增大而增大，但 r s m (t ) 受反應溫 m? 度的影響很小，即： r s (t ) ? ? r s m (298.15k

52、 ) m3、化學反應方向的判據 1878 美國化學家吉布斯證明：對于一個恒溫恒壓下、非體積功等于 零的自發過程，該過程的焓、熵和溫度三者的關系為：h ? t?s ? 0 熱力學中定義： g吉布斯函數：g ? h ? ts單位 kj -1 mol第頁長江大學工程技術學院教案/講稿對于一個變化的系統， 狀態函數 g 的改變稱吉布斯函數變 ? g ， 那 么在恒溫、恒壓、非體系功等于零的狀態變化中 吉布斯用熱力學證明，對于恒溫、恒壓、非體系功等于零的自發過 程中g ? 0 自發進行 g ? 0 平衡狀態 g ? 0 不能自發進行(逆過 程自發）化學反應自發與混亂度和能量的關系：(1) h ? 0，

53、放熱， ?s ? 0， 混亂度增加? ?g ? 0， 正反應一定自發。(2) h ? 0， 吸熱， ?s ? 0， 混亂度減小? g ? 0， 正反應一定不自發 。(3) h ? 0， 放熱， ?s ? 0， 混亂度減小? 則要想使g ? 0， 需降低溫度， 低溫自發。 (4) h ? 0， 吸熱， ?s ? 0， 混亂度增加 ? 則要想使g ? 0， 需升高溫度， 高溫自發。p47 表 2-1 溫度對自發反應的影響 4標準摩爾生成吉布斯函數與標準摩爾反應吉布斯函數變 溫度 t 及標準狀態下，由穩定單質(參考單質)生成 1mol 物質 b 的標 準摩爾反應吉布斯 自由能變 f g ， 稱為該物質 b 在溫度 t 的標準摩 m 爾生成吉布斯自由能 f g ，單位 kj ? mol?1 m 在標準狀態下所有穩定單質的 f g m ? 0kj? mol