無機(jī)化學(xué)緒論課件

緒言一、課程體系

“無機(jī)化學(xué)”是化工類專業(yè)（含化工、環(huán)境、生物、食品、材料等）的第一門基礎(chǔ)課，它是由課堂講授和實驗兩部分組成。

1.課堂講授分為兩個部分：一是無機(jī)化學(xué)的理論部分，包括化學(xué)反應(yīng)原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，另一部分是元素化學(xué)，主要講述周期系中各族元素及其化合物的基本知識，占總學(xué)時的60％；

2.實驗通過實驗來鞏固、加深和擴(kuò)大課堂講授的內(nèi)容，培養(yǎng)獨立工作的能力和實事求是的科學(xué)態(tài)度，占總學(xué)時的40％。2023/8/31緒言2023/7/291

二、教材：

1.《無機(jī)化學(xué)》第三版（面向21世紀(jì)教材）天津大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室編楊宏孝凌芝顏秀茹修訂（高等教育出版社出版）

2.《無機(jī)化學(xué)實驗》第三版華東化工學(xué)院無機(jī)化學(xué)教研室編（高等教育出版社出版）2023/8/32

二、教材：2023三、參考書1.《無機(jī)化學(xué)》第四版（面向21世紀(jì)教材）袁萬鐘主編，高等教育出版社出版（工科國家級重點教材）2.《現(xiàn)代基礎(chǔ)化學(xué)》（上海市“九五”重點教材）朱裕貞主編化工出版社出版2023/8/33三、參考書1.《無機(jī)化學(xué)》第四版（面向21世紀(jì)教材）2四、教學(xué)安排總學(xué)時數(shù)：為110學(xué)時，上學(xué)期60學(xué)時，下學(xué)期50學(xué)時，課堂講授65～70學(xué)時，實驗40～45學(xué)時。

五、教學(xué)方法講授方法：重點和難點講授，部分內(nèi)容自學(xué)。學(xué)習(xí)方法：課內(nèi)認(rèn)真聽講，做好筆記，課后及時復(fù)習(xí)，按時完成作業(yè)。六、成績考核期末考試成績（80％）＋平時成績（20％）。2023/8/34四、教學(xué)安排總學(xué)時數(shù)：為110學(xué)時，上學(xué)期第一章化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系和

能量關(guān)系

能量關(guān)系是本章的重點2023/8/35第一章化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系和

一.理想氣體狀態(tài)方程和分壓定律

(一).理想氣體狀態(tài)方程

pV=nRT(壓力不太高，溫度不太低）

p－Pa,V-m3,n-mol,T-K(熱力學(xué)溫度)，R-摩爾氣體常數(shù)（提問：單位是什么？）

1mol的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況（p=101.325kPa，T=273.15K）下，體積為22.414×10－3m3，故

2023/8/36一.理想氣體狀態(tài)方程和分壓定律

(一).理想氣體狀態(tài)方程(二).道爾頓分壓定律

氣體混合物中其一組分氣體（B）對器壁所施加的壓力，稱為該氣體的分壓（PB），它等于相同溫度下，該氣體單獨占有與混合氣體相同體積時所產(chǎn)生的壓力。

混合氣體的總壓力等于各組成氣體分壓力之和，此經(jīng)驗規(guī)則稱道爾頓分壓定律。數(shù)學(xué)表達(dá)式：P=ΣPB

2023/8/37(二).道爾頓分壓定律2023/7/297若組分氣體B和混合氣體物質(zhì)的量分別為nB和n。混合氣體體積為V，則它們的壓力分別為（1）（2）（1）÷（2）得（3）2023/8/38若組分氣體B和混合氣體物質(zhì)的量分別為nB和n?；旌?nB/n)為組分氣體B的摩爾分?jǐn)?shù)，

含義：混合氣體中任一組分氣體的分壓（pB）等于該氣體B的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與總壓之積。

同溫同壓下

pVB=nBRT(4)pV=nRT(5)

(4)÷(5)得(6)VB為分體積——混合氣體中組分氣體B與混合氣體的壓力（P）和溫度（T）在相同條件下占有的體積。

2023/8/39(nB/n)為組分氣體B的摩爾分?jǐn)?shù)，2023/7/2將（6）式代入（3）中得：

表明：混合氣體中任一組分氣體的分壓力等于該氣體體積分?jǐn)?shù)（或百分?jǐn)?shù)）與總壓之積。

注意：分壓定律適用于理想氣體，對低壓下的真實氣體混合物近似適用。

2023/8/310將（6）式代入（3）中得：2023/7/2910二、化學(xué)計量化合物和非計量化合物（簡）：

化學(xué)計量化合物——具有確定組成且各種元素的原子互成簡單整數(shù)比的化合物。非化學(xué)計量化合物——組成可在一個較小范圍內(nèi)變動，但基本結(jié)構(gòu)保持不變的化合物。如WO2.92，PdH0.8等。又稱非整比化合物或貝多體。

2023/8/311二、化學(xué)計量化合物和非計量化合物（簡）：2023/7/291三、化學(xué)計量數(shù)與反應(yīng)進(jìn)度（一）化學(xué)計量數(shù)（）某化學(xué)方程式cC+dD=yY+zZ按數(shù)學(xué)式移項0=-cC–dD+yY+zZ此稱化學(xué)計量方程式.若令

可簡化化學(xué)計量方程式的通式：0=B表示包含在反應(yīng)中的分子、原子或離子，即反應(yīng)物和生成物；為數(shù)字和簡分?jǐn)?shù)，稱為物質(zhì)B的化學(xué)計量數(shù)。規(guī)定：取負(fù)值，取正值。這樣、、、分別為C、D、Y、Z物種的化學(xué)計量數(shù)

2023/8/312三、化學(xué)計量數(shù)與反應(yīng)進(jìn)度2023/7/2912例：N2+3H2=2NH3化學(xué)計量式：0=-N2-3H2+2NH3=

各物質(zhì)化學(xué)計量數(shù)：=-1表明反應(yīng)中每消耗1molN2和3molH2必生成2molNH3。2023/8/313例：N2+3H2=2NH32023/7/2913（二）反應(yīng)進(jìn)度：為了表示化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，國際規(guī)定了一個量——反應(yīng)進(jìn)度（ξ）。對化學(xué)計量方程式0=微分式：則

若從反應(yīng)開始時0的nB（）積分到時的nB（）,可得：=

則2023/8/314（二）反應(yīng)進(jìn)度：為了表示化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度，國際規(guī)定了一個量則的單位為mol。

對產(chǎn)物而言，若，nB()＝0，則nB=

2023/8/3152023/7/2915例如：N2+3H2=2NH3即反應(yīng)開始nB/mol3.010.000t時nB/mo12.07.02.0-1.0-3.02.0

1.02023/8/316例如：N2+3H2=可見：同一反應(yīng)方程式，反應(yīng)進(jìn)度的值與選用反應(yīng)式中何種物質(zhì)的量的變化無關(guān)。但同一化學(xué)反應(yīng)如化學(xué)反應(yīng)方程式寫法不同，亦即不同，相同反應(yīng)進(jìn)度時對應(yīng)各物質(zhì)的量的變化（）會有區(qū)別。2023/8/317可見：同一反應(yīng)方程式，反應(yīng)進(jìn)度的值與選用反應(yīng)式中何種物化學(xué)方程式

(若

)

＋1

－1－3＋2

2023/8/3182023/7/2918四、化學(xué)反應(yīng)中的能量關(guān)系

專門研究能量相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的一門科學(xué)——熱力學(xué)。利用熱力學(xué)的基本原理研究化學(xué)反應(yīng)的學(xué)科——化學(xué)熱力學(xué)。本節(jié)重點介紹熱力學(xué)理論研究化學(xué)反應(yīng)的能量變化關(guān)系中若干基本概念、術(shù)語和符號以及有關(guān)計算。

2023/8/319四、化學(xué)反應(yīng)中的能量關(guān)系專門研究能量相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的（一）基本概念和術(shù)語

1、體系和環(huán)境體系——作為研究對象的那部分物質(zhì)或空間。環(huán)境——體系之外與體系密切聯(lián)系的其它物質(zhì)或空間。如一支試管中裝一定量NaCl水溶液，再加一定量AgNO3的混合溶液，作為研究的對象的這試管中的溶液混合物（含可能有的沉淀）為體系，而試管和試管外的密切關(guān)聯(lián)的物質(zhì)和空間則為環(huán)境。

2023/8/320（一）基本概念和術(shù)語

1、體系和環(huán)境2023/7/2920

按照體系和環(huán)境間能量和物質(zhì)的交換情況，可將體系分為以下三類：敞開體系——體系與環(huán)境間既有物質(zhì)交換，又有能量交換。封閉體系——體系與環(huán)境間，沒有物質(zhì)交換但有能量交換孤立體系——體系與環(huán)境間，物質(zhì)與能量均不發(fā)生交換。2023/8/321按照體系和環(huán)境間能量和物質(zhì)的交換情況，2023/7/29體系分類體系和環(huán)境間交換物質(zhì)能量敞開體系√√封閉體系—√孤立體系——2023/8/322體系分類體系和環(huán)境間交換物質(zhì)能量敞開體系√√封閉體系—√孤立

2、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)聚集狀態(tài)——在一定條件下物質(zhì)質(zhì)點聚集的物理形態(tài)。有氣、液、固、等離子體等之分,但化學(xué)熱力學(xué)的“狀態(tài)”是用一系列宏觀物理量來描述，決定體系狀態(tài)的那些物理量稱為體系的性質(zhì)。體系的狀態(tài)——指體系中一切客觀性質(zhì)的綜合。如確定一瓶氣體的狀態(tài)，可用p、V、T和氣體物質(zhì)的量n來描述。2023/8/3232、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)2023/7/2923當(dāng)體系的所有性質(zhì)都有確定值時，該體系處于一定狀態(tài)，反過來，若體系狀態(tài)確定了，則體系中一切宏觀性質(zhì)也就有了確定的數(shù)值。如果體系中某種或幾種性質(zhì)發(fā)生變化，則體系狀態(tài)也就發(fā)生了變化。

這種能夠表征體系特征的每個個別的宏觀性質(zhì)，稱為體系的狀態(tài)函數(shù)。

2023/8/324當(dāng)體系的所有性質(zhì)都有確定值時，該體系處于一定狀態(tài)，反體系與環(huán)境中的一些物理量如功和熱并不是狀態(tài)函數(shù)。

狀態(tài)函數(shù)的特征是：體系狀態(tài)發(fā)生變化時，狀態(tài)函數(shù)的改變量，只與體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與狀態(tài)變化的具體途徑無關(guān)。

2023/8/325體系與環(huán)境中的一些物理量如功和熱并不是狀態(tài)函數(shù)。例如1mol理想氣體始態(tài)ⅠⅡ終態(tài)p1=101325Pap2=1013250PΔP=P2-P1=911925PaV1=22.414×10-3m3V2=4.48×10-3m3

ΔV=V2-V1=-17.92×10-3m3T1=273KT2=546KΔT=T2-T1=273K2023/8/326例如1mol理想氣體2023/7/29263、熱和功熱和功是體系狀態(tài)發(fā)生變化時與環(huán)境交換或傳遞能量的兩種不同形式。熱——體系與環(huán)境間因溫度不同（因而存在溫差）而傳遞的能量。功——除熱以外，其它各種形式被傳遞的能量都稱為功。功有多種形式，如機(jī)械手作的機(jī)械功，電能作的電功，化學(xué)反應(yīng)作體積功等等。

2023/8/3273、熱和功2023/7/2927在化學(xué)反應(yīng)中涉及較廣的是體積功，即由于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生引起體系體積變化反抗外力作用而與環(huán)境交換的功，稱為體積功；其他功統(tǒng)稱非體積功。通常熱量——Q，功——W，單位均為焦耳(J）或千焦（kJ）。它們數(shù)值的正負(fù)號使用是人為規(guī)定的，根據(jù)國際最新規(guī)定，以體系的能量得失為標(biāo)準(zhǔn)：2023/8/328在化學(xué)反應(yīng)中涉及較廣的是體積功，即由2023/7/2（1）若體系能量增加（即從環(huán)境得到能量）：Q>0（體系吸熱），W>0（環(huán)境對體系作功）；（2）若體系能量減少（即體系損失能量）：Q<0（體系放熱），W<0（體系對環(huán)境作功）。如氣缸內(nèi)氣體受熱反抗恒定外壓（環(huán)境壓力P）膨脹，V2(終態(tài))>V1（始態(tài)）

W（膨脹）=F·L-=-P外壓強(qiáng)×A×L=-P·（V2-V1）=-P·△V<02023/8/329（1）若體系能量增加（即從環(huán)境得到能量）：-=-P外壓強(qiáng)×A反之，氣缸內(nèi)氣體恒定外壓作用被壓縮V2（終態(tài)）<V1（始態(tài)）W（壓縮）=-F·L=-P·（V2-V1）=-P·>0

注意，由于熱和功是體系發(fā)生狀態(tài)的某過程中改變與環(huán)境間交換能量的兩種形式，因此熱和功途徑有關(guān)不僅與體系的始、終態(tài)有關(guān)，而且還與過程的具體，所以它們不是狀態(tài)函數(shù)。2023/8/330反之，氣缸內(nèi)氣體恒定外壓作用被壓縮V2（終態(tài)）<V1（始態(tài)）

4、熱力學(xué)能體系內(nèi)部所有能量的總和，稱熱力學(xué)能（曾稱內(nèi)能），符號為“U”，體系內(nèi)部的能量很多，如體系內(nèi)分子、原子、離子等的內(nèi)動能；分子、原子、離子間的相互作用能（含位能和化學(xué)鍵）；分子內(nèi)部各種微粒如原子、原子核，電子等運(yùn)動的能量與粒子間的相互作用等等。由于這些內(nèi)部質(zhì)點運(yùn)動和相互作用的復(fù)雜性，因而到目前為止（任何）體系的熱力學(xué)能的絕對值難以測定。2023/8/3314、熱力學(xué)能2023/7/2931但它是體系自身的屬性，體系在一定狀態(tài)下，其熱力學(xué)能應(yīng)有一定的值，故U是狀態(tài)函數(shù)，因為“U”是狀態(tài)函數(shù)，其改變量U只與體系的始、終態(tài)有關(guān)，而與變化過程的途徑無關(guān).2023/8/332但它是體系自身的屬性，體系在一定狀態(tài)下，2023/7/25、能量守恒在孤立體系中能量不會自生自滅，但可從一種形式變?yōu)榱硪环N形式，其總量不變，這個經(jīng)驗規(guī)律即稱能量守恒定律。若一個封閉體系，體系從環(huán)境吸熱（Q），又從環(huán)境得功（即環(huán)境對體系作功）（W），則熱力學(xué)能從U1變到U2的狀態(tài)。

此即為熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，含義是：封閉體系熱力學(xué)能U的變化等于體系吸收的熱和體系從環(huán)境所得的功的總和。即能量守恒定律在熱、功傳遞過程中的具體表述。2023/8/3335、能量守恒2023/7/2933（二）反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

1、恒壓反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變反應(yīng)熱——化學(xué)反應(yīng)時，若體系不做非體積功，且反應(yīng)終態(tài)的溫度恢復(fù)反應(yīng)始態(tài)的溫度時體系吸收或放出的熱量。通?；瘜W(xué)反應(yīng)是在恒壓條件下進(jìn)行的，（如敞口進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)），如果體系不做非體積功，終態(tài)溫度等于始態(tài)溫度，這過程的反應(yīng)熱稱為恒壓反應(yīng)熱QP。2023/8/334（二）反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變2023/7/2934

對于有氣體參加或生成的反應(yīng)，可能會引起體積變化（），則體系對環(huán)境作功，對于封閉體系，體系只作體積功的恒壓過程，由熱力學(xué)第一定律可得到：

令H=U+PV，H稱為焓，因U、P、V均為狀態(tài)函數(shù)，所以H也是狀態(tài)函數(shù)。2023/8/335對于有氣體參加或生成的反應(yīng)，可能會引2023/7/顯然H的絕對值目前也難測到。其能測定并有實際意義的則是狀態(tài)改變時焓的改變值，稱焓變。由上式可得：QP=（U2+PV2）-（U1+PV1）=H2-H1=2023/8/336顯然H的絕對值目前也難測到。其能測定并有實際意義的則

即：在恒壓及反應(yīng)始、終態(tài)溫度相等條件下，反應(yīng)熱等于生成物與反應(yīng)物的焓差，即恒壓反應(yīng)熱等于體系的焓變。如：恒壓（298.15K）下2H2(g)+O2（g）→2H2O（g）QP==-483.64kJ·mol-1體系的焓值減小（，表明此反應(yīng)為放熱反應(yīng)。恒壓（298.15K）下N2（g）+2O2(g)→2NO2（g）QP==66.36kJ·mol-1體系的焓值增加（，表明此反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。2023/8/337即：在恒壓及反應(yīng)始、終態(tài)溫度相等條件下，2023/72、熱化學(xué)反應(yīng)方程式表示化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)（反應(yīng)熱）關(guān)系的方程式，稱為熱化學(xué)反應(yīng)方程式。2H2（g）+O2(g)2H2O（g）QP==-483.64kJ·mol-1

此式表示：在298.15K，100kPa（P）下，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為1mol時，放出483.64kJ的熱量，△rHm稱摩爾反應(yīng)焓變。

2023/8/3382、熱化學(xué)反應(yīng)方程式2023/7/2938

書寫熱化學(xué)方程式應(yīng)注意以下幾上幾點：（1）要注明反應(yīng)的溫度和壓力，如果是100kPa，298.15K可略去不寫。嚴(yán)格說，T對△H是有影響的，但一般影響不大，故計算在其它溫度下仍可按298.15K時處理。（2）必須按物質(zhì)的聚集狀態(tài)，氣g(gas)，液l（liguid），固s（solid），若上式中H2O為l，則Qp=-571.66kJ·mol-1

2023/8/339書寫熱化學(xué)方程式應(yīng)注意以下幾上幾點：2023/7/293（3）同一反應(yīng)，化學(xué)計量方程式不同，QP也不同，例如H2(g)+→H2O(g)Qp=(4)正逆反應(yīng)的Qp絕對值相同，但符號相反。2023/8/340（3）同一反應(yīng)，化學(xué)計量方程式不同，QP2023/7/294

3、赫斯定律反應(yīng)熱一般可通過實驗測出，但有的反應(yīng)熱難測定，如C(s)+（g）→CO(g)的Qp。但C（s）燃燒生成CO2(g)(恒溫、恒壓下)可按兩種不同途徑完成。

2023/8/3413、赫斯定律2023/7/2941

1840年俄籍瑞士人，G.H.Hess，根據(jù)大量的實驗結(jié)果總結(jié)出一條規(guī)律：一個化學(xué)反應(yīng)如果分幾步完成，則總反應(yīng)熱等于各步反應(yīng)的反應(yīng)熱之和，稱赫斯定律。Qp=QP1+QP2從熱力學(xué)觀點，化學(xué)反應(yīng)的只取決于反應(yīng)的始、終態(tài)，與反應(yīng)途徑無關(guān)，且恒溫恒壓下：Qp=

2023/8/3421840年俄籍瑞士人，G.H.Hess，根據(jù)大量20故赫斯定律為：=+則QP1

===[(-393.51)-(282.98)]kJ=-110.53kJ·mol-1

應(yīng)用此定律，不僅可計算某些恒壓反應(yīng)熱，從而可以減少大量實驗測定工作，且還可計算難以或無法用實驗測定的某些反應(yīng)的反應(yīng)熱。2023/8/343故赫斯定律為：=+2023/7/294（三）應(yīng)用計算1、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)出于理論研究的需要，化學(xué)熱力學(xué)規(guī)定了物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（簡稱標(biāo)準(zhǔn)態(tài)）。氣體——下純氣體的狀態(tài)液體、固體——下，最穩(wěn)定的純液體、純固體的狀態(tài)液液中的溶質(zhì)——下，質(zhì)量摩爾濃度為1mol·kg-1（常近似為C=1mol·L-1）時的狀態(tài)（的具體數(shù)值1993年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織統(tǒng)一采用101.325kPa100kPa，數(shù)值改動后除對某些熱力學(xué)常數(shù)有微小變動外，一般影響不大。）物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)并無溫度的規(guī)定。2023/8/344（三）應(yīng)用計算2023/7/29442、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓（）——在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下，由最穩(wěn)定的純態(tài)單質(zhì)生成單位物質(zhì)的量的某物質(zhì)時的焓變或恒壓反應(yīng)熱（Qp），稱為該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。其單位為kJ·mol-1，T通常為298.15K。如C（s）+O2（g）CO2（g）=-393.51kJ.mol-1=（CO2,g)

，顯然根據(jù)的定義，（最穩(wěn)定純態(tài)單質(zhì)）=0。2023/8/3452、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓（）2023/7/2945

同種元素有多種單質(zhì)時（同素異性體）以最穩(wěn)定的純態(tài)單質(zhì)的=0,如C中的石墨，C（石墨）→C(金剛石)=1.895kJ·mol-1

(金剛石)=1.895kJ·mol-1可通過查熱力學(xué)數(shù)據(jù)表知道最穩(wěn)定的單質(zhì)是那一種，如P有白磷、紅磷等單質(zhì)，查表（白磷）=0,而（紅磷）=-17.6kJ·mol-1?？芍琢资橇椎淖罘€(wěn)定的單質(zhì)。根據(jù)可計算，也可用于判斷同類型化合物的相對穩(wěn)定性。2023/8/346同種元素有多種單質(zhì)時（同素異性體）以最2023/7/294同類型化合物

Na2OAg2O/kJ·mol-1

穩(wěn)定性-434.2-31.0加熱不分解537K(264℃)

以上分解所以，代數(shù)值越小，該化合物越穩(wěn)定。2023/8/347同類型化合物Na2O3、利用計算根據(jù)的定義和赫斯定律可以導(dǎo)出該計算方法