第二章-1化学反应热ppt课件

1 第一章 化学热力学 2 许多反应我们可以看得到 4Fe 3O2 2Fe2O3 Pb NO3 2 2KI PbI2 2KNO3 Mg CO2 MgO CO 如 3 有的反应难以看得到 Pb2 EDTA Pb EDTA 有的反应式可以写出来 却不知到能否 Al2O3 3CO 2Al 3CO2 这就需要了解化学反应的基本规律 热力学 研究化学变化和相变化过 发生 其中最重要的是化学热力学 程中能量转换规律的科学 4 第一章化学热力学 本章内容 1 1基本概念 1 2热力学第一定律 1 3化学反应的热效应1 4化学反应方向1 5化学平衡教学目的 1 掌握系统 环境 内能 功 热 状态 状态函数 热力学标准态 恒容反应热 恒压反应热 标准生成焓等基本概念 2 熟悉热力学第一定律 3 掌握化学反应标准焓变的计算方法 5 1 1 1系统 体系 和环境 外界 系统 为了明确研究对象 人为地将一部分物质与其余物质分开 被划定的研究对象称为系统 环境 系统之外 与系统密切相关 影响所能及的部分称为环境 大学物理学中多称外界 但在化学书中多称环境 1 1几个基本概念 6 按照系统和环境之间物质和能量的交换情况 通常可将系统分为以下三类 系统的分类 7 封闭系统 三种热力学系统 孤立系统 敞开系统 8 思考 若将化学反应 包括作用物和产物 作为研究对象 应该属于什么系统 注意 在研究化学反应时 不加特殊说明 都是按封闭体系处理 9 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 10 气态 只有一个相 单相体系 液态 纯液体单相 两种或两种以上的液态组分 看其是否互溶 互溶为一相 不互溶的为不同的相 固态物质 有几种纯固态 便有几个相 11 辨明 相和态是两个不同的概念 态是指物质的聚集状态 如上述由乙醚和水所构成的系统 只有一个状态 液态 却包含有两个相 12 H2H2SCO2 粉笔灰石灰 冰水 油水 水蒸气 例 13 状态 系统的状态 就是系统宏观性质 例如压力 温度 体积 能量 密度 组成等 的综合表现 或者说系统的宏观性质的总合确定了系统的状态当这些性质有确定值时 体系就处于一定的状态 当体系的某一个性质发生变化时 体系的状态也随之改变 1 1 2状态与状态函数 14 状态函数 用来描述系统宏观状态的物理量 如温度 压力 体积 内能 焓等 称为状态函数 状态函数的变化值只决定于系统的始态和终态 与变化的途径无关 15 体系状态函数的性质分为两类 1容量性质数值大小与体系中物质的数量有关 具有加和性 如体积质量 焓 熵等 2强度性质数值大小不随体系中物质数量的变化而变化 它仅取决于体系自身的性质 如温度 浓度 16 状态函数的特征 1 状态 状态函数值 2 在系统状态变化时 状态函数的改变量只与系统的始 末态有关而与过程无关 途径1 途径2 即 X X2 X1 17 过程与途径体系的状态发生变化的经过称为过程 而完成这个过程的具体步骤称为途径 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 18 热和功热和功是体系状态变化时与环境进行能量传递的两种形式 热是系统与环境因温度不同而传递的能量 19 功 系统与环境交换能量的另一种形式 功 功分为 体积功W W P V 非体积功W 单位 J或kJ W不是状态函数 系统对环境作功 W0 20 总结 热和功都是体系与环境间被传递的能量 只有在体系发生变化时才表现出来 在给定体系的始态和终态时 热和功的数值与体系改变所经过的途径有关 所以热和功不是状态函数 能量的单位 焦J 千焦KJ 21 练习 1 判断以下说法的正确与否 1 热和功的区别在于热是一种传递中的能量 而功不是 2 物体的温度越低 表明物体所含的热量越少 3 体系的状态不变 其状态函数也不变 但体系的状态函数改变 体系的状态不一定随之改变 4 体积和温度均是体系状态函数 都具有容量性质 5 功和热都是能量的传递形式 所以都是体系的状态函数 22 化学反应中的质量守恒定律 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关系 通式 B称化学计量数 0 B BB 23 以合成氨反应为例 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 反应物为负 生成物为正 24 化学反应计量式和反应进度 物质B的化学计量数 化学反应计量式 A a B b Y y Z z 反应进度 单位是mol 25 t0时nB mol3 010 000 t1时nB mol2 07 02 0 t2时nB mol1 55 53 0 26 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 27 由反应进度的定义可以看出以下几点 1 对于指定的化学反应方程式 B是定值 随B物质的量的变化而变化 所以用反应进度 可以度量化学反应进行的程度 2 由于 B的量纲为1 的单位为mol 所以的单位应是mol 3 对于同一反应方程 可以写出无论以那一参与反应物质为标准都是一样的 4 对于指定的化学反应方程式 当的数值等于 B时 则 1mol 这就是我们前面提到的1mol反应 它表示各物质按化学反应方程式进行了完全反应 如对于反应2N2H4 l N2O4 g 3N2 g 4H2O g 28 能量守恒定律 在任何过程中 当然也包括化学反应 能量不会自生自灭 只能从一种形式转化为另一种形式 在转化过程中能量的总值不变 这就是能量守恒定律 热力学第一定律 29 热力学第一定律 将能量守恒定律应用于热力学就是热力学第一定律 在化学热力学中 研究的是宏观静止系统 不考虑系统整体运动的动能和系统在外力场 如电磁场 离心力场等 中的位能 只着眼于系统的热力学能 内能 30 热力学能 即内能 系统内部能量的总和 31 变到状态2 热力学能U2 Q 0 W 0 U Q W 热力学第一定律数学表达式 从环境吸收热Q 一封闭系统 热力学能U1 对环境做功W 则有 32 典型例题 例 将5g液态乙醇在常压下加热 使其完全蒸发后 测得其体积为3 03L 蒸发中乙醇共吸收热量4 268KJ 求乙醇由液态到气态时内能的变化 解答 乙醇由液态变为气态时吸收能量 体积发生改变 对外做膨胀功 W P V P V2 V1 PV2 1x3 03 3 03 atm L 3 03 0 1013 0 307 KJ 式中V2为乙醇蒸气的体积 Vl为乙醇液体的体积 Vl与V2相比较忽赂不计 所以 U Q W 4 268 0 307 3 96 KJ 计算表明 此时5g乙醇蒸气的内能较其液态时增加了3 96KJ 33 奇怪的自燃和爆炸 有些东西像面粉 粮食 淀粉 糖 煤 棉花 纯铁颗粒等 在仓库储藏或在火车 轮船运输过程中 有时会突然燃烧起来 甚至发生大爆炸 34 这些奇怪的燃烧和爆炸是怎么回事呢 罗马给养船的这桩历史奇案 还是后代的科学家研究找出了起火的原因 原来 给养船底舱里堆着严严实实的草 密不通风 草发生氧化 放出热来 热散不出去 温度越来越高 终于达到草的燃点 于是草就自发地着火 这种现象叫自燃 梅茨的粮食仓库爆炸 据调查 凶手 是仓库里的粮食粉尘 危险分子 粉尘 35 燃烧要有两个条件 一是温度要达到这种物质的燃点二是外界要有充分的空气供应 成堆的粮食 成包的面粉 整块的煤块 它们只有最外的一层和空气接触 从整个物体来说 同空气的接触是比较小的 不容易燃烧 然而粮食和面粉的粉尘却大不相同 它们体积很小 而且每一粒粉尘的表面都同空气充分接触 当粉尘在空气中形成悬浮状态 达到一定含量时 任何一个微小的火种也会将它点着 并使室内 有限空间 空气的温度由窒温一下于升到几百度以上 这时候 空气便会急剧地膨胀起来 引起剧烈的爆炸 不同的粉尘在空气中引起爆炸的最低密度是不同的 淀粉和硫磺的微尘 在每升空气中的含量只要超过7毫克 遇火就会爆炸 面粉 糖粉爆炸极限为每升l0毫克 煤粉爆炸极限为每升17毫克 燃烧的条件 36 化学反应的反应热 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叫做反应热 根据反应条件的不同 反应热又可分为 37 V2 V1 V 0 U Q W U Q P V QV 式中Qv就是等容反应热 左下脚标字母v表示等容过程 式 1 2 表明 等容反应热全部用于改变系统的内能 38 在等压 不作有用功的条件下 39 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 40 H是状态函数U P V的组合 所以焓H也是状态函数 式 1 4 中 H是焓的改变量 称为焓变 今后我们提到化学反应热 不加特殊说明都指等压反应热 41 根据Q符号的规定 有 H0QP 0定压反应系统吸热 42 由于等压反应热 H与途径无关 所以我们可以用易测的反应热来求算难测的反应热 例1 1在等温T 压力p及非体积功W有 的条件下 要实验测得反应C 1 2O2 CO的反应热是很困难的 因为无法保证只生成CO 而没有CO2生成 但我们可以设计如下反应 如下图所式 43 因为 H与途径无关 故有 rHm1 rHm2 rHm3式中的下脚标r表示是化学反应 m表示是1mol反应 1mol反应简单理解为按所给的反应方程式进行的反应 44 在100kPa和298K下 已经测得反应 1 和反应 3 的等压反应热 这应是可以做到的 分别是 1 C s O2 g CO2 g rHm1 393 5kJ mol 1 3 CO g O2 g CO2 g rHm3 283 0kJ mol 1所以反应 2 C s O2 g CO g 的 rHm 2 rHm 1 rHm 3 393 5kJ mol 1 283 0kJ mol 1 110 5kJ mol 1 45 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 46 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 rH i rHi 利用盖斯定律 可由分步反应的 rHmi 求总反应的 rHm 也可以从已知的n 1反应 n是总反应和所有分步反应数的总和 求另一个未知反应的 rHm 47 例1 2试求以下反应 1 CO g H2O g CO2 g H2 g 在298K 100Kpa条件下的反应热是多少 该反应是工业制氢的重要反应 已知下列反应在298K 100KPa时的 rH为 2 C 石墨 O2 g CO g rH 110 5kJ mol 1 3 H2 g O2 g H2O g rH 242kJ mol 1 4 C 石墨 O2 g CO2 g rH 393 5kJ mol 1 48 解 从分析四个反应可知 4 2 3 1 代入有关数据 可得反应 1 的 rHm 41kJ mol 1 在进行反应热的计算时 要说明反应温度 压力以及物质的聚集状态等 这是因为化学反应中的能量变化受许多条件的影响 如温度 压力 聚集态 浓度等 因此为了比较方便 国际上规定了物质的标准条件 49 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 50 注意 标准态只规定了标准压力而没有限定温度 因此 在不同温度下就有不同的标准态 但是通常从手册或专著查到的有关热力学数据一般都是298 15K时的数据 51 在标准态时 化学反应热 严格讲应是恒压反应热 用 rH m表示 下标 r 表示反应 表示标准态 m 表示进行1mol反应 本书所用的数据如不加以说明 一般都是T 298K时的数据 此时温度就不标明了 标态下的化学反应热 即反应的标准焓变 既可通过实验测得 也可以利用单质和化合物的标准 摩尔 生成焓来计算 52 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 反应系统为1mol反应时 反应热称为反应的摩尔焓变 rHm T 53 标准摩尔生成焓 就是在一定温度 标态下 由最稳定单质 这里人为地规定最稳定单质的 fHm 0 生成单位物质的量的纯物质时反应的焓变称为该物质的标准 摩尔 生成焓 以符号 fHm 表示 常用单位是kJ mol 1 54 标准生成焓的意义及应用 根据 fHm 的代数值 可以比较同类型物质的稳定性 fHm 越小 物质越稳定 化合物的标准生成焓并不是化合物的绝对值 它是相对于合成它的参考态单质的相对值 生成1mol该物质 区别 rHm 和 fHm 前者针对一个化学反应而言 而后者是由一个反应焓变得出一物质的性质 两者有本质的不同 55 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 56 同素异构体 对于某种单质有几种不同的同素异构体 当它本身结构改变时 也会产生热效应 例如在标准条件下石墨和金刚石 石墨是最稳定单质 当石墨转化为1mol金刚石时需要吸收1 91kJ的热量 即C 石墨 C 金刚石 fHm 金刚石 1 91kJ mol 1最稳定单质石墨的 fHm 0 57 以乙炔的完全燃烧反应为例 C2H2 g 5 2O2 g 2CO2 g H2O l 58 59 例题 计算乙炔完全反应的标准摩尔焓变 C2H2 g 5 2O2 g 2CO2 g H2O l 解 226 730 393 51 285 83 60 由于煤中含有S 因此在烧煤时会产生SO2 或SO3 而造成环境污染 形成酸雨 治理硫氧化物污染可利用以下反应 例1 4试计算反应SO3 g CaO s CaSO4 s 的标准焓变 fH m kJ mol 1 395 7 635 1 1434 1则有 rH m 1434 1 395 7 635 1 kJ mol 1 403 3kJ mol 1例1 5试计算反应2NO g N2 g O2 g 的标准焓变 fH m kJ mol 1180 500则有 rH m 180 5kJ mol 1 61 请课下计算该实验的反应热 62 下面请同学们通过计算说明 氧 乙炔焰可以用于金属焊接和切割 通过上述计算可知 反应C2H2 g 5 2O2 g 2CO2 g H2O g 的反应热为 1452 3KJ 若将其反应热除以乙炔的摩尔质量 则得每克乙炔燃烧发热量为49 945KJ mol 1 发热量很大 燃烧火焰温度可达3000 3100 所以可以用来焊接金属和切割金属 铝热剂能使铁融化 用于钢轨焊接就是因为反应热很大 用该反应还可以做成铝热剂燃烧弹