普通化学浙江大学-绪论、第一章热化学与能源ppt课件

1、首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页如何开始你的如何开始你的大学生活？大学生活？首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页一、明确目标一、明确目标二、养成好习惯二、养成好习惯首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页绪绪 论论首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1. 1. 化学的地位和作用化学的地位和作用一、为什么学一、为什么学首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2 2、从素质教育的角度、从素质教育的角度美国大学生美国大学生10

2、0学时学时/年年;日本日本170学时学时/年年俄罗斯俄罗斯85-150学时学时/年年1901-1974诺贝尔化学奖有化学家诺贝尔化学奖有化学家37位，位，1989-2019诺贝尔化学奖中有诺贝尔化学奖中有24名美国人。名美国人。我国从我国从90年代未开始在化学远源专业开设年代未开始在化学远源专业开设普通化学或大学化学课。普通化学或大学化学课。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3 3、从专业角度讲、从专业角度讲钻井钻井在泥浆和固井中起重要作用在泥浆和固井中起重要作用开采开采提高采收率提高采收率集输集输一采即自喷可采出一采即自喷可采出8-15%8-15%二采即机械采可采出二采即机械采可采出2

3、5-45%25-45%三采可即化学采油采出三采可即化学采油采出45-70%45-70%首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2.2.学什么学什么1.1.学习目的学习目的按照国家教委制定的教学大纲：要求按照国家教委制定的教学大纲：要求掌握基础知识，基本技能及在工程中掌握基础知识，基本技能及在工程中的应用，培养学生的化学观点。的应用，培养学生的化学观点。二二.学什么学什么首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页三三. .怎么学怎么学 大学化学的学习方法与中学有很大学化学的学习方法与中学有很大的不同。大的不同。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页四、参考

4、书四、参考书1. 1. 化学与现代文明化学与现代文明 王明华王明华2. 2. 大学化学大学化学 重庆大学重庆大学3. 3. 无机化学无机化学 天津大学天津大学4. 4. 大学化学大学化学 刘国园刘国园首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页 就化学反应而言，人们对以下几就化学反应而言，人们对以下几个问题比较关心：个问题比较关心：1、化学反应在一定条件下能否进行？、化学反应在一定条件下能否进行？2、化学反应过程中的能量如何转换？、化学反应过程中的能量如何转换？4、化学反应进行的速率？反应机理？、化学反应进行的速率？反应机理？3、反应进行的程度？、反应进行的程度？化学热力学化学热力学化学热力学化学

5、热力学化学热力学化学热力学化学动力学化学动力学首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页化学热力学：研究化学反应中热与其他化学热力学：研究化学反应中热与其他 形式能量相互转换的科学形式能量相互转换的科学研究内容：研究内容：1、以热力学第一定律为基础、以热力学第一定律为基础 研究化学反应的能量转换研究化学反应的能量转换 （热效应即热化学（热效应即热化学 2、以热力学第二定律为基础、以热力学第二定律为基础 研究一定条研究一定条 件下反件下反 应进行应进行 的方向和程度的方向和程度首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页研究对象：宏观物体研究对象：宏观物体研究方法：热力学以三大定律为基础，只研究方法：

6、热力学以三大定律为基础，只 考虑始态和末态考虑始态和末态,不考虑过程不考虑过程.研究意义：研究意义：1、有科学预见性，为实践、有科学预见性，为实践 作指导作指导 2、为设计提供依据、为设计提供依据首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页第一章第一章热化学与能源热化学与能源首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页本章学习要求：本章学习要求： 了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等化学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力学能变的关系。容热效应与热力学能变的关系。了解定容热效应了解定容热效应(

7、qv)的测量原理。熟悉的测量原理。熟悉qv的实验的实验 计计算方法。算方法。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1 .11 .1几个基本概念几个基本概念体系：作为研究对象的那一部分物质和空间体系：作为研究对象的那一部分物质和空间环境：体系之外，与系统密切联系的其它物质环境：体系之外，与系统密切联系的其它物质 和空间和空间分类分类: :开放体系开放体系有物质和能量交换有物质和能量交换封闭体系封闭体系只有能量交换只有能量交换1. 1. 体系与环境体系与环境隔离体系隔离体系无物质和能量交换无物质和能量交换首页首页上一页上一页下一页下

8、一页末页末页2. 体系的性质体系的性质体系的宏观性质体系的宏观性质如温度、体积、压力如温度、体积、压力首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3. 状态与状态函数状态与状态函数状态函数状态函数: :用于表示系统性质的物理量用于表示系统性质的物理量X X 称状态函称状态函 数，如气体的压力数，如气体的压力p p、体积、体积V V、温、温度度T T 等。等。状态状态: :系统一切性质的总和。系统一切性质的总和。状态函数的性质：状态函数的性质： 状态函数是状态的单值函数。状态函数是状态的单值函数。当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始、末态有

9、关，而与变化的实际途径无关。系统的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。状态函数的类型：广度性质状态函数的类型：广度性质(V)，强度性质，强度性质(P、T，E)。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页 途径途径1 1 途径2 600C 500C 400C显然：显然：T1= T2， q2 q1 与过程有关与过程有关放半小时放半小时首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页4. 4. 过程与途径过程与途径 系统状态发生任何的变化称为过程；系统状态发生任何的变化称为过程； 实现一个过程的具体步骤称途径。实现一个过程的具体步骤称途径。恒温过程、恒压过程、恒容过程、绝热过程、多恒温过程、恒压过程、恒容过

10、程、绝热过程、多变过程变过程首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页5. 5. 化学计量数化学计量数BBB0ZYBAzyba若化学反应计量式为若化学反应计量式为 物质物质B的化学计量数的化学计量数BzybaZYBA首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页对任一反应对任一反应: aA+bB = dD+eE: aA+bB = dD+eE若选择的始态的反应进度不为零，则该过程的反若选择的始态的反应进度不为零，则该过程的反应进度的变化应进度的变化为：为：iinnn126. 6. 反应进度反应进度 ( (法定计量单位法定计量单位) ) 反应进度的单位是摩尔反应进度的单位是摩尔molmol），与化学计量数

11、的选配有关），与化学计量数的选配有关BBBBB0)()(nnn首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页 gNH2gH3gN322时时时210tttmol/mol/mol/BBBnnn 3.0 10.0 0 0 2.0 7.0 2.0 1 1.5 5.5 3.0 2 mol5.1mol0.12mol)00.2(NHNHmol0.13mol)0.100.7(HHmol0.11mol)0.30.2(NN2331122112211nnn例：例：首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页热效应：指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。热效应：指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。研究纯物质化学和物理变化过程

12、中热效应的学科叫热化学。研究纯物质化学和物理变化过程中热效应的学科叫热化学。首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页（等容反应热可在弹（等容反应热可在弹式量热计中精确地测量。式量热计中精确地测量。测量反应热是热化学的测量反应热是热化学的重要研究内容。重要研究内容。图图1.3 1.3 弹式量热计弹式量热计1.2 1.2 反应热的测量反应热的测量1 .1 .反应热的实验测量方法反应热的实验测量方法首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页设有设有n moln mol物质完全反应，所放出的热量使弹式物质完全反应，所放出的热量使弹式量热计与恒温水浴的温度从量热计与恒温水浴的温度从T1T1上升到上升到T2

13、T2，弹式量，弹式量热计与恒温水浴的热容为热计与恒温水浴的热容为Cs(JK-1)Cs(JK-1)， 比热容比热容为为cs(JK-1kg-1 )cs(JK-1kg-1 )，那么：，那么：TCTTmcqs12ss)(nqq/m由于完全反应，由于完全反应， = n = n因此摩尔反应热：因此摩尔反应热：首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2. 2. 热化学方程式热化学方程式 标明反应温度、压力及反应物、生成物的量和状态；标明反应温度、压力及反应物、生成物的量和状态；书写热化学方程式时应注意：书写热化学方程式时应注意：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)N2H4(l)+O2

14、(g)=N2 (g) +2H2O (l)； 1mV,molkJ620q2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； 1molkJ570p,mq若不注明若不注明T, p, T, p, 皆指在皆指在T=298.15 KT=298.15 K，p=100kPap=100kPa下。下。 反应热与反应式的化学计量数有关；反应热与反应式的化学计量数有关； 一般标注的是等压热效应一般标注的是等压热效应qpqp。表示化学反应及其反表示化学反应及其反 应热关系的化学反应方程式：应热关系的化学反应方程式： 首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.3 1.3 反应热的理论

15、计算反应热的理论计算 并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：2C(s) + O2(g) = 2CO(g)2C(s) + O2(g) = 2CO(g)首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.3.1 1.3.1 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的的应用。的应用。WQUU12WQUU1221UU Q吸热得功得功WWQU 对于封闭体系热力对于封闭体系热力学第一定律为：学第一定律为：首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.1.热力学能内能热力学能内能U U）定义

16、定义: :体系内部能量的总和，内部运动包括分子的平体系内部能量的总和，内部运动包括分子的平 动、转动、振动以及电子运动和核运动。动、转动、振动以及电子运动和核运动。（1U 是广度性质的状态函数是广度性质的状态函数（2单位单位J、kJ（3绝对值无法测知绝对值无法测知注意注意首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2.2.热热 q q由于温差与环境交换的能量，过程量，不是体系的性质由于温差与环境交换的能量，过程量，不是体系的性质单位：单位：J J，kJkJ规定规定:q0 :q0 吸热，吸热，q0q0,W0,则体系对外做功则体系对外做功,W0 .,W 0 体系从环境吸收热量，吸热反应；体系从环境吸收

17、热量，吸热反应； H 0 体系向环境放出热量，放热反应。体系向环境放出热量，放热反应。 H = H2 - H1 = Qp首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2. 2. 定容反应热与定压反应热的关系定容反应热与定压反应热的关系知知定容反应热：定容反应热：qV = UqV = U定压反应热：定压反应热：qp = Up + p(V2 qp = Up + p(V2 V1) V1)等温过程，等温过程， UpUp UV UV，那么：，那么：对于有凝聚相参与的理想气体反应，只需考虑气体的物对于有凝聚相参与的理想气体反应，只需考虑气体的物质的量。质的量。H H U = qp U = qp qV = p(V

18、2 qV = p(V2 V1) V1)qp qp qV = n2(g)RT qV = n2(g)RT n1(g)RT = n1(g)RT = n(g)RTn(g)RT对于理想气体反应，有：对于理想气体反应，有：qp,m qp,m qV,m = (g)RT qV,m = (g)RT首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页考虑：若反应考虑：若反应 C(C(石墨石墨) + O2(g) CO2(g) + O2(g) CO2(g) 的的qp,mqp,m为为393.5kJmol 393.5kJmol 1 1，则该反应的，则该反应的qV,m qV,m 为为多少？多少？答：该反应的答：该反应的n(g) = 0

19、n(g) = 0， qV = qp qV = qp 小结小结: : 对于没有气态物质参与的反应或对于没有气态物质参与的反应或n(g) = 0n(g) = 0的反应，的反应，那么那么:qV :qV qp qp 对于有气态物质参与的反应，且对于有气态物质参与的反应，且n(g)n(g)0 0的反应，的反应，那么那么:qV :qV qp qp大多数反应在等压下进行，不特别指明一般指等压热大多数反应在等压下进行，不特别指明一般指等压热效应效应首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页例例3 3：373.15K373.15K，101.325kPa101.325kPa下，下，2.0mol2.0mol的的H2H

20、2和和1.0molO21.0molO2反应，生成反应，生成2.0mol2.0mol的水蒸汽，共放出的水蒸汽，共放出484KJ484KJ的热量。求反应的的热量。求反应的HH、UU。解：因反应解：因反应: 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) : 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) 是在恒压下进是在恒压下进行行H=qP=-484KJH=qP=-484KJ； U = -484KJ-2-(2+1)(mol)U = -484KJ-2-(2+1)(mol)8.3148.31410-10-3KJ/(Kmol)3KJ/(Kmol)373K373K = -481KJ = -481KJqp qp qV

21、= n2(g)RT qV = n2(g)RT n1(g)RT = n1(g)RT = n(g)RTn(g)RT首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.3.31.3.3反应标准摩尔焓变的计算反应标准摩尔焓变的计算1. 1. 热力学标准态：热力学标准态：气体物质的标准态：分压为标准压力气体物质的标准态：分压为标准压力p0 p0 下表现下表现出理想气体性质的纯气体状态出理想气体性质的纯气体状态溶液中溶质溶液中溶质B B的标准态是的标准态是: :标准压力标准压力p0p0下，下，c0 =1.0 c0 =1.0 (mol.dm-3)(mol.dm-3)液体或固体的标准态是液体或固体的标准态是: :标准

22、压力标准压力p0p0下的纯液体或下的纯液体或纯固体。纯固体。注意注意热力学标态热力学标态未限定温度未限定温度首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页或)(mrmriHHmrmrmr21HHH在恒压或恒容下，一个化学反应不管是在恒压或恒容下，一个化学反应不管是一步完成还是分几步完成，其反应热总一步完成还是分几步完成，其反应热总是相同的。是相同的。mrH,2mrH始态始态终态终态中间态中间态,1mrH那那么么2. 2. 盖斯定律盖斯定律 首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页(2)-(1) COO21C2式式112,1 ,3,molkJ5 .100molkJ)283(5 .393mrmr mrH

23、HH由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和。热也可以加和。12,molkJ0 .283 Hmr COO21CO22 COO21CO22例例4. 4. 已知反应已知反应 COOC22和和的反应焓，的反应焓，计算计算 COO21C2的反应焓。的反应焓。 COOC22解：解：11 ,molkJ5 .393 Hmr首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3. 3. 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓推论推论: :标准态指定单质的标准生成焓为标准态指定单质的标准生成焓为0 0。生成焓的负值。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。越大，表明该

24、物质键能越大，对热越稳定。标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质质B B时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作 mfH0考虑：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓考虑：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓( (反应物反应物和生成物都是标准态和生成物都是标准态)?)?(g) CO)g(O)C(22石墨 (g)CO)(O21CO(g)22g(1)(1)(4) (g) CO2)g(O)2C(2 石墨(2)(2)(3)(3)CO(g)(O21)C(2=+g金刚石金刚石首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页4. 4. 反应的

25、标准摩尔焓变的计算反应的标准摩尔焓变的计算参考态单质参考态单质反应物反应物标准状态标准状态生成物生成物标准状态标准状态 r Hm f Hm (p) f Hm (r)由盖斯定律，得：由盖斯定律，得：Bm,fBBmrHH标准状态下标准状态下, ,反应进度反应进度 = 1mol = 1mol的焓变称为反应的的焓变称为反应的标准摩尔焓变标准摩尔焓变: :记作记作)(m,rTH首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页解：从手册查得解：从手册查得298.15K时时Fe2O3和和Al2O3的标准的标准摩尔生成焓分别为摩尔生成焓分别为824.2和和1675.7kJmol-1。例例5：试计算铝热剂点火反应的：试

26、计算铝热剂点火反应的反应计量式为：反应计量式为：)K15.298(0mr H ) s (Fe2) s (OAl) s (OFe2Al(s)32321132mf32mfmrmolkJ5 .851molkJ)2 .842()7 .1675()K15.298,OFe()K15.298,OAl()K15.298( H HH首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页例例6:6:利用附表中的标准生成焓数据标准计算利用附表中的标准生成焓数据标准计算100gNH3(g)100gNH3(g)燃烧反应的热效应。燃烧反应的热效应。解：反应式为解：反应式为 4NH3(g) + O2(g) = 4NO(g) + 4NH3

27、(g) + O2(g) = 4NO(g) + 6H2O(g) 6H2O(g) fHom (kJ/mol) -46.1 0 90.4 -fHom (kJ/mol) -46.1 0 90.4 -241.8241.8 molkJ /8 .90405)1 .46(4)8 .241(6)4 .90(4Hmr100gNH3(g)100gNH3(g)完全燃烧后放热为完全燃烧后放热为kJkJmolgg133148 .904)/(17100返回返回首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页本卷须知本卷须知 物质的聚集状态，查表时仔细物质的聚集状态，查表时仔细应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时应用物质的标

28、准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时需要注意需要注意 公式中化学计量数与反应方程式相符公式中化学计量数与反应方程式相符 数值与化学计量数的选配有关；数值与化学计量数的选配有关； 温度的影响温度的影响)K15.298()(mrmr HTH首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页例例7 7： 设反应物和生成物均处于标准状态，计算设反应物和生成物均处于标准状态，计算1mol1mol乙炔完全燃烧放出的能量。乙炔完全燃烧放出的能量。 )(OH)g(CO2)g(O25)g(HC22222l解：从手册查得解：从手册查得298.15K298.15K时，各物质的标准摩尔生成时，各物质的标准摩尔生成焓如下。焓如下。1

29、mfmolkJ/ )K298( H226.73 0 -393.509 -285.83226.73 0 -393.509 -285.83)1molkJ(58.129973.226250)83.285()509.3932)15.298,B()15.298(mfBBmr K HKH首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页复习复习热热热效应热效应定义及分类定义及分类实验测定实验测定qvqv计算计算qp-qv=n(g)RTqp-qv=n(g)RTqp,mqp,mqV,m=(g)qV,m=(g)RTRT盖斯定律盖斯定律fHm0fHm0根据根据方法方法状态函数性质状态函数性质盖斯定律盖斯定律等温条件下的反应

30、热等温条件下的反应热分类分类: qp: qp、qvqv，当当W=0W=0时，时，qp=qp=H H，qv=qv=U U 过程量过程量 非体系性质非体系性质 计算复杂计算复杂热力学第一定律热力学第一定律首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页注意：注意：1 1、反应热不一定等于热效应，热效应是有条件的。、反应热不一定等于热效应，热效应是有条件的。2 2、注意几个符号的区别和意义：、注意几个符号的区别和意义： H H、 H0H0、 Hm0Hm0、fHm0fHm03 3、注意焓这广度性质的状态函数，故其计算值与化学、注意焓这广度性质的状态函数，故其计算值与化学计量数有关，因而与方程式写法有关。计量数

31、有关，因而与方程式写法有关。4 4、)K15.298()(mrmr HTH5 5、查表时仔细物质的聚集状态、查表时仔细物质的聚集状态6 6、注意参考态单质、注意参考态单质首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1、 U = q + W的适用条件是：（的适用条件是：（ ）A. 封闭系统封闭系统B. 封闭系统，不做非体积功封闭系统，不做非体积功C. 封闭系统，不做非体积功的等压过程封闭系统，不做非体积功的等压过程D. 封闭系统，不做非体积功的等温等压过程封闭系统，不做非体积功的等温等压过程2、以公式、以公式U = q pV表示的热力学第一定律表示的热力学第一定律,其适用条件是其适用条件是 （ ）A. 封闭系统封闭系统B. 封闭系统，不做非体积功封闭系统，不做非体积功C. 封闭系统，不做非体积功的等压过程封闭系统，不做非体积功的等压过程D. 封闭系统，不做非体积功的等温等压过程封闭系统，不做非体积功的等温等压过程思考题思考题A AC C首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页例例3:计算由水蒸发为水蒸气的计算由水蒸发为水蒸气的Hm0(298.15K) ?在在298.15k下下,2mol 的水蒸发成同温同压下的水蒸气的水蒸发成同温同压下的水蒸气, H0(298.15k) ?吸热多少吸热多少?做功多少做功多少?内能的增量内能的增量U?(设水的体积可忽略设水