工程化学

四、状态与状态函数
物质在一定的温度和压力条件下所处的相对稳定 的状态，称物质的聚集状态，简称物态。 状态函数 1、广延性质 2、强度性质
状态函数的特点：状态函数的变化值 只决定体系的始态和终态，而与变化的过程无关。
五、物质的量
符号记为 n，单位为摩尔(mol)。
六、反应进度 定义：
dnB d vB
2.、 分子晶体
分子晶体的晶格结点上排列着极性分子或非极性分子， 分子间以范德华力(分子间力)或氢键相结合。
属于分子晶体的物质一般为非金属元素组成的共价化合物， 如 SiF4，SiCl4，SiBr4，SiI4，H2O，CO2，I2 等。 CO2 分子晶体(干冰)
3、 原子晶体
原子晶体的晶格结点上排列着中性原子， 原子间由共价 键结合。 由非金属元素组成的共价化合物多为分子晶体，但有少部 分形成原子晶体， 如常见的 C (金刚石，立方型)，Si，Ge，As，SiC (俗称金 刚砂)，SiO2，B4C，BN (立方型)，GaAs 等。
第一章 物质的聚集状态
1.1 教 学 内 容
1. 了解物质层次及其运动理论，明确原子和分子 等原子结合态单元是介观粒子的概念。 2. 理解系统和环境，聚集状态和相等概念，明确 敞开系统、封闭系统、孤立系统及相的划分。 3. 明确化学反应中的质量守恒和能量变化，掌握 化学计量数的概念。 4. 明确反应进度的概念，掌握物质的量的符号、 单位及有关计算。
反渗透 如果在溶液的一侧施加一个大于渗透压的外压力，则溶 剂由溶液一侧通过半透膜向纯溶剂或低浓度方向渗透，这 种现象称为反渗透。反渗透法为海水淡化和废水处理提供 了一个重要方法。
溶液
纯水
海水淡化示意图
1.4
固体和固体废弃物污染及其 治理
固体中的原子及其结合态粒子在空间的排布， 如果长程有序便称为晶体，如果短程无序就称为非晶体。
显示渗透压现象的简单装置
1887年，荷兰物理学化学家范特霍夫(J. H. van‗ t Hoff)
提出了稀溶液的渗透压与温度以及溶质浓度的关系式：
实验发现，难挥发的非电解质稀溶液的渗透压 与溶液的物质的量浓度及热力学温度成正比。
n Π cRT RT V
或
ΠV nRT
等渗液
高渗液
低渗液
1.2 •
气体、等离子体和大气污染 及其防治 教 学 内 容
• 1、掌握理想气体状态方程及其近似用于实际气体条件 • 2、了解大气湿度概念和相对湿度的计算 • 3、了解酸雨的成因
一、理想气体和实际气体
理想气体状态方程表示为：
pV nRT
理想气体在微观上具有两个特征：分子本身不占有体积； 分子间没有相互作用力，其系统的势能可忽略。
二、元素 原子核中质子数相同的一类原子的总称。
发现了118种元素，96种金属元素，22种非金 属元素
三、系统、环境、相
被研究的对象就称为系统。 系统以外与之直接联系的部分，称为环境。
系统可分为下述三类： 开放系统 封闭系统 有质量和能量交换 只有能量交换 隔离系统 无质量和能量交换
相：系统中任何化学组成均匀，物理和化学性质 都相同的，且可用机械方法分离出来的部分。相与相 之间存在明显的界面。
[n2 (H 2 ) n1 (H 2 )] (24 30) mol 2 mol (H 2 ) (3) [n ( NH3 ) n1 ( NH3 )] (4 0) mol 2 2 mol ( NH3 ) 2 1 3 4 mol N 2 (g) H 2 (g) NH 3 2 2
玻璃 非晶态高分子化合物 非晶态薄膜 非晶态合金(也称金属玻璃)
• 第二章 化学反应原理
教 学 内 容：
本章简要介绍化学热力学的一些基本概念，
包括热力学第一定律，焓、熵、自由能、化学反
应等温式和吉布斯-亥姆霍兹公式等。运用这些知
识判断化学反应的方向，求化学反应平衡常数。
2. 1 化学反应的能量变化 一、热力学第一定律——能量守恒与转化定律 自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的 形式，能够从一种形式转化为另一种形式， 从一个物体传递给另一个物体，而在转化和传递中能 量的总数量不变。
nB 为物质 B 的物质的量。 一般定义为：

nB
B
例如
反应前物质的量 n1/mol
N2(g) + 3H2(g)
10 30
2NH3(g)
0
反应某时刻物质的量 n2/mol
8
24
4
则反应进度为： [n2 ( N 2 ) n1 ( N 2 )] (8 10) mol 2 mol (N2 ) (1)
体 积 功： 非体积功： We ）
pV W （如电功
W = pV + W
热和功都不是系统的状态函数，除状态 外还与系统状态变化的具体途径有关。
例2－1 某过程中，系统放出50 kJ 的热，对外做 功 35.5 kJ，求该过程中系统的热力学能变。
解： 由热力学第一定律解得：
U(系统) = Q + W = －50 kJ + (35.5 kJ ) = －85.5 kJ
样品 Cs 为钢弹及内部物质和金属容器 组成的物质系统的总热容，
水 绝热外套和 钢质容器
弹式热量计示意图
T 为测量过程中温度计的最终 读数与起始读数之差。
四、反应热效应的计算
1、 盖斯定律 化学反应的反应热（恒压或恒容下）只与物质的始态 或终态有关而与变化的途径无关。
H2(g) + —O2(g)
2
ΔrH1°
1Hale Waihona Puke Baidu
ΔrH°
H2O(l)
ΔrH3°
2H(g) + O(g)
ΔrH2°
H2O(g)
ΔrH° = ΔrH1° + ΔrH2° + ΔrH3°
盖斯定律计算实例
(1) H2(g)+ O2 = 2H(g)+O(g) ΔrH1°= +676.1 kJ· -1 mol (2) 2H(g)+O(g) = H2O(g) (3) H2O(g) = H2O(l) (1) + (2) + (3) : ΔrH2° = -917.9 kJ· -1 mol ΔrH3° = -44.0 kJ· -1 mol
三、大气污染对大气的影响
1、酸雨
2、温室效应
3、臭氧层的破坏
1.3 液体和水污染及其治理
• 一、水的性质和应用
• 水分子中，氢、氧原子以共价键相结合， O–H 键长为 0. 095 72 nm，∠HOH 为104. 52°。
二、溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压 1.、溶液的蒸气压降低 一定温度下，液相（固相）与其气相达到平衡时的压力 称为液体（固体）在该温度的饱和蒸气压，简称蒸气压。 溶液的蒸气压降低的原因
ΔU＝Q+W＝QV (封闭体系，恒容，不做其他功) 上式表明，封闭体系在不做其他功的条件下， 内能的变化等于恒容热效应。
三、反应热效应的测量
点火电线
搅拌器 温度计
QV = –[cw (H2O) · (H2O) + Cs] ·ΔT m
钢弹 cw (H2O) 为水的质量热容， m (H2O) 为水的质量，
4、 金属晶体
金属晶体的晶格结点上排列着原子或正离子。 原子或正离子通过自由电子结合，这种结合力是金属键。
金属键的强弱与构成金属晶体原子的原子半径、有效核 电荷、外层电子组态等因素有关。
5、 过渡型晶体
6、 混合键型晶体 例如，层状结构的石墨、二硫化钼、 氮化硼等属于混合键型晶体。
二、非晶体 目前广泛应用的非晶体固体有四类：
1.1
化学的基本概念
一、分子、原子和团簇 化学研究的 物质是不依赖于人们的感觉而存在并且 可以被人们的感觉所认识的客观实在。 物质 简而言之，物质是客观存在的东西。 具体地说 具有静止质量、体积、占有空间 物质包括 实物 的物体。如书桌、铁、木材、水、 实物和场 空气等。
化学研究的 物质一般是 指实物
将 Qp = H2 H1 = H 代入 U = Q + W = Qp + ( pV) 可得： U = H pV
当反应物和生成物都为固态和液态时， 反应的 pV 值很小，可忽略不计。 故 H U
2、恒容反应热：记作 QV
封闭体系在恒容条件下变化时，如果不做其他功， 由于体积无变化，所以W = 0，这种条件下体系的 热力学能变化是:
即该系统的热力学能降低了85.5 kJ 。
二、化学反应中的能量变化 1、恒压反应热：记作 Qp 恒压过程中压强 p 不变，体积 V 可以变化 ， 由热力学第一定律 U = Q + W = Qp + (pV) Qp = U + pV = U + (p2V2 p1V1) = (U2 + p2V2) (U1 + p1V1)
相对湿度
大气中水蒸气的分压力和同温度下水的饱和蒸气压 的百分比值称为相对湿度。
相对湿度
pH 2O p
* H 2O
100%
例如：已知25℃时，某地实际水蒸气压力为 2. 154 kPa，此时相
对湿度是多少?
解： 25℃ 时水的饱和蒸气压为 3. 167 kPa。
相对湿度= (2. 154 kPa／3. 167 kPa) ×100% = 68％
Tb Tb* Tb KbbB
式中ΔTb 表示溶液的沸点升高， Tb*、Tb 分别表示纯溶剂和溶液的沸点，bB 是质量摩尔 浓度，单位为mol· –1。 kg Kb 为沸点升高常数，它取决于纯溶剂的特性 而与溶质特性无关。
4、 溶液的渗透压
П= cB×R×T
溶液
纯水 半透膜 渗透压是为维持被 半透膜所隔开的溶液与纯 溶剂之间的渗透平衡 而需要的额外压力。
蒸气压下降的定量关系
实验证明，在一定温度下，稀溶液的蒸气压降低值 等于该稀溶液中难挥发溶质的物质的量分数(摩尔分数) 与纯溶剂蒸气压的乘积，而与溶质的性质无关：
nB * * p pA x B pA n
上式也称拉乌尔定律
2.、 溶液的凝固点下降
实验证明：在稀溶液中，凝固点下降(ΔTf )为
热力学能(又称内能) 热力学体系内部的总能量 称热力学能， 用符号U表示，单位是焦耳(J)。 U是状态函数，为广度性质，它的绝对值很 难确定，• 它的变化值可以不难求出。内能的变 但 化是通过两种方式表现出来的。
U – (Q + W) = 0 Q 称为热
或
U = Q + W
与途径（或过程）有关 W 称为功 Q > 0，表明系统对环境吸热； Q < 0，系统对环境放热； W > 0，系统接受环境作功； W < 0，系统对环境作出功。
Tf Tf* Tf Kf bB
式中ΔTf 表示溶液的凝固点下降， Tf*、Tf 分别表示纯溶剂和溶液的凝固点，bB 是质量 摩尔浓度，单位为mol· –1。 kg Kf 为凝固点下降常数，它取决于纯溶剂的特性而与溶质 特性无关。
3、 溶液的沸点升高 实验证明：在稀溶液中，沸点升高(ΔTb )为
上式说明，恒压过程中系统热量 Qp 的变化等于 终态和始态的 (U + pV) 值之差。
热力学中将 (U + pV) 定义为焓，符号为 H。 H = U + pV
焓 H 在系统状态变化过程中的变化值就是H，
H 在热力学中称焓变，即
Qp = H2 H1 = H
焓的变化 H 在数值上等于等压过程中吸收 或放出的热量，即 H＞0，表示系统吸热， H＜0，表示系统放热。
晶体
非晶体
一、晶体 按晶格结点上微粒的种类、组成及其粒子间相互作用力的 不同，晶体可分为： 离子晶体 分子晶体 原子晶体 金属晶体
过渡型晶体
混合型晶体
1、 离子晶体 离子晶体的晶格结点上交替排列着正、负离子， 靠离子键结合。 离子晶体有较高的熔点、较大的硬度、较脆。 在熔融状态或在水溶液中具有优良的导电性， 但在固体状态时几乎不导电。
二、大气相对湿度
绝对湿度 水蒸气在大气中的含量多少，表达了大气的干湿程度，简称湿度。 单位体积空气中所含水蒸气的质量称为绝对湿度。 例如，20℃空气中的水蒸气达到饱和时， 每立方米的空气中含有的水蒸气质量为：
pVM 2 339 Pa 1 m3 18.01g mol1 m(H 2O) 17.28 g 1 1 RT 8. 314 J mol K 298.15 K
场
没有静止质量、体积、不占有空 间。如电场、磁场、光、声音。
1、分子：保持物质化学性质的最小粒子
2、原子：进行化学反应的最小微粒 3、团簇：尺寸介于原子、分子和宏观物体之间
有金属簇， 如 Lin，Cun，Hgn； 非金属簇，如 Cn，Nn，Arn； 分子簇， 如 (H2O)n，(NaCl)n 等。