无机化学

无机化学(第五版) 大连理工大学无机化学教研室编讲授吴世新说明计划：《无机化学》由半学年时间学完，总共7个学分。

根据学习情况，本学期(上学期）学习书中的第一章——第十八章，共84个学时。

期末考试采用闭卷考试形式，占总分70%。

平时成绩包括：学习态度、考勤、作业等，占总分30%*。

内容:本学期无机化学部分的内容包括：一.化学反应原理（第一.二、三、四、五*.六.七章）：主要内容为气体、化学热力学、化学反应速率、化学平衡、解离平衡、氧化还原反应,主要掌握其中的基本原理和一些简单的运用。

二.物质结构基础（第八.九.十.十一*章）：主要内容为原子结构，分子结构,晶体结构,配合物结构等,主要学习如何运用结构去解释其性质。

三.元素化学(第十二至第十八*章):讨论重要元素及其化合物的存在、性质、制备和用途.无机化学：是研究元素及其化合物的的制备、性质、反应、结构及其相互关系的一门基础化学课。

又可分为元素无机化学（※）、固体无机化学、配合物化学、生物无机化学、物理无机化学等。

地位：材料、能源和信息科学是现代文明的三大支柱，化学被认为是这三大支柱的中心科学，随着微电子技术、核能、光通讯、海洋（生命力）开发等技术的发展，无机化学将成为化学学科中最活跃、最富生命力的基础学科理论和实验的关系：化学是一门自然科学，无机化学的实验性强，也有自身的理论，无机化学设有理论课和实验课，它们是一个整体，互相补充、完善，实验可以加深感性认识，而理论可以加深对感性认识的理解。

理论指导实验，实验巩固理论知识。

第一章 气 体§1—1理想气体状态方程气体的特点：(1)气体没有固定的体积和形状。

(2)不同的气体能以任意比例均匀地混合。

(3)气体是最容易被压缩的一种聚集状态。

1.理想气体：分子本身不占体积，分子间没有相互作用力的气体。

这只是一种科学抽象，是人们为了使问题简化而建立的一种人为的气体模型。

对于实际气体，当它处于低压、高温的条件下时，分子间的平均距离很大，气体的体积远大于分子本身的体积，分子间作用力也因为距离拉大而变小，故可以近似看作理想气体。

2.理想气体状态方程为：PV=nRTP:压力 V:体积 n:物质的量 R:摩尔气体常数 （8.314J ·mol -1·K -1）可推导出M m ρRT(ρ为气体密度) 3. 应用:利用上述公式,可进行一些有关描述气体状态的物理量的计算。

对于P 、V 、n 、T ，只要知道了其中三个量,便可计算出另一个量。

例 1-1见书P4页例 1-2小结:本次课介绍了<<无机化学>>课程的基本情况及考试要求,重要讲解了理想气体状态方程及其应用,要求能进行计算.作业:P19 2.3.4§1-2 气体混合物一.道尔顿分压定律前面我们讨论了理想气体以及它的各个物理量之间的关系,在实际情况下,气体总以混合物的形式存在,如果几种彼此不反应的气体混合在同一容器中,它会不会彼此分开，各自占据一份空间?当然不会,各种气体会如同单独存在时一样充满整个容器,那么各种气体的压力会发生什么样的变化呢?例如：两种气体混合，则通过实验发现：P=P 1+P 2对于多种气体混合时，总压力是否也存在着这种规律呢？道尔顿通过实验发现（道尔顿分压定律）：混合气体的总压力等于各组分气体的分压力之和。

用公式表达为：P=P 1+P 2+……= B P其中，分压力即该组分气体在同一温度下占有混合气体的容积时所产生的压力。

设有一混合气体，有B 个组合，B P 和B n 分别表示任意一个组分的压力和物质的量，V 为混合气体的体积，则根据理想气体状态方程可得：B P V=B n B P =VRT n B由道尔顿分压定律，可知：P=∑B P =∑B n ×VRT 因为对于混合气体，其总物质的量即为各组分气体物质的量之和，即n=∑B n ， 则P=n ×VRT 。

可见，理想气体状态方程不仅适用于一种理想气体，也适用于混合气体。

由B P =V RT n B 除以P=V nRT ，可得P P B =n n B ，即B P =nn B ×P 令B X =n n B ，则B P =B X ×P 式中B X （B X ）为摩尔分数，可用来表示混合物中某种物质的含量，混合物中某组分的摩尔分数即为该组分的物质的量占混合物中总物质的量的分数。

例如：某混合物由A 、B 两组份组成，它们的物质的量分别为n A 、B n ，则A 组分的摩尔分数A X =A A B n n n + =A n nB 组分的摩尔分数B X =B A B n n n + =B n n 式B P =B X ×P 表示：混和气体某组分的分压力等于该组分的摩尔分数与混合气体的总压力的乘积。

这是道尔顿分压定律的另一种表达形式。

特别注意：道尔顿分压定律仅运用于理想气体，对于实际气体，只有在低压和高温下才近似的适用。

二.应用：可研究混合气体。

如实验室中常用排水法收集气体时常含有饱和的水蒸气，则()P 总压=()P 气体+()P 水蒸气。

水的饱和蒸气压仅与水的温度有关，因此通常可以通过查表得出。

则()P 总压=()P 气体-()P 水蒸气， （分压力=总压力-饱和水压）标准状态：0℃、101kPa例 1-3见书P6页例 1-4第二章 热 化 学热力学是研究热和其它形式能量之间转化规律的科学，用热力学的原理和方法来研究化学过程及其伴随的能量变化就形成了化学热力学。

化学热力学主要解决化学反应中的两个问题：1.化学反应中能量是如何转化的。

2.化学反应朝什么方向进行及其限度如何。

能量有多种形式，如机械能、热能、电磁能、辐射能、化学能、生物能和核能等。

能量可以被储存和转化，热和功是能量传递的两种形式。

但热力学也有它的易限性，由于它研究的只是物质的客观性质，不涉及物质的内部结构及时间的概念，因此它可以告诉我们一定条件下反应能否进行，而不能告诉我们反映如何进行及其速率有多大。

§2.1 热力学的术语和基本概念一.系统和环境：系统:被划作研究对象的这一部分物质世界称为系统。

环境:系统以外与其密切相关的部分称为环境 。

分类:根据系统和环境间物质和能量的交换情况不同可将系统分为：1.隔离系统：完全不受环境影响的系统，即系统与环境之间既无物质交换又无能量的交换。

2.封闭系统：系统与环境之间有能量交换而无物质的交换。

系统的质量是守恒的。

3.敞开系统：系统与环境之间有能量交换也有物质的交换。

例如：一个具有隔热带塞子的保温瓶中盛热水，以瓶内热水为系统，则系统可近似看作隔离系统，若开水瓶不保温，即成为封闭系统，若保温瓶既不隔热又不加塞子便成了敞开系统。

二.状态和状态函数任何一个系统的状态都可以用一些物理量来确定，每个物理量代表系统的一种性质，如气体的状态可以用压力（P）、体积（V）、温度（T）及物质的量（n）等物理量来确定。

当系统处于一定的状态时，这些物理量都有确定的值，倘若其中某一物理量发生了变化，系统的状态就会发生相应的变化，也就是说系统的状态与这些物理量之间有一定的函数关系。

状态是系统中所有宏观性质的综合表现。

热力学把描述系统状态的这些物理量称为状态函数。

状态函数的性质:(1)系统的一种状态函数代表系统的一种性质，对于每一种状态它都有确定的值，而与系统形成的途径无关。

如一杯温度为300K的水，300K即为该系统状态函数下的一个确定值，而与系统形成的途径无关，也就是说不管这杯水是通过冷水加热还是通过沸水冷却而来，其结果都是300K。

也就是说不管系统是通过什么途径形成的，只要它所处的状态相同，则其状态函数也是相同的。

(2)当系统的状态发生变化时，状态函数也随之改变，并且其变化值只与系统的始态和终态有关，与变化的途径无关。

例如，一杯水，从状态I（T=300K）变成状态Ⅱ（T=350K）。

上述变化无论是经过什么样的途径，其状态函数的变化值始终是∆T=350K-300K=50K。

(3)同一热力学系统中各状态函数之间互相关联，由几个状态函数值可以确定其它所有的状态函数值。

例如，对理想气体，PV=nRT中P、V、n、T四个状态函数，确定其中任意三个，其余的一个状态函数也就随之而定了。

三.过程和途径过程：当系统的状态发生变化时，我们把这种变化称为过程。

途径：完成这种过程的具体步骤称为途径。

热力学中常见的过程有：(1)等温过程；系统的温度保持不变，即∆T=0的过程。

(2)等压过程：∆P=0。

(3)等容过程：∆V=0。

四.相（※）系统中物理性质和化学性质完全相同而与其它部分有明确接口分隔开来的任何均匀部分叫做相。

分为均相系统和多相系统。

通常以g、l、s、aq分别表示气态、液态、固态和水溶液。

§2.2 热力学第一定律一.热和功热是系统与环境交换能量的一种方式，用符号Q表示。

根据状态变化的形式不同，热可以分为两种情况：(1)系统与环境由于温差而进行的能量变换。

(2)在热交换时，系统发生了化学变化或相变，但变化过程温度保持不变。

如水变冰。

以热的形式转移能量总带有一定的方向性，所以Q有正负之分。

我们定义：系统吸收热量Q为正值，系统放出热量Q为负值。

功是系统与环境交换能量的另一种方式，以W表示，也有正负之分。

功有多种形式，通常分为体积功和非体积功两大类：由于系统体积变化反抗外力所作的功为体积功，其它功，如电功、表面功等都称为非体积功。

本章的讨论都局限于系统只做体积功的情况。

我们定义：环境对系统做功W＞0，系统对环境做功W＜0。

热与功一样，与途径有关，都不是状态函数。

见例题。

二.热力学能系统所储有的总能量叫做系统的热力学能，也称为内能，用符号U来表示，它是系统内部各种运动形式能量的总和，其中包括分子的动能、分子间相关的势能等。

热力学能是系统自身的一种性质，在一定状况下有一定的数值，因此是状态函数。

至今我们还无法知道系统热力学能的绝对值，但是当系统状态发生变化时，系统和环境有能量的交换，即有功和热的传递。

据此可以确定热力学能的变化值 U。

三.热力学第一定律热力学第一定律又叫能量守衡定律，其本质是能量可以传递和转换，但其总能量不变，可表述为：系统的热力学能的变化等于变化过程中系统与环境传递的热与功的总和。

其数学表达式为：∆U=Q+W。

其中∆U是指系统终态和始态的热力学能差。

这里要注意的是Q与W的正、负号的问题。

本书采用：凡系统吸收热量Q为正值，系统放出热量Q为负值；系统对环境做功W为负值，环境对系统做功W为正值。

见例题。

总结：Q和W总和系统的变化联系着，当系统的状态不发生变化时，系统和环境之间无法交换能量，也就没有功和热，功和热不能用来描述和确定系统的状态性质，所以功和热不是状态函数，而热力学能U是系统自身的一种性质，是状态函数。