无机化学关键笔记.doc
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1、第一章 物质状态理想气体:是设定气体分子本身不占空间、分子间也没有相互作用力假想情况下气体。实际气体:处于高温(高于273 K)、低压(低于数百千帕)条件下,因为气体分子间距离相当大,使得气体分子本身体积和气体体积相比能够忽略不计,且分子间作用力很小,可近似地将实际气体看成是理想气体。pV = nRT(理想气体状态方程式) R称为百分比常数,也称为摩尔气体常数。 R = 8.314 Pam3mol-1K-1 = 8.314 kPaLmol-1K-1 = 8.314Jmol-1K-1(Pam3=Nm-2m3=Nm = J)道尔顿理想气体分压定律 式中 xi 为某组分气体摩尔分数。理想气体混合物中
2、某组分气体分压等于该组分气体摩尔分数和总压力乘积。分体积定律当多个气体混合时,起初每一个气体在各处密度是不一样,气体总是从密度大地方向密度小地方迁移,直至密度达成完全相同状态,这种现象称为扩散。相同温度、相同压力下,某种气体扩散速度和其密度平方根成反比,这就是气体扩散定律。用ui表示扩散速度,i表示密度,则有: 或 式中uA、uB分别表示A、B两种气体扩散速度,A、B分别表示A、B两种气体密度。同温同压下,气体密度()和其摩尔质量(M)成正比,据此能够表示为: 对理想气体状态方程进行修正 对n = 1 mol实际气体,其状态方程为:气体分子运动论关键内容包含以下多个假设:(1)气体由不停地作无
3、规则运动分子所组成;(2)气体分子本身不占体积,视为数学上一个质点;(3)气体分子间相互作用力很小,可忽略;(4)气体分子之间及分子对容器壁碰撞视为弹性碰撞,气体压力是因为气体分子同容器壁产生碰撞结果;(5)气体分子平均动能和气体温度成正比。通常把蒸气压大物质称为易挥发物质,蒸气压小物质称为难挥发物质。对同一液体来说,若温度高,则液体中动能大分子数多,从液体中逸出分子数就对应多些,蒸气压就高;若温度低,则液体中动能大分子数少,从液体中逸出分子数就对应少些,蒸气压就低。克劳修斯-克拉贝龙(Clansius-Clapeyron)方程沸点是指液体饱和蒸气压等于外界大气压时温度。在此温度下,气化在整个
4、液体内部和表面同时进行(在低于该温度时气化仅在液体表面上进行),称之为液体沸腾。三氯甲烷、乙醇、水和醋酸正常沸点依次分别为61.3, 78.4, 100和118.5。减压蒸馏方法正是利用减压时液体沸点会降低这一特征去实现分离和提纯物质目标。这种方法适适用于分离提纯沸点较高物质和那些在正常沸点易分解或易被空气氧化物质。 假如温度高于某一数值,则不管加多大压力也不能使气体液化。这一温度称为临界温度,用符号Tc表示。在临界温度时,使气体液化所需最低压力称为临界压力,用pc表示;而在临界温度和临界压力下物质所占有体积称为临界体积,用Vc表示。Tc、pc和Vc统称为临界常数。 晶体和非晶体特征异同点关键
5、表现在以下多个方面:(1)晶体和非晶体可压缩性和扩散性均很差。 (2)完整晶体含有固定几何外形,而非晶体则没有。(3)晶体含有固定熔点,非晶体则没有固定熔点。非晶体被加热到一定温度后开始软化,流动性增加,直至最终变成液体。从软化到完全熔化,要经历一段较宽温度范围。 (4)晶体含有各向异性,很多物理性质,如光学、导热性、导电性和溶解作用等在晶体不一样方向上测定时,是各不相同。如石墨晶体易沿着层状结构方向断裂,石墨层向导电能力远远高于竖向导电能力。晶体各向异性是其内部粒子有规律排列反应。非晶体则表现出各向同性。等离子体实际是部分电离状态气体,物质第四种状态。电离是指中性气体原子(或分子)电离成离子
6、和自由电子。水三相点所对应温度(0.01 )和压力(0.611 kPa)下,固、液和气三态能够共存,即三态处于平衡状态。 第二章 溶液和胶体分散系:一个或多个物质以细小粒子分散在另一个物质里所形成体系。分散系由分散质和分散剂两部分组成。溶液中,分散质通常称为溶质,分散剂通常称为溶剂。表2-1 按分散质粒子直径大小分类液态分散系分散系类型粗分散系胶体分散系分子分散系颗粒直径大小100 nm1100 nm1nm高分子溶液 溶胶分散质存在形式分子大聚集体大分子 小分子聚集体小分子、离子或原子关键性质不稳定很稳定 稳定最稳定多相单相 多相单相一般显微镜可见超显微镜可见电子显微镜也不可见不能透过滤纸能透
7、过滤纸,但不能透过半透膜能透过半透膜实 例泥浆胶水 Fe(OH)3溶胶NaCl溶液、葡萄糖溶液溶液浓度表示 1、质量分数 2、物质量浓度 3、质量摩尔浓度 4、摩尔分数 溶液性质有两类:第一类:如颜色、导电性、酸碱性等由溶质本性决定。第二类:如溶液蒸气压下降、沸点升高、凝固点下降、渗透压等则和溶质本性无关,取决于溶液中溶质自由粒子(能够是分子、离子、原子等微粒)数目,即浓度。 后一类性质常称为溶液依数性,也称为溶液通性。在难挥发非电解质稀溶液中,这些性质就表现得更有规律。拉乌尔( F. M. Raoult)定律(只适适用于非电解质稀溶液):溶液蒸气压下降:p = KpbB 溶液沸点升高:T b
8、 = K b bB 凝固点下降:T f = K f bB 溶液渗透压: cBRT 部分常见溶剂沸点和Kb值溶 剂Tb/KKb/Kkgmol-1水373.150.512乙醇350.541.22苯353.352.53部分常见溶剂凝固点和Kf值溶 剂Tf / KKf / Kkgmol-1水273.151.86乙醇350.541.22苯278.665.12渗透性是指分子或离子透过半透膜性质。含有这种性质膜有猪膀胱、肠衣、植物细胞壁和人工制造无机陶瓷膜等。 假如半透膜两边溶液浓度相等,渗透压相等,这种溶液称为等渗溶液。在水溶液中或熔融状态下能导电化合物称为电解质,不能导电化合物称为非电解质。依据其水溶液
9、中导电能力强弱又可分为强电解质和弱电解质。解离度是指溶液中已解离电解质物质量占溶液中初始电解质物质量百分数,用表示。离子活度是离子在反应中发挥作用有效浓度:a = f c 离子强度(定量表征电解质浓度和离子电荷数对活度系数影响): zB是离子B电荷,I 越大,f 就越小。对于稀溶液,弱电解质溶液、难溶强电解质溶液作近似计算时f 值很靠近1,可用浓度替换活度。胶体分散系是由颗粒大小在1100 nm 分散质组成体系。它可分为两类: 胶体溶液,又称溶胶。它是由小分子、原子或离子聚集成较大颗粒而形成多相体系。如Fe(OH)3溶胶和As2S3溶胶等。 高分子溶液,它是由部分高分子化合物组成溶液。如胶水。
10、分散体系分散度常见比表面来衡量:0 比表面积越大,表面能就越高,系统就越不稳定,所以液体和固体全部有自动降低表面能能力。凝聚和表面吸附是降低表面能两种路径。 固体在溶液中吸附分为两类:分子吸附(非极性吸附剂较易吸附非极性物质)和离子吸附(离子选择吸附和离子交换吸附)。交换能力和溶液中离子浓度和价数相关,浓度越大,离子价数越高,水化离子半径越小(水化离子半径:LiNaKRbCs),交换能力越强。溶胶制备常见方法是分散法(研磨法、超声波法、电弧法、胶溶法)和物理、化学凝聚法。溶胶光学性质:丁达尔效应。动力学性质:布朗运动。电学性质:电泳:溶胶粒子在外电场作用下发生定向移动现象。 电渗:在外电场下,
11、使溶胶粒子不动,分散剂定向移动现象称为电渗。 溶胶粒子带电关键原因:吸附带电、解离带电胶团结构 (AgI)mnI-(n-x)K+x-xK+ 溶胶稳定性 :布朗运动、胶粒带电、溶剂化作用。聚沉值:能使一定量溶胶在一定时间内开始聚沉所需电解质最低浓度,单位为 mmolL-1。相反电荷价数愈高(价态影响远大于浓度),水化半径越小,聚沉能力愈大。溶于水后能显著降低水表面能物质称为表面活性剂。表面活性剂分子是由亲水极性基团和憎水非极性基团两大部分组成。极性部分通常-OH、-NH2、-COOH和-NH3+等基团,而非极性部分关键是由碳氢组成长链(-R)或芳香基团(-Ar)等。乳浊液是分散质和分散剂均为液体
12、粗分散系。乳浊液又可分为两大类:一类是“油”(通常指有机相)分散在水中所形成系统,以油/水型(或O/W)表示,如牛奶、豆浆、多种农药乳化剂等;另一类是水分散在“油”中形成水/油型(或W/O)乳浊液,比如原油,人造黄油等。第三章 化学热力学基础体系可分为三类:敞开体系、封闭体系、孤立体系描述体系一系列物理量(如气体压力、温度、体积和组分摩尔数等)称为状态函数。状态函数性质:(1)部分状态函数含有加和性,如n、V 等(容量性质) (2)部分状态函数没有加和性,如T、P 等(强度性质)状态函数特征: (1)状态一定,状态函数值一定。 (2)状态函数改变量只和体系始、终态相关,和路径无关。体系某一物理
13、量假如含有上述两个特征,则必是体系一个状态函数。过程关键有:定温过程;定压过程;定容过程;绝热过程;循环过程。当体系和环境间存在温差时,体系和环境间传输能量叫做热,以Q表示。除了热形式以外,其它多种被传输能量全部叫功,以W表示。功分为体积功和非体积功(也称有用功)。功取值:体系对环境做功,取负值;环境对体系作功,取正值。功和热不是状态函数(注意状态函数两个特征)。 体系内部能量总和称为热力学能(内能),用符号U表示,单位为J或kJ。体系状态确定时,体系内部能量也随之确定,是体系状态函数。热力学第一定律:U2 = U1 + (Q + W ) , U2 -U1 = D U = Q + W要求:(1
14、)体系吸收热量为“ + ”值,放出热量为“ - ”值。 (2)体系对环境作功(如膨胀)为“ - ”值,环境对体系作功(如压缩)为“ + ”值。当生成物温度和反应物温度相同,且在反应过程中体系只反抗外压做膨胀功(W有 = 0时),化学反应过程中所吸收或放出热量就叫做这个反应反应热或热效应。恒容条件:恒容反应热DU = QV恒压条件:恒压反应热 定义:H (焓)= U + pV (D H = DU + D nRT) 则 Qp = H2-H1 = DH(焓变)反应进度(衡量化学反应进行程度物理量): 单位是mol热化学方程式:H2(g)+ 1/2O2(g)= H2O(l) =285.83kJmol1
15、符号rHm左下标“r”表示化学反应,右下标“m”表示反应进度改变量 =1mol,即rHm表示化学反应进度为1mol时反应焓变,所以也称为摩尔焓变,习惯上常见kJmol1为单位。右上标“”表示反应在标准状态下进行。标准状态是指在温度T和标准压力p(100 kPa)时该物质状态。 标明反应温度和压力,在298.15 K和100 kPa下进行,能够不注明。 标明全部参与反应各物质状态,气、液、固态可分别用g、l、s表示。有多个晶型固体要注明其晶型。以aq代表水溶液, (aq,)代表无限稀释水溶液。盖斯定律(1840):不管化学反应是一步完成,还是分步完成,其热效应总是相同。标准状态下,由元素稳定单质
16、生成1mol某物质时热效应叫做该物质标准摩尔生成焓或标准摩尔生成热。用DfHm表示,f表“生成”,单位kJmol-1,稳定单质及H+DfHm为零,利用标准摩尔生成焓求反应焓通式为:DrHm=S(niDfHm )生成物 - S(niDfHm)反应物=SnBDfHm(B)1mol某有机化合物在100kPa和某温度下被完全燃烧时所放出热量叫做该化合物标准摩尔燃烧焓,以DcHm 表示。完全燃烧是指化合物中C变为CO2(g),H变为H2O(l), S变为SO2(g),N变为N2(g), Cl变为HCl(aq),并要求这些燃烧产物DcHm为零 利用标准摩尔燃烧焓计算反应热公式是: DrHm=S(niDcH
17、m )反应物 - S(niDcHm )生成物=SnBDcHm(B)自发过程特征:(1)一切自发过程全部是单向性,含有对环境做功能力。欲使其逆向进行,环境必需对它做功。(2)自发过程进行有一定程度,如只能进行到温度相等,水位相等,浓度相等等。体系混乱度可用一个称为熵热力学函数来描述。体系越混乱,熵值越大。S也是一个状态函数,其改变量和路径无关。热力学第三定律:在热力学温度0K时,任何纯物质完美晶体熵值全部等于0。在标准状态下,温度T时,1mol 物质熵值称为该物质标准摩尔熵(或标准熵),用符号Sm表示,单位为 J. mol-1K-1。 化学反应熵变可由物质Sm求得:DrSm= S(niSm)生成
18、物 - S(niSm)反应物=SnBSm(B)标准摩尔熵部分规律: 同一物质聚集状态不一样, 聚集状态相同,分子结构愈复杂,分子摩尔质量愈大,熵值愈大;同一物质,温度愈高,熵值愈大。等温可逆过程体系熵变可由下式计算:DS=Qr/Tr指可逆过程(水在沸点时蒸发,冰点时凝固、 溶解过程为可逆过程),Qr指可逆过程热效应(若讨论恒温恒压体系不做有用功,则等于DH),T为体系热力学温度。 等温过程环境熵变可由下式计算: DS环 = Q环/T环 Q环和Q体大小相等,符号相反。在孤立体系中,自发过程使体系熵值增加,处于平衡状态时体系熵值达成最大,而使体系熵值减小过程是不可能发生。此规律称熵增原理,也称热力
19、学第二定律。DS孤立=DS体+ DS环0 自发过程DS孤立=DS体+ DS环=0 平衡过程DS孤立=DS体+ DS环0 非自发过程化学反应通常在恒温、 恒压下并和环境间有能量交换情况下发生。G=H-TS G称吉布斯自由能,也是一个状态函数。DH - TDS = G2 - G1 = DG(吉布斯自由能变) 0在恒温恒压下(封闭体系):DG0, 自发过程 DrGm0, 非自发过程 DrGm0, 非自发过程标准摩尔生成吉布斯自由能:在指定反应温度(通常在298.15K)和标准态下,令稳定单质吉布斯自由能为0,而且把由稳定单质生成1mol某物质吉布斯自由能变称为该物质标准吉布斯,记为DfGm 。DrG
20、m= S(niDfGm)生成物 - S(niDfGm)反应物=SnBGm(B)= DrHm - TDrSm由吉布斯-赫姆霍兹关系式可得到以下四种情况: DH DS DG(= DH-TDS) 过程(1) + + T升高时有利值变“-” T高利自发进行(2) + - 任何T时,值为“+” 不可能自发(3) - + 任何T时,值为“-” 一直自发(4) - - T降低时有利值变“-” T低利自发进行范德霍夫(Vant Hoff)化学反应定温式: Q为浓度商或压力商 或 经历一定反应时间后,正反应速率和逆反应速率相等,此时反应达成最大程度,故多种物质浓度将不再改变这种状态称为化学平衡状态,简称化学平衡
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