大学化学·考点精要 #
温度用 K,气体近似视为理想气体;标准压力 p∘=1bar。无量纲标准平衡常数 K∘ 由活度构成;直接使用浓度或分压所得的 Kc、Kp 应注明单位约定。化学式与推导采用 Obsidian 原生 KaTeX。
一、分子结构与化学键理论 #
核心考点梳理 #
离子键的本质是阴、阳离子间的静电作用;共价键可由价键理论的轨道重叠与电子配对解释。sp、sp2、sp3 杂化分别常对应 2、3、4 个电子域。VSEPR 由电子域排列预测几何构型;分子轨道理论可解释键级与磁性。
- 键参数:键长为成键原子核间的平衡距离;键角决定空间构型;键能常指气态断键所需能量(多原子分子常用平均键能);分子轨道键级 =(N成键−N反键)/2。同类键通常键级较大、键较短且较强,但不能无条件跨体系比较。
- 分子极性:由所有键偶极矩的矢量和决定。极性键组成的对称分子也可能非极性。
- 分子间作用:取向力来自永久偶极,诱导力与极化有关,色散力来自瞬时偶极且普遍存在;氢键通常涉及与 N、O、F 相连的 H 和合适的受体。
知识点详解 #
四个量子数与原子轨道 #
四个量子数 (n,l,m,ms) 共同确定一个电子的量子态;前三个 (n,l,m) 标记一个空间轨道,ms 区分其中电子的自旋态。同一轨道最多容纳两个自旋相反的电子。
| 量子数 |
允许取值 |
主要意义 |
| 主量子数 n |
1,2,3,… |
确定电子层,影响轨道大小和能级 |
| 角量子数 l |
0,1,…,n−1 |
确定亚层(l=0,1,2,3 分别为 s,p,d,f)及轨道形状;在多电子原子中也影响能量 |
| 磁量子数 m |
−l,−l+1,…,0,…,+l |
确定轨道空间取向;每个亚层有 2l+1 个轨道 |
| 自旋量子数 ms |
+21 或 −21 |
标记电子自旋方向 |
m 不能超出 −l 至 +l;ms 不决定空间轨道。例如 n=2,l=1 是 2p 亚层,有 3 个轨道、至多容纳 6 个电子。氢原子能量主要由 n 决定,不能把多电子原子的能级差异无条件套用到氢原子。
成键模型与构型 #
价键理论中,沿核间轴重叠形成 σ 键,侧向重叠形成 π 键;单键通常含一个 σ 键,双键另含一个 π 键。杂化轨道是解释空间指向的模型。分子轨道理论中,原子轨道组合为成键、反键轨道,电子按能量最低、泡利不相容及洪特规则填充;O2 的未成对电子可解释其顺磁性。
VSEPR 推断几何构型的完整步骤:
中心原子的价层电子对数 N=σ 键数 + 孤电子对数(多重键仍只计一个成键电子域)。对中心原子与单价 H 或卤素以单键相连的简单分子或离子,可用简便式 L=(V−∑ici−q)/2 估算中心原子孤电子对数:V 是中心原子价电子数;每个 H 或卤素取 ci=1;q 是整个粒子所带电荷的代数值(阳离子减电子、阴离子加电子)。例如 NH3 有 L=(5−3)/2=1,NH4+ 有 L=(5−4−1)/2=0。遇 O、其他多价配位原子、多重键、带形式电荷或共振体系,应画路易斯结构分别数成键域与中心孤对,不机械套用这条简便式。
- 写出合理的路易斯结构,确定中心原子和各原子的成键、孤对电子情况。
- 计算中心原子的电子域数:每个单键、双键或三键各计 1 个成键电子域,每对孤电子对计 1 个电子域;多重键不按共用电子对总数重复计算。
- 按电子域数确定排列:2 域为直线形,3 域为平面三角形,4 域为四面体,5 域为三角双锥,6 域为八面体;这里讨论的是电子域排列,不是最终分子构型。
- 去掉孤电子对对应的位置,仅观察原子核的排布,得到实际分子构型;5、6 域时还需比较孤电子对优先占据的位置。
- 比较键角:孤对通常比成键电子域排斥更强;在常见的四面体电子域体系中,CH4 的约 109.5∘、NH3 的约 107∘、H2O 的约 104.5∘ 体现了键角压缩。此组数值是具体分子的近似值,不是所有 4 域分子的固定规律。
- 结合实际构型和各键偶极的矢量和判断分子极性,不能仅凭某一根键是否具有极性下结论。
| 分子 |
σ 键数+孤对 |
价层电子对排布 |
分子几何构型 |
键角约值 |
常用杂化描述 |
极性 |
| BeCl2(气相单体) |
2+0 |
直线 |
直线 |
180∘ |
sp |
非极性 |
| BF3 |
3+0 |
平面三角 |
平面三角 |
120∘ |
sp2 |
非极性 |
| CH4 |
4+0 |
四面体 |
四面体 |
109.5∘ |
sp3 |
非极性 |
| NH3 |
3+1 |
四面体 |
三角锥 |
107∘ |
sp3 |
极性 |
| H2O |
2+2 |
四面体 |
V 形 |
104.5∘ |
sp3 |
极性 |
| PCl5(气相单体) |
5+0 |
三角双锥 |
三角双锥 |
90∘,120∘,180∘ |
简单杂化模型常记 sp3d |
非极性 |
| SF6 |
6+0 |
八面体 |
八面体 |
90∘,180∘ |
简单杂化模型常记 sp3d2 |
非极性 |
| CO2 |
2+0 |
直线 |
直线 |
180∘ |
sp |
非极性 |
2、3、4、5、6 对电子域的理想排布依次是直线、平面三角、四面体、三角双锥、八面体;这些是电子对排布,有孤对时分子几何构型可能不同。孤对占据空间通常更大,常使键角由理想值缩小;但不同键及取代基也会影响实际角度。五、六配位的 sp3d、sp3d2 只是入门几何标签,不代表中心原子必须实际动用 d 轨道成键。
BF3 中的 B 可以只有 6 个价电子;CO2 中每个双键只算一个电子域。孤电子对通常比成键电子对排斥更强,令 NH3、H2O 的键角小于理想四面体角。
分子轨道理论:能级、键级与磁性 #
分子轨道由对称性相容、能量接近且能够有效重叠的原子轨道组合而成;按能量最低原理、泡利不相容原理、洪特规则填入电子。成键轨道与反键轨道分别用 σ、π 和 σ∗、π∗ 表示;无须强行将电子局限到某一根定域化学键上。
对第二周期同核双原子分子,常用的价层 2p 轨道能级顺序如下(两者之前还都有 σ2s<σ2s∗;顺序取决于 2s–2p 混合程度):
| 代表分子 |
价层 2p 轨道常用能级顺序(从低到高) |
说明 |
| B2、C2、N2 |
π2p<σ2p<π2p∗<σ2p∗ |
较明显的 2s–2p 混合,使成键 σ2p 高于成键 π2p |
| O2、F2 |
σ2p<π2p<π2p∗<σ2p∗ |
2s–2p 混合相对较弱 |
由 b=(N成键−N反键)/2 求键级;对相近的同类分子,通常键级越大、键长越短、键越强。轨道中有未成对电子则顺磁,全部电子配对则抗磁。例如 O2 的两个电子分别占据简并的 π2p∗ 轨道,键级为 2,且为顺磁性;该结论不能仅由路易斯结构判断。
异核双原子分子(如 CO、NO)的两个原子轨道能量通常不相同,形成的分子轨道在两端原子上的电子密度可不对称;仍按轨道能量与对称性填电子,计算键级并判断有无未成对电子。不能把上表某一同核排序不加分析地套用于所有异核分子。
分子间作用与氢键 #
极性分子间可产生取向作用;极性分子使邻近粒子极化,可产生诱导作用;任何粒子之间都有色散作用,通常随电子云可极化性增大而增强。氢键可以发生于分子间,也可以发生于分子内;比较沸点时还要同时考虑相对分子质量、形状等因素。
模范样题(附解析) #
判断 NH3 和 CO2 的分子构型与极性。
解析:
- NH3 中 N 有 3 个成键域及 1 对孤电子对:电子域四面体排列,分子为三角锥。
- 其 N—H 键偶极不相互抵消,因此 NH3 为极性分子。
- CO2 中 C 的两个双键各算一个电子域:分子为直线形。
- 两个 C—O 键偶极方向相反、大小相等,故 CO2 整体非极性。
某双原子分子的成键轨道有 8 个电子、反键轨道有 4 个电子,求键级。
解析:
- 代入键级定义:b=(N成键−N反键)/2。
- 得 b=(8−4)/2=2。
判断 (n,l,m,ms)=(3,2,−2,+21) 与 (2,2,0,−21) 是否分别表示合法电子态;3d 亚层有几个轨道?
解析:
- 对第一组,n=3 时 l 可为 0,1,2,l=2 时 m=−2 合法,且 ms=+21 合法。
- 第二组 n=2 时 l 只能为 0 或 1,故 l=2 不合法。
- 3d 对应 l=2,有 2l+1=5 个轨道,最多容纳 10 个电子。
用 VSEPR 比较 CH4、NH3 与 H2O 的中心原子价层电子对数、构型及键角。
解析:
- 三者中心原子均有 4 对价层电子域:依次为 4+0、3+1、2+2,电子对排布均按四面体。
- 去掉孤对位置,三者分子构型依次为四面体、三角锥与 V 形。
- 孤对排斥通常更强,键角由约 109.5∘ 到 107∘、104.5∘ 逐渐缩小;不能说后两者的分子构型仍是四面体。
易错易混解析 #
- 电子域排列不是分子构型:H2O 的电子域按四面体排列,原子构型却是 V 形。
- 极性键不保证极性分子:CO2、BF3 的键偶极可对称抵消。
- 含 H 不必然有典型氢键:CH4 不具备水那样的典型氢键条件。
- 平均键能估算气相反应焓只是近似,不能等同于晶格能或溶液反应焓。
- O2 的价层轨道排序与 B2~N2 的常用排序不同;判断顺磁性要看未成对电子,不可只看形式上的键线。
二、配合物 #
核心考点梳理 #
配合物由中心原子或中心离子与配体经配位键结合形成配位实体;配位数是直接与中心原子成键的配位原子数,不一定等于配体分子数(多齿配体可能提供多个配位原子)。配离子的电荷与各配体电荷共同决定中心原子的形式氧化态。
知识点详解 #
配合物命名顺序和配位数 #
一般先按盐的命名法称外界阴、阳离子,再命名配位实体:配位数+配体名称+“合”+中心原子名称(氧化态);中心氧化态通常用括号内罗马数字标注。教材对配体排序可有细微差别,本节采用“先无机后有机、先阴离子后中性分子;同类配体按配位原子元素符号的字母序排列”的约定,具体题目以课程教材规范为准。NH3 作配体称“氨”,H2O 称“水”,Cl− 称“氯”。
| 化学式 |
配离子与配位数 |
中心氧化态 |
名称 |
| [Cu(NH3)4]SO4 |
[Cu(NH3)4]2+;4 |
+2 |
硫酸四氨合铜(II) |
| [Co(NH3)6]Cl3 |
[Co(NH3)6]3+;6 |
+3 |
氯化六氨合钴(III) |
| K4[Fe(CN)6] |
[Fe(CN)6]4−;6 |
+2 |
六氰合铁(II)酸钾(亦称亚铁氰化钾) |
常见配位数有 2、4、6:Ag+ 常见 2,Cu2+ 常见 4 或 6,Co3+ 常见 6;这只是常见组合,实际取决于离子大小、电子结构、配体及条件,不能由氧化态机械推出配位数。
模范样题(附解析) #
写出 [Co(NH3)6]Cl3 中 Co 的氧化态、配位数及化合物名称。
解析:
- 三个外界 Cl− 共带 −3 电荷,因此配离子 [Co(NH3)6]3+ 带 +3 电荷。
- 六个 NH3 均为中性、各提供一个配位原子,Co 氧化态为 +3,配位数为 6。
- 盐先念外界阴离子,再命名配离子,得“氯化六氨合钴(III)”。
易错易混解析 #
配位数数的是配位原子,不是配体种数或中心原子的氧化态;[Cu(NH3)4]SO4 中 SO42− 是外界离子,不计入铜的配位数。配体“氨”不能误写成表示铵离子的“铵”。
三、化学平衡 #
核心考点梳理 #
化学平衡是动态平衡:正、逆反应速率相等且非零,宏观组成不再变化。平衡常数描述给定温度下的平衡组成;反应商 Q 描述当前组成。勒夏特列原理用于判断扰动后的移动方向。
对于 aA+bB⇌cC+dD,若按浓度与理想气体分压定义:
Kc=[A]a[B]b[C]c[D]d,Kp=pAapBbpCcpDd.
纯固体、纯液体不写入这些平衡表达式。严格的无量纲标准平衡常数为 K∘=∏i(ai,eq)νi;理想气体 ai=pi/p∘,稀溶液常近似以 ai=ci/c∘ 表示。
知识点详解 #
平衡常数、反应商与速率 #
在相同活度定义下,Q<K∘ 时正向推进,Q>K∘ 时逆向推进,Q=K∘ 时达到平衡。反应倒写,平衡常数取倒数;反应式整体乘 m,常数取 m 次幂。理想气体若直接使用未归一化的浓度与分压,有 Kp=Kc(RT)Δng,其中 Δng 仅统计气体的计量数变化,且单位必须一致;无量纲 K∘ 不可直接无条件代入该式。
平衡常数并不表明反应快慢。催化剂可使达到平衡更快,但不改变恒温下的平衡组成。总反应的速率级数不能随意从化学计量数读出。
外界条件与平衡移动 #
| 改变条件 |
判断方法 |
对恒温下 K 的影响 |
| 增加参与反应的物质浓度 |
通常向消耗该物质方向移动 |
不变 |
| 恒温压缩气体体系 |
通常向气体总计量数较少一侧移动 |
不变 |
| 恒容加入惰性理想气体 |
各反应气体分压不变,通常不移动 |
不变 |
| 升温 |
向吸热方向移动 |
通常改变 |
| 加催化剂 |
缩短达到平衡所需时间,不移动 |
不变 |
纯固体、纯液体存在时单纯增加其用量通常不改变平衡;恒压加入惰性气体则可能因体积变化导致平衡移动。
共轭酸碱对与质子转移平衡 #
酸是质子 H+ 的给予体,失去质子后形成共轭碱;碱是质子受体,得到质子后形成共轭酸。共轭酸碱对仅相差一个质子,例如 HAc/Ac−、NH4+/NH3、H2O/OH−、H3O+/H2O。水及 HCO3− 均可视反应对象充当酸或碱。
对同一对共轭酸碱 HA/A−,同温同标准态下 Ka(HA)Kb(A−)=Kw;在 25∘C 的稀水溶液中,Kw≈1.0×10−14,相应 pKa+pKb≈14.00。温度变化时 Kw 也会改变。
KaKb=Kw 只适用于彼此共轭的一对,不能将任意酸、碱的常数相乘;共轭酸碱对差的是一个 H+,不是一个 H 原子。H2O 既可形成 OH−,也可形成 H3O+。
三段式、转化率与分压 #
对 A⇌2B,若初始 c(A)=c0、c(B)=0,设 A 反应掉 x,则平衡浓度为 c0−x 和 2x,转化率 α=x/c0。理想气体分压 pi=yip总,其中 yi=ni/∑ni。建立三段式后必须检查求出的根能否使各物质的量非负。
模范样题(附解析) #
在 1.00L 容器中放入 1.00mol 的 N2O4,初始无 NO2;达到 N2O4(g)⇌2NO2(g) 平衡时,N2O4 转化率为 20.0%。求 Kc 的数值及 pNO2/p总。
解析:
- 平衡时 n(N2O4)=1.00(1−0.20)=0.80mol;n(NO2)=2(1.00)(0.20)=0.40mol。
- 容器为 1.00L,故平衡浓度分别为 0.80 和 0.40molL−1。
- 按 molL−1 的浓度数值代入,Kc=(0.40)2/0.80=0.20;若以量纲量书写,其单位为 molL−1。
- 总物质的量 1.20mol,故 pNO2/p总=yNO2=0.40/1.20=1/3。
25∘C 时 Ka(HAc)=1.8×10−5,求 Ac− 的 Kb,并指出 HAc+H2O⇌Ac−+H3O+ 中两对共轭酸碱。
解析:
- HAc 失去质子成为 Ac−;H2O 得到质子成为 H3O+,故两对为 HAc/Ac− 和 H3O+/H2O。
- 用同一共轭对的关系,Kb(Ac−)=Kw/Ka(HAc)。
- 代入 Kw=1.0×10−14,得 Kb≈5.6×10−10;不能将 Ka(HAc) 与无关碱的 Kb 相乘。
易错易混解析 #
- 正、逆速率相等不表示反应物与生成物的浓度相等。
- 恒容加入惰性理想气体虽增加总压,却不改变反应组分分压。
- 恒温改变浓度、压强或加入催化剂不改变该反应的平衡常数。
- Kp 若由有单位的分压直接组成,不应与无量纲 K∘ 混同。
四、氧化还原反应与电化学 #
核心考点梳理 #
失电子、氧化数升高为氧化;得电子、氧化数降低为还原。原电池负极(阳极)氧化,正极(阴极)还原;外电路电子由负极流向正极。电极电势习惯按还原半反应表述。
E电池∘=E阴极∘−E阳极∘,E=E∘−nFRTlnQ,ΔrG=−nFE.
式中 n 是所写总反应转移的电子摩尔数,F≈96485Cmol−1;标准态下 ΔrG∘=−nFE∘。
知识点详解 #
氧化数法配平 #
- 标明氧化数变化,确定得失电子数,并使得失电子总数相等。
- 配平除 H、O 外的原子;酸性水溶液中用 H2O 配 O,用 H+ 配 H。
- 碱性水溶液可先按酸性条件配平,再用 OH− 消去 H+ 并约去多余的水。
- 检查原子守恒、总电荷守恒。
例如酸性条件下:
MnO4−+5Fe2++8H+→Mn2++5Fe3++4H2O.
Mn 从 +7 降至 +2 得 5 个电子;5 个 Fe 从 +2 升至 +3 共失 5 个电子。
能斯特方程、参比电极与电解池 #
能斯特方程的常用形式与单位:
E=E∘−nFRTlnQ=E∘−nF2.303RTlog10Q.
E、E∘ 单位为 V;R=8.314Jmol−1K−1,F≈96485Cmol−1,T 为绝对温度(K),且 1V=1JC−1。25∘C(298.15K)时,RT/F≈0.02569V,2.303RT/F≈0.05916V,故
E=E∘−n0.05916Vlog10Q(25∘C).
温度变化时应重算 RT/F,例如 T=310K 时 RT/F≈0.02672V,对应常用对数系数约 0.06152V;不应始终套用 0.05916V。Q 必须由无量纲活度组成:纯固体、纯液体活度为 1;理想气体可取 pi/p∘,稀溶液常以体积摩尔浓度 ci/c∘ 近似活度。更严格地,活度可按选定标准态用活度系数修正浓度;质量摩尔浓度 m(molkg−1)与体积摩尔浓度 c(molL−1)不能直接混用,相应标准态也不同。标准压力通常取 1bar,不是 1atm;若题目采用其他约定,要配套使用对应的标准电势和活度定义。
平衡时 E=0,因此 ΔrG∘=−RTlnK∘=−nFE∘。
| 项目 |
原电池 |
电解池 |
| 能量转换 |
化学能转为电能 |
外加电能驱动反应 |
| 阳极 |
氧化;通常为负极 |
氧化;通常为正极 |
| 阴极 |
还原;通常为正极 |
还原;通常为负极 |
标准氢电极(SHE)以铂表面的 H+/H2 为参照,规定其标准还原电势为 0V。甘汞电极 Hg∣Hg2Cl2(s)∣Cl−(aq) 的还原半反应为 Hg2Cl2(s)+2e−⇌2Hg(l)+2Cl−(aq);其电势随温度及氯离子活度变化。
具有代表性的几种原电池的电极反应式 #
下表均为放电过程,电极反应中的电子写在电极表面反应一侧;总反应由两极反应配平电子、相加并约去公共物种得到。
| 原电池 |
负极(阳极,氧化) |
正极(阴极,还原) |
总反应 |
| 丹尼尔电池(Zn–Cu) |
Zn→Zn2++2e− |
Cu2++2e−→Cu |
Zn+Cu2+→Zn2++Cu;E∘≈1.10V |
| 铅蓄电池(放电) |
Pb+SO42−→PbSO4+2e− |
PbO2+4H++SO42−+2e−→PbSO4+2H2O |
Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O(以硫酸分子式书写) |
| 氢氧燃料电池(碱性) |
H2+2OH−→2H2O+2e− |
O2+2H2O+4e−→4OH− |
2H2+O2→2H2O(负极式乘 2 后相加) |
| 银锌电池(碱性,氧化银–锌纽扣电池) |
Zn+2OH−→ZnO+H2O+2e− |
Ag2O+H2O+2e−→2Ag+2OH− |
Zn+Ag2O→ZnO+2Ag |
| 锂离子电池(石墨–钴酸锂,放电简化模型) |
LiC6→C6+Li++e− |
Li++CoO2+e−→LiCoO2 |
LiC6+CoO2→C6+LiCoO2 |
表中石墨–钴酸锂的式子是理想化的完全嵌锂 / 脱锂端点表示,真实电池常写作部分嵌锂 LixC6、Li1−xCoO2 等并受截止电压约束。放电时负极脱锂发生氧化、正极嵌锂发生还原;充电时上述化学反应反向进行,充电器外加电能驱动反应,不能仍用放电方向判定电极反应。常见正极材料有钴酸锂 LiCoO2(能量密度较高,成本及热稳定性需权衡)、磷酸铁锂 LiFePO4(热稳定性与循环寿命通常较好,电压及材料比能量有取舍)、锰酸锂 LiMn2O4(锰资源相对丰富,但部分工况下的容量衰减需要关注)。材料性能受设计和测试条件影响,不能只凭化学式绝对排序。
- 先确定负极失电子、发生氧化,正极得电子、发生还原。
- 看介质条件:酸性常用 H+、H2O 配平;碱性常用 OH−、H2O 配平,产物可能不同。
- 使两极电子数相同,再相加、约去重复物种,并复核原子数与电荷守恒。
模范样题(附解析) #
25∘C 时,E∘(Cu2+/Cu)=+0.34V,E∘(Zn2+/Zn)=−0.76V;设 a(Zn2+)=0.10、a(Cu2+)=1.00。求丹尼尔电池的电动势及所写反应的 ΔrG。
解析:
- 写出反应 Zn+Cu2+→Zn2++Cu,电子转移数 n=2。
- 标准电动势 E∘=0.34−(−0.76)=1.10V。
- Q=a(Zn2+)/a(Cu2+)=0.10;E=1.10−(0.05916/2)log10(0.10)≈1.13V。
- ΔrG=−nFE≈−2(96485)(1.12958)Jmol−1≈−218kJmol−1;所写方向自发。
易错易混解析 #
- 阳极氧化、阴极还原在原电池与电解池均成立;但阴极在原电池为正极,在电解池通常为负极。
- 半反应倍乘时电极电势不倍乘;能斯特方程的 n 与完整配平反应对应。
- 在碱性介质中直接照搬酸性电极反应,容易写错 OH−、H2O 的位置。
- E>0 只对应所写电池反应方向的 ΔrG<0;非标准条件须用实际 Q 求 E。
- 不把 lnQ 前的 RT/(nF) 直接当作常用对数的系数;改用 log10Q 时系数须乘 2.303。Q 是无量纲活度商,不可把质量摩尔浓度、体积摩尔浓度或未经归一化的分压随意混用。
- 可充电电池的放电反应和充电反应方向相反;正极材料不同,半反应也随之不同。
五、化学热力学初步 #
核心考点梳理 #
系统是所研究的对象,环境是系统之外与之相互作用的部分;将系统与环境合在一起,若整体与外界均无物质和能量交换,则称孤立系统。开放系统可与环境交换物质和能量;封闭系统只交换能量;孤立系统都不交换。U、H、S、G 是状态函数,热 q 与功 w 是过程量。
H=U+pV,G=H−TS,ΔU=q+w.
这里采用“环境对系统做功为正”的约定。只有体积功且恒压时 qp=ΔH;恒容且无其他功时 qV=ΔU。
知识点详解 #
第一定律、焓变与盖斯定律 #
ΔH<0 表示反应放热,ΔH>0 表示吸热。反应焓只由初、末态决定,因此热化学方程式可相加减;反应倒写时焓变换号,系数整体倍乘时焓变也倍乘。
ΔrH∘=产物∑νiΔfHi∘−反应物∑νjΔfHj∘.
标准生成焓指标准态的元素生成 1mol 指定物态化合物的反应焓;元素最稳定标准态的标准生成焓按定义为零,例如 O2(g) 与石墨,不能据此推断 O3(g) 或金刚石的数值也为零。
熵、第二定律与自由能 #
孤立体系自发过程总熵增加;系统自身熵减并不必然违反第二定律。明确划定系统和环境后,ΔS总=ΔS系统+ΔS环境≥0;严格说,自发不可逆过程 ΔS总>0,可逆平衡极限 ΔS总=0。这里所谓“S 环境”即环境的熵,不是系统熵的另一名称。可逆路径上有 ΔS=∫δqrev/T,不可用任意不可逆过程的实测热量替代。若环境为恒温 T 的热库,且系统只与热库交换热,则 ΔS环境=−q系统/T;恒温恒压、仅有体积功时 qp,系统=ΔH系统,于是 ΔS总=−ΔG系统/T。恒温下 ΔG=ΔH−TΔS;在恒温恒压、仅有体积功的条件下,ΔG<0 表示所写方向自发,ΔG=0 表示平衡。
| ΔH |
ΔS |
假定二者随温度变化不大时的趋势 |
| 负 |
正 |
通常有利于自发 |
| 正 |
负 |
通常不利于自发 |
| 负 |
负 |
低温更有利 |
| 正 |
正 |
高温更有利 |
实际组成须用 ΔrG=ΔrG∘+RTlnQ 判断,不能把标准态判据直接套在任意组成上。自发方向不保证反应速度快。
化学动力学:阿伦尼乌斯方程与半衰期 #
对近似服从阿伦尼乌斯关系的反应,指前因子 A、活化能 Ea 在研究温区内近似不变时,有
>k=Ae−Ea/(RT),lnk=lnA−RTEa,>lnk1k2=REa(T11−T21).>
R=8.314Jmol−1K−1,T 用 K;若 Ea 用 kJmol−1,须将 R 换算为 0.008314kJmol−1K−1。由两点式求 Ea 是高频考点;固定温度与近似相同 A 时,降低 Ea 使 k 按指数关系增大。A 的单位与 k 相同,随速率级数而变。
对仅有一个反应物、以其浓度 [A] 表示速率且 −d[A]/dt=k[A]r 的零级、一级、二级模型:
| 级数 r |
积分形式 |
半衰期 t1/2 |
| 0 |
[A]=[A]0−kt |
[A]0/(2k) |
| 1 |
ln([A]/[A]0)=−kt,即 [A]=[A]0e−kt |
ln2/k≈0.693/k |
| 2 |
1/[A]−1/[A]0=kt |
1/(k[A]0) |
只有一级反应在这些简单模型中半衰期与初始浓度无关;上述二级公式要求速率确为 k[A]2,不能直接套到任意双反应物二级反应。反应级数由实验速率式确定,不能仅凭配平式读出;核衰变中的 λ 与一级反应的 k 数学形式相似但物理过程不同。改变 Ea 的讨论应注明 A 是否可近似不变。
延伸阅读:放射性与核衰变 #
核衰变属于核化学 / 放射化学,其指数规律与一级反应动力学在数学形式上相似,不是由热力学第一、第二定律直接推出;作为本章延伸认识时间尺度与统计规律。
设尚未衰变的母核数为 N,衰变常数为 λ(单位为时间的倒数),则
dtdN=−λN,N(t)=N0e−λt,t1/2=λln2≈λ0.693,τ=λ1.
这里 τ 为平均寿命;理想模型假定母核各自独立、λ 在研究时间内恒定。放射性活度 A=−dN/dt=λN,不是热力学活度;其 SI 单位为贝可勒尔:1Bq=1s−1(每秒一次衰变),传统单位居里:1Ci=3.7×1010Bq。
衰变系列与母子体:母核衰变可生成仍具放射性的子核,子核继续衰变,形成衰变链,直至生成稳定核素。若子核也会衰变,其数量同时受母核生成与自身消耗控制,例如一对母子核满足 dN子/dt=λ母N母−λ子N子;不能把子核的增长简单等同于母核的损失。
模范样题(附解析) #
已知 ΔfH∘[CO2(g)]=−393.5、ΔfH∘[H2O(l)]=−285.8、ΔfH∘[CH4(g)]=−74.8kJmol−1,求 CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l) 的标准反应焓。
解析:
- 最稳定标准态的 O2(g) 有 ΔfH∘=0。
- 产物生成焓之和为 −393.5+2(−285.8)=−965.1kJmol−1。
- 减去反应物生成焓之和:ΔrH∘=−965.1−(−74.8)=−890.3kJmol−1(按所写反应计)。
某反应 ΔrH∘=+40.0kJmol−1,ΔrS∘=+100Jmol−1K−1,近似不随温度改变;求 500K 时的 ΔrG∘ 与临界温度。
解析:
- 单位统一:ΔrS∘=0.100kJmol−1K−1。
- ΔrG∘=40.0−500(0.100)=−10.0kJmol−1,故标准态正向热力学自发。
- 令 ΔrG∘=0,得临界温度 T=40.0/0.100=400K。
某反应在 300K 与 310K 的速率常数之比为 k2/k1=2.00。假定阿伦尼乌斯参数恒定,求 Ea。
解析:
- 两点式整理为 Ea=Rln(k2/k1)/(1/T1−1/T2)。
- 代入 R=8.314Jmol−1K−1、T1=300K、T2=310K,分母 =10/(300×310)K−1。
- 得 Ea≈8.314ln2×9300≈5.36×104Jmol−1=53.6kJmol−1。
已知一级反应 k1=0.100min−1;另一单反应物二级反应 k2=0.100Lmol−1min−1,初始浓度 [A]0=0.200molL−1。求各自半衰期。
解析:
- 一级反应代入 t1/2=ln2/k1,得 6.93min,改变初始浓度不改变该值。
- 二级反应代入 t1/2=1/(k2[A]0),得 1/(0.100×0.200)=50.0min。
- 若二级反应的初始浓度加倍,半衰期减半;不可把一级公式借给二级反应。
某过程系统熵变为 −20JK−1,环境熵变为 +30JK−1,问“系统+环境”整体是否满足自发性熵判据。
解析:
- 将所研究过程划为系统,系统外与之交换热的部分为环境;两者合在一起视为无外部交换的整体。
- ΔS总=ΔS系统+ΔS环境=−20+30=+10JK−1。
- 总熵增加,满足孤立整体的自发过程判据;系统熵虽减少,并不与第二定律冲突。
易错易混解析 #
- q、w 依赖路径;ΔU、ΔH 等状态函数只由初末态决定。
- 系统熵减不等于总熵减;判断自发性需说明体系及约束条件。
- ΔH<0 并不保证任何温度下都自发,仍需考虑熵项。
- 热力学有利不表示动力学上反应一定很快。
- 放射性活度 A=λN 与化学热力学中的活度不是同一概念;半衰期只由给定核素的衰变常数决定,与初始核数无关。
六、物质的聚集状态 #
按通用大学化学知识体系组织本节;并非摘录或逐页复现清华大学出版社《现代化学基础》。本节依次介绍气体、液体与溶液、固体、相变与相图。
核心考点梳理 #
| 聚集状态与主题 |
高频关系 |
适用条件 |
| 理想气体 |
pV=nRT |
低压、远离液化区时常较好近似 |
| 混合气体 |
p总=∑ipi,pi=yip总 |
理想气体混合物 |
| 稀溶液依数性 |
ΔTb=Kbm,ΔTf=Kfm,Π≈cRT |
稀溶液,按溶质粒子数计 |
| 相平衡 |
两相共存时化学势相等 |
相平衡条件 |
| 相律 |
F=C−P+2 |
非反应、多相体系且 T,p 可独立变化 |
知识点详解 #
1. 气体 #
理想气体状态方程与常用变式:设气体质量为 m、摩尔质量为 M、密度为 ρ=m/V,则
pV=nRT=MmRT,pM=ρRT.
对同一份气体、物质的量 n 不变的两个平衡状态,有 p1V1/T1=p2V2/T2;如存在漏气、反应改变 n,则不能直接使用此比值关系。温度须用 K,m 与 M 须采用相互匹配的质量单位。
| 压力及体积单位 |
相应气体常数 R(近似值) |
| Pa、m3 |
8.314Jmol−1K−1=8.314Pam3mol−1K−1 |
| atm、L |
0.08206Latmmol−1K−1 |
| mmHg、L |
62.36LmmHgmol−1K−1 |
若题目将 STP 规定为 0∘C=273.15K、1atm=101.325kPa,则理想气体摩尔体积约为 22.4Lmol−1。热力学标准态压力通常为 1bar,两者不能混同;若 STP 约定改为 1bar,相同温度下摩尔体积约为 22.7Lmol−1。始终按题目给定定义计算。
在理想混合气体中,道尔顿分压定律为 p总=∑ipi,pi=yip总,其中 yi=ni/n总。
分子动理论:气体由大量不停做无规则运动的粒子组成;理想模型忽略粒子体积及粒子间相互作用,粒子与器壁碰撞产生压强。理想气体分子平均平动动能仅与绝对温度有关:ε平动=23kBT;同温气体分子平均平动动能相同,而分子质量越大,均方根速率越小。
实际气体:高压时分子自身体积不可忽略;低温及接近液化时分子间吸引作用显著。van der Waals 方程以 a 修正分子间吸引使实测压强低于理想模型的效应,以 b 修正分子自身体积导致的可用体积减少。对 nmol 气体:
(p+aV2n2)(V−nb)=nRT.
b 的单位为 m3mol−1(也可用 Lmol−1),表示 1 mol 气体分子导致的有效排除体积,不是分子真实几何体积本身;硬球近似下约为真实分子总体积的 4 倍。a 与分子间吸引有关。低密度、远离液化区且 nb/V≪1、an2/V2≪p 时,两项校正可忽略,退化为 pV≈nRT;“低压”须兼顾温度和相态,不能视为无条件保证。此式为简化模型,并非所有条件下精确适用。
a 修正的是分子间引力对压强的影响,b 对应每摩尔气体分子造成的有效排除体积,并非 1 mol 分子的真实几何体积;压强校正项 an2/V2 中是 n2,体积校正项则是 nb。
2. 液体和溶液 #
蒸气压是封闭容器中液体与其蒸气达到动态平衡时的蒸气分压,随温度上升一般增大;液体蒸气压等于外压时发生沸腾。凝固点是给定压力下液、固两相平衡的温度,外压变化可能改变其数值。
理想溶液各组分在整个组成范围内近似满足拉乌尔定律 pi=xipi∗;非理想溶液因不同分子间作用力与理想假设不符,蒸气压可出现正偏差或负偏差。稀溶液依数性依赖溶质粒子数,而非其化学身份:
| 依数性 |
常用关系 |
注意条件 |
| 蒸气压下降 |
对非挥发性溶质,p溶剂=x溶剂p溶剂∗,Δp=x溶质p溶剂∗ |
稀溶液近似、溶质本身不挥发 |
| 沸点升高 |
ΔTb=Kbm |
m 为溶质粒子的质量摩尔浓度 |
| 凝固点下降 |
ΔTf=Kfm |
基本模型假设溶质不进入析出固相 |
| 渗透压 |
Π≈cRT |
稀溶液,c 按溶质粒子计 |
电解质解离或溶质缔合会改变有效粒子数;若以化学式单位的浓度计算,常引入范特霍夫因子 i,如 Π≈icRT,不宜无条件把 i 固定为化学式所示的理论粒子数。
3. 固体 #
用晶胞的三条轴长 a,b,c 与三轴角 α,β,γ 描述晶系。轴角分别是 α=∠(b,c)、β=∠(a,c)、γ=∠(a,b);下表给出常规晶胞的典型度量条件,个别晶体可出现度量上的偶然相等,归类还须看对称性。
| 晶系 |
轴长特征 |
轴角特征 |
| 立方 |
a=b=c |
α=β=γ=90∘ |
| 六方 |
a=b=c |
α=β=90∘, γ=120∘ |
| 四方 |
a=b=c |
α=β=γ=90∘ |
| 三方(菱方) |
菱方原胞 a=b=c |
α=β=γ=90∘;亦可用六方轴表示,此时度量同六方但对称性不同 |
| 正交(斜方) |
a=b=c(两两不等) |
α=β=γ=90∘ |
| 单斜 |
通常 a=b=c |
α=γ=90∘, β=90∘(依轴选取而定) |
| 三斜 |
通常 a=b=c |
α,β,γ 通常互不相等且均不为 90∘ |
晶系按晶体对称性和晶胞参数分类,离子、原子(共价网络)、分子、金属晶体按构成粒子和结合力分类,两种分类不能互相替代;仅见 a=b=c,α=β=90∘,γ=120∘ 的度量,还不能排除采用六方轴表示的三方晶体。
| 晶体类型 |
构成粒子与结合力 |
典型性质与例子 |
| 离子晶体 |
阴阳离子,主要为静电作用 |
多数熔点较高、硬而脆;固态一般不导电,熔融或溶于水后可导电;如 NaCl |
| 共价网络晶体(原子晶体) |
原子以延伸共价键连接 |
通常熔点高、硬度大,多数不导电;石墨因结构特殊可沿层导电,金刚石极硬 |
| 分子晶体 |
分子,靠分子间作用结合 |
通常熔点较低、质软,多数不导电;如冰、碘晶体 |
| 金属晶体 |
金属原子或离子实与离域电子 |
通常有良好导电、导热性与延展性;熔点、硬度因金属而异;如铜 |
非晶态固体无晶体那样的长程周期性有序结构,常见例子有普通玻璃;常表现为在一定温区逐渐软化,而非像理想纯晶体那样具有明确的熔点。
4. 相变与相图 #
相是物理与化学性质在宏观上均匀的一部分;组分数 C 指描述各相组成所需的最少独立化学物种数;自由度 F 为保持相数不变时可独立改变的强度变量数。非反应体系相律为 F=C−P+2,P 为相数。若压力固定,常用约化形式 F′=C−P+1。
单组分水的 p–T 相图有冰–水、冰–水蒸气、水–水蒸气三条两相平衡曲线:曲线之间的区域为单相;曲线上两相共存;三相点处冰、水与水蒸气共存,自由度为 0。水的普通冰–水熔化线斜率为负,因为冰熔化后体积减小;水的汽化曲线终止于临界点,临界点以上不再有明确的气液界面。三相点不同于规定外压下的正常凝固点或沸点。
克劳修斯–克拉佩龙关系(汽化近似,假设蒸气近似理想气体、液体体积相对可忽略、汽化焓在温区内近似恒定):
dTdlnp饱和≈RT2ΔvapH,lnp1p2≈−RΔvapH(T21−T11).
它说明温度升高时液体饱和蒸气压通常增大;本节重点掌握趋势与近似前提。
模范样题(附解析) #
300K 时,1.0mol N2 与 2.0mol O2 组成理想气体混合物,总压为 90kPa。求两者分压。
解析:
- 总物质的量为 3.0mol,故 yN2=1/3、yO2=2/3。
- 用道尔顿分压定律:pN2=(1/3)×90=30kPa。
- 同理 pO2=(2/3)×90=60kPa;两者之和为 90kPa。
将 0.100mol 不挥发、不解离溶质溶于 1.00kg 水,取水的 Kf=1.86Kkgmol−1。估算常压下凝固点下降值。
解析:
- 质量摩尔浓度 m=0.100/1.00=0.100molkg−1。
- 溶质不解离,粒子数因子 i=1;ΔTf=Kfm=1.86×0.100=0.186K。
- 相对纯水的 0∘C 凝固点,溶液凝固点近似为 −0.186∘C。
对 1.00mol 某气体,取 T=300K、V=10.0L、a=1.00L2barmol−2、b=0.0400Lmol−1、R=0.08314Lbarmol−1K−1,求压强,并与理想气体值比较。
解析:
- 由方程整理 p=nRT/(V−nb)−an2/V2,且 V−nb=9.960L。
- 代入得 p=(1.00×0.08314×300)/9.960−1.00/10.02≈2.4942bar。
- 理想气体压强 p理想=nRT/V=2.4942bar;此组数值在所给有效数字下恰好近似相等,是两项校正近似抵消,不能以压强大小判断 a、b 各自作用。
某晶胞 a=b=c,α=β=γ=90∘;另有 NaCl 固体。分别指出前者的典型晶系、后者的晶体类型和固态导电性。
解析:
- a=b=c 且三角均为直角,符合四方晶系典型度量条件(若遇特殊退化情况仍须结合对称性确认)。
- NaCl 由阴、阳离子构成,为离子晶体;这和晶系的分类标准不同。
- 固态 NaCl 中离子难以自由迁移,通常不导电;熔融后离子可移动而导电。
易错易混解析 #
- 分压不是体积分配的直觉猜测;理想混合气体中应按摩尔分数计算。
- pV=nRT 适用于理想气体模型,实际气体在高压、低温时可能明显偏离;使用不同形式的 R 必须配套对应的压力和体积单位。
- 22.4Lmol−1 对应 273.15K 与 1atm 的近似值,不可用于任意温压,也不可混同 1bar 标准压力。
- 依数性取决于有效溶质粒子数;电解质未必完全解离。
- 固体能导电不必然是金属:石墨可沿层导电;离子晶体通常固态不导电。
- 水的三相点不是 0∘C、1atm;相图上单相区、两相线与三相点自由度各不相同。
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