能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)

1、能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)大學(xué)化學(xué)能源與化工系 尹輝斌）為什么要學(xué)大學(xué)化學(xué)？化 學(xué)：在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用及物質(zhì)相互之間轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科之一各門(mén)學(xué)科相互滲透：化學(xué)與材料、環(huán)境、能源、核科學(xué)等學(xué)科有著緊密聯(lián)系，相互協(xié)作、交叉、融合產(chǎn)生了許多新學(xué)科和交叉學(xué)科，化學(xué)已成為其中的重要組成部分一門(mén)中心的、實(shí)用的和創(chuàng)造性的學(xué)科如何學(xué)？ 結(jié)合專(zhuān)業(yè)背景知識(shí) 課前預(yù)習(xí) 完成作業(yè) 考勤制度學(xué)什么？ 化學(xué)熱力學(xué) 化學(xué)動(dòng)力學(xué) 物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論第一章 物質(zhì)的聚集狀態(tài) 氣 體 液 體 溶 液 等離子態(tài)第1章 物質(zhì)的聚集狀態(tài) 物質(zhì)由分子組成，在通常情況下，物質(zhì)呈

2、固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。固體：有一定的體積和一定的形狀。液體：有一定的體積氣體：沒(méi)有固定的體積和形狀。組成物質(zhì)的分子在不停地運(yùn)動(dòng)，并且分子間存在著相互作用力(引力和斥力)。固體內(nèi)部粒子的相互作用力最強(qiáng)，液體次之，氣體最弱。第1章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)溫度升高時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇。物質(zhì)的宏觀狀態(tài)就可能發(fā)生變化，由一種聚集狀態(tài)變?yōu)榱硪环N聚集態(tài)。 例如： 冰水熔化 （固態(tài)） （液態(tài)） 加熱 水汽氣化 （液態(tài)） （氣態(tài)） 加熱 第1章 物質(zhì)的聚集狀態(tài) 當(dāng)溫度足夠高時(shí)，外界提供的能量足以破壞分子中的原子核和電子的結(jié)合，氣體就電離成自由電子和正離子，即形成物質(zhì)的第四態(tài) 等離子態(tài)。 宇宙中大部分發(fā)光的星球上的物質(zhì)差不多都

3、處于等離子態(tài)。日光燈和霓虹燈燈管里也存在等離子態(tài)。 氣體、液體和等離子態(tài)都可在外力場(chǎng)作用下流動(dòng)，所以也統(tǒng)稱(chēng)為流體。 1.1 氣 體1.1.1 低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律 1.1.2 理想氣體的狀態(tài)方程式 1.1.3 分壓定律和分體積定律 1.1.4 氣體分子運(yùn)動(dòng)論 1.1.5 實(shí)際氣體 1.1.6 氣體的液化 氣體的基本特性是它的擴(kuò)散性和壓縮性。通常說(shuō)的氣體的體積一般是指其所在容積的體積。 在高中，我們學(xué)過(guò)，氣體的體積與什么量有關(guān)？ 氣體的狀態(tài)方程：反映n、p、V、T這四者關(guān)系的式子。壓力、溫度、物質(zhì)的量氣體的基本特性1.1.1 低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律1玻義爾定律英國(guó)科學(xué)家玻義爾實(shí)驗(yàn)，在U形管中加入汞，增

4、大對(duì)封閉氣體的壓力，隨壓力增大，封閉氣體體積縮小。1.1.1 低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律1662年玻義爾根據(jù)實(shí)驗(yàn)指出：在一定溫度下，一定量氣體的體積與其壓力的乘積為一常數(shù)。大多數(shù)氣體只是在低壓下才能服從波義爾定律，壓力愈高，偏差愈大?；颍?.1.1 低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律 2蓋呂薩克定律 1787年，蓋呂薩克發(fā)現(xiàn)：一定量的氣體在壓力一定時(shí)，溫度每升高1，其體積便增加它在0時(shí)體積的1/273.15 。T是熱力學(xué)溫度，單位為開(kāi)爾文，符號(hào)為K。定義：氣體只有在低壓下才服從蓋呂薩克定律。蓋呂薩克(法)1.1.2 理想氣體的狀態(tài)方程式 理想氣體的模型：分子間沒(méi)有作用力，分子本身沒(méi)有體積的一種氣體。 低壓、高溫下的氣

5、體可近似地看作是理想氣體。在壓力趨于零時(shí)，所有的實(shí)際氣體都可視作理想氣體。 理想氣體是嚴(yán)格遵守波義爾定律和蓋呂薩克定律的，將這兩個(gè)定律結(jié)合起來(lái)就得到了理想氣體狀態(tài)方程。理想氣體方程p1 V1 T1一定量氣體由p1 V1 T1變?yōu)閜2 V2 T2p2 V2 T2p2 V T11.玻義爾定律 2.蓋呂薩克定律 12兩個(gè)定律結(jié)合 理想氣體狀態(tài)方程p：氣體的壓力，單位是Pa（帕斯卡）V：氣體體積，單位是m3T：熱力學(xué)溫度，單位是K（開(kāi)爾文）n：氣體物質(zhì)的量，單位是mol（摩爾）R：氣體常數(shù)理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程則可表示為： 定義摩爾體積（一摩爾物質(zhì)的體積）：摩爾體積的單位：氣體常數(shù)的確定在2

6、73.15K時(shí)，測(cè)量一定量的不同氣體的壓力、體積，做p-pVm圖，將直線外推，發(fā)現(xiàn)不論何種氣體，都有氣體常數(shù) 1.1.3 分壓定律和分體積定律1道爾頓分壓定律 設(shè)在一體積為V的容器中，充有溫度為T(mén)的k種互不反應(yīng)的理想氣體，氣體的總壓力為p?；旌蠚怏w總的物質(zhì)的量為：各組分的物質(zhì)的量分別為：因?yàn)楦鹘M分均是理想氣體，所以總壓p：道爾頓分壓定律定義氣體B的分壓 氣體的分壓:單一氣體與混合氣體溫度相同并單獨(dú)占有總體積V時(shí)所表現(xiàn)的壓力。n1、 n2、 n3 nkT、p、V混合理想氣體nBT、pB、V單一氣體B 道爾頓分壓定律 道爾頓分壓定律：在溫度與體積一定時(shí)，混合氣體的總壓p等于各組分氣體的分壓pB之和

7、。則分壓定律定義B物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)： 分壓定義： 顯然： 氣體B的分壓與總壓之比： 2. 阿馬格分體積定律設(shè)有k種理想氣體混合，總體積為V，總壓力為p： 組分B的分體積是指該氣體單獨(dú)存在并與混合氣體溫度、壓力相同時(shí)所占有的體積。nA、 nB、 nC nkT、p、V混合理想氣體nBT、p、VB單一氣體B分體積 2. 阿馬格分體積定律阿馬格分體積定律：在溫度與壓力一定時(shí)，混合氣體的總體積V等于各組分氣體的分體積VB之和。體積分?jǐn)?shù)：分體積定律 因?yàn)?分體積定律 體積分?jǐn)?shù)jB等于摩爾分?jǐn)?shù)xB 1.1.4 氣體分子運(yùn)動(dòng)論分子運(yùn)動(dòng)論的基本論點(diǎn)是：（1）氣體是由不停頓地作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子所組成。分子本身的體積

8、與氣體所占有的體積相比可以忽略。（2）分子間的相互作用力很小，可以忽略。（3）分子彼此間以及分子與器壁間的碰撞是完全彈性的。碰撞只改變分子運(yùn)動(dòng)的方向，而不改變分子運(yùn)動(dòng)的速度。分子與器壁間的碰撞產(chǎn)生壓力。（4）氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能與氣體的絕對(duì)溫度成正比。一摩爾氣體分子的平均平動(dòng)動(dòng)能為：1.1.5 實(shí)際氣體式中a和b都是與物質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。a與分子間的吸引力大小有關(guān)，越容易液化的氣體，氣體分子間的引力越大，a越大；b與分子本身的體積有關(guān)，分子體積越大，b越大?；蚍兜氯A方程范德華，荷蘭1.1.6 氣體的液化降低溫度或同時(shí)增加壓力，氣體液化。在液化過(guò)程等溫線分三段，在水平線段上氣液兩相平衡，所對(duì)應(yīng)

9、的壓力就是該溫度下液態(tài)CO2的飽和蒸氣壓。CO2氣體的等溫壓縮曲線圖1.1.6 氣體的液化溫度越高，水平線段越短，在304.21時(shí)，水平線段縮于一點(diǎn)，高于304.21無(wú)論施加多大壓力，都不會(huì)液化， 304.21稱(chēng)臨界溫度。 CO2臨界點(diǎn)CCO2氣體的等溫壓縮曲線圖1.2 液 體1.2.1 液體的蒸氣壓 1.2.2 液體的沸騰 1.2.3 液 晶 1.2.1 液體的蒸氣壓在液體中，靠近液面的具有高能量的分子克服了周?chē)肿訉?duì)它的引力，逸出液面而氣化。這種液體表面氣化現(xiàn)象叫蒸發(fā)，在液面上的氣態(tài)分子叫蒸氣。高能量分子的逸出使液體中剩余分子的平均動(dòng)能降低，從而使液體的溫度降低。如果周?chē)h(huán)境及時(shí)向液體輸入

10、熱量使該液體的溫度保持恒定，高能量分子的比數(shù)得以恢復(fù)，那么蒸發(fā)過(guò)程就可以繼續(xù)進(jìn)行直到液體全部蒸發(fā)完畢。1.2.1 液體的蒸氣壓液體蒸氣蒸發(fā)凝結(jié) 若將液體裝在密閉的容器中，在恒定溫度下，液體蒸發(fā)出一部分分子成為蒸氣，但蒸氣分子在相互碰撞過(guò)程中又可能重新回到液面，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)凝結(jié)。當(dāng)蒸發(fā)速度與凝結(jié)速度相等時(shí)，體系達(dá)到氣液二相平衡：1.2.1 液體的蒸氣壓在一定溫度下液體與其蒸氣處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的氣體稱(chēng)為飽和蒸氣，它的壓力稱(chēng)飽和蒸氣壓，簡(jiǎn)稱(chēng)蒸氣壓。因?yàn)檎舭l(fā)是吸熱過(guò)程，所以升高溫度有利于液體的蒸發(fā)，即蒸氣壓隨溫度的升高而變大。相對(duì)濕度 空氣中的水蒸氣分壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓的百分比。1.2.2 液體的

11、沸騰當(dāng)液體飽和蒸氣壓與外界壓力相等時(shí)，在整個(gè)液體中(包括內(nèi)部和表面)發(fā)生激烈的汽化過(guò)程稱(chēng)沸騰。 液體飽和蒸氣壓與外界壓力相等時(shí)的溫度稱(chēng)沸點(diǎn)。當(dāng)外壓等于101.325kPa時(shí)液體的沸騰溫度稱(chēng)作液體的正常沸點(diǎn)，簡(jiǎn)稱(chēng)沸點(diǎn)。 沸騰與蒸發(fā)的區(qū)別：沸騰只能在沸點(diǎn)溫度進(jìn)行，氣化在整個(gè)液體中進(jìn)行，發(fā)生氣泡。蒸發(fā)是在低于沸點(diǎn)溫度下的氣化，僅限于在液體表面上進(jìn)行，不會(huì)發(fā)生氣泡。不同壓力時(shí)水的沸騰溫度1501201009080tb / 475.72198.48101.32570.11747.373p / kPa 液體的沸點(diǎn)與外界壓力有關(guān)，外壓增大，沸點(diǎn)升高，外壓減小，沸點(diǎn)降低。水的蒸氣壓曲線 減 壓 蒸 餾 利用液

12、體沸點(diǎn)隨外界氣壓變化的性質(zhì)，對(duì)于高沸點(diǎn)或加熱易分解的物質(zhì)，可以采用減壓蒸餾的方法實(shí)現(xiàn)分離和提純，因?yàn)樵跍p壓時(shí)可以降低液體的沸點(diǎn)。例如對(duì)食品減壓快速脫水保存，可以避免食品受熱變質(zhì)和脫色。 有些固態(tài)的有機(jī)化合物加熱后，并不直接熔化為液態(tài)，而是在一定的溫度范圍內(nèi)處于一種中間狀態(tài)，一方面具有液體的流動(dòng)性和連續(xù)性，另一方面它又像晶體一樣，具有各向異性。這種具有晶體性質(zhì)(各向異性)的液體稱(chēng)為液晶1.2.3 液 晶晶體：具有一定的熔點(diǎn)，溫度低于熔點(diǎn)，物質(zhì)呈固態(tài)，此時(shí)具有各向異性的物理性質(zhì)；溫度高于熔點(diǎn)時(shí)，物質(zhì)呈液態(tài)，具有流動(dòng)性及各向同性。液晶的分類(lèi)：根據(jù)形成條件 熱致液晶：由溫度引起的，并且液晶相只能在一定

13、的溫度范圍內(nèi)存在，一般是單一組分，如膽甾醇苯甲酸酯 溶致液晶：由符合一定結(jié)構(gòu)要求的化合物與溶劑組成的液晶體系，它由兩種或兩種以上的化合物組成，一種是水(或其它極性溶劑)，另一種是分子中包含極性的親水基團(tuán)和非極性的親油基團(tuán)(疏水基團(tuán))，即所謂的雙親分子。例如，肥皂濃溶液、合成表面活性劑的濃溶液中都發(fā)現(xiàn)有溶致液晶 1887年首次發(fā)現(xiàn)液晶 20世紀(jì)70年代深入了解其性質(zhì) 液晶對(duì)光、電、磁及熱都極為敏感、只要極低的能量，就可以引起液晶分子排列順序的變化，從而產(chǎn)生光電、電光、熱光等一系列物理效應(yīng)，利用這些效應(yīng)就能設(shè)計(jì)出各種顯示器 近年來(lái)發(fā)現(xiàn)生命過(guò)程、人體組織、疾病、衰老道程及生物膜的功能和結(jié)構(gòu)都與溶致液

14、晶有密切關(guān)系液晶的歷史與應(yīng)用1.3 溶 液1.3.1 溶液濃度表示法1.3.2 拉烏爾定律與亨利定律1.3.3 非電解質(zhì)稀溶液的依數(shù)性1.3 溶 液一種物質(zhì)以分子或離子的狀態(tài)均勻地分布在另一種物質(zhì)中形成均勻的分散系統(tǒng)，稱(chēng)之為溶液。溶液=溶劑+溶質(zhì) 溶質(zhì) 電解質(zhì)溶質(zhì) 非電解質(zhì)溶質(zhì) 電解質(zhì)：在溶解或熔融狀態(tài)時(shí)可以導(dǎo)電的物質(zhì)。離子化合物都是電解質(zhì)，例如NaCl。 共價(jià)化合物，如乙醇。 1.3.1 溶液濃度表示法（1）物質(zhì)B的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（物質(zhì)B的摩爾分?jǐn)?shù)）：xB，顯然一般通式： 即溶液中各組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)之和恒等于1。 xB是一個(gè)量綱為1的純數(shù)。若某一溶液由A和B兩種物質(zhì)組成： 1.3.1 溶液濃

15、度表示法（2）物質(zhì)B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，符號(hào)為wB 。顯然溶液中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和也恒等于1，wB是量綱為1的純數(shù)。wB的意義：物質(zhì)B的質(zhì)量與溶液的質(zhì)量之比。1.3.1 溶液濃度表示法（3）物質(zhì)B的質(zhì)量摩爾濃度，符號(hào)為bB (或mB)式中nB是物質(zhì)B的物質(zhì)的量，mA是溶劑的質(zhì)量。bB的單位是用質(zhì)量摩爾濃度表示溶液的組成，其優(yōu)點(diǎn)在于可用準(zhǔn)確稱(chēng)量的方法來(lái)配制一定組成的溶液，且其濃度不隨溫度而改變。1.3.1 溶液濃度表示法（4）物質(zhì)B的物質(zhì)的量濃度（物質(zhì)B的濃度），符號(hào)為cB 。由于溶液的體積與溫度有關(guān)，所以物質(zhì)B的濃度值與溫度有關(guān)。式中nB是物質(zhì)B的物質(zhì)的量，V是溶液的體積。cB的SI單位是 實(shí)驗(yàn)室中

16、常用 1.3.2 拉烏爾定律與亨利定律拉烏爾定律：在一定溫度下，稀溶液中溶劑的蒸氣壓等于純?nèi)軇┑恼魵鈮撼艘匀軇┑哪柗謹(jǐn)?shù)。即溶劑蒸氣壓的降低值與純?nèi)軇┑恼魵鈮褐鹊扔谌苜|(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。所以拉烏爾定律適用：難揮發(fā)性的非電解質(zhì)溶質(zhì)稀溶液。 因?yàn)槔瓰鯛枺?.3.2 拉烏爾定律與亨利定律亨利定律：在一定溫度下，稀溶液中揮發(fā)性溶質(zhì)的平衡分壓與它在溶液中的濃度成正比，即kx稱(chēng)亨利常數(shù)，其數(shù)值取決于溫度、壓力及溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)(但壓力影響不大)。亨利定律還可表示成：三種亨利常數(shù)kx、kc、kb數(shù)值、單位都不同。應(yīng)用亨利定律時(shí)，必須注意溶質(zhì)在氣液兩相中的分子狀態(tài)必須相同。1.3.3 非電解質(zhì)稀溶液的依數(shù)性非電

17、解質(zhì)稀溶液有四個(gè)重要的性質(zhì)：蒸氣壓降低沸點(diǎn)上升凝固點(diǎn)下降滲透壓 這四個(gè)性質(zhì)，只決定于溶液中溶質(zhì)粒子的數(shù)目，與溶質(zhì)的本性無(wú)關(guān)，故稱(chēng)為非電解質(zhì)稀溶液的依數(shù)性。（1）蒸氣壓降低令 一定溫度下，溶液蒸氣壓的下降值Dp與溶液中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)成正比。拉烏爾定律 則 （2）沸點(diǎn)升高沸點(diǎn)是溶液的蒸氣壓等于外壓時(shí)的溫度。 若在溶劑中加入不揮發(fā)性物質(zhì)，溶液的蒸氣壓降低，只有加熱到更高溫度時(shí)，溶液才能沸騰，所以溶液的沸點(diǎn)總是比純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)高。 （2）沸點(diǎn)升高、分別為稀溶液和純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)。kb為沸點(diǎn)升高常數(shù)，僅與溶劑性質(zhì)有關(guān)。 稀溶液的沸點(diǎn)升高與溶液的濃度成正比，即（3）凝固點(diǎn)降低 當(dāng)溶劑不與溶質(zhì)生成固熔體時(shí)，固態(tài)純

18、溶劑與液態(tài)溶液平衡時(shí)的溫度就是溶液的凝固點(diǎn)。 當(dāng)固、液兩相平衡時(shí)固態(tài)純?nèi)軇┑恼魵鈮号c溶液的蒸氣壓相等。由于溶液的蒸氣壓低于液態(tài)純?nèi)軇┑恼魵鈮?，所以溶液的凝固點(diǎn)總是比純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)低。（3）凝固點(diǎn)降低Tf*、Tf分別為純?nèi)軇┖腿芤旱哪厅c(diǎn)kf為凝固點(diǎn)降低常數(shù)，僅與溶劑的性質(zhì)有關(guān)，與溶質(zhì)的種類(lèi)無(wú)關(guān)。 實(shí)驗(yàn)和理論都已證明稀溶液的凝固點(diǎn)降低與溶液的濃度成正比，即(4) 滲透壓溶劑分子通過(guò)半透膜的擴(kuò)散現(xiàn)象稱(chēng)為滲透。滲透作用達(dá)到平衡時(shí)，半透膜兩邊的靜壓力之差稱(chēng)為滲透壓。滲透壓也是阻止?jié)B透作用所施加于溶液的最小外壓。(4) 滲透壓范特霍夫（J.H.Vant Hoff）根據(jù)實(shí)驗(yàn)，提出形式與理想氣體狀態(tài)方程相似

19、的稀溶液滲透壓公式滲透壓是溶液依數(shù)性中最靈敏的一個(gè)性質(zhì)，因此常用滲透壓法確定大分子的相對(duì)分子質(zhì)量?；?.4 等離子體 隨著溫度的升高，物質(zhì)的狀態(tài)可由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，進(jìn)而變?yōu)闅鈶B(tài) 繼續(xù)升高溫度，氣態(tài)分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，原子會(huì)彼此分離，分子分裂成原子的過(guò)程稱(chēng)解離 若進(jìn)一步升高溫度，原子的外層電子便會(huì)擺脫原子核的束縛成為自由電子。失去電子的原子成為帶電的離子，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為電離 當(dāng)電離產(chǎn)生的帶電粒子數(shù)量很多時(shí)，電離的氣體行為將主要取決于離子和電子間的庫(kù)侖作用力而與普通氣體不同。這是物質(zhì)的第四種聚集狀態(tài)，稱(chēng)等離子態(tài) 除了加熱可以形成等離子體外，還可通過(guò)光激發(fā)、放電激發(fā)等方式產(chǎn)生等離子體 等離子

20、態(tài)是物質(zhì)的一種存在形式，太陽(yáng)就是一個(gè)灼熱的等離子體 人為發(fā)生的等離子體：如霓虹燈管中的輝光放電，管內(nèi)氣體形成等離子體等離子體的基本特性 電中性 不論氣體是部分電離還是完全電離，負(fù)電荷的總數(shù)總是等于正電荷的總數(shù) 導(dǎo)電性 等離子體中存在自由電子和帶正電荷的離子，具有很好的導(dǎo)電性 受電磁場(chǎng)影響性 等離子體是由帶電粒子組成的導(dǎo)電體，所以等離子體的運(yùn)動(dòng)明顯地受電磁場(chǎng)的影響和約束，可用電磁場(chǎng)控制其位置、形狀和運(yùn)動(dòng) 活潑的化學(xué)性質(zhì) 包含大量的具有高反應(yīng)活件的電子、離子、激發(fā)態(tài)原子、分子及自由基，易于參與化學(xué)反應(yīng)等離子體的宏觀溫度主要取決于等離子體中離子與中性粒子的溫度以日光燈管為例： 點(diǎn)亮后，管內(nèi)氣體放電形成的等離子體中的電子溫度可達(dá)104K以上，而正離子的溫度卻與室溫差不多，用手觸摸并不感到發(fā)熱離子溫度低于電子溫度的等離子體稱(chēng)低溫等離子體離子溫度與電子溫度幾乎相等的等離子體稱(chēng)高溫等離子體，溫度可達(dá)51032104K等離子體的應(yīng)用 受控核聚變 （高溫等離子體） 焊接、噴涂及新型電光源制造 （低溫等離子體） 化學(xué)反應(yīng) （低溫等離子