1-1,1-2 化学反应中的能量关系,化学反应的热效应

第1章化学反应的基本规律,1.1化学反应中的能量关系1.2化学反应的热效应1.3化学反应的方向1.4化学平衡1.5化学反应的速率,第1章化学反应的基本规律,在中学阶段，我们学习了无数化学反应，了解到这些化学反应在生产，生活中有很大的作用，可以制备很多物质。,除了合成和制备一些化合物之外，化学反应还有何作用？,C+O2=CO2+energy,问题1：是否所有的化学反应都能放热呢？它们放热如何衡量呢？,基本概念,系统与环境间往往要进行物质和能量的交换而发生联系。,1.1.1.1系统与环境系统:研究对象。环境:系统的以外的其它部分。,1.1.1常用名词和术语,1.1.1常用名词和术语-1.系统和环境,1.1.1常用名词和术语-1.系统和环境,Matter(H2O),Heatflow,系统和环境,Heatflow,敞开体系,封闭体系,孤立体系,1.1.1常用名词和术语-1.系统和环境,物质交换能量交换敞开系统:有有封闭系统:无有孤立系统:无无,按交换情况的不同，系统可分为三种类型：,1.1.1常用名词和术语-1.系统和环境,我们如何描述系统,1.1.1常用名词和术语-1.系统和环境,？,1.1.1常用名词和术语-2.状态和状态函数,状态：是系统物理、化学性质的综合表现。状态函数：用来说明、确定系统所处状态的宏观物理量。如n、T、V、p，是与系统的状态相联系的物理量。,状态函数的特性,定值性状态确定，状态函数确定。系统的变化，用状态函数的改变来描述。状态函数的改变，只与过程有关，而与途径无关。在计算有关状态函数变化的问题时，只需明确系统的始态和终态即可，而不需考虑具体的变化途径。同一体系，状态函数之间相关。,1.1.1常用名词和术语-2.状态和状态函数,气体:PV=nRT,1.1.1常用名词和术语-3.内能、热和功,系统状态变化时与环境间的能量交换三种形式：(1)热(heat)(2)功(work)(3)辐射(radiation)热力学中，只研究系统在过程中与环境以热和功两种形式交换的能量。,热,由于温度差引起的能量从环境到系统的流动。热用符号Q表示。规定：若系统吸热，Q0系统放热，Q0；系统放热，Q0。,1.1.2热力学第一定律,例1-1，某化学反应系统在反应过程中吸收热量1000kJ，并对环境做了550kJ的功，试计算系统的热力学能变化。,解：因为系统吸收热量，对外做功，故Q=1000kJ，W=-550kJ。U=Q+W=1000+(-550)kJ=450kJ即该系统的热力学能增加了450kJ。,1.1.2热力学第一定律,例1-2,在101.3kPa及373K时，水的汽化热为40.6kJ/mol，计算该条件下1mol水完全汽化时系统内能的变化值。,解：系统吸热，Q=40.6kJ/mol,1.1.2热力学第一定律,W=-pV=-p（V气-V液）=-pV气=-nRT(忽略液态水的体系)。,系统所作的功等于水汽化时由于体积膨胀所作的体积功。,由热力学第一定律知：U=Q+W=Q-nRT=40.6-18.3137310-3=37.5(kJ/mol),1.1.2热力学第一定律,系统（敞开，封闭，孤立），环境：状态，状态函数：内能，功，热：热力学第一定律：,化学反应热效应，热化学方程式,1.2化学反应的热效应,化学反应的热效应：化学反应伴随的能量变化形式虽有多种，但通常以热量的形式表现出来，这就是热效应。又称反应热。,1.2.1热化学方程式,热化学方程式：能表现出化学反应和热效应之间关系的方程式，就叫做热化学方程式。,在书写热化学方程式时应注意以下几点：1：注明物质的聚集状态。因为聚集状态不同，相应的能量也不同。一般用g，l，s表示气，液，固三种状态。用aq表示水溶液等。2：注明反应的温度和压力。3：正确写出配平的化学方程式。同一反应，以不同的计量方程式表示，热效应不同。,1.2.1热化学方程式,热化学方程式:(注意事项示例)H2(g)1/2O2(g)H2O(g)rH241.8kJmol1H2(g)1/2O2(g)H2O(l)rH285.8kJmol1H2O(l)H2(g)1/2O2(g)rH285.8kJmol1N2(g)3H2(g)2NH3(g)rH92.2kJmol11/2N2(g)3/2H2(g)NH3(g)rH46.1kJmol1,1.2.1热化学方程式,在通常情况下，有两种反应条件是我们最常见的。在一个容器中反应，容积不变-恒容反应。在大气中反应，压强不变-恒压反应。,反应的条件很多，所以反应的热效应也有很多种，但是我们只研究最常见的。,1.2.1热化学方程式,化学反应可在两种不同的条件下进行，恒容热效应：在密闭容器中进行的反应，其热效应称为恒容热效应，用符号Qv表示。恒压热效应：在恒压下进行的反应，其热效应称为恒压热效应，用符号Qp表示。,1.2.1热化学方程式,1.2.1热化学方程式,定容热QV若系统在变化过程中保持体积恒定，此时的热称为恒容热。,V0W体PV0QVU+W体U,1恒容反应热,在恒容且不做非体积功的过程中，定容热在数值上等于系统热力学能的改变。,在恒压过程中完成的化学反应称为恒压反应，其热效应称为恒压反应热，用Qp表示,UQp+WQpU-WW-pVQpU+pVQpU2-U1+p(V2V1)由于恒压过程p0即p2p1pQpU2-U1p2V2-p1V1(U2p2V2)-(U1p1V1),1.2.1热化学方程式,2恒压反应热,HUpV,U，p，V都是状态函数，其组合也必为状态函数，热力学将UpV定义为新的状态函数焓，符号H,QpH2-H1H,在恒压反应过程中，体系吸收的热量全部用来改变系统的热焓。,1.2.1热化学方程式,焓是系统的状态函数，其数值的大小只与始态和终态有关，与途径无关。只能得到H，无法得到其绝对值。在恒压且不做非体积功的过程中，恒压热在数值上等于系统的焓变。,焓,1.2.1热化学方程式,H0吸热反应H0放热反应,对液体或固体：V0QpHU对有气体变化的反应：根据pVnRT在恒温、恒压下，pVnRTHQpUpVUnRT,1.2.1热化学方程式,QpHUpV,pVnRT,QpQVnRT,QVU,QpQvpV,当反应物与生成物气体的物质的量相等(n0)时，或反应物与生成物全是固体或液体时，恒压反应热与恒容反应热相等，即：,QpQV,1.2.1热化学方程式,Qp和QV的关系,杯式量热计,1温度计2绝热盖3绝热杯4搅拌棒5电加热器6反应物,1.2.1热化学方程式,如果遇到不容易测量的反应热，如何处理,？,1.2.2盖斯定律：不管化学反应是一步完成还是分几步进行，则各步反应的热效应的代数和与一步完成时的热效应相同。,可以把复杂，不容易测量的反应热分解，或者转化成容易测量的反应热。,1.2.2盖斯定律,反应热的加和性,Qp(状态1)aA+bBdD+eE(状态2)Qp(H)Qp(H)(H)gG+hH(状态3)Qp=Qp+Qp,1.2.2盖斯定律,例1-3,已知C(s)+O2(g)=CO2(g)H1=-393.5kJ/molCO(g)+1/2O2(g)=CO2(g)H2=-283.0kJ/mol求反应C(s)+1/2O2(g)=CO(g)的H是多少？,1.2.2盖斯定律,H1H2+HHH1-H2-393.5-(-283.0)-110.5(kJ/mol),1.2.2盖斯定律,例1-4，25，某压力下,已知：ZnS(s)+2O2=ZnSO4(s)H1=-777.13kJ/molZnO(s)+SO3=ZnSO4(s)H2=234.92kJ/mol2SO2+O2=2SO3H3=-197.72kJ/mol求:ZnS(s)+3/2O2=ZnO(S)+SO2的热效应。,(答案:HH1-H2-1/2H3-443.35kJ/mol),1.2.2盖斯定律,在实际的化学反应中，条件是千变万化的，反应的热效应也随着条件变化而变化着，因此，我们有必要规定一个标准条件和标准的热效应。,1.2.3标准摩尔生成焓与标准焓变,化学热力学规定，某温度下，由处于标准状态(105KPa)的各种元素的稳定单质生成标准状态的1mol某纯物质的热效应，叫做该温度下该物质的标准摩尔生成焓。,符号：fHm(T),单位：kJmol-1,1.2.3标准摩尔生成焓与标准焓变,任意温度下，任何指定单质的标准摩尔生成焓为0。,fHm(O2,g)=0,fHm(H2,g)=0,fHm(Ag,s)=0,1.2.3标准摩尔生成焓与标准焓变,一个物质的标准摩尔生成焓确定了，一个反应的焓变有没有标准值呢？,？,对化学反应而言，当参与反应的各种物质，包括反应物和产物，都处于标准状态时，化学反应的焓变就称为该反应的标准焓变，以H表示，上标表示反应发生在标准状态。,1.2.3标准摩尔生成焓与标准焓变,对任意化学反应：aA+bB=dD+eE标准摩尔焓变如何表示,1.2.3标准摩尔生成焓与标准焓变,？,H=dHf(D)+eHf(E)-aHf(A)+bHf(B),1.2.3标准摩尔生成焓与标准焓变,rHm产fH-反fH,根据此式，可以计算任一在标准状态下的反应的反应热。,aA+bB=dD+eE,应用该公式时要注意：1：计算时是系统的终态减去始态。2：要考虑所有的各种物质的聚集状态。3：不要丢了化学计量系数。4：注意H的正负号，不可忽略，它有物理意义。,1.2.3标准摩尔生成焓与标准焓变,例3-3求Fe2O3(s)3CO(g)2Fe(s)3CO2(g),在298K时的rH。,fH(CO,g)-110.52kJmol1,rHm(298K)3fH(CO2,g)2fH(Fe,s),fH(CO2,g)-393.51kJmol1,解：查表得fH(Fe2O3,s)-824.2kJmol1,fH(Fe,s)0,-3fH(CO,g)-fH(Fe2O3,s),3(-393.51)20-3(-110.52)-(-824.2)kJmol1,-25kJmol1,例1-5,计算298.15K时下列反应的标准摩尔反应热。C2H5OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)解：已知各物质的标准摩尔生成焓数据为：Hf(C2H5OH，l)-277.7kJ/molHf(O2，g)=0Hf(CO2，g)=-393.50kJ/molHf(H2O，l)=-285.8kJ/mol,1.2.3标准摩尔生成焓与标准焓变,H=2Hf(CO2，g)+3Hf(H2O，l)-Hf(C2H5OH，l)+3Hf(O2，g)=2(-393.50)+3(-285.8)-(-277.7)+0=-1366