大学化学第一章能量守恒.ppt

重庆理工大学 大学化学主讲教师 葛淑萍 geshuping 本课程考察内容及方式 本课程所讲授主要章节 1 2 3 5 6 7 8 9平时成绩 出勤情况 平时作业 20 考试成绩80 化学研究的对象 化学式从原子 分子及其凝聚态层次上研究物质的组成 结构 性质 变化规律及其应用的科学 注意 化学研究的是化学物质 但是化学并不研究所有物质 如电磁波和电子 化学是研究泛分子的科学 包括原子 原子片 结构单元 分子及其组装体等 化学学科的分支 无机化学 研究无机物质的组成 结构 性质变化 制备及其相关理论和应用的科学 分析化学 研究物质化学组分和化学结构的方法及其有关理论的一门学科 有机化学 研究碳化合物的化学或碳氢化合物及其衍生物 是有机物的结构性质 合成及其有关理论的科学 物理化学 研究化学反应中能量的转化以及化学反应的方向和限度 研究化学反应进行的速度以及化学反应中的机理 研究原子 分子 晶体内部的结构以及物质性质的关系 高分子化学 是以高分子化合物为研究对象的科学 包括高分子化合物的合成方法 反应机理 反应热力学 反应动力学 以及高分子化合物的改性 加工成型和应用 另外 还有很多其他的交叉学科 如 材料化学 药物化学和生物化学等 大学化学 1 它是一门现代化学研究的基础课程 2 通过化学反应的基本规律和物质结构理论的学习 了解当代化学学科的概貌 3 运用化学的理论 方法 观点审视人们关注的环境 能源 材料 生命和健康等社会热点问题 了解对人类社会的作用和贡献 4 对工科专业 着重把化学理论 方法与工程技术的观点结合起来 用化学的观点分析工程技术中的化学问题 如何学好化学 要学好基本概念和基本知识 要重视能力的训练培养 要加强全面的科学素养 重视实验学习 提高课堂效率 参考书 傅献彩编 大学化学 史启祯编 无机及分析化学 清华大学上网课程 化学与社会 吉林大学上网课程 普通化学 第一章 化学反应基本规律 热力学的研究对象 热力学是研究热和其它形式能量之间转化规律的科学 不涉及物质的微观结构 热力学的研究方法是宏观的方法 是以实验事实为基础 研究系统状态变化过程中的功能转化和热力学过程的方向性问题 化学反应时需要考虑的几个问题 在一定条件下 化学反应是否能够发生 如果反应能够发生 能量变化如何 吸热 放热 如果反应能够进行 反应的程度如何 如果反应能够进行 反应的速率如何 化学反应的本质是什么 物质的结构和性能的关系 热力学来自于大量实践的归纳总结 化学热力学有三个定律 我们重点讨 为此 我们先建立几个基本概念 系统 质量守恒 环境 相 能量守恒 因此任何自然过程皆不违背热力学规律 论第一 第二定律 包括 作为研究对象的那一部分物质 系统之外 与系统密切联系的其它物质 系统 环境 例3 如一支试管中装一定量NaCl水溶液 再加一定量AgNO3的混合溶液 系统 试管中的溶液混合物 含可能有的沉淀 环境 试管和试管外的相关联的物质和空间 例2 研究钢瓶中混合气体的主要组分 氧气系统 钢瓶中的氧气环境 钢瓶中的其它气体及钢瓶和钢瓶外的物质和空间 例1 研究杯子中的水 系统 水环境 水面上的空气 杯子等 1 1系统和环境 系统是由大量微观粒子组成的集合体 而非单个分子 系统与环境有时有明确的界面 有时又没有明确的界面 仅关注与系统有密切关系的环境 系统与环境放在一起 在热力学上叫做宇宙 按照系统与环境间能量和物质的交换情况 将系统分为三类 例如 一个敞着瓶口 盛满热水的瓶子 水为系统 则是一个敞开系统 若加上一个盖子 则成为封闭系统 若将瓶子换成杜瓦瓶 保温瓶 则成为孤立系统 系统中任何物理和化学性质完全相 相与相之间有明确的界面 相 例如 同的部分 油 水界面亦如此 粉末颗粒间亦有界面 在化学反应中 质量既不能创造 也不能毁灭 只能由一种形式转变为另一种形式 通常用化学反应计量方程表示这种系统 B称化学计量数 0 B BB 通式 1 2化学反应中的质量守恒定律 例 N2 3H2 2NH3 可写为 0 N2 3H2 2NH3即 N2 3H2 2NH3 对于一般的反应 aA bB gG dD 其化学反应计量方程为 0 B BB 其中 B的符号 a b为负 g d为正 1 3状态和状态函数 状态 由一系列表征体系性质的物理量所确定下来的体系的一种存在形式 称为体系的状态 它是体系中一切客观性质的综合 当体系的所有性质都有确定值时 该系统处于一定状态 反过来 若系统状态确定了 则系统中一切宏观性质也就有了确定的数值 若系统中某种或几种性质发生变化 则体系状态也就发生了变化 将这种能够表征体系特征的每个个别的宏观性质 成为系统的状态函数 即确定体系状态的物理量 称为状态函数 例 某理想气体n 1mol p 1 013 105Pa V 22 4L T 273K上述参数所描述的就是一种状态 是由n p V T所确定下来的体系的一种存在形式 因此 n p V T都是该气体系统的状态函数 状态函数的特征 系统状态发生变化时 状态函数的改变量只与体系的始态和终态有关 而与状态变化的具体途径无关 改变量用 表示状态一定 数值一定 殊途同归 变化相等 周而复始 变化为零 途径2 途径1 X X2 X1 即 1 4热和功 热和功是系统状态发生变化时与环境交换或传递能量的两种不同形式 热 系统与环境间因温度不同 温差 而传递的能量 功 除热以外 其它各种形式被传递的能量都称为功 功有多种形式 如机械作的机械功 电能作电功 化学反应作体积功等 注意 由于热和功是系统发生状态变化的某过程中与环境间交换能量的两种形式 因此热和功不仅与系统的始态和终态有关 而且还与具体的变化过程有关 所以它们不是状态函数 热量 Q功 W单位 焦耳 J 或千焦 kJ 它们数值的正负号是人为规定 根据国际曼新规定 以系统的能量得失为标准 若系统从环境得到能量 Q 0 系统吸热 W 0 环境对体系作功 若系统损失能量 Q 0 系统放热 W 0 系统对环境作功 1 5热力学能 U 热力学能是系统内部能量的总和 用符号U表示 系统内部的能量很多 如系统内分子 原子 离子等的动能 分子 原子 离子间的相互作用能 含位能和化学键 分子内部各种微粒如原子 原子核 电子等运动的能量与粒子间的相互作用等 由于这些内部质点运动和相互作用的复杂性 因而到目前为止 任何 系统的热力学能的绝对值不可测定 注意 系统在一定状态下 其热力学能应有一定的值 因此U是状态函数 变化量可用 U表示 1 6热力学第一定律 能量守恒定律 研究一个封闭系统 若系统从环境吸热 Q 又从环境得到功 即环境对系统作功W 则热力学能从U1变到U2的状态 U U2 U1 Q W热力学第一定律的数学表达式含义 封闭系统热力学能U的变化等于系统吸收的热和系统从环境所得功的总和 即能量守恒定律是在热 功传递过程中的具体表述 V2 V1 V 0 U Q W U Q P V QV 由于P2 P1 P U Q P V QP U P V 1 7化学反应的热效应 焓 反应热 化学反应系统与环境进行能量交换的主要形式是热 通常把只做体积功 且始态和终态具有相同温度时 系统吸收或放出的热量 通常化学反应是在恒压条件下进行的 如在敞口环境中进行的化学反应 如果系统只做体积功 终态温度等于始态温度 这个过程的反应热成为恒压反应热 焓 Qp 功分为 体积功W 非体积功W F W F h PA h P V F W P V 体积功是系统反抗外压力而改变体积时 系统对环境做的功 无论体积时压缩还是膨胀 体积功都等于P V 对于有气体参加或生成德反应 可能会引起体积变化 V 则系统对环境作功 W P V2 V1 P V对于封闭系统 系统只作体积功的恒压过程 由热力学第一定律可得到 U Qp W Qp P V Qp P V2 V1 上式可化为 QP U2 U1 P V2 V1 即 QP U2 P2V2 U1 P1V1 此时 令 H U PV称 焓则 QP H2 H1 H 根据Q符号的规定 有 H0QP 0恒压反应系统吸热 化学反应热的计算 化学反应的反应热 在恒压或恒容条件下 只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关 如 C O2 CO2 rH1 rH1 rH2 rH3 有 将上式写成通式 根据盖斯定律 若化学反应可以加和 则其反应热也可以加和 推理 任一化学反应可以分解为若干最基本的反应 生成反应 这些生成反应的反应热之和就是该反应的反应热 rH i rHi A B AB H1 C D CD H2 A C AC H3 B D BD H4 即 rH i rHi 则 H H4 H3 H1 H2 如 AB CD AC BD H 因为QP H 所以恒温恒压条件下的反应热可表示为反应的焓变 rH T 反应系统的nB确定为1mol时 反应热称为反应的摩尔焓变 rHm T 在标准状态下的摩尔焓变称反应的 H表示焓的变化量 下脚标r表示化学反应 下脚标m表示1mol化学反应 上角标 表示热力学标准状态 热力学关于标准态的规定 1 气体物质的标准态是在标准压力 p 100 00kPa 时的 假想的 理想气体状态 2 溶液中溶质B的标准态是 在标准压力p 时的标准质量摩尔浓度b 1 0mol kg 1 并表现为无限稀薄溶液时溶质B 假想 的状态 3 液体或固体的标准态是 在标准压力p 时的纯液体或纯固体 指定温度T时由参考态元素生成B时的标准摩尔焓变称标准摩尔生成焓 其中 C 石 为碳的参考态元素 O2 g 为氧的参考态元素 此反应是生成反应 所以此反应的焓变即是CO2 g 的生成焓 参考态元素通常指在所讨论的温度和压力下最稳定状态的单质 也有例外 如 石墨 C 白磷 P 以乙炔的完全燃烧反应为例 C2H2 g