无机与分析化学 第一篇 化学反应原理 第二章 热化学.ppt

第二章 热化学 2.1 热力学术语和基本概念 2.2 热力学第一定律 2.3 化学反应的热效应 2.4 Hess定律 2.5 反应热的求算 2.1 热力学术语和基本概念 2.1.1 系统和环境 2.1.5 化学反应计量式和反应进度 2.1.4 相 2.1.3 过程和途径 2.1.2 状态和状态函数 2.1.1 系统和环境 系统：被研究对象。 环境：系统外与其密切相关的部分。 系统分类系统分类 （按系统与环境之间的物质和能量传递情况）： 敞开系统，封闭系统和隔离系统(孤立系统)。 敞开系统：与环境有物质交换也有能量交换 。 封闭系统：与环境无物质交换有能量交换。 隔离系统：与环境无物质、能量交换。 三种系统与环境之间物质和能量的交换情况 敞开系统统封闭闭系统统隔离系统统 有物质质交换换没有物质质交 换换 没有物质质交 换换 有能量交换换有能量交换换没有能量交 换换 选择题： 下列情况中属于封闭体系的是（ ） A）氢气在盛有氯气的密闭绝热容器中燃烧 B）反应N2O4(g） 2NO2(g)在密闭容器中进行 C）氢氧化钠与盐酸在敞口的烧杯中反应 D）用水壶烧开水 答案：B 2.1.2 状态和状态函数 状态：系统的宏观性质的综合表现。由压力 、温度、体积和物质的量等物理量所确定下 来的系统存在的形式称为系统的状态。 状态函数：描述系统状态的物理量 (p,V,T)。 状态函数的关系： 根据理想气体状态方程：pV=nRT 状态函数之间有一定联系。 P2=303.9kPa T2=473K V2=0.845m3 P1=101.3kPa T1=373K V1=2m3 P3=202.6kPa T3=373K V3=1m3 （I）加 压 （II）加压、升温 减压、降温 始 态 终 态 2.1.3 过程和途径 过程： 系统从始态到终态发生的一系列变化。 定温过程：始态、终态温度相等，并且 过程中始终保持这个温度。T1=T2 定压过程：始态、终态压力相等，并且 过程中始终保持这个压力。p1=p2 定容过程：始态、终态容积相等，并且 过程中始终保持这个容积。V1=V2 途径： 系统从始态变为终态所经历的过程总和，被 称为途径。 状态函数的特点是： 其变化值只取决于系统的起始状态和终了 状态，而与系统变化所经历的具体途径无关 。 2.1.4 相 均相系统(或单相系统) 非均相系统(或多相系统) 系统中物理性质和 化学性质完全相同的且 与其他部分有明确界面 分隔开来的任何均匀部 分，叫做相。 是非题： 1）聚集状态相同的物质混在一起，一定 是单相体系。 2）系统内相界面越多，则相越多。 思考题： 1） 高炉炼铁反应中， FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g) 问该系统中共有几相？ 2.1.5 化学反应计量式和反应进度 物质B的化学计量数 规定：生成物为正，反应物为负。 化学反应计量式： 如 WO3(s)+6H2(g )= 6H2O(l)+W(s) ( WO3) = -1, (H2)= -6, (H2O)=6, (W)=1 反应进度():表示化学反应进行程度的物理量 。 例如:对化学计量方程： d = B-1 d nB 或 = B-1 nB = B-1 nB 式中：nB为B物质的量， B为B的化学计量数， 为反应进度,单位为mol 。 t0时 nB/mol 3.0 10.0 0 0 t1时 nB/mol 2.0 7.0 2.0 t2时 nB/mol 1.5 5.5 3.0 2.0 7.0 2.0 (mol) 3.0 10.0 0 (mol) 使用 时应注意： （1）反应进度()的值与选用反应式中何种物 质的量的变化进行计算无关。 （2）同一化学反应如果化学反应方程式的写 法不同物质量改变相同，则不同。 2.2 热力学第一定律 2.2.1 热和功 2.2.3 热力学第一定律 2.2.2 热力学能 2.2.1 热和功 系统与环境之间由于存在温差而传递 的能量。 1.热( Q ) 热不是状态函数。 规定：系统吸热：Q 0； 系统放热： Q 0（得功） 2.功( W ) 规定： 功不是状态函数 pex V1 体 积 功 的 计 算 ： 2.2.2 热力学能 热力学能(U)： 系统内所有微观粒子的全部 能量之和，也称内能。 U是状态函数。 热力学能变化只与始态、终态有关 ，与变化途径无关。 2.2.3 热力学第一定律 对于封闭系统热力学第一定律的数 学表达是为： 热力学第一定律的实质是能量守恒与 转化定律。 U1 U2 Q W U2 = U1 + Q + W U2 - U1 = Q + W 2.3 化学反应的热效应 2.3.1 定容反应热 2.3.5 标准摩尔生成焓 2.3.4 热化学方程式 2.3.3 rUm和rHm 2.3.2 定压反应热 2.3.6 标准摩尔燃烧焓 封闭系统，在定容过程中，系统和环，系统和环 境之间交换的热量为定容反应热。用境之间交换的热量为定容反应热。用QV表 示。 因为：因为： V V = 0= 0，所以：，所以：体积功W W = 0= 0； QV = U U 即，即，在定容且非体积功为零的过程中，封 闭系统从环境吸收的热等于系统热力学能 的增加。 2.3.1 定容反应热 封闭系统，在定压过程中，系统和环，系统和环 境之间交换的热量为定压反应热。用境之间交换的热量为定压反应热。用Qp表 示。若系统不做非体积功，则： 2.3.2 定压反应热 令：U + pV = H 焓，状态函数 H = H2 H1 焓变 则：Qp = H 即，即，在定压且非体积功为零的过程中 ，封闭系统从环境吸收的热等于系统焓的 增加。 对于无气体参加的反应，W = pex V=0 有气体参加的反应： 2.3.3 rUm和rHm = =pex V n(g)RT= RTB(g)= 标准状态： 表示化学反应及其反应热(标准摩尔焓 变)关系的化学反应方程式。 2H2(g)+O2(g) 2H2O(g) 气体：T，p = p =100kPa 液、固体：T，p 下，纯物质 溶液：溶质B，bB=b =1molkg-1 cB=c =1molL-1 2.3.4 热化学方程式 (298.15K) = 483.64kJmol-1 称为反应的标准摩尔焓变。 2H2(g)+O2(g) 2H2O(g) 2H2(g)+O2(g) 2H2O(l) H2(g)+ O2(g) H2O(g) (298.15K) = 483.64kJmol-1 聚集状态不同时， 不同。 (298.15K) = 571.66kJmol-1 化学计量数不同时， 不同。 (298.15K) = 241.82kJmol-1 在温度T下,由参考状态单质生成物质 B(B=+1)反应的标准摩尔焓变，称为物质 B的标准摩尔生成焓。 H2(g)+ O2(g) H2O(g) 2.3.5 标准摩尔生成焓 (B,相态,T) ，单位是kJmol-1 (H2O ,g,298.15K) = 241.82kJmol-1 (参考态单质,T)=0 在温度T下, 物质B (B= 1)完全氧化成指 定产物时的标准摩尔焓变，称为物质B的标 准摩尔燃烧焓。 )O(l2H(g)CO (g)OOH(l)CH 222 2 3 3 + 2.3.6 标准摩尔燃烧焓 (B,相态,T) ，单位是kJmol-1 (CH3OH ,l,298.15K) = 726.51kJmol-1 0), g,CO( 2 =T0), l ,OH( 2 =T 2.4 Hess定律 化学反应不管是一步完成还是分几步完 成，其反应热总是相同的。 += 或= 例：已知298.15K下，反应： 计算298.15K下，CO的标准摩尔生成焓。 )(gCO (g)OC(s) (1) 22 + (g)CO (g)OCO(g) (2) 22 2 1 + 应用：1.利用方程式组合计算 (1) = 393.5kJmol-1 (2) = 282.98kJmol-1 解：解法一：利用Hess定律 途径1 途径2 解法二：(g)CO(g)OC(s) 22 + 22 2 )(gCO(g)OCO(g) 1 +- 1 CO(g)(g)OC(s) 2 2 + ,3 ,1 ,2 ,3 ,1 ,2 = = 110.53kJmol-1 ,1 ,2 ,3 2.5 反应热的求算 2.5.1 由标准摩尔生成焓计算 反应的标准摩尔焓变 2.5.2 由标准摩尔燃烧焓计算 反应的标准摩尔焓变 =490.25+6(-241.82) -4 (-46.11)-0kJmol-1 = 905.4 8kJmol-1 2.5.1 由标准摩尔生成焓计算 反应的标准摩尔焓变 =? (NH3,g)4 (O2,g)5 (NO,g)4