第5章 物质结构基础《普通化学》(第五版)
普化第一章
用来描述体系状态的物理量(p、T、V、H、 U…)叫做状态函数。
状态函数的特征
体系状态一定,状态函数值一定
体系变化时,状态函数值的变化只与体系 的始态和终态有关,而与变化途径无关
循环过程状态函数的变化值为零
1.1.3 过程和途径
1.1 热力学基本概念
热力学:专门研究能量相互转变过程中所遵 循的规律的一门科学。
化学热力学:用热力学的理论和方法研究化 学反应过程的能量变化问题、化学反应方向 问题以及化学反应进行的程度问题。
1.1.1 体系和环境
被划分出来作为研究对象的那部分物质或空 间称为体系(系统)。
体系之外并与体系有密切联系的那部分物质 或空间称为环境。
体系分类:敞开体系 封闭体系 孤立体系 依据:根据体系与环境之间有无物质和能量交换。
敞开体系:体系与环境之间既有物质 交换,又有能量交换。
封闭体系:体系与环境之间只有能量 交换,而没有物质交换。
孤立体系:体系与环境之间既没有 物质交换也没有能量交换。
敞开体系
封闭体系
孤立体系
1.1.2 状态和状态函数
始态
p1=100 kPa T1=298K
恒温过程
p2=200 kPa T1=298K
恒压过程
恒压过程
p1=100 kPa T2=398K
恒温过程
p2=200 kPa T2=398K
终态
1.1.4 热力学能
热力学能(内能): 是体系内各种形式的能量的总和,用符号U
表示。单位: J 或 kJ
热力学能特点: 状态函数; 其绝对值不可测量; 具有加和性
1.1.5 热和功
普通化学课件第五章原子结构与周期系
普通化学课件第五章原子结构与周期 系
第五章 原子结构和周期系
(Atomic Structure and the periodic table)
(引言)物质结构的研究对于化学乃至整个自然 科学的研究来说,相当于基石的作用。因为结构决 定性质,只有深入了解物质的深层结构,才有可能 深入把握物质的性质及其变化规律。
量 子 化— 学化 学 键 ( 化 学 反 应 中
物
质
结
构 结
构
电子运动状态的变化 化— 学分 子 和 晶 体 的 结 构 、
)
结构与性能之间的关系
原子结构理论发展简史: 道尔顿(英)——1803.原子论
“近代化学之父”
汤姆逊(英)——1897.发现电子。“蛋糕”模型 1906.获Nobel奖
卢瑟福——1911.“行星式模型” 解释了散射现 象
Planck常数)。一束单色光,有n个光子,具有的能
量E = n·h(nN,Einstein光子学说)。
§5.1 氢原子光谱和玻尔理论
(Spectrum of the hydrogen atom and Bohr’s model )
一、氢原子光谱(Spectrum of the hydrogen atom)
爱因斯坦的光子学说
大学化学普通化学第五版知识点归纳
1.主量子数n
描述了原子中电子出现几率最大的区离核的远近。
➢n值越大,电子出现几率最大的区域离核越远,也可以说电子离 核的平均距离越大。 ➢n值相同的各原子轨道电子离核的平均距离较接近,故常把具有相 同主量子数n的各原子轨道归并称为同一个“电子层”。 ➢ n=1,2,3,4,5,6等正整数,电子层分别用K,L,M,N,O,P表示, 称为电子层的符
热力学第一定律
∆U = Q − W
热力学第二定律
封闭体系:∆G <0, 自发过程
孤立体系: ∆S >0, 自发过程
-ΔGT,P=(W有用) 最大
热力学第三定律
T=0 K, 纯物质完整晶态, 混乱度最小,S= 0
第三页,共28页。
过程函数
状态函数
概念:
1.热力学标准态;状态函数;内能U; 热Q; 功W 2.热效应;焓(变) (H, △H, △rHθ, △rHθm, △fHθm)
Cu
0.5200.34
E (Cu+/Cu)=0.520V >E0 (Cu2+/Cu+)=0.159V
结论: E (右) > E (左), Cu+易发生歧化反应
当一种元素处于中间氧化数时,它一部分向高的
氧化数状态变化(被氧化),另一部分向低的氧化
数状态变化(被还原),这类反应称为歧化反应
第十二页,共28页。
应用 :3 解释元素的氧化还原特性
如 EA /V
Fe3+ 0.771 Fe2+ -
Fe
0.44
E (O2/H2O)=1.229V >E (Fe3+/Fe2+)
Fe2+在空气中不稳定,
浙大普通化学第五章 物质结构基础
hv = mc2 = mcv
所以
= h / mc = h / p
式中,c 为光速, h为普朗克常数, h =6.62610-34J·sˉ1 , p 为光子的动量。
光具有动量和波长,也即光具有波粒二象性。
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5
2. 微观粒子的波粒二象性
光的波、粒二象性揭示了光被人们忽略的另一面,反之, 粒子是否也具有被忽视的另一面,即波动性质呢?
第5章
物质结构基础
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1
本章学习要求
1. 了解原子核外电子运动的基本特征,明确量子数 的取值规律,了解原子轨道和电子云的空间分布。 2. 掌握核外电子排布的一般规律及其与元素周期表 的关系。 3. 了解化学键的本质及键参数的意义。 4. 了解杂化轨道理论的要点,能应用该理论判断常 见分子的空间构型、极性等。
l=p
不同时,可以
n =3
l=s
发生能级交错
的现象。
n =2
n =1
l 相同时
n 相同时
图5-11 不同量子数的原子轨道能级
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24
图5.9 原子轨道的能量与原子序数的关系
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25
5.2.2 核外电子分布原理与方式
原子核外电子的分布要服从以下规则: 泡里不相容原理 能量最低原理 洪德规则
氢原子的波函数如下(其中2px和2py由ψ(2,1,-1)和ψ(2,1,1)线性组合而成)。
n,l,m 轨道 ψ(r, θ, φ)
R(r)
Y(θ, φ)
1,0,0 1s
2,0,0 2s
2,1,0 2pz
2px 2,1,±1
工程化学教案
《工程化学》教案总纲一、课程性质及教学目的:《工程化学》是全校非化学化工专业理工科本科生校级必修课,是素质教育的重要课程之一。
工程化学是从物质的化学组成、化学结构和化学反应出发,密切联系现代工程技术中遇到的如材料的选择和寿命、环境的污染与保护、能源的开发与利用、信息传递、生命科学发展等有关化学问题,深入浅出地介绍有现实应用价值和有潜在应用价值的基础理论和基本知识,使学生在今后的实际工作中能有意识的运用化学观点去思考、认识和解决问题。
该课程的任务是激发学生学习化学的兴趣,将化学的思维方法和能力传授给学生,通过介绍化学理论在工程实际中的应用,把化学对人类进步的影响逐渐渗透到学生的脑海中,从而提高学生的化学素质。
二、课程内容:工程化学课程内容包含绪论、物质的化学组成和聚集状态、化学反应原理、水溶液中的化学反应和水体保护、电化学基础、物质结构基础等六部分。
纵观工程化学所含内容可知,该课程内容较为庞杂。
具有三多的特点;即所谓内容头绪多、原理规律多(涉及原理、规律几十个)、概念定义多,由于该课程具有上述特点,加之微观结构看不见、摸不到。
因此,教师感到难教,学生感到难学。
三、教学对象:非化学化工类理工科本科新生。
四、教学时间:第一学期或第二学期五、教学指导思想:1.从工程实际和生活实际的角度出发讲授《工程化学》,体现21世纪教学理念、教学改革精神和世界工程教育思想。
2.严格按《工程化学》教学大纲及《工程化学实验大纲》进行教学,注意课程内容的准确定位和整体优化,注重课程的趣味性和实用性。
3.开设的实验及课堂讨论应有利于激发学生的学习兴趣、有利于培养学生分析问题、解决问题及知识创新的能力。
六、教学重点:1.系统与环境、反应进度、化学计量数;2.气体分压定律,大气相对湿度,等离子体;3. 稀溶液的依数性;3.晶体及其性质;4.热力学第一定律;5.焓与焓变,熵与熵变,吉布斯函数变;6.盖斯定律;7.化学反应等温式;8.浓度(压力)、温度等因素对化学平衡的影响;9.浓度、温度、催化剂等因素对化学反应速率的影响;10.酸碱质子理论;11.酸碱解离平衡常数;12.缓冲溶液及有关pH计算;13.溶度积及溶度积规则的应用;14.难溶电解质稳定平衡常数;15.四个量子数的意义、符号及电子组态表示的意义;16.杂化轨道理论;17.周期系元素原子的核外电子分布的一般规律;18.分子间作用力;19.氧化还原反应和原电池的关系;20.电极电势的计算及其应用;21.金属腐蚀原理与防护措施。
普通化学课 程 简 介
课程简介课程编码:JCB010A43课程名称:普通化学英文名称:General Chemistry周学时:4学时学分:4学分先修课程:无授课对象:一年级学生开课单位:基础部自然科学教研室授课教师:缪瑞课程简介:普通化学是高等学校工程技术专业必修的一门基础课。
本课程简明地阐述了化学基本原理和基本知识。
理论部分重视联系生产和科研实际,元素和化合物部分侧重基本知识、反应规律和重要应用的论述。
本课程的教学目的:1、学生初步掌握化学热力学、化学平衡、化学反应速率、水化学、基础电化学、近代物质结构等基本概念和基本理论。
2、培养学生运用上述理论去掌握无机化学中有关元素和化合物的基本知识。
通过对整个课程的学习提高对一般无机化学问题进行理论分析和解决的能力。
为以后学习后继课程及新理论、新实验技术打下必要的化学基础。
3、培养学生正确的学习和研究方法。
教材及参考书:1、教材:《普通化学》第五版浙江大学普通化学教研组编,高等教育出版社出版;面向21世纪课程教材;普通高等教育"九五"国家教委重点教材。
《普通化学实验》第三版浙江大学普通化学教研组编,高等教育出版社出版。
2、参考书:⑴、傅献彩主编大学化学(上、下册)北京高等教育出版社,1999。
⑵、华彤文,杨俊英,陈景祖等普通化学原理(第二版)北京北京大学出版社,1993。
⑶、严宣申,王长富普通无机化学北京大学出版社,1987。
教师教学及科研简历:缪瑞,1982年毕业于天津大学化学工程系。
曾主讲《普通化学》、《有机化学》、《化学与环保》、《环境保护概论》、《生活中的自然科学》等课程。
课程教学大纲第一部分:教学要求一、授课对象:工科类一年级本科学生。
二、先修课程:无三、学分学时分配:本课程4学分,总学时为60学时,讲课时数:46学时,实验时数:14学时。
第二部分:教学内容一、教学目的和基本要求本课程是高等学校工程技术专业必修的一门基础课。
普通化学简明地阐述了化学基本原理和基本知识。
大学化学教学大纲
《大学化学》教学大纲一、课程名称:大学化学二、学时与学分:学时:64(理论讲授学时 48,实验学时 16),学分:4三、授课单位:江西财经大学电子学院四、授课对象:本科,专业必修课五、先修课程:《大学物理Ⅰ》六、课程教材:《普通化学》(第五版) 浙江大学普通化学教研组编 高等教育出版社《大学化学实验讲义》 江西财经大学电子学院大学化学课程组编七、课程地位与作用:大学化学全面、简洁地反映了化学学科的基本原理、发展现状和发展趋势,并 力求反映其与电子科技的实际联系,是高等院校电子类本科专业不可缺少的一门重 要基础课程,是电子类本科生科学文化素质教育的重要一环,也是培养 21 世纪全 面发展的电子科技人才知识结构和能力的重要组成部分,在化学与电子科技之间起 到桥梁作用。
八、教学目的与要求:通过本课程的学习,使学生在中学化学的基础之上,对化学反应的基本规律、 化学反应过程中的能量关系以及物质组成、结构与性能的关系等有一个比较全面的 认识;对化学实验基本技术、方法和手段作进一步训练,为学习后继课程、新理论、 新工艺、新技术和进行其它实验与研究奠定必要的化学基础;适当了解当前化学学 科发展的特点及其与其它学科的联系、交叉和渗透;通过化学与能源、化学与材料 (尤其是电子材料)、化学与环境等知识的学习,进一步了解化学对科技发展和社 会进步的影响,在电子科技及日常生活中能够运用化学的观点和所学的化学知识来 分析问题、解决问题。
九、教学内容、教学要求、教学重点及难点:见附录一(理论教学部分)、附录二(实验教学部分)。
十、学时分配见附录三。
附录一理 论 教 学 部 分第零章 绪 论(2 学时)教学内容:0.1 化学的研究对象0.1.1 研究对象0.1.2 研究的主要内容0.2 学习目的0.2.1 化学与衣、食、住、行0.2.2 化学与国防现代化0.2.3 化学与材料0.2.4 化学与能源0.2.5 化学与信息0.2.6 化学与生命0.2.7 化学与环境0.3 本课程讲授的主要内容0.4 学习时应注意的事项教学要求:了解化学的研究对象、研究的主要内容、现状和发展趋势;了解化学在科技发 展、大学生素质培养中的重要作用;了解化学与人类的密切关系;了解学习大学化 学的方法和注意事项,充分调动学生学习本课程的积极性和主动性。
普通化学大学化学第五章ppt课件
➢能量最低原理
➢ 在不违背泡利原理的条件下,核外电子分布将 尽能够优先占据能级较低的轨道,使系统能量处于 最低。
多电子原子轨道能级:多电子原子中各轨道能量 的高低除与 n 和 l 值有关外,还与电子之间的相互作 用能有关,鲍林(L.Pauling)根据他对原子构造的研 讨结果,提出了多电子原子轨道的能级高低顺序为:
多电子原子体系可以得到薛定谔方程的近似解,过 程非轨道的能量仅决议于主量子数n,各轨道 能量关系为
E1S<E2S=E2P<E3S=E3P=E3d<…… 在多电子原子中,轨道能量不仅与主量子数n有 关,还与角量子数l有关。 一.多电子原子轨道的能级 光谱实验结果归纳出的多电子原子轨道能级高低规 律如下: 角量子数 l 一样时,随着主量子数 n 值的增 大,轨道能量升高。
2 波函数与原子轨道 对于电子波,薛定谔给出一个动摇方程:
x 2 ψ 2 y2 ψ 2 z2 ψ 28 π h2 2m(E V )ψ 0
其中, 为动摇函数,是空间坐标x、y、z 的函数。 E 为核外电子总能量,V 为核外电子的势能,h 为普 朗克常数,m 为电子的质量。
由于波函数与原子核外电子出如今原子周围某位置的概率有 关, 所以又笼统的称为“原子轨道〞。
一样的 九. 两个电子。 十. 由泡利原理可知,在每一个原子轨道
➢洪特〔Hund〕规那么 ➢ 当电子在n, l 一样的数个等价轨道上分布时,每 个电子尽能够占据磁量子数不同的轨道且自旋平行。
例1 碳原子(1s22s22p2)的两个p电子在三个能量 一样的2p轨道上如何分布?
共有以下三种陈列方法:
I
s区
ns1 ~ ns2
p 区 ns2np1 ~ ns2np6
d 区 (n-1)d1ns2 ~(n-1)d8ns2
第5章 物质结构基础《普通化学》(第五版)
2
x 2
2
y 2
2
z 2
8 2m
h2
(E
V
)
0
其中, 为波动函数,是空间坐标x、y、z 的函数。
E 为核外电子总能量,V 为核外电子的势能,h 为普 朗克常数,m 为电子的质量。
波函数
z
变换为球面坐标:
x = r sinθ cos φ y = r sin θ sin φ z = r cos θ
(n+0.7l) 1.x 2.x 3.x 4.x 5.x 6.x 7.x
能级组 1 2 3 4 5 6 7
能级组中的原子轨道 元素数目 周期数
1s
2
1
2s2p
8
2
3s3p
第5章
物质结构基础
本章学习要求
1 了解原子核外电子运动的基本特征,明确量子数 的取值规律,了解原子轨道和电子云的空间分布。 2 掌握核外电子排布的一般规律及其与元素周期表 的关系。 3 了解化学键的本质及键参数的意义。 4 了解杂化轨道理论的要点,能应用该理论判断常 见分子的空间构型、极性等。
5 了解分子间作用力以及晶体结构与物质物理性 质的关系。
2 微观粒子的波粒二象性
光的波、粒二象性揭示了光被人们忽略的另一面,反之, 粒子是否也具有被忽视的另一面,即波动性质呢?
德·布罗意(de ·Broglie)提出微观粒子也具有波的 性质,并假设:
= h / mv
式中, 为粒子波的波长;v为粒子的速率,m为粒子
的质量
电子衍射实验示意图
1927年,粒子波的假设被电子衍射实验所证实。
氢原子的1s轨道:角度部分为 1/ 4 ,是一个与角度无关 的常数,其图像是一个半径为 1/ 4 的球面。
《普通化学》课程学习指南
《普通化学》课程学习指南根据知识模块顺序,教学要求如下一、理论课学习指南第一章热化学与能源基本要求知识点:热力学第一定律,热效应,反应焓变,盖斯定律。
学习目标:了解用弹式热量计测量等容热效应(Qv)的原理,熟悉Qp的实验计算法,了解状态函数的意义,了解化学反应中的焓变的关系;了解Qv与化学反应的内能的关系;初步掌握化学反应的标准摩尔焓变(△rH mθ)的近似计算,适当了解能源中的燃料燃烧反应的热效应。
第二章化学反应的基本原理与大气污染控制知识点:环境化学,热力学第二定律,热力学等温方程,热力学第三定律,标准平衡常数,多重平衡规则,质量作用定律,吉布斯函数变判据,化学平衡的移动原理。
学习目标:了解化应中的熵变及吉布斯函数变在一般条件下的意义;初步掌握化学反应的标准摩尔吉布斯函数变(△rGmθ)的近似计算;能应用△rGm 或△rGmθ判断反应进行的方向;理解标准平衡常数(Kθ)的意义及其与△rGmθ的关系,并初步掌握有关计算;理解浓度,压力和温度对化学元素反应的影响;了解浓度,温度与反应速率的定量关系,了解基元反应和反应级数概念;能用阿仑尼乌斯公式进行初步计算;能用活化能和活化分子的概念说明浓度,催化剂对化学元素反应速率的影响;了解环境化学元素中大气主要污染物及其防治。
第三章水溶液化学知识点:共轭酸碱对,缓冲溶液,溶度积,溶液的通性,酸碱解离平衡,难溶电解质。
学习目标:了解溶液的通性(蒸气压下降,沸点上升,凝固点下降及渗透压);明确酸碱的解离平衡,分级解离和缓冲溶液的概念,能进行溶液pH的基本计算,能进行同离子效应,等离子平衡如缓冲溶液的计算,了解配离子(络离子)的解离平衡移动;初步掌握溶度积和溶液解的基本计算;了解溶度积规则及其应用;了解环境化学中水的主要污染物及其某些处理方法的原理。
第四章电化学与金属腐蚀知识点:电极,氧化还原电对,电极电势,原电池,电动势,电解,化学电源,析氢腐蚀,吸氧腐蚀。
学习目标:了解电极电势的概念,能用能斯特方程式进行有关计算;能应用电极电势的数据判断氧化剂和还原剂的相对强弱及氧化还原反应自发进行的方向和程度;了解摩尔吉布斯函数△rGmθ与原电动势,△rGmθ与氧化还原反应平衡常数的关系;联系电极电势概念,了解电解的基本原理,了解电解在工程实际中的某些应用;了解金属腐蚀及防护原理。
普通化学第五章优秀课件
二十世纪初,人们就认识到光具有波粒二 象性:波动性—λ、v;粒子性—E、p。
E hv p h
1924年,法国物理学家德布罗依认为,既然 光具有粒子性,那么微观的实物粒子如质子、电 子等也可以具有波动性,其波长也可以表示为:
λ h h ——德布罗依公式
pபைடு நூலகம்m
m—电子质量 h—普朗克常数
p—电子动量 —电子速度 根据这一公式,可以算出电子的波长:
9 .1 6 1 .6 0 2 6 3 1 k 1 g 0 1 3 4 0 J 6m ss-1 7 .3 1 0 1 0 0 .7 3 n m
这相当于x射线的波长范围。1927年,美国科 学家Davison等人,进行电子衍射实验(electron diffraction),得到的衍射图与x射线的衍射图完 全一致,证明了德布罗依的预言。后来,又陆续 证明了质子、中子、原子等实物粒子都具有波粒 二象性。
因为
2.1791018
E
n2
所以谱线频率
E E2 E1
hh
h 1(2.1n 7 2 2 1 9 0 18 2.1n 7 1 21 9 0 18 )
2.1791018 1 1 6.6261034 ( n22 n12 )
3.29
1015
(
1 n12
1 n22
)
玻尔理论成功地解释了氢原子光谱产生的 原因和规律性。他的理论关键在于引入了量子 化的概念,认为电子的运动状态是定态的,不 连续的,所以电子跃迁发射出的原子光谱也是 线状的,不连续的。这条基本思想在现代结构 理论中被保留下来。
§5-1 氢原子光谱和玻尔理论
(Spectrum of hydrogen and Bohr’s theory)
普通化学(第五版)浙江大学普通化学教研组
物理学
数
学
了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验 计算 方法。 了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定 律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热 地质与环 天文学 力学能变的关系。
化 学
境科学
掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。 了解能源的概况,燃料的热值和可持续发展战略。
1930年 美国化学家鲍林(L.Pauling, 1930年,美国化学家鲍林(L.Pauling, 1901-1994)和德国物理学家J.C.Slater 1901-1994)和德国物理学家J.C.Slater 1900-1976) (1900-1976)把量子力学处理氢分子的成果 推广到多原子分子体系,建立了价键理论 推广到多原子分子体系, VBT)。阐明了共价键的方向性和饱和性, )。阐明了共价键的方向性和饱和性 (VBT)。阐明了共价键的方向性和饱和性, 指出了由于原子轨道重叠方式不同而形成的σ 指出了由于原子轨道重叠方式不同而形成的σ 键和π键这两种基本共价键类型。 键和π键这两种基本共价键类型。
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化学是研究从原子,分子片,分子,超分子, 化学是研究从原子,分子片,分子,超分子,生物大 分子, 分子,到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态 的合成和反应,分离和分析,结构和形态, 的合成和反应,分离和分析,结构和形态,物理性能和 生物活性及其规律和应用的科学。(徐光宪) 。(徐光宪 生物活性及其规律和应用的科学。(徐光宪)
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法国化学家拉瓦锡1783年出版名著“关于燃素的回顾” 法国化学家拉瓦锡1783年出版名著“关于燃素的回顾”,提 1783年出版名著 出燃烧的氧化学说。 出燃烧的氧化学说。 拉瓦锡1789年出版了“初等化学概论” 1789年出版了 拉瓦锡1789年出版了“初等化学概论”,首次给元素下了一 个科学和清晰的定义: 个科学和清晰的定义:“元素是用任何方法都不能再分解的简单 物质” 以科学元素说取代了传统思辨的旧元素论。 物质”。以科学元素说取代了传统思辨的旧元素论。揭开了困惑 人类几千年的燃烧之谜,以批判统治化学界近百年的“燃素说” 人类几千年的燃烧之谜,以批判统治化学界近百年的“燃素说” 为标志,发动了第二次化学革命,被誉为“化学中的牛顿” 为标志,发动了第二次化学革命,被誉为“化学中的牛顿”。
东南大学考研普通化学大纲
第一章热化学与能源考试内容:系统和环境,状态和状态函数,过程和过程变量,热和功。
热力学能和焓。
热力学第一定律。
恒容过程和恒压过程。
化学反应的热效应。
反应进度。
热化学标准状态。
盖斯定律。
热化学方程式。
化学反应热的有关计算。
能源的有效利用与新能源开发。
第二章化学反应的基本原理与大气污染考试内容:化学反应方向和系统的混乱度,熵。
热力学第二定律。
热力学第三定律。
吉布斯函数,标准摩尔反应吉布斯函数变,标准摩尔生成吉布斯函数;平衡常数,标准摩尔反应吉布斯函数变与平衡常数关系。
平衡常数与转化率的计算。
热力学等温方程式。
浓度、压力、温度对平衡常数的影响,平衡移动的总规律。
化学反应速度,化学反应速率方程,反应速率常数,反应级数。
浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响,阿仑尼乌斯方程式。
催化剂与化学平衡。
影响多相反应速率的因素。
大气污染物及控制。
第三章水化学与水污染考试内容:液体:纯液体的饱和蒸气压,溶液浓度的表示(质量分数,物质的量分数,物质的量浓度,质量摩尔浓度)。
非电解质溶液的依数性(蒸气压下降,沸点升高,凝固点下降)。
电解质溶液的依数性。
酸碱质子理论。
共轭酸碱对。
弱酸、弱碱的解离平衡。
解离平衡常数、解离度及有关计算。
同离子效应。
缓冲溶液及pH值计算。
缓冲溶液的选择和配制。
酸碱中和反应。
难溶电解质的沉淀和溶解。
溶度积与溶解度。
溶度积规则。
同离子效应。
盐效应。
沉淀的转化。
分步沉淀。
有关溶度积的一些应用和计算。
水污染及水处理化学。
第四章电化学与金属腐蚀考试内容:氧化还原反应,用氧化值法和离子一电子法配平氧化还原反应主程式。
原电池的组成、氧化型、还原型、电对、半反应。
化学电源的两极反应。
电极反应和电极的电势。
电极反应的标准电势,标准氢电极。
能斯特方程式。
电极电势的应用;比较氧化剂和还原剂的相对强弱;预测氧化还原反应进行的方向;判断氧化还原反应进行的程度。
电动势与标准摩尔反应吉布斯函数的关系。
析氢腐蚀,吸氧腐蚀,差异充气腐蚀。
普通化学(5版)内容框架
工科《普通化学》教学基本内容框架(少学时完成于1999年)“高校面向21世纪化学系列课程教学内容和课程体系改革(非化工类专业)”项目组工科普通化学课程教学指导小组一、总纲工科《普通化学》是高等工程教育中实施化学教育的基础课程。
高等教育层次化学教育是培养“基础扎实、知识面宽、能力强、素质高”的迎接新世纪挑战的高级工程科技人才所必需的。
通过物质结构及性质、化学热力学与动力学等化学反应的基础理论、基本规律的学习和亲身进行化学实验,使学生了解当代化学的基本理论和基本知识、基本技能,能在工程技术中以化学的观点观察物质变化的现象,对一些与化学有关的工程技术的实际问题,有初步分析的能力;能运用化学的理论、观点、方法审视公众关注的环境、能源、材料、生命科学等学科中的重大社会论题;通过本课程教学活动,可培养学生正确的科学观、科学的社会观,并突出科学思维方法和创新能力的培养,把化学的理论、方法与工程技术的观点结合起来,培养能迎接新世纪挑战的高级工程科技人才。
二、基础部分(一)化学热力学基础体系的性质状态状态函数标准态平衡态热力学能化学反应进度化学反应的热效应与焓变Δf H m与Δr H m的应用热化学定律化学反应的方向自发过程 吉布斯自由能 Δf G m 与Δr G m 的应用 熵及熵变 S m 与Δr S m 的应用吉布斯-赫姆霍兹方程及其应用(二)化学反应速率化学反应速率的表示法影响反应速率的因素 质量作用定律 反应级数 阿累尼乌斯公式及其应用 活化能催化剂与催化作用链反应与光化学反应(三)化学平衡标准平衡常数K Δr G m = –RT ln K 关系式的应用及平衡计算 K 与温度的关系 化学平衡的移动(四)溶液与水溶液中的离子平衡溶液的通性及其在工程与生活实际中的应用水溶液中的单相离子平衡、K a 、K b 缓冲溶液 溶液pH 值的计算难溶电解质的多相离子平衡、K s 溶度积规则及其应用表面活性剂的结构、性能及其应用胶体的性质、聚沉及其应用(五)电化学原理及其应用原电池与电极电势 Nernst 方程式的意义及应用E 与m r G 的关系,氧化还原反应方向的判断 用Δr G m 、E 与K 估计氧化还原反应的程度电解及其在工程实践中的应用金属的腐蚀与防护(六)原子结构与周期系微观粒子的波粒二象性、能量量子化和统计解释波函数四个量子数电子云s、p波函数和电子云的角度分布原子核外电子分布的一般规律及其与周期系的关系元素周期表元素基本性质(如原子半径、氧化值、电离能、电负性等)在周期系中的递变(七)化学键与分子结构离子化合物的结构与特性共价分子的结构价键理论共价键的类型键参数杂化轨道理论与分子的空间构型分子间力、氢键及对物质性质的影响非共价键力与超分子(八)晶体结构晶体的特征及其基本类型晶体与非晶体液晶实际晶体晶体的缺陷及其应用非整比化合物单质的晶体结构与元素周期表(九)配位化合物基本概念配合物的解离平衡及其移动K的意义不稳配合物的价键理论配合物的应用(十)重要单质及其化合物重要单质及其化合物的性质(如熔点、沸点、硬度、导电性、酸碱性、氧化还原性、热稳定性)及其在近代科技中的应用我国的丰产元素(如稀土元素等)三、拓展部分(一)化学与能源能源的利用概况常规能源:煤石油天然气新能源:新型化学电源氢能太阳能核能生物质能(二)化学与环境大气污染及其防治:大气主要污染物(烟尘、SO2、NOx、CO、HC等)综合性大气污染现象(酸雨、温室效应、臭氧层的耗减和光化学烟雾)大气污染的防治水体污染及其治理:水的物理化学特性评价水质的指标水的净化现代水处理技术水体污染及工业废水的处理固体废弃物、垃圾及其利用环境与人类绿色化学与可持续发展(三)化学与材料金属材料:轻合金硬质合金耐高温合金贮氢合金磁性材料形状记忆合金无机非金属材料:耐磨耐高温材料新型陶瓷材料半导体材料超导材料光电材料光导材料有机高分子材料:高分子化合物结构与性能的关系几种重要的高分子材料(工程塑料、合成橡胶、合成纤维、合成胶粘剂、功能高分子材料等)复合材料:颗粒增强与纤维增强复合材料纳米材料分子设计与材料的未来(四)化学与分子生物学组成生物的基本物质蛋白质核酸酶催化人工酶与化学仿生DNA与遗传、进化DNA重组与基因工程人类基因组研究与基因治疗微量元素与人体健康我国的地方病及其防治(五)现代分析测试技术简介(有条件的学校可纳入实验,放录像或CAI 教学部分)原子吸收与发射光谱分析红外、紫外与可见光谱分析色谱分析质谱分析核磁共振波谱分析电子显微镜和X-射线衍射[注]拓展部分的某些内容可根据学校或专业的需要有所选择和侧重,或开设相关的后继选修课。
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5.1.2 电子云
基态氢原子核外电子的运动
假定我们能用高速照相机摄取一个电子在某一瞬间的空间
位置,然后对在不同瞬间拍摄的千百万张照片上电子的位
置进行考察,则会发现明显的统计性规律。即:电子经常
出现的区域是一个球形空间。叠加图形被形象地称为电子
云。电子云是空间某单位体积内找到电子的概率分布的图
形,故也称为概率密度。
第5章 目录
5.1 原子结构的近代概念 5.2 多电子原子的电子分布方式 和周期系 5.3 化学键与分子间相互作用 5.4 晶体结构
5.1 原子结构的近代概念
思考两个问题:
化学是一门历史悠久的科学,但为什么 现代化学直到20世纪初才开始迅速地发展?
现在人们以每年数十万计的速度在发现 新的化合物。我们怎么知道它是新化合物?
(2
r a0
)er / 2a0
1 24a03
(
r a0
)er
/ 2a0
1 4
1 4 3 cos 4 3 sin cos 4 3 sin sin 4
波函数是描述核外电子运动状态的函数,也称为原 子轨道。
原子轨道与经典力学的轨道是完全不同的两个概念。之所以 这样叫,只是沿用了“轨道”这个名称而已。 波函数角度部分Y(θ, φ)在三维坐标上的图像称为原子轨道 的角度分布,图像中的正、负号是函数值的符号。
多电子原子体系可以得到薛定谔方程的近似解,过程 十分复杂,本节只介绍其结果的应用。
5.2.1 多电子原子轨道的能级
多电子原子轨道的能级取决于主量子数n和角量子 数l :
主量子数n相同时,l 越大,能量越高
角量子数l 相同时,n越大,能量越高
当主量子数n n =4
l=d
和角量子数l 都
l=p
不同时,可以
1 4
1
2a03
(2
r a0
)er / 2a0
1 1 ( r )er / 2a0 cos 4 2a03 a0
1 4
1
2a03
(
r a0
)er
/ 2a0
sin
cos
1 1 ( r )er /2a0 sin sin 4 2a03 a0
2 1 er / a0 a03
1 8a03
2 电子云的径向分布*
电子云的径向分布指在单位厚度的球壳内找到电子的概率
2s 3s
3s 3p 3d
r
r
图5.10 电子云的径向分布示意图
5.2 多电子原子的电子分布方式与周期系
在已发现的112种元素中,除氢以外,都属于多 电子原子。多电子原子除电子与核的作用势能 外,还存在电子之间的作用势能,因此使得多 电子原子体系的势能部分的表达非常复杂,现 有的数学方法还只能精确求解氢原子和类氢离 子体系(核外只有一个电子,如He+等)的薛定 谔方程。
1s22s22p63s23p63d104s1
5 原子与离子的特征电子构型
由于化学反应中通常只涉及外层电子的改变,因此一般只需
要写出外层电子的排布式。外层电子的排布式也称为特征电 子构型。
例5.3 写出26Fe原子的核外电子分布式和特征电子构型以及 Fe3+离子的特征电子构型。
解: 原子序数为26,因此核外电子排列方式应是
氢原子的1s轨道:角度部分为 1/ 4 ,是一个与角度无关 的常数,其图像是一个半径为 1/ 4 的球面。
氢原子的2pz轨道:角度部分为 3/ 4 cos,只与θ角度有关, 由于θ是r与z轴的夹角,其图像是一个沿z轴分布的互切双球 面。在z轴正向,函数值大于0, z轴反向,函数值小于0。
量子数
2 微观粒子的波粒二象性
光的波、粒二象性揭示了光被人们忽略的另一面,反之, 粒子是否也具有被忽视的另一面,即波动性质呢?
德·布罗意(de ·Broglie)提出微观粒子也具有波的 性质,并假设:
= h / mv
式中, 为粒子波的波长;v为粒子的速率,m为粒子
的质量
电子衍射实验示意图
1927年,粒子波的假设被电子衍射实验所证实。
图5.5 原子轨道形状
(3) 磁量子数 m 的物理意义:
m 的取值: m = 0,1,2,···l, 共可取2l + 1个值 确定原子轨道的伸展方向 除s轨道外,都是各向异性的
p轨道, m=-1,0,+1,有三个伸展方向 d轨道, m=-2,-1,0,+1,+2有五个伸展方向
图5.6 原子轨道伸展方向
(2) 角量子数 l 的物理意义:
l 的取值:l = 0,1,2,3,···, (n – 1)
l = 0,1,2,3 的原子轨道习惯上分别称为s、p、d、f 轨道。 表示亚层,基本确定原子轨道的形状
对于多电子原子,与n共同确定原子轨道的能量。
y
z
y
+
-&#-
s轨道投影
pz轨道投影
dxy轨道投影
(1) 主量子数 n 的物理意义:
n 的取值:n = 1,2,3,…
n = 1,2,3,4, ···对应于电子层K,L,M,N, ··· 表示核外的电子层数并确定电子到核的平均距离 确定单电子原子的电子运动的能量
求解H原子薛定谔方程得到:每一个对应原子轨道中电子的 能量只与n有关:
En = (–1312 / n2) kJ·mol ˉ1 n的值越大,电子能级就越高。
(4) 自旋量子数ms
用波函数ψn,l,m描述原子中电子的运动,习惯上称为轨 道运动,它由n, l, m三个量子数所规定,电子还有自旋 运动,因而产生磁矩,电子自旋磁矩只有两个方向。 因此,自旋量子数的取值仅有两个,分别为+1/2和1/2,也常形象地表示为 和 。
一个轨道中的电子可以有两种不同的自旋方向。
y
y
y
x
x
x
a
b
b
图5.8 电子云的统计概念(二维投影)
a) 单张照片;b) 二张照片 c)大量照片
电子云与概率密度
图5.9 电子云示意图 a) s电子云;b) p电子云;c) d电子云
1 电子云的角度分布
电子云的角度分 布与原子轨道的 角度分布之间的 区别:
形状较瘦 没有正、负号
图5.11 电子云的径向分布
解: 原子序数为24,其中1s, 2s, 2p, 3s, 3p共5个能级9个
轨道排布了18个电子。不考虑补充规则时,排列方式应 是1s22s22p63s23p63d44s2,考虑补充规则时,则为
1s22s22p63s23p63d54s1
实验证实,后者是正确结果 思考题:29号元素的的电子排布式如何?
3 洪德规则
当电子在n, l 相同的数个等价轨道上分布时,每个 电子尽可能占据磁量子数不同的轨道且自旋平行。
例题5.1 碳原子(1s22s22p2)的两个p电子在三个能量相
同的2p轨道上如何分布? 共有以下三种排列方法:
I
II
III
图5.13 两个电子在p轨道上的分布
4 能量最低原理的补充规则
当相同能量的轨道为全充满或半充满的状态时, 能量较低。 例5.2 写出Z=24的铬元素的电子排布式
5.1.1 波函数
1 光的波粒二象性
20世纪初,爱因斯坦提出了质能转换关系:
由于
E = mc2 E = hv c = v
hv = mc2 = mcv
所以
= h / mc = h / p
式中,c 为光速, h为普朗克常数, h =6.62610-34J·sˉ1 , p为 光子的动量
光具有动量和波长,也即光具有波粒二象性。
晶片光栅
定向电子射线
衍射图象
图5.1 电子衍射示意图
3 氢原子光谱示意图
氢放 电管
狭缝
棱镜
电子束
电子束
415nm 435nm 487nm
660nm
图5.2 氢原子光谱示意图
R
(
1 n12
1 n22
)
式中,R为常数,n1、n2必须是正整数且n1<n2
4 波函数与量子数
1926年,奥地利物理学家薛定谔(Schrödinger)提 出了微观粒子运动的波动方程,即薛定谔方程:
的值。 解: s, f, d 以及p 轨道的l 值分别为0;3;2;1,代入 上式得到(n+0.7l)的值分别为:
6.0; 6.1; 6.4; 6.7 即E6s < E4f < E5d < E6p
7 能级分组
把(n+0.7l)值的整数位相同的能级分为一组,得到如下表所 示的能级分组。
表5.1 能级分组
1s22s22p63s23p63d64s2 特征电子构型则是:
3d64s2 Fe3+离子的特征电子构型则是:
3s23p63d5
特征电子构型的书写规则
主族元素:写出最外层的s轨道和p轨道上的电子 分布。
过渡金属元素:写出次外层的d 轨道和最外层的s 轨道上的电子分布。
镧系和锕系元素:写出(n-2)层的f 轨道和最外层 的s 轨道上的电子分布。少数元素 (n-1) 层的d 轨道 上有电子,也应写出。
由于上述参数的取值是非连续的,故被称为量子数。当n 、l 和 m 的值确定时,波函数(原子轨道)便可确定。即:每 一个由一组量子数确定的波函数表示电子的一种运 动状态。由波函数的单值性可知,在一个原子中,电子的 某种运动状态是唯一的,即不能有两个波函数具有相同 的量子数。
波函数可以被分解为径向部分R(r)和角度部分Y(θ, φ) ,即:
2
x 2
2
y 2
2
z 2
8 2m