专业课复习资料（最新版）专业课复习资料（最新版）封封面面绪论一、化学的研究内容与作用 1、 化学是研究和创造物质的科学。 化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构、性能及其变化规律和变化 过程中能量关系的学科。研究的对象包括原子、分子、生物大分子、超分子和物 质聚集态（如宏观聚集态晶体、非晶体、流体、等离子体等，以及介观聚集态纳 米、溶胶、气溶胶等）多个层次。 在 20 世纪的 100 年中，通过化学的方法合成了大量的化合物。见表 1。表 1新分子和新材料的飞速增长 年份已知化合物的数目 1900 1945 1970 1975 1980 1985 1990 1999 （12 月 31 日）55 万种 110 万种，大约 45 年加倍 236 .7 万种，大约 25 年加倍 414 .8 万种 593 万种，大约 10 年加倍 785 万种 1057. 6 万种，大约 10 年加倍 2340 万种2、 化学是一门中心性的、实用性的和创造性的科学。 （1）化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝 阳科学（sun-risesciences）都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。 北京大学徐光宪教授提出化学是承上启下的中心学科。 他认为学科按照它的研 究对象由简单到复杂的程度分为上、中、下游。数学、物理是上游，生物、医药 和社会科学是下游，化学是中游。上游科学研究的对象比较简单，但研究的深度 很深。下游学科的研究对象比较复杂，除了用本门学科的方法外，如果借用上游 学科的理论和方法，往往可以收到事半功倍之效。 化学在与材料的交叉领域起到了非常重要的作用。 半导体材料是最重要的信息功 能材料， 其发明和发展对信息技术的发展与人类社会的进步具有划时代的历史意 义。光导纤维是一种极为理想的信息传递材料，光纤的使用是信息社会的一个重 要标志。纳米材料被誉为“21 世纪最有前途的新型材料”。纳米陶瓷具有延性、 塑性，可以解决陶瓷的脆性问题。碳纳米管是 1990 年瑞士科学家用高压电镜研 究碳团簇时首先发现的管状结构碳分子。 它是由六元环形的碳原子组成的管状大 分子，管的直径只有零点几到几十纳米（由 5 万根碳纳米管并排起来才有人的一 根头发丝粗），管长为几十纳米到 1m。碳纳米管强度高（比钢高 100 倍）， 密度只有钢的 1/6，导热性与金刚石相近，导电性能高于铜。荷兰科学家已成功 研制出碳纳米晶体管，被认为是极有前途的微型电子器件。美国、中国、法国和 巴西 4 国科学家合作研制成功了用单根碳纳米管制成的纳米秤，能够秤 10-9g 的 物体质量（相当于一个病毒的质量）。稀土永磁材料如 SmCo5、Sm2Co17等，特别是第三代永磁材料 Nd2Fe14B 应用于电机制造，可使电动机体积大大缩小，趋 向微型化和高效化。这些材料的研制都离不开化学。（2）化学是一门社会迫切需要的中心科学，与我们的衣、食、住（建材、家具） 、 行（汽车、道路）都有非常紧密的联系。 1909 年 Haber 发明合成氨技术，1918 年获诺贝尔化学奖。徐光宪指出，如 果没有合成氨、合成尿素和农药合成技术，世界粮食产量至少要减少一半，60 亿人口中的 30 亿就会饿死。 如果没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术， 人类平均寿命要缩短 25 年。如果没有合成纤维、合成橡胶、合成塑料的技术， 人类生活要受到很大影响。因此他认为化学合成（包括分离）技术是 20 世纪最 重要的技术之一，应与报刊上常说的六大技术并列，甚至更为重要。 六大技术： 1、包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、通讯和网络等的信息技术； 2、基因重组、克隆和生物芯片等生物技术； 3、核科学和核武器技术； 4、航空航天和导弹技术； 5、激光技术； 6、纳米技术。1974 年人工合成维生素 B12（C63H88CoN14O14P），开创了人工合成天然产 物的新局面。 B12又叫氰钴胺， 是钴的配合物， 在人体内合成核蛋白， 缺乏 B12会 造成恶性贫血。顺铂 Pt(NH3)2Cl2 具有显著的抗癌作用，人们已制出了与顺铂 抗癌活性相近、毒副作用明显减小的第二代抗癌金属配合物，如卡铂 （Carboplatin）。 20 世纪，塑料、纤维、橡胶三大高分子合成材料和形形色色的功能高分子 材料，对提高人类生活质量、促进国民经济发展和科技进步作出了巨大贡献。如 1977 年发现聚乙炔通过掺杂可以导电，而成为导电高分子材料。导电高分子材 料作为电池的电极材料，可以增加电池能量密度，减轻电池的重量。用导电塑料 做成的塑料电池已进入市场，硬币大小的电池，一个电池是金属锂，一个电极是 聚苯胺塑料，电池可以多次重复充电使用，工作寿命长。医用高分子材料用于制 造人造器官，除了脑、胃和部分内分泌器官外，人体中几乎所有器官都可以用高 分子材料制造。用淀粉、纤维素等天然高分子与丙烯酸、苯乙烯磺酸进行接枝共 聚得到的高吸水性高分子材料，可作卫生材料、人造皮肤材料、农林业中的保水 剂，有人建议用它来防止土地沙漠化。二、化学的分支 1、 无机化学研究无机物的组成、结构、性质和无机化学反应与过程的化 学。 2、 有机化学研究碳氢化合物及其衍生物的化学。 3、高分子化学研究高分子化合物的结构、性能与反应、合成方法、加工 成型及应用的化学。 4、分析化学测量和表征物质的组成和结构的学科。 5、物理化学研究所有物质系统的化学行为的原理、规律和方法的学科。三、普通化学 即 GeneralChemistry，对化学作一总的介绍，有些大学称为大学化学、工 科化学，是工科学生必修的一门基础课程，其目的是给学生以高素质的化学通才 教育。对工科学生，着重把化学的理论、方法与工程技术的观点结合起来，用化 学的观点分析、认识工程技术中的化学问题；了解当代化学学科的概貌，能运用 化学的理论、观点、方法审视公众关注的环境污染、能源危机、新兴材料、生命 科学、健康与营养等社会热点话题，了解化学对社会的作用和贡献。 1、 教学内容 （1）理论化学包括化学热力学、化学动力学和物质结构基础。 （2）基本知识和应用化学包括单质和化合物的知识，化学与能源、 环 境、材料、信息、生命和健康，以及与人文社会的关系和互相渗透。 （3）实验化学主要是性质或理论的验证，重要数据的测定，结合工 程、社会生活的应用化学实验和设计性实验，并训练实验基本操作和现代仪器的 使用等。化 学 反 应 基 本 规 律第一节几 个 基 本 概 念（SomeFundamentalConcepts）一、系统和环境 系统 system作为研究对象的那一部分物质。 环境 surroundings系统以外与系统有密切联系的其它物质。 热力学系统分为三类： 敞开系统 封闭系统 孤立系统 系统 + 环境 孤立系统二、相 相 phase系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分。所谓均匀是 指分散度达到分子或离子大小的数量级。 相与相之间有明确的界面， 超过此界面， 一定有某些宏观性质（如密度、折射率、组成）要发生突变。 如含有冰的氯化钠溶液，氯化钠溶液为一个相，称为液相；溶液上方的水蒸气和空气的 混合物为一相，称为气相；浮在液面上的冰称为固相。相的存在与物质的量的多少无关， 也 可以不连续存在。液面上的冰不管有多少块，都是同一相。 相与物态不同，物态一般分为气态、液态、固态。对相来说，通常任何气体均能无限混 合， 不管有多少种气体都只有一个气相； 液相则按其互溶程度可以是一相、 两相或三相共存。 对于固体，如果系统中不同种固体达到了分子程度的均匀混合，就形成了固溶体，一种固溶 体就是一个相；否则，系统中有多少种固体物质，就有多少个固相。 单相系统homogenous system 多相系统heterogeneous system第二节化学反应中的质量守恒和能量守恒（Law ofconservationofMatterandEnergyinChemicalReactions）一、化学反应质量守恒定律 1748 年，罗蒙诺索夫提出：m（反应物）=m（产物） 化学反应质量守恒定律可用化学反应计量方程式（stoichiometric equation） 表示。 aA+bBxX+yY 0=BB B 表示物质，B表示各物质的化学计量数，是量纲为 1 的纯数，反应物取负值， 产物取正值。 如N2+ 3H2 2NH3 0=（+2）NH3+（-1）N2+（-3）H2二、热力学第一定律（firstlaw ofthermodynamics） 即能量守恒定律 1、状态和状态函数 状态 state描述系统的性质的总和。 状态函数 statefunction用于描述系统状态的物理量。 状态函数特点： （1）状态函数之间相互关联； （2）状态一定，状态函数就有确定值，反之亦然； （3）状态函数变化量仅决定于系统的始态和终态，而与变化的途径无关。系统的性质可分为两类： （1）广度性质 （容量性质）具有加和性； （2）强度性质，仅取决于系统自身的特性，不具有加和性。2、热力学能（thermodynamic energy） 系统内部能量的总和，用 U 表示。U 是状态函数，属广度性质，但其绝对值 未知。 系统发生状态变化时，内能的变化量U=U2U13、热和功 （1） 热 heat由于温度差的存在，而在系统和环境之间传递的能量，用 Q 表示。 规定：系统吸热，Q 为正值；系统放热，Q 为负值。 （2） 功 work 系统和环境之间除热以外的能量交换形式，用 W 表示。包括 体积功和非体积功。 体积功 work in change of volumeW体= pV 规定：系统对环境做功， W 取正值；环境对系统做功，W 取负值。 注意：热和功都不是状态函数，其数值与经历的途径有关。4、热力学第一定律的数学表达式 封闭系统，只做体积功时，U2U1= Q + W，即U = Q + W。三、化学反应的反应热 1、定容（constantvolume）过程的反应热 V=0，W体=0，则U=Qv定容条件下，反应热等于系统热力学能改变量。2、定压（constantpressure）过程反应热焓变 U = Q + W = QppV Qp=U + pV =（U2U1）+ p（V2V1）=（U2+ p V2）（U1+ p V1） 令 H = U + pV，则 Qp= H2H1= H H焓enthalpy，H焓变enthalpychange （1）H 状态函数 ，广度性质，但绝对值无法求得； （2）H 可求，通过 Qp= H求得； （3）H0，表示系统吸热，反之放热； （4）H 的大小与反应方程式的书写有关. 对 aA（g）+bB（g） xX（g）+yY（g） pV1= n1RT，pV2= n2RT(n1、n2表示反应前后气体物质的量) W =-pV =-RT，=（x + y）（a + b） Qp= Qv+ RT H =U + RT四、化学反应反应热的计算 1、盖斯定律 1840 年，盖斯总结出：化学反应的反应热（定容或定压条件下）只与物质的 始态和终态有关，而与变化的途径无关。 该定律是能量守恒的一种具体表现形式，是状态函数性质的体现。2、标准摩尔生成焓 standardmolarenthalpy of formation （1）标准态： 气体物质p= 100.00 kPa理想气体状态 纯固体、液体p= 100.00 kPa 溶液中溶质 B标准压力时，b= 1.0 molkg-1，并表现为无限稀溶液特性时 溶质的（假想）状态。 （2） 标准摩尔焓变 changesinstandard molar enthalpy（3） 标准摩尔生成焓稳定状态的单质，标准摩尔生成焓为零。见 p367 表 1（4） 反应标准摩尔焓变的计算（T）= B3、燃烧焓（热）（1） 标准摩尔燃烧焓（热）standard molaren