新大学化学(第三版)

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内容简介: 《新大学化学(第三版)》是普通高等学校非化学化工、非冶金类专业公共课的化学基础课教材。
全书共12章,包括化学反应基本规律,溶液与离子平衡,氧化还原反应与电化学,物质结构基础,金属元素与金属材料,非金属元素与无机非金属材料,有机高分子化合物及高分子材料,化学与能源,化学与环境保护,化学与生命,化学与生活,化学与国防。前4章属于化学原理部分,是《新大学化学(第三版)》的基础;后8章是在科学技术和社会生活中既重大又贴近我们的属于现代社会文明的几个独立的专题。
在保证教学内容科学性、准确性的基础上,《新大学化学(第三版)》向读者提供了化学学科的最新科技信息和20世纪末、2l世纪初的主要成果。通过“科苑导读”、“网络导航”这两个全新栏目和互动性设置为学习者开辟了更新的视野,提供了更便捷的信息通道,并且使自学部分得到强化。《新大学化学(第三版)》帮助读者通过Internet进入更广阔的’知识海洋。“化学技术”栏日用最简单的方式向读者介绍了化学的分离、分析技术,了解化学学科的实验科学水平。
《新大学化学(第三版)》可以作为本科生的基础课教材,也可供自学者、工程技术人员参考。

目录: 《新大学化学(第三版)》
第三版前言
第二版前言
第一版前言(节录)
第一章 化学反应基本规律
第一节 几个基本概念
第二节 化学反应中的质量守恒和能量守恒
第三节 化学反应进行的方向
第四节 化学反应进行的程度——化学平衡
第五节 化学反应速率
第二章 溶液与离子平衡
第一节 溶液浓度的表示方法
第二节 稀溶液的依数性第三节 酸碱质子理论
第四节 酸和碱的质子转移平衡
第五节 难溶电解质的溶解平衡
第六节 配位平衡
第七节 胶体
第三章 氧化还原反应 电化学
第一节 氧化还原反应
第二节 原电池和电极电势
第三节 电解
第四节 金属的腐蚀与防护
第四章 物质结构基础
第一节 原子结构与周期系
第二节 化学键
第三节 分子间力与氢键
第四节 晶体结构
第五章 金属元素与金属材料
第一节 金属元素概述
第二节 几种重要的金属元素及其重要化合物
第三节 金属材料的化学与电化学加工
第六章 非金属元素与无机非金属材料
第一节 非金属元素概述
第二节 非金属元素的重要化合物
第三节 耐火、保温与陶瓷材料
第四节 新型无机非金属材料
第七章 有机高分子化合物及高分子材料
第一节 高分子化合物的基本概念
第二节 有机高分子材料
第八章 化学与能源
第一节 能源概述
第二节 燃料能源
第三节 化学电源
第二节 新能源
第九章 化学与环境保护
第一节 人类与环境
第二节 环境污染
第三节 环境污染的防治
第四节 废弃物的综合利用
第十章 化学与生命
第一节 核酸、DNA与遗传
第二节 蛋白质的结构与合成
第三节 人类基因组计划
第四节 基因工程
第十一章 化学与生活
第一节 膳食营养
第二节 安全用药
么三节 常用化学品
第四节 常用油品
第十二章 化学与国防
第一节 火药和“军事四弹”
第二节 化学武器
第三节 核武器
第四节 现代武器装备与化学
部分习题参考答案
参考文献
附录附录一 100.000kPa时一些物质的热力学性质
附录二 一些弱电解质的解离常数
附录三 配离子的稳定常数
附录四 标准电极电势
附录五 一些物质的溶度积
附录六 常用符号表

书摘: 第一章 化学反应基本规律(BasicPrinciplesofChemicalReactions)
研究化学反应(化学变化)主要是要研究反应过程中物质性质的改变、物质间量的变化、能量的交换和传递等方面的问题。在生活和生产实践中,人们更关心物质发生变化的可能性和现实性。事实上,虽然化学变化纷繁复杂,但是其基本规律是十分简单而清晰的。掌握这些最基本的规律,许多化学反应都是可以认识、利用,甚至是可以控制和设计的。本章介绍了几个基本规律,包括反应的质量和能量守恒、反应的方向、限度和速率。这些基本规律在一些重要反应(如离子反应、氧化还原反应、有机高分子反应等)中的应用,将在后面的章节中陆续介绍。
第一节 几个基本概念(SomeFundamentalConcepts)
为了便于讨论,先介绍几个基本概念。
一、系统和环境
化学是研究物质变化的科学。物质世界是无限的,物质之间又是相互联系的。为了研究的方便,我们把作为研究对象的那一部分物质称为系统
(system)。例如,研究烧杯中盐酸和氢氧化钠溶液的反应,烧杯中的盐酸和氢氧化钠溶液以及反应产物就可作为一个系统。
人们把系统之外与系统有密切联系的其他物质称为环境
(surroundings)。
系统和环境之间常进行着物质或能量的交换,按交换的情况不同,热力学系统可分为三类:
敞开系统 系统与环境之间既有物质的交换,又有能量的交换;
封闭系统 系统与环境之间没有物质的交换,只有能量的交换;
孤立系统 系统与环境之间既没有物质的交换,也没有能量的交换。
例如,把一个盛有一定量热水的广口瓶选作系统,则此系统为敞开系统。因为这时在瓶内外除有热量交换外,还不断产生水的蒸发和气体的溶解。如果在广口瓶上加上一个塞子,此系统就成为封闭系统,因为这时系统与环境只有能量的交换。如果再把广口瓶改为保温瓶,则此系统就接近是孤立系统了。当然,绝对的孤立系统是不存在的。
二、相
系统中的任何物理和化学性质完全相同的部分称为相
(phase)。相与相之间有明确的界面,常以此为特征来区分不同的相。对于相这个概念,要分清以下几种情况:
(1)一个相不一定是一种物质。例如,气体混合物是由几种物质混合成的,各成分都是以分子状态均匀分布的,没有界面存在。这样的系统只有一个相,称均匀
系统
或单相系统
(homogenoussystem)。溶液和气体混合物都是单相系统。
(2)要注意“相”和“态”的区别。聚集状态相同的物质在一起,并不一定是单相系统。例如,一个油水分层的系统,虽然都是液态,但含有两个相(油相和水相),油-水界面是很清楚的。又如,铁粉和石墨粉混合在一起的固态混合物,即使肉眼看来很均匀,但在显微镜下还是可以观察到相的界面,这样的系统就有两个相。含有两个相或多于两个相的系统称不均匀系统或多相系统(heterogeneoussystem)。
(3)同一种物质可因聚集状态不同而形成多相系统。例如,水和水面上的水蒸气就是两个相。如果系统中还有冰存在,就构成了三相系统。
第二节 化学反应中的质量守恒和能量守恒(LawofConservationofMatterandEnergyinChemicalReactions)
通过化学反应可以获得不同性质的产物并提供能量。化学反应中新物质的生成总是伴随着能量的变化。本节只讨论化学反应中所遵循的两个基本定律,即质量守恒定律和能量守恒定律,这对于科学实验和生产实践具有重要指导意义。
一、化学反应质量守恒定律
1748年,罗蒙诺索夫(M.B.Ломоносов,俄)首先提出了物质的质量守恒定律(lawofconservationofmatter):“参加反应的全部物质的质量等于全部反应生成物的质量。”这就是说,在化学变化中,物质的性质发生了改变,但其总质量不会改变。他的结论后来被拉瓦锡(A.L.Lavoisier,法)通过一系列实验所证实。这个定律也可表述为物质不灭定律:“在化学反应中,质量既不能创造,也不能毁灭,只能由一种形式转变为另一种形式。”
以合成氨的反应为例:
N2+3H22NH3
此反应方程式表述了反应物与生成物之间的原子数目和质量的平衡关系,称为化学反应计量方程式
(stoichiometricequation)。它是质量守恒定律在化学变化中的具体体现。在化学计量方程式中,各物质的化学式前的系数称为化学计量数
(stoichiometricnumber),用符号νB表示,是量纲为1的量。根据反应式所描述的变化,将反应物(如N2、H2)的计量数定为负值,而生成物(如NH3)的计量数定为正值。若以B表示物质(反应物或生成物),则化学计量方程式即可表示为如下的通式:
0=∑BνBB(1-1)按式(1-1),合成氨的反应可写为
0=(+2)NH3+(-1)N2+(-3)H2即0=2NH3-N2-3H2通常的写法是N2+3H22NH3
二、热力学第一定律
人们经过长期的生产实践和科学实验证明:在任何过程中,能量既不能创造,也不能消灭,只能从一种形式转化为另一种形式。在转化过程中,能量的总值不变。这个规律称为热力学第一定律
(firstlawofthermodynamics),也称为能量守
恒定律
(lawofenergyconservation)。
要理解热力学第一定律,必须先掌握状态、状态函数和热力学能的概念以及系统与环境进行能量交换的两种形式――热和功。
1.状态和状态函数
要研究系统的能量变化,就要确定它的状态。系统的状态是由它的性质确定的。例如,要描述一系统中二氧化碳气体的状态,通常可用给定的压力p、体积V、温度T和物质的量n来描述。这些性质都有确定值时,二氧化碳气体的“状态”就确定了。所谓系统的状态
(state),就是指用来描述这个系统的性质(如压力、体积、温度、物质的量等)的综合。可见,系统的性质确定,其状态也就确定了。反过来,系统的状态确定,其性质也就有确定的量值。
如果系统中某一个或几个性质发生了变化,系统的状态也就随之发生变化。当然,如果一个系统前后处于两种状态,则其性质必有所不同。这些用于确定系统状态性质的物理量,如压力、体积、温度、物质的量等都称为状态函数(statefunction)。
系统的各个状态函数之间是互相制约的。例如,对于理想气体来说,如果知道了它的压力、体积、温度、物质的量这四个状态函数中的任意三个,就能用理想气体状态方程式(pV=nRT)确定第四个状态函数。
状态函数有两个主要性质:
(1)系统的状态一定,状态函数就具有确定值。
(2)当系统的状态发生变化时,状态函数的改变量只取决于系统的始态和终态,而与变化的途径无关。
现以水的状态变化为例。它由始态(298K,0.1MPa)变成终态(308K,0.1MPa),可以有两种不同的途径,如图1-1所示。然而,不管是直接加热一步达到终态,还是经过冷却先到中间态(283K,0.1MPa),然后再加热,经两步达到终态,只要始态和终态一定,则其状态函数(如温度T)的改变量(ΔT)就是定值,即
ΔT1=T2?T1=308K?298K=10K
ΔT2=(T2?T′)+(T′?T1)=(308?283)K+(283?298)K=10K
图1-1 水的状态变化
掌握状态函数的性质和特点,对于学习化学热力学是很重要的。因为,状态函数的特性是热力学研究问题的重要基础,也是进行热力学计算的依据。
2.热力学能(thermodynamicenergy)是系统内部能量的总和,用符号U表示。系统的热力学能包括系统内部各种物质的分子平动能、分子转动能、分子振动能、电子运动能、核能等(不包括系统整体运动时的动能和系统整体处于外力场中具有的势能)。在一定条件下,系统的热力学能与系统中物质的量成正比,即热力学能具有加和性。
热力学能是一个状态函数,系统处于一定状态时,热力学能具有一定的值。当系统状态发生变化时,其热力学能也就必然发生改变。此时,热力学能的改变量只取决于系统的始态和终态,而与其变化的途径无关。
由于系统内部质点的运动及相互作用很复杂,所以无法知道一个系统热力学能的绝对数值。但系统状态变化时,热力学能的改变量(ΔU)可以从过程中系统和环境所交换的热和功的数值来确定。在化学变化中,只要知道热力学能的改变量就可以了,无需追究它的绝对数值。
3.热和功
系统处于一定状态时,具有一定的热力学能。在状态变化过程中,系统与环境之间可能发生能量的交换,使系统和环境的热力学能发生改变。这种能量的交换通常有热和功两种形式。

(heat) 当两个温度不同的物体相互接触时,高温物体温度下降,低温物体温度上升。在两者之间发生了能量的交换,最后达到温度一致。这种由于温度不同而在系统与环境之间传递的能量就称为热。在许多过程中都能看到热的吸收或放出:热的水蒸气冷凝时会放出相变潜热,化学反应过程中也常伴有热的交换。热用符号Q来表示。一般规定,系统吸收热,Q为正值;系统放出热,Q为负值。

(work) 是系统与环境交换能量的另一种形式。当一个物体受到力F的作用,沿着F的方向移动了Δl的距离,该力对物体就做了F?Δl的功。此外,功的种类还有很多,如电池在电动势的作用下输送了电荷,就做了电功(electricalwork);使气体发生膨胀或压缩,就做了体积功
(expansionvolumework)等。
化学反应往往也伴随着做功。在一般条件下进行的化学反应只做体积功。体积功以外的功,称为非体积功(如电功)。体积功用W表示。非体积功又称为有用

(availablework),用W′表示。在热力学中,体积功是一个重要的概念。
设有一热源,加热气缸里的气体(图1-2),推动面积A的活塞移动距离l,气体的体积由V1膨胀到V2,反抗恒定的外力F做功。恒定外力来自外界大气压力p,则
FF ·l -W
p == =
AA?lV2-V1所以,体积功为
W=-p(V2-V1)=-pΔV(1-2)式(1-2)是计算体积功的基本公式。压力的单位为Pa,体积的单位为m3,体积功的单位为J=Pa?m3。
国家标准规定,系统对环境做功,W为负值;环境对系统做功,W为正值。
系统只有在发生状态变化时才能与环境发生能量的交换,所以热和功不是系统的性质。当系统与环境发生能量交换时,经历的途径不同,热和功的数值就不同,因而热和功都不是系统的状态函数。
热和功的单位均为能量单位。按法定计量单位,以J(焦)或kJ(千焦)表示。
4.热力学第一定律的数学表达式
有一封闭系统(图1-3),它处于状态Ⅰ时,具有一定的热力学能U1。从环境吸收一定量的热Q,并对环境做了体积功W,过渡到状态Ⅱ,此时具有热力学能U2。对于封闭系统,根据能量守恒定律:
U2-U1=Q+W或ΔU=Q+W(1-3)式中:ΔU为热力学能的改变量。式(1-3)是热力学第一定律的数学表达式。下面举例说明其应用。
例题1-1 能量状态为U1的系统,吸收600J的热,又对环境做了450J的功。求系统的能量变化和终态能量U2。
解 由题意得知,Q=600J,W=-450J所以ΔU=Q+W=600J-450J=150J又因U2-U1=ΔU所以U2=U1+ΔU=U1+150J
答 系统的能量变化为150J;终态能量为U1+150J。
例题1-2 与例题1-1相同的系统,开始能量状态为U1,系统放出100J的热,环境对系统做了250J的功。求系统的能量变化和终态能量U2。解 由题意得知,Q=-100J,W=+250J所以ΔU=Q+W=-100J+250J=150JU2=U1+ΔU=U1+150J答 系统的能量变化是150J;终态能量是U1+150J。
从上述两个例题可清楚看到,系统的始态(U1)和终态(U2=U1+150J)确定时,虽然变化途径不同(Q和W不同),热力学能的改变量(ΔU=150J)却是相同的。
三、化学反应的反应热
化学反应系统与环境进行能量交换的主要形式是热。通常把只做体积功,且始态和终态具有相同温度时,系统吸收或放出的热量称为反应热
(heatofreaction)或反应热效应。按反应条件的不同,反应热又可分为:定容过程反应热与定压过程反应热。
1.定容过程反应热
在密闭容器中进行的反应,体积保持不变,就是定容(恒容)过程。这一过程ΔV=0,由于系统只做体积功,则W=0。根据热力学第一定律:
ΔU=Q+W=QV(1-4)式中:QV表示定容
(constantvolume)反应热
,右下角字母V表示定容过程。式(1-4)的意义是:在定容条件下进行的化学反应,其反应热等于该系统中热力学能的改变量。
2.定压过程反应热――焓变
……