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大学化学课件.doc

大学化学课件

刘闲庭
2017-09-27 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《大学化学课件doc》,可适用于战略管理领域

大学化学课件重点知识第一章状态和状态函数※状态:热力学用系统的性质来描述它所处的状态。性质指化学和物理性质例如:一壶开水则组成是HPkPa、Tk、VL均确定。状态函数的特征※※系统状态一定则状态函数确定开水PkPaTK()状态函数改变量只与始终态有关而与具体过程无关XX终X始XX内能(热力学能)系统的能量有三部分组成:运动能、位能、内能内能系统内部各种能量的总称。符号:U单位:KJ内能包括系统内分子运动能、分子相互间位能、原子间键能、原子核内粒子间作用能等等。内能是系统的状态函数仅与系统的状态有关换言之内能是系统的状态函数ΔUUU热力学第一定律:能量守恒和转化定律:能量有各种不同的形式可以从一种形式转变为另一种形式从一个物体传递给另一个物体而在转换和传递中总能量守恒不变。系统内热力学能的变化ΔU以热和功的形式转换和传递。ΔUUUQWU、U:系统变化前后两个状态的热力学能ΔU:热力学能的变化U是状态函数只与始终状态有关热和功都不是状态函数它们与具体过程有W与具体途径有关。化学反应热效应化学反应热定义在热力学中关Q和常把始终状态(反应物和生成物)温度相同且在反应过程中系统只反抗外压做膨胀功(无非体积功)时所吸收或放出的热量称反应热又称热效应。(解释三点)同一化学反应在不同条件下吸收或放出的热量是不同的热效应分类:恒容反应热QV和恒压反应热QP:恒压反应热与焓(H)由热力学第一定律:ΔUP外ΔVP外V–VΔUQPWQP–pV–VQW体系对外作功:WU–UQP–pV–VQPUpV(UpV)令H,UpV(定义)H:新的状态函数焓HH–HHUPV(通式)H是焓的变化称为焓变HH–HHUPV(通式)H是焓的变化称为焓变HQPp、w′特例:系统在恒压过程中焓变在数值上等于反应的恒压热效应由于化学反应的H比化学反应的热效应容易计算且HQP所以化学反应的热效应的计算都是算H为了方便索性用H代表热效应)化学反应热的计算利用物质的标准摩尔生成焓计算反应热)热力学标准态θ处于标准条件下的状态称为热力学标准态。规定标准压力为PkPa下的纯理想气体、纯液体、纯固体。标准浓度为moll的溶液。)物质的标准摩尔生成焓在标准态下温度T(K)时由最稳定纯态单质生成mol某物质时的反应热称为该物质在温度T时的标准摩尔生成焓(标准摩尔生成热)。符号:fHmθ单位:kJmol–表示变化f表示生成(formation)m表示mol某物质(必需是生成物)θ表示标准状态。注意:fHmθ是对mol生成物关于标准摩尔生成焓(热)只有最稳定单质的标准摩尔生成热才是零fHmθ(C石墨)kJmolfHmθ(C金刚石)kJmol同一物质不同聚集态下标准摩尔生成焓数值不同fHmθ(HOg)kJmolfHmθ(HOl)kJmol同一物质在不同温度下有不同的标准摩尔生成热附录中数据是在K下的数据化学反应的熵变aAbBcCdDSS–SΔrSθmγiSθm生,γiSθm反吉布斯函数与化学反应的方向吉布斯函数年吉布斯定义了新的热力学函数吉布斯函数自由能。GH–TSH、T、S都是状态函数所以G也是状态函数它具有状态函数的各种特点。在恒温、恒压条件下化学反应的rGmΔrHm、ΔrSm及T的关系:rGmΔrHmTΔrSm吉布斯公式它是化学反应自发进行的判据。,在恒温、恒压、无非体积功的条件下自发进行的方向是减少体系的吉布斯函数即从G大到G小的状态进行直到G。若在标准状态下吉布斯公式变为rGθmΔrHθmTΔrSθmrGθmlt是自发过程rGθm是平衡状态rGθmgt非自发过程化学反应标准摩尔吉布斯函数变的计算)fGm和rGm标准状态下由最稳定的纯态单质生成mo某物质时的吉布斯函数变称为该物质的标准摩尔生成吉布斯函数。符号:fGm单位:kJmol–热力学中对物质而言fGm与fHm相似对化学反应而言rGm与rHm相似。规定:最稳定纯态单质的标准摩尔生成吉布斯函数为零。)标准摩尔吉布斯函数变的计算利用fGm计算rGmaAbBcCdDGG–GrGmγifGm生γifGm反利用吉布斯等温方程式计算K时:先查表求ΔrHθm和ΔrSθm再计算rGmrGmΔrHθmTΔrSθm任意温度下的吉布斯函数变rGmθTrHmθTTrSmθTrHmθTrHmθrSmθTrSmθrGmθTrHmθTrSmθ吉布斯函数变的应用)判断反应的方向rGθmlt是自发过程)估算反应自发进行的温度rGmθTrHmθTrSmθ求出T第二章渗透压应用等渗静脉―等渗液‖的生理盐水的葡萄糖溶液反渗透在溶液一侧注射或输液时采用施加一个大于渗透压的外压力则溶剂由溶液一侧向溶剂或低浓度方向渗透。反渗透应用海水淡化工业废水处理稀溶液的依数性难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降、并且产生渗透压。这些变化与溶液中溶质物质的量成正比即只和溶质的粒子数有关而与溶质的本性无关这一特性被称为稀溶液的依数性稀溶液的依数性条件是:难挥发非电解质难挥发电解质溶液(如NaCl溶液)也具有蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降、产生渗透压等性质但计算时要考虑电解质的电离、粒子数的增加。缓冲溶液HAcNaAc混合溶液缓冲作用:使溶液pH值基本保持不变的作用。具有缓冲作用的溶液为缓冲溶液缓冲作用原理:如HAcNaAc混合液外加适量碱OH平衡向右移动HAcHAc大量极小量大量外加适量酸H平衡向左移动NaAc抵消HHAc抵消OHHAcNaAc混合溶液能抵抗少量外来酸、碱及少量水的稀释作用而保持溶液pH值基本不变为缓冲溶液把在一定范围内pH值不因稀释或外加少量的酸碱而发生显著变化的溶液称为缓冲溶液人体缓冲溶液在正常人体新陈代谢过程中会产生许多酸它们会使血液酸性增加而水果、蔬菜、面食又产生许多碱它们会使血液碱性增加。但是人体血液始终保持pH之间。人体内的缓冲溶液HCONaHCO体系(缓冲范围)KHPOKHPO体系(缓冲范围)表面活性剂的结构特征一般表面活性剂分子都是由亲水性的极性基团亲水基和憎水亲油性的非极性基团憎水基或亲油基两部分所构成。表面活性剂分子结构的特点是具有不对称性即由一亲水基和另一憎水基(或称亲油基)组成。表面活性剂的重要作用一润湿作用表面活性剂可以降低液体表面张力从而达到所需的目的。例如要农药润湿带蜡的植物表面要在农药中加表面活性剂如果要制造防水材料就要在表面涂憎水的表面活性剂。二去污作用洗涤剂中通常要加入多种辅助成分增加对被清洗物体的润湿作用又要有起泡、增白、占领清洁表面不被再次污染等功能。其中占主要成分的表面活性剂的去污过程可用示意图说明:三起泡作用―泡‖就是由液体薄膜包围着气体。有的表面活性剂和水可以形成一定强度的薄膜包围着空气而形成泡沫用于浮游选矿、泡沫灭火和洗涤去污等这种活性剂称为起泡剂。也有时要使用消泡剂在制糖、制中药过程中泡沫太多要加入适当的表面活性剂降低薄膜强度消除气泡防止事故。四增溶作用非极性有机物如苯在水中溶解度很小加入油酸钠等表面活性剂后苯在水中的溶解度大大增加这称为增溶作用。五乳化作用一种或几种液体以大于m直径的液珠分散在另一不相混溶的液体之中形成的粗分散系统称为乳状液影响去污作用的因素表面活性剂结构水的硬度机械作用织物类型温度泡沫第三章判断原电池的正、负极计算原电池的电动势※原电池中gt电动势E在标准态下:只需比较非标准态:先根据Nernst方程计算出然后再比较两个值判断氧化剂、还原剂的相对强弱※越大电对中氧化型物质的氧化能力越强还原型物质的还原能力越弱越小电对中还原型物质的还原能力越强氧化型物质的氧化能力越弱氧化还原反应的方向※氧化还原反应自发进行的判据化学反应自发进行的条件rGmlt而rGmz′FE其中z’是电池反应中转移的电子数FE为法拉第常数氧化还原反应自发进行的判据rGmlt或者Egtgt化学反应在标准状态下自发进行的条件rGθmltrGθmZ′FEθrGθmltEθgt或θgtθ金属腐蚀的防护根改变金属的成分提高材据腐蚀机理和不同环境金属主要有以下几种防腐方法料本身的抗腐能力用耐腐蚀材料覆盖金属表面电化学保护改善腐蚀环境第四章电子的波粒二象性核外电子运动的特殊性微观粒子的运动不能用经典力学来描述因为微观粒子的运动具有它本身的特殊性电子的波粒二象性粒子性电子有确定的体积d约为m和质量×kg波动性电电子在核外空间所处的位置及其运动速度不能同子的衍射实验测不准原理时准确地确定统计性波尔以波的微粒性(即能量量子化概念)为基础建立了氢原子模型。薛定谔等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型。奥地利科学家薛定谔建立起描述微观粒子运动规律的量子力学(又称波动学)理论。人们运用量子力学理论研究原子结构逐步形成了原子结构的近代概念。原子轨道波函数※薛定谔波动方程:描述微观粒子运动状态的基本方程ψψψπmEVψxyzh对氢原子来说波函数ΨX、Y、Z是描述氢原子核外电子运动状态的数学表达式m电子质量h普朗克常数E体系总能量V电子的势能对薛定谔方程求解可以得到一系列波函数Ψ,s、Ψ,s、Ψ,pΨi相应的能量值E,s、E,s、E,pEi方程的每一个解代表电子的一种可能运动状态※在量子力学中用波函数和与其对应的能量来描述微观粒子的运动状态※Ψ是描述电子运动状态的数学表达式Ψ的空间图象叫原子轨道原子轨道的数学表达式就是波函数※描述原子中每个电子的运动状态必须用四个量子数※:即主量子数n:电子所处的电子层副量子数l:电子所处的电子亚层及原子轨道、电子云的形状磁量子数m:轨道在空间的伸展方向自旋量子数ms:电子自旋方向化学键分子的几何构型即分子或晶体内相分子在空间呈邻原子或离子间强一定的几何形状烈的相互吸引作用即几何构型化学键类型:离子键电价键共价键原子键金属键离子键本质:阳、阴离子之间的静电引力存在:离子晶体和少量气态分子中特征:无方向性和饱和性共价键:原子间由于成键电子的原子轨道重叠而形成的化学键共价键的类型※按键是否有极性分:强极性键:如HCl极性共价键共价键弱极性键:如HI非极性共价键:如HH、ClCl按原子轨道重叠部分的对称性分:σ键、π键、δ键σ键:原子轨道以―头碰头‖的形式重叠所形成的键对键轴x轴具有圆柱形对称性的π键:原子轨道以―肩并肩‖的形式重叠所形成的键对xy平面具有反对称性即重叠部分对xy平面的上、下两侧形状相同、符号相反δ键:两个原子相匹配的d轨道以―面对面‖的方式重叠所形成的键键长越短键能越大化学键越牢固※已知分子的键长和键角就可确定分子的几何构型晶体:是指粒子原子、离子或分子按照一定的周期性规律在空间重复排列而成的具有整齐外形以多面体出现的固体物质特征:、有一定的几何外形微晶体如碳黑、刚析出的沉淀非晶体无定形体没有一定的几何外形如玻璃、松香、石蜡、有固定的熔点晶体在熔化时温度保持不变直至全部熔化后温度才开始上升如冰的熔点非晶体无固定的熔点加热时由开始软化到完全熔化整个过程中温度在不断地变化如:松香软化以上全部熔化、各向异性晶体的某些性质如光学性质、力学性质、导热导电性、机械强度等从晶体的不同方向测定时常常是不同的。即因晶体取向不同而异这种性质叫各向异性。如:在石墨晶体内平行石墨层方向比垂直石墨层方向的热导率大,倍电导率大倍左右。再如:从不同方向观察红宝石或蓝宝石会发现宝石的颜色不同这是由于方向不同晶体对光的吸收性质不同。非晶体各向同性取一张云母薄片和一块玻璃片在上面涂上一层很薄的石蜡然后用烧热的钢针去接触云母片和玻璃片的下表面比较一下观察到的结果晶体和非晶体在性质上的差异是两者内部结构不同而造成的晶体内部的微粒的排布是有序的在不同方向按确定的规律重复性地排列造成晶体的各向异性。非晶体内部微粒的排列是无序的、不规律的第五章材料科学的形成史陶瓷材料的发展:在公元年人类发明了火掌握了钻木取火的技术。有了火人们不仅可以用它做熟食、取暖、照明和驱兽还可以烧制陶器。冶炼铜及其合金青铜人们在大量地烧制陶瓷的实践中熟练地掌握了高温加工技术利用这种技术来烧炼矿石逐渐冶炼出铜及青铜。(人类社会最早出现的金属材料)炼铁技术的发展铁器时代炼铜技术的发展为炼铁奠定了基础随着焦碳的使用世纪的产业革命使金属材料大规模发展。合成高分子材料是材料发展中的重大突破。至此以金属材料、陶瓷材料和合成高分子材料为主体形成了完整的材料体系建立了材料科学。材料的地位:※能源、信息和材料是人类社会现代文明的三大支柱。材料又是能源和信息工业技术的物质基础。材料技术是化工科学技术中最活跃的研究领域材料是人类文明进步的里程碑时代的发展需要材料而材料又推动时代的发展科学技术的发展对材料不断提出新的要求。化学是材料发展的源泉一切好的、新的材料都来源于化学。材料的定义※所谓材料是指人类利用单质或化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。也就是说材料是具有某些功能的化学物质。这里所说的化学物质既可以是单质也可以是化合物。由材料的定义可知材料与化学的关系密切。材料的分类:若按材料的成分和特性分类金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。若按用途分类结构材料和功能材料结构材料:以力学性能为基础以制造受力构件即强度为特征的材料功能材料:具有优良的电、光、声、磁和热等效应和功能用来制造各种功能元器件的材料。金属材料概述※金属材料:以金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料。在工程技术上常将金属分为黑色金属和有色金属黑色金属材料:铁、锰、铬以及它们的合金是应用较广的金属结构材料。有色金属材料:除黑色金属以外的其他各种金属极其合金。如稀土金属等。工业上用的金属材料一般是合金合金的性能优于纯金属。金属键特点金属原子的电离能和电负性较小最外层价电子容易脱离原子的束缚成为自由电子原子失电子成为金属阳离子形成金属晶体。金属键无方向性和饱和性金属原子以密堆积方式排列层间可以滑动。金属具有良好的导电性、导热性和延展性。合金:以一种金属为基础加入其它金属或非金属元素经过熔炼、烧结等方法制得的具有金属特性的物质。如:钢铁、黄铜均为合金。钢铁钢铁:铁和碳的合金体系总称。特点:强度高、价格便宜、应用广泛是世界上产量最大的金属材料。生铁:含碳量大于,纯铁:含碳量小于,钢:含碳量在之间。炼钢:实质是控制生铁中的含碳量达到钢的要求同时除去危害钢性能的一些杂质如S、P等若想得到特殊性能的合金钢还要加入一些其他金属称为合金钢。如不锈钢在钢中加入少量的铬可提高钢的抗腐蚀性而不生锈。加入锰增大硬度称为锰钢。形状记忆合金:一种新的功能金属材料用这种合金做的金属丝即使将它揉成一团但只要达到某个温度它便能在瞬间恢复原来的形状。最早研究成功的形状记忆合金是NiTi合金称为镍钛脑(Nitanon)。优点是可靠性强、储氢合金:定义:能储存氢功能好但价格高。定义:具有形状记忆效应的合金※的金属或合金统称为储氢合金这些金属或合金具有很强的捕捉氢的能力它可以在一定的温度和压力条件下氢分子在合金或金属中先分解成单个的原子而这些氢原子便―见缝插针‖般地进入合金原子之间的缝隙中并与合金进行化学反应生成金属氢化物外在表现为大量―吸收‖氢气同时放出大量热量。当对这些金属氢化物进行加热时它们又会发生分解反应氢原子又能结合成氢分子释放出来而且伴随有明显的吸热效应。储氢合金包括:镁系、钛系、锆系、铁系及稀土系储氢合金储氢合金应用:()氢气分离、回收和净化材料,()制冷或采暖设备材料。―吸氢‖化学反应放热―放氢‖时吸热。()镍氢充电电池,目前大量使用的镍镉电池(Ni,Cd)中的镉有毒使废电池处理复杂环境受到污染因此它将逐渐被用储氢合金做成的镍氢充电电池(Ni,MH)所替代。储氢合金用于氢动力汽车的试验已获得成功非晶态金属材料非晶态金属材料:是指在原子尺度上结构无序的一种金属材料。将某些金属熔体以极快的速度急剧冷却由于冷却速度极快高温液态原子的无序状态被迅速―冻结‖而形成无定形的固体因其内部结构与玻璃相似又叫金属玻璃优点:高电阻率、高导磁率、高抗腐蚀性等性能。用途:可用做脉冲高压器、磁放大器、光磁记录材料等。如光盘。缺点:难加工、不能焊接、厚度有限无机非金属材料:是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。无机非金属材料是除金属材料和有机高分子材料以外的其它材料的统称。它是随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。高温结构陶瓷:陶瓷材料选用SiN和SiC等。特点,能经受高温、耐氧化、耐酸碱腐蚀、硬度大、耐磨损密度较小等。用途,用它做的柴油发动机不需水冷却使热效率大幅度提高还可减轻汽车的质量。透明陶瓷一般陶瓷是不透明的(但光学陶瓷像玻璃一样透明故称透明陶瓷。特性:具有优异的光学性能而且耐高温。用途:常用来制造防弹汽车的车窗、坦克的观察窗、轰炸机的瞄准器和高级防护眼镜等。生物陶瓷可代替人体器官和组织的材料代替人体器官和组织的材料的要求:,生物相容性好对肌体无免役排异反应,血液相容性好无容血、凝血反应,不会引起代谢异常现象,对人体无毒、不会致癌。满足上面条件的有生物陶瓷、生物合金和生物高分子用陶瓷制造骨骼是通过计算机系统为患者专门定做的人造骨骼所用的材料与人体骨骼非常相似它有助于患者更加活动自如,纳米陶瓷陶瓷材料发展经历了三次飞跃,由陶器进入瓷器一次飞跃,传统陶瓷发展到精细陶瓷二次飞跃,把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级,m用这种超细微粉体粒子制造陶瓷材料得到新代陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷的特性:年代发现当陶瓷的颗粒达到纳米级时会出现许多普通陶瓷不具有的奇异性质。如延展性有的甚至出现超塑性。例如:纳米氧化锆(ZrO)陶瓷在室温

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