无机化学-教案-中南大学

主要内容：

化学的定义与分类

无机化学的研究对象与新进展

重点难点：

化学的近代概念与相邻学科的关系

无机化学的新近展    

教学目的： 

了解化学学科的概貌 

了解无机化学的研究对象

授课学时：0.5学时

具体讲解内容：

什么是化学？化学是一门什么样的学科？我们学化学能学到什么东西？这是我们首先要清楚的。

什么是化学？

化学是研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的科学。

无机化学：研究无机物质的组成、性质、结构和变化规律的科学，它是化学中最古老的分支学科。

无机物质包括了除有机化合物以外的所有化学元素及其化合物，因此无机化学的研究范围及其广泛。

化学是一门什么样的学科？

化学首先是一门实验学科，然后才是一门理论学科。要学好化学毫无疑问应该要首先注意实验和生活中的化学。

  化学实验是化学科学赖以生存和发展的基础。对于学生来说实验是获取化学经验知识和检验化学知识的重要内容和途径。没有一个对实验的认真的态度是无法做好实验的，而做不好实验则会影响你化学的学习。

   化学理论的学习其实就是一句话：专心一点，多问、多想。

化学原理：定义，公式，多做，总结；化学理论：理论发展，物理概念，物理图像，抽象思维；元素化学：反复记忆，对比，总结，原理解释。

我们学化学能学到什么东西？

  如果把化学只定位在学习上那是错误的，化学本身就是一种生活，是一种方。当你真正喜欢化学的时候你会发现它是多么的有趣。如果你真正的陷进化学中去了，你会情不自禁地运用化学思维。

  什么是化学思维呢？就是你看待世界的角度是用化学的情绪去观察。比如在某地发现了一种矿泉水，商人首先想到的是如何来赚钱；学地理的首先想到的是矿泉水是来自哪个岩层；生物学家想到的是矿泉水里面有哪种菌类；而化学家想的的是里面有哪些元素。以镜子为例，学英语的会想到mirror这个单词；学物理的想到它成的是一个等大正立的虚象；学化学的则想到镜子是银镜反应，该原理可用于工业制镜，制保温瓶胆。

 化学的思维也是一个发展的和联系的过程。化学更关心的是物质的内部组成和结构，以及组成和性质的关系。用化学的角度去看待物质世界，主要是从分子的角度去看待这个世界。因此在化学的引导下你会深入到眼睛看不到，手模不到的微观世界，深入到分子、原子的层次去认识自然的奥秘。要达到这个层次，你需要一个扩大了的感觉，需要一些感觉的延伸，需要应用各种仪器和方法。其实原子结构本身就是通过仪器和推论得出来的。

化学也在改变着我们的生活，进入我们的下意识里面。我们穿的衣服，我们用的物品都是经过一个化学过程，都是离不开化学的。

三 无机化学的发展历史

　　无机化学学科是随着元素发现而逐步发展起来的. 因而可以说, 在科学发展进程中, 无机化学是化学学科的鼻祖. 并且, 许多基于无机化学方面的工作, 导致化学基础理论的形成. 

最基础的理论之一是物质的量的计算。可以通过不同的途径合成出组成相同的化合物, 如氧化物的制备途径: (1)金属在空气中加热; (2) 碳酸盐加热分解; (3) 从溶液中沉淀得到氢氧化物, 加热脱水等。在以上系列变化中, 不管途径如何, 得到产物的分子式不变, 要符合Dalton原子理论的"组成恒定"法则. 而且, 在各变化过程中, 可以准确计算各物质的量。

　　在19世纪的前50年, 不仅发现了半数以上的元素, 而且进行了这些元素简单化合物性质的研究. 如: 1800年左右, 人们经过探索研究, 发现了 NCl3 的强爆炸性质和HF的强腐蚀性. 而那时, 尽管牛奶和血液研究被普遍重视, 直至1820年, 也只有少数的有机化合物为人们所知, 更谈不上有机化学理论的发展了。到了19世纪中期, 为有机化学的光谱研究的热点时期; 而在1900年左右, 物理化学方面的探索成为新的研究高潮。相比而言, 将近一个世纪, 人们忽略了无机化学的研究。随后, 元素周期表形成, 放射化学开展, 非水溶剂和过渡金属化合物研究等, 标志着现代无机化学阶段的开始。1930年, 现代无机化学成为人们新的研究热点. 典型的代表研究为:

　　　　Stock等: 乙硼烷的氢桥键(变形的价键理论); 硅的研究

　　　　Werner等: 过渡金属配合物化学

　　　　Karus 等: 非水溶剂, 放射化学

　　同时, 发展了现代无机化学的理论, 并应用于解决化学中的疑难问题, 这些理论包括: 建立于波动性质之上的基本粒子发现和原子结构, 衍生出现代无机化学的价键理论和分子结构理论; 以及过渡金属配合物中的晶体场理论等。

四 无机化学的近代发展

　　以上研究奠定了现代无机化学的基础, 并拓宽了现代无机化学的领域. 鉴于人们对于理论和实验科学体系的研究要求和新材料的生产应用需求, 以及对从前研究甚少的元素性质的了解渴望, 刺激无机化学研究进入了一个崭新的时代(近代发展始于1950年).此时, 对于原子能量的研究, 集中于重过渡金属元素和镧系元素(发现了 Zr 和 Hf 的化学性质的相似性和中子吸收性质的不同);电子工业和随之而来的计算机行业的发展, 促进了为人鲜知的半导体材料(Ga, Ge, In和Se)的发展;另外一个显著特点是, 在相关行业中造就了大批人才, 包括科学家和技术人员。

　　在过去的近50年中, 人们对于新方法, 新理论, 新领域(如金属在生物体系的发展), 新材料, 新催化剂, 高产出和低污染等的追求, 强力促进了无机化学的发展.以致于在周期表中非稳定的Tc 也被发现可用于医药之中. 除了特别不稳定的元素, 人们的追求遍布了整个周期表中的每一种元素, 这些元素的性质均有据可查。

随着无机化学的迅速发展, 它也成为人们所感兴趣的学习和工作的学科. 但并未能解决所有学生提出的问题, 而且, 编写的教科书在出版之际, 其中的一些数据就和理论就已经过时了. 如此, 要求学科的内容随着新的发现而不断改进。

如: "惰性气体"的概念已经为人们普遍接受. 随着1962年第一个氙的化合物的出现, 引起轰动, 以致于在两年之内, 有接近上百篇文章进行此方面的报道, 同时, 将"惰性气体"的改为"稀有气体"。超导体临界温度从5K提高到23K的过程是十分漫长的. 另一个激动人心的例子, 是1986年临界温度为40K的超导体的报道. 在临界温度以下, 超导体的电阻为零. 这种超导体的是一种复合氧化物, 含有铜, 稀土和碱土元素. 高温超导体引起轰动的原因是它本身有望应用于各种电器设备. 高温超导体的组成为YBa2Cu3O7-x, x 约为0.1。1990年, 发现了碳60(利用石墨电极, 高温电弧放电, 形成含有C60的混合物, 分离得到纯产物), 围绕着它的发现, 人们对合成方法进行了大量研究, 之后, 又有大量有关利用C60为原料进行合成的报道。 

　　以上的例子说明, 促进学科发展的因素为纯科学研究和应用性研究. 这些研究均以前人的知识为基础. 无机化学是基于元素周期表而建立起来的系统化学. 因此, 学习无机化学, 必须牢固掌握基础知识, 同时, 要了解学科的发展动态. 这一点对于任何学科的学习都适用。

化学的近代史是从1774年拉瓦锡（Lavosier）提出元素概念结束燃素论后，道尔顿（Dalton）于1803年提出原子学说，使化学进入了持续至今以原子论为主线的新时期。化学进入近代化学时期后，最基本的理论是原子分子理论，不同元素代表不同原子；分子是由原子在空间按一定方式或结构结合而成；分子的结构直接决定其性能；分子进一步形成聚集物。

化学是研究原子、分子片、结构单元、高分子、原子分子团簇、超分子、生物大分子、分子和原子的各种不同维数、不同尺度和不同复杂程度的聚集态和组装态，直到分子材料、分子器件和分子机器的合成和反应，制备、剪裁和组装，分离和分析，结构和构象，粒度和形貌，物理和化学性能，生理和生物活性及其输运和的作用机制，以及上述各方面的规律，相互关系和应用的一门自然科学。

与物理不同的是，化学主要研究：

（1）物质（substance）的组成和结构及其性能与组成和结构的关系；（2）物质的组成和结构变化（化学变化或化学反应）以及伴随这些变化的效应。

物理则主要探讨：

（1）物体与其组成无关的特性以及物质无需联系其组成和结构的一般性质；（2）并不改变其组成和结构的变化（物理变化）。

化学是在原子水平上研究物质的组成、结构和性能以及相互转化的学科。在称为化学反应的转化中，原子相互结合的方式或结构是要改变的。从天然资源中制取，物质一般要通过化学反应与分离过程相结合的化学过程，普遍地进行于包括生物界在内的大自然中。能源工业在很大程度上也有赖于化学过程。

化学作为一门核心、实用、创造性科学，已经为人类认识物质世界和人类的文明进步做出了巨大的贡献。面对生命科学、材料科学、信息科学等其它学科迅猛发展的挑战和人类对认识和改造自然提出的新要求，化学在不断开拓新的研究领域和思路的同时，不断地创造出新的物质以满足人民的物质文化生活，造福人类。在这100年中，在《美国化学文摘》上登录的天然和人工合成的分子和化合物的数目已从1900年的55万种，增加到1999年底的2340万种。 没有别的科学能象化学那样制造出如此众多的新分子、新物质。

当前，资源的有效开发利用、环境保护与治理、社会和经济的可持续发展、能源问题、生命科学、人口与健康和人类安全、高新材料的开发和应用等向化学科学工作者提出一系列重大的挑战性难题，迫切需要化学家在更深更高层次上进行化学的基础和应用基础研究，发现和创造出新的理论、方法和手段，并从学科自身发展和为国家目标服务两个方面不断提出新的思路和战略设想，以适应21世纪科学发展的需求。

从1828年到这世纪的90年代的60余年中，无机化学、有机化学、物理化学三个学科皆有长足的进展。无机化学家发现了20多种新元素，合成了大量的已知元素的各种各样的化合物，确立了定比定律（1860年），并提出了以O=16为基准的元素原子量，创立了近代自然科学基石之一的元素周期律，奠定了配位化学的基础（Werner，13年）。拿美国来说，无机化学已成为化学研究生的热门专业，在美国化学历届年会上宣读的论文数最多的常是无机化学。较能反映这种情况的是各国无机化学及其分支学科的学报的创办与发行。

拿美国来说，无机化学已成为化学研究生的热门专业，在美国化学历届年会上宣读的论文数最多的常是无机化学。较能反映这种情况的是各国无机化学及其分支学科的学报的创办与发行。

无机化学学报最早创办的是12年德国《无机和普通化学学报》，然后到1995年才出现英国的《无机及核化学学报》和1956年苏联德《无机化学学报》，期间相隔60多年之久。到二十世纪60年代，继英、苏之后，美（1962年）、法（19年）、瑞士（1967年）等国无机化学报均争相问世。

多层次分子间的相互作用将会成为化学家关注的重点之一。虽然分子间的作用力如氢键和范德华力等是化学中的基本概念，但这些弱作用力的本质，这些弱作用力对分子聚集的影响等问题，还有待解决。注重分子间的弱相互作用研究，将会开辟一个全新的化学研究空间，给无机化学科学带来新的发展机遇，同时对材料科学和生命科学的发展有重要意义。

生命体系中的化学问题研究仍将是科学研究的前沿。以利用化学理论、研究方法和手段来探索生物医学问题的生物无机化学正在形成。有迹象表明，生物无机化学将成为未来20年或更长一些时间内的重要前沿学科方向之一。

纳米化学和分子纳米技术越来越受到世界的关注。无机材料化学的发展使人们对纳米物质本性的认识有了深入了解的可能，这将对发现新的纳米材料，开发具有特殊性能的纳米材料，如纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米催化剂、纳米信息材料、纳米润滑材料等，以及开辟新的应用途径起到巨大的推动作用。

绿色化学的主体思想是采用无毒、无害的原料和溶剂，新化学反应达到选择性高，生产环境友好的产品，并且经济合理。绿色化学是与生态环境协调发展的、更高境界的化学，它要求化学家重新考虑化学问题，从源头上消除任何污染。

二十一世纪化学学科发展的方向 

预计21世纪科学发展的特点是各学科纵横交叉解决实际问题。即化学学科的自身继续发展和与相关学科融合发展相结合; 化学学科内部的传统分支继续发展和做为整体发展相结合; 研究科学基本问题与解决实际问题相结合。应该说科学的发展常常出现预料不到的突破。

新的无机合成方法学 

例如(1)组合化学。(2)手性合成。(3)分子反应器控制的合成。(4) 自复制和自组装合成。(5)定向合成。(6)掌握零维笼状和杯状、一维通道、二维层间、三维网络空腔结构的合成方法，并通过化学、电场或磁场的作用，使囚禁在里面的客体分子被释放或取代出来。 

纳米化学、纳米材料和分子器件，纳米表面化学、高效纳米催化剂设计合成

能源科学中的化学问题 

例如：（1）各种高效换能器，特别是太阳能电池;（2）燃料电池;（3）氢能利用问题;（4）各种再生能源。 

生命和医药科学中的化学问题 

例如：（1）把中国名医的处方和人体的生理病理状态作为两个复杂体系来研究它们之间的相互作用和药效;（2）用组合化学的方法来筛选特效中药，并使中药现代化;（3）药物设计、合成和开发应用;（4）生物材料和人工器官的合成;（5）配合物小分子作为Key和DNA大分子作为Lock的相互作用;（6）了解神经细胞和生理的化学机理;（7）糖化学。

生态环境科学中的化学问题 

例如：（1）环境元素的循环;（2）有害化学物质的控制和治理;（3）以“原子经济”和“零排放”为目标的绿色化学和化工;（4）生态环境化学。 

信息科学中的化学问题 

例如：（1）高效的光纤通信材料;（2）高效的光贮存材料;（3）分子芯片;（4）分子计算机。 

由此可见，21世纪的化学，特别是无机化学有其伟大的目标和难题的，许多科学与技术问题是需要我们去解决的。

§3.如何学习无机化学

一 理论大课

　　中学的学习模式: 每节课的讲授内容少, 讲授的内容重复较多, 大量作业, 课堂练习和课外练习, 自学内容少。

　　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。

　二 习题与答疑课

　　目的: 解决课程的疑难问题

　　形式: 讲解习题, 作业中存在问题, 自由解答疑难问题

　　方式: 每周一次, 每次2学时, 从第二周开始

　　要求: 在笔记或讲义中标明疑问, 做记号, 在答疑课堂向教师请教和探讨. 没有问题的同学可以不参加答疑课. 

　三 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. 所课程安排了近 30 个相关的制备, 测定和元素性质实验.

　　　　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

主要内容

理想气体状态方程式

    气体混合物 

    *气体分子运动论     

    真实气体

    大气化学             

重点难点

理想气体状态方程式与分压定律

   *气体分子运动论 

教学目的

了解分体积定律与van der Walls方程式             

    熟悉理想气体状态方程式

    掌握分压定律         

授课学时：1.5学时 

具体讲解内容

§1.1 理想气体状态方程式

理想气体状态方程式

气体的最基本特征：具有可压缩性和扩散性。

一 理想气体

　　1. 描述气体状态的物理量 　　　　

　　　　(1)忽略气体分子的自身体积, 将分子看成是有质量的几何点(质点).

　　　　(2)碰撞, 包括分子与分子、分子与器壁之间的碰撞, 是完全弹性碰撞-- 无动能损耗. 分子间作用力被忽略。在高温和低压下, 实际气体接近理想气体. 故这种假定是有实际意义的.

　　3. 气体压力的产生 

气体的压力是指气体分子对器壁的作用力。它是分子对器壁碰撞的结果。

质量为m, 速度为v 的分子碰撞器壁, 无动能损失, 则以速度 -v 弹回, 动量的改变量为:

　　　                     -mv - mv = -2mv 　

动量的改变量等于壁对分子作用力 F' 的冲量:

                            F't = -2mv, F' = -2mv/t 

分子对器壁的作用力则为:F = 2mv/t　

这个力量和分子的运动方向一致, 即是碰撞造成的压力. 由于分子极多, 这种压力是连续的, 好比雨中, 雨点对雨伞的作用:　

　　4. 理想气体的经验公式

pV=nRT

这样的气体为理想气体，该方程称为理想气体状态方程式。

人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为理想气体。

理想气体分子之间没有相互吸引和排斥，分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略。

方程中，R为摩尔气体常量，在标准状况下(STP)，p=101.325kPa，T=273.15K，n=1mol，气体的标准摩尔体积

Vm=22.414×10-3m3=22.414L。

对于真实气体，只有在低压高温下，分子间的作用力比较小，分子间平均距离比较大，分子自身体积与气体体积相比，完全微不足道，才能把它近似地看作理想气体。也就是说，理想气体物理模型，将气体理想化为分子间无作用力，分子自身无体积。

1.1.2 理想气体的状态方程式的应用

1.计算p、V、T、n 的任意物理量。

应用范围：当真实气体温度不太高，压力不太大时，可看作是理想气体，

代入理想气体方程 pV=nRT 即可求得其中任意物理量。

2. 确定气体的摩尔质量

n=m/M     pV = nRT

pV = （m/M）RT     M=mRT/pV

M = Mr   mol  g-1

同样适用用于温度不太低，压力不太高的真实气体。

3. 计算气体的密度

ρ= m / V

=pM/RT

有关气体体积的化学计算

例:为了行车的安全，可在汽车中装备上空气袋，防止碰撞时司机受到伤害。这种空气袋是用氮气充胀起来的，所用的氮气是由叠氮化钠与三氧化二铁在火花的引发下反应生成的。总反应是：

6NaN3+Fe2O3(s) → 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)

在25℃，748mmHg下，要产生75.0L的N2，计算需要叠氮化钠的质量。 

解：根据化学反应方程式所显示出的n（NaN3）与n（N2）的数量关系，可以进一步确定在给定条件下，m（NaN3）与V（N2）的关系。

6NaN3+Fe2O3(s) → 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)

6mol                                                      9mol

Mr(NaN3)=65.01           P=748mmHg=99.73kPa

                                      T=298K

m(NaN3)=390.06g             V(N2)=223.6L

m(NaN3)=？                     V(N2)=75.0L             

m(NaN3)=

      =131g

§1.2 气体混合物

1.2.1道尔顿（J.Dalton）分压定律

当几种不同的气体在同一容器中混合时，相互间不发生化学反应，分子本身的体积和它们相互间的作用力都可以略而不计，这就是理想气体混合物。理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。任一组分气体对容壁碰撞所产生的压力不因其他组分气体的存在而改变。混合气体中组分气体所施加的压力叫做该组分气体的分压。对于理想气体，某组分气体的分压等于相同温度下该组分气体单独占有与混合气体相同体积所产生的压力。即

pB=nBRT/V

pB— B组分气体的分压；

nB— B组分气体的物质的量；

T — 混合气体的温度；

V — 混合气体的体积。

1801年，英国科学家J.Dalton通过观察实验提出了Dalton分压定律，其内容为：

混合⋯⋯=p1+p2+……=nRT/V

所以：pB/p =nB/n

令nB/n =xB, xB叫做B组分气体的物质的量分数，又称为摩尔分数。

表明，混合气体中某气体的分压等于该组分的摩尔分数与总压的乘积。

组分气体：理想气体混合物(在同一容器中，相互间不发生化学反应，分子本身的体积和它们相互间的作用力可略而不计的几种不同气体形成的混合物)中每一种气体叫做组分气体。

分压：组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压。

分压定律：

混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。

p = p1+ p2 +……

 或      p = ∑ pB

n =n1+ n2

分压的求解： 

x B — B的摩尔分数

例： 某容器中含有NH3、O2 、N2等气体的混合物。取样分析后，其中n（NH3）=0.320mol，n（O2）=0.180mol，n（N2）=0.700mol。混合气体的总压p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。

解：n= n（NH3）+n（O2）+n（N2）

     =0.320mol+0.180mol+0.700mol

=1.200mol 

p(N2)= p-  p(NH3) - p(O2)

        =(133.0-35.5-20.0)kPa

        =77.5kPa

1.2.2分压定律的应用

在实验室，利用排水取气体法收集气体时，收集到的气体是含有水蒸气的混合物，要计算有关气体的压力或物质的量必须考虑水蒸气的存在。

例：某学生在实验室中用金属锌与盐酸反应制取氢气。所得到的氢气用排水集气法在水面上收集。温度为18℃时，室内气压计为753.8mmHg，湿氢气体积为0.567L。用分子筛除去水分，得到干氢气。计算同样温度、压力下干氢气的体积以及氢气的物质的量。 

解：排水集气法收集气体时，通常将所收集气体中的水蒸气看作饱和蒸气。由化学手册中查出18℃下，p(H2O)=15.477mmHg。在湿氢气中，氢的分压为：

p1(H2)= (753.8－15.477)mmHg = 738.3mmHg

p1(H2)=

 = 98.43kPa

干氢气的p2(H2)= 753.8mmHg = 100.5kPa ，体积为V2(H2)。

V2(H2)= 

= 

      = 0.555L

n(H2)=

=

=2.31×10-2mol

习题：

在17℃，99.3kPa气压下，用排水集气法收集N2150ml。求在标准状况下该气体经干燥后的体积。已知17 ℃水的饱和蒸气压为1.93kPa。

§1.4 真实气体

1.4.1  真实气体与理想气体的偏差

理想气体状态方程式仅在足够低压力下适合于真实气体。

产生偏差的主要原因是:

①气体分子本身的体积的影响

②分子间力的影响

1.4.2  Van der Waals 方程 

a,b分别称为Van der waals常量。

(V-nb)=Videal等于气体分子运动的自由空间

b为1mol气体分子自身的体积。

       分子间吸引力正比与(n/V)2

内压力       p′=a(n/V)2

        pideal=preal+a(n/V)2

preal为真实气体压力测定值