第一章 物质及其变化

1、第一章 物质及其变化第一节 物质的聚集状态第二节 化学反应中的质量关系和能量关系习题习题参考答案本章重点本章重点 v1.气体的性质；v2.理想气体状态方程；v3.分压定律； v4.质量守恒定律与能量守恒和转化定律。本章难点本章难点v1.分压定律；v2.焓变；v3.热化学方程式。第一节第一节 物质的聚集状态物质的聚集状态物质总是以一定的聚集状态存在。常温、常压下，通常物质有气态、液态和固态三种存在形式，在一定条件下这三种状态可以相互转变。此外，现已发现物质还有第四种存在形式等离子体状态。 1-11-1气体气体气体的基本特征：扩散性和可压缩性，其存在状态几乎与组成无关，主要决定于V、P、T、n四个

2、因素。理想气体的物理模型：理想气体分子之间没有相互作用力，分子本身也只是一个几何点，只有位置而不占体积。 人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为理想气体。 在温度不太低，压力不太高的真实气体接近理想气体。 1、理想气体状态方程式： pV=nRTp气体压力，单位为Pa(帕)；V气体体积，单位为m3(立方米)；n气体物质的量，单位为mol(摩)；T气体的热力学温度，单位为K(开)；R摩尔气体常数，又称气体常数。标准状态（T= 273.15K，p=101.325 kPa）下，测得1.000mol气体所占的体积为22.41410-3m3，则：R=pV/nT=101.325103Pa22.41410-

3、3 m/31.000mol273.15K=8.314Nmmol-1K-1（或8.314牛米摩-1开-1)=8.314 Jmol-1K-1(或8.314焦摩-1开-1)理想气体状态方程式的应用（1） 计算p，V，T，n四个物理量之一。 应用范围： 温度不太低，压力不太高的真实气体。pV = nRT（2）气体摩尔质量的计算M = Mr gmol-1pVmRTMRTMmpVnRTpVMmn（3）气体密度的计算 =RTpMpVmRTM = m / VpRTM有关气体体积的化学计算例:为了行车的安全，可在汽车中装备上空气袋，防止碰撞时司机受到伤害。这种空气袋是用氮气充胀起来的，所用的氮气是由叠氮化钠与三

4、氧化二铁在火花的引发下反应生成的。 总反应是：6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)在25。748mmHg下，要产生75.0L的N2，计算需要叠氮化钠的质量。解：根据化学反应方程式所显示出的n（NaN3）与n（N2）的数量关系，可以进一步确定在给定条件下，m（NaN3）与V（N2）的关系。6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)6mol9molMr(NaN3)=65.01 P=748mmHg=99.73kPa T=298Km(NaN3)=390.06g V(N2)=223.6Lm(NaN3)=？ V(N2)=75.0Lm(N

5、aN3)= =131g1KPa=7.5mmHg L6223L075g06390.组分气体：理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。分压：组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压。VRTnpBB2 分压定律分压定律： 混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。 p = p1 + p2 + 或 p = pB VnRTp ,2211VRTnpVRTnpVRTnnVRTnVRTnp2121 n =n1+ n2+ 分压的求解：x B B的摩尔分数VRTnpBBpxpnnpxnnppBBBBBBVnRTp 例题 某容器中含有NH3、O2 、N2等气体的混合物。

6、取样分析后，其中n（NH3）=0.320mol，n（O2）=0.180mol，n（N2）=0.700mol。混合气体的总压p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。解：n= n（NH3）+n（O2）+n（N2） =0.320mol+0.180mol+0.700mol =1.200mol 35.5kPakPa0.133200.1320.0NH)NH(33pnnpp(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa20.0kPakPa5 .35320. 0180. 0OO22pnnp 分压定律的应用 例题: 可以用亚硝酸铵受热分解的方法

7、制取纯氮气。反应如下： NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g)如果在19、97.8kPa下，以排水集气法在水面上收集到的氮气体积为4.16L，计算消耗掉的亚硝酸铵的质量。解： T=（273+19）K=292K p=97.8kPa V=4.16L292K 时，p（H2O）=2.20kPaMr (NH4NO2)=64.04n(N2)=0.164molNH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g)64.04g 1molm(NH4NO2)=? 0.164mol m(NH4NO2)= =10.5gK292molKJ31484.16L)kPa202897(1 -1 -.mol1mol164

8、. 0g04.643 分体积定律分体积: 混合气体中某一组分B的分体积VB是该组份单独存在并具有与混合气体相同温度和压力时所占有的体积。混合气体的总体积等于各混合气体的总体积等于各组分气体的分体积之和：组分气体的分体积之和： V V总总= =V VA A+ +V VB B+ +V VC C+ V = V1 + V2 + pRTnVBBBBVV或pnRTV pRTnnpRTnpRTnV2121 称为B的体积分数BBBnnVVppVVxppBBBBBBB例题 氧是人类维持生命的必需气体，缺氧生命就会死亡，过剩的氧会使人致病，只有在氧气的分压维持21kPa才能使人体维持正常代谢过程。在潜水员自身携带

9、的水下呼吸器中充有氧气和氦气（He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得气栓病） 某潜水员潜至海水30m处作业，海水的密度为1.03gcm-3，温度为20。在这种条件下，若维持O2、He混合气中p(O2)=21kPa氧气的体积分数为多少？以1.000L混合气体为基准，计算氧气的分体积和氮的质量。（重力加速度取9.807m/s2）解：T=（273+20）K=293K海水深30m处的压力是由30m高的海水和海面的 大 气 共 同 产 生 。 海 面 上 的 空 气 压 力 为760mmHg，则p=g hw+ kPa101mmg760mmHg760=9.807 m/s2 1.03103kgcm

10、-330m+101kPa=3.03103 kgcm-1 s-2 +101kPa =303kPa+101kPa =404kPa%2.5%10040421)O()O()O(kPa21)O(2222iixVVxVVpppg63. 0K293molKJ314. 8L)052. 0000. 1 (kPa404molg0026. 4)He()He(0026. 4)He(mL52L52. 0)O(111r2TRVPMmMV若混合气体体积为1.000L时，v 液体液体 液体内部分子之间的距离比气体小得多，分子之间的作用力较强。液体具有流动性，有一定的体积而无一定形状。与气体相比，液体的可压缩性小得多。 蒸发蒸

11、发 液体表面某些运动速度较大的分子所具有的能量足以克服分子间的吸引力而逸出液面，成为气态分子，这一过程叫做蒸发。 凝聚凝聚 气态分子撞击液体表面会重新返回液体，这个与液体蒸发现象相反的过程叫做凝聚。 v液体的蒸气压 饱和蒸气:在恒定温度下，与液体平衡的蒸气称为饱和蒸气。 饱和蒸气压: 饱和蒸气的在该温度下所具有蒸气压，简称蒸气压。 蒸气压是物质的一种特性，常用于表征液态分子在一定温度下蒸发成气态分子的倾向大小。在某温度下，蒸气压大的物质为易挥发物质，蒸气压小物质为难挥发物质。液体的沸点液体的沸点沸点沸点 液体的蒸气压等于外界压力时的温度即为液体的沸点。正常沸点正常沸点 如果外界压力为101.3

12、25 kPa时的沸点就叫正常沸点。蒸汽压与温度的关系蒸汽压与温度的关系 液体的沸点随外界压力而变化。若降低液面上的压力，液体的沸点就会降低。在海拔高的地方大气压力低，水的沸点不到100，食品难煮熟。 v 固体：分为晶体和非晶体固体：分为晶体和非晶体| 晶体有一定的几何外形 | 有固定的熔点 v 各向异性各向异性 晶体的某些性质具有方向性，像导性、传热性、光学性质、力学性质等，在晶体的不同方向表现出明显的差别。例如，石墨晶体是层状结构，在平行各层的方向上其导电、传热性好，易滑动。又如，云母沿着某一平面的方向很容易裂成薄片。 铅笔写字铅笔写字v 等离子体等离子体等离子体等离子体 是物质的另一种存在

13、形式。当气态物质接受足够高的能量(如强热、辐射、放电等)时，气体分子将分解成原子，原子进一步电离成自由电子和正离子，它们的电荷相反而数量相等，当气体中有足够数量的原子电离时，将转化为新的物态等离子体，有人称它为物质的第四态。 等离子体实际上是高度电离的气体。化学热力学主要是从宏观的角度研究化学反应化学热力学主要是从宏观的角度研究化学反应的能量变化，研究化学反应的方向，可能性等问题。的能量变化，研究化学反应的方向，可能性等问题。其不仅可以用来分析各种无机化合物的物理化学性其不仅可以用来分析各种无机化合物的物理化学性质，而且也能阐明无机化学中与化学反应速度有关质，而且也能阐明无机化学中与化学反应速

14、度有关的许多平衡问题。的许多平衡问题。第二节第二节 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系v 质量守恒定律 参与化学反应前各种物质的总质量等于反应后全部生成物的总质量，这是化学反应的一个基本定律质量守恒定律。v 反应热效应反应热效应 焓变焓变v 反应的热效应反应的热效应 若化学反应时，系统不作非体积功如电功、机械功、声功等，且反应终了(终态)与反应初始(始态)时的温度相同，则系统吸收或放出的热量称作该反应的热效应。 恒容热效应恒容热效应: :恒温恒容且只做体积功时反应吸收或恒温恒容且只做体积功时反应吸收或放出的热量。放出的热量。 QQV V=U U2 2- -U U1 1

15、=U U 恒压热效应恒压热效应: :恒温恒压且只做体积功时反应吸收或恒温恒压且只做体积功时反应吸收或放出的热量。放出的热量。 QQp p=H H生成物生成物- -H H反应物反应物=H H放热反应 H0 若生成物的焓小于反应物的焓，则反应过程中多余的焓将以热量形式放出，该反应为放热反应。吸热反应 H0 若生成物的焓大于反应物的焓，则反应过程中要吸收热量，该反应为吸热反应。热化学方程热化学方程式式 表示化学反应及其热效应的化学反应方程式，表示化学反应及其热效应的化学反应方程式，称为称为热化学方程式热化学方程式。它的书写一般是在配平的化。它的书写一般是在配平的化学方程式学方程式 右面加上反应的热效

16、应。右面加上反应的热效应。标准状态：标准状态：2H2(g)+O2(g) 2H2O(g)(298.15K) = -483.64kJmol-1rHm液、固体：液、固体：T，p 下，纯物质下，纯物质溶液：溶质溶液：溶质B，cB=c =1molL-1气体：气体：T，p = p =100KPa2H2(g)+O2(g) 2H2O(g)(298.15K) = -483.64kJmol-1rHm 聚集状态不同时，聚集状态不同时， 不同。不同。rHm2H2(g)+O2(g) 2H2O(l)(298.15K) = -571.66kJmol-1rHm 化学计量数不同时，化学计量数不同时， 不同。不同。rHm(298

17、.15K) = -241.82kJmol-1rHmH2(g)+ O2(g) H2O(g)21END (4)正逆反应的热效应数值相同，符号相反。正逆反应的热效应数值相同，符号相反。书写方法：书写方法：(1)要注明反应条件要注明反应条件:温度、压力。温度、压力。(2)注明物质的聚集状态和晶形注明物质的聚集状态和晶形(g,l,s,aq等等)。(3)方程式中系数只表示计量数，可整数、分数。方程式中系数只表示计量数，可整数、分数。 计量数不同时，反应热不同。计量数不同时，反应热不同。C(石墨石墨) O2(g) CO2(g)C(金刚石金刚石) O2(g) CO2(g)rHm= -393.5 kJmol-1

18、rHm= -395.4 kJmol-1v 热化学定律热化学定律黑斯定律内容：(1) 在相同条件下，正反应与逆反应的H数值相等，符号相反。(2) 一个反应若能分成两步或多步实现，则总反应的H等于各步反应H之和。即，化学反应的热效应只与反应的始态和终态有关，而与反应的途径无关。 Hess定律定律始态始态终态终态中间态中间态 化学反应不管是一步完成还是分几步完化学反应不管是一步完成还是分几步完成，其反应热总是相同的。成，其反应热总是相同的。rHmrHm,1rHm,2rHm,1rHm,2rHm+=或或rHm=rHm,i 间接计算求得一些无法直接测定的反应的热效应。黑斯定律的应用例：例：已知已知298.

19、15K下下，反应：，反应：应用：应用：1.利用方程式组合计算利用方程式组合计算rHm)(gCO (g)OC(s)(1)22 (1) = -393.5kJmol-1rHm(g)CO (g)OCO(g)(2)2221 (2) = -283.0kJmol-1rHmrHm求：求：C(石墨石墨) O2(g) CO(g)的的21解：解：利用利用Hess定律定律)(gOC(s)2)g(CO)g(O221 gCO2途径途径1途径途径2解法二：解法二：(1)rHm(3)rHm(2)rHm=+(1)rHm(2)rHm(3)rHm- -=(1)rHm(2)rHm(3)rHm= -110.53kJmol-1(g)CO(g)OC(s)22 222)(gCO(g)OCO(g)1 1CO(g)(g