第一章化学中的计量和质量关系2

1、* 1/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 第一章第一章 化学反应中的化学反应中的 质量关系和能量关系质量关系和能量关系 第二节第二节 化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系 * 2/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 1-2-2 化学计量数与反应进度化学计量数与反应进度 化学计量数化学计量数( () )【读音读音nju:】 化学反应化学反应 cC + dD = = yY + zZ 移项移项 0 = -cC - dD + yY + zZ 令令 -c =C、-d =D、y =Y、z =Z 规定，反应物的化学计量数为负，规定，反应物的化学计量数为负， 产物的化学计量数为正

2、。产物的化学计量数为正。 * 3/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 1-2-2 化学计量数与反应进度化学计量数与反应进度 化学计量数化学计量数() ) 因此，对任一化学反应因此，对任一化学反应 cC + dD = = yY + zZ 可得：可得： 0 B BB B B 可简化写出化学计量式的通式：可简化写出化学计量式的通式： 0 =CC +DD +YY + ZZ B包含在反应中的分子、原子或离子包含在反应中的分子、原子或离子 B(物质物质)B的化学的化学计量数计量数【读音读音nju:】 * 4/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 例例 N2 + 3H2 = 2NH3

3、0 = N2 3H2 + 2NH3 =(N2)N2 +(H2)H2 +(NH3)NH3 N2、H2、NH3的化学计量数的化学计量数 (N2) =1、(H2) =3、(NH3) = 2 表明反应中每消耗表明反应中每消耗1mol N2和和3mol H2 生成 生成2mol NH3 * 5/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 反应进度反应进度 0 B BB B B 对于化学计量方程式对于化学计量方程式 d = dnB /B nBB的物质的量的物质的量 的单位为的单位为mol，【读音读音ksai】 B为为B的化学计量数的化学计量数 改写为改写为 dnB = B d 开始时开始时0=0, 、

4、 nB = 反应进度为反应进度为时：时： nB =B * 6/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 反应进度反应进度 nB =B 即任一化学反应各反应物及产物的改即任一化学反应各反应物及产物的改 变量变量( nB)均与反应进度均与反应进度()及各自的及各自的 计量系数计量系数(B)有关。有关。 * 7/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 例例 反应：反应：N2 + 3H2 = 2NH3 N2、H2、NH3的化学计量数的化学计量数 (N2) =1、(H2) =3、(NH3) = 2 根据根据 n nB B/ /B B 可确定反应进度。可确定反应进度。 * 8/32 徐州工程

5、学院化工学院徐州工程学院化工学院 选用反应式中何种物选用反应式中何种物 质的量的变化质的量的变化 例例 反应：反应：N2 + 3H2 = 2NH3 * 9/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 例如：当例如：当 = 1mol 时时 1 2 3 2 * 10/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 第一章第一章 化学反应中的化学反应中的 质量关系和能量关系质量关系和能量关系 * 11/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 第一章第一章 化学反应中的化学反应中的 质量关系和能量关系质量关系和能量关系 第三节第三节 化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系 * 12/32

6、 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 化学反应是反应物分子中旧化学反应是反应物分子中旧 键的削弱、断裂和产物分子新键键的削弱、断裂和产物分子新键 形成的过程。前者需要吸收能量形成的过程。前者需要吸收能量, , 后者则会释放能量。后者则会释放能量。 因此，化学反应过程往往伴因此，化学反应过程往往伴 随有能量的吸收或释放。随有能量的吸收或释放。 * 13/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 如：煤燃烧时放热；如：煤燃烧时放热； 碳酸钙分解要吸热；碳酸钙分解要吸热； 原电池反应可产生电能；原电池反应可产生电能； 电解食盐水要消耗电能；电解食盐水要消耗电能； 镁条燃烧时会放出耀眼的光

7、；镁条燃烧时会放出耀眼的光； 叶绿素在光作用下使二氧化碳叶绿素在光作用下使二氧化碳 和水转化为糖类。和水转化为糖类。 * 14/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 体系和环境体系和环境 体系体系: 研究的对象。研究的对象。 环境环境: 体系之外与体系有一定联系的体系之外与体系有一定联系的 其它物质或空间。其它物质或空间。 体系体系环境环境 物质物质 能量能量 体系体系 敞开体系敞开体系 封闭体系封闭体系 孤立体系孤立体系 * 15/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 状态和状态函数状态和状态函数 状态函数状态函数 能表征体系特性的宏观性质称为状态函数能表征体系特性的宏观

8、性质称为状态函数 如：物质的量、压力、体积、温度等。如：物质的量、压力、体积、温度等。 状态函数的特点状态函数的特点 (1)体系的状态一确定，各状态函数均有确体系的状态一确定，各状态函数均有确 定值。定值。 (2)体系状态发生变化时，各状态函数的改体系状态发生变化时，各状态函数的改 变量，只与始态和终态有关，与变化的变量，只与始态和终态有关，与变化的 途径无关。途径无关。 * 16/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 状态和状态函数状态和状态函数 状态函数的特点状态函数的特点 (1)体系的状态一确定，各状态函数均有确体系的状态一确定，各状态函数均有确 定值定值 (2)体系状态发生变

9、化时，各状态函数的改变体系状态发生变化时，各状态函数的改变 量，只与始态和终态有关，与变化的途径无关量，只与始态和终态有关，与变化的途径无关 (3)描述体系所处状态的各状态函数之间是描述体系所处状态的各状态函数之间是 有联系的有联系的 理想气体理想气体 T=280K 理想气体理想气体 T=300K 理想气体理想气体 T=350K T1=350K-300K=50K T2=(350-280)K+(280-3000)K=50K * 17/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 功和热功和热 热热(Q)：体系和环境之间因温度不同而传递或：体系和环境之间因温度不同而传递或 交换的能量的形式。交换

10、的能量的形式。 功和热功和热是体系的状态发生变化时，体系与环境是体系的状态发生变化时，体系与环境 之间传递或交换能量的两种形式。之间传递或交换能量的两种形式。 体系吸热，体系吸热，Q为正值；体系放热，为正值；体系放热，Q为负值为负值 功功(W)：除了热之外，体系与环境之间其它的：除了热之外，体系与环境之间其它的 传递或交换能量的形式。传递或交换能量的形式。 功功 体积功体积功:体系体积变化反抗外力所做的功体系体积变化反抗外力所做的功 非体积功非体积功: 除体积功外的功，如电功除体积功外的功，如电功 环境对体系做功，环境对体系做功，W为正值；为正值； 体系对环境做功，体系对环境做功，W为负值。为

11、负值。 注意注意 单位均为单位均为J、kJ 功和热不是状态函数功和热不是状态函数 * 18/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 热力学能热力学能(以往称内能以往称内能) 热力学能热力学能(U)体系内部能量的总和。体系内部能量的总和。 包括体系内分子的内动能、分子间相互作用包括体系内分子的内动能、分子间相互作用 能、分子内部能量，但不包括体系能、分子内部能量，但不包括体系 整体运动整体运动 的动能和在外力场中的位能。的动能和在外力场中的位能。 由于体系内部质点的运动及相互作用很复杂，由于体系内部质点的运动及相互作用很复杂， 所以体系热力学能的绝对值无法测知。所以体系热力学能的绝对值无

12、法测知。 单位单位J、kJ 是状态函数是状态函数 U = U(终态终态) - U(始态始态) * 19/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 在任何变化过程中，能量不会自生自灭，只在任何变化过程中，能量不会自生自灭，只 能从一种形式转化为另一种形式，能量总值能从一种形式转化为另一种形式，能量总值 不变。不变。 能量守恒定律能量守恒定律热力学第一定律热力学第一定律 封闭体系：始态封闭体系：始态(1) 终态终态(2) U = U2 - U1 = Q + W 热力学能的变化等于体系从环境吸收的热热力学能的变化等于体系从环境吸收的热 量加上环境对体系所做的功。量加上环境对体系所做的功。 *

13、20/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 反应热：反应热：化学反应时，如果体系不做非体积功，化学反应时，如果体系不做非体积功， 当反应终态的温度恢复到始态的温度时，体系所当反应终态的温度恢复到始态的温度时，体系所 吸收或放出的热量，称为该反应的反应热。吸收或放出的热量，称为该反应的反应热。 Q 1mol * 21/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 恒压反应热和反应焓变恒压反应热和反应焓变 恒压反应热恒压反应热: 化学反应在恒温恒压条件下进化学反应在恒温恒压条件下进 行，如果体系不做非体积功，此时的反应热行，如果体系不做非体积功，此时的反应热 称为该反应的恒压反应热。称

14、为该反应的恒压反应热。 有气体参与的反应：有气体参与的反应： 反应始态反应始态(1)反应终态反应终态(2) U = Qp + W = Qp - p V 恒压反应热不等于体系热力学能的变化恒压反应热不等于体系热力学能的变化 * 22/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 反应焓变反应焓变 U = Qp + W = Qp - p V U2-U1=Qp - p (V2-V1) Qp=(U2+pV2) (U1+ pV1) 焓焓: H = U + PV 说明：（说明：（1）H 无明确物理意义无明确物理意义 （2）H 是状态函数是状态函数 （3）单位）单位J、kJ （4）绝对值无法测知）绝对值无

15、法测知 Qp = H2 - H1 = H * 23/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 反应焓变反应焓变 H = H2 - H1 = Qp 化学反应在封闭体系中、恒压条件下进行，化学反应在封闭体系中、恒压条件下进行， 如果体系不做非体积功：如果体系不做非体积功： 化学反应的焓变等于恒压反应热化学反应的焓变等于恒压反应热 吸热反应吸热反应：Qp 0, H 0 放热反应放热反应：Qp 0, H 0 HQ H * 24/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 热化学方程式热化学方程式 表示化学反应与热效应关系的方程式表示化学反应与热效应关系的方程式 rHm摩尔反应焓变摩尔反应焓变

16、 rHm = -241.82 kJmol-1 H2(g) + 1/2 O2(g) H2O(g) 298.15K 100kPa 如如: 表示在表示在298.15K、100kPa下，当反应进度下，当反应进度 = 1 mol时时(1mol H2(g)与与1/2mol O2(g)反应，生反应，生 成成1 mol H2O(g)时时), 放出放出241.82kJ热量。热量。 * 25/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 注意：注意： 1.注明反应的温度、压力等注明反应的温度、压力等; 2.注明各物质的聚集状态注明各物质的聚集状态; 3.同一反应同一反应, 反应式系数不同反应式系数不同, rHm

17、不同不同; 4.正、逆反应的正、逆反应的Qp的绝对值相同的绝对值相同, 符号相反符号相反. 如如: rHm = -241.82 kJmol-1 H2(g) +1/2O2(g) H2O(g) 298.15K 100kPa rHm = -483.64 kJmol-1 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) HgO(s) Hg(l) + O2(g) rHm = 90.83 kJmol-1 1 2 Hg(l) + O2(g) HgO(s) rHm = -90.83 kJmol-1 1 2 * 26/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 在恒温恒压或恒温恒容条件下，体系不做非体积功，在恒

18、温恒压或恒温恒容条件下，体系不做非体积功， 则反应热只取决于反应的始态和终态，而与变化过程则反应热只取决于反应的始态和终态，而与变化过程 的具体途径无关。的具体途径无关。 即化学反应的焓变只取决于反应的始态和终态，而与即化学反应的焓变只取决于反应的始态和终态，而与 变化过程的具体途径无关。变化过程的具体途径无关。 C(s) + O2(g) rHm CO(g) + 1/2 O2(g) H1 H2 CO2(g) rHm= H1+ H2 应用赫斯定律可以计算难以测定或无法应用赫斯定律可以计算难以测定或无法 用实验测定的反应热。用实验测定的反应热。 H1 = rHm- H2=(-393.51)-(28

19、2.98)kJmol-1 =-110.53 kJmol-1 * 27/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 标准标准(状状)态态 物质物质标准态标准态 气体气体标准压力标准压力(p=100kPa)下纯气体下纯气体 液体液体 固体固体 标准压力标准压力(p=100kPa)下下 纯液体、纯固体纯液体、纯固体 溶液中的溶液中的 溶质溶质 标准压力标准压力(p)下质量摩尔浓度为下质量摩尔浓度为 1molkg-1(近似为近似为1molL-1) ) * 28/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓 定义：标准态下，由最稳定的纯态单质生成定义：标准态下，由最稳

20、定的纯态单质生成1mol 某物质的焓变。某物质的焓变。 (即恒压反应热即恒压反应热) 符号：符号： fHm 单位：单位： kJmol-1 2. fHm 代数值越小代数值越小, 化合物越稳定化合物越稳定 3.必须注明温度，若为必须注明温度，若为298.15K时可省略时可省略 1.最稳定纯态单质最稳定纯态单质 fHm=0, 如如 fHm(石墨石墨)=0 注意：注意： 高温时分解高温时分解-157.3CuO(s) 加热不分解加热不分解-635.09CaO(s) 稳定性稳定性 fHm/(kJmol-1)物质物质 * 29/32 徐州工程学院化工学院徐州工程学院化工学院 标准摩尔反应焓变的计算标准摩尔反应焓变的计算 化学反应的标准摩尔反应焓变等于生成物的标准化学反应的标准摩尔反应焓变等于生成物的标准 摩尔生成焓的总和减去反应物的标准摩尔生成焓摩尔生成焓的总和减去反应物的标准摩尔生成焓 的总和。的总和。 化学反应：化学反应：cC + dD = yY + zZ (任一物质均处于温度任一物质均处于温度T 的标准态的标准态) rHm = y fHm(Y) + z fHm(Z) - c fHm(C)