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1、第一章 物质的聚集状态1.1 1.1 教教 学学 内内 容容1.了解物质层次及其运动理论，明确原子和分子等原子结合态单元是介观粒子的概念。2.理解系统和环境，聚集状态和相等概念，明确敞开系统、封闭系统、孤立系统及相的划分。3.明确化学反应中的质量守恒和能量变化，掌握化学计量数的概念。4.明确反应进度的概念，掌握物质的量的符号、单位及有关计算。1.1 化学的基本概念化学的基本概念一、分子、原子和团簇化学研究的化学研究的物质物质物质是不依赖于人们的感觉而存在并且物质是不依赖于人们的感觉而存在并且可以被人们的感觉所认识的客观实在可以被人们的感觉所认识的客观实在。简而言之，物质是客观存在的东西物质是客
2、观存在的东西。具体地说物质包括实物和场实物具有静止质量、体积、占有空间的物体。如书桌、铁、木材、水、空气等。场没有静止质量、体积、不占有空间。如电场、磁场、光、声音。化学研究的物质一般是指实物1、分子：保持物质化学性质的最小粒子2、原子：进行化学反应的最小微粒3、团簇：尺寸介于原子、分子和宏观物体之间有金属簇，如Lin，Cun，Hgn；非金属簇，如Cn，Nn，Arn；分子簇，如(H2O)n，(NaCl)n 等。二、元素二、元素 原子核中质子数相同的一类原子的总称。原子核中质子数相同的一类原子的总称。发现了发现了118118种元素，种元素，9696种金属元素，种金属元素，2222种非金属种非金属
3、元素元素三、系统、环境、相三、系统、环境、相被研究的对象就称为系统系统。系统以外与之直接联系的部分，称为环境环境。系统可分为下述三类：有质量和能量交换开放系统只有能量交换封闭系统无质量和能量交换隔离系统相相：系统中任何化学组成均匀，物理和化学性质都相同的，且可用机械方法分离出来的部分。相与相之间存在明显的界面。四、状态与状态函数物质在一定的温度和压力条件下所处的相对稳定的状态，称物质的聚集状态聚集状态，简称物态。状态函数1、广延性质2、强度性质状态函数的特点状态函数的特点：状态函数的变化值只决定体系的始态和终态，而与变化的过程无关。五、物质的量符号记为n，单位为摩尔摩尔(mol)。六、反应进度
4、定义：nB为物质B的物质的量。一般定义为：反应前物质的量n1/mol10300例如反应某时刻物质的量n2/mol8244则反应进度为：1.2 气体、等离子体和大气污染及其防治 教教 学学 内内 容容1 1、掌握理想气体状态方程及其近似用于实际气体条件2、了解大气湿度概念和相对湿度的计算3、了解酸雨的成因一、理想气体和实际气体理想气体状态方程表示为：理想气体理想气体在微观上具有两个特征：分子本身不占有体积；分子间没有相互作用力，其系统的势能可忽略。二、大气相对湿度绝对湿度水蒸气在大气中的含量多少，表达了大气的干湿程度，简称湿度。单位体积空气中所含水蒸气的质量称为绝对湿度。例如，20空气中的水蒸气
5、达到饱和时，每立方米的空气中含有的水蒸气质量为：相对湿度大气中水蒸气的分压力和同温度下水的饱和蒸气压的百分比值称为相对湿度。例如：已知25时，某地实际水蒸气压力为2.154kPa，此时相对湿度是多少?解：解：25时水的饱和蒸气压为3.167kPa。相对湿度=(2.154kPa3.167kPa)100%=68三、大气污染对大气的影响1、酸雨2、温室效应3、臭氧层的破坏1.3 液体和水污染及其治理一、一、水的性质和应用水分子中，氢、氧原子以共价键相结合，OH 键长为 0.095 72 nm，HOH 为104.52。二、溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压1.、溶液的蒸气压降低一定温度下，液相（固相）
6、与其气相达到平衡时的压力称为液体（固体）在该温度的饱和蒸气压饱和蒸气压，简称蒸气压蒸气压。溶液的蒸气压降低的原因蒸气压下降的定量关系的定量关系实验证明，在一定温度下，稀溶液的蒸气压降低值等于该稀溶液中难挥发溶质的物质的量分数(摩尔分数)与纯溶剂蒸气压的乘积，而与溶质的性质无关：上式也称拉乌尔定律2.、溶液的凝固点下降实验证明：在稀溶液中，凝固点下降凝固点下降(Tf)为式中Tf表示溶液的凝固点下降，Tf*、Tf分别表示纯溶剂和溶液的凝固点，bB是质量摩尔浓度，单位为molkg1。Kf为凝固点下降常数，它取决于纯溶剂的特性而与溶质特性无关。3、溶液的沸点升高实验证明：在稀溶液中，沸点升高沸点升高(
7、Tb)为式中Tb表示溶液的沸点升高，Tb*、Tb分别表示纯溶剂和溶液的沸点，bB是质量摩尔浓度，单位为molkg1。Kb为沸点升高常数，它取决于纯溶剂的特性而与溶质特性无关。4、溶液的渗透压溶液半透膜=cBRT纯水显示渗透压现象的简单装置渗透压是为维持被半透膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的额外压力。1887年，荷兰物理学化学家范特霍夫(J.H.vantHoff)提出了稀溶液的渗透压与温度以及溶质浓度的关系式：实验发现，难挥发的非电解质稀溶液的渗透压与溶液的物质的量浓度及热力学温度成正比。或等渗液高渗液低渗液反渗透反渗透如果在溶液的一侧施加一个大于渗透压的外压力，则溶剂由溶液一侧通过
8、半透膜向纯溶剂或低浓度方向渗透，这种现象称为反渗透反渗透。反渗透法为海水淡化和废水处理提供了一个重要方法。溶液纯水海水淡化示意图1.4 固体和固体废弃物污染及其治理固体中的原子及其结合态粒子在空间的排布，如果长程有序便称为晶体，如果短程无序就称为非晶体。晶体非晶体一、晶体按晶格结点上微粒的种类、组成及其粒子间相互作用力的不同，晶体可分为：过渡型晶体离子晶体分子晶体原子晶体金属晶体混合型晶体1、离子晶体离子晶体的晶格结点上交替排列着正、负离子，靠离子键结合。离子晶体有较高的熔点、较大的硬度、较脆。在熔融状态或在水溶液中具有优良的导电性，但在固体状态时几乎不导电。2.、分子晶体分子晶体的晶格结点上
9、排列着极性分子或非极性分子，分子间以范德华力(分子间力)或氢键相结合。属于分子晶体的物质一般为非金属元素组成的共价化合物，如SiF4，SiCl4，SiBr4，SiI4，H2O，CO2，I2等。CO2分子晶体(干冰)3、原子晶体原子晶体的晶格结点上排列着中性原子，原子间由共价键结合。由非金属元素组成的共价化合物多为分子晶体，但有少部分形成原子晶体，如常见的C(金刚石，立方型)，Si，Ge，As，SiC(俗称金刚砂)，SiO2，B4C，BN(立方型)，GaAs等。4、金属晶体金属晶体的晶格结点上排列着原子或正离子。原子或正离子通过自由电子结合，这种结合力是金属键。金属键的强弱与构成金属晶体原子的原
10、子半径、有效核电荷、外层电子组态等因素有关。5、过渡型晶体6、混合键型晶体例如，层状结构的石墨、二硫化钼、氮化硼等属于混合键型晶体。二、非晶体目前广泛应用的非晶体固体有四类：玻璃非晶态高分子化合物非晶态薄膜非晶态合金(也称金属玻璃)第二章 化学反应原理教教 学学 内内 容：容：本章简要介绍化学热力学的一些基本概念，包括热力学第一定律，焓、熵、自由能、化学反应等温式和吉布斯-亥姆霍兹公式等。运用这些知识判断化学反应的方向，求化学反应平衡常数。一、热力学第一定律能量守恒与转化定律能量守恒与转化定律自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个
11、物体，而在转化和传递中能量的总数量不变。热力学能热力学能(又称内能内能)热力学体系内部的总能量热力学体系内部的总能量称热力学能称热力学能，用符号U表示，单位是焦耳(J)。U是状态函数，为广度性质，它的绝对值很难确定，但它的变化值可以不难求出。内能的变化是通过两种方式表现出来的。2.1 化学反应的能量变化化学反应的能量变化U(Q+W)=0或U=Q+WQ 称为热称为热W 称为功称为功与途径（或过程）有关Q 0，表明系统对环境吸热；Q 0，系统接受环境作功；W 0，系统对环境作出功。体积功：pV非体积功：W（如电功We）W=pV+W 热和功都不是系统的状态函数，除状态外还与系统状态变化的具体途径有关
12、。例21某过程中，系统放出50kJ的热，对外做功35.5kJ，求该过程中系统的热力学能变。解：由热力学第一定律解得：U(系统)=Q+W=50kJ+(35.5kJ)=85.5kJ即该系统的热力学能降低了85.5kJ。二、化学反应中的能量变化二、化学反应中的能量变化1、恒压反应热：记作Qp恒压过程中压强p 不变，体积V 可以变化，由热力学第一定律U=Q+W=Qp+(pV)Qp=U+pV=U+(p2V2p1V1)=(U2+p2V2)(U1+p1V1)上式说明，恒压过程中系统热量Qp的变化等于终态和始态的(U+pV)值之差。热力学中将(U+pV)定义为焓，符号为H。H=U+pV焓H在系统状态变化过程中
13、的变化值就是H，H 在热力学中称在热力学中称焓变焓变，即Qp=H2H1=H焓的变化H 在数值上等于等压过程中吸收或放出的热量，即H0，表示系统吸热，H0，表示系统放热。将Qp=H2H1=H代入U=Q+W=Qp+(pV)可得：U=HpV当反应物和生成物都为固态和液态时，反应的pV 值很小，可忽略不计。故HU2、恒容反应热：记作QV封闭体系在恒容条件下变化时，如果不做其他功，由于体积无变化，所以W=0，这种条件下体系的热力学能变化是:UQ+WQV(封闭体系，恒容，不做其他功)上式表明，封闭体系在不做其他功的条件下，封闭体系在不做其他功的条件下，内能的变化等于恒容热效应内能的变化等于恒容热效应。三、
14、反应热效应的测量三、反应热效应的测量搅拌器点火电线温度计钢弹样品水绝热外套和 钢质容器QV=cw(H2O)m(H2O)+CsT弹式热量计示意图cw(H2O)为水的质量热容，m(H2O)为水的质量，Cs为钢弹及内部物质和金属容器组成的物质系统的总热容，T为测量过程中温度计的最终读数与起始读数之差。四、反应热效应的计算1、盖斯定律化学反应的反应热（恒压或恒容下）只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。H2(g)+O2(g)12H2O(l)2H(g)+O(g)H2O(g)rH1rH2rH3rHrH=rH1+rH2+rH3盖斯定律计算实例盖斯定律计算实例(1)H2(g)+O2=2H(g)+O(g)
15、rH1=+676.1kJmol-1(2)2H(g)+O(g)=H2O(g)rH2=-917.9kJmol-1(3)H2O(g)=H2O(l)rH3=-44.0kJmol-1(1)+(2)+(3):H2(g)+O2(g)H2O(l)rH=rH1+rH2+rH3=676.1-917.9-44.0=-285.8kJmol-1所以盖斯定律又可表达为:一个化学反应的焓变等于各分步一个化学反应的焓变等于各分步反应的焓变之和。反应的焓变之和。盖斯定律的应用盖斯定律的应用从一些已知反应热数据求出另外的热反应数据。CO(g)+O2(g)=CO2(g)rH2=-283 kJmol-112C(石墨)+O2(g)=C
16、O2(g)rH1=-393.5kJmol-1则=-:C(石墨)+O2(g)=CO(g)12rH3=rH1-rH2=-393.5+283=-110.5kJmol-1上述第3步的反应是很难由实验测得,而第1和第2步反应都可从实验测得,因此用盖斯定律就不难求出一些难以从实验中得到的数据课堂习题课堂习题(P44习题习题21)已知下列热化学方程式：已知下列热化学方程式：Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)rH=-25kJmol-13Fe2O3(s)+CO(g)=2Fe3O4(s)+CO2(g)rH=-47kJmol-1Fe3O4(s)+CO(g)=3FeO(s)+CO2(g)rH
17、=19kJmol-1不用查表,计算下列反应的rH:FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+CO2(g)解：把总反应与分步反应设计如下：(1)Fe2O3(s)+CO(g)=Fe(s)+CO2(g)rH1=-12.5kJmol-1(2)Fe2O3(s)+CO(g)=Fe3O4(s)+CO2(g)rH2=-7.8kJmol-1(3)Fe3O4(s)+CO(g)=FeO(s)+CO2(g)rH3=+6.3kJmol-1总反应=(1)(2)(3):FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+CO2(g)rHT=rH1-rH2-rH3=-12.5+7.8-6.3=-11（kJmol-1）2、标准摩尔生成焓和标准摩
18、尔焓变、标准摩尔生成焓和标准摩尔焓变(1)、物质的标准态温度T 时，把处于压力100kPa下的物质状态称为标准状态，用右上标表示标准态，也就是说p=100kPa是标准压力。(标准态符号“”统一用“”代替)溶液中的标准态是指标准压力p下溶质的浓度为1moldm3的理想溶液。（2）标准摩尔生成焓fHm在温度T及标准态下，由参考状态的元素生成1mol物质B的标准摩尔焓变即为物质B在T 温度下的标准摩标准摩尔生成焓，用尔生成焓，用 f Hm(B,T)表示，单位为表示，单位为 kJ mol 1。符号中的下标f表示生成反应，下标m表示反应进度以摩尔计量，T在298.15K时，通常可不注明。fHm举例例如，
19、fHm(H2O，l)=285.8kJmol1fHm(H2O，g)=241.8kJmol1C(石墨)C(金刚石)rHm=1.9kJmol1即fHm(C，金刚石)=1.9kJmol1例外如：P(白)为指定元素，但298.15K时P(红)更稳定水合离子标准摩尔生成焓水溶液中，水合离子标准摩尔生成焓水合离子标准摩尔生成焓被定义为B物质在温度T 及标准态下生成1mol水合离子B(aq)的标准摩尔焓变，符号为 f Hm(B,aq)，单位为，单位为 kJ mol 1。并规定氢离子为参考状态，1mol的水合氢离子的标准摩尔生成焓为零。如：水合氯离子的标准摩尔生成焓fHm(Cl,aq)=167.2kJmol1。
20、（3）标准摩尔焓变r Hm化学反应中，在标准状态下和温度T时，反应进度为1mol时焓的变化称为标准摩尔焓变标准摩尔焓变，符号是，符号是r Hm，单位用，单位用 J mol 1 或或 kJ mol 1。符号中的下标m表示反应进度以摩尔（mol）计量。r Hm与反应方程式的写法关系密切，即使反应物和生成物相同，但它们的计量数不同就表示不同的反应，其值亦不同。标准摩尔焓变rHm的计算rHm=rHm(I)rHm(II)2.2 化学反应的方向和限度化学反应的方向和限度一、自发过程一、自发过程 在一定条件下不需外力作用就能进行的过程称为在一定条件下不需外力作用就能进行的过程称为自发过程。自发过程。如水往低
21、处流，铁的生锈，天然气的燃烧，气体的扩散，.等等，都是自发过程。自发反应自发反应 自发地向正反应方向进行的化学反应称自发反应自发地向正反应方向进行的化学反应称自发反应。二、熵变与反应的方向1、熵的概念熵与U、H等一样，是体系的一种属性，是体系的状态函数，用符号“S”来表示，熵是描述体系混乱度大小的物理量，熵值越大，体系的混乱度越大。热力学第三定律热力学第三定律在在0时，任何物质完美晶体的熵值为零时，任何物质完美晶体的熵值为零。标准熵标准熵在标准压力下，在标准压力下，mol纯物质的熵值叫做标准熵纯物质的熵值叫做标准熵。用符号S表示，单位是J.K-1.mol-1。例如：同种物质的不同物态，SsSl
22、 0，自发；，自发；S孤孤=0，平衡；，平衡；S孤孤 0所以，298.15K时在空气中CaCO3(s)不能自发进行分解反应。若要使CaCO3(s)在空气中能自发进行分解反应，需rGm(T)0，rGm(T)=rGm(T)+RT lnQ 0rGm(T)=rHm(T)T rSm(T)rHm(298.15K)T rSm(298.15K)=179.2T 160.2103(kJmol1)rGm(T)=179.2T160.2103+8.314Jmol1K1103kJJ1Tln0.0003=179.20.1602T0.0674T=179.20.2276T(+)E E(-);(-);电动势电动势E E=E E(
23、+)-(+)-E E(-)(-)(1)(1)(1)(1)在标准态下：只需比较在标准态下：只需比较在标准态下：只需比较在标准态下：只需比较E E E E 例例1:1:由电对由电对FeFe3+3+/Fe/Fe2+2+、SnSn4+4+/Sn/Sn2+2+构成原电池构成原电池,判断原电池正、负极，计算其电动势判断原电池正、负极，计算其电动势。解：解：E E(Fe3+/Fe2+)=+0.771 V E(Sn4+/Sn2+)=+0.154 V 电动势电动势 E E =E E(+)-(+)-E E(-)(-)=0.771V-0.154V =0.617V(2)(2)非标准态：先根据非标准态：先根据Nerns
24、tNernst方程计方程计 算出算出E E,然后再比较两个然后再比较两个E E 值值2.判断氧化剂、还原剂的相对强弱判断氧化剂、还原剂的相对强弱 越大越大,电对中氧化型物质的氧化能力越强电对中氧化型物质的氧化能力越强 还原型物质的还原能力越弱还原型物质的还原能力越弱 越小越小,电对中还原型物质的还原能力越强电对中还原型物质的还原能力越强 氧化型物质的氧化能力越弱氧化型物质的氧化能力越弱 E EE E例例2 2：试比较：试比较 KMnO4、Cl2、FeCl3 在酸性介质中的氧化能力在酸性介质中的氧化能力解解:0.7711.35831.51E /VFeFe3+3+/Fe2+ClCl2 2/Cl-M
25、nO4-/Mn2+电对电对氧化能力：氧化能力：KMnO4 Cl2 FeCl3例例3 3：试比较：试比较 SnCl2、Zn、H2S 在酸性在酸性 介质中的还原能力介质中的还原能力解解:0.1540.144-0.763E /VSn4+/Sn2+S/H2SZn2+/Zn电对电对 H2S SnCl23 3、判断氧化还原反应进行的方向、判断氧化还原反应进行的方向例例:判断反应判断反应 2Ag2Ag+Cu Ag+Cu+Cu Ag+Cu2+2+进行方向进行方向(1)(1)标准态标准态E E(Ag+/Ag)=0.7991 V(Cu2+/Cu)=0.340 VE E反应向右进行反应向右进行反应向右进行反应向右进
26、行(2)(2)非标准态非标准态c(AgAg+)=0.050 mol L-1，c(CuCu2+2+)=1.0 mol L-1=0.7991V+lg 0.050 =0.72VE(AgAg+/Ag/Ag)=E (AgAg+/Ag/Ag)+lg c(AgAg+)/c 0.0592V1 E E0.3400.720.7991(Cu2+/Cu)/VE(Ag+/Ag)/V(Ag+/Ag)/VE E反应向右进行反应向右进行主要内容物质的性质不仅与组成有关，而且还和结构有关。物质的结构是分层次的，化学不讨论宏观物质组件的结构，而是讨论原子、分子等原子结合态单元粒子在空间如何排布，它们之间又以什么样的作用力相结合等
27、问题。5.1 核外电子的运动状态19世纪末的三大发现X射线（1895年）放射性（1896年）和电子（1897年）光子的波粒二象性爱因斯坦1924年，德布罗依物质波物质波一、波粒二象性是核外电子运动的基本特征图5-1电子衍射示意图1926年薛定谔建立了著名的微观粒子（定态）波动方程，一般称薛定谔方程：这是一个二阶偏微分方程，式中波函数是空间坐标 x，y，z 的函数，E 是体系的总能量，V 是势能，它和被研究粒子的具体处境有关，m 是粒子的质量。薛定谔方程二、电子运动状态描述的三种方法1.波函数和原子轨道图5-3原子轨道的角度分布示意图波函数是薛定谔方程的解，它是描述核外电子在空间出现的数学函数式
28、，可分解为径向部分和角度部分。原子轨道的径向分布rD(r)D(r)D(r)3d3p2p3s2s1srr图5-6原子轨道的径向分布示意图2.概率密度和电子云1s电子云的空间分布界面图波函数绝对值的平方|22p、3d电子云示意图在解薛定谔方程的过程中，为了保证解的合理性，自然引入三个参数n、l、m；它们分别被称做主量子数、角量子数和磁量子数。主量子数 n 的重要意义：决定电子能量高低的重要因素。主量子数 nn 的取值为1，2，3，正整数。在光谱学中常用大写字母K，L，M，N，O，P，Q 表示n=1，2，3，4，5，6，7的电子层。3.量子数角量子数 l表征电子绕核运动的角动量的大小。角量子数l 的
29、取值为：0，1，2，3，（n-l）光谱符号：s，p，d，f物理意义：确定原子轨道或电子云的形状电子亚层磁量子数m表征了原子轨道在空间的伸展方向。磁量子数m 确定了角动量在外磁场方向上的分量大小。m 可以取-l，-(l-1)，0，1，(l-1)，l 共（2l+1）个数值，即(2l+1)个原子轨道。5.2多电子原子结构和周期系遵循以下三个原则：图5-7近似能级顺序图一、多电子原子轨道的能级1s2s2p3p3s3d4s4p4d4f5f5d5p5s6s6p6d7s7p5g能量最低原理泡利(Pauli)不相容原理洪特(Hund)规则总的排布结果是使该原子系统的能量最低。(1)主量子数n：角量子数相同时，
30、n 越大，原子轨道的能量越高，即：1s2s3sndnpns。一个原子轨道最多能容纳两个电子，而且这两个电子“自旋方向”必须相反，即两个电子在核周围出现必须相差（二分之一周期），这样才能保证它们间斥力最小。泡利(Pauli)不相容原理同一原子轨道中两个电子的排布在同一能级内，电子尽可能分布在不同的能量相等的轨道中，这叫洪特规则洪特规则。洪特规则洪特规则6C原子：1s22s22p2IIIIII30Zn：3d104s220Ca：4s21s4s3p3s2p2s1s2s2p3s3p3d4s洪特规则的补充如：29号元素Cu：是Ar3d104s1，而不是Ar3d94s2。24号元素Cr：是Ar3d54s1，
31、而不是Ar3d44s2。对于同一d或f亚层，当电子排布为半充满、全半充满、全充满充满或或全空全空的情况下的原子系统比较稳定。1s4s3d3p3s2p2s1s2s2p3s3p3d4s29Cu24Cr外层电子排布式与价电子外层电子也叫价电子价电子主族元素11Na：3s117Cl：3s23p5副族元素24Cr：3d54s14s158Ce：4f15d16s26s2或5d16s2离子的外层电子排布式原子失去电子的顺序是按原子核外电子排布式从外层到内层顺序（即主量子数较大的电子层先失去电子）。例如26Fe3+：1s22s22p63s23p63d53d53s23p63d5未成对电子数如果有未成对电子，那么它
32、不仅有较高的化学活性，还一定有磁性。例如17Cl：3s23p5未成对电子数是124Cr：3d54s1624Cr3+：3s23p63d33原子核外电子分布的周期性是元素周期律的基础。1.原子结构与元素周期律二、元素周期律 元素周期表是周期律的表现形式f区元素s区元素素p区元d区元素表3.2周期表各分区的名称、外层电子组态及元素性质变化特征按近似能级最后排布的电子 区 族 特 征 外层电子的组态 s 电子s 区主族最后一个电子分布在最ns1-2 p 电子 p 区（包括零族）外层，元素性质变化大 ns2 np1-6 d 电子 d 区 副族（包括、最后一个电子分布在次外层，元素性质变化不大(n-1)d
33、1-8 ns1-2(n-1)d10 ns1-2 f 电子 f 区 镧系、锕系）最后一个电子分布在再次外层，元素性质极相似(n-2)f1-14(n-1)d0-1 ns2 2.元素基本性质的周期性原子半径、电离能、电子亲核能、电负性、氧化值等，呈现明显的周期性。(1)原子半径一般来说，范德华半径金属半径共价半径。在讨论原子半径的变化规律时，实际上使用了上述三种原子半径。范德华半径金属半径共价半径HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaL
34、uHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcLrRfDbSgBhHsMt表3.3元素的原子半径（单位为 nm）(1)原子半径使镧系后面的过渡元素铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)的原子半径与其同族相应的锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)的原子半径极为接近，造成Zr和Hf、Nb和Ta、Mo和W的性质十分相似，在自然界往往共生，分离十分困难。镧系收缩主族元素逐渐变小副族元素减幅是0.004nm左右f区元素减幅平均不到0.001nm镧系收缩的结果：(2)电离能和电子亲和能从气态原子失去1个电子成为+1价阳离子时所吸收的能量，称为第一电离能I1，常用单位kJmol1。气态原子
35、获得 1 个电子成为 1 价阴离子时所放出的能量。电子亲和能的数据不全，规律性也不强。电离能电子亲和能(3)电负性1932年，美国化学家鲍林(L.Pauling)一个原子的电负性越大，表明原子在分子中吸引电子的能力越强；电负性越小，表明原子在分子中吸引电子的能力越小。1.金属键和金属通性自由电子金属键改性共价键一种特殊的离域共价键没有方向性和饱和性相似的物理性质：良好的导电性、导热性，金属光泽、不透明，延展性等等。化学键就是原子结合态（比如分子）中相邻原子间较强烈的相互作用。这种结合力的大小常用键能表示，大约在125900kJmol-1之间。化学键一般分为离子键、共价键和金属键三种。离子键又称
36、电价键，是正、负离子间通过强烈的静电作用而形成的化学键。离子键没有方向性和饱和性。由离子键结合而形成的晶体叫离子晶体。一、化学键1离子键3.3 化学键化学键 分子间力分子间力 高分子材高分子材料料 一般来讲，离子间作用力随离子电荷的增加而增大，随离子半径的增大而减小。离子键的强度越大，相应的晶体的熔点、沸点越高，机械强度也越大。离子晶体的特性热和电的不良导体1914年，美国化学家路易斯(G.N.Lewis)2.共价键由共价键结合而成的化合物称为共价化合物。H+H HH成键原子间可通过共享一对或几对电子形成稳定的分子。由共享电子对形成的化学键称为共价键。如果原子在未化合前含有未成对的电子，且自旋
37、方向相反的话，则可以俩俩偶合构成“电子对”，每一对电子的偶合就形成一个共价键。(1)电子配对电子配对理论海特勒（W.Heitler）和伦敦（F.Londen）这种方法是以量子力学为基础的。共价键的方向性决定着分子的空间构型，因而也影响分子的性质。两个原子轨道重叠的程度越大，形成的共价键越强。饱和性：饱和性：一个原子有几个未成对的电子便可与几个自旋相反的未成对电子配对成键。方向性：方向性：相邻原子总是沿着一定方向成键的，以便满足最大重叠的要求，这叫共价键的方向性。同一原子中能量相近的原子轨道组合成成键能力更强的新的原子轨道，这个过程就叫原子轨道的杂化，新的原子轨道称为杂化轨道。重新组合后的一组轨
38、道如果能量相等、空间分布对称，则称为等性杂化，所得的轨道称为等性杂化轨道，如甲烷、乙烯、乙炔中的 C。(2)杂化轨道理论+-sp杂化轨道+-+-+-120osp2杂化轨道sp3杂化轨道碳的杂化轨道示意图(a)(b)(c)等性杂化不等性杂化图5-21NH3和H2O分子空间构型示意图能够很好地解释一些分子的空间构型，解释不了像氧分子具有顺磁性等一类的问题。杂化轨道理论的特点 主要观点为：当原子形成分子后，电子不再局限于个别原子的原子轨道，而是从属于整个分子的分子轨道。分子轨道可以近似地通过原子轨道的适当组合而得到。电子在分子轨道中的排布规则同样服从能量最低原理、泡利（Pauli）不相容原理和洪特（
39、Hund）规则。(3)分子轨道理论强调分子的整体性氢分子的分子轨道示意图(a)成键轨道(b)反键轨道 配位化合物中的中心原子与配体之间形成的化学键叫配位键，它是由配体中的配位原子单独提供电子对与配位中心原子成键的。例如：配合物 Ag(NH3)2ClH3N+Ag+NH3H3NAgNH3+3.配位键电子给体 电子受体 图3-23CaY2-配离子EDTA5个五元环乙二胺四乙酸根合钙(II)6个配位原子(4个O，2个N)EDTA是著名的解毒剂二、范德华力、次价力和氢键1.范德华力在小分子中分子间作用力被称做范德华力取向力诱导力色散力 +取向力 +诱导力+色散力分子间作用力示意图分子间的作用力比化学键小
40、，仅仅几个千焦每摩尔，最多也只有十几千焦每摩尔。分子间力没有方向分子间力没有方向性性，而且是一种极近距离的电性作用力。分子间力对物质的物理性质的影响一般来说，相同类型的单质或化合物中，分子间力随其相对分子质量的增大而变大。分子间力越大，汽化热越大，沸点就越高；固态物质的分子间力越大，熔化热就越大，熔点就越高等。氢原子与电负性大、半径相对较小的O或N原子成键时，其电子云强烈偏离H原子，使其成为近似裸露的质子，进而再去吸引另一分子中的O或N原子周围的电子云，这种作用称为氢键。2.氢键XHYX、Y主要是F，O，N氢键具有方向性和饱和性。氢键具有方向性和饱和性。氢键键能约为850kJmol1，氢键的类
41、型H2O分子间氢键示意图邻硝基苯酚的分子内氢键分子间氢键分子内氢键分子间氢键分子内氢键第六章第六章 化学与人类的进步化学与人类的进步主要内容本章从人们的衣食住行，阐述了化学与人们生活的密切关系，突出了化学这门创造性和实用学科的地位和作用。6.1化学与人们的工作生活表面活性剂凡能显著降低水溶液表面张力的物质叫表面活性物质表面活性物质。表面活性剂的分类表面活性剂1.离子型2.非离子型阳离子型阴离子型两 性 型6.2化学与材料化学一、金属材料金属固溶体型金属间化合物型简单机械混合型 钢铁材料非铁金属材料金属功能材料新型的金属间化合物材料金属基复合材料分类合金的结构(1)金属固溶体置换固溶体溶质原子半
42、径较小（r溶质/r溶剂 0.59）溶质元素与溶剂元素在原子半径、电负性以及晶格类型等方面都相近V，Cr，Mn，Ni，Co与 FeZn与Cu间隙固溶体如 H，B，C，N 等(c)间隙固溶体的晶格 图3-13纯金属和固溶体的晶格中原子分布示意图(a)纯金属的晶格(b)置换固溶体的晶格溶质原子溶剂原子填隙原子图3-14形成固溶体时晶格畸变示意图溶质原子溶剂原子当溶剂元素溶入溶质元素后，能使原来的晶格发生畸变，它们将阻碍外力对材料引起的形变，因而使固溶体的强度提高，同时其延展性和导电性将会下降。固溶体的这种现象称为固溶强化固溶强化。固溶强化(2)金属间化合物又称：金属互化物、金属化合物。种类金属元素与
43、金属元素金属元素与非金属元素Mg2Pb和CuZn硼化物、碳化物和氮化物高强度、高熔点、高稳定性等。(3)混合物合金混合物合金是两种或多种金属在熔融状态时可以完全或部分互溶，但在凝固时各组分又分别结晶出来，成为机械混合物。混合物合金的熔点、导电、导热等性质是其组分金属的平均性质。例如：焊接用的SnPb合金。3.重要的合金材料(1)超高强度结构钢超高强度钢一般指抗屈服强度大于1380MPa，同时兼有韧性的钢。超高强度钢用于飞机的结构材料、火箭发动机外壳、飞机机身骨架和着陆部件以及高压容器和常规武器的某些方面。超高强度钢可以分为低合金、中合金和高合金超高强度结构钢三类。(2)耐热合金现代镍钴合金能耐
44、1200，用于喷气发动机和燃气轮机的构件。镍铬铁非磁性耐热合金在1200时仍具有高强度、韧性好的特点，可用于航天飞机的部件和原子核反应堆的控制棒等。寻找耐高温、耐腐蚀、高强度、长寿命等要求的合金材料，仍是今后材料研究的重要方向之一。耐热合金主要是第VVII副族元素和VIII族高熔点元素形成的合金。应用最多的有铁基、镍基和钴基合金。它们广泛地用来制造涡轮发动机、各种燃气轮机热端部件，涡轮工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。(3)铝合金铝是一种轻金属，密度为2.70gcm3，它具有良好的导电（导电性仅次于银、铜）、导热性能，易钝化，在空气中稳定；但强度、硬度和耐磨性能较差，如果在铝中加入如Mg，Cu，Zn
45、，Mn，Si，Li，并辅加微量元素Ti，V，B，Ni，Cr和稀土元素等形成合金，就可大大提高其硬度和耐磨性等。如常见的Al-Cu-Mg-Mn合金称为硬铝，Al-Cu-Mg-Zn合金称为超硬铝（其强度远高于钢）。这些铝合金相对密度小、强度高、易成型，广泛用于飞机制造业。一架现代化超音速飞机，铝及合金占总质量的70%80%，美国阿波罗11号宇宙飞船，铝及合金占所使用金属材料的75%。(4)钛合金 钛是银白色金属，外观似钢。钛的熔点比铁和镍都高，属难熔稀有金属，是一种很好的热强合金材料。钛的优良性能是密度小，强度高，韧性比铁强得多，而且耐蚀性好，塑性也很好。向钛中加入V，Mo，Nb，Cr，Cu，Al
46、，Mn和Zr等金属元素，即可制得性能各异的钛合金。钛合金具有密度小、强度高、无磁性、耐高温、抗腐蚀等优点，是制造飞机、火箭发动机、人造卫星外壳和宇宙飞船船舱等重要结构材料；如老牌钛合金Ti-6Al-4V等。钛合金不仅可以做太空材料，而且还可做海洋中潜艇的材料，也可以做医用材料。因此金属钛享有“空间金属”、“未来的金属”、“亲生物金属”等称号。(5)低熔合金低熔合金属金属功能材料，常用的低熔金属及其合金元素有碱金属元素和IIB族右下方三角区内的金属，如Cd，Hg，Sn，Pb和Bi等。铋的某些合金的熔点在100以下，例如，由Bi，Pb，Sn，Cd（质量分数为0.50:0.25:0.13:0.12）
47、组成的所谓伍德(Wood)合金，俗称“保险丝”，其熔点仅为71，广泛应用于供电装置、锅炉安全装置等。汞在室温时呈液态，而且在0200时的体积膨胀系数很均匀，又不浸润玻璃，因此常用做温度计、气压计中的液柱。也可以用汞做成导电表，用于恒温控制。汞几乎可与所有金属（除铁和铂）形成合金，汞的合金叫做汞齐。古代工匠就是用金的汞齐、银的汞齐（均为液态）给工艺品镀金的，这种工艺俗称“鎏金”。因为在刷涂过程中以及除汞过程中（通过加热挥发）难免有汞逸出，所以这种工艺对环境以及工匠的身体健康都是极其有害的。汞和“鎏金”(6)形状记忆合金形状记忆合金也是一类金属功能材料。形状记忆合金有一个特殊转变温度，在转变温度以
48、下，金属晶体处于一种不稳定结构状态；在转变温度（用Tc表示）以上，金属晶体是一种稳定结构状态。一旦把它加热到Tc以上，不稳定结构就转变成稳定结构，合金就恢复了原来的形状。即合金好像“记得”原先所具有的形状，故称这类合金为形状记忆合金。例如Ti50Ni（Tc=60）和Ti51Ni（Tc=30）等。由于具有特殊性能，形状记忆合金在宇航、自动控制、医疗等多种领域已得到广泛应用。例如卫星的天线、太阳能帆板的支架等，机械装置中的某些紧固件等。智能材料人们常把具有传感和驱动双重功能的材料叫做“智能材料”。(7)稀土合金稀土合金是在熔炼金属时加入少量稀土元素所组成的合金。在铸铁中加入适量的铈，可使其强度提高
49、一倍，耐磨性和耐疲劳性能都可提高，韧性高；在防锈耐热钢中加入少量稀土后，能显著提高其热加工塑性，同时在高温下的抗氧化性也增强。稀土合金还具有良好的吸氢和释氢性能，可用做储氢材料，目前使用的镍氢电池，其负极材料就是吸收了氢气的LaNi5合金。二二、高分子材料1.结构与物性(1)一级结构有规立构几何立构旋光立构高分子链节结构等规立构间规立构无规立构 是聚集状态的结构。许多高分子链聚集时，其链段之间的相对空间位置有紧密或疏松、规整或凌乱之分，链段间相互作用力也有大小之分。按聚集态的紧密和规整程度，聚合物可分为无定形、介晶（包括液晶）和结晶三类相态。(3)三级结构高聚物各级结构综合决定了高聚物各种物理
50、状态及物性。一、二级结构主要是由单体经聚合反应在反应过程中确定的，要改变一、二级结构必须通过化学反应即价键的变化才能实现。三级结构由次价力决定，主要受外界物理因素的影响，如温度、压力及加工成型的条件等。是指蛋白质、淀粉、纤维素、核苷酸链等生物大分子或高分子链的亚单元，如单双糖组合成的多糖，氨基酸组成的多肽，核苷酸片段等空间排列以及它们之间的连接和相互交错。(4)四级结构高聚物的溶解性遵从下列规则：(a)“相似相溶”规则聚乙烯醇能溶于水有机玻璃能溶于丙酮及自身的单体中天然橡胶、丁苯橡胶能溶于汽油、苯中聚苯乙烯能溶于苯、甲苯及自身的单体中(b)溶度参数相近规则溶度参数即高聚物内聚能密度的平方根当高