第一章无机化学中的计量关系.ppt

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1、 无无无无 机机机机 化化化化 学学学学化学化工学院化学化工学院无机化学无机化学无机化学无机化学教学课件教学课件教学课件教学课件供化学工程与工艺、制药工程、供化学工程与工艺、制药工程、高分子材料与工程等本科专业用高分子材料与工程等本科专业用课件制作课件制作 王晓娟王晓娟 无机化学的内容和学习方法无机化学的内容和学习方法无机化学主要包括四部分内容无机化学主要包括四部分内容第一部分第一部分 化学基本原理化学基本原理第二部分第二部分 溶液性质与反应溶液性质与反应第三部分第三部分 物质结构与性质物质结构与性质第四部分第四部分 元素化学元素化学第第1 1章章 无机反应中的质量无机反应中的质量 关系和能量

2、关系关系和能量关系第第2 2章章 化学反应的方向、化学反应的方向、速率和限度速率和限度第一部分第一部分 化学基本原理化学基本原理第第3 3章章 酸碱反应酸碱反应第二部分第二部分 溶液性质与反应溶液性质与反应第第4 4章章 沉淀反应沉淀反应第第5 5章章 氧化还原反应氧化还原反应第三部分第三部分 物质结构与性质物质结构与性质第第6 6章章 原子结构与元素周原子结构与元素周 期律期律第第7 7章章 共价键与分子的结构共价键与分子的结构第第8 8章章 配位化合物配位化合物第四部分第四部分 元素化学元素化学第第1111章章 过渡元素（过渡元素（2 2）第第1212章章 镧系和锕系元素镧系和锕系元素第第

3、1010章章 过渡元素（过渡元素（1 1）第第9 9章章 主族元素主族元素适应大学学习方法适应大学学习方法,努力培养自学能力努力培养自学能力大学与中学教学大学与中学教学方法的差异方法的差异中学中学大学大学授课内容少，进度慢授课内容少，进度慢同一内容教师反复讲同一内容教师反复讲都能听懂，掌握都能听懂，掌握授课内容多，进度很快授课内容多，进度很快同一内容一般只讲一遍同一内容一般只讲一遍多数不能完全听懂，多数不能完全听懂，需课前课后认真看书需课前课后认真看书教师课后辅导时间很少，教师课后辅导时间很少，有问题要靠自己多动脑有问题要靠自己多动脑筋，多与同学讨论筋，多与同学讨论教师大部分时间与学教师大部分

4、时间与学生相处，有问题可及生相处，有问题可及时问教师。时问教师。学习有老师家长督促学习有老师家长督促无人督促，完全靠自觉无人督促，完全靠自觉 无机化学课程的学习方法无机化学课程的学习方法1 1、努力提高学习的主动性努力提高学习的主动性;培养自学能力培养自学能力;提提高学习效率高学习效率;探索适合于自己的学习方法探索适合于自己的学习方法.2 2、课前预习、认真听课、课后及时总结。课前预习、认真听课、课后及时总结。3 3、认真做作业，通过作业掌握概念和理论。认真做作业，通过作业掌握概念和理论。4 4、做好每一次实验。做好每一次实验。第第1章章 无机化学中的计量关系无机化学中的计量关系v1.1 溶液

5、的组成标度溶液的组成标度v1.2 气体的计量气体的计量v1.3 化学中的质量关系化学中的质量关系v1.4 化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系1.1 溶液的组成标度溶液的组成标度1.物质的量及其单位物质的量及其单位物质的量：物质的量：是国际单位制（是国际单位制（SISI制）的一个制）的一个基本物基本物理量理量，用来表示物质数量的多少。，用来表示物质数量的多少。符号符号：nB 单位单位：摩尔：摩尔(mole)，符号为符号为mol、mmol或或mol 1.1.摩尔是物质的量的单位，不是质量的单位。摩尔是物质的量的单位，不是质量的单位。1.物质的量及其单位物质的量及其单位注意注意:2.在使用物质

6、的量时，基本单元必须同时指明。在使用物质的量时，基本单元必须同时指明。基本单元基本单元可以是分子、原子、离子、电子及其他可以是分子、原子、离子、电子及其他粒子或这些粒子的特定组合，应该用粒子符号、粒子或这些粒子的特定组合，应该用粒子符号、物质的化学式或它们的特定组合表示。物质的化学式或它们的特定组合表示。3.基本单元要求用加圆括号的化学式表示，而不基本单元要求用加圆括号的化学式表示，而不宜用中文表示。宜用中文表示。如如n(NaOH)=1 mol2.2.物质的量浓度物质的量浓度(cB)v定义：定义：例例已知已知80%的硫酸溶液的密度为的硫酸溶液的密度为1.74gmL-1,求该硫求该硫酸溶液的物质

7、的量浓度酸溶液的物质的量浓度c(H2SO4)解解:1000mL硫酸的质量为硫酸的质量为m=1000mL1.74 gmL-180%=1392 gc(H2SO4)=3.质量浓度质量浓度（B)v定义：定义：单位单位：gL-1或或mgL-1例例 正常人血浆中每正常人血浆中每100mL含葡萄糖含葡萄糖100mg、HCO3-164.7mg、它们的质量浓度（单位它们的质量浓度（单位mgL-1）各为多少？各为多少？(HCO3-)=1.0 103mgL-1 解解(C6H12O6)=1.647 103mgL-1物质的量浓度物质的量浓度 与质量浓度与质量浓度 的换算的换算证明证明注意注意 公式两边单位必须一致公式两

8、边单位必须一致例例 正常人血浆中正常人血浆中HCO3-的质量浓度为的质量浓度为1.647g L-1，求其物质的量浓度。求其物质的量浓度。解解4.物质的量分数或摩尔分数物质的量分数或摩尔分数(xB)5.质量分数质量分数（B）定义定义：式中式中 m 是溶液的质量（不加下标）是溶液的质量（不加下标）6.体积分数体积分数（）定义定义：定义定义：定义：定义：溶质溶质B的物质的量（的物质的量（nB)除除以以溶剂的质量溶剂的质量(mA)单位：单位：molkg-1或或mmolkg-17.质量摩尔浓度质量摩尔浓度(b bB B)稀溶液稀溶液中中 B 的的物质的量浓度物质的量浓度与质量摩尔浓度的关系与质量摩尔浓度

9、的关系对于稀溶液，有对于稀溶液，有因此有因此有因此，对于稀溶液，有因此，对于稀溶液，有注意各量的单位注意各量的单位以水为溶剂的稀溶液，以水为溶剂的稀溶液，因此在因此在数值上数值上有有今后在不特别指明时，溶液均指以水为溶剂的溶液。今后在不特别指明时，溶液均指以水为溶剂的溶液。例例 10gL-1蔗糖蔗糖(C12H22O11）溶液的密度为溶液的密度为1 kgL-1(蔗糖蔗糖Mr=342)，计算其质量摩尔浓度计算其质量摩尔浓度bB解解稀溶液中稀溶液中B B的摩尔分数与质量摩尔浓度的关系的摩尔分数与质量摩尔浓度的关系对于稀溶液，有对于稀溶液，有即即【例例】将将7.00g结结晶晶草草酸酸(H2C2O42H

10、2O)溶溶于于93.0g水水中中，求草酸的质量摩尔浓度求草酸的质量摩尔浓度b(H2C2O4)和摩尔分数和摩尔分数x(H2C2O4)。解解 M(H2C2O42H2O)=126gmol-1，M(H2C2O4)=90.0gmol-1在在7.00gH2C2O42H2O中中H2C2O4的质量为：的质量为：草酸的质量摩尔浓度和摩尔分数分别为草酸的质量摩尔浓度和摩尔分数分别为：m(H2C2O4)=5.00（g）溶液中水的质量为：溶液中水的质量为：m(H2O)=93.0+(7.005.00)=95.0（g）b(H2C2O4)=0.585(molkg 1)x(H2C2O4)=0.0104物质的量浓度物质的量浓度

11、 与质量分数与质量分数 的相互换算的相互换算注意各个量的单位！注意各个量的单位！证明证明例例市售浓硫酸的密度为市售浓硫酸的密度为1.84kgL-1，质量质量分数为分数为96，试求该溶液的，试求该溶液的c(H2SO4)。解解浓度换算关系小结浓度换算关系小结1.2 气体的计量气体的计量理想气体模型理想气体模型v气体分子本身大小可以忽略气体分子本身大小可以忽略v气体分子运动服从力学规律气体分子运动服从力学规律v气体分子之间没有相互吸引和排斥，即分子气体分子之间没有相互吸引和排斥，即分子间作用力可以忽略间作用力可以忽略注意注意：压力不太大，温度不太低，压力不太大，温度不太低，真实气体分子可以近似认为理

12、想气体真实气体分子可以近似认为理想气体理想气体状态方程pV=nRT R-摩尔气体常数在STP下，p=101.325kPa,T=273.15Kn=1.0 mol时,Vm=22.414L=22.41410-3m3R=8314 PaLK-1mol-11.计算p，V，T，n四个物理量之一。2.气体摩尔质量的计算理想气体状态方程式的应用理想气体状态方程式的应用用于温度不太低，压力不太高的真实气体。pV=nRT组分气体：组分气体：理想气体混合物中每一种气体叫做组理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。分气体。分压：分压：组分气体组分气体B在在相同温度相同温度下占有与混合下占有与混合气体相同体积时所产生的压

13、力，叫做组分气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体气体B的分压。的分压。理想气体的理想气体的分压定律分压定律p=pB分压定律：分压定律：例例：某某容容器器中中含含有有NH3、O2、N2等等气气体体的的混混合合物物。取取样样分分析析后后，其其中中n(NH3)=0.320mol，n(O2)=0.180mol，n(N2)=0.700mol。混混合合气气体体的的总总压压p=133.0kPa。试试计计算算各各组组分分气气体体的分压。的分压。解：解：n=n(NH3)+n(O2)+n(N2)=1.200mol=0.320mol+0.180mol+0.700molp(N2)=p-p(NH3)-p(O2)=(

14、133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa1.3 化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系化学反应计量数和反应进度化学反应计量数和反应进度化学反应计量式：B为为物质物质B的的化学计量数，反应物为负，产物取化学计量数，反应物为负，产物取正，正，SISI单位为单位为1 1；可以是整数，也可是可以是整数，也可是分数。分数。反应进度：反应进度：单位是单位是molt0时 nB/mol 3.0 10.0 0 0 t1时 nB/mol 2.0 7.0 2.0结论结论：反应方程式相同，反应进度的值与选用方程：反应方程式相同，反应进度的值与选用方程 式中何种物质来表示没有关系式中何种物质来表示没有

15、关系例例 合成氨反应式为合成氨反应式为 H2+N2=NH3 一定时间后有一定时间后有3mol H2被消耗，求反应进度。被消耗，求反应进度。（1）3H2+N2=2NH3 （2）=2mol 解解 （1 1）（2 2）=1mol 结论：结论：反应进度的值与方程式的写法有关。反应进度的值与方程式的写法有关。在使用时，要指明具体的反应方程式在使用时，要指明具体的反应方程式1.4 化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系1.体系和环境体系和环境体系体系(system):人为划定的研究对象人为划定的研究对象 环境环境(environment):体系以外的与体系相联系的体系以外的与体系相联系的物质世界。物质世

16、界。基本概念和术语基本概念和术语体系的类型体系的类型 敞开体系：敞开体系：封闭体系：封闭体系：与环境无物质交换但有能量交换。与环境无物质交换但有能量交换。隔离体系：隔离体系：与环境既无物质交换也无能量交换。与环境既无物质交换也无能量交换。与环境既有物质交换又有能量交换。与环境既有物质交换又有能量交换。2.状态和状态函数状态和状态函数状态状态：系统的宏观性质的综合表现。：系统的宏观性质的综合表现。状态函数状态函数：描述系统性质的物理量。：描述系统性质的物理量。(p,V,T)特点：特点：状态一定状态一定,状态函数一定。状态函数一定。状态变化状态变化,状态函数也随之而变状态函数也随之而变,且且 状态

17、函数的变化值只与始态、终态状态函数的变化值只与始态、终态 有关有关,而与变化途径无关。而与变化途径无关。始态终态（）（）始态始态(1)298K，100kPa终态终态(2)373K，50kPa373K，100kPa298K，50kPa等压等压等压等压等温等温等温等温途径途径1途径途径1途径途径2途径途径2 T=T2T1=75 K p=p2p 1=50 kPa3.3.热和功热和功 热热(heat,Q）体系和环境间因温度差而传递的能量体系和环境间因温度差而传递的能量 功功(work,W)除热以外其它各种形式传递的能量除热以外其它各种形式传递的能量Q和和W都具有一定的都具有一定的方向性方向性：环境做功

18、为正（环境做功为正（W0），），体系做功为负（体系做功为负（W0）体系吸热为正（体系吸热为正（Q0），），体系放热为负（体系放热为负（Q0）热和功的热和功的SI单位都为单位都为J功（功（W）的分类的分类W We (体积功体积功)+W(非体积功非体积功)体积功：系统体积变化而交换的功，如气体积功：系统体积变化而交换的功，如气体的膨胀或压缩。体的膨胀或压缩。非非体积功：除体积功以外所有其它形式的体积功：除体积功以外所有其它形式的功，如电功、表面功等。功，如电功、表面功等。在恒定外压下，体积功的计算公式在恒定外压下，体积功的计算公式 We psur V 式中式中p外外是环境压力，是环境压力，V=V

19、2 V 1 是体系的体积变化。是体系的体积变化。当体系被压缩时（当体系被压缩时（V0）体积功为正值，体积功为正值，即环境对体系作体积功。即环境对体系作体积功。当体系膨胀时（当体系膨胀时（V0）体积功为负值，即体积功为负值，即体系对环境作体积功。体系对环境作体积功。注意注意能量传递是与过程联系在一起的，能量传递是与过程联系在一起的，没有过程就没有能量传递，亦即没有热和功。没有过程就没有能量传递，亦即没有热和功。热和功是传递中的能量热和功是传递中的能量热和功不是状态函数热和功不是状态函数 V1V1气体向真空膨胀过程气体向真空膨胀过程向真空膨胀 真空真空V2V2 体积功体积功 We p外外 V 04

20、.热力学能热力学能(U)体系内的物质含有的一切形式的能量的总和称为体系内的物质含有的一切形式的能量的总和称为体系的体系的热力学能热力学能(thermodynamic energy)，又称为又称为内能内能(internal energy)。热力学能是热力学能是体系体系的一个的一个状态函数状态函数，是，是广度性质广度性质。热力学能的绝对值目前尚无法求得热力学能的绝对值目前尚无法求得 体系从状态体系从状态1变化到状态变化到状态2的热力学能的变化值的热力学能的变化值（U=U 2 U 1）很容易通过系统和环境之很容易通过系统和环境之间传递的热和功的总合求得间传递的热和功的总合求得 5.热力学第一定律热力

21、学第一定律(能量守恒与转化定律能量守恒与转化定律)“自然界的一切物质都具有能量，能量自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，并可以从一种形式转化有各种不同的形式，并可以从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中，能量的总值为另一种形式，在转化过程中，能量的总值是恒定不变的。是恒定不变的。”U Q+W热力学第一定律的数学表达式热力学第一定律的数学表达式 根据热力学第一定律，应有根据热力学第一定律，应有 注意：注意：热力学第一定律热力学第一定律只适用于封闭体系只适用于封闭体系，不适，不适用于敞开体系用于敞开体系例例在在101.3kPa及及100，1.00mol水完全水完全汽化时吸热汽化时吸

22、热44.0kJ，计算计算1.00mol水汽化时水汽化时热力学能的改变量。热力学能的改变量。解：解：Qp=44.0kJ，汽化过程体积增大，系统向环境做体积功汽化过程体积增大，系统向环境做体积功W=-pV设设始态水的体积为始态水的体积为Vl，终态水蒸气的体积为终态水蒸气的体积为VgV=Vg Vl VgU=Qp+W=Qp ngRT =44.0-1.008.31410-3373 =40.9kJ反应热和反应焓变反应热和反应焓变v1.热效应（化学反应热效应）热效应（化学反应热效应）某反应体系某反应体系只做体积功只做体积功，产物与反应物，产物与反应物温度相温度相同同时，化学反应过程中吸收或放出的能量。时，化

23、学反应过程中吸收或放出的能量。2.2.恒压热效应（恒压热效应（Q Qp p）：）：若体系在变化过程中若体系在变化过程中保持作用于体系的外压力不变时的热。保持作用于体系的外压力不变时的热。W=pVQ=Qp 由由热力学第一定律热力学第一定律QP=U-W=U+p V=（U2+p V2）（U1+p V1）3.反应焓变反应焓变定义定义 H=U+pVH称为焓称为焓(enthalpy)单位单位J、kJ。焓焓H是一个是一个状态函数状态函数.焓的焓的绝对值尚无法求得绝对值尚无法求得。QP=（U2+p V2）（U1+p V1）=H 结论：结论：无非体积功无非体积功恒压恒压封闭体系封闭体系 反应热等于体系的焓变反应

24、热等于体系的焓变4.反应的摩尔焓变反应的摩尔焓变(rHm）rHm是按照所给的反应式是按照所给的反应式完全反完全反应应，即，即=1mol时的焓变时的焓变r是反应（是反应（reaction）的缩写，的缩写，m表示表示=1molrHm SI单位单位 Jmol-1，常用常用kJmol-1反应的摩尔焓变反应的摩尔焓变(rHm）2C(gra)+O2(g)=2CO(g)rHm=221kJmol-1 该式的具体含义是：该式的具体含义是：在没有非体积功、各物质指定温度和压力下，在没有非体积功、各物质指定温度和压力下，2mol石墨石墨态的碳与态的碳与1mol氧气反应生成氧气反应生成2mol一氧化碳时当反应进度一氧

25、化碳时当反应进度为为1mol时体系向环境放热时体系向环境放热221kJ。注意：注意：计算一个化学反应的焓变时必须计算一个化学反应的焓变时必须指明指明反应方程式反应方程式要要注明物质所处的状态注明物质所处的状态C(gra)+1/2O2(g)=CO(g)rHm=110.5kJmol-1 2C(gra)+O2(g)=2CO(g)rHm，298=221kJmol-1“r”表示化学反应表示化学反应“m”表示反应进度为表示反应进度为1 摩尔摩尔“”表示热力学标准态表示热力学标准态“298”表示反应在表示反应在298K下进行下进行rHm称为称为标准摩尔反应焓标准摩尔反应焓（标准摩尔反应热）（标准摩尔反应热）

26、5.热化学反应方程式热化学反应方程式热化学方程式：热化学方程式：是表示化学反应和相关反应热关系是表示化学反应和相关反应热关系的式子的式子书写热化学方程式须注意：书写热化学方程式须注意：2C(gra)+O2(g)=2CO(g)rHm，298=221kJmol-1“g”代表气体，代表气体，“l”代表液体，代表液体，“s”代表固体代表固体(如有不同晶形须注明如有不同晶形须注明)，“aq”代表水溶液代表水溶液 各物质要注明状态各物质要注明状态书写热化学方程式须注意：书写热化学方程式须注意：2C(gra)+O2(g)=2CO(g)rHm，298=221kJmol-1 要标明反应温度。要标明反应温度。(若

27、反应温度为若反应温度为298K,可不标可不标)反应热与反应式要相对应反应热与反应式要相对应C(gra)+1/2 O2(g)=CO(g)rHm=110.5kJmol-1 正、逆反应的反应热数值相等，符号相反。正、逆反应的反应热数值相等，符号相反。CO(g)=C(gra)+1/2 O2(g)rHm=110.5kJmol-1 6.热化学定律（热化学定律（Hesss Law）不管化学反应是一步完成的，还是分不管化学反应是一步完成的，还是分几步完成的，其总的反应热相同。几步完成的，其总的反应热相同。化学反应热只取决于系统的始终态，化学反应热只取决于系统的始终态，与反应过程是一步完成还是分几步完与反应过程

28、是一步完成还是分几步完成无关。成无关。C(gra)+O2(g)CO2(g)CO(g)+1/2O2(g)rHm(1)rHm(3)rHm(2)rHm(1)=rHm(3)+rHm(2)rHm(3)=rHm(1)-rHm(2)rHm(1)=393.5kJmol-1rHm(2)=283.0kJmol-1rHm(3)=-110.50kJmol-1(3)(3)Fe3O4(s)+4C(石墨石墨)=3Fe(s)+4CO(g)求求在在298K时时反应反应的的r Hm 。例例 已知在已知在298K时时，2C(石墨石墨)+O2(g)=2CO(g)3Fe(s)+2O2(g)=Fe3O4(s)解：解：解：解：2C(石墨石

29、墨)+O2(g)=2CO(g)3Fe(s)+2O2(g)=Fe3O4(s)Fe3O4(s)+4C(石墨石墨)=3Fe(s)+4CO(g)2：4C(石墨石墨)+2O2(g)=4CO(g)2=注意注意在计算时，相同的物质（聚集状态、晶形也在计算时，相同的物质（聚集状态、晶形也要相同）才可合并、消去要相同）才可合并、消去在相同条件下，正、逆反应的在相同条件下，正、逆反应的rH m绝对绝对值相等，符号相反。值相等，符号相反。所选取的有关反应所选取的有关反应,数量越少越好数量越少越好,避免误差避免误差累积累积若热化学反应方程式之间存在代数关系若热化学反应方程式之间存在代数关系,反应反应热有对应关系热有对

30、应关系7.7.标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓(fHm,T)标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓:在指定温度下由在指定温度下由最稳定的最稳定的单质单质生成生成1mol 某物质时的标准摩尔焓变某物质时的标准摩尔焓变按定义，最稳定单质的标准摩尔生成焓等于零。按定义，最稳定单质的标准摩尔生成焓等于零。如：如：C（石墨）、石墨）、P（白磷）、白磷）、S（斜方）斜方）I2（s）、）、H2（g）、）、O2（g）等。等。C(gra)+1/2O2(g)=CO(g)rHm=fHm=110.5kJmol-1H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)rHm=fHm=-285.85KJmo

31、l-1rHm=2fHm=-571.70KJmol-1rHm(1)+rHm =rHm(2)rHm =rHm(2)-rHm(1)d D+e E g G+h HrHm rHm(1)rHm(2)最稳定单质最稳定单质rHm(1)=dfHm(D)+efHm(E)rHm(2)=gfHm(G)+hfHm(H)rHm =gfHm(G)+hfHm(H)-dfHm(D)-efHm(E)标准摩尔焓变的计算标准摩尔焓变的计算d D+e E g G+h HrHm rHm =gfHm(G)+hfHm(H)-dfHm(D)-efHm(E)rHm =BfHm(B)反应物反应物取负值，生成物取负值，生成物取正值取正值例例:利用标准摩尔生成焓计算下列反应的利用标准摩尔生成焓计算下列反应的反应热反应热。CaCO3(方解石方解石)=CaO(s)+CO2(g)解：解：=(-635.1)+(-393.5)-(-1206.9)kJmol-1 =178.3 kJmol-1