《東南大學(xué)化學(xué)化》課件

東南大學(xué)化學(xué)化工東南大學(xué)化學(xué)化工專(zhuān)業(yè)擁有悠久歷史和深厚積淀，是國(guó)內(nèi)化學(xué)化工領(lǐng)域的重要人才培養(yǎng)基地。課程簡(jiǎn)介1東南大學(xué)化學(xué)化本課程是東南大學(xué)化學(xué)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要課程，旨在幫助學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的核心概念和原理。2知識(shí)體系課程內(nèi)容涵蓋了化學(xué)的基本理論、化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面。3培養(yǎng)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科的理解，提升化學(xué)思維，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。課程內(nèi)容框架1基礎(chǔ)知識(shí)原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、分子結(jié)構(gòu)2化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)速率、反應(yīng)機(jī)理、化學(xué)平衡3應(yīng)用化學(xué)在材料、醫(yī)藥、環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用學(xué)習(xí)目標(biāo)理解基礎(chǔ)概念掌握原子、分子、化學(xué)鍵等基本概念，理解化學(xué)反應(yīng)的基本原理。掌握化學(xué)計(jì)算熟練運(yùn)用化學(xué)計(jì)量學(xué)原理進(jìn)行化學(xué)計(jì)算，并能解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰φ莆栈镜幕瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)操作技能，并能獨(dú)立完成簡(jiǎn)單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。提升邏輯思維培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S能力，能夠運(yùn)用化學(xué)原理分析和解決實(shí)際問(wèn)題?；A(chǔ)知識(shí)講解化學(xué)試劑化學(xué)試劑是進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)必不可少的物質(zhì)，包括酸、堿、鹽等?；瘜W(xué)儀器化學(xué)儀器用于測(cè)量、加熱、反應(yīng)等操作，包括燒杯、量筒、試管等?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證化學(xué)理論、探索化學(xué)現(xiàn)象的重要手段，需要遵循安全規(guī)范。分子結(jié)構(gòu)原子排列分子結(jié)構(gòu)是指分子中各個(gè)原子在空間中的排列方式。原子排列影響分子性質(zhì)，如極性、沸點(diǎn)和反應(yīng)活性。鍵合方式分子結(jié)構(gòu)由化學(xué)鍵決定，化學(xué)鍵是原子之間相互作用形成的力。鍵合方式包括共價(jià)鍵、離子鍵和金屬鍵等?；瘜W(xué)鍵類(lèi)型共價(jià)鍵兩個(gè)原子通過(guò)共享電子對(duì)形成的化學(xué)鍵例如，氫氣(H2)中的兩個(gè)氫原子通過(guò)共享一對(duì)電子形成共價(jià)鍵。離子鍵一個(gè)原子失去電子，形成帶正電的陽(yáng)離子，另一個(gè)原子得到電子，形成帶負(fù)電的陰離子，兩者通過(guò)靜電吸引力形成的化學(xué)鍵例如，氯化鈉(NaCl)中，鈉原子失去一個(gè)電子形成Na+離子，氯原子得到一個(gè)電子形成Cl-離子，兩者通過(guò)靜電吸引力形成離子鍵。金屬鍵金屬原子之間的相互作用，形成金屬鍵，使金屬具有良好的導(dǎo)電性、延展性、導(dǎo)熱性等特性例如，銅、銀、金等金屬元素，它們的外層電子容易離域，形成金屬鍵。氫鍵氫原子與電負(fù)性強(qiáng)的原子（如氧、氮、氟）之間形成的特殊相互作用氫鍵是一種較弱的鍵，但對(duì)水的性質(zhì)，例如高沸點(diǎn)、高熔點(diǎn)、高表面張力等有重要影響。化學(xué)鍵長(zhǎng)和鍵角化學(xué)鍵長(zhǎng)是指兩個(gè)原子核之間的距離，它決定著分子的形狀和性質(zhì)。鍵長(zhǎng)通常以埃（?）為單位，1埃等于0.1納米?；瘜W(xué)鍵角是指兩個(gè)化學(xué)鍵之間的夾角，它也是決定分子形狀的重要因素。鍵長(zhǎng)和鍵角受到多種因素影響，包括原子半徑、電負(fù)性差異和鍵的類(lèi)型。例如，共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)通常比離子鍵的鍵長(zhǎng)短，而雙鍵的鍵長(zhǎng)比單鍵的鍵長(zhǎng)短。極性分子電負(fù)性差異極性分子是指分子中正負(fù)電荷中心不重合，具有電偶極矩的分子。不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)由不同類(lèi)型的原子組成或具有非對(duì)稱(chēng)的幾何形狀，導(dǎo)致電荷分布不均勻。氫鍵極性分子之間的相互作用力，形成氫鍵，影響物理性質(zhì)如熔點(diǎn)和沸點(diǎn)。氫鍵定義氫鍵是分子間的一種較強(qiáng)的相互作用力。當(dāng)氫原子與電負(fù)性強(qiáng)的原子（如氧、氮、氟）形成共價(jià)鍵時(shí)，會(huì)形成一個(gè)帶正電荷的氫原子，該氫原子可以與另一個(gè)電負(fù)性強(qiáng)的原子上的孤對(duì)電子形成氫鍵。氫鍵的形成有利于分子間相互作用，影響物質(zhì)的性質(zhì)。特征氫鍵的鍵能比范德華力強(qiáng)，但比共價(jià)鍵弱。氫鍵具有方向性，一般指向電負(fù)性較強(qiáng)的原子。氫鍵可以是分子內(nèi)氫鍵或分子間氫鍵，在許多化學(xué)和生物體系中發(fā)揮著重要的作用。共價(jià)鍵電子共享共價(jià)鍵形成時(shí)，兩個(gè)原子共享一對(duì)或多對(duì)電子，形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。鍵能共價(jià)鍵越強(qiáng)，鍵能越高，分子越穩(wěn)定，需要更多能量才能斷裂。極性共價(jià)鍵當(dāng)共價(jià)鍵中電子對(duì)偏向一方時(shí)，形成極性共價(jià)鍵。非極性共價(jià)鍵當(dāng)共價(jià)鍵中電子對(duì)均勻分布時(shí)，形成非極性共價(jià)鍵。離子鍵靜電吸引離子鍵是由帶正電荷的陽(yáng)離子和帶負(fù)電荷的陰離子之間的靜電吸引力形成的。金屬和非金屬離子鍵通常在金屬元素和非金屬元素之間形成，金屬原子失去電子形成陽(yáng)離子，非金屬原子獲得電子形成陰離子。強(qiáng)鍵離子鍵是化學(xué)鍵中最強(qiáng)的鍵之一，因此離子化合物通常具有較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，在固態(tài)時(shí)也表現(xiàn)出良好的電導(dǎo)率。晶格結(jié)構(gòu)離子化合物通常以晶格的形式存在，陽(yáng)離子和陰離子以特定的三維排列方式排列，形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。金屬鍵金屬鍵的形成金屬原子失去最外層電子，形成金屬陽(yáng)離子。這些電子形成“電子?！?，將金屬陽(yáng)離子結(jié)合在一起，形成金屬鍵。金屬鍵的特點(diǎn)金屬鍵是非定向的，具有很強(qiáng)的吸引力，因此金屬通常具有較高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，延展性好，導(dǎo)電性強(qiáng)。金屬鍵和合金不同的金屬原子可以形成合金，由于電子海的存在，合金具有多種不同的性質(zhì)，例如強(qiáng)度、抗腐蝕性等。分子幾何分子幾何是指分子中原子在空間中的排列方式。分子幾何決定了分子的物理和化學(xué)性質(zhì)。例如，水的分子呈彎曲形，而二氧化碳的分子呈線性形。VSEPR理論電子對(duì)排斥理論該理論預(yù)測(cè)分子形狀和鍵角。它基于電子對(duì)之間的排斥力，這些排斥力最小化。中心原子VSEPR理論主要關(guān)注中心原子周?chē)膬r(jià)電子對(duì)，這些電子對(duì)會(huì)相互排斥。電子對(duì)形狀價(jià)電子對(duì)傾向于以最穩(wěn)定的幾何形狀排列，最大程度地減少電子對(duì)之間的排斥力。預(yù)測(cè)分子形狀通過(guò)確定電子對(duì)的排列，可以預(yù)測(cè)分子的形狀，例如線性、三角形平面形、四面體形等。雜化軌道原子軌道混合通過(guò)原子軌道的線性組合，形成新的雜化軌道?？臻g方向雜化軌道擁有特定的空間方向，影響分子幾何結(jié)構(gòu)。鍵合能力雜化軌道參與化學(xué)鍵的形成，影響鍵的類(lèi)型和強(qiáng)度。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是化學(xué)中的一個(gè)重要分支，研究化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理。1速率常數(shù)描述反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系2活化能反應(yīng)物分子必須克服的能量才能發(fā)生反應(yīng)3反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)發(fā)生的步驟和中間體4反應(yīng)速率反應(yīng)進(jìn)行的快慢程度反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可以幫助我們理解化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的機(jī)制，并預(yù)測(cè)反應(yīng)的速率。這些知識(shí)對(duì)于開(kāi)發(fā)新的化學(xué)工藝和提高反應(yīng)效率至關(guān)重要。反應(yīng)速率反應(yīng)速率是指化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢程度，反映了單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度或生成物濃度的變化量。反應(yīng)速率通常用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少量或生成物濃度的增加量來(lái)表示，單位通常為摩爾每升每秒（mol/L·s）。1濃度反應(yīng)物濃度越高，反應(yīng)速率越快。2溫度溫度越高，反應(yīng)速率越快。3催化劑催化劑可以改變反應(yīng)速率，但不改變反應(yīng)平衡常數(shù)。4表面積對(duì)于固體反應(yīng)物，表面積越大，反應(yīng)速率越快。反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)路徑反應(yīng)機(jī)理揭示了反應(yīng)過(guò)程中的步驟順序和分子變化。中間體和過(guò)渡態(tài)反應(yīng)過(guò)程中的過(guò)渡態(tài)是能量最高點(diǎn)，中間體則是反應(yīng)過(guò)程中的穩(wěn)定中間產(chǎn)物。能量變化反應(yīng)機(jī)理描述了反應(yīng)能壘和活化能，并解釋了反應(yīng)速率的差異。影響因素反應(yīng)機(jī)理解釋了溫度、濃度、催化劑等因素對(duì)反應(yīng)速率的影響。動(dòng)力學(xué)方程速率常數(shù)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。反應(yīng)級(jí)數(shù)每個(gè)反應(yīng)物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響程度?；罨芊磻?yīng)發(fā)生所需的最小能量。溫度影響溫度升高，反應(yīng)速率加快，速率常數(shù)也增大。影響因素1溫度溫度升高，反應(yīng)速率加快，平衡常數(shù)發(fā)生變化。2濃度反應(yīng)物濃度升高，反應(yīng)速率加快。3催化劑催化劑可以改變反應(yīng)路徑，降低反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)速率。4壓力對(duì)于氣相反應(yīng)，增大壓力可以提高反應(yīng)速率。熱力學(xué)基礎(chǔ)1熱力學(xué)定律熱力學(xué)是研究能量及其轉(zhuǎn)換的科學(xué)，主要包括熱力學(xué)定律。2能量守恒熱力學(xué)第一定律表明能量不能被創(chuàng)造或破壞，只能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。3熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律闡明了能量在轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)發(fā)生熵增，即能量變得更加分散和無(wú)序。熱力學(xué)第一定律能量守恒熱力學(xué)第一定律描述了能量守恒原理。在任何物理或化學(xué)過(guò)程中，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。能量形式能量可以存在多種形式，例如熱能、機(jī)械能、化學(xué)能、電能等。熱力學(xué)第一定律表明，這些能量形式之間可以相互轉(zhuǎn)化，但總量保持不變。能量守恒定律定義能量既不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，總量保持不變。應(yīng)用熱力學(xué)第一定律是自然界最基本、最普遍的定律之一，它在物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。重要性能量守恒定律揭示了能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律，為人類(lèi)利用能源和發(fā)展科學(xué)技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。熱焓變化定義化學(xué)反應(yīng)中熱能變化，衡量反應(yīng)過(guò)程中系統(tǒng)能量變化符號(hào)ΔH單位kJ/mol正值吸熱反應(yīng)，系統(tǒng)吸收熱量負(fù)值放熱反應(yīng)，系統(tǒng)釋放熱量熱能和化學(xué)反應(yīng)放熱反應(yīng)反應(yīng)釋放能量，溫度升高。吸熱反應(yīng)反應(yīng)吸收能量，溫度降低?；瘜W(xué)反應(yīng)焓變反應(yīng)熱，反應(yīng)過(guò)程中能量變化?；瘜W(xué)平衡化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正反應(yīng)和逆反應(yīng)速率相等，體系的宏觀性質(zhì)保持穩(wěn)定，如溫度、壓力、濃度等?；瘜W(xué)平衡是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，反應(yīng)并未停止，只是正逆反應(yīng)速率相等，體系保持穩(wěn)定?；瘜W(xué)平衡狀態(tài)受溫度、壓力、濃度等因素的影響。改變這些因素可以使平衡發(fā)生移動(dòng)，即平衡向正反應(yīng)或逆反應(yīng)方向移動(dòng)，以減小外界影響。平衡常數(shù)平衡常數(shù)表示可逆反應(yīng)在平衡狀態(tài)下，反應(yīng)物和生成物濃度之比K值越大，平衡向生成物方向移動(dòng)K值越小，平衡向反應(yīng)物方向移動(dòng)影響因素11.溫度溫度升高，平衡向吸熱方向移動(dòng)。22.壓力壓力增大，平衡向氣體分子數(shù)減少的方向移動(dòng)。33.濃度增加反應(yīng)物濃度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)。44.催化劑催化劑加速正逆反應(yīng)速率，但不能改變平衡位置。應(yīng)用實(shí)例