第1章 电厂化学基础

1章电厂化学基础1—锅炉；2—汽轮机；3—发电机；4—凝汽器；5—凝结水泵；6—凝结水精处理设备7—低压加热器；8—除氧器；9—给水泵；10—高压加热器；11—补给水处理设备12—冷却水泵图2.5.1凝汽式发电厂水汽循环系统主要流程过热蒸汽生水补给水凝结水冷却水冷却水水排汽11081111241275923给水6第1章电厂化学基础1.1物质的组成1.2化学反应及反应方程式1.3酸、碱、盐、氧化物及配合物1.4反应速度与化学平衡1.5弱电解质的电离平衡1.6缓冲溶液1.7盐类的水解1.8沉淀的溶解平衡及溶度积1.9理想气体1.10液体1.11拉乌尔定律和亨利定律1.1物质的组成物质由分子组成。分子不带电。分子由原子组成。原子不带电。原子由原子核和电子组成。原子核由质子和中子组成。中子不带电。一个质子带有一个单位正电荷。一个电子带有一个单位负电荷。原子是电中性的。所以原子中质子的数目等于电子的数目。元素元素是具有相同质子数（核电荷数）的一类原子的总称。碳元素就是所有各种碳原子的总称。元素和原子的区别是：元素是一种总称，为不可数的名称，而原子则是可数的。同位素具有相同的质子数而原子量（中子数）不同的同种元素的几种原子，叫做该元素的同位素。例如，6C12、6C13、6C14这三种原子中，都是由碳元素组成的，它们的原子核中质子数相同，都为6，但中子数分别为6、7、8，象这样的几种原子就是C元素的三种同位素。1.元素及同位素2.相对原子质量和相对分子质量碳元素中一个6C12的原子质量=1.9927×10－23g,数值非常小，用起来很不方便，就好比用吨来表示一粒芝麻的质量一样。为了使用方便，国际上统一规定：将一个6C12原子质量的1/12为“统一原子质量单位”，其它一个原子的质量是“统一原子质量单位”的多少倍就是该原子的相对原了质量。如1H1其一个原子的质量是“统一原子质量单位”的1.00797倍，所以它的相对原子质量为1.00797。通常所说的相对原子质量，实际上是某种元素所含有的各同位素的加权平均值。相对分子质量：一个分子中各原子的相对原子质量的总和叫做相对分子质量(过去叫分子量)。由于相对原子质量没有单位，所以相对分子质量也无单位。3.分子式的意义分子是能够独立存在并保持物质化学性质的最小微粒。分子式表示如下五种意义：①表示物质的一个分子；②表示物质由哪些元素组成；③表示物质的一个分子中所包含各元素的原子数目；④表示物质的分子里各元素的质量比；⑤表示物质的相对分子质量。物质的量是表示构成物质的基本单元的数目量，用n表示。单位名称是摩尔，符号为mol。1mol物质究竟含有多少基本单元数呢？国际单位制中规定：1mol任何物质所含的基本单元数与0.012kg碳—12中所含的原子数目相等，即(6.023×1023个/mol)。基本单元可以是原子、分子、离子、电子及其它微粒或者是这些微粒的特定组合体。摩尔质量：每摩尔物质的质量叫做该物质的摩尔质量。单位是g/mol。用符号M表示。在数值上摩尔质量等于其相对基本单元的式量。例如：氧气（O2）的相对分子质量为32，O2的摩尔质量M(O2)=32g/mol，而1/2O2的摩尔质量M(1/2O2)=16g/mol;M(1/2Ca2+)=20g/mol;水(1/2H2O)=9.0g/mol;M(1/3Fe3+)=18.7g/mol4.物质的量及其单位解：Na２CO3的相对分子质量＝2×23+12+3×16=106,M(Na２CO3)=106g/mol1/2Na２CO3的相对分子质量=53，M(1/2Na２CO3)=53g/moln(Na２CO3)=53g÷106g/mol=0.5mol，n(1/2Na２CO3)=53g÷53g/mol=1mol答：53g碳酸钠用Na２CO3基本单元表示的物质的量为0.5mol，用1/2Na２CO3基本单元表示的物质的量为1mol。5.溶液浓度的表示方法质量分数wB=mB/m它表示单位质量的溶液中含有溶质B的质量，质量浓度ρB=mB/V（g/L、mg/L、μg/L）。它表示单位体积的溶液中含有溶质的质量体积比浓度(VB+VA)它表示溶质B与溶剂A按VB+VA的体积关系配制而成。物质的量浓度Cb=nB/V（mol/L）单位体积溶液中含溶质B的物质的量称为物质的量浓度。解：标准溶液要求浓度准确，碳酸钠摩尔质量的有效数字应与浓度一样达到四位，即M（1/2Na２CO3）=(22.99×2+12.00+16.00×3)/2=52.99(g/mol)由式cB=nB/V=（m/MB）/V可得m=cBMBV＝0.1000mol/L×52.99g/mol×1L=5.299g答：需称取5.299g基准无水碳酸钠。[例1.1.3]配制(1+3)的硫酸溶液500mL需浓硫酸和水各多少mL?解：该溶液中浓硫酸和水的体积共４份，其中浓硫酸占1/4，水占3/4，所以，需浓硫酸：500×1/4=125mL;需水：500mL－125mL=375mL1.2化学反应及反应方程式1化学基本定律定组成定律（即定比定律）：任何化合物都有固定的组成，即每一个化合物的分子，其组成元素、重量都有一定的比例。质量守恒定律（即物质不灭定律）：质量守恒定律表示发生化学反应时，反应物的总质量等于产物的总质量。即反应前后原子的种类和数目都不发生变化。等物质的量相等原则：各物质相互反应时，其质量比等于相对分子质量比，也就是物质相互作用时物质的量相等。2.化学反应方程式类型在火力发电厂常用到的一些反应类型：置换反应：单质的原子代替化合物分子中另一原子的反应。如铁受盐酸的腐蚀:Fe+HCI=FeCI2+H2化合反应:两种或两种以上的物质互相化合生成一种化合物的反应。如：生石灰和水的反应：CaO+H2O=Ca(OH)2分解反应:一种化合物分解成两种或两种以上的新物质的反应。如：Ca(HCO3)2=CaCO3+CO2+H2O复分解反应：由两种化合物互相反应，彼此交换成分，生成几种新物质的反应。如：H2SO4+Na2CO3=Na2SO4+H2O+CO2氧化还原反应：在反应过程中，元素的化合价发生变化的反应。如：Fe+O2=FeO；Na2SO3+O2=2Na2SO4离子反应方程式：有离子参加的反应称之。（在水溶液中进行的）H++CO32－=H2O+CO3.根据化学反应方程式进行计算例1：锅炉在化学清洗前需先做垢样分析，称取垢样10.0g放到称重为20.4g的烧杯中，加入8%的盐酸150.0g，反应中有大量气泡，说明垢样中含有碳酸钙水垢，待垢样充分溶解，气泡消失后，称得总质量为177.4g，求该垢样中所含碳酸钙的质量及理论上为使碳酸钙全部分解所消耗盐酸的质量。解：CaCO3+2HCI=CaCI2+H2O+CO2根据等物质量的规则：n(CaCO3)=n(CO2)mCO2=(150.0+20.4+10.0)－177.4=(180.4－177.4)g=3gn(CO2)=3÷44=n(CaCO3)=x/100x=6.8gn(1/2CO2)=n(HCI)=3÷22=x/36.5x=4.98g=5.0g答：垢样中含碳酸钙水垢为6.8克；理论上消耗纯盐酸为5.0克。1.3酸、碱、盐、氧化物及配合物酸：凡是在水溶液中电离出来的阳离子全部是H+的化合物称为酸。碱：凡是在水溶液中电离出来的阴离子全部是OH－的化合物称为碱。盐：凡是在水溶液中电离时生成金属离子酸根的化合物称为盐。氧化物：由氧和另一种元素组成的化合物称为氧化物。碱性氧化物：凡能与酸起反应生成盐和水的氧化物称为碱性氧化物。酸性氧化物：凡能与碱起反应生成盐和水的氧化物称为酸性氧化物。两性氧化物：既能与酸反应又能与碱反应生成盐和水的氧化物称为两性氧化物。配位化合物：由一个简单的阳离子与一定数目的中性分子或阴离子以配位健结合而成的离子称为配位离子(或配离子)；含有配离子的化合物叫配位化合物（简称配合物）；简单的阳离子称为中心离子;一定数目的中性分子或阴离子称为配位体。配位键:由一个原子单独提供一对电子而与另一原子共用所形成的化学键称为配位键配位化合物由内界和外界两部分组成，内界就是配离子，常用方括号括起来。与配离子化合的，即方括号以外的为外界。例如，在硫酸四氨合铜[Cu(NH3)4]SO4中，[Cu(NH3)4]2+是配离子，为内界，其中Cu2+为中心离子，与中心离子以配位键结合的配位体的数目称配位数。NH3是配位体，中心离子的配位数为4；SO42－为外界。↑中心原子↑配位体↑配位数内界←[Cu(NH3)4]SO4→外界KAl(SO4)2·12H2O?不是配合物，因它在水中全部电离成简单离子。1.4反应速度与化学平衡1.质量作用定律:反应速度与反应物浓度的幂次方乘积成正比，方次为对应物质的计量系数。这就是质量定律。υ=k[A]a[B]b2.可逆反应:aA+bBcC+dDυ正=k正[A]a[B]bυ逆=k逆[C]c[D]dυ正=υ逆K=k正/k逆=[C]c[D]d/[A]a[B]b3.平衡常数:K=[C]c[D]d/[A]a[B]b—平衡常数表达式反应物的浓度:Ba2++SO42－BaSO4↓增加Ba2+的浓度可以使SO42－沉淀完全压力:2NO2N2O4棕红色无色增加压力颜色变浅,减小压力颜色变深温度:此反应为放热反应升高温度颜色变深，降低温度颜色变浅。4.影响化学平衡移动的因素1.氨水的电离平衡（25℃）NH3·H2ONH4++OH－Kb=[NH4+][OH－]/[NH3·H2O]=1.8×10－5[OH－]=Kb[NH3·H2O]/[NH4+]两边取负对数：－lg[OH－]=－lgKb－lg[NH3·H2O]/[NH4+]pOH=pKb+lg([NH4+]/[NH3·H2O])2.醋酸的电离平衡（25℃）HAcH++Ac－Ka=[H+][Ac－]/[HAc]=1.8×10－5pH=pKa+lg([Ac－]/[HAc])3.碳酸的电离平衡：（25℃）第一级电离H2CO3H++HCO3－K1=4.45×10－7第二级电离HCO3－H++CO32－K2=4.68×10－11pH=pKa+lg([HCO3－]/[H2CO3])1.5弱电解质的电离平衡5.水的离子积常数及pH值水是一种极弱的电解质：H2OH++OH－。其电离平衡常数为：K=[H+][OH－]/[H2O]由于水的电离度极小，[H2O]可视为不变的定值，在一定温下K×[H2O]可视为常数，该常数称为水的离子积常数，常用KW表示：KW=[H+][OH－]=1.0×10－14实验测得在中性溶液中[H+]=[OH－]=1.0×10－7(mol/L)将式（1）两边取负对数：－lgKW=－lg[H+]－lg·[OH－]=－lg1.0×10－14并定义：pKW=－lgKW；pH=－lg[H+]；pOH=－lg[OH－]pKW=pH+pOH=14配合物的内界和外界以离子键相结合。在水中全部电离。硫酸四氨合铜：[Cu(NH3)4]SO4→[Cu(NH3)4]2++SO42－配离子是弱电解质，在水中存在电离平衡：[Cu(NH3)4]2+Cu2++4NH3K不稳=([Cu2+]·[NH3]4)/[Cu(NH3)4]2+K稳=1/K不稳=[Cu(NH3)4]2+/([Cu2+]·[NH3]4)K稳值越大，说明配离子稳定性越高。•1.5.配合物在水溶液中的电离1.6缓冲溶液1.同离子效应弱电解质在溶液中存在着电离平衡，如果在此溶液中加入一种含有与此弱电解质相同离子的强电解质，则此弱电解质原来的电离平衡就会被破坏，电离度也会因电离平衡的移动而发生变化。例如，氨水是弱碱，其电离平衡为：NH3·H2ONH4++OH－氯化铵是强电解质，在溶液中全部电离生成NH4+和OH－，如果把氯化铵加入到氨水中，则氨水的电离平衡会由于NH4+浓度的增加而朝着生成NH3·H2O方向移动，结果是氨水的电离度降低，从而使溶液中的OH－浓度降低。像这种在弱电解质溶液中，由于加入了相同离子的强电解质，从而使电离平衡发生移动的现象，称为同离子效应。2.缓冲溶液在氨水中加入一定