大学基础化学第六章化学反应的能量变化.ppt

1 医用基础化学 化学教研室 吴海珊 1020403 第六章化学反应热及化学反应的方向和限度 2 预习提纲 1 如何计算化学反应热 2 如何判断化学反应的方向 3 如何衡量化学反应的限度 3 作业 P 1181 2 4 5 6 7 10 12 预习 自学 P 100 三 P 103 二 P 111 115四 五 不要求 P 92 二 P 94 三 4 第六章化学反应的能量变化 方向和限度 C6H12O6 s 6O2 g 6CO2 g 6H2O l 放出热量 2802 5 kJ mol 自发反应方向 反应限度 很大 5 主要内容 热力学的几个常用术语能量守恒和化学反应热 重点 化学反应的方向和推动力 重点 化学反应的限度和平衡常数 6 第一节热力学的几个常用术语 一 状态函数statefunction 1 状态 指系统中所有的性质及 条件均确定不变的平衡状态 7 Pe p1 始态 终态 8 性质确定 状态就确定 状态改变 性质就改变 2 状态函数 描述和规定状态的 宏观性质 广度性质 与系统中物质的数量有关 具有加合性 n m V U 内能 H 焓 S 熵 G 强度性质 与系统中物质的数量无关 不具有加合性 T P M 9 问 冰 1g 1g 2g 2杯30 水混合 混合后T 30 3 状态函数的特征 系统的状态一定 状态函数的值就一定 状态函数的变化值仅取决于始态和终态 而与变化的具体途径无关 10 问 水从10 变到20 T 始态 T1 10 终态 T2 20 T 25 T 10 T 15 T 5 T2 T1 11 状态函数有特征 状态一定值一定 殊途同归变化等 周而复始变化零 12 二 heatandwork 1 热Q 放 环境间交换或传递的能量 J KJ 由于温度不同 而在系统与 2 功W 除热以外 系统和环境间 进行传递和交换的其它各种形式的能量 13 W Fedz peAdz pedV W 当恒外压时 W 14 体积功 P外 V 非体积功 电功等 作 从系统角度使系统能量升高为正 反之为负 恒外压 15 问 热和功是否状态函数 与途径是否有关 Q1 Q2 吸 16 热和功不是状态函数 热和功是过程物理量 其大小与途径有关 例 练习题 17 第二节能量守恒和化学反应热 一 内能U和热力学第一定律 1 internalenergy 系统内部能量的总和 问 内能是否状态函数 能否测出U值 18 2 thefirstlawofthermodynamics 自然界的一切物质都具有能量 能量有各种不同形式 并且能够从一种形式转化为另一种形式 在转化中 能量的总值不变 19 始 终 U1 U2 从环境吸热Q 10J 系统对环境作功W 5J U2 U1 Q W U U2 U1 Q W 练习题 5J 宏观上静止且无外力场存在的封闭体系 热力学第一定律 20 封闭系统在恒P 不做非体积功时 QP P外 V QP U P外 V U2 U1 P外 V P外 P1 P2 二 系统的焓和等压反应热 21 QP U2 U1 P外 V2 V1 U2 P2V2 U1 P1V1 H2 H1 H H是否状态函数 恒压过程的反应热等于系统的焓变 以后用焓变表示等压反应热 22 三 热化学方程式 1 化学反应的热效应 rHm 当体系发生反应之后 使产物的温度回到反应前始态时的温度 体系放出或吸收的热量 T 反应物 T 产物 23 同时标明热效应值及物质状态的化学方程式 2 热化学方程式 标准态 化学反应 单位反应进度 H2O g 24 3 标准态 气体 纯液体 纯固体 溶质 P分 100kPa T 理想气体 P外 100kPa T P外 100kPa T 最稳定晶体 P外 100kPa T C 1mol L 在T和p 100kPa 下该物质的状态 25 4 反应进度extentofreaction t 0 t t nA 0 nD 0 nG 0 nH 0 nA nD nG nH 化学计量数 反应进度 单位 mol 26 30 10 0 6 21 7 N2 3H2 2NH3 例 t 0 0 t t 1 3 mol 3 mol 27 用任一反应物或产物所表示的反应进度都是相等的 6 mol 化学反应式的写法不同 也不同 28 单位反应进度 1mol 此时 nB B 30 10 0 2 27 9 N2 3H2 2NH3 例 t 0 0 t t 1 1 mol 1mol是指按反应式进行 29 46 11kJ mol 30 四 Hess定律和反应热的计算 Hess定律 一个化学反应不管是一步完成或是分几步完成 他的反应热都是相同的 为什么 31 反应物 生成物 H H1 H2 H3 H H1 H2 H3 恒T P 不做非体积功 H QP 32 1 由已知热化学方程式组合求反应热 例 试利用以下各热化学方程式求生成CO g 的反应热 C 石墨 O2 g CO2 g rHm 1 O CO g 1 2 O2 g CO2 g rHm 2 O C 石墨 1 2 O2 g CO g rHm 3 O 33 方法一 C 石墨 CO2 g rHm 1 O CO g rHm 3 O rHm 2 O 34 方法二 根据反应物和产物判断 C 石墨 O2 g CO2 g rHm 1 O CO g 1 2 O2 g CO2 g rHm 2 O C 石墨 1 2 O2 g CO g rHm 3 O 35 乙酸 l 2O2 g 2CO2 g H2 g O2 g CO2 g C 石墨 1 2 O2 g 2H2O l H2O l 2C 石墨 2H2 g O2 g 乙酸 l 解 rHm 4 O 36 2 由标准摩尔生成焓求标准反应热 在标准态下 由稳定单质 生成1mol该物质B的焓变 KJ mol 例 227 4 KJ mol 37 2 H2 g C2H2 g 的生成反应 稳定单质 227 4 KJ mol C 石墨 C2H2 g 38 稳定单质的标准摩尔生成焓等于零 39 计算标准反应热 rHm O 反应物 产物 40 例 用标准摩尔生成焓计算标准反应热 4NH3 g 5O2 g 4NO g 6H2O l 45 9 91 3 285 8 解 1166 KJ mol 重点 41 第三节化学反应的方向和推动力 一 自发过程及其特征 从高到低 推动力 自发判据 水流 h h 0 T T 0 传热 h 0 T 0 达平衡时 化学反应 G G 0 G 0 42 自发 非自发 体系中存在不平衡因素就会导致自发 自发 43 1 自发过程 不依靠外力而能自动进行的过程 44 2 自发过程的特征 自动 单向 蕴 具有作功的能力 45 有判据 0 二 对自发反应的认识 常温常压下 放热反应都是自发的 H 0 46 NH3 Ba OH 2 8H2O NH4SCN H2O 冰 木板 有些吸热反应也是自发的 47 自发反应推动力 放热 混乱增加 问 一滴墨水溶于水 是自发进行吗 自发 非自发 混乱度低 混乱度最大 48 三 系统的熵S 1 反映体系混乱度的状态函数 单位 J K 1 mol 1 混乱度愈大 S愈大 熵entropy S kln 混乱度 49 2 影响S的因素 聚集态 组成 结构 温度 压力及物质的量 50 外压P 气体S 同一物质 n S 同一物质 T S 热力学第三定律 热力学温度0K时 任何纯物质的完整晶体的熵值为零 熵值以T 0K时 S 0为比较标准而求算出的 51 3 化学反应 rSm O 的计算 在标准态下 1mol物质B 的规定熵值 J K 1 mol 1 稳定单质的标准摩尔熵不等于零 52 反应物 产物 rSm O 98 9 J K 1 mol 1 练习题 重点 53 四 化学反应自发性判据 G 1 Gibbs自由能G 表征物质体系作非体积功能力的物理量 化学势能 G是状态函数 G的物理含义 在等温等压过程中 除体积变化所做的功以外 系统对外界所做的功只能等于或者小于吉布斯自由能的减小 54 势能高 势能低 G大 G小 反应物 生成物 Wf Wf 水 水 55 反应物 P1 P2 T1 T2 对环境作功 G1 50J G2 20J Wf G 0 Wf max G 30J 等温等压 Wf 0 可逆过程 不可逆过程 Wf 25J 生成物 56 问 为什么原电池的作功能力会降低 Cu片 CuSO4 Zn片 ZnSO4 盐桥 e 正极 电位高 负极 电位低 57 G 产物 G 反应物 0 正极 负极 随着反应的进行 58 G 产物 G 反应物 t G G 达到平衡 59 热机 140kJ 电功 237kJ 物质在自发变化时都可作功 并随过程的进行其作功能力降至零 60 2 自由能降低原理 等温等压下 自由能降低的反应必自发 正反应自发进行 逆反应自发进行 反应达平衡 61 H2 T2S2 H1 T1S1 G2 G1 H T S 等T P Gibbs方程式 Gibbs方程式 62 G H TS 自由能是熵和焓的综合体现 放热 rHm 0 混乱 rSm 0 讨论 63 3 温度对反应方向的影响 温度T 对物质H影响 对物质S影响 对物质G影响 大 对 rHm 影响 小 大 对 rSm 影响 小 不确定 对 rGm 影响 大 反应物 生成物 64 任何温度 65 rG H T S rG 0条件 任何温度 不存在 低温 高温 练习题 66 4 自由能变的计算 在标准态下 由稳定单质生成 1mol物质B时的自由能变 KJ mol 利用Gibbs方程式 67 稳定单质的标准摩尔生成自由能等于零 68 2NO g N2 g O2 g fGm O fHm O Sm O 若要此反应自发进行 至少要达到多少温度 K 87 6 91 3 191 6 205 2 210 8 0 0 0 0 69 解 计算 rGm 298 15 O 方法一 rGm 298 15 O 2 87 6 方法二 rHm 298 15 O 2 91 3 182 6 kJ mol 70 rSm 298 15 O 2 210 8 191 6 205 2 24 8 J K 1 mol 1 rGm 298 15 O 182 6 298 15 24 8 175 2 kJ mol 正向反应在298 15K100kPa下不能自发进行 10 3 71 若要反应自发 必须 72 rGm T O rSm 298 15 rHm 298 15 O O T 小结 298 15K 任何温度 73 非标准态下 rGm 计算 单位 等温非标 化学反应等温式 反应商 74 100kPa 标准态只是一个特例 75 例 CaCO3 s CaO s CO2 g 已知 rHm 298 15 O 178 5 kJ mol rSm 298 15 O 159 0 J K 1 mol 1 若使CO2的分压为0 010kPa 试计算此反应自发进行所需的最低温度 76 rGm T 178 5 T 159 0 10 3 0 解 T 759 K 77 几个状态函数的对比 fHm O O O 0 0 0 加合性 无 无 有 78 应用 P 112耦联反应 热力学上一个不利的反应可以被热力学上一个有利的反应所推动 目标产物 79 第四节化学反应的限度和标准平衡常数 一 实验平衡常数和标准平衡常数 正 k正C A aC B b 逆 k逆C D dC E e 反应达平衡时 正 逆 80 实验平衡常数 K愈大 反应的程度愈大 81 标准平衡常数 D C d O E C e O A C a O B C b O 是否有单位 K与温度有关 与浓度无关 82 二 自由能和化学平衡 平衡状态时 愈大 愈大 Q 83 总结 一 基本概念 热 功 与途径 有关 状态函数的变化量与途径 无关 二 计算 rHm T O 84 1 热力学第一定律 U Q W 2 恒T P 不作其它功 H QP 3 计算 rHm 298 15 O Hess定律 由 用 计算 已知热化学方程式组合 计算 85 三 判断自发反应方向 等温等压下 rGm rGm rGm 正反应自发进行 逆反应自发进行 反应达平衡 0 0 0 86 1 用 rGm T O 判断 下反应方向 标态 Gibbs方程式 87 2 用 rGm T 判断 下反应方向 非标态 rGm T 88 练习题 1 下列物理量中不属于状态函数的是 A QB pC TD n 89 练习题 1 一封闭体系经由两种不同途径 从状态A到状态B 则 A U 0 B Q1 Q2 C W1 W2 D Q1 W1 Q2 W2 E U W 0 90 2 系统由A态到B态 沿途径 放热100J 得到50J的功 当系统由A态沿途径 到B态时做功80J 则Q为 A 70J B 70J C 30J D 30J 91 练习题 1 N2 g 的标准摩尔熵正确写法是 A Sm O N2 g Sm O N2 g B C S O N2 g 92 2 下列哪个反应的熵变最大 A CO2 g C S O2 g B 2SO3