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工程化學
（第3版）
工程化學
第一章 緒論
學習要點
| 知识 要点 | 掌握程度 | 相关知识 |
| 化学的 研究对象 及发展简史 | 掌握化学的研究对象， 了解化学的发展简史 | 能量守恒定律、 燃素学说、燃烧学说、道 尔顿原子论、分子等 |
| 化学的学科 分支及作用 | 掌握化学的学科分支， 了解化学的作用 及未来化学的展望 | 无机化学、有机化学、 材料化学、分析化学、物 理化学等 |
| 本课程的 教学目的及 学习方法建议 | 掌握本课程的教学目的， 清楚学习方法 | 化学导论 |
本章主要內容
1.1 化學的研究對象及其發展簡史
1.2 化學的學科分支及其在社會發展中的作用
1.3 物理量的表示方法
1.4 工程化學的教學目的和學習方法
§1.1 化學的研究對象及其發展簡史
1.化學的研究對象
化學是研究物質變化的科學。世界是物質的，物質有實物和場兩種基本形態。
前者具有靜止的質量，是化學研究的對象。場是只有運動質量而沒有靜止質量的物質，如引力場、電磁場等。
化學變化的主要特征
在原子核不變的前提下生成了新的物質。
化學是物質科學的基礎學科之一，是一門中心的、實用的、創造性的科學。
2.化學發展簡史
原始人類從用火之時開始，由野蠻進入文明，同時也開始了用化學方法認識和改造天然物質。火─燃燒就是一種化學現象。掌握了火以后，人類開始熟食；學會了制陶、冶銅、煉鐵；又懂得了釀造、染色等等。這些由天然物質加工改造而成的制品，成為古代文明的標志。在這些生產實的基礎上，萌發了古代化學知識。
在古代和中古時代，中國、希臘、印度和西歐各國都興起、盛行過煉金術和煉丹術。深信物質能轉化，試圖在煉丹爐中合成金銀或修煉長生不老之藥。
為此設計了各種器皿，如升華器、蒸餾器、研缽等，也創造了各種實驗方法，如研磨、混合、溶解、結晶、灼燒、熔融、升華、密封等。
這些都為近代化學的產生奠定了基礎，許多器具和方法經過改造后仍然在今天的化學實驗室中沿用。
公元8世紀，阿拉伯各國中煉金術甚至就是化學的代名詞。
15世紀，隨著歐洲工業革命的勝利，生產力得到了飛速的發展，英國科學家波義耳（1627-1691）用機械論方法研究化學，提出各種物質的微粒都是由基本粒子構成的，通過基本粒子的重新排列組合，可以生成新的物質。
全盤接受波義耳化學思想的只有牛頓（1642-1727）。波義耳還對燃燒現象的本質進行了探討，認為火是由一種實實在在的、具有質量的火微粒所構成。
恩格斯曾指出“波義耳把化學確立為科學”。
1703年，德國哈雷大學的教授施塔爾（1660～1734），提出了一個解釋燃燒現象甚至整個化學的完整、系統的學說。他認為物質燃燒是因為其含有“燃素”，例如：石頭、黃金不含燃素，所以不可能燃燒。
按照他的學說，一切化學變化，乃至物質的化學性質、顏色、氣味的改變都可以歸結為物體釋放燃素或吸收燃素的過程。
在當時，燃素學說所不能自圓其說是：
金屬煅燒后增重的事實。
在18世紀中期，盡管燃素說統治了整個化學領域，然而一直有些科學家持懷疑和批判的態度。其中，對燃燒作用做了全面周密的研究，令人信服地抨擊了燃素學說的錯誤，建立起燃燒的氧化學說的人則是杰出的法國化學大師拉瓦錫（Antoine Laurent Lavoisier，1743～1794）。
拉瓦錫工作的突出特點是注重定量研究，善于發揮天平在化學研究中的作用。
拉瓦錫在他的實驗和論述中，自覺地遵循質量守恒定律，并且又以嚴格的實驗證明了這一定律的含義，被后人又稱為
“定量化學之父”
拉瓦錫制取了所謂的“純粹空氣”—氧氣，發現這種氣體不僅有助于燃燒，而且有助于呼吸。拉瓦錫的燃燒理論走向完善的關鍵一步是他通過實驗辨明了水的組成，結束了自古以來普遍認為水是元素的錯誤見解。
至此，統治了人們100多年的燃素學說被徹底摧毀了，取而代之的是以氧為核心的燃燒學說。拉瓦錫是近代化學元素學說的奠定者，從此，化學學科進入了一個蓬勃發展的新
19世紀的化學出現了非常繁榮的局面。首先，1803年，道爾頓 （1766～1844）提出了原子學說。
道爾頓原子學說在化學的發展歷史上具有劃時代的意義，它從根本上闡明了質量不滅定律的內在含義，把元素學說與原子學說有機地統一起來。
道爾頓的學說不能解釋復雜原子，在解釋蓋?呂薩克的氣體反應體積定律時遇到了困難。
這兩者之間的矛盾引起了意大利物理學家阿伏伽德羅的深思于是，他提出一個新的觀點—分子。對化合物而言，分子就是道爾頓所謂的“復雜原子”，對單質而言，是由幾個相同的原子結合而成。這樣，對蓋?呂薩克的氣體反應體積定律就有了合理的
§1.2 化學的學科分支及其在社會發展中的作用
1. 化學的學科分支
今天的化學己經達到了由描述到推理，由定性到定量，由宏觀到微觀，由靜態到動態的發展過程，形成了一個完整的化學體系。化學的研究對象和研究目的越來越明細，傳統的化學大致分為四大分支學科，即化學的二級學科。
無機化學以1870年門捷列夫（1834\~1907）發現周期律、公布周期表為標志。18-19世紀，隨著生產和科學水平的提高，平均每兩年半就有一個新元素被發現，到1869年已有63種元素為科學家所認識。同時，人們對元素的化合價和原子量的確
定也有了統一的認識。
進入20世紀以后，在無機化學方面有了更多重大的發明和發現，如工業規模合成氨，氨氧化法生產硝酸，并研究出工業生產無機酸、鹽類、肥料和無機高聚物以及其他物質的新方法，發現了復合氫化物并進行了深入的研究，制備了若干新化合物。
隨著量子化學的引入，大量元素無機化合物的發現，無機化學開始了一個新的蓬勃發展的階段，現代無機化學在合成新材料、超導體、配合物催化劑、核化學等領域正在發揮著越來越重要的作用。
有機化學的結構理論形成于19世紀下半葉。1861年德國化學家凱庫勒（F.A. Kekule）提出碳的四價概念及1874年荷蘭化學家范特霍夫（J.H. van't Hoff）和法國化學家勒貝爾（Le bel）的四面體學說，至今仍是有機化學最基本的概念之一。
新興有機合成化學工業的開發，尤以染料與制藥工業最為突出。
20世紀以來，有機化學領域達到了前所未有的繁榮，世界上每年大約合成近百個新化合物，其中70％以上是有機化合物，有機化學正朝著高選擇性合成、天然復雜有機物的合成與分離、有機金屬化合物的研究開發等領域不斷推進。
分析化學分支形成最早，隨著工業生產、科學研究對分析靈敏度的要求越來越高，儀器分析技術應運而生了。
它主要包括：吸光光度法、發射光譜法、放射分析法等現代化的分析技術。儀器分析法超越了經典分析方法的局限，根據被檢測組分的某種光學的、電學的、放射線的特性，靈敏度可以達到很高的水平。如對運動員的興奮劑監測，尿樣中某些藥物濃度即使低到10-13g?mL-1時，也難躲避分析化學家們的銳利眼睛。
目前分析化學正處于第三次變革，它不再只限于測定物質組成和含量，而要對物質的狀態、結構、微區，薄層和表面的組成與結構以及化學行為和生物活性等作出瞬時追蹤，無損和在線監測等分析及過程控制，甚至要求直接觀察到原子和分子的形態與排列。
物理化學是從化學變化與物理變化的聯系入手，研究化學反應的方向和限度、化學反應的速率和機理以及物質的微觀結構與宏觀性質間的關系等科學，它是化學學科的理論核心。
在研究各類物質的性質和變化規律的過程中，化學逐漸發
展成為若干分支學科，但在探索和處理具體課題時，這些分
支學科又相互聯系、相互滲透。無機物或有機物的合成總是
研究（或生產）的起點，在進行過程中必定要靠分析化學的
測定結果來指示合成工作中原料、中間體、產物的組成和結這一切當然都離不開物理化學的理論指導。
20年代以后，由于世界經濟的高速發展、化學鍵的電子理論和量子力學的誕生、電子技術和計算機等技術的興起，化學研究在理論上和實驗技術上都獲得了飛躍發展。。
2.化學在社會發展中的的作用
化學是一門古老的學科，隨著科學技術的發展，化學變得愈來愈重要。衣: 衣服印染、合成纖維等。食：糧袋子、菜籃子，化肥和農藥的生產，食品添加劑，如甜味劑、防腐劑、調味劑，食品加工制造方法等。住：現代建筑所用的水泥、石灰、油漆、玻璃和塑料等材料都是化工產品。行：代步的各種現代交通工具，需要汽油、柴油作動力，各種汽油添加劑、防凍劑、潤滑劑等。
藥品、洗滌劑、化妝品等生活必需品大都是化學制劑；油、防凍劑也是化工產品；導彈的生產，人造衛星的發射都需要很多具有特殊性能的化學品，如高能燃料、高能電池、光敏膠片等。
總之，化學已滲透到了國民經濟的各個領域，它是一門重要的基礎科學，也是一門應用性很強的實用科學，是現代科學的一個重要分支。化學教育的普及是社會發展的需要，是提高公民文化素質的需要。
3.未來化學展望
未來化學在人類生存、生存質量和安全方面將以新的思路、觀念和方式發揮核心科學的作用。化學學科已走出純化學，進入大科學。
從生命科學、材料科學、環境科學、能源科學乃至當今的信息科學都對化學提出了諸多挑戰，要求化學有新的發展，去解決現今面臨的諸如復雜體系、極端條件、微觀和非平衡態等等的新問題。
現在及今后的一段時期，化學發展的主要方向可以歸納為三個方面：
1．更加深入地研究化學反應理論，經過電子計算機的運算，設計出具有指定結構和性能的化合物，如催化劑、高分子等復雜材料，達到人們向往已久的分子工程水平。
2．化學與生物學相互滲透進入一個高潮階段，光合作用、酶的化學模擬及生物膜的模擬將有重大進展，人工合成新的生命成為可能。
3．太陽能的化學利用以及一些新概念、新技術的采用，有可能使催化過程和化工分離出現一些革命性的突破，這些突破將會改變人們的生活方式并給人們帶來幸福。
§1.3 物理量的表示方法
物理量簡稱為量，相互之間存在確定關系的一組物理量稱為一種量制。在函數關系上彼此獨立的物理量稱為量制的基本量，由基本量的函數定義的量稱為導出量。實際使用的有多種量制，如國際單位制、工程量制、英制等。國際單位制是1960年第十一屆國際計量大會通過的一種單位制，是世界上最先進、科學和實用的單位制，其國際代號為SI。國際單位制由7個基本單位、2個輔助單位和10個具有專門名稱的導出單位所組成。
7個基本單位如表所示，單位間彼此獨立，有嚴格的定義。
| 物理量 | 名称 | 国际 符号 | 定义 |
| 长度 | 米 | m | 光在真空中1/299 792 458s时间间隔内所经过路径的长度 |
| 质量 | 千克 | kg | 等于保存在巴黎国际计量局的铂铱合金的千克原器的质量 |
| 时间 | 秒 | S | 艳-133原子的基态两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的 9192631770个周期的持续时间 |
| 电流 强度 | 安[培] | A | 真空中，使两根相距lm极细且无限长的圆直导线间产生在每米 长度上为2×10-7牛顿力时，所对应的每根导线中通过的等量恒 定电流 |
| 热力学温度 | 开[尔文] | K | 水三相点热力学温度的1/273.15 |
| 光强度 | 坎[德拉] | cd | 一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为 540×1012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683W/sr |
| 物质的量 | 摩[尔] | mol | 一系统的物质的量，该系统中所包含的结构粒子数与0.012kg碳- 12的原子数目相等；在使用摩尔时，结构粒子应予指明，可以 是原子、分子、离子、电子或是这些粒子的特定组合体 |
§1.4 工程化學的課程目標和學習方法
1.工程化學的課程目標
工程化學是高等院校土木、車輛、機械、能源等專業的重要基礎課程。積極服務于國家“新工科”建設、工程教育認證與相應行業需求及學校“地方性、應用型”的辦學定位與人才培養方案。
課程總目標： 立德樹人，促進知識、能力、素質的有機融合。
2.工程化學的課程特點
課程性質
工程課程，對化學作一整體的闡述和討論，“化學導論”
課程特點：
1）簡明概括學學科的一般原理、基本規律和研究方法2）用化學的觀點分析、認識工程技術中的化學問題， 化學與工程技術間的橋梁作用。
3) 專業知識與思政教育的有機融合
課程的任務
1）通過科學發展史、科學家等介紹，提高學生的家國情懷、責任擔當，樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀。
2）使學生了解近代化學的基本理論，掌握必要的化學基本知識和基本技能。3）了解化學在工程技術上的應用，能運用化學的觀點來理解相關學科中涉及化學的有關問題。
3.工程化學的學習方法
（1）理論與實 踐相結合 （2）經線與緯線相結合（3）精講與介紹相結合 （4）不斷拓展不斷更新
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第二章 化學反應的基本規律
本章學習要點
| 知识要点 | 掌握程度 | 相关知识 |
| 理想气体 | 掌握理想气体状态方程、混合物组成的表示方法 及理想气体分压定律 | 理想气体状态方程、混合物组 成的表示方法、分压定律 |
| 化学反应中 的能量变化 | 理解系统、环境、热、功、热力学能、变、熵 变、吉布斯函数变的基本含义；掌握盖斯定律及 化学反应热的有关计算。 | 热力学第一定律、热力学基本 概念、盖斯定律、、热化学 方程式 |
| 化学反应的 方向 | 理解自发过程的特点；掌握标准摩尔熵变和标准 摩尔吉布斯函数变的计算方法；并且能够根据吉 布斯函数变判断化学反应的方向。 | 自发过程、熵、吉布斯函数、 吉布斯-亥姆霍兹公式 |
| 化学平衡 | 了解化学平衡的概念，理解标准平衡常数的含义； 掌握浓度、压力及温度等因素对化学平衡的影响； 掌握有关化学平衡的计算。 | 化学反应的限度、 标准平衡常数、 勒·夏特列原理 |
| 化学反应速 率 | 理解化学反应速率的概念；掌握浓度、温度及催 化剂对反应速率的影响及有关计算。 | 化学反应速率 反应速率的影响因素 |
本章主要內容
§2.1 氣 體
§2.2 化學反應中的能量變化§2.3 化學反應的方向§2.4 化學反應的限度§2.5 化學反應速率
化學反應是物質發生化學變化的根本原因，是用于改善物質性質或創造新物質、新能源的理論根據。本章重點討論化學反應中的能量變化、反應方向、限度及反應速率等問題。
§2.1 氣 體
聯系 p、V、T 之間關系的方程稱為狀態方程本章中主要討論氣體的狀態方程
§1.1 理想氣體狀態方程
理想氣體是指氣體分子為沒有體積的質點，分子之間沒有相互作用力，分子之間的碰撞及分子與容器器壁間的碰撞沒有能量損失的氣體。
實際上，理想氣體是不存在的。研究結果表明，氣體在高溫、低壓條件下，可近似看作是理想氣體。
（低壓、高溫氣體）? 理想氣體
理想氣體狀態方程
單位：
p ? Pa； V ? m3； T ? K； n ? mol ；R ?摩爾氣體常數 8.314 J ? mol-1 ? K-1
理想氣體狀態方程也可表示為：
pVm=RT pV = (m/M)RT
以此可相互計算 p，V，T，n，m，M，?(= m/ V)。
例1：用管道輸送天然氣，當輸送壓力為2 kPa，溫度為25 ℃時，管道內天然氣的密度為多少？假設天然氣可看作是純的甲烷。
解： M 甲烷 ＝ 16.04×10－3 kg ·mol-1
§1.2 混合物組成的表示方法
(1)摩爾分數 x 或 y
物質 B 的物質的量與混合物總的物質的量的比。
x_{B} (或 {\bf{y}_{B}})={±b{n}}_{{B}}/n 總 (1.2.1) （量綱為 1 ）
顯然: \begin{array}{r}{\sum x_{\scriptscriptstyleB}=1,\qquad\sum y_{\scriptscriptstyleB}=1}\end{array}
本書中氣體混合物的摩爾分數一般用 y 表示，液體混合物的摩爾分數一般用 x 表示。
(2)質量分數 wB B的質量與混合物的總質量之比。
其單位為 1， \sum w_{\mathbf{B}}=\mathbf{1}
(3)摩爾濃度 cB 溶質B的物質的量與溶液體積之比
（量綱為1） ? \begin{array}{r l}{c_{B}=1}&{{}?}\end{array}
(4) 質量摩爾濃度 bB
溶質B的物質的量與溶劑A的質量之比
§1.3 氣體分壓定律
實際生產過程中，經常遇到的是氣體混合物。通常，把組成混合氣體的每一種氣體稱為混合氣體的組分氣體。混合氣體中各組分氣體的含量可以用其分壓來表示。
理想氣體混合物中某一組分B的分壓pB 等于組分B與混合氣體具有相同的T、V時產生的壓力。即氣體對總壓的貢獻
式中： pB —氣體B的分壓； p —混合氣體的總壓。混合理想氣體：
例 2 ：今有 300 K，104 . 365 kPa 的濕烴類混合氣體（含水蒸氣的烴類混合氣體），其中水蒸氣的分壓為3.167 kPa，現欲得到除去水蒸氣的 1 kmol 干烴類混合氣體，試求：(1)應從濕烴混合氣體中除去水蒸氣的物質的量；
(2)所需濕烴類混合氣體的初始體積。
解： (1) 設烴類在混合氣中的分壓為 p_{{A}}\mathbf{;} ；水蒸氣的分壓為 pB 。
則 p_{B}{=}3 .167 kPa; p_{A}{=}p* p_{B}{=}101.198kPa 由公式 \scriptstyle p_{B}=y_{B}p=(n_{B}/\sum n_{B})p, , 可得：
(2) 所求初始體積為V
理想氣體混合物的總壓等于各組分分壓的總和。道爾頓定律
式(1.2.9)對低壓下真實氣體混合物適用。在高壓下，分子間的相互作用不可忽視，且混合物不同分子間的作用與純氣體相同分子間的作用有差別，所以某氣體B的分壓不再等于它單獨存在時的壓力，所以分壓定律不再適用.
