《北科大普化》PPT课件.ppt

1,普 通 化 学,2,普 通 化 学,李新学 化学与生物工程学院 无机化学教研室 理化楼 337 电话:62333871,3,课程考核,实验部分单独设课 平时成绩 期末考试,4,课堂要求,笔记问题 安静 手机问题,5,学习方法,预习和笔记 课堂听讲 作业和复习 答疑,6,绪论,化学是什么? 化学是一门既古老又年轻的科学。,定义: 化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学。 化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学，主要是研究物质的分子转变规律的科学。 化学与物理一起属于自然科学的基础学科。 引申-对一门学科的定义,7,1. 化学分支学科,无机化学：无机物 有机化学：碳氢化合物及衍生物 分析化学：测量和表征 物理化学：所有物质系统 高分子化学：高分子化合物 若干新分支：环境化学、核化学等等 普通化学是什么？名字的争议,引申-三鹿奶粉事件(分析化学、有机化学),8,2. 化学的地位和作用,化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一,化学继续推动材料科学发展,化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障,化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用,化学是生命科学的重要支柱 End,9,热化学与能源,第1章,能源的本质是什么？,10,内容简介,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（自修） 1.4 清洁能源与可持续发展（自修）,11,1 .1 反应热的测量,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,1.1.1 几个基本概念,1. 系统与环境,图1.1 系统的分类,隔离系统 无物质和能量交换,12,2. 相,系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称为相。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(0C)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少。 2) CaCO3(s)分解为CaO (s)和CO2(g)并达到平衡的系统中的相数。,答：1）在此条件下，存在3相（气、液、固各一相；2）3相（气体1相，固体2相）,13,3. 状态与状态函数,状态就是系统一切性质的总和。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。,14,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。,图1.2 状态函数的性质,以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数压力p和体积V的变化量与途径无关。,15,广度性质和强度性质,状态函数可分为两类：,广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等。,强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力等。,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？,推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？,答：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。,16,4. 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：过程与途径的区别。,设想如果你要把20 C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开再降至常压。,17,5. 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：（联系数学上方程的概念）,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。,附例1.1 应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式： N2 + 3H2 = 2NH3,解：用化学反应通式表示为： 0= - N2 - 3H2 + 2NH3,18,6. 反应进度,反应进度 的定义：,反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关。,nB 为物质B的物质的量，d nB表示微小的变化量。或定义,思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？,19,1.1.2 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。,（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,20,1. 反应热的实验测量方法,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T1上升到T2，弹式量热计与恒温水浴的热容为Cs(JK-1)， 比热容为cs(JK-1kg-1 )，则：,由于完全反应， = n 因此摩尔反应热：,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？,答：定容反应热,21,示例,例1.1 联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：,解：燃烧0.5g联氨放热为,22,2. 热化学方程式,表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如：,标明反应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态；,书写热化学方程式时应注意：,N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)；,2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；,若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。,23,反应热与反应式的化学计量数有关；,一般标注的是等压热效应qp。,思考：qp与qv相同吗？。,不相同,24,1.2 反应热的理论计算,所有的反应热都可以实验测定吗？ 否！例如反应：,2C(s) + O2(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。,25,1.2.1 热力学第一定律,回顾能量守恒定律 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，则系统热力学能的增加U (U2 U1)为：,U = q + w,热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的的应用。,其中，热力学能从前称为内能。,26,1. 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。,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？,答：相同。,内能的特征： 状态函数 无绝对数值 广度性质,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。,27,2. 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。,热量q不是状态函数,28,3. 功与体积功,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。所有其它的功统称为非体积功w 。,功w也不是状态函数,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20C时，是否做了体积功？,答：1)做体积功，2)未做体积功。,w = w体+ w ,29,热无序能；功有序能；能的品位不同。,一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q ，得功w，变到状态2,热力学能U2，则有：,30,4. 体积功w体的计算,等外压过程中，体积功 w体= p 外(V2 V1) = 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,图1.4 体积功示意图,31,5. 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：,附例1.2 1 mol理想气体从始态100kPa, 22.4dm3经等温恒外压p2 = 50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。,解：终态平衡时的体积为：,负值表示系统对外做功。,32,1. 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 恒容过程，体积功w体 = 0，不做非体积功 w =0时，所以， w= w体+ w =0 ，qV = U,定压反应热 恒压过程，不做非体积功时， w体= p(V2V1)，所以 qp = U + p(V2V1),33,1. 焓, qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p V2) (U1 + pV1),公式qp =H 的意义： 1）等压热效应即为焓的增量，故qP也只决定于始终态，而与途径无关。2）可以通过H的计算求出的qP值。,令 H = U + p V 则qp =H2 H1=H,H 称为焓，是一个重要的热力学函数。,思考：焓是状态函数吗？能否知道它的绝对数值？,答：是状态函数，但不能知道它的绝对数值。,34,2. 定容反应热与定压反应热的关系,已知 定容反应热：qV = UV； 定压反应热：qp = Up + p(V2 V1) 等温过程， Up UV，则：,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。,H U = qp qV = p(V2 V1),思考：若反应 C(石墨) + O2(g) CO2(g) 的qp,m为393.5kJmol 1，则该反应的qV,m 为多少？,答：该反应的n(g) = 0， qV = qp,小结 对于没有气态物质参与的反应或n(g) 0的反应，qV qp 对于有气态物质参与的反应，且n(g)0的反应，qV qp,35,3. 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) + O2(g),终态 CO2(g),中间态 CO(g) + O2(g),即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。,36,盖斯定律示例,由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和。,解：,37,补充: 混合理想气体的分压定律,道尔顿气体分压定律,若在定温下把几种不同的气体混合于容积为V的容器中，各种气体分子的物质的量分别为n1,n2, ni。总的物质的量为n = n1 + n2 + +ni，混合前，由理想气体状态方程，,p1V = n1RT, p2V = n2RT, piV = niRT,诸式相加， (p1 + p2 + + pi)V = (n1 +n2 + + ni)RT (1),另，混合后的气体作为一个整体有，,pV = (n1 +n2 + + ni)RT (2),两式相比较，则有,38,p = p1 + p2 + + pi,即混合气体的总压力p等于各组分气体分压力pi之和，分压是指在相同温度下，各组分气体占有与混合气体相同体积V时，各组分气体所具有的压力，即未混合前，在体积V时该气体的压力。,又， piV = niRT ， pV = nRT ，则 pi/p = ni/n = xi xi代表第i种气体在混合气体中的摩尔分数。,39,同样能够证明， V = V1 + V2 + + Vi Vi/V = xi,某组分气体的分体积Vi是在恒温下，将其压缩到具有混合气体总压力时所占有的体积。,40,1.2.3 反应标准摩尔焓变的计算,1. 热力学标准态：,41,2. 标准摩尔生成焓,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）。,298.15K时的数据可以从手册及教材的附录3中查到。,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。,答： （2）、(4)不是,42,3. 标准摩尔焓变及测定,测定原理： 由于qp =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,43,4. 反应的标准摩尔焓变的计算,稳定单质,可从手册数据计算298.15K时的标准摩尔反应焓.,44,标准摩尔反应焓变计算示例,解：从手册查得298.15K时Fe2O3和Al2O3的标准摩尔生成焓分别为824.2和1675.7kJmol-1。,45,注意事项,物质的聚集状态，查表时仔细,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,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；,思考：正反应与逆反应的反应热的数值相等，符号相反。对吗？,答：对。这 也是热化学定律的重要内容。,46,附例1.4 设反应