无机与分析化学第二章化学反应的能量和方向课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,教学要点：,第二章 化学反应的能量和方向,1.了解 U、H、S、G 四个热力学函数的意义及相互关系。,2.理解系统、环境、状态、状态函数、定容热、定压热,等概念。,3.理解热力学第一定律和盖斯定律，掌握有关的计算。,5.掌握吉布斯一亥姆霍兹方程及其应用。,4.,掌握,有关,热力学函数的计算，根据热力学函数进行反,应自发性的判断。,教学要点：第二章 化学反应的能量和方向 1.了解 U、H、,1,化学热力学：,应用热力学的基本原理研究化学反应的能量转化规律。,主要解决化学反应中的三个问题：,化学反应中能量的转化,化学反应的方向性,反应进行的程度,化学热力学：应用热力学的基本原理研究化学反应,2,2-1 热力学基础知识,一、系统与环境,系统:,被人为地划分出来作为研究对象的那部分物质或空 间称为系统(或体系)。,环境:,系统之外但又与系统有关系的部分叫做环境。,按照系统和环境之间的物质及能量的交换关系，可以将,系统分为三类：,（1）敞开系统,既有能量交换，又有物质交换；,（2）封闭系统,有能量交换，无物质交换；,（3）孤立系统,既无物质交换，又无能量交换。,2-1 热力学基础知识 一、系统与环境系统:被人为地划,3,二、状态和状态函数,状态,由一系列表征体系性质的物理量所确定下来的 体系的一种存在形式，称为体系的状态。,状态函数,确定体系状态的物理量，称为状态函数。,例如某理想气体体系,n=2 mol，p=1.013,10,5,Pa，V=44.8 dm,3,，T=273 K,这就是一种状态。是由,n、p、V、T,所确定下来的体系的一种存在形式。,因而,n、p、V、T,都是体系的状态函数。,二、状态和状态函数 状态函数 确定体系,4,状态一定，则体系的状态函数一定。体系的一个或几个状态函数发生了变化，则体系的状态发生变化。,状态与状态函数的关系：,状态函数的改变量只取决于体系的始态与终态,而与变化途径无关。,状态函数的特性:,例如，温度的改变量用,T 表示，则,T=T,终,T,始,状态一定，则体系的状态函数一定。体系的一个或,5,三、过程和途径,过程,体系的状态发生变化，从始态到终态，则称体系经历了一个热力学过程，简称过程。,若体系在恒温条件下发生了状态变化，我们说体系的变化为“恒温过程”；同样理解“恒压过程”，“恒容过程”。若体系变化时与环境之间无热量交换，则称之为“绝热过程”。,途径,状态变化所经历的具体步骤称为途径。,三、过程和途径 若体系在恒温条件下发生,6,体系与环境之间由于存在温差而传递的能量.,热不是状态函数,体系吸热:,Q,0,体系放热:,Q,0,热,（,Q,）,四、热和功,体系与环境之间除热之外以其它,形式传递的能量.,功不是状态函数.,体系对环境做功，,W,0,体积功：,非体积功:,体积功以外的所有其它形式的功,功,(W ),热（Q）四、热和功 体系与环境之间,7,无机与分析化学第二章化学反应的能量和方向课件,8,六、过程的热,1.定容热,对于只作体积功的定容过程,V =0，故 W=-p V =0,则有,U =Q,v,+W =Q,v,即,U =Q,v,可见，,对于只作体积功的定容过程,定容热等于系统内能的改变。,当 U 0 时，Q,v,0，是吸热反应，,U 0 时，Q,v,0 时，Q,p,0，是吸热反应；,H 0 时，Q,p,S,L,S,s,。,(2)温度:对于同一物质,温度越高,熵值越大。,(3)压力:对于同一物质,压力越大,熵值越小。,(4)分子体积:对于同类物质,分子体积(摩尔质量)越大,熵值越大。,(5)化学反应:由较少分子变为较多分子的反应熵值增加,由固体变为液体或气体的反应熵值增加。,二、熵的概念,34,2.标准摩尔熵,在标准状态下,1mol纯物质的熵值叫该物质的标准摩尔熵。表示为S,m,单位:J/moL K。,3.化学反应的标准摩尔熵变,一般地，对于反应：,m,A+,n,B,x,C+,y,D,rS,m,S,(生成物)-,S,(反应物),x,S,C+,y,S,D ,m,S,A+,n,S,B,2.标准摩尔熵 3.化学反应的标准摩尔熵变一般地，对于反应,35,4.熵判据,孤立系统中,自发过程总是向着熵增加的方向进行。(热力学第二定律的表述形式之一),即：,r,S,m,0，反应自发进行；,r,S,m,0，逆反应自发进行；,r,S,m,=0，反应处于平衡状态。,4.熵判据 孤立系统中,自发过程总是向着熵增加的方向进行,36,三、吉布斯自由能,1.吉布斯自由能的定义,1876年美国科学家,Gibbs对当时世界各国关于热力学研究方面的成果进行了总结，提出了自由能（G）的概念，并定义：,G=H T S,三、吉布斯自由能 1.吉布斯自由能的定义,37,关于自由能的概念，应把握几点:,(1)吉布斯自由能是一个状态函数。,(2)吉布斯自由能的绝对值无法测定。,(3)吉布斯自由能可理解为系统能做最大有用功的本 领(在等温定压的可逆过程中,吉布斯自由能的减少值等于系统所做的最大有用功。）,关于自由能的概念，应把握几点:,38,2.标准摩尔生成吉布斯自由能,在标准状态下,由最稳定的单质生成1mol纯化合物时的标准摩尔吉布斯自由能变,叫该化合物的标准摩尔生成吉布斯自由能。并规定最稳定单质的标准摩尔生成吉布斯自由能为零。,用符号,f,G,m,表示。单位为 kJ mol,1,。,2.标准摩尔生成吉布斯自由能 在标准状态下,由最稳定的单质,39,3.化学反应的标准摩尔吉布斯自由能变,一般地，对于反应：,m,A+,n,B,x,C+,y,D,rG,m,f,G,m,(生成物)-,f,G,m,(反应物),x,f,G,m,C,+,y,f,G,m,D,m,f,G,m,A,+,n,f,G,m,B,3.化学反应的标准摩尔吉布斯自由能变一般地，对于反应：m A,40,4.吉布斯自由能判据,在等温定压且系统只作体积功的条件下,自发过程总是向着吉布斯自由能减小的方向进行。(热力学第二定律的表述形式之二),即：,r,G,m,0，反应逆向自发进行；,r,G,m,=0，反应处于平衡状态。,4.吉布斯自由能判据 在等温定压且系统只作体积功的条件,41,若反应在标准状态下进行，则：,r,G,m,0，,标准状态下,反应逆向自发；,r,G,m,=0，,标准状态下,反应处于平衡状态。,若反应在标准状态下进行，则：rG m 0，标准,42,四、吉布斯亥姆霍兹方程,G=H TS,G,=H,TS,应用于化学反应，则有,r,G,m,=,r,H,m,T,r,S,m,r,G,m,=,r,H,m,T,r,S,m,（标态下的反应）,四、吉布斯亥姆霍兹方程G=H TS应用于化,43,吉布斯-,亥,姆霍兹方程的应用,：,(1)由反应的焓变、熵变及温度来判断反应的方向。,定压下反应自发性的几种类型,r,H,m,r,S,m,r,G,m,=,r,H,m,T,r,S,m,反应的自发性,低温,高温,1,任何温度下正向反应均为自发,2,低温时正向反应自发，高温时正向反应非自发,3,任何温度下正向反应均为非自发,4,低温时正向反应非自发，高温时正向反应自发,吉布斯-亥姆霍兹方程的应用：(1)由反应的焓变、熵变及温度,44,f,G,m(298),f,H,m(298),S,m(298),(生)(反),r,G,m(298),(生)(反),r,H,m(298),(生)(反),r,S,m(298),r,H,m(T),r,S,m(T),r,G,m(298)=r,H,m(298)298r,S,m(298),查,表,r,G,m(T)=r,H,m(298)T r,S,m(298),(2)求某反应在任一温度下的标准摩尔吉布斯自由能变。,fGm(298)fHm(298)Sm(298)(,45,(3)求某反应在标准状态下自发进行的最低温度。,例 讨论温度对下列反应的方向性影响,解：CaCO,3,(s)CaO(s)+CO,2,(g),f,H,m,/kJmol,-1,-1206.9 -635.1 -393.5,S,m,/Jmol,-1,K,-1,92.9 39.7 213.6,f,G,m,/kJmol,-1,-1128.8 -604.2 -394.4,298K时：,rG,m,394.4-604.2+1128.8=130.2,kJmol,-1,298K时非自发,r,H,m,=178.3 kJmol,-1,rS,m,=164.4 Jmol,-1,K,-1,该反应在高温下自发，反应的温度为：,rG,m,rH,m,-,T rS,m,0,T,rH,m,/,rS,m,=178.3 10,3,/164.4=1111 K,(3)求某反应在标准状态下自发进行的最低温度。例,46,作业：P,54-56,4,、5、6、14、16、21、22、24,.,作业：P54-56 4、5、6、14、,47,