第一章+物质的聚集状态1

华伟明电话：65642409(内线：22409)实验室手机-mail:wmhua@办公室：国权路579号催化楼301室/teacher.asp?tno=huaweiming普通化学

(GeneralChemistry)化学是研究化学反应的一门物质科学

化学反应化学是一门研究物质组成、结构、性质、变化及其内在联系和外在变化条件的科学。一、什么是化学？绪论化学反应的基本特点1)化学反应是质变----化学反应是旧化学键断裂和新化学键形成的过程，其实质是化学键的重新组合。2)化学反应前后物质的总质量不变----化学反应涉及原子核外电子的重新组合，而原子核并不发生变化。因此在化学反应前后，参与反应的元素种类不会变化。由于原子核外电子的总数未变，所以化学反应前后物质的总质量不变，即服从质量守恒定律，而且参与反应的各种物质之间有确定的计量关系。3)化学变化伴随着能量变化----由于各种化学键的键能不同，所以化学反应过程中总是伴随着能量的吸收和释放。化学在自然科学中的地位中心科学CentralScience

化学是一门中心科学，化学与生命、材料、信息等科学有非常密切的联系，产生了许多重要的交叉学科。化学也是一门社会迫切需要的中心科学，与我们的衣、食、住(建材、家具)、行(汽车、道路)都有非常紧密的联系。化学和自然科学其它领域的联系自然科学中分子层次的基础科学：

核心：物质在分子和超分子层次的变化规律

功能：创造新物质或者人工模仿自然界物质，了解自然界的一系列变化规律

延伸：健康（生命现象的本质：新药物）能源（化学转化、储能、催化）环境（绿色化学、环境治理）材料（衣食住行...）信息

为了生存的需要，人们必须在有限的土地上生产出更多的粮食和农产品，化学承担着化肥和化学农药的重大责任化学是能源的开拓者。能源也是人类生存的必要条件之一，然而石油、煤和天然气等化石能源日趋减少；开发新的能源（化学电源、生物质能等）。化学对人类社会作出了巨大贡献化学是材料的研制者，每一种新材料的出现都将人类生活质量推向一个新的台阶。60年代发明了聚合反应的催化剂，人类就进入了高分子时代。新的合成药物层出不穷，大大提高了人类的平均寿命，从1900年的45岁到现在的将近80岁。随着经济的发展和人口的增长，人类赖以生存的环境也在受到日益严重的污染。化学是环境的保护者。石油：1.258万亿桶，可开采42年天然气：185.02万亿立方米，可开采60年煤炭：8260亿吨，可开采122年(集中分布在亚太地区和北美洲)BP《世界能源统计2009》世界化石能源我国化石能源石油：155亿桶，仅占全球总量的1.2%天然气：2.46万亿立方米，仅占全球总量的1.3%煤炭：1145亿吨，占全球总量的13.9%GeorgeA.Olah,etal.,BeyondOilandGas:TheMethanolEconomy,

2006胡金波等译,跨越油气时代:甲醇经济,

2007化学所涵盖的内容广泛而丰富，它是主要从三个方面研究物质的科学利用各种分析方法测定物质由哪些原子以什么比例组成，原子间以什么作用力结合在一起，它们具有什么样的空间排布用化学合成手段制造出各种组成和结构的化合物和材料阐明并控制化学反应的全过程化学是一级学科，其分支学科称为二级学科。按研究对象或研究目的不同，可将化学分为：无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学、生物化学等二级学科。二级学科以下还可细分为三级学科，如：催化是物理化学的分支学科。二、化学的分支学科无机化学最古老的化学分支，早期的化学研究基本属于无机化学范畴。是研究无机物的组成、结构、性质、互相转变及应用的科学随着无机化学研究范围不断扩展并与其他学科交叉、渗透，形成了元素化学、无机合成化学、配位化学、生物无机化学、无机固体化学、原子簇化合物化学、超分子化学等三级学科有机化学是研究有机化合物的来源、合成方法、组成、结构、性能、应用及有关理论的科学。复杂生命现象的研究对象主要是有机分子，因此有机化学的深入研究也为研究生物活性物质与解决生命科学的课题提供必要的基础与条件主要内容包括：天然产物化学、有机合成化学、物理有机化学、元素有机化学、生物有机化学、染料化学等分析化学根据化学和物理学的原理，应用各种方法和仪器，用以鉴别和测定物质的化学组成、结构、存在形式及有关组分的含量等的科学按任务可分为定性分析、定量分析和结构分析；按分析方法可分为化学分析和仪器分析。现代分析化学正向快速、准确、灵敏、微量、微区、表面、自动化等方向发展。主要内容包括：光谱分析、电化学分析、色谱分析、质谱分析、核磁共振、表面分析、放射化学分析、单分子(原子)检测、生化分析等物理化学以物理学的原理和实验技术为基础，研究化学变化基本规律的科学。是化学的基础理论，涵盖从微观到宏观对结构与性质的关系、化学过程机理及其控制的研究主要内容包括：化学热力学、化学动力学、结构化学、量子化学、电化学、催化化学、胶体化学、单分子科学等高分子化学是研究高分子化合物的分离、提取、结构、性能、合成方法、成型加工等的科学主要内容包括：高分子合成化学；高分子物理；功能高分子及器件；高分子加工与成型；高分子高级结构、尺度与性能的关系；通用高分子材料等化学研究的六个发展趋势

1、不同学科之间的交叉和融合

(1)生命科学中的基本化学问题

(2)材料科学中的基本化学问题

(3)可持续发展的基本化学问题（绿色化学、环

境化学、能源化学）

2、理论和实验更加密切结合

3、更加重视尺度效应（分子以上层次、尺度效应和多

尺度问题）

4、合成化学的新方法

5、造成污染的传统化学向绿色化学的转变

6、新实验方法的建立和方法学研究 三、化学的机会与挑战新科技革命可能在六大领域首先突破基本科学问题：宇宙演化、物质结构、意识本质能源与资源信息网络先进材料和制造农业人口健康教材与参考书教材：《现代化学原理》（上、下册）参考书：《普通化学原理(第3版)》，华彤文、陈景祖等编著，北京大学出版社课件PPT/portal

登录普通化学A(上)–华伟明

资源作业成绩评定课堂纪律四、课程内容安排及其它《普通化学A(上)》的简单介绍对化学的基本概念和原理作初步介绍，为深入学习其它化学课程打下良好基础第1章物质的聚集状态（第2、9、10、21章）第2章原子的电子结构（第18章）第3章化学键和分子结构（第19、20章）第4章化学热力学初步（第6、7章）《普通化学A(下)》第5章化学平衡通论（第11章）第6章化学动力学简介（第16章）第7章酸碱平衡（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章氧化还原反应与电化学（第15章）第11章元素化学（第22、23、25章）第一章物质的聚集状态固体（Solid）液体（Liquid）气体（Gas）三种物态之间可随温度或压强变化而互相转化物质的聚集状态（物质的三态）第四态：等离子体（Plasma）。当温度足够高，外界提供的能量打破了气体分子中的原子核和电子的结合，气体就电离成由自由电子和正离子组成的电离气体，即等离子体。等离子体的意思是指其中粒子所带的正、负电量是相等的。例：等离子电视。液体与固体之间的过渡状态：液晶（Liquidcrystal）。液晶既具有液体的性质（流动性），也具有晶体的性质（光学和电学性质与液体不同，很象晶体，是各向异性）。例：液晶显示器、液晶电视成份摩尔分数成份摩尔分数

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海平面上干燥空气的组成

§1

气体(Gases)气体的特性：具有可扩散性和可压缩性无固定形状密度很小可以任何比例混合不同的气体化学性质不同（H2、O2），但它们表现出来的宏观性质却非常相似。P、V、n、T：气体的四大宏观性质，也称为气体的状态变量P压强，V

体积，n化学量（物质的量），T温度任何一种物质：V=f(T,P,n)对于液体和固体，该关系式非常复杂。但是不同的气体在一定的条件下（高温低压）都符合同一个关系式§1.1理想气体状态方程(TheIdealGasEquation)理想气体状态方程PV=nRT

理想气体：（a）气体分子有质量但没有体积（b）气体分子间没有作用力真正的理想气体是不存在的，但在高温低压条件下，实际气体接近于理想气体，为什么？波义耳定律（1662）：

一定温度下，一定量气体的体积与压强成反比。其数学表达形式为：PV=K(n,T)或V=

波

义

耳，

查理－盖•吕萨克定律（1787）：一定压强下，一定量气体的体积与绝对温度成正比。其数学表达形式为：

=K(n,P)

查理盖•吕萨克

19世纪克拉佩龙将波义尔定律、查理－盖•吕萨克定律、阿佛伽德罗定律三条定律归于一个方程式，即理想气体定律。PV=nRT在不同的条件下，有不同的表现形式：a)n、T一定时，P1V1=P2V2，Boyle’sLawsb)n、P一定时，，CharlesGayLussac’sLawsP、T一定时，，Avogadro’sLawsd)n一定时，阿佛伽德罗定律（1811）：相同温度和压强下，气体的体积和它的物质的量成正比。其数学表达形式为：

V

=K(T,P)n在实际运用理想气体状态方程时，要注意两点：（1）在不同的条件下，它有不同的表现形式（2）单位和单位的匹配单位：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：热力学温度（或绝对温度），KT(K)=273.15+t(oC)n：物质的量或化学量，mol，mmol在PV=nRT中，n的单位只能是molR：摩尔气体常数，P44/表238.314Pa•

m3

•

mol-1

•

K-18.314kPa•

L•

mol-1

•

K-10.08206atm•

L•

mol-1

•

K-1单位的匹配：TK，nmolP：PakPaatm

V：m3LL

R:

8.3148.3140.08206R：能量单位，8.314J•

mol-1

•

K-1

Pa•

m3=J推导

：

例1.30oC，1atm下，体积为1.0104L的He气球上升至0.60atm，-20oC高空后，体积有多大？解：上升前：P1，V1，T1；上升后：P2，V2，T2n不变，所以有：例2.实验测得310oC，101.3kPa时，单质气态磷的密度为2.64g/dm3，求：该气体的分子量及气态磷的分子式Px？已知：P的原子量为30.96g/mol。极限密度法测定气态物质的精确分子量

表明：在压强为0

1atm范围内，以P/对P作图，直线在P/

轴上的截距应为：(P/)0=RT/M。

P为01atmP.50-51（了解）

25.00oC时，(CH3)2O的P/

P图

=46.071(gmol1)

1L4La)1atmO2真空混合后：b)

真空2atmN2混合后：c)1atmO22atmN2混合后:P=?Dalton分压定律适用条件：(1)

无化学反应发生(2)只适用于理想气体T保持不变§1.2

混合气体(Mixtureofgases)

Dalton分压定律(Dalton’sLawofPartialPressures)Dalton分压定律：在温度与总体积恒定时，混合气体的总压等于各组分气体的分压强之和。

Dalton分压定律的数学表达式:上面的例子中：P总=pO2+pN2=0.2+1.6=1.8atm分压

：一定温度下，混合气体中单个组分气体单独占有总体积时所表现的压强。分压不可以测量。P总=PA+PB+PC+……+Pi

每一组分气体都是理想气体，则有：于是：（Dalton分压定律的另一种表达方式）（物质的量分数）Dalton分压定律的其它表达形式小结：气体分压如何求解？PA=nART/V总,

PB=nBRT/V总,Pi=niRT/V总P总=nART/V总

+nBRT/V总

+……+niRT/V总

=(nA+nB+……+ni)RT/V总=n总RT/V总在温度和总压强恒定的条件下，混合气体的总体积等于各组分气体的分体积之和。分体积：一定温度下，混合气体中单个组分气体在压强为P总时所占有的体积。分体积不可以测量。V总=VA+VB+VC+……+Vi

P总Vi

=niRT对于一混合气体（T，P总，V总），可以从两个角度来描述：P总=PA+PB+PC+……+Pi

V总=VA+VB+VC+……+Vi

PiV总=niRT（每一种气体都符合理想气体状态方程）P总Vi=niRT（每一种气体都符合理想气体状态方程）当把混合气体看成一整体时，则有：P总V总＝n总RT注意：下列关系式错误PiVi＝niRT()例3.在25oC，758mmHg时从水面收集到饱和有水蒸气的氢气152mL。已知：25oC时水的饱和蒸气压为23.76mmHg。计算：（1）H2的分压；（2）收集到的H2的物质的量；（3）干燥H2的体积。(1)PH2=75823.76=734.24(mmHg)(2)PH2V总

=nH2RT(3)解法一P总VH2=nH2RT解法二例4.在250oC，PCl5全部气化并能部分转化为PCl3和Cl2，现将2.98gPCl5置于1.00L的容器中，在250oC全部气化后，测得其总压为113kPa。计算：容器中各气体的分压。已知：MPCl5＝208.5g/molPCl5PCl3+Cl2初始：nPCl5000转化：xxx平衡：nPCl50

x

x

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

x=0.01169(mol)平衡时，PCl5PCl3+Cl2初始：PPCl5000转化：xxx平衡：PPCl50

x

x

x62.2x+x+x=113x=50.8(kPa)平衡时，PPCl5=PPCl50x=62.250.8=11.4(kPa)PPCl3=PCl2=x=50.8(kPa)解法二V总、T不变，摩尔数之比等于分压之比，因此，摩尔数的变化可以用分压的变化来表示用压缩系数Z来表示实际气体的实验值和理想值的偏差：实际上，气体分子本身是有体积的，它们占有容器的一部分空间。分子间确实存在着某种吸引力（气体能液化的事实可说明）。n=1mol§1.3

实际气体Z>1或者<