第一章+物質(zhì)的聚集狀態(tài)1

華偉明電話：65642409(內(nèi)線：22409)實驗室手機(jī)-mail:wmhua@辦公室：國權(quán)路579號催化樓301室/teacher.asp?tno=huaweiming普通化學(xué)

(GeneralChemistry)化學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)的一門物質(zhì)科學(xué)

化學(xué)反應(yīng)化學(xué)是一門研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化及其內(nèi)在聯(lián)系和外在變化條件的科學(xué)。一、什么是化學(xué)？緒論化學(xué)反應(yīng)的基本特點1)化學(xué)反應(yīng)是質(zhì)變----化學(xué)反應(yīng)是舊化學(xué)鍵斷裂和新化學(xué)鍵形成的過程，其實質(zhì)是化學(xué)鍵的重新組合。2)化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變----化學(xué)反應(yīng)涉及原子核外電子的重新組合，而原子核并不發(fā)生變化。因此在化學(xué)反應(yīng)前后，參與反應(yīng)的元素種類不會變化。由于原子核外電子的總數(shù)未變，所以化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的總質(zhì)量不變，即服從質(zhì)量守恒定律，而且參與反應(yīng)的各種物質(zhì)之間有確定的計量關(guān)系。3)化學(xué)變化伴隨著能量變化----由于各種化學(xué)鍵的鍵能不同，所以化學(xué)反應(yīng)過程中總是伴隨著能量的吸收和釋放?；瘜W(xué)在自然科學(xué)中的地位中心科學(xué)CentralScience

化學(xué)是一門中心科學(xué)，化學(xué)與生命、材料、信息等科學(xué)有非常密切的聯(lián)系，產(chǎn)生了許多重要的交叉學(xué)科?；瘜W(xué)也是一門社會迫切需要的中心科學(xué)，與我們的衣、食、住(建材、家具)、行(汽車、道路)都有非常緊密的聯(lián)系?；瘜W(xué)和自然科學(xué)其它領(lǐng)域的聯(lián)系自然科學(xué)中分子層次的基礎(chǔ)科學(xué)：

核心：物質(zhì)在分子和超分子層次的變化規(guī)律

功能：創(chuàng)造新物質(zhì)或者人工模仿自然界物質(zhì)，了解自然界的一系列變化規(guī)律

延伸：健康（生命現(xiàn)象的本質(zhì)：新藥物）能源（化學(xué)轉(zhuǎn)化、儲能、催化）環(huán)境（綠色化學(xué)、環(huán)境治理）材料（衣食住行...）信息

為了生存的需要，人們必須在有限的土地上生產(chǎn)出更多的糧食和農(nóng)產(chǎn)品，化學(xué)承擔(dān)著化肥和化學(xué)農(nóng)藥的重大責(zé)任化學(xué)是能源的開拓者。能源也是人類生存的必要條件之一，然而石油、煤和天然氣等化石能源日趨減少；開發(fā)新的能源（化學(xué)電源、生物質(zhì)能等）?；瘜W(xué)對人類社會作出了巨大貢獻(xiàn)化學(xué)是材料的研制者，每一種新材料的出現(xiàn)都將人類生活質(zhì)量推向一個新的臺階。60年代發(fā)明了聚合反應(yīng)的催化劑，人類就進(jìn)入了高分子時代。新的合成藥物層出不窮，大大提高了人類的平均壽命，從1900年的45歲到現(xiàn)在的將近80歲。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長，人類賴以生存的環(huán)境也在受到日益嚴(yán)重的污染?；瘜W(xué)是環(huán)境的保護(hù)者。石油：1.258萬億桶，可開采42年天然氣：185.02萬億立方米，可開采60年煤炭：8260億噸，可開采122年(集中分布在亞太地區(qū)和北美洲)BP《世界能源統(tǒng)計2009》世界化石能源我國化石能源石油：155億桶，僅占全球總量的1.2%天然氣：2.46萬億立方米，僅占全球總量的1.3%煤炭：1145億噸，占全球總量的13.9%GeorgeA.Olah,etal.,BeyondOilandGas:TheMethanolEconomy,

2006胡金波等譯,跨越油氣時代:甲醇經(jīng)濟(jì),

2007化學(xué)所涵蓋的內(nèi)容廣泛而豐富，它是主要從三個方面研究物質(zhì)的科學(xué)利用各種分析方法測定物質(zhì)由哪些原子以什么比例組成，原子間以什么作用力結(jié)合在一起，它們具有什么樣的空間排布用化學(xué)合成手段制造出各種組成和結(jié)構(gòu)的化合物和材料闡明并控制化學(xué)反應(yīng)的全過程化學(xué)是一級學(xué)科，其分支學(xué)科稱為二級學(xué)科。按研究對象或研究目的不同，可將化學(xué)分為：無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、物理化學(xué)、高分子化學(xué)、生物化學(xué)等二級學(xué)科。二級學(xué)科以下還可細(xì)分為三級學(xué)科，如：催化是物理化學(xué)的分支學(xué)科。二、化學(xué)的分支學(xué)科無機(jī)化學(xué)最古老的化學(xué)分支，早期的化學(xué)研究基本屬于無機(jī)化學(xué)范疇。是研究無機(jī)物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、互相轉(zhuǎn)變及應(yīng)用的科學(xué)隨著無機(jī)化學(xué)研究范圍不斷擴(kuò)展并與其他學(xué)科交叉、滲透，形成了元素化學(xué)、無機(jī)合成化學(xué)、配位化學(xué)、生物無機(jī)化學(xué)、無機(jī)固體化學(xué)、原子簇化合物化學(xué)、超分子化學(xué)等三級學(xué)科有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)化合物的來源、合成方法、組成、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用及有關(guān)理論的科學(xué)。復(fù)雜生命現(xiàn)象的研究對象主要是有機(jī)分子，因此有機(jī)化學(xué)的深入研究也為研究生物活性物質(zhì)與解決生命科學(xué)的課題提供必要的基礎(chǔ)與條件主要內(nèi)容包括：天然產(chǎn)物化學(xué)、有機(jī)合成化學(xué)、物理有機(jī)化學(xué)、元素有機(jī)化學(xué)、生物有機(jī)化學(xué)、染料化學(xué)等分析化學(xué)根據(jù)化學(xué)和物理學(xué)的原理，應(yīng)用各種方法和儀器，用以鑒別和測定物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、存在形式及有關(guān)組分的含量等的科學(xué)按任務(wù)可分為定性分析、定量分析和結(jié)構(gòu)分析；按分析方法可分為化學(xué)分析和儀器分析?，F(xiàn)代分析化學(xué)正向快速、準(zhǔn)確、靈敏、微量、微區(qū)、表面、自動化等方向發(fā)展。主要內(nèi)容包括：光譜分析、電化學(xué)分析、色譜分析、質(zhì)譜分析、核磁共振、表面分析、放射化學(xué)分析、單分子(原子)檢測、生化分析等物理化學(xué)以物理學(xué)的原理和實驗技術(shù)為基礎(chǔ)，研究化學(xué)變化基本規(guī)律的科學(xué)。是化學(xué)的基礎(chǔ)理論，涵蓋從微觀到宏觀對結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系、化學(xué)過程機(jī)理及其控制的研究主要內(nèi)容包括：化學(xué)熱力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、量子化學(xué)、電化學(xué)、催化化學(xué)、膠體化學(xué)、單分子科學(xué)等高分子化學(xué)是研究高分子化合物的分離、提取、結(jié)構(gòu)、性能、合成方法、成型加工等的科學(xué)主要內(nèi)容包括：高分子合成化學(xué)；高分子物理；功能高分子及器件；高分子加工與成型；高分子高級結(jié)構(gòu)、尺度與性能的關(guān)系；通用高分子材料等化學(xué)研究的六個發(fā)展趨勢

1、不同學(xué)科之間的交叉和融合

(1)生命科學(xué)中的基本化學(xué)問題

(2)材料科學(xué)中的基本化學(xué)問題

(3)可持續(xù)發(fā)展的基本化學(xué)問題（綠色化學(xué)、環(huán)

境化學(xué)、能源化學(xué)）

2、理論和實驗更加密切結(jié)合

3、更加重視尺度效應(yīng)（分子以上層次、尺度效應(yīng)和多

尺度問題）

4、合成化學(xué)的新方法

5、造成污染的傳統(tǒng)化學(xué)向綠色化學(xué)的轉(zhuǎn)變

6、新實驗方法的建立和方法學(xué)研究 三、化學(xué)的機(jī)會與挑戰(zhàn)新科技革命可能在六大領(lǐng)域首先突破基本科學(xué)問題：宇宙演化、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、意識本質(zhì)能源與資源信息網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)材料和制造農(nóng)業(yè)人口健康教材與參考書教材：《現(xiàn)代化學(xué)原理》（上、下冊）參考書：《普通化學(xué)原理(第3版)》，華彤文、陳景祖等編著，北京大學(xué)出版社課件PPT/portal

登錄普通化學(xué)A(上)–華偉明

資源作業(yè)成績評定課堂紀(jì)律四、課程內(nèi)容安排及其它《普通化學(xué)A(上)》的簡單介紹對化學(xué)的基本概念和原理作初步介紹，為深入學(xué)習(xí)其它化學(xué)課程打下良好基礎(chǔ)第1章物質(zhì)的聚集狀態(tài)（第2、9、10、21章）第2章原子的電子結(jié)構(gòu)（第18章）第3章化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)（第19、20章）第4章化學(xué)熱力學(xué)初步（第6、7章）《普通化學(xué)A(下)》第5章化學(xué)平衡通論（第11章）第6章化學(xué)動力學(xué)簡介（第16章）第7章酸堿平衡（第12章）第8章沉淀-溶解平衡（第13章）第9章配位化合物（第14章）第10章氧化還原反應(yīng)與電化學(xué)（第15章）第11章元素化學(xué)（第22、23、25章）第一章物質(zhì)的聚集狀態(tài)固體（Solid）液體（Liquid）氣體（Gas）三種物態(tài)之間可隨溫度或壓強(qiáng)變化而互相轉(zhuǎn)化物質(zhì)的聚集狀態(tài)（物質(zhì)的三態(tài)）第四態(tài)：等離子體（Plasma）。當(dāng)溫度足夠高，外界提供的能量打破了氣體分子中的原子核和電子的結(jié)合，氣體就電離成由自由電子和正離子組成的電離氣體，即等離子體。等離子體的意思是指其中粒子所帶的正、負(fù)電量是相等的。例：等離子電視。液體與固體之間的過渡狀態(tài)：液晶（Liquidcrystal）。液晶既具有液體的性質(zhì)（流動性），也具有晶體的性質(zhì)（光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)與液體不同，很象晶體，是各向異性）。例：液晶顯示器、液晶電視成份摩爾分?jǐn)?shù)成份摩爾分?jǐn)?shù)

N2

0.7808

N2O

510-7

O2

0.2095

Xe

8.710-8

Ar

0.00934

SO2

110-6

CO2

0.00033

O3

110-7

Ne

1.8210-5

NO2

210-8

He

5.2410-6

I2

110-8

CH4

210-6

NH3

110-8

Kr

1.1410-6

CO

110-8

H2

510-7

NO

110-8海平面上干燥空氣的組成

§1

氣體(Gases)氣體的特性：具有可擴(kuò)散性和可壓縮性無固定形狀密度很小可以任何比例混合不同的氣體化學(xué)性質(zhì)不同（H2、O2），但它們表現(xiàn)出來的宏觀性質(zhì)卻非常相似。P、V、n、T：氣體的四大宏觀性質(zhì)，也稱為氣體的狀態(tài)變量P壓強(qiáng)，V

體積，n化學(xué)量（物質(zhì)的量），T溫度任何一種物質(zhì)：V=f(T,P,n)對于液體和固體，該關(guān)系式非常復(fù)雜。但是不同的氣體在一定的條件下（高溫低壓）都符合同一個關(guān)系式§1.1理想氣體狀態(tài)方程(TheIdealGasEquation)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT

理想氣體：（a）氣體分子有質(zhì)量但沒有體積（b）氣體分子間沒有作用力真正的理想氣體是不存在的，但在高溫低壓條件下，實際氣體接近于理想氣體，為什么？波義耳定律（1662）：

一定溫度下，一定量氣體的體積與壓強(qiáng)成反比。其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為：PV=K(n,T)或V=

波

義

耳，

查理－蓋?呂薩克定律（1787）：一定壓強(qiáng)下，一定量氣體的體積與絕對溫度成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為：

=K(n,P)

查理蓋?呂薩克

19世紀(jì)克拉佩龍將波義爾定律、查理－蓋?呂薩克定律、阿佛伽德羅定律三條定律歸于一個方程式，即理想氣體定律。PV=nRT在不同的條件下，有不同的表現(xiàn)形式：a)n、T一定時，P1V1=P2V2，Boyle’sLawsb)n、P一定時，，CharlesGayLussac’sLawsP、T一定時，，Avogadro’sLawsd)n一定時，阿佛伽德羅定律（1811）：相同溫度和壓強(qiáng)下，氣體的體積和它的物質(zhì)的量成正比。其數(shù)學(xué)表達(dá)形式為：

V

=K(T,P)n在實際運用理想氣體狀態(tài)方程時，要注意兩點：（1）在不同的條件下，它有不同的表現(xiàn)形式（2）單位和單位的匹配單位：SI制和非SI制P：Pa（SI）

kPa，atm，mmHg，torr，bar1atm=760mmHg=760torr=101.3kPa=1.013105Pa1bar=1000mbar=100kPa=105PaV：m3（SI）dm3（L），cm3（mL）1m3=103dm3=106cm3T：熱力學(xué)溫度（或絕對溫度），KT(K)=273.15+t(oC)n：物質(zhì)的量或化學(xué)量，mol，mmol在PV=nRT中，n的單位只能是molR：摩爾氣體常數(shù)，P44/表238.314Pa?

m3

?

mol-1

?

K-18.314kPa?

L?

mol-1

?

K-10.08206atm?

L?

mol-1

?

K-1單位的匹配：TK，nmolP：PakPaatm

V：m3LL

R:

8.3148.3140.08206R：能量單位，8.314J?

mol-1

?

K-1

Pa?

m3=J推導(dǎo)

：

例1.30oC，1atm下，體積為1.0104L的He氣球上升至0.60atm，-20oC高空后，體積有多大？解：上升前：P1，V1，T1；上升后：P2，V2，T2n不變，所以有：例2.實驗測得310oC，101.3kPa時，單質(zhì)氣態(tài)磷的密度為2.64g/dm3，求：該氣體的分子量及氣態(tài)磷的分子式Px？已知：P的原子量為30.96g/mol。極限密度法測定氣態(tài)物質(zhì)的精確分子量

表明：在壓強(qiáng)為0

1atm范圍內(nèi)，以P/對P作圖，直線在P/

軸上的截距應(yīng)為：(P/)0=RT/M。

P為01atmP.50-51（了解）

25.00oC時，(CH3)2O的P/

P圖

=46.071(gmol1)

1L4La)1atmO2真空混合后：b)

真空2atmN2混合后：c)1atmO22atmN2混合后:P=?Dalton分壓定律適用條件：(1)

無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生(2)只適用于理想氣體T保持不變§1.2

混合氣體(Mixtureofgases)

Dalton分壓定律(Dalton’sLawofPartialPressures)Dalton分壓定律：在溫度與總體積恒定時，混合氣體的總壓等于各組分氣體的分壓強(qiáng)之和。

Dalton分壓定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式:上面的例子中：P總=pO2+pN2=0.2+1.6=1.8atm分壓

：一定溫度下，混合氣體中單個組分氣體單獨占有總體積時所表現(xiàn)的壓強(qiáng)。分壓不可以測量。P總=PA+PB+PC+……+Pi

每一組分氣體都是理想氣體，則有：于是：（Dalton分壓定律的另一種表達(dá)方式）（物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）Dalton分壓定律的其它表達(dá)形式小結(jié)：氣體分壓如何求解？PA=nART/V總,

PB=nBRT/V總,Pi=niRT/V總P總=nART/V總

+nBRT/V總

+……+niRT/V總

=(nA+nB+……+ni)RT/V總=n總RT/V總在溫度和總壓強(qiáng)恒定的條件下，混合氣體的總體積等于各組分氣體的分體積之和。分體積：一定溫度下，混合氣體中單個組分氣體在壓強(qiáng)為P總時所占有的體積。分體積不可以測量。V總=VA+VB+VC+……+Vi

P總Vi

=niRT對于一混合氣體（T，P總，V總），可以從兩個角度來描述：P總=PA+PB+PC+……+Pi

V總=VA+VB+VC+……+Vi

PiV總=niRT（每一種氣體都符合理想氣體狀態(tài)方程）P總Vi=niRT（每一種氣體都符合理想氣體狀態(tài)方程）當(dāng)把混合氣體看成一整體時，則有：P總V總＝n總RT注意：下列關(guān)系式錯誤PiVi＝niRT()例3.在25oC，758mmHg時從水面收集到飽和有水蒸氣的氫氣152mL。已知：25oC時水的飽和蒸氣壓為23.76mmHg。計算：（1）H2的分壓；（2）收集到的H2的物質(zhì)的量；（3）干燥H2的體積。(1)PH2=75823.76=734.24(mmHg)(2)PH2V總

=nH2RT(3)解法一P總VH2=nH2RT解法二例4.在250oC，PCl5全部氣化并能部分轉(zhuǎn)化為PCl3和Cl2，現(xiàn)將2.98gPCl5置于1.00L的容器中，在250oC全部氣化后，測得其總壓為113kPa。計算：容器中各氣體的分壓。已知：MPCl5＝208.5g/molPCl5PCl3+Cl2初始：nPCl5000轉(zhuǎn)化：xxx平衡：nPCl50

x

x

x解法一P總V總=n總RT1131.00=(0.01429+x)8.314(273.15+250)

x=0.01169(mol)平衡時，PCl5PCl3+Cl2初始：PPCl5000轉(zhuǎn)化：xxx平衡：PPCl50

x

x

x62.2x+x+x=113x=50.8(kPa)平衡時，PPCl5=PPCl50x=62.250.8=11.4(kPa)PPCl3=PCl2=x=50.8(kPa)解法二V總、T不變，摩爾數(shù)之比等于分壓之比，因此，摩爾數(shù)的變化可以用分壓的變化來表示用壓縮系數(shù)Z來表示實際氣體的實驗值和理想值的偏差：實際上，氣體分子本身是有體積的，它們占有容器的一部分空間。分子間確實存在著某種吸引力（氣體能液化的事實可說明）。n=1mol§1.3

實際氣體Z>1或者<