無機化學化學反應中的質量關系和能量關系

1、1-1-1 相對原子質量和相對分子質量相對原子質量和相對分子質量 1-1-1 相對原子質量和相對分子質量相對原子質量和相對分子質量 具有確定質子數和中子數的一類單具有確定質子數和中子數的一類單 核粒子稱為核粒子稱為核素核素。 元素元素是具有相同質子數的一類單核是具有相同質子數的一類單核 粒子的總稱。粒子的總稱。 質子數相等而中子數不等的同一元質子數相等而中子數不等的同一元 素的一些原子品種互稱為素的一些原子品種互稱為同位素同位素。 自然界中氧就有三種同位素自然界中氧就有三種同位素: : 16O 17O 18O 含量含量/% 99.759 0.037 0.204 碳有兩種同位素：碳有兩種同位素：

2、 12C 13C 相對含量相對含量/% /% 98.892 1.10898.892 1.108 1-1-1 相對原子質量和相對分子質量相對原子質量和相對分子質量 相對原子質量相對原子質量( (A Ar)r) 被定義為元素的平均原子質量與被定義為元素的平均原子質量與 核素核素12C原子質量的原子質量的1/121/12之比，以往被之比，以往被 稱為原子量。稱為原子量。 例如：例如： Ar(H) = 1.0079 Ar(O) = 15.999 1-1-1 相對原子質量和相對分子質量相對原子質量和相對分子質量 相對分子質量相對分子質量( (Mr) ) 被定義為物質的分子或特定單元被定義為物質的分子或特

3、定單元 的平均質量與核素的平均質量與核素12C原子質量的原子質量的1/121/12 之比之比.(.(以前被稱為分子量以前被稱為分子量) ) 例如：例如：Mr(H2O)= 18.0148 18.01 Mr(NaCl)= 58.443 58.44 1-1-2物質的量及其單位物質的量及其單位 1-1-2物質的量及其單位物質的量及其單位 是用于計量指定的微觀基本單元是用于計量指定的微觀基本單元 ( (如分子、原子、離子、電子等微觀粒如分子、原子、離子、電子等微觀粒 子子) )或其特定組合的一個物理量。或其特定組合的一個物理量。 符號為符號為n n 單位為摩單位為摩 爾爾 （molemole）、）、mo

4、lmol 物質的量物質的量 物質的量及其單位物質的量及其單位 1-1-2物質的量及其單位物質的量及其單位 系統(tǒng)中的物質的量若為系統(tǒng)中的物質的量若為摩爾，摩爾， 表示該系統(tǒng)中所包含的基本單元數與表示該系統(tǒng)中所包含的基本單元數與 0.012kg0.012kg12 12C C的原子數目相等。 的原子數目相等。 0.012 kg 12C 所含的碳原子數目所含的碳原子數目 (6.0221023個個)稱為阿伏加德羅常數稱為阿伏加德羅常數 Avogadro（NA）。）。 物質的量及其單位物質的量及其單位 1-1-2物質的量及其單位物質的量及其單位 1mol H2表示有表示有NA個氫分子個氫分子 2mol C

5、表示有表示有2NA個碳原子個碳原子 3mol Na+ +表示有表示有3NA個鈉離子個鈉離子 4mol (H2+O2)表示有表示有4NA個個 (H2+O2)的特定組合體，其中含有的特定組合體，其中含有 4NA個氫分子和個氫分子和2NA個氧分子。個氧分子。 1-1-2物質的量及其單位物質的量及其單位 在使用摩爾這個單位時，一定要指在使用摩爾這個單位時，一定要指 明基本單位明基本單位(以化學式表示以化學式表示) )否則示意否則示意 不明。不明。 例如例如: : 籠統(tǒng)說籠統(tǒng)說“1mol氫氫” 難以斷定是指難以斷定是指1mol氫分子氫分子 還是指還是指1mol氫原子或氫原子或1mol氫離子氫離子 1-1

6、-2物質的量及其單位物質的量及其單位 在混合物中在混合物中，B的物質的量的物質的量(nB)與混合物與混合物 的物質的量的物質的量(n)之比，稱為組分之比，稱為組分B的物質的物質 的量分數的量分數(xB)，又稱又稱B的摩爾分數。的摩爾分數。 如如 含含1molO2和和4molN2的混合氣體中的混合氣體中, , O2和和N2的摩爾分數分別為：的摩爾分數分別為： x(O2)=1mol/(1+4)mol =1/5 x(N2)=4mol/(1+4)mol =4/5 摩爾分數摩爾分數 1-1-3 摩爾質量和摩爾體積摩爾質量和摩爾體積 1-1-3 摩爾質量和摩爾體積摩爾質量和摩爾體積 例如例如 1mol H

7、2的質量為的質量為2.0210-3kg H2的摩爾質量為的摩爾質量為2.0210-3kgmol-1 摩爾質量摩爾質量 某物質的質量某物質的質量(m)除以該物質的物質的量除以該物質的物質的量(n) M = m/n M的單位的單位kgmol-1或或gmol-1 1-1-3 摩爾質量和摩爾體積摩爾質量和摩爾體積 例如例如 在標準狀況在標準狀況(STP)(273.15K及及 101.325kPa下下)，任何理想氣體的摩爾，任何理想氣體的摩爾 體積為：體積為： Vm,273.15K = 0.022414 m3mol-1 = 22.414Lmol-1 22.4Lmol-1 摩爾體積摩爾體積 某氣體物質的體

8、積某氣體物質的體積(V)除以該氣體物質除以該氣體物質 的量的量(n) Vm = V/n 1-1-4 物質的量濃度物質的量濃度 1-1-4 物質的量濃度物質的量濃度 混合物中某物質混合物中某物質B的物質的量的物質的量(nB) 除以混合物的體積除以混合物的體積(V): cB = nB/V 對溶液來說，即對溶液來說，即1L溶液中所含溶質溶液中所含溶質 B的物質的量的物質的量 。 單位：摩單位：摩(爾爾)每升每升 單位符號：單位符號：molL-1 例如例如 若若1L的的NaOH溶液中含有溶液中含有0.1 mol 的的NaOH，其濃度可表示為：，其濃度可表示為： c(NaOH) = 0.1 molL-1

9、 物質的量濃度簡稱為濃度物質的量濃度簡稱為濃度 物質的量濃度物質的量濃度(cn) 1-1-5 氣體的計量氣體的計量 1-1-5 氣體的計量氣體的計量 理想氣體狀態(tài)方程 理想氣體狀態(tài)方程 pV = nRT p氣體的壓力，單位為帕氣體的壓力，單位為帕(Pa) V體積，單位為立方米體積，單位為立方米(m3) n物質的量，單位為摩物質的量，單位為摩(mol) T熱力學溫度，單位為熱力學溫度，單位為“開開 ”(K) R摩爾氣體常數摩爾氣體常數 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 實際工作中實際工作中，當壓力不太高當壓力不太高、溫度不溫度不 太低的情況下太低的情況下，氣體分子間的距離大氣體分子間的距離大，

10、分子本身的體積和分子間的作用力均分子本身的體積和分子間的作用力均 可忽略，氣體的壓力、體積、溫度以可忽略，氣體的壓力、體積、溫度以 及物質的量之間的關系可近似地用理及物質的量之間的關系可近似地用理 想氣體狀態(tài)方程來描述。想氣體狀態(tài)方程來描述。 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 實驗測知實驗測知1mol氣體在標準狀況下的體氣體在標準狀況下的體 積為積為22.41410-3m3,則則 101.325103Pa22.41410-3 m3 1mol273.15K R= pV/nT = 8.3144 Pam3mol-1K-1 = 8.3144 Jmol-1K-1 1-1-5 氣體的計量氣體的計量 理想氣

11、體分壓定律理想氣體分壓定律 氣體的分壓氣體的分壓(pB)氣體混合物中，某一氣體混合物中，某一 組分氣體組分氣體B對器壁所施加的壓力。對器壁所施加的壓力。 即等于相同溫度下該氣體單獨占有與混合即等于相同溫度下該氣體單獨占有與混合 氣體相同體積時所產生的壓力。氣體相同體積時所產生的壓力。 道爾頓分壓定律道爾頓分壓定律混合氣體的總壓力等混合氣體的總壓力等 于各組分氣體的分壓之和。于各組分氣體的分壓之和。 p = pB 理想氣體分壓定律理想氣體分壓定律 如如 組分氣體組分氣體B的物質的量為的物質的量為nB 混合氣體的物質的量為混合氣體的物質的量為n n 混合氣體的體積為混合氣體的體積為V 則它們的壓力

12、：則它們的壓力： pB = nBRT/V p = nRT/V 將兩式相除，得將兩式相除，得 pB nB p n 為組分氣體為組分氣體B B的摩爾分數的摩爾分數 nB n 理想氣體分壓定律理想氣體分壓定律 同溫同壓下同溫同壓下, ,氣態(tài)物質的量與其體積成正比氣態(tài)物質的量與其體積成正比 則則 pB nB p n pB = p VB V 體積為體積為10.0L含含N2、O2、CO2的混合氣體，的混合氣體， T=30、p=93.3kPa, 其中其中: :p(O2)=26.7kPa, CO2的含量為的含量為5.00g, 試計算試計算N2、CO2分壓。分壓。 解解m(CO2) 5.00g M(CO2) 4

13、4.01gmol-1 n(CO2)= = =0.114mol p(COCO2 2)= = Pa n(CO2)RT 0.1148.314303.15 V 1.0010-2 =2.87104Pa p(N N2)=p-p(O O2 2)-p(COCO2 2)=(9.33-2.67-2.87)104Pa =3.79104Pa 例例 n p 9.33104 n(O O2 2) p(O O2 2) 2.67104 = = =0.286 1-1-6化學計量化合物和非計量化合化學計量化合物和非計量化合 物物 1-1-6 化學計量化合物和非計量化合物化學計量化合物和非計量化合物 能表明組成化學物質的各元素原子數

14、目之能表明組成化學物質的各元素原子數目之 間最簡單的整數比關系，因此又稱最簡式間最簡單的整數比關系，因此又稱最簡式 化學式化學式 分子式分子式 能表明分子型物質中一個分子所包含的能表明分子型物質中一個分子所包含的 各種元素原子的數目。各種元素原子的數目。 分子式可能和最簡式相同，也可能是最簡分子式可能和最簡式相同，也可能是最簡 式的整數倍。例如式的整數倍。例如 分子型物質分子型物質化學式化學式分子式分子式 氣態(tài)氯化鋁氣態(tài)氯化鋁AlCl3Al2Cl6 水水H2OH2O 對于那些非分子型物質對于那些非分子型物質,只能用最簡式表示只能用最簡式表示。 例如：離子型化合物氯化鈉，習慣上以最例如：離子型化

15、合物氯化鈉，習慣上以最 簡式簡式NaCl表示。表示。 1-1-6 化學計量化合物和非計量化合物化學計量化合物和非計量化合物 化學計量化合物化學計量化合物 具有確定組成且各種元素的原子互成簡單具有確定組成且各種元素的原子互成簡單 整數比的化合物，這類化合物又稱整數比的化合物，這類化合物又稱整比化整比化 合物合物或或道爾頓體道爾頓體。 例如：例如： 一氧化碳中氧與碳質量比恒為一氧化碳中氧與碳質量比恒為4 3 原子比恒為原子比恒為1 1 1-1-6 化學計量化合物和非計量化合物化學計量化合物和非計量化合物 非化學計量化合物非化學計量化合物 組成可在一個較小范圍內變動，而又保持組成可在一個較小范圍內變

16、動，而又保持 基本結構不變的化合物，這類化合物偏離基本結構不變的化合物，這類化合物偏離 了原子互為整數比的關系，又稱為了原子互為整數比的關系，又稱為非整比非整比 化合物化合物或或貝多萊體貝多萊體。 例如例如: 還原還原 WO3 或加熱或加熱WO2 與與WO3 的的 混合物，均可制得混合物，均可制得WO2.92。 又如又如: 方鐵礦的物相分析發(fā)現(xiàn)方鐵礦的物相分析發(fā)現(xiàn), 在在900 時其組成為時其組成為FeO1+x(0.09x 0, H 0 放熱放熱反應反應：Qp 0, H 0 HQ H 1 2 表示化學反應與熱效應關系的方程式表示化學反應與熱效應關系的方程式 rHm摩爾反應焓變摩爾反應焓變 rH

17、m = -241.82 kJmol-1 H2(g) + O2(g) H2O(g) 298.15K 100kPa 如如 1 2 表示在表示在298.15K、100kPa下，當反應進度下，當反應進度 =1mol時時(1mol H2(g)與與 mol O2(g)反應，反應， 生成生成1molH2O(g)時時)，放出，放出241.82kJ熱量。熱量。 1 2 注意注意： 1.注明反應的溫度、壓力等。注明反應的溫度、壓力等。 2.注明各物質的聚集狀態(tài)。注明各物質的聚集狀態(tài)。 如如 rHm = -241.82 kJmol-1 H2(g) + O2(g) H2O(g) 298.15K 100kPa 1 2

18、3.同一反應同一反應,反應式系數不同反應式系數不同, rHm不同不同 。 rHm = -483.64 kJmol-1 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) 4.正正、逆反應的逆反應的Qp的的絕對值相同絕對值相同, 符號相反。符號相反。 HgO(s) Hg(l) + O2(g) rHm = 90.83 kJmol-1 1 2 Hg(l) + O2(g) HgO(s) rHm = -90.83 kJmol-1 1 2 在恒溫恒壓或恒溫恒容條件下，體系不做在恒溫恒壓或恒溫恒容條件下，體系不做 非體積功，則反應熱只取決于反應的始態(tài)非體積功，則反應熱只取決于反應的始態(tài) 和終態(tài)，而與變化過程的具體

19、途徑無關。和終態(tài)，而與變化過程的具體途徑無關。 即化學反應的焓變只取決于反應的始態(tài)即化學反應的焓變只取決于反應的始態(tài) 和終態(tài)，而與變化過程的具體途徑無關和終態(tài)，而與變化過程的具體途徑無關 。 C(s) + O2(g) rHm CO(g) + O2(g) 1 2 H1 H2 CO2(g) rHm= H1+ H2 應用赫斯定律不僅可計算某些恒壓反應應用赫斯定律不僅可計算某些恒壓反應 熱，而且可計算難以或無法用實驗測定熱，而且可計算難以或無法用實驗測定 的反應熱。的反應熱。 H1 = rHm- H2=(-393.51)-(282.98)kJmol-1 =-110.53 kJmol-1 標準標準(狀狀

20、)態(tài)態(tài) 物質物質標準態(tài)標準態(tài) 氣體氣體標準壓力標準壓力(p =100kPa)下純氣體下純氣體 液體液體 固體固體 標準壓力標準壓力(p =100kPa)下下 純液體、純固體、純液體、純固體、 溶液中溶液中 的溶質的溶質 標準壓力標準壓力(p )下質量摩爾濃度為下質量摩爾濃度為 1molkg-1(近似為近似為1 1molL-1) ) 標準摩爾生成焓標準摩爾生成焓 定義：標準態(tài)下定義：標準態(tài)下，由最穩(wěn)定的純態(tài)單質生由最穩(wěn)定的純態(tài)單質生 成單位物質的量的某物質的焓變成單位物質的量的某物質的焓變 (即恒壓反應熱即恒壓反應熱)。 符號：符號： fHm 單位：單位： kJmol-1 2. fHm代數值越小

21、代數值越小, 化合物越穩(wěn)定。化合物越穩(wěn)定。 3.必須注明溫度，若為必須注明溫度，若為298.15K時可省略。時可省略。 1.最穩(wěn)定純態(tài)單質最穩(wěn)定純態(tài)單質 fHm=0, 如如 fHm(石墨石墨)=0。 注意：注意： 高溫時分解高溫時分解-157.3CuO(s) 加熱不分解加熱不分解-635.09CaO(s) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 fHm/(kJmol-1)物質物質 標準摩爾反應焓變的計算標準摩爾反應焓變的計算 化學反應的標準摩爾反應焓變等于生成物化學反應的標準摩爾反應焓變等于生成物 的標準摩爾生成焓的總和減去反應物的標的標準摩爾生成焓的總和減去反應物的標 準摩爾生成焓的總和。準摩爾生成焓的總和。 化學反

22、應：化學反應：cC + dD = yY + zZ (任一物質均處于溫度任一物質均處于溫度T的標準態(tài)的標準態(tài)) rHm = y fHm(Y) + z fHm(Z) - c fHm(C) + d fHm(D) rHm =i fHm (生成物生成物)+i fHm (反應反應物物) 計算時計算時,注意系數和正負號注意系數和正負號 計算時計算時,注意系數和正負號注意系數和正負號 計算恒壓反應計算恒壓反應: 4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)的的 rHm 例例1 解：解： 4NH3(g)+5O2 4NO+6H2O(g) fHm/kJmol-1 -46.11 0 90.25 -241

23、.82 rHm = 4 fHm(NO,g) + 6 fHm(H2O,g) - 4 fHm(NH3,g) + 5 fHm(O2,g) =4(90.25)+6(-241.82)-4(-46.11)kJmol-1 = -905.48kJmol-1 ( rHm)3=2( rHm)2=-22.6 kJmol-1 反應反應 rHm/kJmol-1序號序號 2Cu2O(s)+O2(g) 4CuO(s)-292 CuO(s)+Cu(s) Cu2O(s)-11.3 計算計算 fHm(CuO,s)。 例例2 解解:(2)式式2=3式式 2CuO(s)+2Cu(s)2Cu2O(s) (3)式式+(1)式式=4式式

24、2Cu(s)+O2(g)2CuO(s) ( rHm)4=( rHm)3+( rHm)1 =-314.6 kJmol-1 2 2 ( rHm)4 -314.6 kJmol-1 fHm(CuO,s)= = =-157.3kJmol-1 1-1-1 相對原子質量和相對分子質量相對原子質量和相對分子質量 1-1-1 相對原子質量和相對分子質量相對原子質量和相對分子質量 具有確定質子數和中子數的一類單具有確定質子數和中子數的一類單 核粒子稱為核粒子稱為核素核素。 元素元素是具有相同質子數的一類單核是具有相同質子數的一類單核 粒子的總稱。粒子的總稱。 質子數相等而中子數不等的同一元質子數相等而中子數不等的

25、同一元 素的一些原子品種互稱為素的一些原子品種互稱為同位素同位素。 自然界中氧就有三種同位素自然界中氧就有三種同位素: : 16O 17O 18O 含量含量/% 99.759 0.037 0.204 碳有兩種同位素：碳有兩種同位素： 12C 13C 相對含量相對含量/% /% 98.892 1.10898.892 1.108 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 實際工作中實際工作中，當壓力不太高當壓力不太高、溫度不溫度不 太低的情況下太低的情況下，氣體分子間的距離大氣體分子間的距離大， 分子本身的體積和分子間的作用力均分子本身的體積和分子間的作用力均 可忽略，氣體的壓力、體積、溫度以可忽略，氣體

26、的壓力、體積、溫度以 及物質的量之間的關系可近似地用理及物質的量之間的關系可近似地用理 想氣體狀態(tài)方程來描述。想氣體狀態(tài)方程來描述。 反應進度反應進度 nB =B 即任一化學反應各反應物及產物的改即任一化學反應各反應物及產物的改 變量變量(nB)均與反應進度均與反應進度()及各自的及各自的 計量系數計量系數(B)有關。有關。 對產物對產物B 若若00、nB(0)0 則則 nB B 例例 反應：反應：N2 + 3H2 = 2NH3 N2、H2、NH3的化學計量數的化學計量數 (N2) = -1、(H2) = -3、(NH3) = 2 當當0 00 0時時, ,若有足夠量的若有足夠量的N N2 2和和H H2 2、n n(NH(NH3 3) )0 0 根據根據 n nB B B B、 n nB B/ /B B n(N2)/mol n(H2)/mol n(NH3)/mol/mol 0000 - -1 -1-321 -2-642 1 2 1 2 3 2 1-3 體系和環(huán)境體系和環(huán)境 體系體系: 所需研究的那部分物質或空間。所需研究的那部分物質或空間。 環(huán)境環(huán)境: 體系之外與體系有一定聯(lián)系的體系之外與體系有一定聯(lián)系的 其它物質或空間。其它物質或空間。 體系體系環(huán)境環(huán)境 物質物質 能量能