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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,*,工 科 化 学,为什么要学习化学？学习化学的意义何在？,本学期的工科化学同学们应该怎样学？,化学发展简史,远古的工艺化学时期,炼丹术和医药化学期,燃素化学时期,定量化学时期（近代化学时期）,科学相互渗透时期（现代化学时期）,远古的工艺化学时期,炼丹术和医药化学时期,燃素化学时期,定量化学时期,科学相互渗透时期,第一章 热化学与能源, 1.1,反应热的测量, 1.2,反应热的理论计算, 1.3,常见能源及其有效与清洁利用, 1.4,清洁能源与可持续发展,1.1,反应热的测量,1.1.1,几个基本概念,1.,系统和环境,系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。,环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和空间。,开放系统,有物质和能量交换,封闭系统,只有能量交换,隔离系统,无物质和能量交换,图,1.1,系统的分类,2.,相,系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称相,。,根据相的概念，系统可分为：,单相（均匀）系统,多相（不均匀）系统,相与相之间有明确的界面,思考,（,1,）,101.325kPa,，,273.15K(0,),下，,H,2,O(,l,),，,H,2,O(,g,),，,H,2,O(,s,),同时共存时系统中的相数为多少。,（,2,）由乙二醇水溶液，冰，水蒸气，氮气，氧气，组成的系统中，相数为多少？共有几种组分？,任何气体混合物都是一相，液体视互溶程度的不同而定，固体只有达到固溶体的时候才能为一相。,3.,状态与状态函数,状态,就是描述系统各种宏观性质的总和，有平衡态和非平衡态之分。,如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。,系统的宏观性质是状态的单值函数,，系统性质之间是有一定联系的，一般确定几个性质，状态也就确定了，这之间的关系式称为状态方程式。,状态函数,：用来描述系统状态的物理量,。,状态函数的性质：,状态函数是状态的单值函数。,当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。,系统压力从,3,p,变为,p,图,1.2,状态函数的性质,状态函数的分类（按性质分）：,广度性质：系统分为若干部分时，某些性质具有加和性。,强度性质：量值与物质量的多少无关，仅决定于系统本身的特性。,思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强,(,热力学中称为压力,),是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论？,力和面积都是广度性质的物理量。结论是,两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量,。,思考：摩尔体积,(,体积除以物质的量,),是什么性质的物理量？,4.,过程与途径,系统状态发生任何的变化称为过程。,实现一个过程的具体步骤称途径。,思考：设想如果你要把,20,的水烧开，要完成“水烧开”这个过程，你可以有多种具体的“途径”？如可以在水壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧。,什么是可逆过程？,可逆过程：,体系经过某一过程，由状态,变到状态,之后，如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程。,5.,化学计量数,一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系， 通式为：,B,称为,B,的化学计量数。符号规定：,反应物：,B,为负；产物：,B,为正。,例,1.1,应用化学反应通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式：,N,2,+ 3H,2,= 2NH,3,用化学反应通式表示为：,0= - N,2,- 3H,2,+ 2NH,3,6.,反应进度,反应进度,的定义：,n,B,为物质,B,的物质的量，,d,n,B,表示微小的变化量。,或定义,:,反应进度的,单位是摩尔（,mol,）,思考：反应进度与化学方程式的书写是否有关,有关,。如对于反应：,0 =,N,2, 3H,2,+ 2NH,3,，当有,1mol NH,3,生成时，反应进度为,0.5mol,。若将,反应写成,则反应进度为,1 mol,1.1.2,反应热的测量,反应热指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。热化学规定：,系统放热为负，系统吸热为正。,摩尔反应热指当反应进度为,1 mol,时系统放出或吸收的热量。,定义,摩尔反应热：,设有,n,mol,物质完全反应，所放出的热量使弹式量热计与恒温水浴的温度从,T,1,上升到,T,2,，,弹式量热计与恒温水浴的,热容为,C,s,(,JK,-1,),，,比热容为,c,s,(,JK,-1,kg,-1,),，,则：,反应热的测量方法,（等容）反应热可在,弹式量热计,中精确地测量。测量反应热是热化学的重要研究内容。,图,1.3,弹式量热计,思考：反应热有,定容反应热,和,定压反应热,之分。前者的反应条件是恒容，后者的反应条件是恒压。用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热？,定容反应热,例,1.1,联氨燃烧反应：,N,2,H,4,(,l,)+O,2,(g)=N,2,(g) +2H,2,O (,l,),已知：,解：燃烧,0.5g,联氨放热为,1.2,反应热的理论计算,并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：,2C(,s,) + O,2,(,g,) = 2CO(,g,),思考：,为什么上述反应的反应热无法实验测定？,实验过程中无法控制生成产物完全是,CO,。,因此，只能用理论方法来计算反应热。,1.2.1,热力学第一定律,封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热,q,，,从环境得功,w,，,则系统内能的增加,U,(,U,2,U,1,),为：,U,=,q,+,w,热力学能,也叫内能,除热以外其他形式的能量,q, w,都不是状态函数,1.,热力学能,系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平动、转动、振动以及电子运动和核运动。,由于分子内部运动的相互作用十分复杂，因此目前尚无法测定内能的绝对数值。,思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在,10000m,高空，以,400m/s,飞行的飞机上，后者静止在地面上。两者的内能相同吗？,相同。,2.,热,在物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为,热,。,热的符号规定：,系统吸热为正，系统放热为负。,3.,功,在,物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以外的方式交换的能量都称为,功,。,功的符号规定（注意功符号的规定尚不统一）,系统得功为正，系统作功为负。,由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体积功,w,体,。其它的功统称为非体积功,w,。,w= w,体,+,w,思考：,1mol,理想气体，密闭在,1),气球中，,2),钢瓶中；将理想气体的温度提高,20,C,时，是否做了体积功？,1),做体积功，,2),未做体积功。,一封闭系统，热力学能,U,1,，,从环境吸收热,q,，,得功,w,，,变到状态,2,热力学能,U,2,，,则有：,U,1,q, 0,w ,0,U,=,q +w,U,2,热,无序能 功,有序能,4 .,体积功,w,体,的计算,等外压过程中，体积功,w,体,= ,p,外,(,V,2,V,1,) = ,p,外,V,p,外,=,F / A,，,l,=,V / A,，因此，体积功,w,体,=,F,l,= (,p,外,A,) (,V/A,) = ,p,外,V,l,p,外,=,F / A,图,1.4,体积功示意图,p,5.,理想气体的体积功,理想气体的定义：,气体分子不占有体积，气体分子之间的作用力为,0,的气态系统被称为理想气体。,理想气体的状态方程：,例,1.2 1 mol,理想气体从始态,100kPa, 22.4dm,3,经等温恒外压,p,2,= 50kPa,膨胀到平衡，求系统所做的功。,解：,终态平衡时的体积为：,理想气体的分压定律,由,n,种理想气体组成的混合气体其中每种气体的分压定义为：,组分气体,B,在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体,B,的分压。,混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。,例题：某容器中含有,NH,3,、,O,2,、,N,2,等气体的混合物。取样分析后，其中,n,(NH,3,)=0.320mol,，,n,(O,2,)=0.180mol,，,n,(N,2,)=0.700mol,。,混合气体的总压,p,=133.0kPa,。,试计算各组分气体的分压。,解：,n= n,(NH,3,)+,n,(O,2,)+,n,(N,2,),=1.200mol,=0.320mol+0.180mol+0.700mol,p,(N,2,),=p-p,(NH,3,),-p,(O,2,)=(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa,计算过程中有效数字的保留,1,、加、减：,最后结果所保留小数点的位数与参与运算的各数中小数点后位数最少者相同,例：,0.2468+1.3579+12.23=13.83,2,、乘、除：,最后结果的有效数字应以参与运算的各数中有效数字位数最少者为准，而与小数点后的位数无关,例：,2.460.13/10.0=0.03198=0.032,3,、对数：,所得数的小数部分的有效位数与相应的真数的有效数字位数相同,例,：,10.010,2,=3.000,4,、乘方、开方：,保留原来的有效数字,例,：,（,2.0,）,2,=4.0,；（,2.00,）,2,=4.00,1. 2. 2,化学反应的反应热与,焓,通常把反应物和生成物具有相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做,反应热,。,根据反应条件的不同，反应热又可分为：,定容反应热,定,压反应热,恒压过程，不做非体积功时,1 .,焓,q,P,=U + p,(,V,2,V,1,) = (,U,2,-,U,1,)+,p(V,2,V,1,),= (,U,2,+,p,2,V,2,),(,U,1,+,p,1,V,1,),令,H,=,U,+,p,V,则,q,p,=,H,2,H,1,=,H,H,称为焓，是一个重要的热力学函数。,2 .,定容反应热与定压反应热的关系,已知,:,定容反应热：,q,V,=,U,V,；,定压反应热：,q,p,= ,U,p,+ p,(,V,2,V,1,),等温过程,，,U,p,U,V,，,则：,H, ,U,=,q,p,q,V,=,p,(,V,2,V,1,),q,p,q,V,=,n,2,(g),RT,n,1,(g),RT,= ,n,(g),RT,对于理想气体反应，有：,对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气相来说，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体的物质的量。,思考：若反应,C(,石墨,) + O,2,(g) CO,2,(g),的,q,p,m,为,393.5,kJmol,1,，则该,反应的,q,V,m,为多少？,该,反应的,(g) = 0,，,q,V,=,q,p,所以,:,对于没有气态物质参与的反应或,(g),= 0,的反应，,q,V,q,p,对于有气态物质参与的反应，且,(g),0,的,反应，,q,V,q,p,3.,盖斯定律,化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。,始态,C(,石墨,) + O,2,(g),终态,CO,2,(g),中间态,CO(g) + O,2,(g),盖斯定律示例,例,1.3,已知反应,和,的,反应焓，,计算,的,反应焓，,解：,1.2.3,反应标准摩尔焓变的计算,1 .,热力学标准态,：,气体物质的标准态：标准压力,p,下表现出,理想气体性质的纯气体状态,溶液中溶质,B,的标准态是,:,标准压力,p,下，质量摩尔浓度为,b,(1.0mol,.,kg,-1,),并表现出无限稀溶液中溶质的状态,;,本书采用近似,c,=1.0 mol,.,dm,-3,),液体或固体的标准态是,:,标准压力,p,下的纯液体或纯固体。,2.,标准摩尔生成焓,298.15K,时的数据可以从手册上查到。,指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如,C,：,石墨,(,s,),；,Hg,：,Hg(,l,),等。但,P,为白磷,(,s,),，即,P,（,s,，,白）。,标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质,B,时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作,。,显然，,标准态指定单质的标准生成焓为,0,。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。,思考：,以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓,(,反应物和生成物都是标准态,)?,3 .,标准摩尔焓变及测定,测定原理：,由于,q,p,=,H,所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件下的反应热得到反应标准摩尔焓变,.,标准状态下,反应进度,=,1mol,的焓变称为反应的标准摩尔焓变,:,记作,4 .,反应的标准摩尔焓变的计算,反应物标准状态,生成物标准状态,r,H,m,稳定单质,f,H,m,(r),f,H,m,(p),由盖斯定律，得：,标准摩尔反应焓变计算示例,解：从手册查得,298.15K,时,Fe,2,O,3,和,Al,2,O,3,的标准摩尔生成焓分别为,824.2,和,1675.7kJmol,-1,。,例,1.4,试计算铝热剂点火反应的,反应计量式为：,注意事项,应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时需要注意,物质的聚集状态，查表时仔细,公式中化学计量数与反应方程式相符,数值与化学计量数的选配有关；,温度的影响,例,1.4,设反应物和生成物均处于标准状态，计算,1mol,乙炔完全燃烧放出的能量。,解：从手册查得,298.15K,时，各物质的标准摩尔生成焓如下,。,226.73 0 -393.509 -285.83,5.,热化学方程式的书写,必须注明化学反应计量式中各物质的聚集状态,正确写出化学反应计量式，必须配平,注明反应温度,1.3,常见能源及其有效与清洁利用,能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。,能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。,能源是我们赖以生存的重要物质基础。,1.3.1,世界能源的结构与能源危机,1.,能源的分类,表,1.1,能源的分类,利用状况,使用 性质,形成条件,一次能源,二次,能源,常规能源,燃料能源,煤炭、石油、天然气、生物质能,煤气、焦碳、成品燃油、液化气、酒精,非,燃料能源,水能,电力、蒸汽、热水,新,能源,燃料能源,核能,人工沼气、氢能,非燃料能源,太阳能、地热、风能、海洋能,激光,2.,世界能源的结构和消耗,1950,1960,1970,1980,1990,2010,10,20,30,40,50,60,能源结构比例,(%),年代,煤炭石油天然气水电及其它,图,1.7,世界消耗的一次能源结构,3 .,能量消耗前六名的国家,美国,中国,俄罗斯,日本,德国,印度,5,10,15,20,25,30,能源结构比例,(,占世界,%),国家,25.4,煤炭石油天然气核能水电,10.4,7.2,6.0,4.1,2.9,图,1.8,世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）,1 .,煤炭的成分与热值,煤炭的主要成分：,碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。,煤炭的热值：,单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。,标准煤的热值为,29.3,MJ,kg,-1,。,1.3.2,煤炭与煤洁净技术,无烟煤：低硫，较好；,烟煤 ：高硫，燃烧环境污染；,褐煤：储量大，但热值低。,煤炭的分类：,2 .,洁净煤技术,洁净煤技术于,1986,年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一。,煤,甲醇,合成汽油,液体燃料,1.3.3,石油和天然气,石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。,世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。,1 .,石油燃料产品,石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青等产品。,95%,的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为,5572,之间，在汽油中加入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到,7988,，为了防止铅在汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅，与尾气一同排入大气。,3 .,沼气和生物质能,植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产生的气体称为沼气。,沼气约含,60%,的甲烷，其余为二氧化碳和少量的,CO,、,H,2,、,H,2,S,等。,生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃气体。,4 .,可燃冰,未来的新能源,天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称,“,可燃冰,”,。,CH,4,x,H,2,O (s),。,形成条件：低温高压如,0,，,76,MPa,。,储量：数据相差较大。总量相当于161万亿吨煤，可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的23倍。,分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一半。,开采难，储量丰富。,1.3.4,煤气和液化气,煤气,煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。,煤气的组成,H,2,：,50%,；,CO,：,15%,；,CH,4,：,15%,，,热值约,16,MJ,M,-3,来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂的副产品,。,液化气,思考：,与煤气相比，液化气有哪些优点？,无毒、低污染、热值高于煤气。,液化气作动力,绿色汽车 燃料电池（各国竞争发展）。,1.4,清洁能源与可持续发展,目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是无限的,(,不考虑太阳的寿命,),？,矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的能源（如太阳能）和核能是无限的。,1992,年，联合国环境于发展大会上提出了社会、经济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源作为最紧缺的资源对人类社会的可持续发展起着关键的作用。,1.4.1,能源开发与可持续发展,我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。,可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。,最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。,1.4.2,氢,能,氢能是一种理想的二次清洁能源。,氢能的优点,热值高，其数值为,142.9MJ,kg,-1,。,燃烧反应速率快，功率高,原料是水，取之不尽,产物是水，不污染环境,1.4.3,太阳能,太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式,。,太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形式，主要有以下三种：,转换为热能,转换为电能,转换为化学能,图,1.10,太阳能电池,
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