第一章物質(zhì)及其變化

1、第一章 物質(zhì)及其變化第一節(jié) 物質(zhì)的聚集狀態(tài)第二節(jié) 化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系和能量關(guān)系習(xí)題習(xí)題參考答案本章重點(diǎn)本章重點(diǎn) v1.氣體的性質(zhì)；v2.理想氣體狀態(tài)方程；v3.分壓定律； v4.質(zhì)量守恒定律與能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。本章難點(diǎn)本章難點(diǎn)v1.分壓定律；v2.焓變；v3.熱化學(xué)方程式。第一節(jié)第一節(jié) 物質(zhì)的聚集狀態(tài)物質(zhì)的聚集狀態(tài)物質(zhì)總是以一定的聚集狀態(tài)存在。常溫、常壓下，通常物質(zhì)有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種存在形式，在一定條件下這三種狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)變。此外，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)物質(zhì)還有第四種存在形式等離子體狀態(tài)。 1-11-1氣體氣體氣體的基本特征：擴(kuò)散性和可壓縮性，其存在狀態(tài)幾乎與組成無關(guān)，主要決定于V、P、T、n四個(gè)

2、因素。理想氣體的物理模型：理想氣體分子之間沒有相互作用力，分子本身也只是一個(gè)幾何點(diǎn)，只有位置而不占體積。 人們將符合理想氣體狀態(tài)方程式的氣體，稱為理想氣體。 在溫度不太低，壓力不太高的真實(shí)氣體接近理想氣體。 1、理想氣體狀態(tài)方程式： pV=nRTp氣體壓力，單位為Pa(帕)；V氣體體積，單位為m3(立方米)；n氣體物質(zhì)的量，單位為mol(摩)；T氣體的熱力學(xué)溫度，單位為K(開)；R摩爾氣體常數(shù)，又稱氣體常數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（T= 273.15K，p=101.325 kPa）下，測(cè)得1.000mol氣體所占的體積為22.41410-3m3，則：R=pV/nT=101.325103Pa22.41410-

3、3 m/31.000mol273.15K=8.314Nmmol-1K-1（或8.314牛米摩-1開-1)=8.314 Jmol-1K-1(或8.314焦摩-1開-1)理想氣體狀態(tài)方程式的應(yīng)用（1） 計(jì)算p，V，T，n四個(gè)物理量之一。 應(yīng)用范圍： 溫度不太低，壓力不太高的真實(shí)氣體。pV = nRT（2）氣體摩爾質(zhì)量的計(jì)算M = Mr gmol-1pVmRTMRTMmpVnRTpVMmn（3）氣體密度的計(jì)算 =RTpMpVmRTM = m / VpRTM有關(guān)氣體體積的化學(xué)計(jì)算例:為了行車的安全，可在汽車中裝備上空氣袋，防止碰撞時(shí)司機(jī)受到傷害。這種空氣袋是用氮?dú)獬涿浧饋淼?，所用的氮?dú)馐怯莎B氮化鈉與三

4、氧化二鐵在火花的引發(fā)下反應(yīng)生成的。 總反應(yīng)是：6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)在25。748mmHg下，要產(chǎn)生75.0L的N2，計(jì)算需要疊氮化鈉的質(zhì)量。解：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式所顯示出的n（NaN3）與n（N2）的數(shù)量關(guān)系，可以進(jìn)一步確定在給定條件下，m（NaN3）與V（N2）的關(guān)系。6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)6mol9molMr(NaN3)=65.01 P=748mmHg=99.73kPa T=298Km(NaN3)=390.06g V(N2)=223.6Lm(NaN3)=？ V(N2)=75.0Lm(N

5、aN3)= =131g1KPa=7.5mmHg L6223L075g06390.組分氣體：理想氣體混合物中每一種氣體叫做組分氣體。分壓：組分氣體B在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓力，叫做組分氣體B的分壓。VRTnpBB2 分壓定律分壓定律： 混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體分壓之和。 p = p1 + p2 + 或 p = pB VnRTp ,2211VRTnpVRTnpVRTnnVRTnVRTnp2121 n =n1+ n2+ 分壓的求解：x B B的摩爾分?jǐn)?shù)VRTnpBBpxpnnpxnnppBBBBBBVnRTp 例題 某容器中含有NH3、O2 、N2等氣體的混合物。

6、取樣分析后，其中n（NH3）=0.320mol，n（O2）=0.180mol，n（N2）=0.700mol?；旌蠚怏w的總壓p=133.0kPa。試計(jì)算各組分氣體的分壓。解：n= n（NH3）+n（O2）+n（N2） =0.320mol+0.180mol+0.700mol =1.200mol 35.5kPakPa0.133200.1320.0NH)NH(33pnnpp(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa20.0kPakPa5 .35320. 0180. 0OO22pnnp 分壓定律的應(yīng)用 例題: 可以用亞硝酸銨受熱分解的方法

7、制取純氮?dú)狻７磻?yīng)如下： NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g)如果在19、97.8kPa下，以排水集氣法在水面上收集到的氮?dú)怏w積為4.16L，計(jì)算消耗掉的亞硝酸銨的質(zhì)量。解： T=（273+19）K=292K p=97.8kPa V=4.16L292K 時(shí)，p（H2O）=2.20kPaMr (NH4NO2)=64.04n(N2)=0.164molNH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g)64.04g 1molm(NH4NO2)=? 0.164mol m(NH4NO2)= =10.5gK292molKJ31484.16L)kPa202897(1 -1 -.mol1mol164

8、. 0g04.643 分體積定律分體積: 混合氣體中某一組分B的分體積VB是該組份單獨(dú)存在并具有與混合氣體相同溫度和壓力時(shí)所占有的體積。混合氣體的總體積等于各混合氣體的總體積等于各組分氣體的分體積之和：組分氣體的分體積之和： V V總總= =V VA A+ +V VB B+ +V VC C+ V = V1 + V2 + pRTnVBBBBVV或pnRTV pRTnnpRTnpRTnV2121 稱為B的體積分?jǐn)?shù)BBBnnVVppVVxppBBBBBBB例題 氧是人類維持生命的必需氣體，缺氧生命就會(huì)死亡，過剩的氧會(huì)使人致病，只有在氧氣的分壓維持21kPa才能使人體維持正常代謝過程。在潛水員自身攜帶

9、的水下呼吸器中充有氧氣和氦氣（He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得氣栓病） 某潛水員潛至海水30m處作業(yè)，海水的密度為1.03gcm-3，溫度為20。在這種條件下，若維持O2、He混合氣中p(O2)=21kPa氧氣的體積分?jǐn)?shù)為多少？以1.000L混合氣體為基準(zhǔn)，計(jì)算氧氣的分體積和氮的質(zhì)量。（重力加速度取9.807m/s2）解：T=（273+20）K=293K海水深30m處的壓力是由30m高的海水和海面的 大 氣 共 同 產(chǎn) 生 。 海 面 上 的 空 氣 壓 力 為760mmHg，則p=g hw+ kPa101mmg760mmHg760=9.807 m/s2 1.03103kgcm

10、-330m+101kPa=3.03103 kgcm-1 s-2 +101kPa =303kPa+101kPa =404kPa%2.5%10040421)O()O()O(kPa21)O(2222iixVVxVVpppg63. 0K293molKJ314. 8L)052. 0000. 1 (kPa404molg0026. 4)He()He(0026. 4)He(mL52L52. 0)O(111r2TRVPMmMV若混合氣體體積為1.000L時(shí)，v 液體液體 液體內(nèi)部分子之間的距離比氣體小得多，分子之間的作用力較強(qiáng)。液體具有流動(dòng)性，有一定的體積而無一定形狀。與氣體相比，液體的可壓縮性小得多。 蒸發(fā)蒸

11、發(fā) 液體表面某些運(yùn)動(dòng)速度較大的分子所具有的能量足以克服分子間的吸引力而逸出液面，成為氣態(tài)分子，這一過程叫做蒸發(fā)。 凝聚凝聚 氣態(tài)分子撞擊液體表面會(huì)重新返回液體，這個(gè)與液體蒸發(fā)現(xiàn)象相反的過程叫做凝聚。 v液體的蒸氣壓 飽和蒸氣:在恒定溫度下，與液體平衡的蒸氣稱為飽和蒸氣。 飽和蒸氣壓: 飽和蒸氣的在該溫度下所具有蒸氣壓，簡(jiǎn)稱蒸氣壓。 蒸氣壓是物質(zhì)的一種特性，常用于表征液態(tài)分子在一定溫度下蒸發(fā)成氣態(tài)分子的傾向大小。在某溫度下，蒸氣壓大的物質(zhì)為易揮發(fā)物質(zhì)，蒸氣壓小物質(zhì)為難揮發(fā)物質(zhì)。液體的沸點(diǎn)液體的沸點(diǎn)沸點(diǎn)沸點(diǎn) 液體的蒸氣壓等于外界壓力時(shí)的溫度即為液體的沸點(diǎn)。正常沸點(diǎn)正常沸點(diǎn) 如果外界壓力為101.3

12、25 kPa時(shí)的沸點(diǎn)就叫正常沸點(diǎn)。蒸汽壓與溫度的關(guān)系蒸汽壓與溫度的關(guān)系 液體的沸點(diǎn)隨外界壓力而變化。若降低液面上的壓力，液體的沸點(diǎn)就會(huì)降低。在海拔高的地方大氣壓力低，水的沸點(diǎn)不到100，食品難煮熟。 v 固體：分為晶體和非晶體固體：分為晶體和非晶體| 晶體有一定的幾何外形 | 有固定的熔點(diǎn) v 各向異性各向異性 晶體的某些性質(zhì)具有方向性，像導(dǎo)性、傳熱性、光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等，在晶體的不同方向表現(xiàn)出明顯的差別。例如，石墨晶體是層狀結(jié)構(gòu)，在平行各層的方向上其導(dǎo)電、傳熱性好，易滑動(dòng)。又如，云母沿著某一平面的方向很容易裂成薄片。 鉛筆寫字鉛筆寫字v 等離子體等離子體等離子體等離子體 是物質(zhì)的另一種存在

13、形式。當(dāng)氣態(tài)物質(zhì)接受足夠高的能量(如強(qiáng)熱、輻射、放電等)時(shí)，氣體分子將分解成原子，原子進(jìn)一步電離成自由電子和正離子，它們的電荷相反而數(shù)量相等，當(dāng)氣體中有足夠數(shù)量的原子電離時(shí)，將轉(zhuǎn)化為新的物態(tài)等離子體，有人稱它為物質(zhì)的第四態(tài)。 等離子體實(shí)際上是高度電離的氣體。化學(xué)熱力學(xué)主要是從宏觀的角度研究化學(xué)反應(yīng)化學(xué)熱力學(xué)主要是從宏觀的角度研究化學(xué)反應(yīng)的能量變化，研究化學(xué)反應(yīng)的方向，可能性等問題。的能量變化，研究化學(xué)反應(yīng)的方向，可能性等問題。其不僅可以用來分析各種無機(jī)化合物的物理化學(xué)性其不僅可以用來分析各種無機(jī)化合物的物理化學(xué)性質(zhì)，而且也能闡明無機(jī)化學(xué)中與化學(xué)反應(yīng)速度有關(guān)質(zhì)，而且也能闡明無機(jī)化學(xué)中與化學(xué)反應(yīng)速

14、度有關(guān)的許多平衡問題。的許多平衡問題。第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系和能量關(guān)系化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系和能量關(guān)系v 質(zhì)量守恒定律 參與化學(xué)反應(yīng)前各種物質(zhì)的總質(zhì)量等于反應(yīng)后全部生成物的總質(zhì)量，這是化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)基本定律質(zhì)量守恒定律。v 反應(yīng)熱效應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng) 焓變焓變v 反應(yīng)的熱效應(yīng)反應(yīng)的熱效應(yīng) 若化學(xué)反應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)不作非體積功如電功、機(jī)械功、聲功等，且反應(yīng)終了(終態(tài))與反應(yīng)初始(始態(tài))時(shí)的溫度相同，則系統(tǒng)吸收或放出的熱量稱作該反應(yīng)的熱效應(yīng)。 恒容熱效應(yīng)恒容熱效應(yīng): :恒溫恒容且只做體積功時(shí)反應(yīng)吸收或恒溫恒容且只做體積功時(shí)反應(yīng)吸收或放出的熱量。放出的熱量。 QQV V=U U2 2- -U U1 1

15、=U U 恒壓熱效應(yīng)恒壓熱效應(yīng): :恒溫恒壓且只做體積功時(shí)反應(yīng)吸收或恒溫恒壓且只做體積功時(shí)反應(yīng)吸收或放出的熱量。放出的熱量。 QQp p=H H生成物生成物- -H H反應(yīng)物反應(yīng)物=H H放熱反應(yīng) H0 若生成物的焓小于反應(yīng)物的焓，則反應(yīng)過程中多余的焓將以熱量形式放出，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。吸熱反應(yīng) H0 若生成物的焓大于反應(yīng)物的焓，則反應(yīng)過程中要吸收熱量，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。熱化學(xué)方程熱化學(xué)方程式式 表示化學(xué)反應(yīng)及其熱效應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式，表示化學(xué)反應(yīng)及其熱效應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式，稱為稱為熱化學(xué)方程式熱化學(xué)方程式。它的書寫一般是在配平的化。它的書寫一般是在配平的化學(xué)方程式學(xué)方程式 右面加上反應(yīng)的熱效

16、應(yīng)。右面加上反應(yīng)的熱效應(yīng)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：2H2(g)+O2(g) 2H2O(g)(298.15K) = -483.64kJmol-1rHm液、固體：液、固體：T，p 下，純物質(zhì)下，純物質(zhì)溶液：溶質(zhì)溶液：溶質(zhì)B，cB=c =1molL-1氣體：氣體：T，p = p =100KPa2H2(g)+O2(g) 2H2O(g)(298.15K) = -483.64kJmol-1rHm 聚集狀態(tài)不同時(shí)，聚集狀態(tài)不同時(shí)， 不同。不同。rHm2H2(g)+O2(g) 2H2O(l)(298.15K) = -571.66kJmol-1rHm 化學(xué)計(jì)量數(shù)不同時(shí)，化學(xué)計(jì)量數(shù)不同時(shí)， 不同。不同。rHm(298

17、.15K) = -241.82kJmol-1rHmH2(g)+ O2(g) H2O(g)21END (4)正逆反應(yīng)的熱效應(yīng)數(shù)值相同，符號(hào)相反。正逆反應(yīng)的熱效應(yīng)數(shù)值相同，符號(hào)相反。書寫方法：書寫方法：要注明反應(yīng)條件要注明反應(yīng)條件:溫度、壓力。溫度、壓力。(2)注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)和晶形注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)和晶形(g,l,s,aq等等)。(3)方程式中系數(shù)只表示計(jì)量數(shù)，可整數(shù)、分?jǐn)?shù)。方程式中系數(shù)只表示計(jì)量數(shù)，可整數(shù)、分?jǐn)?shù)。 計(jì)量數(shù)不同時(shí)，反應(yīng)熱不同。計(jì)量數(shù)不同時(shí)，反應(yīng)熱不同。C(石墨石墨) O2(g) CO2(g)C(金剛石金剛石) O2(g) CO2(g)rHm= -393.5 kJmol-1rHm

18、= -395.4 kJmol-1v 熱化學(xué)定律熱化學(xué)定律黑斯定律內(nèi)容：(1) 在相同條件下，正反應(yīng)與逆反應(yīng)的H數(shù)值相等，符號(hào)相反。(2) 一個(gè)反應(yīng)若能分成兩步或多步實(shí)現(xiàn)，則總反應(yīng)的H等于各步反應(yīng)H之和。即，化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)只與反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無關(guān)。 Hess定律定律始態(tài)始態(tài)終態(tài)終態(tài)中間態(tài)中間態(tài) 化學(xué)反應(yīng)不管是一步完成還是分幾步完化學(xué)反應(yīng)不管是一步完成還是分幾步完成，其反應(yīng)熱總是相同的。成，其反應(yīng)熱總是相同的。rHmrHm,1rHm,2rHm,1rHm,2rHm+=或或rHm=rHm,i 間接計(jì)算求得一些無法直接測(cè)定的反應(yīng)的熱效應(yīng)。黑斯定律的應(yīng)用例：例：已知已知298.15K

19、下，反應(yīng)：下，反應(yīng)：應(yīng)用：應(yīng)用：1.利用方程式組合計(jì)算利用方程式組合計(jì)算rHm)(gCO (g)OC(s)(1)22 (1) = -393.5kJmol-1rHm(g)CO (g)OCO(g)(2)2221 (2) = -283.0kJmol-1rHmrHm求：求：C(石墨石墨) O2(g) CO(g)的的21解：解：利用利用Hess定律定律)(gOC(s)2)g(CO)g(O221 gCO2途徑途徑1途徑途徑2解法二：解法二：(1)rHm(3)rHm(2)rHm=+(1)rHm(2)rHm(3)rHm- -=(1)rHm(2)rHm(3)rHm= -110.53kJmol-1(g)CO(g)OC(s)22 222)(gCO(g)OCO(g)1 1CO(g)(g