第一章化学反应中的质量关系和能量关系 首先阐述化学中的计量，以巩周高中化学中的有关概念，在此基础上引入化 学计量数，反应进度函数，标准态核反应变等重要概念，以阐明化学反应中的 质量关系和能量关系。在中学化学和大学化学中起承上启下关系。重点要求的是 会应用热化学方程式和物质的量标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变。 化学是研究物质的组成、结构、性质及化学变化的科学。化学变化又称化学 反应 是化学研究的核心部分。物质发生化学反应，常伴随有质量和能量的变化 例如， 24.3g镁条 不仅会发出耀眼的白 光 释放出热能 而且最 终生成了40.3g的氧化镁。本章专门就化学反应中的质量关系和能量关系进行讨 论。 11化学中的计量 在化学域中往往要测定或计算物质的质量、溶液的浓度、反应的温度以及 气体的压力和体积等，为此，首先需要掌握化学中常用的量和单位以及有关的定 [粗略计算相对分子质量时，相对原子质量只需取至小数点后两位数即可。] 1-1-1相对原子质量和相对分子质量 一类单核粒子的总称。具有确定质子数和中子数的 些原子品种 称为同位素。自然界中氧就有三种同位素：0、0、0，他们在氧气中的含 量分别为99.759%、0.037%和0.204%：碳有两种同位素：C和8C,它们的 相对存在量分别为98.892%和1.108%。 相对原子质量(4)被定义为元素的平均原子质量与核素12℃原子质量的1/12 之比，以往被称为原子量。例如： ArHD=1.0079 4r(0)=15.999 英国人道尔顿(J.Dal on, 766~1844年)是第一个测定原子量的人。现在通 过质谱仪测定各核素的原子质量及其在自然界的丰度后，可以确定各元素的相对 原子质量。北京大学张青莲教授等测定的钢(In)、锑(Sb)、铱(Ir)及铕(Eu) 相对原子质量值先后被国际原子量委员会采用为国际标准，说明我国原子量测定 的精确府已达到国际讲水平 相对分子质量(M)被定义为物质的分子或特定单元的平均质量与核素℃ 原子质量的112之比，以前被称为分子量。例如： f(h0)=18.0148≈18.01 斤(NaC1）=58.443≈58.44
第一章 化学反应中的质量关系和能量关系 首先阐述化学中的计量，以巩固高中化学中的有关概念，在此基础上引入化 学计量数，反应进度函数，标准态核反应焓变等重要概念，以阐明化学反应中的 质量关系和能量关系。在中学化学和大学化学中起承上启下关系。重点要求的是 会应用热化学方程式和物质的量标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变。 化学是研究物质的组成、结构、性质及化学变化的科学。化学变化又称化学 反应，是化学研究的核心部分。物质发生化学反应,常伴随有质量和能量的变化。 例如，在空气中燃烧 24.3g 镁条，不仅会发出耀眼的白光，释放出热能，而且最 终生成了 40.3g的氧化镁。本章专门就化学反应中的质量关系和能量关系进行讨 论。 1-1 化学中的计量 在化学领域中往往要测定或计算物质的质量、溶液的浓度、反应的温度以及 气体的压力和体积等，为此，首先需要掌握化学中常用的量和单位以及有关的定 律。 [粗略计算相对分子质量时，相对原子质量只需取至小数点后两位数即可。] 1-1-1 相对原子质量和相对分子质量 元素是具有相同质子数的一类单核粒子的总称。具有确定质子数和中子数的 一类单核粒子称为核素。质子数相等而中子数不等的同一元素的一些原子品种互 称为同位素。自然界中氧就有三种同位素： 、 、 ，他们在氧气中的含 量分别为 99.759%、0.037%和 0.204%；碳有两种同位素： 和 , 它们的 相对存在量分别为 98.892%和 1.108%。 相对原子质量(Ar)被定义为元素的平均原子质量与核素 12C 原子质量的 1/12 之比，以往被称为原子量。例如： Ar(H) = 1.0079 Ar(O) = 15.999 英国人道尔顿（J.Dalton, 1766～1844 年）是第一个测定原子量的人。现在通 过质谱仪测定各核素的原子质量及其在自然界的丰度后，可以确定各元素的相对 原子质量。北京大学张青莲教授等测定的铟（In）、锑（Sb）、铱（Ir）及铕（Eu） 相对原子质量值先后被国际原子量委员会采用为国际标准，说明我国原子量测定 的精确度已达到国际先进水平。 相对分子质量（Mr）被定义为物质的分子或特定单元的平均质量与核素 12C 原子质量的 1/12 之比，以前被称为分子量。例如： Mr（H2O）= 18.0148 ≈18.01 Mr（NaCl）= 58.443 ≈58.44
1-1-2物质的量及其单位 物质的量”(Amoun nt of Substance)是用于计量指定的微观基本单元，如分 子、原子、离子、电子等微观粒子或其特定组合的一 (符号为n) 单位名称为摩[尔】(mo。:单位符号为m0,摩尔是一系统的物质的量，该系 个物理量 统中所包含的基本单元数与0.012kg2C的原子数目相等。0.012kg℃所含的碳原 子数目(6.022x1023个)称为阿伏加德罗常数Avogadro(NA)。因此，如果某物 质系统中所含的基本单元数目为N时，则该物质系统的物质的量即为1mol。 例如： 1mol H2表示有N个氢分子 2molC表示有2Na个碳原子 3 mol Na'表示有3Na个钠离子 4mol(H+1/202)表示有4Na个(H2+1/202)的特定组合体，其中含有4WA 个氢分子和2Na个氧分子。 可见在使用摩尔这个单位时 一定要指明基本单位（以化学式表示），否则 示意不明。例如，若笼统说"1mol氢"，就难以断定是指1mol氢分子还是指1mol 氢原子或1mol氢离子。 在混合物中，B的物质的量( 加)与混合物的物质的最()之比，称为B 的物质的量分数( 又称B的摩尔分数。例如在含有1molO2和4molN2的 混合气体中，O2和N2的摩尔分数分别为： x(02)=1mol/(1+4)mo1=1/5 x(2)=4mol/(1+4)mol=4/5 1-13摩尔质量和摩尔体积 幸囊你质被定义为物质的质量()除以该物质的物质的量 M=min M的单位kgmo或gmol。例如，1molH2的质量近似为2.02×10kg,则H2的 摩尔质量即为2.02×10kgmo。可见分子的摩尔质量(M)与分子的相对质量 (M)的关系为： M=10M kg-mol" 2.摩尔体积 摩尔体积('m)被定义为某气体物质的体积(V)除以该气体物质的量(n): V=Vin 例如，在标准状况(STP(273.15K及101.325kPa下)，任何理想气体的摩尔体积为：
1-1-2 物质的量及其单位 “物质的量”（Amount of Substance）是用于计量指定的微观基本单元，如分 子、原子、离子、电子等微观粒子或其特定组合的一个物理量（符号为 n），其 单位名称为摩[尔]（mole），单位符号为 mol。摩尔是一系统的物质的量，该系 统中所包含的基本单元数与 0.012kg12C 的原子数目相等。0.012kg12C 所含的碳原 子数目（6.022×1023 个）称为阿伏加德罗常数 Avogadro（NA）。因此，如果某物 质系统中所含的基本单元数目为 NA时，则该物质系统的“物质的量”即为 1mol。 例如： 1mol H2表示有 NA 个氢分子; 2mol C 表示有 2NA 个碳原子; 3mol Na+表示有 3NA个钠离子; 4mol （H2+1/2O2）表示有 4NA个（H2+1/2O2）的特定组合体，其中含有 4NA 个氢分子和 2NA个氧分子。 可见在使用摩尔这个单位时，一定要指明基本单位（以化学式表示），否则 示意不明。例如，若笼统说"1mol 氢"，就难以断定是指 1mol 氢分子还是指 1mol 氢原子或 1mol 氢离子。 在混合物中，B的物质的量（nB）与混合物的物质的量（n）之比，称为 B 的物质的量分数（xB），又称 B 的摩尔分数。例如在含有 1molO2和 4molN2的 混合气体中，O2和 N2的摩尔分数分别为： x(O2)=1mol/(1+4)mol =1/5 x(N2)=4mol/(1+4)mol =4/5 1-1-3 摩尔质量和摩尔体积 1. 摩尔质量 摩尔质量（M）被定义为某物质的质量（m）除以该物质的物质的量（n）： M = m/n M 的单位 kg·mol-1或 g·mol-1。例如，1molH2的质量近似为 2.02×10-3 kg，则 H2的 摩尔质量即为 2.02×10-3 kg·mol-1。可见分子的摩尔质量（M）与分子的相对质量 （Mr）的关系为： M = 10-3Mr kg·mol-1 2. 摩尔体积 摩尔体积（Vm）被定义为某气体物质的体积（V）除以该气体物质的量（n）： Vm = V/n 例如，在标准状况(STP)(273.15K 及 101.325kPa 下)，任何理想气体的摩尔体积为：
Vm.23.15x=0.022414m3mo=22.414Lmol≈22.4Lmol 1-1-4物质的量浓度 物质的量浓度()被定义为混合物（主要指气体混合物或溶液）中某物质 B的物质的量)除以混合物的体积（： Cn=nB/y 对溶液来说，亦即L溶液中所含溶质B的物质的量，其单位名称为摩[尔] 每升，单位符号为molL。例如，若1L的NaOH溶液中含有0.1mol的NaOH, 其浓度可表示为： c(NaOH)=0.1 mol-L! 物质的量浓度可简称为浓度 例1-1若把160.00 gNaOH(s)溶于少量水，然后将所得溶液稀释至2.0L, 试计算该溶液的物质的量浓度。 解： MNa0H=22.99+16.00+1.01=40.00 MNaOH)=40.00 g-mol 根据M=mln n(NaOH)=m(NaOH)/M(NaOH)=160.00g/40.00 gmol=4.00 mol 则 c(NaOH)=n(NaOH)/V/=4.00mol/2.0L=2.0 mol-L 1-15气体的计量 1.理想气体状态方程 实际工作中 定温度下的气体常用气体的压力或体积进行计量。当压力不 太高、温度不太低的情况下，气体分子间的距离大，分 本身的体积和分子间的 作用力均可忽略，气体的压力、体积、温度以及物质的量之间的关系可近似地用 理想气体状态方程来描述： V=nRT (1.1.1) 式中：p为气体的压力，单位为帕Pa V为气体的体积，单位为立方米(m) n为气体的物质的量体，单位为摩(mol) T为气体的热力学温度，简称气体温度，单位为“开”(K) R为攀尔气体常数。 实验测知1mo气体在标准状况下的体积为22.414×103m,则R值可求出： RT=pVin =101.325×10Pa×22.414×10m3/1mol×273.15K
Vm,273.15K = 0.022414 m3·mol-1 = 22.414L·mol-1 ≈22.4L·mol-1 1-1-4 物质的量浓度 物质的量浓度（cn）被定义为混合物（主要指气体混合物或溶液）中某物质 B的物质的量(nB)除以混合物的体积（V）： cn = nB/V 对溶液来说，亦即 1L 溶液中所含溶质 B 的物质的量，其单位名称为摩[尔] 每升，单位符号为 mol·L-1。例如，若 1L 的 NaOH 溶液中含有 0.1mol 的 NaOH， 其浓度可表示为： c(NaOH) = 0.1 mol·L-1 物质的量浓度可简称为浓度。 [例 1-1] 若把 160.00gNaOH（s）溶于少量水，然后将所得溶液稀释至 2.0L， 试计算该溶液的物质的量浓度。 解： Mr(NaOH) = 22.99 + 16.00 + 1.01 = 40.00 M(NaOH) = 40.00 g·mol-1 根据 M = m/n n(NaOH) = m(NaOH)/M(NaOH) = 160.00g/40.00 g·mol-1 = 4.00 mol 则 c(NaOH) = n(NaOH)/V = 4.00mol/2.0L = 2.0 mol·L-1 1-1-5 气体的计量 1．理想气体状态方程 实际工作中，一定温度下的气体常用气体的压力或体积进行计量。当压力不 太高、温度不太低的情况下，气体分子间的距离大，分子本身的体积和分子间的 作用力均可忽略，气体的压力、体积、温度以及物质的量之间的关系可近似地用 理想气体状态方程来描述： pV = nRT (1.1.1) 式中：p 为气体的压力，单位为帕 Pa； V 为气体的体积，单位为立方米（m 3） n 为气体的物质的量体，单位为摩（mol） T 为气体的热力学温度，简称气体温度，单位为“开”（K） R 为摩尔气体常数。 实验测知 1mol 气体在标准状况下的体积为 22.414×10-3 m 3 ,则 R 值可求出： RT= pV/n = 101.325×103Pa×22.414×10-3m 3 /1mol×273.15K
=8.3144 Pa-m2/mol K=8.3144 Pa-mmor!K =8.3144JmoK 实际计算时，R常用值为8.314JmoK 例1-2在298.15K下， 个体积为50m3的氧气钢瓶，当它的压力降为 1500kPa时，试计算钢瓶中剩余的氧气质量为多少？ 116化学计量化合物和非计量化合物 化学式能表明组成化学物质的各元素原子数目之间最简单的整数关系，因出 又称简式。分子式能表明分 型物质中 个分 所包含的各种元素原子的数 目。分子式可能和最简式相同，也可能是最简式的整数倍。例如： 分子型物质 化学式 分子式 气态氯化铝 AICl Al2Cls 比O H2O 对于那些非分子型物质，只能用最简式表示。例如：离子型化合物氯化钠， 习惯上以最简式NaC表示。 化学计量化合物是指具有确定组成而且各种元素的原子互成简单整数比的 化合物，这类化合物又称整比化合物或道尔顿体。例如：一氧化碳中氧与碳质量 比恒为4：3，原子比恒为1：1。 非化学计量化合物是指其组成可在一个较小范围内变动，而又保特基本结构 不变的化合物，这类化合物偏离了原子互为整数比的关系，因此，又称为非整比 化合物或贝多莱体。例如：还原wO或加热wO,与WwO;的混合物， 均可制得 WO22.又如，方铁矿的物相分析发现，在900℃时其组成为Fc01+(0.09<x<0.19). 晶体结构的近代研究表明，非整比化合物的存在比整比化合物更为普遍，现 代许多新材料为非整比化合物。 1-2化学反应中的质量关系 121应用化学反应方程式的计算 化学反应方程式是根据质量守恒定律，用元素符号和化学式表示化学变化中 质和量关系的式子。例如，氢氧化钠与硫酸发生中和反应，生成硫酸钠和水。可 表示为： 2NaOH H2SO4-Na2S04+H2O
= 8.3144 Pa·m3 /mol·K = 8.3144 Pa·m3·mol-1·K-1 = 8.3144 J·mol-1·K-1 实际计算时，R 常用值为 8.314 J·mol-1·K-1 [例 1-2] 在 298.15K 下，一个体积为 50m3的氧气钢瓶，当它的压力降为 1500kPa 时，试计算钢瓶中剩余的氧气质量为多少? 1-1-6 化学计量化合物和非计量化合物 化学式能表明组成化学物质的各元素原子数目之间最简单的整数关系，因此 又称最简式。分子式能表明分子型物质中一个分子所包含的各种元素原子的数 目。分子式可能和最简式相同，也可能是最简式的整数倍。例如： 分子型物质 化学式 分子式 气态氯化铝 AlCl3 Al2Cl6 水 H2O H2O 对于那些非分子型物质，只能用最简式表示。例如：离子型化合物氯化钠， 习惯上以最简式 NaCl 表示。 化学计量化合物是指具有确定组成而且各种元素的原子互成简单整数比的 化合物，这类化合物又称整比化合物或道尔顿体。例如：一氧化碳中氧与碳质量 比恒为 4∶3，原子比恒为 1∶1。 非化学计量化合物是指其组成可在一个较小范围内变动，而又保持基本结构 不变的化合物，这类化合物偏离了原子互为整数比的关系，因此，又称为非整比 化合物或贝多莱体。例如：还原 WO3或加热 WO2与 WO3的混合物，均可制得 WO2.92。又如，方铁矿的物相分析发现，在 900℃时其组成为 FeO1+x(0.09<x<0.19)。 晶体结构的近代研究表明，非整比化合物的存在比整比化合物更为普遍，现 代许多新材料为非整比化合物。 1-2 化学反应中的质量关系 1-2-1 应用化学反应方程式的计算 化学反应方程式是根据质量守恒定律，用元素符号和化学式表示化学变化中 质和量关系的式子。例如，氢氧化钠与硫酸发生中和反应，生成硫酸钠和水。可 表示为： 2NaOH + H2SO4 ─→ Na2SO4 + H2O
上式是一个配平了的反应方程式，它表明化学反应中各物质的量之比等于其化学 式前的系数之比。据此，可以已知反应物的量，计算生成物的理论产量：或从所 需产量计算反应物的量。 例1-4小某硫酸厂以硫铁矿旷(FeS)为原料生产硫酸(H2SO4),其基本反应为： 4FeS2+11021 →2Fe,0+8S0, 2S02+02 ≈匹2S0, 现需生产1万吨98%的硫酸，问需投入含S40%的硫铁矿多少吨？ 解：设生产1万吨98%的硫酸需投入纯FS2x吨。由反应式可知 n(FeS2):n (H2SO)=1:2 FeS,) xx10g FeS,】= MFe)(55.85+32.07×28mo1 =8.33×10mol #但S04)= 2S04) 1x10*x10°×98%g M,S0,)(1.01×2+32.07+16.00x4)gmal了 98×10g 98.9gao7=10x10°mol 根据n(FeS):n(H2S04)=1:2=8.33×103mol:1.0×103mol 1.0x10 得 x- .33x2×103-=6.0×10 即需纯FeS26.0x103t。由此可计算出6.0×103t纯FeS2能提供的S量为y: 4囹 32.07×2 y=6.0x10x4F)=6.0x10x1999=32×103t 折合成含S40%的硫铁矿的量为：3.2×103+40%=8.0×103t 例1-1氯碱T业用电解法制取氯气：2NaC1+2H02八NaOH+H+ C2，某厂若每投入9.0×102 kg NaCl,制得的氯气在标准状况下只有150m3, 试计算其产率。 解：2NaCI+2H,02Na0H+H+C2 2.0mol 22.4×103m n(NaCl) xm3 己知
上式是一个配平了的反应方程式，它表明化学反应中各物质的量之比等于其化学 式前的系数之比。据此，可以已知反应物的量，计算生成物的理论产量；或从所 需产量计算反应物的量。 [例 1-4] 某硫酸厂以硫铁矿(FeS2)为原料生产硫酸(H2SO4)，其基本反应为： 4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2 2SO2 + O2 2SO3 SO3 + H2O ─→ H2SO4 现需生产 1 万吨 98%的硫酸，问需投入含 S 40%的硫铁矿多少吨? 解： 设生产 1 万吨 98%的硫酸需投入纯 FeS2 x 吨。 由反应式可知 n (FeS2) : n (H2SO4)=1 : 2 ∵ = 8.33×103 mol = =1.0×108 mol 根据 n (FeS2) : n (H2SO4) = 1 : 2 = 8.33×103 mol : 1.0×108 mol 得 =6.0×103 即需纯 FeS2 6.0×103 t。由此可计算出 6.0×103 t 纯 FeS2能提供的 S 量为 y： y = 6.0×103 t× = 6.0×103 t× = 3.2×103 t 折合成含 S 40%的硫铁矿的量为：3.2×103 t÷40% = 8.0×103 t [例 1-5] 氯碱工业用电解法制取氯气：2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 + Cl2 ，某厂若每投入 9.0×102 kg NaCl，制得的氯气在标准状况下只有 150m3， 试计算其产率。 解： 2NaCl + 2H2O 2NaOH + H2 + Cl2 2.0mol 22.4×10-3 m 3 n(NaCl) xm 3 已知