第二章-1化学反应热PPT课件

1、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

2、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

3、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,H2 H2S CO2,粉笔灰 石灰,冰 水,- - -,- - -,-

4、- -,- - -,- - -,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

5、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

6、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=-PV )； 非体积功 W。 单位：J 或 kJ。 W 不是状态函数； 系统对环境作功: W 0,20,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

7、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=BBB,其中B的符号： 反应物为负；

8、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/mol 3.0 10.0 0 0,t1时 nB/mol 2.0 7.0 2.0,t2时 nB/mol 1.5 5.5 3.0,26,反应进度必须对应具体的反应方程式,2.0 7.0 2.0 (mol,3.0 10.0 0 (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，

9、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）=3 N2（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，

10、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3.03 L，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=-PV-P(V2-V1)=PV2=-1x 3.033.03(atm

11、.L)-3.030.1013-0.307(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+W4.268-0.3073.96(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

12、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

13、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 -PV =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

14、）+ 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： H 0 QP 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CO

15、2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： rHm1rHm2+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=-393.5kJmol-1 （3） CO（g）+O2（g）CO2（g）rHm3=-283.0kJmol-1 所以反应 （2） C（s）+O2（g）CO（g）的 rHm，2rHm，1-rHm，3-393.5kJmol-1-（-283.0kJ

16、mol-1） -110.5 kJmol-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=irHi,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）

17、C（石墨）+ O2（g） = CO（g） rH= -110.5 kJmol-1 （3）H2（g）+ O2（g）= H2O（g） rH= -242kJmol-1 （4）C（石墨）+ O2（g）= CO2（g） rH= -393.5kJmol-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= -41 kJmol-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

18、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rHm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

19、明，一般都是T298K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kJmol-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

20、，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）=1.91k

21、Jmol-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,226.73 0 393.51 285.83,60,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 fHm/kJmol-1 -395.7 635.1 -1434.1 则有 rHm =（-1434.1+395

22、.7+635.1） kJmol-1 = -403.3 kJmol-1 例15 试计算反应 2NO（g） N2（g）+O2（g）的标准焓变 fHm/kJmol-1 180.5 0 0 则有 rHm=-180.5 kJmol-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49.945KJmol-1，发热量很大，燃烧火焰温度可达30003100,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