大学化学第一章课件

,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,*,1,第一章 化学反应热,1.1,几个基本概念,1.1.1,系统和环境,1.1.2,状态与状态函数,1.2,热力学第一定律,1.3,化学反应的热效应,1.3.1,恒容反应热,1.3.2,恒压反应热,1.3.3,热力学标准态,1.3.4,单质和化合物的标准摩尔生成焓,1.3.5,化学反应标准摩尔焓变的计算,1.3.6,反应进度,1 第一章 化学反应热,2,1.1,几个基本概念,1.,系统与环境,人为地将一部分物质与其余物质分开作为研究的对象，被划定的研究对象称为,系统,；,研究学生的上课状态,学生称为系统；,教师、教室、书桌等称为环境,。,系统之外，与系统密切相关，影响所能及的部分称为,环境,。,例如,：,2 1.1 几个基本概念1.系统与环境,3,(1),孤立系统,系统和环境之间没有任何物质和能量的交换。,(2),封闭系统,系统与环境之间没有物质交换,只有能量交换,例如，任何化学反应。,(3),敞开系统,系统和环境间既有物质交换又有能量交换,。,封闭绝缘,封闭,不绝缘,能量,H,2,SO,4,+Cu,三,种,系,统,3 (1)孤立系统 (2)封闭系统,状态函数,:,状态的单值函数。,状态函数的特点,（,1,）状态函数和状态变量是相对的。,（,2,）,状态函数的变化,与途径无关，只决定于系统的始态 和终态。,4,3.,状态与状态函数,状态,:,系统固有宏观性质的综合表现（例如压力、温度、,体积、能量、密度、组成、距离等）。,过程,:,状态发生变化的经过,;,途径,:,完成过程的具体步骤,。,2.,过程与途径,1.1,几个基本概念,状态函数:状态的单值函数。43.状态与状态函数状态:系,5,1.2,热力学第一定律,U,=,U,2,-,U,1,=,Q,+,W,将能量守恒定律应用于热力学就是热力学第一定律：,(,系统内能的增量等于系统所吸收的热加上环境对系统所作的功,),表示封闭系统中的化学反应过程的能量变化规律。,U,1,为始态内能，,U,2,为终态内能，,Q,为系统从环境吸收的热量，,W,为环境对系统所做的功。,51.2 热力学第一定律U=U2-U1=Q+,6,热力学第一定律的几点说明,(2),热,(,Q,):,系统和环境间能量的交换形式,不是状态函数，其数值与途径有关。,规定,:,吸热,+,Q,，放热,Q,(1),内能,(,U,),：,指系统内部分子的平动能、转动能、振动能、分子 间势能、原子键能、电子运动能、核内基本粒子间核能等能量的总和。内能是系统自身的性质，是状态函数。,(3),功,(,W,):,系统和环境间能量的交换形式,不是状态函数，其数值与,途径有关。规定,:,系统对环境做功,-,W,环境对系统做功,+,W,;,W=,W,体,+W,有,W,体,:,热力学系统体积变化时对环境所做的功称为体积功。,P,一,定，,W,体,-,P,V,W,有,:,除体积功以外的功的统称，如电功、表面功等。化学反应如 要做有用功，则需特殊装置。,U,=,Q,+,W,6热力学第一定律的几点说明(2)热(Q):(1)内能(,7,A boy on her way,-,W,-,W,+,W,system,system,system,environment,-,W,7A boy on her way-W-W+Wsyste,8,1.3,化学反应的热效应,U,=,Q,+,W,(1),Q,V,:,等容反应热。其数值的大小只与始末状态有关，,与途径无关。,1.3.1,等容反应热,U,=,Q,V,(2),热在特定的条件下,其数值的大小与某状态函数的变化相同,且体现状态函数变化的性质,(,只与始末状态有关，与途径无关,),。,(,条件,：,T,=0,V,=0,W,有,+,W,体,=0,),=,Q,+,p,V=Q,81.3 化学反应的热效应 U=Q+W(1),9,1.3,化学反应的热效应,条件：,T,=0,p=,0,W,有,0,体,-,p,V,-,p,(,V,-V,1,),(1),H,是状态函数,U,、,p,、,V,的组合，所以,H,也是状态函数。,1.3.2,等压反应热,Q,p,+,体,-,1,Q,p,-p,(,V,-V,1,),H,U+pV,Q,p,(,U,+pV,2,)-(,U,1,+pV,1,),Q,p,：,恒压反应热，,H,：焓,。,H,2,-H,1,H,(3),Q,V,和,Q,p,都与途径无关，所以可以通过易测的反应热,来求算难测的反应。,(2),大部分反应是在恒压下进行的，其反应热是,Q,p,，刚,好与焓变数值相同。因此就用,H,表示,Q,p,Q,p,H,91.3 化学反应的热效应条件：T=0,p=0,10,1.3,化学反应的热效应,始态,C(s)+O,2,(g),例,1.1,T,=0,、,p=,0,，,W,有,的条件下，碳完全燃烧生成,CO,2,可有 两条途径，如下图所示：,终态,CO,2,(g),1.3.2,等压热反应,r,H,m,1,一个总反应的,r,H,m,等于其所有分步反应,r,H,m,i,的总和。,r,H,m,r,H,m,1,+,r,H,m,2,+,+,r,H,m,n,r,H,m,2,r,H,m,3,CO(g)+1/2O,2,(g),(3),(2),(1),盖斯定律,:,1840,年,r,H,m,1,r,H,m,2,+,r,H,m,3,101.3 化学反应的热效应 始态 C(s)+O2(g),使用盖斯定律要注意：,1,、盖斯定律只适用于等温等压过程，各步反应的温度应相同；,2,、热效应与参与反应的各物质的本性、聚集状态、完成反应的物质数量，反应进行的方式、温度、压力等因素均有关，这就要求涉及的各个反应式必须是严格完整的热化学反应方程式。,3,、各步反应均不做非体积功。,4,、各个涉及的同一物质应具有相同的聚集状态。,5,、化学反应的反应热,(,H,),只与反应体系的始态或终态有关,而与反应途径无关。,盖斯定律的本质：,方程式按一定系数比加和时其反应热也按该系数比加和。,盖斯定律的意义：,有些反应的反应热通过实验测定有困难，可以用盖斯定律间接计算出来。,使用盖斯定律要注意：,12,试求在相同温度下，反应,（,4,）,Fe,2,O,3,（,s,）,+3CO,（,g,）,=2Fe,（,s,）,+3CO,2,（,g,）,的化学反应热,(4),？,盖斯定律的练习,例,1.2,已知下列反应在,600,，,100 kPa,时的 为,（,1,）,3Fe,2,O,3,（,s,）,+,CO,（,g,）,=2Fe,3,O,4,（,s,）,+CO,2,（,g,）,（,2,）,Fe,3,O,4,（,s,）,+CO,（,g,）,=3FeO,（,s,）,+CO,2,（,g,）,(2)=22.57kJmol,-,1,(3)=,-,13.37kJmol,-,1,(1),=,-,6.27kJmol,-,1,（,3,）,FeO,（,s,）,+CO,（,g,）,=Fe,（,s,）,+CO,2,（,g,）,12试求在相同温度下，反应盖斯定律的练习例1.2 已知下列,13,1.3,化学反应的热效应,标准态,:,在温度,T,和压力,p,(100 kPa),下,该物质的,状态。,纯理想气体的标准态：该气体处于标准压力,p,下的状态。,1.3.3,热力学标准态,纯固体和液体：压力为,p,的状态。,（,1,）,由于温度没有给定，因此每一个温度都存在一个标准态。,溶液中的溶质标准态：浓度为,1 molL,-1,的状态。,混合理想气体中任一组分的标准态：该气体组分得分压,力为,p,的状态,。,（,2,）,本书所用的数据如不加以说明，一般都是,T,298K,时的,数据，此时温度就不标明了。,131.3 化学反应的热效应标准态:在温度T 和压力p,14,1.3,化学反应的热效应,标准摩尔生成焓（简称标准生成焓）：在标态下，由最稳定单质（这里人为地规定最稳定单质的标准摩尔生成焓为,0,）生成单位物质的量（,1mol,物质）的纯物质时反应的焓变。以符号,表示，常用单位是,kJmol,-1,。,例如：,H,2,(g),+,1/2O,2,(g),=,H,2,O(l),反应焓变,:,r,H,m,(298.15 K)=,-,285.8 kJmol,-1,1.3.4,单质和化合物的标准摩尔生成焓,H,2,O,的标准生成焓,:,f,H,m,(298.15 K)=,-,285.8 kJmol,-1,*,水合离子的标准生成焓,:,规定水中,H,+,离子标准生成焓为零,并 规定浓度为,1 molL,-1,的水合离子为标准态，据此,可获得该水合离子的标准生成焓,141.3 化学反应的热效应 标准摩尔生成焓（简称,15,1.3.5,化学反应标准焓变的计算,假设化学反应,:,AB+CD,AC+BD (1),AB+CD,A+B+C+D,AC+BD,(2)(3),根据盖斯定律,可得,:,因而,可得,:,根据标准生成焓的概念,可得,:,即,:,151.3.5 化学反应标准焓变的计算假设化学反应:,16,1.3,化学反应的热效应,1.3.5,化学反应标准焓变的计算,任一化学反应,:,a,A+,f,F,g,G+,d,D,可得,:,式中 为相应的化学计量数，对反应物取负值，,对产物取正值,。,161.3 化学反应的热效应1.3.5 化学反应标准焓,17,1.3,化学反应的热效应,1.3.5,化学反应标准焓变的计算,例,1.3,试计算反应,2Al(s)+Fe,2,O,3,(s),Al,2,O,3,(s)+2Fe(s),的标准焓变。查表可得,:,(Fe,2,O,3,)=-824.2 kJmol,-1,(Al,2,O,3,)=-1675.7 kJmol,-1,171.3 化学反应的热效应1.3.5 化学反应标准焓,18,1.3,化学反应的热效应,1.3.5,化学反应标准焓变的计算,在计算化学反应热时，应注意以下几点,：,(1),必须注明参与反应物质所处的状态：,g(,气态,),，,l(,液态,),，,s,固态,),，,aq(,水溶液,),。对于同质异晶物质还必须注明晶型,(,如对于碳来说，是石墨、金刚石还是球碳等,),。,(4),化学反应的,H,一般随温度,(,T,),而变化，但变化不大。因此在温度变化不是很大计算精度要求不高的情况下，可以不考虑温度对,H,的影响。后面如不加特殊说明，都按此处理。为了简化书写，对于与温度有关的热力学量,(,如,H,及后面要提到的熵,S,等,),，如不标明温度，均指温度为,298K,。,(2),由于焓,(,H,),与物质的量成正比，所以必须依据配平的化学方程式来计算,H,。,(3),正反应的,H,与逆反应的,H,数值相等而符号相反,。,181.3 化学反应的热效应1.3.5 化学反应标准焓,19,对于化学反应,0=,若任一物质,B,的物质的量初始状态时为,n,B0,，某一状态时为,n,B,，则反应进度的定义为,对于任意一个化学反应,a,A+,f,F,=,g,G+,d,D,(,a,、,f,、,g,、,d,为化学计量数,),也可用通式表示,:,0=,按此通式，肼,(N,2,H,4,),的燃烧反应,：,1.3.6,反应进度,0=3N,2,(g),+4H,2,O(g),-2N,2,H,4,(l),-N,2,O,4,(g),2N,2,H,4,(l),+N,2,O,4,(g)=3N,2,(g),+4H,2,O(g),1.3,化学反应的热效应,19对于化学反应0=,若任一物质B的物质的量,20,3.1,化学反应速率的表示,1.,反应进度,对反应进度的几点说明：,(1),对于指定的化学计量方程式，,n,B,为定值，,随,B,物质 量的变化而变化，故,可度量反应进行的程度。,(4),对于指定的化学计量方程式，当,n,B,的数值等于,n,B,时,则,=1mol,。它表示各物质按反应方程式进行了完全反应，也就是前面提到的,1mol,反应。,(2),由于,n,B,的量纲为,1,，,n,B,的单位为,mol,，所以,的单位也是,mol,