第1章 化学反应中的质量关系和能量关系
1.1 复习笔记
一、物质的聚集态和层次
1．物质的聚集态
（1）物质三态
①自然界物质的三种聚集状态：气体、液体、固体。
②三种聚集状态的转化：a．物质的这三种状态在一定温度、压力条件下可以互相转化。例如水、水蒸气、冰三者之间可互相转化；b．在一定条件下，气、液、固三态可以共存。例如在0.01℃、611.6Pa下，水、冰、水蒸气可以共存。
（2）等离子态
①等离子态的定义
等离子态是指在足够高的温度或辉光放电条件下，气体分子会部分甚至几乎完全解离为原子并进一步电离，当电离产生的带电粒子达到一定的密度并能持续存在足够长的时间时呈现的一种有别于气、液、固三态且正电荷量和负电荷量相等的新物态。
②等离子体
等离子体中重粒子（分子、原子、离子等）热容量较电子热容量大得多，等离子体的温度取决于重粒子的温度。
a．热等离子体是指重粒子和电子的温度都很高而且几乎相等的等离子体。
b．冷等离子体是指电子温度即使很高而重粒子温度不高的等离子体。
2．物质的层次
（1）按个体（或粒子）的空间尺度大小及运动规律划物质可分为三个层次，如表1-1所示：
表1-1
（2）介观粒子：介于宏观物体和微观粒子之间，直径处于纳米级（1～100nm）的粒子。
二、化学中的计量
1．相对原子质量和相对分子质量
（1）基本概念
①元素：具有相同质子数的一类单核粒子；
②核素：具有确定质子数和中子数的一类单核粒子；
③同位素：质子数相等而中子数不等的同一元素的原子；
④相对原子质量（Ar）：元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比；
⑤相对分子质量（Mr）：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。
2．物质的量及其单位
（1）物质的量（n）
物质的量是用于计量指定的微观基本单元的一个物理量。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。
（2）阿伏加德罗常数（NA）
阿伏伽德罗常数是指0.012kg12C所含的碳原子数目（6.022×1023个）。当某物质系统中所含的基本单元数为NA时，该物质系统的“物质的量”即为1mol。
3．摩尔质量和摩尔体积
（1）摩尔质量（M）：某物质的质量（m）除以该物质的物质的量（n）：
M的单位为kg·mol－1或g·mol。
（2）摩尔体积（Vm）：某气体物质的体积（V）除以该气体物质的量（n）：
在标准状况（273.15K及101.325kPa下），任何理想气体的摩尔体积为
Vm，273.15K＝0.022414m3·mol－1＝22.414L·mol－1≈22.4L·mol－1
4．物质的量浓度
（1）物质的量浓度（cB）：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）：
（2）物质的量浓度的单位：对溶液来说，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。
5．气体的计量
（1）理想气体状态方程
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
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（m3）；
n为气体的物质的量，单位为摩（mo1）；
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，实际计算时，R常用值为8.314J·mol－1·K－1。
（2）理想气体分压定律
多组分气体混合物中某一组分气体B对器壁所施加的压力，称为该气体的分压（pB），它等于相同温度下该气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力。混合气体的总压力等于各组分气体的分压力之和，此经验规则称为道尔顿分压定律，其数学表达式为
如组分气体B和混合气体的物质的量分别为nB和n，它们的压力分别为
式中：V为混合气体的体积。
6．化学计量化合物
（1）化学式：表明组成化学物质的各元素原子数目之间最简单的整数比关系，又称最简式；
（2）分子式：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。
（3）化学计量化合物：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，又称整比化合物或道尔顿体。
三、化学反应中的质量关系
1．应用化学反应方程式的计算
化学反应方程式是指根据质量守恒定律，用元素符号和化学式表示化学变化中质和量关系的式子。
2．化学计量数与反应进度
（1）化学计量数（ν）
0＝∑vBB
上式即为化学计量方程式的通式，vB为数字或简分数，称为B的化学计量数。根据规定，反应物的化学计量数为负，而产物的化学计量数为正。
（2）反应进度
①反应进度：表示化学反应进行的程度，符号为ξ；
②随着反应的进行，任一化学反应各反应物及产物的改变量（△nB）均与反应进度（ξ）及各自的计量数（vB）有关；
③对同一化学反应方程式，反应进度的值与选用反应式中何种物质的量的变化进行计算无关；
④反应进度是计算化学反应中质量和能量变化以及反应速率时常用的物理量，使用时必须指明相应化学反应计量方程式。
四、化学反应中的能量关系
1．基本概念和术语
（1）体系和环境
①体系（物系、系统）：被划分出来作为研究对象的那部分物质和空间；
②环境：体系之外并与体系有密切联系的其他物质和空间；
③体系的分类
a．敞开体系：体系和环境之间，既有物质交换，又有能量交换；
b．封闭体系：体系和环境之间，没有物质交换，但有能量交换；
c．孤立体系：体系和环境之间，既没有物质交换，也没有能量交换。
（2）状态和状态函数
①状态：由一组物理量（如物质的种类、质量、体积、压力、温度等）来描述；
②体系的性质：决定体系状态的那些物理量；
③状态函数：能够表征体系特性的宏观性质；
④状态函数的特征：状态函数的改变量只与体系的起始状态和最终状态有关，而与状态变化的具体途径无关。
（3）热和功
①热的含义（Q）：体系和环境之间因温差而传递的能量，单位为J或kJ；
②功的含义（W）：除热以外，其他各种形式被传递的能量，单位为J或kJ；
③功的分类
a．体积功：由于体系体积变化反抗外力作用而与环境交换的功；
b．非体积功：除体积功外的其他功；
④热和功的特性：热和功均不是状态函数，与具体途径有关。
⑤体系能量变化：a．体系能量增加：Q＞0（体系吸热）、W＞0（环境对体系作功）；
b．体系能量减少：Q＞0（体系放热）、W＞0（体系对环境作功）。
（4）热力学能
①定义：体系内部所含的总能量，用符号“U”表示；
②特性：a．热力学能的绝对值难以确定；
b．热力学能是一个状态函数。
（5）能量守恒
①能量守恒定律：在孤立体系中能量是不会自生自灭的，它可以变换形式，但总量不变；
②热力学第一定律的数学表达式：若一个封闭体系，环境对其作功（W），并从环境吸热（Q），使其热力学能由U1的状态变化到U2的状态，根据能量守恒定律，体系热力学能的变化（△U）为。
2．反应热和反应焓变
（1）等压反应热和反应焓变
①等压反应热：化学反应时，如果体系不作非体积功，当反应终了的温度、压力恢复到反应前的温度、压力时，体系所吸收或放出的热量，由符号Qp表示；
②焓（H）
H＝U＋pV
③焓的特性
a．焓是一个状态函数；
b．焓的绝对值难以测知；
c．在等温、等压条件下，反应热恰好为生成物与反应物的焓差。
（2）热化学方程式
①热化学方程式：表示化学反应与热效应关系的方程式。例如：
上式表示：在298.15 K、100 kPa条件下，当反应进度为1 mol时，放出241.82kJ的热量。△rHm称为摩尔反应焓变，下标r表示一般的化学反应，m表示该反应的反应进度为1mol。
②书写热化学方程式应注意以下几点：
a．应注明反应的温度和压力；
b．必须标出物质的聚集状态；
c．同一反应，反应式系数不同，Qp值也不同；
d．正、逆反应的Qp绝对值相同，符号相反；
e．不宜把热量的变化写在热化学方程式中。
（3）赫斯（Hess）定律
①定义：一个化学反应如果分几步完成，则总反应的反应热等于各步反应的反应热之和；②作用：通过计算得到某些等压反应热，从而减少大量实验测定工作，而且可以计算出难以或无法用实验测定的某些反应的反应热。
3．应用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变
（1）标准状态
①气体：标准压力（100kPa）下纯气体的状态；
②液体、固体：标准压力下最稳定的纯液体、纯固体的状态；
③溶液中的溶质：标准压力下质量摩尔浓度为1mol·kg－1（常近似为1mol·L－1）时的状态。
（2）标准摩尔生成焓
①定义：在标准态下，由最稳定的纯态单质生成单位物质的量的某物质的焓变（即等压反应热）；
②单位符号：标准摩尔生成焓用符号
表示，上标
表示标准态，下标
表示生成反应。
的单位常用kJ·mol－1表示，通常使用的是298.15 K的标准摩尔生成焓数据。
（3）标准摩尔反应焓变的计算
①一般的化学反应其反应热可以通过实验直接测定；
②利用热力学数据通过计算得出；
③用赫斯定律可以导出：化学反应的标准摩尔反应焓变等于生成物的标准摩尔生成焓的总和减去反应物的标准摩尔生成焓的总和。