Transcript 绪论以及热力学

无机化学
授课：江丽芳
Email：[email protected]
办公室:E楼310
大学与中学教学方法的不同
中学
授课内容少，练习多，
保证听懂，掌握
学习有老师安排，家长
督促
老师大部分时间与学生
相处，有问题可及时问
大学
授课内容多，练习少，
大部分学生不能完全听懂，
需课后认真看书，做习题
完全靠自觉
老师课后辅导时间较少，有
问题要靠自己多动脑筋，
多与同学讨论
课程要求
1.上课认真听讲。
2.作业独立完成，一周交一次（不必抄题目，
写清题号页数即可）。看一遍笔记再动手开
始作业。
3.半期考记入期末成绩。
4.考勤与作业。
学习方法
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1.以无机化学基本原理为纲
热力学原理 --- 宏观
结构原理（原子、分子、晶体） --- 微观
元素周期律 --- 宏观和微观
2．预习--- 复习 --- 总结
规律性、特殊性、反常性。记忆重要性质。
3．作业 通过课后习题巩固理论知识
4．实验
主要参考书目
1.大学化学
傅献彩
（南京大学编） 高等教育出版社
2.无机化学 （第三版） 武汉大学等编
高教出版社
3.无机及分析化学 倪静安
化学工业出版社
4.无机化学例题与习题 徐家宁等
高教出版社
5.普通化学学习指导与习题精解 何兰英等 南开大学出版社
教学计划
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一、教学目的
初步认识化学热力学、原子与分子结构。
四大平衡理论(酸碱平衡、沉淀溶解平衡、配位平衡和氧化
还原平衡)的一些基本概念、原理和计算方法。
为元素无机化学的学习打好基础。
适应大学化学的学习方法,培养学生的自学能力,逐步减少
学生对教师的依赖心理。
二、教学内容及进度
 绪论
 第二篇
 热力学（5章）
 化学平衡（6章）
 动力学基础（7章）
 第一篇
 原子结构（1）
 分子结构（2）
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配合物（4）
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第三篇
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水溶液（8）
酸碱平衡（9）
沉淀平衡（10）
电化学基础（11）
配位平衡（12）
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
绪论
1.化学的研究内容
 2.化学发展简史
 3.无机化学简介

1.化学是研究物质变化的科学
1.1化学研究的对象与内容
化学是一门在原子、分子或离子层次上研究物质的组成、结构、性质、
变化及其内在联系和外界变化条件的科学。
简而言之，化学是研究物质变化的科学。
1.2研究化学的目的
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
人类生活的各个方面，社会发展的各种需要都与化学息息相关。
（1）化学对我们的衣食住行贡献巨大。
（2）化学对于实现农业、工业、国防和科学技术现代化具有重要作用。
（3）促进其他学科和应用科学的发展和交叉学科的形成。如：环境化
学、能源化学、材料化学、地球化学等。
2.化学发展简史
2.1 古代化学
 2.2 近代化学的萌芽
 2.3 化学的现状

2.1 古代化学
（1）实用和自然哲学时期（---公元前后）
 （2）炼金术、炼丹时期（公元前后—公元
1500年）
 （3）医药化学时期（公元1500—1700年）

（4）燃素学说时期（公元1700-1774年）
燃素是一种物质，有时是火质有时是干土质，有时是油状（存在于脂肪中）有时是从燃烧的
蜡烛中发射出来的不可见的粒子。如，酒精是水和燃素的化合物，酒精燃烧时，燃素跑掉
就只剩下了水。
2.2 化学的现状
化学各分支学科与边缘学科的建立
 四个传统分支学科：无机化学、有机化学、
分析化学、物理化学
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

X射线，放射性，电子是19世纪末的三大发现，由此打开了原子和原子核的大门，
使化学家能从微观的角度和更深的层次上来研究物资的性质和化学变化的根本
原因。
原有的四大基础学科已经容纳不下新发展的事物，从而衍生出许多新的分支。
如，高分子化学：三大人工合成工业（橡胶、塑料和纤维）成为人类物质生活
中不可缺少的部分，因此系统地研究高分子的结构、功能、合成、生产等，就
形成了高分子化学，更准确地说是，高分子科学。
此外还有核化学，结构化学，材料化学…
3.无机化学简介

3.1无机化学的定义
无机化学是除碳氢化合物及其衍生物外，对所有元素及其化合物的性质
和它们的反应进行实验研究和理论解释的科学，是化学学科中发展最早
的一个分支学科。
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3.2无机化学的发展
3.2无机化学的发展
大约在1900年到第二次世界大战期间, 同突飞猛进的有机化学相比,无机化
学的进展却是很缓慢的。无机化学家在这段时期没有重大的建树, 缺乏
全局性的工作, 无机化学的研究显得冷冷清清。
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
战后和平时期中随着工农业生产的飞跃发展,无机化学不仅在原有的天地
中长进, 而且还不断渗透到其他各种学科而产生了新的边缘学科, 如:
有机金属化合物化学
无机固体化学
物理无机化学
生物无机化学
铂系配合物抗肿瘤药物
顺式－ [Pt(NH3)2Cl2]的抗癌机理：该配合物有脂溶性的载
体配体(NH3)，使其易于透过体内各种生物膜，进入癌细胞核
的配合物与DNA链上C、O原子发生取代，形成稳定的五元螯
合，破坏了两条多核苷酸上鸟嘌呤和胞嘧啶之间的氢键，使
DNA结构遭到破坏而丧失复制功能，癌细胞分裂受阻
H3N
Cl
Pt
H3N
Cl
顺式 (cis- )二氯二氨合铂(Ⅱ)
第五章 热力学初步
热力学：
主要解决化学反应中的三个问题：
① 化学反应中能量的转化；
② 化学反应的方向性；
③ 反应进行的程度
§5.1基本概念
5.1.1系统与环境

a. 体系： 人为划分出来的研究对象



1． 敞开体系；与环境有物质交换也有能量交换
2． 封闭体系；与环境无物质交换有能量交换。
3． 孤立体系: 与环境无物质、能量交换。
b.环境：在体系周围和体系密切相关的就是环境
例如：

若汽缸内气体为体系，则？

若汽缸为体系，则？


5.1.2 相
系统中物理性质和化学性质完全相同的且与其他部分有明确界
面分隔开来的任何均匀部分，叫做相。
 油水混合物几个相？
 空气是一个相吗？
 HF和F2按照1：1混合，几个相？
 花岗岩（成分是石英、云母和长石等）几个相？
 系统内有水、水蒸汽和冰，几个相？
 HCl的水溶液——盐酸几个相？
5.1.3理想气体
假设：气体分子间没有相互作用力，自身不占
体积。
实际气体作该假设的条件：
温度不低，压力不大
a.理想气体的状态方程式
理想气体的状态方程式
波义尔定律：当n和T一定时，气体的V与p成反比
V ∝1/p
（1）
查理-盖吕萨克定律： n和p一定时，V与T成正比
V ∝T
（2）
阿佛加德罗定律：p与T一定时，V和n成正比
V ∝n
（3）
以上三个经验定律的表达式合并得V ∝ nT/p
(4)
实验测得（4）的比例系数是R，于是得到
pV=nRT
(5)
这就是理想气体状态方程式
注意：R的取值，P、V、n、T单位之间关系见P201,其中第三行有误
eg1.280K时，一个敞口容器里的气体需要加热到什么温度才
能使1/3的气体逸出？
解：敞口意味着气体始终与外界接触，所以P内＝P外
选烧瓶内的气体为研究对象，即体系。
p外V=nRT1
p外V=2/3nRT2
T2=3/2T1=420K
b.道尔顿分压定律
对某温度下某容器内的几种气体，容器体积V，压力p
由 pV=nRT
（1）
和 p V =n RT（2）
即 p总V＝n总RT
＝RT(n1+n2+n3+n4+……)
=RT(p V/RT+p V/RT+p V/RT+p V/RT+……)
=(p +p +p +p ……)V
即：p ＝Σp （3）
总
i
1
1
总
i
2
2
3
4
i
3
i
4
分压定律：混合气体的总压等于把各组分气体单独置于同一容
器里所产生的压力之和。
将（2）/（1）得p /p＝n /n＝x
n /n即组分气体的物质的量与混合气体的物质的量的比值，称
为摩尔分数，记为x
i
i
i，
i
i，
则p ＝x p
i
i
单组分气体的分压等于总压乘以该组分的摩尔分数。
eg2.在等温等压下，向A,B的混合理想气体中加入气体C（不发生化学变化）。
p（A）,p（A’）分别是加入前后A气体的分压，其大小关系？
解：p ＝x p p总不变，x 下降
i
i
eg3.P204 例5-9
i
则pi下降
有哪些气体
eg4.含碳量为80％的煤150g，在1atm下通入一定量空气使之燃烧，2/3生成
CO,1/3为CO2，求燃烧后各气体的分压
燃烧后的气体成分：CO、CO2、N2,
C+ O2
CO2
C+ 1/2O2
CO
nc= 1/3 x 150x80% =3.3mol
nc’= 2/3x150x80%
12
总耗氧量3.3+6.6/2＝6.6mol
=6.6mol
12
n(氮气)＝6.6x(79%÷21%)＝24.8mol
n（CO2）=3.3mol
n(CO)=6.6mol
p(氮气)＝p总 n氮气/n总＝0.71atm
p（CO）=0.19atm
p（CO2）＝1-0.71-0.19＝0.1atm
n总＝24.8+3.3+6.6
5.1.4 状态及状态函数
状态：系统的宏观性质的综合表现。
状态函数：描述系统性质的物理量。(p,V,T)
特点：①状态一定,状态函数一定。
② 状态变化,状态函数也随之而变,且
状态函数的变化值只与始态、终态
有关,而与变化途径无关。
不同状态至
少有一状态
函数不同
（Ⅰ）
始态
（Ⅱ）
终态
 体系处于某状态---热力学平衡状态
内部处于均匀平衡态
压力、温度、密度、浓度……均匀一致
宏观状态函数不再变化。
状态函数
---容量性质：体积、物质的量……
（热力学能U、焓H、自由能G、熵S）
与物质的量成正比
广度性质：压力、温度、密度、浓度……
与物质的量多寡无关

始态
→
终态
热力学思维方法：黑箱原理

不考虑过程方式 只考察始态与终态
状态函数变化值
 △μ=μ（终态）－μ（始态）

5.1.5过程与途径
a.过程: 体系状态变化的过程
T一定
ΔT = 0 (等温过程)
p一定
Δp = 0 (恒压过程)
V一定
ΔV = 0 (恒容过程)
体系与环境间无热交换 Q ＝ 0 (绝热过程)

可逆过程：无限接近平衡态的过程
不可逆过程
自发过程
非自发过程



b.途径：完成过程的具体步骤称为
状态1 → 状态2 ：
途径不同，状态函数改变量相同（Δ值） ；
（I）加 压
始
p1=101.3kPa
T1=373K
V1=2m3
p1= 202.6kPa
T1= 373K
V1=1 m3
终
态
态
（II）加压、升温
p3=303.9kPa
T3=473K
V3=0.845m3
减压、降温
理想气体两种不同变化过程
恒温过程
298 K，101.3 kPa
恒
途 压
径 过
(I) 程
375 K，101.3 kPa
298K，506.5 kPa
途径(II)
实
际
过
程
恒温过程
(I)
恒
压
过
程
(II)
375 K，506.5 kPa
实际过程与完成过程的不同途径
5.1.6热和功
1. 热： 体系状态发生变化时，由于体系与环境之间因温度不同而交换或
传 递的能量称为热； 表示为Q。
规定：体系从环境吸热时， Q为正值；
体系向环境放热时，Q为负值。
2. 功： 除了热之外，其它被传递的能量叫做功（如电灯发亮的电功）
表示为W。
规定：环境对体系做功时，W为正值；
体系对环境做功时，W为 负值。
膨胀功（或称体积功）
有用功（或称其他功）
本章节讨论对象都是只作体积功
体积功： W = -Δp V 单位： J、kJ
气体膨胀，W正/负？
热和功不是状态函数！当系统处于某个状态的时候，是无所谓其功
和热的，即功和热不符合状态函数定义，不是描述系统状态的物理量。
5.1.7 热力学标准态
反应物与生成物都是气体时，各物质的分压
为1.013  105 Pa
 反应物与生成物都是液体时，各物质的浓度
为1.0 mol kg-1
 固体和液体纯物质的标准态指在标准压力下
的纯物质
 标准态对温度没有规定，不同温度下有不同
标准态，但温度对应热力学温度K，而非摄氏度
以上标“ ”表示
