Chapter 1

1 物质的聚集状态-气体和液体2022.pdf

1 物质的聚集状态-溶液2022.pdf

物质的聚集状态

• 理想气体状态方程：$PV=nRT$

• Dalton分压定律

  • $P_{总}=P_A+P_B+\cdots+P_{i}$（温度和总体积恒定）
  • 物质的量分数：$x_i=\dfrac{n_i}{n_{总}}$，$P_i=P_{总}\cdot x_i$
  • $V_{总}=V_A+V_B+V_C+\cdots+V_i+\cdots$（温度和总压强恒定）

• 相（phase）：物理和化学性质完全均匀的部分称为相。

  • 气体-一个气相，液体-一、二、三相共存，固体-一个固体一个相

• 气体的液化
  • 永久气体：室温下不会液化的气体
  • 可凝聚气体：临界温度高于室温
• 液体的蒸发
  • 气-液两相达平衡时的压强——饱和蒸汽压
  • Clausius-Clapeyron方程
    • $ln(P_2/P_1)=-\dfrac{\Delta H_{vap}}{R}(1/T_2-1/T_1)$
• 凝固和融化

• 水的相图
  • AC线不能无限延长

溶液

• 表示浓度的方法
  • 质量分数：$\dfrac{W_{质}}{W_质+W_剂}$
  • 物质的量分数：$x=\dfrac{n_质}{n_质+n_剂}$
  • 质量摩尔浓度：$b=\dfrac{n_质}{1000g溶剂}$
  • 物质的量浓度：$c=\dfrac{n_质}{1.00L溶液}$
• 溶解度
• $g/100g溶剂$，$mol/1L饱和溶液$
• 影响溶解度的因素
  • 温度：$lnS_2/S_1=-\dfrac{\Delta H_{sol}}{R}(1/T_2-1/T_1)$（温度越高溶解度越小）
  • 压强：$c=K_{H,c}\times P$（亨利定律）
• 非电解质稀溶液的依数性
  • 浓度越高蒸气压下降
    • Raoult定律：$P=P_i^o \times x_剂$
  • 浓度越高沸点升高
  • 浓度越高凝固点下降
• 渗透压
  • $\Pi=\rho g h=\dfrac{n}{V}RT$

Chapter 2

2 原子结构和元素周期律-2022.pdf

原子的量子力学模型

• 径函数，由n, l决定；角函数，由l, m决定。

​ n为主量子数，n=1, 2, 3, …

​ l为角量子数，l=0 (s), 1 (p), 2 (d), 3 (f), …, n-1

​ m为磁量子数，m=0, ±1, ±2, …, ±l

• 对于径函数R(r)

  径节面指径函数为零的地方，径节面数=n-l-1

  $R^2(r)$是电子沿径向出现的概率密度

• 对于角函数$Y(\theta, \phi)$

  只取决于l和m，而与n无关

  $Y(\theta, \phi)$是电子沿角向出现的概率密度

  角节面数=l

  总节面数=n-1

• 小结

  主量子数n决定电子的能量和电子距离核的远近

  角量子数l决定电子轨道的形状

  磁量子数m决定角动量的分量大小

多电子原子结构

基态：原子处于能量最低的状态，电子排布是唯一的

激发态：电子的排布不是唯一的

构造原理：按照核内加一个质子、核外加一个电子的方式逐渐构建原子，新增加的核外电子将按以下顺序陆续填满各个原子轨道。

(1s)(2s2p)(3s3p)(4s3d4p)(5s4d5p)(6s4f5d6p)(7s5f6d7p)

• 排布规则
  1. 泡利不相容原理——原子中不存在四个量子数完全相同的两个电子，每个轨道最多接纳两个自旋相反的电子
  2. 能量最低原理——不违反泡利不相容原理的前提下，电子总是先进入能量最低的轨道
  3. 洪特规则
     1. 填充主量子数和角量子数相同的各个轨道时，电子总是先按自旋平行的方式占有各个轨道
     2. 轨道处于半满或全满的状态时，体系能量低

• 顺磁性：具有不成对电子成单电子、不成对电子数越多，原子或离子的顺磁性越大

Chapter 3

3-1 离子键-价键理论-杂化轨道理论-价层电子对互斥理论-2022.pdf

3-2 分子轨道理论-分子间作用力-氢键.pdf

离子键

离子键：原子间通过正、负离子电性吸引的互相作用称为离子键

• 离子键的本质时静电引力（库仑力）

  • 离子电荷越大，间距越小，引力越大，离子键越强
  • 无方向性、无饱和性
  • 电负性差值越大，键的离子性越大
  • 阴离子：大球；阳离子：小球

• 离子键的强度

  晶格能（U）：气态离子形成1mol离子晶体的过程释放的能量

  影响因素：离子间距，离子电荷数，晶体类型

  晶格能越大，硬度越大，熔点越高

• 离子半径

  正离子的离子半径比同一元素的原子半径小

  负离子的原子半径比同一元素的原子半径大

• 波恩-哈勃循环

共价键

经典路易斯学说

原子通过共用电子对形成的化学键称为共价键

两个成键原子的核间距离称为键长，原子之间的共享电子对数目称为键级

键角：分子中键与键之间的夹角

极性共价键：成键电子对在其中一个原子周围出现几率大的共价键

非极性共价键：没有极性

价键理论

形成共价键的两个必要条件

1. 2个原子的夹层轨道上有不成对电子，自旋相反
2. 2个原子轨道必须有最大程度的重叠

共价键的本质：原子相互接近时轨道重叠，原子通过共用电子对使能量降低而成键

共价键的特点：饱和性（不成对电子用完了，就不能再形成共价键）和方向性（形成的共价键会有一定的角度）

共价键的类型：

• $\sigma$键：头碰头
• $\pi$键：肩并肩，没有$\sigma$键稳定

简单的价键理论不能解释分子的空间构型

杂化轨道理论

需要掌握外轨型杂化轨道

• $sp$杂化轨道：两个$sp$杂化轨道互成180° ，直线型（激发-杂化）

• $sp^2$杂化轨道：1个ns轨道和2个np轨道组成三个$sp^2$杂化轨道，夹角为120°，平面三角形

• $sp^3$杂化轨道：1个ns轨道和3个np轨道组成四个$sp^2$杂化轨道，夹角为109°28‘，四面体

• $sp^3d$杂化轨道：1个ns轨道、3个np轨道和1个nd轨道组合成5个能量相等的$sp^3d$杂化轨道，夹角为90°、120°，三角双锥

• $sp^3d^2$杂化轨道：1个ns轨道、3个np轨道和2个nd轨道组成6个能量相等的$sp^3d^2$杂化轨道，夹角为90°，八面体

  

• 乙烯分子：一个$\sigma$键，一个$\pi$键

​ 乙炔分子：一个$\sigma$键，两个$\pi$键

• 杂化轨道随着s成分的增加键能增大键长减小
• 杂化轨道分为等性（成键）和不等性（成键+孤对电子）杂化轨道两种

价层电子对互斥理论（VSEPR）

• 价层电子对=成键$\sigma$电子对+价层孤对电子
  • 分子的空间构型仅取决于价层电子对中的成键$\sigma$电子对的空间位置
  • 排斥力
    • 孤电子对对孤电子对>孤电子对对成对电子对>成键电子对对成键电子对
    • 90°>120°>180°
    • 中心原子电负性越大，成键电子对排斥越大
    • 配位原子电负性越大，成键电子对排斥越小
    • 多键对多键>多键对单键>单键对单键
  • 中心原子的价电子对数$=\dfrac{A的价电子数+与A成键的配位原子数n+负离子电荷数-正离子电荷数}{2}$
    • O，S，Se，Te作为配位原子不计数
    • 形成双键-1，形成三键-2
    • 1.5->2，2.5->3

分子轨道理论

• 要点
  1. 分子中，电子不再属于单个原子
  2. 分子轨道近似由原子轨道线性组合形成
  3. 满足
     1. 泡利原理：每个轨道最多容纳2个自旋相反的电子
     2. 能量最低原理：能量较低的轨道填满之后，才能填入能量较高的轨道
     3. 洪特规则：当电子填入2个以上等能量轨道时，电子总是先以自旋相同的方式占据这些轨道直到半充满。
• 两个原子的原子轨道线性组合形成两个分子轨道
  • 成键分子轨道：能量低，电子云密度大
  • 反键电子轨道：能量高，电子云密度为零
  • 波函数叠加，相位相同波增强，能量降低。

• 原子轨道线性组合的原则
  • 能量匹配原则：只有能量相近的原子轨道之间可以进行线性组合
  • 对称性匹配原则
    • 对称轨道：s-s，px-px （$\sigma$轨道）
    • 反对称轨道：px-py （$\pi$轨道）
  • 最大重叠原则
    • 键级=$\dfrac{成键电子数-反键电子数}{2}$
    • 键级越高，键能越大，键长越短
• 同核双原子分子
  • 有单电子，有顺磁性
  • 键级不是0，就能稳定存在
  • 详见ppt

分子间作用力

• 分子与分子之间存在一种比化学键弱得多的相互作用力

  • 短程作用，对距离非常敏感
  • 无方向性和饱和性

• 分子的极性

  • 同核双原子分子：非极性键
  • 异核双原子分子：极性键
  • 结构对称的多原子分子，键有极性，分子没有极性

• 分子间作用力

  • 取向力（刻松力）
    • 极性分子与极性分子之间的作用力
  • 诱导力（德拜力）
    • 极性分子与非极性分子之间的作用力，使非极性分子有极性
    • 极性分子与极性分子之间也会有
  • 色散力（伦敦力）
    • 核外电子不断运动的过程中产生的正负电荷重心分离，产生瞬时偶极
  • 氢键
    • 存在于分子之间和分子之内的作用力
    • 分子中与高电负性原子X以共价键相连的H原子与另一分子中一个高电负性原子Y之间形成的弱键
    • N、O、F的氢化物分子
    • 氢键的强弱与X，Y的电负性与大小密切相关
    • 分子内氢键降低沸点，分子间氢键升高沸点
  
  • 大部分分子间作用力以色散力为主
    • 非极性分子，分子间色散力随分子量增加而加强
    • 稀有气体，水分子与稀有气体间的诱导力随分子量增加而增大

Chapter 4

4 化学热力学-2022.pdf

热力学第一定律

• 体系：指研究的对象，包含一定种类和数量的物质

• 环境：在体系之外，与体系密切相关的部分

• 体系分类

  • 敞开体系：能量+物质
  • 封闭体系：能量
  • 孤立体系：无交换

• 状态：体系所有物理性质和化学性质的综合表现

  • 始态
  • 终态

• 状态函数

  • 内能U、焓H、熵S、自由能G
  • 广延性质：有加和性
  • 强度性质：与物质的量无关

• 过程与途径

  • 过程：体系的状态随时间发生变化
  • 途径：体系变化过程中具体经历的状态

• 热力学第一定律：能量守恒定律

  $\Delta U = q + w$，w-功（+：环境->体系），q-热（+：环境->体系）

• 体积功的计算

  • 膨胀功：$w=-F\cdot \Delta L=-P_{外}\Delta V$
  • 可逆过程和最大功
    • $dw=-P_{外}\times dv\approx -P_{体}\times dv$
    • $w = -\int (nRT/V) dV = -nRTln(V_2/V_1) = -nRTln(P_1/P_2)$
  • 压缩功（压缩次数越多，环境对体系做功越小）
    • $dw=-P_{体}\cdot dv$
    • $w = -\int (nRT/V) dV = -nRTln(V_2/V_1) = -nRTln(P_1/P_2)$

• 可逆过程
  • 相变点发生相变

热化学

• 恒容热效应
  • $V=C$, $dV=0$
  • $\Delta U=q_V$
• 恒压热效应
  • $P_{体}=P_{外}=C, dP=0$
  • $\Delta U=q_{P}+w_{P}=q_{P}-\int^{V_2}_{V_1}P_{外}dV$
  • $q_P = \Delta U + P_{外}(V_2-V_1) = \Delta (U+PV)$
• 焓与焓变
  • 定义：$U+PV=H$
  • $\Delta H=q_P$
  • 如果只有固态和液态的反应，$\Delta(PV)$较小，$\Delta H=\Delta U+\Delta (PV)=\Delta U$
  • $\Delta(PV)=\Delta nRT$
• 热容
  • $C = q/(T_2-T_1)$
  • 比热容：$c=C/m$，摩尔热容：$C_m=C/n$
  • $C_{V, m}$：摩尔恒容热容，$C_{p, m}$：摩尔恒压热容
  • 单原子分子理想气体：$C_{V, m}=3/2 R$，$C_{p, m}=5/2 R$
  • 双原子分子理想气体：$C_{V, m}=5/2 R$，$C_{p, m}=7/2R$
  • $\Delta H=C_p \Delta T$，$\Delta U=C_V \Delta T$
• 盖斯定律
  • $\Delta_f H_m^\theta = \sum n_i \Delta_f H_{m, 生成物i}^\theta - \sum n_j\Delta_f H^\theta_{m, 反应物j}$

复习

普通化学A（上）-复习-2022.pdf