第1章化学反应中的能量转换.ppt

普通化学 授课教师汤建庭联系方式 1301617940464652730 成绩评定方法 平时 40 包括考勤 课堂提问 作业完成情况等 考试 60 本课程共计40学时 医药卫生 国防军事 衣食住行 冶金 环境保护 新材料 新能源 生物技术 化学是在原子和分子层次上研究物质的组成 结构 性质及其变化规律的学科 化学的分支学科 无机化学 有机化学 高分子化学 分析化学 物理化学等 应用方面 交叉边缘学科 有燃料化学 环境化学 材料化学 生物化学 放射化学 激光化学 地质化学 计算化学 能源化学 化学信息学 化学生物学等 普通化学是非化学化工类专业的一门公共基础课 它对化学科学各分支的基础知识作一整体的介绍 普通化学课程的教学目的 普通化学课程的教学目的是要给学生以高素质的化学通才教育 通过化学反应基本规律和物质结构理论的学习 使学生了解当代化学学科的概貌 能运用化学的理论 观点 方法审视公众关注的能源危机 环境污染 新兴材料 生命科学 健康与营养等社会热点话题 了解化学对人类社会的贡献和作用 对工科专业 着重把化学的理论 方法与工程技术的观点结合起来 用化学的观点分析 认识工程技术中的化学问题 化学反应中的能量转化 第1章 1 1基本概念 系统 作为研究对象的那一部分物质和空间 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系统与环境 隔离系统无物质和能量交换 环境 系统之外 与系统密切联系的其它物质和空间 图1 1反应烧结炉示意图 系统的选择根据研究需要而定 不同的方法和不同角度对系统的划分也不同 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 气体物质及其混合物 一般为均匀的单相 如空气 液体物质按其溶解度的不同 可以分为完全互溶和部分互溶 前者如酒精与水 形成一个相 后者则形成有明显界面分开的多个相 如四氯化碳和水的情况 没有绝对互不相溶的 只是溶解度及其微小罢了 固态物质较为复杂 它有晶态和非晶态之分 晶态中又有多种结构 分属不同的相 思考 1 101 325kPa 273 15K 0 C 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 1 1 2状态与状态函数 系统的状态是用来描述系统的诸如压力 体积 温度等各种宏观性质的综合表现 如温度 T 压强 p 体积 V 物质的量 n 质量 m 密度 当系统的所有性质都有确定值时 就说系统处于一定的热力学状态 状态函数 描述状态的物理量 若其中任一性质有了改变 系统的状态就会发生变化 状态函数的特点 1 单值性 系统的状态一确定 就有一套相互关联的状态函数与各个相应的性质一一对应 2 殊途同归变化量等 状态函数的变化值只取决于始态和终态 而与状态变化的具体途径无关 3 周而复始 变化为零 4 状态函数的集合 和 差 积 商 也是状态函数 系统状态发生的任何变化都称为过程 process 如气体的压缩与膨胀 液体的蒸发与凝固以及化学反应等都是热力学过程 体系由同一始态变到同一终态可以经由不同的方式 这种不同的方式称为途径 path 1 1 3过程与途径 图1 2过程与途径示意图 1 1 4热和功 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 1 热 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 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20 C时 是否做了体积功 答 1 做体积功 2 未做体积功 w w体 w 2 功 热和功的相同点 第一 热和功都是能量传递的基本形式 具有能量的单位 kJ 第二 热和功都不是系统的状态函数 它们都是与过程的具体途径相联系的物理量 不能说某系统内含有多少热或多少功 但却可以说系统在某过程吸收 或放出 了多少热或做了多少功 第三 能量是系统做功和放热的潜在本领 可以表现为各种具体形式 1 1 5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 又称内能 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 热力学能的特征 状态函数无绝对数值 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热力学能的绝对数值 1 1 6化学计量数与反应进度 对任一反应 aA dD eE fF也可写为0 eE fF aA dD 化学反应方程式又称为化学反应计量式 或简化成 B代表反应物或产物 B为反应式中相应物质B的化学计量数 对于反应物 B为负值 如 A a B d 对于产物 B为正值 如 E e F f 1 化学计量数 2 反应进度 反应进度 的单位为mol 表示反应进行的程度 常用符号 表示 其定义为 t2 t1 t0时nB mol3 010 000 t1时nB mol2 07 02 0 t2时nB mol1 55 53 0 例如 1 0mol时 表明按该化学反应计量式进行了1 0mol反应 简称摩尔反应 引入反应进度这一物理量最大的优点就是在反应进行到任意时刻时 可用任一反应物或产物来表示反应进行的程度 所得的值总是相等的 而与使用何种组分无关 故反应进度必须对应具体的反应方程式 2 07 02 0 mol 3 010 00 mol 若上述合成氨反应写成 1 3 3化学反应热的测量 q q H2O qb C H2O T Cb T C T C 量热计常数 即弹液 如水 和热量计部件 杯体 钢弹 温度计 搅拌棒和引燃丝等 热容之和 恒容热效应 qv 与恒压热效应 qp 恒压条件下反应的热效应称为定压热效应qp比如在敞口容器中进行反应的热效应 恒容条件下反应的热效应称为定容热效应qv比如弹式热量计内进行反应的热效应 若无特别注明 精确测定的反应热 均指qv 反应热 均指qp 问题 1 大多数化学反应是在恒压条件下发生的 能否确定qv与qp之间的关系 以求得更常用的qp 2 有些反应的热效应难以直接用实验测得 那么如何获得这些反应热 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热力学第一定律与反应热 1 2 1热力学第一定律 对封闭系统 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 1 2 2化学反应热与焓 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 恒容反应热恒容过程 体积功w体 0 不做非体积功w 0时 所以 w w体 w 0 qV U 恒压反应热恒压过程 不做非体积功时 w体 p V2 V1 所以qp U p V2 V1 1 焓 qP U p V2 V1 U2 U1 p V2 V1 U2 p2V2 U1 p1V1 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 pV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 2 恒容反应热与恒压反应热的关系 已知恒容反应热 qV U恒压反应热 qp H 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 O2 g CO2 g 的qp m为 393 5kJ mol 1 则该反应的qV m为多少 小结 1 对无气体物质参加的反应 2 对有气体物质参加的反应 1 2 3热化学方程式 溶液中溶质B的标准态是 标准压力p下 摩尔浓度为c 1 0mol dm 3 1 3化学反应摩尔焓变的计算 1 3 1热力学标准状态与物质的标准摩尔生成焓 1 热力学标准态 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 水合氢离子的标准摩尔生成焓为零 显然 指定单质的标准摩尔生成焓为0 大多数化合物的标准摩尔生成焓是负值 H2 g O2 g H2O l 答 2 4 不是 1 3 2反应的标准摩尔焓变及计算 1 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