五、无机及分析化学重要知识点汇编.doc
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华中科技大学2017年攻读硕士学位研究生入学考试试题
重要知识点汇编
(无机化学及分析化学)
绪 论
一、化学的地位及作用
自然科学在纵向方面分为三个层次:
工程技术、技术科学、基础科学。
化学是一门基础学科,它是在分子、原子或离子等层次上研究物质的组成、结构和性质以及可能发生的变化和变化中的能量转换。
化学理论已渗透到许多技术学科当中,如采矿和冶金工业的需要,推动了无机和分析化学的发展;纺织、印染、煤、石油的综合利用又使有机化学向前迈进了一大步。
二、四大化学
化学在发展过程中逐步形成了许多分支学科,如"四大化学"这些都属于纯粹的化学。
无机化学:
以所有元素及其化合物(除C、H化合物及其衍生物)为研究对象;
有机化学:
以C、H化合物及其衍生物为研究对象;
分析化学:
研究物质的化学组成和鉴定方法及其原理;
物理化学:
以应用物理测量方法和数学处理方法来研究物质及其反应,以寻求化学性质和物理性质间本质联系的普遍规律。
另外,随着化学在不同领域中的应用,又产生了许多应用化学:
如工业化学、高分子化学、放射化学、环境化学、生物化学、半导体化学等等。
三、本课程的目的及主要内容
1、目的:
化工类专业一门重要的基础课,是后续化学课程的基础。
2、主要内容:
主要是研究无机物的组成、结构、性质、制备、应用以及其变化的基本原理。
本教程分为两部分:
化学理论与元素及其化合物
其中化学理论又分为:
四大平衡(化学平衡、酸碱平衡、沉淀溶解平衡、氧化还原平衡)及结构理论。
3、学习方法:
(1)理论课
大学的学习模式:
每节课的讲授内容多,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:
①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。
②作好课堂笔记,留下一定的空白处,做标记,提出问题,写出结论。
(2)实验课
化学是以实验为基础的学科,实验对于理论的理解十分重要。
目的:
掌握基础实验技能,通过实验深化理论问题的理解和记忆,提高分析问题和解决问题的能力。
要求:
预习报告,实验记录,实验报告。
第一章气体与热化学方程式
在常温下,物质通常以三种不同的聚集状态存在,即气体、液体和固体。
物质的每一种聚集状态有各自的特征。
在这一章我们主要介绍气体。
1.1气体
气体是物质存在的一种形态,没有固定的形状和体积,能自发在充满任何容器。
气体分子间的距离较大,所以容易压缩。
气体的体积不仅受压力影响,同时还与温度、气体的物质的量有关。
通常用气体状态方程式来反映这四个物理量之间的关系。
1.理想气体状态方程
在压力不太高和温度不太低时,气体的体积、压力和温度之间具有下列关系:
pV=nRT(1—1)
式中:
p——压力,Pa;
V——体积,m3;
n——物质的量,mol;
R——热力学温度,K;
T——摩尔气体常数,又称气体常数。
该式称为理想气体状态方程式。
我们把在任何压力和温度下都能严格地遵守有关气体基本定律的气体称为理想气体。
理想气体状态方程式表明了气体的p、V、T、n四个量之间的关系,一旦任意给定了其中三个量,则第四个量就不能是任意的,而只能取按式(1—1)决定的惟一的数值。
物质的量n与质量m、摩尔质量M的关系为
则式(1—1)可变换成
(1—2)
结合密度的定义,则式(1—1)可以变换为
(1—3)
它反映了理想气体密度随T、p变化的规律。
在标准状况下,1mol气体的体积,代入式(1—1)得
R的数值与气体的种类无关,所以也称能用气体常数。
例1-1:
一个体积为40.0dm3的氮气钢瓶,在25℃时,使用前压力为12.5Mpa。
求钢瓶压力降为10.0Mpa时所用去的氮气质量。
解:
作用前钢瓶中N2的物质的量为
作用后钢瓶中的N2的物质的量为
则所用氮气的质量为
理想气体实际上是一个科学的抽象的概念,客观上并不存在理想气体,它只能看作是实际气体在压力很低时的一种极限情况。
从微观的角度看,理想气体的模型把气体分子看作本身无体积且分子间无作用力。
当压力很低时,实际气体体积中所含气体分子的数目很少,分子间距离很大,彼此的引力可忽略不计,实际气体就拉近理想气体。
由于理想气体反映了实际气体在低压下的共性,所遵循的规律及表示这些规律的数学公式都比较简单,且容易获得,所以引入理想气体这样一个概念非常重要。
在常温常压下,一般的实际气体可用理想气体状态方程式(1—1)进行计算。
在低温或高压时同,由于实际气体与理想气体有较大差别,将式(1—1)加以修正就行了。
用这种方法来解决实际气体的问题要简单的多。
2.道尔顿分压定律
在生产和科学实验中,实际遇到的气体,大多数是由几种气体组成的气体混合物。
如果混合气体的各组分之间不发生反应,则在高温低压下,可将其看作理想气体混合物。
混合后的气体作不一个整体,仍符合理想气体定律。
气体具有扩散性。
在混合气体中,每一组分气体总是均匀地充满整个容器,对容器内壁产生压力,并且互不干扰,就如各自单独存在一样。
在相同温度下,各组分气体占有与混合气体相同体积时,所产生的压力叫做该气体的分压。
1801年,英国科学家道尔顿(J.Dalton)从大量实验中总结出组分气体的分压与混合气体总压之间的关系,这就是著名的道尔顿分压定律。
分压定律有如下两种表示形式:
第一种表示形式:
混合气体中各组分气体的分压之和等于该气体的总压力。
例如,混合气体由C和D两组分组成,则分压定律可表示为:
(1—4)
式中,——分别为C、D两种气体的分压。
第二种表示形式为:
混合气体中组分的分压等于总压乘以气体的摩尔分数。
(1—5)
摩尔分数是指某气体的物质的量()与混合气体的物质的量()之比。
由于压力表测量混合气体的压力得到的是总压,而组分气体的分压一般是通过对混合气体进行分析,测出各组分气体的体积分数()再计算得到,和分别表示组分的分体积和混合气体的总体积。
所谓分体积是指组分气体在保持混合气体的温度、压力下,单独存在时所占有的体积。
例如,将各为101.3的1L和3L混合,欲使混合气体的总压力与原来各气体的压力相同,即为101.3,那么混合混合气体的总体积必为4L,而的分体积为1L,的分体积为3L。
因为在相同的温度和压力下,气体的体积与其物质的量n成正比,所以在混合气体中,组分的摩尔分数等于其体积分数,由此可得
(1—6)
由式(1—6)可知,混合气体中某组分气体的分压等于总压乘以该气体的体积分数。
例1-2:
25℃时,装有0.3的体积为1L的容器与装有0.06的体积为2L的容器用旋塞连接。
打开旋塞,待两边气体混合后,计算:
(1)、的物质的量。
(2)、的分压力。
(3)混合气体的总压力。
(4)、的分体积。
解:
(1)混合前后气体物质的量没有发生变化:
(2)、的分压是它们各自单独占有3L时所产生的压力。
当由1L增加到3L时:
当由2L增加到3L时:
(3)混合气体总压力:
(4)、的分体积:
1.2化学反应中的能量关系
一、概念和术语
1.体系和环境
化学反应总是伴随着各种形式的能量变化,我们在研究化学反应中的能量关系时,常常需要把研究对象与周围其他部分划分开来,作为研究对象的这部分,就称为体系(),把体系以外的跟体系密切相关的部分叫做环境()。
例如研究溶液中的反应,溶液就是我们研究的体系,而盛溶液的烧杯,溶液上方的空气等都是环境。
按照体系和环境之间物质和能量的交换情况不同,可以将体系分为以下三类:
敞开体系:
这种体系和环境之间,既有物质交换,又有能量交换。
封闭体系:
这种体系和环境之间,没有物质交换,只有能量交换。
孤立体系:
这种体系和环境之间,既没有物质交换,又没有能量交换。
例如在一个敞开的广口瓶中盛水,盛水的广口瓶即为一个敞开体系,因为瓶内外既有热量的交换,又有瓶中水汽的蒸发和瓶外空气的溶解。
如在此广口瓶上盖上瓶塞,这样瓶内外只有热量的交换而无物质的交换,这时成为一个封闭体系。
如将上述广口瓶换为带盖的杜瓦瓶(能绝热),由于瓶内外既无物质交换又无热量交换,而构成一个孤立体系。
2.过程和途径
体系的状态发生变化时,状态变化的经过称为过程()。
如果体系的状态是在温度恒定的条件下发生变化,则此变化称为“定温过程”;同理,在压力和体积恒定的条件下,体系的状态发生了变化,则称“定压过程”。
如果状态发生变化时,体系和环境没有热交换,则称“绝热过程”。
体系由一始态变到另一终态,可以经由不同的方式。
这种由同一始态变到同一终态的不同方式就称不同的途径(),因此可以把体系状态变化的具体方式称为途径。
3.状态和状态函数
一个体系的状态可由它的一系列物理量来确定,例如气体的状态可同压力、体积、温度及各组分的物质的量等参数来决定。
当这些物理量都有确定值时,体系就处在一定的热力学状态,所以,状态()是体系一切宏观性质的综合,而这些确定体系状态性质的物理量称为状态函数()。
状态函数的一个重要性质,就是它们的数值大小只与体系所处的状态有关,也就是说,在体系从一种状态变化到另一种状态时,状态函数的增量只与体系的始态和终态有关,而与完成这个变化所经历的途径无关。
例如,一种气体的温度由始态的25℃变到终态的50℃,它变化的途径不论是先从25℃降温到0℃,再升到50℃,或是从25℃直接升温到50℃,状态函数的增量只由体系的终态(50℃)和始态(25℃)所决定,其结果都是相同的。
体系各个状态函数之间是相互制约的,若确定了其中的几个,其余的就随之而定。
例如对于气体,如果知道了压力、温度、体积、物质的量这四个状态函数中的任意三个,就能用状态方程式确定第四个状态函数。
4.热和功
当体系和环境之间存在着温度差时,两者之间就会发生能量的交换,热会自动地从高温的一方向低温的一方传递,直到温度相等建立起热平衡为止。
热(heat)用符号Q表示。
溶解过程中与环境交换的热称为溶解热;化学反应过程中与环境交换的热称为反应热。
热力学上规定,体系吸热,Q为正值;体系放热,Q为负值。
除了热以外,我们把其他各种被传递的能量都称为功(work),如由于体系体积变化反抗外力作用而对环境做的体积功,还有表面功、电功等。
“功”用符号W表示,本章只考虑体积功。
热力学上规定:
体系对环境做功,W为负值;环境对体系做功,W为正值。
热和功是能量传递的两种形式,它们与变化的途径有关。
当体系变化的始、终态确定后,Q和W随着途径不同而不同,只有指明途径才能计算过程的热和功,所以热和功都不是状态函数。
5.热力学能
热力学能(thermodynamicenergy)又称内能,是体系中一切形式能量的总和。
它包括体系中原子、分子或离子的动能(平动能、转动能、电子运动能等),各种了、粒子间吸引和排斥所产生的势能,以及化学键能、核能等。
热力学能以符号U表示,具有能量单位。
它仅决定于体系的状态,在一定状态下有一定的数值,所以热力学能是状态函数。
当体系从一种状态变化到另一种状态时,热力学能的增量△U只与体系的始态与终态有关而与变化的途径无关。
由于物质结构的复杂性和内部相互作用的多样性,尚不能确定热力学能的绝对值。
实际应用中只要知道热力学能的变化值就足够了。
根据能量与转化定律,体系热力学能的变化可以由体系与环境之间交换的热和功的数值来确定。
二、化学反应中的能量变化
1.定压反应热、焓和焓变
大多数的化学反应都是在定压条件下进行的,例如在化学反应实验中,许多化学反应都是在敞口容器中进行,反应是在与大
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