第一章化学反应中的质量关系和能量关系(2)

1、第一章化学反应中的质量关系第一章化学反应中的质量关系和能量关系和能量关系 第三节第三节 化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系1.3.1 应用化学反应方程式的应用化学反应方程式的计算计算化学反应方程式化学反应方程式：根据质量守恒定律，用：根据质量守恒定律，用元素符号和化学式表示化学变化中质和量元素符号和化学式表示化学变化中质和量关系的式子。关系的式子。 12NaOH + H2SO4 Na2SO4+ 2H2O配平的化学反应方程式表明反应中各物质的配平的化学反应方程式表明反应中各物质的量之比等于其化学式前的系数之比。量之比等于其化学式前的系数之比。则可从已知反应物的量则可从已知反应物的量, ,计

2、算生成物的计算生成物的理论产量理论产量; ;或从所需产量计算反应物的或从所需产量计算反应物的量。量。1.3.2 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： 2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得得 0 =CC +DD +YY + ZZ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 BBBB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数字或简分数，称为数字或简分数，称为(物质物质)B的化学计量数。的化学计量数。读作读作

3、niu 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。产物的化学计量数为正。例例N2 + 3H2 = 2NH3N2、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 3反应进度反应进度反应进度反应进度：表示化学反应进行程度的量。：表示化学反应进行程度的量。 用用(克赛克赛)表示，单位是表示，单位是mol。 40 B BB BB对于化学计量方程式微分：对于化学计量方程式微分：d = B-1dnB改写为改写为 dnB = B

4、 d从反应开始时从反应开始时0=0时的时的nB(0)积分到积分到时的时的nB()得：得： nB()-nB(0)=B(-0)则则 nB =B 反应进度反应进度 5即任一化学反应各反应物及产物的改变量即任一化学反应各反应物及产物的改变量(nB)均与反应进度均与反应进度()及各自的计量系数及各自的计量系数(B)有关。有关。如：对产物如：对产物B 若若00、nB(0)0则则 nB B例例反应：反应：N2 + 3H2 = 2NH3N2、H2、NH3的化学计量数的化学计量数 (N2) = -1、(H2) = -3、(NH3) = 2当当0 00 0时时, ,若有足够量的若有足够量的N N2 2和和H H2

5、 2、n n(NH(NH3 3) )0 0根据根据 n nB B B B、 n nB B/ /B B n(N2)/mol n(H2)/mol n(NH3)/mol/mol0000 - -1 -1-321-2-642121232 6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如：当例如：当 = 1mol时时反应方程式反应方程式 N2+ H2=NH3N2+3H2=2NH3 n(N2)/mol -1 n(H2)/mol -3 n(NH3)/mol1212123232 7第一章化学反应中的质量关系第一章化学反应中的质量关系和能量关系和能量关系 第四节第四节 化学反应中的能量关系化学反

6、应中的能量关系 1.4 化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系 化学反应过程往往伴随有能量的吸收或释放。化学反应过程往往伴随有能量的吸收或释放。 91.4.1 基本概念和术语基本概念和术语体系体系：划分出来作为研究对象的物质和空间。：划分出来作为研究对象的物质和空间。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。体系和环境体系和环境 10体系体系环境环境物质物质能量能量1.4.1 基本概念和术语基本概念和术语体系体系：划分出来作为研究对象的物质和空间。：划分出来作为研究对象的物质和空间。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

7、一定联系的 其它物质或空间。其它物质或空间。体系和环境体系和环境孤立体系孤立体系 11敞开体系敞开体系封闭体系封闭体系状态状态：体系宏观性质的综合表现。：体系宏观性质的综合表现。状态函数状态函数：描述体系性质的物理量。：描述体系性质的物理量。 如：物质的量、压力、体积、温度如：物质的量、压力、体积、温度 12状态和状态函数状态和状态函数n状态函数的特征状态函数的特征n（1）状态一定，状态函数的值一定）状态一定，状态函数的值一定：一个体系的一个体系的某个某个状状态函数的值态函数的值改变改变, 该该体系的状态就改变体系的状态就改变了。了。 例：例： 状态状态1 状态状态2 p = 101.325

8、kPa p = 320.5 kPa n（2）殊途同归变化量相等。）殊途同归变化量相等。 例：例：始态始态 T1 298 K 350 K T2 终态终态 520 K 410 K （ 过程过程1 ， 过程过程2 ） 过程过程1 和和 过程过程2：T = T2 - T1 = 350 K 298 K = 52 K 状态函数的状态函数的变化量变化量只取决于只取决于始态始态和和终态终态, 而与而与过程或途经过程或途经无无关。关。且规定：状态函数变化量 = 终态值 - 始态值 13n（3）周而复始变化为零）周而复始变化为零 （循环循环过程过程X = 0） 始态始态T1、终态、终态 T2 ： 298 K 35

9、0 K 520 K 410 K T = T2 - T1 = 298 K 298 K = 0 K对于对于任意循环过程任意循环过程(始态与终态相同始态与终态相同)，任何一个，任何一个状状态函数的变化均为零。态函数的变化均为零。一个物理量，若一个物理量，若同时具备以上同时具备以上3个特征个特征, 它它就是就是“状状态函数态函数”，否则就不是状态函数。，否则就不是状态函数。 14功和热是体系的状态发生变化时，体系和环境传功和热是体系的状态发生变化时，体系和环境传 递能量的两种形式。递能量的两种形式。热热(Q)：体系和环境之间因存在温差而传递的能量：体系和环境之间因存在温差而传递的能量 15功和热功和热

10、功功(W)：除了热之外其它方式传递的能量：除了热之外其它方式传递的能量功功体积功体积功: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，如电功体系体系吸热吸热，Q为为正值正值；体系；体系放热放热，Q为为负值负值。系统对环境做功，系统对环境做功，W0（得功）（得功）规定：规定：注意注意 功和热不是状态函数功和热不是状态函数 单位均为单位均为J、kJ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。由于体系内部质点的运动及相互作用很复杂，所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。以体系热

11、力学能的绝对值无法测知。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) 16热力学能热力学能(以往称内能以往称内能)在任何变化过程中，能量不会自生自灭，只能在任何变化过程中，能量不会自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式，能量总值不变。从一种形式转化为另一种形式，能量总值不变。 17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。1.4.2 反

12、应热和反应焓变反应热和反应焓变化学反应时，如果化学反应时，如果体系不做非体积功体系不做非体积功，当反，当反应终态的应终态的温度恢复到始态的温度温度恢复到始态的温度时，体系所时，体系所吸收或放出的热量，称为该反应的吸收或放出的热量，称为该反应的反应热反应热。1摩摩尔尔Q 18 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化学反应在恒温恒压条件下，如果如果体系不做非体积功体系不做非体积功，此时的反应热称此时的反应热称为该反应的恒压反应热。为该反应的恒压反应热。有气体参入的反应：有气体参入的反应：反应始态反应始态(1)反应终态反应终态(2) U = Qp

13、+ 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 19 焓变焓变 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法测知 H = H2 - H1 = Qp 20 反应焓变反应焓变 H = H2 - H1 = Qp化学反应在封闭体系中、恒压条件不化学反应在封闭体系中、恒压条件不做非体积功时：做非体积功时：吸热

14、吸热反应反应：Qp 0, H 0放热放热反应反应：Qp 0, H 0 HQ H 12 21热化学方程式：表示化学反应与热效应关系热化学方程式：表示化学反应与热效应关系 的方程式的方程式。 22热化学方程式热化学方程式 rHm = -241.82 kJmol-1H2(g) + O2(g) H2O(g) 298.15K100kPa如如12表示在表示在298.15K、100kPa下，当反应进度下，当反应进度 =1mol时时(1mol H2(g)与与0.5mol O2(g)反应，反应，生成生成1molH2O(g)时时)，放出，放出241.82kJ热量。热量。注意！注意！1.1.要配平并注明反应的温度、

15、压力。要配平并注明反应的温度、压力。（298.15K298.15K和和100kPa100kPa可略去不写可略去不写）2.2.注明各物质的聚集状态。注明各物质的聚集状态。 23 3.3.同一反应同一反应, ,反应式系数不同反应式系数不同, , r rH Hm m不同不同 。2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) rHm = -483.64 kJmol-1 H2(g) +0.5 O2(g) H2O(g) rHm = -241.82kJmol-14.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。 HgO(s) Hg(l) + 0.5O2(g) rHm = 90.8

16、3 kJmol-1 Hg(l) +0.5O2(g) HgO(s) rHm = -90.83 kJmol-1聚集状态：聚集状态：s-solid (固体固体),l-liquid(液体液体),g-gas(气体气体);固体可有不同晶形：固体可有不同晶形： C(石墨石墨), C(金刚石金刚石) 在恒温恒压或恒温恒容条件下，体系不做非体积在恒温恒压或恒温恒容条件下，体系不做非体积功，一个过程无论一步完成，还是分数步完成，功，一个过程无论一步完成，还是分数步完成，其热效应相同。或说，其热效应相同。或说，“反应焓变与途径无关反应焓变与途径无关”。C(s) + O2(g) rHm CO(g) + O2(g)12

17、 H1 H2CO2(g) rHm= H1+ H2应用赫斯定律不仅可计算某些恒压反应应用赫斯定律不仅可计算某些恒压反应热，而且可计算难以或无法用实验测定热，而且可计算难以或无法用实验测定的反应热。的反应热。 H1 = rHm- H2=(-393.51)-(282.98)kJmol-1=-110.53 kJmol-1 241.4.3 应用标准摩尔生成焓计算标准应用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变摩尔反应焓变 25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

18、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) 未指定温度时常用未指定温度时常用298.15 K. 非非298.15 K，必须写出必须写出。 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓定义：标准态及指定温度，由最稳定的纯态单质定义：标准态及指定温度，由最稳定的纯态单质生成单位物质的量的某物质的焓变生成单位物质的量的某物质的焓变(即恒压反应即恒压反应热热)。符号符号 fHm单位：单位： kJmol-12. 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

19、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 26请思考：下列物质的标准摩尔生成焓可用请思考：下列物质的标准摩尔生成焓可用哪些反应的标准摩尔焓变来表示？哪些反应的标准摩尔焓变来表示？ f Hm(Fe2O3,s,298.15K) f Hm(CO2,g,298.15K) f Hm(CH4,g,298.15K) f Hm(H2SO4,l,298.15K)2Fe(s)+ O2(g)=Fe2O3(s)23C(s)+ O2(g)=CO2(g)C(s)+ 2H2(g)=CH4(g)S(s)+ 2O2(g)+H2(g)=H2SO4 (l) 27 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的标准摩尔生成焓的总和减去反应物的标准摩尔生成焓的总和。准摩尔生成焓的总和。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) + d fHm(D) rHm =i fHm