第1章化学反应中的质量关系和能量关系.ppt

应用热化学反应方程式和物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变,掌握阐明化学中的质量和的有关重要概念(化学计量数;反应进度;状态函数;标准态;反应焓变),复习巩固“化学中的计量”概念,第1章化学反应中的质量关系和能量关系,1.2化学中的计量,化学工作中常常遇到一些物理量的计量(计算与测量),eg.质量;物质的量;浓度;体积;温度;压力;时间,1.1自学,1.理想气体状态方程,理想气体：分子本身不占有体积，分子之间没有作用力，实际不存在的假想气体（一种假设的理想状态）。当温度不太低、压力不太高，或没有其他特殊条件时，一般气体均可视为理想气体。,1.2.5气体的计量,2.理想气体分压定律,1.理想气体状态方程,PVnRTP:压力（Pa）V:体积（m3）n:物质的量（mol）T:温度（K）开氏温度T=273.15+t0C摄氏温度R:摩尔气体常数（=8.3144Jmol-1K-1）,常数R的取值与P、V的单位有关:,PVRPam38.314Jmol-1K-1(8.314Pam3mol-1K-1)PaL8314.3PaLmol-1K-1atmL0.082atmLmol-1K-1（1L=1立方分米，即1m3=1000L）（1atm=1.013105Pa）,单位,单位,单位,理想气体状态方程的应用：,根据PVnRT，即可计算p，V，T，n四个物理量之一；再结合其他公式也可计算m，M，等等（TolookP6的例1.2）。,一定温度下，两种气体1和2混合（不发生反应）,问题：混合后，两种气体1和2所产生的压力和所占的体积如何？与混合容器中混合气体产生的总压力P总的关系又是怎样的？,气体的分压（PB）：即气体混合物中某一组分气体（B）对器壁所施加的压力；分压PB等于相同温度下，该气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力。,分压,总压,两者之间有什么关系呢？,1801年，英国物理学家、化学家道尔顿经过大量的实验观察发现：气体混合物的总压等于各气体分压的总和这就是道尔顿的气体分压定律，写成数学式是：P总=P1P2P3或,若组分气体B和混合气体的物质的量分别为nB和n总。混合气体的体积为V，则它们的压力分别为：（1）（2）(1)式(2)式得：,或,（即同温同容下，压强比等于物质的量之比）,同理，根据PV=nRT同温同压下，则有,(混合气体中组分B的体积分数等于B的摩尔分数),1.3化学反应中的质量关系,1.3.1应用化学反应方程式的计算（自学）,1.3.2化学计量数和反应进度,任一化学反应：cC+dD=yY+zZ移项得：设则有：可写为化学计量式的通式：B表示反应物和生成物；B为数字或简分数,称为物质B的化学计量数(即B前面的系数),1.化学计量数,0=-cC-dD+yY+zZ,c=C、d=D、y=Y、z=Z,0=CC+DD+YY+ZZ,vB表示了相应物质在反应中变化的量；规定：反应物的化学计量数vB为负生成物为化学计量数vB为正同一化学反应，方程式写法不同，化学计量数vB即不同，vB即为物质B前面的配平系数（注意考虑正负号）。,关于化学计量数vB：,2.反应进度,反应进度是表示化学反应进行程度的物理量符号：（克赛）单位：mol某时刻的反应进度（）为：等于某物质的改变量（nB）与其计量数vB的之比,注意：nB等于反应物或产物的“最终值-起始值”，即反应物的改变量为负，而产物的改变量为正,例如：N2+3H2=2NH3反应开始时nB/mol31000t时刻时nB/mo1272则nB/mol-1-321,由此可得出结论：（1）反应进度（）值与选用方程式中何种物质的量的变化进行计算无关，但与方程式书写有关。,1,(2)如果同一反应的方程式书写不同（即计量数vB不同），则在相同物质的量变化情况下（即nB相同），反应进度（）值不同；,(3)如果同一反应的方程式书写不同，则当反应进度（）相同时，不同方程式对应各物质的变化量不同。,1.4化学反应中的能量关系,化学反应是反应物中旧键的断裂与产物新键形成的过程，在这过程中伴随着质量、能量的变化（吸、放热）。专门研究能量相互转换规律的科学热力学利用热力学的基本原理研究化学反应的学科化学热力学。,1.4.1基本概念和术语,eg.AgNO3与NaCl在溶液中的反应：含有这两种物质的水溶液就是体系；而溶液之外的一切东西(烧杯、玻璃棒、溶液上方的空气等)都是环境。,体系：被研究的对象环境：体系之外，与其密切相关的部分,体系,环境,边界线,敞开体系：体系与环境之间有物质交换和能量交换封闭体系：体系与环境之间无物质交换，有能量交换孤立体系：体系与环境之间无物质交换和能量交换,敞开体系封闭体系孤立体系,瓶中装水,2.状态和状态函数,理想气体T1300KP11atmV12L状态1,理想气体T2300KP22atmV21L状态2,状态：是指体系总的性质。,一个体系的状态可由压力、体积、温度及体系内各组分的物质的量等物理量来决定；这些物理量称为体系的性质。因此，体系的状态就是这些性质的综合表现。,状态函数的特征：(1)状态一定，状态函数值一定(2)同一体系的状态函数之间往往有一定的联系(PV=nRT)(3)体系状态变化时，状态函数的变化量只与体系的起始和最终状态有关,与变化的具体途经无关，如：,如果体系中某种或几种性质发生变化，则体系状态也就发生了变化。这种能够表征体系特征的每个个别的宏观性质，称为体系的状态函数(如P、T、V、n等)。,理想气体T1300K,理想气体T1200K,理想气体T2350K,直接加热途径1,先冷却,再加热,途径2,（殊途同归）,3.热和功,热和功是体系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：体系与环境间因温度不同（即存在温差）而交换或传递的能量。用符号Q表示；单位：kJ功：除热以外，其它各种形式被传递的能量。用符号W表示；单位：kJ功有多种形式，如机械手作的机械功，电能作的电功，化学反应作体积功等等。,有关“热和功”概念的注意点：,(1)符号规定（以体系得失能量为标准）热(Q)：+体系吸热(Q0)体系放热(Q0、压缩)(W0吸热反应H0Q0(正号)放热反应：H0Q0(负号),总结,2.热化学方程式表示化学反应与其热效应关系的化学方程式,书写方法：H2(g)+O2(g)H2O(g)Qp=rHm=-241.82kJmol-1rHm：表示反应进度变化为1mol时,该反应的热效应。rHm称为摩尔反应焓变。,r-反应,m-摩尔,应注明反应温度和压力，298.15K和100kPa可省略注明各物质的聚集状态（g，l，s）H2(g)+O2(g)H2O(l)Qp=rHm=-285.8kJmol-1H2(g)+O2(g)H2O(g)Qp=rHm=-241.8kJmol-1同一反应，反应方程式系数不同，反应热不同；2H2(g)+O2(g)2H2O(l)Qp=rHm=-571.6kJmol-1H2(g)+O2(g)H2O(l)Qp=rHm=-285.8kJmol-1正、逆反应的反应热绝对值相等，符号相反。HgO(s)Hg(l)+O2(g)Qp=rHm=+90.83kJmol-1Hg(l)+O2(g)HgO(s)Qp=rHm=-90.83kJmol-1,书写热化学方程式应注意：,1840年Hess在总结了大量实验结果的基础上，提出一条规律：在恒压或恒容条件下，一个化学反应不论是一步完成或分几步完成，其热效应总是相同的。如：,H2(g)+O2(g)H2O(l)rHm=-285.8kJmol-1若分步:H2(g)2H(g)H1=+431.8kJmol-1O2(g)O(g)H2=+244.3kJmol-12H(g)+O(g)H2O(g)H3=-917.9kJmol-1H2O(g)H2O(l)H4=-44.0kJmol-1,3.Hess定律（赫斯或盖斯定律）,总:H2(g)+O2(g)H2O(l)rHm总=-285.8kJmol-1,可实验测知：将1molC（石墨）直接完全燃烧成CO2，其反应热为rHm=-393.51kJmol-1；1molCO完全燃烧成CO2，其反应热为H3=-282.98kJmol-1,不按照途径(1)进行反应，而采取分步反应，即依次通过反应(2)、(3)，其反应热分别为H2（难以直接测知）和H3（已测知H3=-282.98）。于是可根据Hess定律求出H2,Hess定律应用CO的生成热的计算,由Hess定理知：DrHmH2H3DH2DrHmDH3(-393.51)-(-282.98)-110.53kJmol-1,Hess定律应用CO的生成热的计算,重要推论:可用加加减减的方法处理化学反应的方程式及其焓变，以计算未知的或难以由实验测定的反应焓变。,若某化学反应是在等压下一步完成的，在分步完成时，各分步也要在等压下进行；在应用Hess定律进行计算过程中，要消去某同一物质时，不仅要求该物质的种类相同，而且其聚集状态也要相同。,应用Hess定律时注意：,1.4.3应用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变,1.标准状态,2.标准摩尔生成焓,3.标准摩尔反应焓变的计算,1.标准状态（标准态）,对于气体：处于标准压力(P=100kPa)下纯气体的状态；对于液体：处于标准压力(P)下最稳定的纯液体的状态；对于固体：处于标准压力(P)下最稳定的纯固体的状态；对于溶液中的溶质：处于标准压力(P)下质量摩尔浓度为1molkg-1(常近似于1molL-1)时的状态。上述各物质的标准态没有对温度的规定！-称为摩尔反应焓变称为标准摩尔反应焓变,在标准态下，由最稳定的纯态单质生成单位物质的量（1mol）的某物质时的焓变（或恒压反应热Qp）,称为该物质的标准摩尔生成焓。单位kJmol-1，温度常为298.15K,2.标准摩尔生成焓（）,如：CO的标准摩尔生成焓是2C+O2=2CO的恒压反应热（焓变）再如：C(石墨,s)+O2(g)CO2(g)Qp=rHm=-393.51kJmol-1,则根据定义CO2的标准摩尔生成焓=-393.51kJmol-1,物质的标准摩尔生成焓数据可查询已知的标准热力学数据表（P535附录4）,观察附录4的热力学数据可得到那些结论？,注意标准摩尔反应焓变和标准摩尔生成焓的区别！,根据的定义，规定了最稳定单质的=0,存在多种同素异性体的元素，可通过查热力学数据表知道最稳定的单质是哪一种，如P有白磷、红磷等单质，查表而，可知白磷是磷的最稳定的单质。,除了NO、NO2、C2H2(g)等少数物质以外，绝大多数常见化合物的标准摩尔生成焓都是负值。这反映一个事实，即由单质生成化合物时一般都是放热的。,观察附录4的热力学数据可得到那些结论？,C的同素异性体中石墨是最稳定，则例：C(石墨)C(金刚石)则有：,所以，代数值越小，该化合物越稳定。,根据的数值可计算，反之亦可。还可用于判断同类型化合物的相对稳定性。,注意：规定：最稳定单质的标准摩尔生成焓只有最稳定单质的标准摩尔生成焓为零。例如：同一物质在不同聚集状态下，不同。例如：,3.标准摩尔反应焓变的计算,通过标准摩尔生成焓计算,化学反应的标准摩尔反应焓变等于所有生成物的标准摩尔生成焓的总和减去所有反应物的标准摩尔生成焓的总和。,任一反应：cC+dD=yY+zZ的标准摩尔反应焓变为：,查询物质的标准摩尔生成焓的已知数据，利用公式即可计算出反应的标准摩尔反应焓变,例：计算恒压反应4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g)的标准摩尔反应焓变，并判断它是吸热还是放热反应？解：,查附录4得数据,根据公式,