无机化学热力学2011
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
组分气体分压之和。
p = p1 + p2 + 或 p = pB
pB
nBRT V
p
nRT V
pB p
nB n
xB
pB
nB n
p
xB p
x B B的摩尔分数
混合气体中，某组分的分压是指（
）。
(A)相同温度时, 该组分气体在容积为1.0L的容器中所产生的压
力；
(B)该组分气体在273.15K时所产生的压力；
什么叫“化学”?
在原子、分子以及超分子的层次上研究物质的组成、
结构、性质、变化规律及其应用的科学。
以非共价键弱相 互作用力结合起 来的复杂有序且 有特定功能的分 子结合体—— “超分子” 。 例如:DNA
化学--- Chemistry
化学是一门中心科学
物有物高材生生物 理机理分料物物理 学化化子化化学学
(四）热力学方法的特点 1.研究体系的宏观性质。
即大量质点的平均行为，所得结论具有统计意 义；不涉及个别质点的微观结构及个体行为， 不依据物质结构的知识。
2.不涉及时间概念。 例：H2 (g) + ½ O2(g) = ½ H2O(l) 正反应自发
2-1常用的热力学术语
（一）体系和环境(system and surrounding) 体系——即作为研究对象的物质。 环境——体系之外，与体系密切相关影响
元素通论 s区元素 p区元素 d,ds区元素 f 区元素
结构-性质的关系---用这些理论去分析、研究和解决化学问题
一些问题
火箭燃料
石墨粉
？在15000个大气压、 摄氏1500度的高温条件下
钻石
水蒸气为什么可以凝结成液态水？ 液态水为什么又可以结成冰？
塑料袋
金刚石
石墨
金刚石是目前最硬的物质，其 内部的碳原子呈“骨架”状三 维空间排列，一个碳原子周围 有4个碳原子相连，排列方向 一致，因此在三维空间形成了 一个骨架状，这种结构在各个 方向作用力(化学键)均匀，联 结力很强，因此使金刚石具有 高硬度的特性。
（物质交换和能量交换）所及的部分。
体系
环
境
（一）体系和环境 （续）
体系分类
按体系与环境的关系(有无物质交换和/或能量交 换)划分
物质交换 能量交换
敞开体系
有
有
(open system)
封闭体系
无
有
(closed system)
孤立体系
无
无
(isolated system)
（二）状态和状态函数
(C)同一容器中，该组分气体在273.15K时所产生的压力；
(D)相同温度时, 该组分气体单独占据与混合气体相同体积时所
产生的压力。
解：D
第1章 化学热力学初步 Introduction to Chemical Thermodynamics
热力学简介
（一）什么叫“热力学” 热力学是研究热和其他形式的能量互相转变所遵循
铅笔为什么可以写字?
而石墨却是最软的物质之一。 石墨内部的碳原子呈层状排列， 碳与碳组成了六边形的环状， 无限多的六边形组成了一层。 层与层之间作用力(分子间力) 非常弱，因此受力后层间就很 容易滑动以至破裂。
真空管中 含少量 H2(g),高 压放电
连续光谱
氢原子光谱
原子发射光谱
(不连续的光谱)?
7 . 东北师范大学王恩波课题组对多金属氧簇的研究处于领先地位。成果发表在德国 应用化学和美国化学会志
我国无机化学发展新进展简介：
从传统的无机化学角度来看，生物无机化学和放射化学的研究则相对滞后。在 国家自然科学基金委员会和中国科学院化学部的共同支持下，2002年3月5-7日 在深圳举行了生物无机化学发展战略研讨会。会议分析了国内外生物无机化学 发展过程和在目前生命科学和化学科学交叉发展相互促进的强大动力和趋势。
气体的最基本特征：具有可压缩性和扩散性
1.理想气体状态方程式
假定： 分子不占有体积(忽略尺寸)
分子间作用力忽略不计
P V= n R T
压体 力积
物 气温 质 体度 的常 量数
R=8.314 J ·mol-1 ·K-1 PV = (m/M) RT 适用于：温度较高或压力较低时的稀薄气体
2 混合气体分压定律
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在相同温度下单独占有与混合气体 相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压
T nA
V
nB
P总
T nA
V
nB
PA= nA(RT/V)
PA PB
PB= nB(RT/V)
一种组分气体的分压与其他组分气体的存在无关。
2 混合气体分压定律 混合气体的总压等于混合气体中各
热力学简介 （续） (三)化学热力学解决什么问题？
1. 反应过程的能量转换——放热？吸热？ （△H﹤0, 放热; △H﹥0, 吸热）
2. 反应的方向或说可能性 (△rGm ﹤0 ?)
指定条件下，正反应可否自发进行?
3. 反应的限度——如果正反应可自发进行， 正反应能否进行到底 (K 大小)?;
热力学简介 （续）
无机化学的学习方法： 1 学习态度 要有学习主动性，主动学习。 2 学习方法 培养良好学习习惯，提高课堂听课效率。 3 做到三习 课前预习、课后复习，适当练习。 4 课堂笔记 教材为主，教参为辅，适当参阅网络课堂。 5 重视实验 加强基本功训练。不怀疑不见真理。 6 多多交流 大学的学习不单纯是理论知识的学习。 如何学习无机化学 大学学习模式: 每节课讲授内容多, 讲授内容重复性小, 作业量少, 无课堂练习, 强调自学能力的提高. 针对大学学习特点, 提出如下 要求:课堂认真听讲, 跟上教师讲授思路, 有弄不懂的问题暂且放下, 待以后解决, 不然, 由于讲授速度快, 容易积累更多的疑难问题。
学学化学学 学
分 析化 学
无 机化 学
原子核 原子、分子、晶体
生物体 物体,天体
无机化学(inorganic chemistry) 的主要内容
物质的形 态与结构 微观 原子结构
分子结构
晶体结构
气液固体
物质的 变化规律 宏观 化学热力学 化学动力学 酸碱平衡 沉淀平衡 氧化还原平衡 配位平衡
元素化学
过程1 和 过程2：△T = T2 - T1 = 350 K – 298 K = 52 K
状态函数的变化量只取决于始态和终态, 而与过程或途经无 关。
且规定：状态函数变化量 = 终态值 - 始态值
（3）周而复始变化为零 （循环过程△X = 0）
始态T1、终态 T2 ： 298 K ← 350 K
的规律的一门科学。
（二）什么叫“化学热力学” 应用热力学原理，研究化学反应过程及伴随这些过 程的物理现象，就形成了“化学热力学”。
热力学 (thermodynamics) 一词的意思是热 (thermo) 和动 力 (dynamics) ，即由热产生动力，反映了热力学起源于对 热机的研究。从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸汽机 在生产中的广泛使用，如何充分利用热能来推动机器作功成 为重要的研究课题。
现代无机化学就是应用现代物理技术及物质微观结构的观点来 研究和阐述化学元素及其所有无机化合物的组成、性能、结构 和反应的科学。无机化学的发展趋向主要是新型化合物的合成 和应用，以及新研究领域的开辟和建立。
现代物理技术如：X射线、中子衍射、电子衍射、磁共振、光谱、 质谱、色谱等方法的应用，使无机物的研究由宏观深入到微观， 从而将元素及其化合物的性质和反应同结构联系起来，形成现 代无机化学。
↓
↑
520 K → 410 K
△T = T2 - T1 = 298 K – 298 K = 0 K 对于任意循环过程(始态与终态相同)，任何一个状
Water,H2O 极性分子？
为什么有些物质 有磁性？
金属盐溶液
现代无机化学简介：
当前无机化学正处在蓬勃发展的新时期，许多边缘领域迅速崛起， 研究范围不断扩大。已形成无机合成、丰产元素化学、配位化学、 有机金属化学、无机固体化学、生物无机化学和同位素化学等领 域。 无机化学是大学化学化工相关专业的必修课程。
(Angew. Chem. Int. Ed.,(2001,40,4422-4425)
4. 中国科学院福建物质结构研究所洪茂椿、吴新涛等在纳米材料和无机聚合物等方 面的研究取得举世瞩目的成就，合成了纳米金属分子笼( J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4819)、纳米级孔洞的类分子筛、金属纳米线和金属-有机纳米板 。 5．北京大学高松研究小组在磁分子材料(Angew. Chem. Int. Ed., 40(2), 434-437, 2001)、金 属簇合物为结构单元的超分子组装(Angew. Chem. Int. Ed., 39(20), 3644, 2000)的研究方面取 得了突出成果。 6．清华大学李亚栋研究组在新型一维纳米结构的制备、组装方面取得了突出的进 展。 (J. Am. Chem. Soc. 123(40), 9904~9905, 2001)
我国无机化学发展新进展简介：
近几年我国无机化学在国家自然科学基金及其它基础项目的支持下，基础研究 取得突出进展，成果累累，一批中青年专家的工作脱颖而出。无机化学在最近 几年里所取得的突出进展主要表现在固体材料化学、配位化学方面，在某种程 度上与国际保持同步发展。
1. 中国科技大学钱逸泰、谢毅研究小组在水热条件、有机体系中实现了新的无机化学 反应,在相对低的温度制备了一系列非氧化物纳米材料。有些工作在Science上发表。 2. 吉林大学冯守华、徐如人研究组应用水热合成技术，从简单的反应原料出发成功 地合成出具有螺旋结构的无机物。(Angew. Chem. Int. Ed. 2000, Vol. 39, No. 13, 2325-2327 ) 3. 南京大学熊仁根、游效曾等在光学活性的类沸石的组装及其手性拆分功能研究方面 取得了丰硕成果，设计和合成了具有手性与催化功能的无机-有机杂化的多维结构 。
并在原理的指导下，了解化学变化中物质组成、结构和性质 的关系，初步从宏观和微观的不同角度理解化学变化基本特 征，掌握常见元素及化合物的酸碱性、氧化还原性、溶解性、 热稳定性、配位能力等特性及典型反应。
通过“无机化学”的学习，同学们应学会归纳总结、自主学 习，并能够运用所学过的知识分析问题、解决问题，具有一 定的创新意识和创新能力。
状态函数的特征
（1）状态一定，状态函数的值一定：一个体系的某个
状态函数的值改变, 该体系的状态就改变了。
例：
状态1
状态2
p = 101.325 kPa p = 320.5 kPa
（2）殊途同归变化量相等。
例：始态 T1 298 K → 350 K T2 终态
↓
↑
520 K → 410 K
（ → 过程1 ， → 过程2 ）
我国生物无机化学是在20世纪80年代开始发生发展的，当时落后于国际约 10年。在国家自然科学基金委员会十几年连续支持下，在全体从事生物无 机化学研究者的努力下，生物无机化学的研究10年内跃升了三个台阶，研 究对象从生物小分子配体上升到生物大分子；从研究分离出的生物大分子 到研究生物体系；近年来又开始了对细胞层次的无机化学研究，研究水平 逐年提高。我国在金属配合物与生物大分子的相互作用、金属蛋白结构与 功能、金属离子生物效应的化学基础，以及无机药物化学、生物矿化方面 都有了相对固定的研究方向，研究队伍日益年轻化。但我国生物无机化学 的总体水平与国际水平还有一定差距，究其原因是研究经费投入不足，研 究周期较长，但最突出的问题是缺乏杰出的青年研究人才。
参考书：图书馆的有关“无机化学”、“普通化学”、“化学原 理”等。
/inorganic/ (中山大学)
/eclass/zyjck/inorchem/home/index.html (吉林
无机化学课程的主要目标：
通过课堂讲授、自学与讨论，理解掌握周期律、 分子结构、化学热力学、溶液中的化学平衡、氧化 还原等初步知识；
通常用体系的宏观可测性质（V、p、T、ρ密度…）来 描述体系的热力学状态。
1. 状态(state)——指体系宏观性质的综合表现。 例如：气体的状态，可用宏观性质中p、V、T 和n(物质的量)来 描述。
或说由体系的宏观性质所确定下来的体系的一种存在形式。
2. 状态函数(state function)—即确定体系热力学状态性质的物 理 量 。 如 ： p ， V ， T ， n ， ρ( 密 度 ) ， U( 热 力 学 能 或 内 能 ) ， H(焓)，S(熵)，G(自由能)等。
p = p1 + p2 + 或 p = pB
pB
nBRT V
p
nRT V
pB p
nB n
xB
pB
nB n
p
xB p
x B B的摩尔分数
混合气体中，某组分的分压是指（
）。
(A)相同温度时, 该组分气体在容积为1.0L的容器中所产生的压
力；
(B)该组分气体在273.15K时所产生的压力；
什么叫“化学”?
在原子、分子以及超分子的层次上研究物质的组成、
结构、性质、变化规律及其应用的科学。
以非共价键弱相 互作用力结合起 来的复杂有序且 有特定功能的分 子结合体—— “超分子” 。 例如:DNA
化学--- Chemistry
化学是一门中心科学
物有物高材生生物 理机理分料物物理 学化化子化化学学
(四）热力学方法的特点 1.研究体系的宏观性质。
即大量质点的平均行为，所得结论具有统计意 义；不涉及个别质点的微观结构及个体行为， 不依据物质结构的知识。
2.不涉及时间概念。 例：H2 (g) + ½ O2(g) = ½ H2O(l) 正反应自发
2-1常用的热力学术语
（一）体系和环境(system and surrounding) 体系——即作为研究对象的物质。 环境——体系之外，与体系密切相关影响
元素通论 s区元素 p区元素 d,ds区元素 f 区元素
结构-性质的关系---用这些理论去分析、研究和解决化学问题
一些问题
火箭燃料
石墨粉
？在15000个大气压、 摄氏1500度的高温条件下
钻石
水蒸气为什么可以凝结成液态水？ 液态水为什么又可以结成冰？
塑料袋
金刚石
石墨
金刚石是目前最硬的物质，其 内部的碳原子呈“骨架”状三 维空间排列，一个碳原子周围 有4个碳原子相连，排列方向 一致，因此在三维空间形成了 一个骨架状，这种结构在各个 方向作用力(化学键)均匀，联 结力很强，因此使金刚石具有 高硬度的特性。
（物质交换和能量交换）所及的部分。
体系
环
境
（一）体系和环境 （续）
体系分类
按体系与环境的关系(有无物质交换和/或能量交 换)划分
物质交换 能量交换
敞开体系
有
有
(open system)
封闭体系
无
有
(closed system)
孤立体系
无
无
(isolated system)
（二）状态和状态函数
(C)同一容器中，该组分气体在273.15K时所产生的压力；
(D)相同温度时, 该组分气体单独占据与混合气体相同体积时所
产生的压力。
解：D
第1章 化学热力学初步 Introduction to Chemical Thermodynamics
热力学简介
（一）什么叫“热力学” 热力学是研究热和其他形式的能量互相转变所遵循
铅笔为什么可以写字?
而石墨却是最软的物质之一。 石墨内部的碳原子呈层状排列， 碳与碳组成了六边形的环状， 无限多的六边形组成了一层。 层与层之间作用力(分子间力) 非常弱，因此受力后层间就很 容易滑动以至破裂。
真空管中 含少量 H2(g),高 压放电
连续光谱
氢原子光谱
原子发射光谱
(不连续的光谱)?
7 . 东北师范大学王恩波课题组对多金属氧簇的研究处于领先地位。成果发表在德国 应用化学和美国化学会志
我国无机化学发展新进展简介：
从传统的无机化学角度来看，生物无机化学和放射化学的研究则相对滞后。在 国家自然科学基金委员会和中国科学院化学部的共同支持下，2002年3月5-7日 在深圳举行了生物无机化学发展战略研讨会。会议分析了国内外生物无机化学 发展过程和在目前生命科学和化学科学交叉发展相互促进的强大动力和趋势。
气体的最基本特征：具有可压缩性和扩散性
1.理想气体状态方程式
假定： 分子不占有体积(忽略尺寸)
分子间作用力忽略不计
P V= n R T
压体 力积
物 气温 质 体度 的常 量数
R=8.314 J ·mol-1 ·K-1 PV = (m/M) RT 适用于：温度较高或压力较低时的稀薄气体
2 混合气体分压定律
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在相同温度下单独占有与混合气体 相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压
T nA
V
nB
P总
T nA
V
nB
PA= nA(RT/V)
PA PB
PB= nB(RT/V)
一种组分气体的分压与其他组分气体的存在无关。
2 混合气体分压定律 混合气体的总压等于混合气体中各
热力学简介 （续） (三)化学热力学解决什么问题？
1. 反应过程的能量转换——放热？吸热？ （△H﹤0, 放热; △H﹥0, 吸热）
2. 反应的方向或说可能性 (△rGm ﹤0 ?)
指定条件下，正反应可否自发进行?
3. 反应的限度——如果正反应可自发进行， 正反应能否进行到底 (K 大小)?;
热力学简介 （续）
无机化学的学习方法： 1 学习态度 要有学习主动性，主动学习。 2 学习方法 培养良好学习习惯，提高课堂听课效率。 3 做到三习 课前预习、课后复习，适当练习。 4 课堂笔记 教材为主，教参为辅，适当参阅网络课堂。 5 重视实验 加强基本功训练。不怀疑不见真理。 6 多多交流 大学的学习不单纯是理论知识的学习。 如何学习无机化学 大学学习模式: 每节课讲授内容多, 讲授内容重复性小, 作业量少, 无课堂练习, 强调自学能力的提高. 针对大学学习特点, 提出如下 要求:课堂认真听讲, 跟上教师讲授思路, 有弄不懂的问题暂且放下, 待以后解决, 不然, 由于讲授速度快, 容易积累更多的疑难问题。
学学化学学 学
分 析化 学
无 机化 学
原子核 原子、分子、晶体
生物体 物体,天体
无机化学(inorganic chemistry) 的主要内容
物质的形 态与结构 微观 原子结构
分子结构
晶体结构
气液固体
物质的 变化规律 宏观 化学热力学 化学动力学 酸碱平衡 沉淀平衡 氧化还原平衡 配位平衡
元素化学
过程1 和 过程2：△T = T2 - T1 = 350 K – 298 K = 52 K
状态函数的变化量只取决于始态和终态, 而与过程或途经无 关。
且规定：状态函数变化量 = 终态值 - 始态值
（3）周而复始变化为零 （循环过程△X = 0）
始态T1、终态 T2 ： 298 K ← 350 K
的规律的一门科学。
（二）什么叫“化学热力学” 应用热力学原理，研究化学反应过程及伴随这些过 程的物理现象，就形成了“化学热力学”。
热力学 (thermodynamics) 一词的意思是热 (thermo) 和动 力 (dynamics) ，即由热产生动力，反映了热力学起源于对 热机的研究。从十八世纪末到十九世纪初开始，随着蒸汽机 在生产中的广泛使用，如何充分利用热能来推动机器作功成 为重要的研究课题。
现代无机化学就是应用现代物理技术及物质微观结构的观点来 研究和阐述化学元素及其所有无机化合物的组成、性能、结构 和反应的科学。无机化学的发展趋向主要是新型化合物的合成 和应用，以及新研究领域的开辟和建立。
现代物理技术如：X射线、中子衍射、电子衍射、磁共振、光谱、 质谱、色谱等方法的应用，使无机物的研究由宏观深入到微观， 从而将元素及其化合物的性质和反应同结构联系起来，形成现 代无机化学。
↓
↑
520 K → 410 K
△T = T2 - T1 = 298 K – 298 K = 0 K 对于任意循环过程(始态与终态相同)，任何一个状
Water,H2O 极性分子？
为什么有些物质 有磁性？
金属盐溶液
现代无机化学简介：
当前无机化学正处在蓬勃发展的新时期，许多边缘领域迅速崛起， 研究范围不断扩大。已形成无机合成、丰产元素化学、配位化学、 有机金属化学、无机固体化学、生物无机化学和同位素化学等领 域。 无机化学是大学化学化工相关专业的必修课程。
(Angew. Chem. Int. Ed.,(2001,40,4422-4425)
4. 中国科学院福建物质结构研究所洪茂椿、吴新涛等在纳米材料和无机聚合物等方 面的研究取得举世瞩目的成就，合成了纳米金属分子笼( J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4819)、纳米级孔洞的类分子筛、金属纳米线和金属-有机纳米板 。 5．北京大学高松研究小组在磁分子材料(Angew. Chem. Int. Ed., 40(2), 434-437, 2001)、金 属簇合物为结构单元的超分子组装(Angew. Chem. Int. Ed., 39(20), 3644, 2000)的研究方面取 得了突出成果。 6．清华大学李亚栋研究组在新型一维纳米结构的制备、组装方面取得了突出的进 展。 (J. Am. Chem. Soc. 123(40), 9904~9905, 2001)
我国无机化学发展新进展简介：
近几年我国无机化学在国家自然科学基金及其它基础项目的支持下，基础研究 取得突出进展，成果累累，一批中青年专家的工作脱颖而出。无机化学在最近 几年里所取得的突出进展主要表现在固体材料化学、配位化学方面，在某种程 度上与国际保持同步发展。
1. 中国科技大学钱逸泰、谢毅研究小组在水热条件、有机体系中实现了新的无机化学 反应,在相对低的温度制备了一系列非氧化物纳米材料。有些工作在Science上发表。 2. 吉林大学冯守华、徐如人研究组应用水热合成技术，从简单的反应原料出发成功 地合成出具有螺旋结构的无机物。(Angew. Chem. Int. Ed. 2000, Vol. 39, No. 13, 2325-2327 ) 3. 南京大学熊仁根、游效曾等在光学活性的类沸石的组装及其手性拆分功能研究方面 取得了丰硕成果，设计和合成了具有手性与催化功能的无机-有机杂化的多维结构 。
并在原理的指导下，了解化学变化中物质组成、结构和性质 的关系，初步从宏观和微观的不同角度理解化学变化基本特 征，掌握常见元素及化合物的酸碱性、氧化还原性、溶解性、 热稳定性、配位能力等特性及典型反应。
通过“无机化学”的学习，同学们应学会归纳总结、自主学 习，并能够运用所学过的知识分析问题、解决问题，具有一 定的创新意识和创新能力。
状态函数的特征
（1）状态一定，状态函数的值一定：一个体系的某个
状态函数的值改变, 该体系的状态就改变了。
例：
状态1
状态2
p = 101.325 kPa p = 320.5 kPa
（2）殊途同归变化量相等。
例：始态 T1 298 K → 350 K T2 终态
↓
↑
520 K → 410 K
（ → 过程1 ， → 过程2 ）
我国生物无机化学是在20世纪80年代开始发生发展的，当时落后于国际约 10年。在国家自然科学基金委员会十几年连续支持下，在全体从事生物无 机化学研究者的努力下，生物无机化学的研究10年内跃升了三个台阶，研 究对象从生物小分子配体上升到生物大分子；从研究分离出的生物大分子 到研究生物体系；近年来又开始了对细胞层次的无机化学研究，研究水平 逐年提高。我国在金属配合物与生物大分子的相互作用、金属蛋白结构与 功能、金属离子生物效应的化学基础，以及无机药物化学、生物矿化方面 都有了相对固定的研究方向，研究队伍日益年轻化。但我国生物无机化学 的总体水平与国际水平还有一定差距，究其原因是研究经费投入不足，研 究周期较长，但最突出的问题是缺乏杰出的青年研究人才。
参考书：图书馆的有关“无机化学”、“普通化学”、“化学原 理”等。
/inorganic/ (中山大学)
/eclass/zyjck/inorchem/home/index.html (吉林
无机化学课程的主要目标：
通过课堂讲授、自学与讨论，理解掌握周期律、 分子结构、化学热力学、溶液中的化学平衡、氧化 还原等初步知识；
通常用体系的宏观可测性质（V、p、T、ρ密度…）来 描述体系的热力学状态。
1. 状态(state)——指体系宏观性质的综合表现。 例如：气体的状态，可用宏观性质中p、V、T 和n(物质的量)来 描述。
或说由体系的宏观性质所确定下来的体系的一种存在形式。
2. 状态函数(state function)—即确定体系热力学状态性质的物 理 量 。 如 ： p ， V ， T ， n ， ρ( 密 度 ) ， U( 热 力 学 能 或 内 能 ) ， H(焓)，S(熵)，G(自由能)等。