化学反应中的质量和能量关系

1、2010.9 无机化学 主讲：秦华 2010.9 绪 言化学的分支学科简介一级学科 二级学科 三、四级学科 无机化学 无机材料化学 半导体化学 有机化学 无机元素化学 感光材料 分析化学 生物无机化学 陶瓷材料 化学 物理化学 无机配位化学 储能材料 结构化学 无机固体化学 永磁材料 生物化学 金属有机化学 超导材料 稀土化学 纳米材料 2010.9无机化学无机化学课程的主要内容课程的主要内容物物 质质 的的变化规律变化规律物质的制物质的制备与性质备与性质物质的形物质的形态与结构态与结构气液固体气液固体原子结构原子结构分子结构分子结构晶体结构晶体结构化学热力学化学热力学化学动力学化学动力学酸碱

2、平衡酸碱平衡沉淀平衡沉淀平衡氧化还原氧化还原络合平衡络合平衡元素通论元素通论s,ds区元素区元素p区元素区元素d区元素区元素f区元素区元素定性分析定性分析2010.91 学习态度 社会需要与个人志向相结合，求实创新。2 学习方法 培养良好学习习惯，提高课堂听课效率。3 做到三习 课前预习、课后复习，适当练习。4 课堂笔记 教材为主，教参为辅，广泛阅读期刊。5 重视实验 加强基本功训练。不怀疑不见真理。6 多多交流 大学的学习不单纯是理论知识的学习。无机化学学习方法2010.9第一章第一章 化学反应中的质量和能量关系化学反应中的质量和能量关系一、理想气体状态方程和分压定律一、理想气体状态方程和分

3、压定律二、化学计量数与反应进度二、化学计量数与反应进度三、化学反应中的能量关系三、化学反应中的能量关系主要内容：主要内容：2010.91.1 物质的聚集态和层次物质的聚集态和层次第一章第一章 化学反应中的质量和能量关系化学反应中的质量和能量关系1 物质三态物质三态 1.1.1 物质的聚集态物质的聚集态2010.92 等离子态等离子态 2010.91.1.2 物质的层次物质的层次2010.91.2 化学中的计量化学中的计量1.2.1 相对原子质量和相对分子质量相对原子质量和相对分子质量第一章第一章 化学反应中的质量和能量关系化学反应中的质量和能量关系1 相对原子质量相对原子质量 （原子量）（原子

4、量）元素元素：具有相同质子数的一类单核粒子的总称。具有相同质子数的一类单核粒子的总称。同位素同位素：质子数相等而中子数不等的同一元素不同原子互称为同质子数相等而中子数不等的同一元素不同原子互称为同位素。位素。例如：氧元素有三种同位素：例如：氧元素有三种同位素：16O、17O、18O碳元素有两种同位素：碳元素有两种同位素：12C、13C。在周期表上占有同一位置，化学行为几乎相同，但原子质量不同，在周期表上占有同一位置，化学行为几乎相同，但原子质量不同，从而其质谱行为、放射性转变和物理性质从而其质谱行为、放射性转变和物理性质(例如在气态下的扩散例如在气态下的扩散本领本领)有所差异。有所差异。201

5、0.9相对原子质量相对原子质量（Ar)：元素原子的平均质量与核素元素原子的平均质量与核素12C原子质量的原子质量的 1/12之比。之比。2 相对分子质量（相对分子质量（Mr）（分子量）（分子量）分子或特定单元的平均质量与核素分子或特定单元的平均质量与核素12C原子质量的原子质量的1/12之比。之比。一个分子的相对分子质量等于分子内所有原子的相对质量一个分子的相对分子质量等于分子内所有原子的相对质量之和。之和。1.2.2 物质的量（物质的量（n）及其单位）及其单位1 单位：单位：mol1mol=6.0221023 (NA)个个2 物质的量分数（摩尔分数物质的量分数（摩尔分数Xi）混合物中，某组分

6、混合物中，某组分i的物质的量与混合物的物质的量之比。的物质的量与混合物的物质的量之比。2010.91.2.3 摩尔质量（摩尔质量（M）和摩尔体积（）和摩尔体积（Vm）M=物质的质量（物质的质量（m）物质的量（物质的量（mol）单位：单位：kgmol-1或或gmol-1Vm=体积（体积（V）物质的量（物质的量（mol）1.2.4 物质的量浓度（物质的量浓度（Cn）Cn=niV单位：单位：molL-1单位：单位：m3mol-1或或Lmol-11、摩尔质量摩尔质量2、摩尔体积摩尔体积2010.91 理想气体状态方程式理想气体状态方程式PV=nRTP：Pa； V：m3； n：mol； T：K； R：8

7、.314Jmol-1K-1理想气体标准状况理想气体标准状况P=101325Pa，T=273.15K，n=1mol，V=22.41410-3 m31.2.5 气体的计量气体的计量2010.92 理想气体分压定律理想气体分压定律分压强分压强(Pi) ：在相同温度下，组分气体单独占有与混合气体相同在相同温度下，组分气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压强。体积时所产生的压强。分体积分体积(Vi)：组分气体与混合气体具有相同的温度、压强时所占组分气体与混合气体具有相同的温度、压强时所占有的体积。有的体积。Dalton分压定律：分压定律：混合混合气体的总压等于混合气气体的总压等于混合气体中各组分气体

8、的分压体中各组分气体的分压之和。之和。2010.9nin总总叫做叫做i组分气体的物质的量分数。组分气体的物质的量分数。适用条件：适用条件：1、理想气体；、理想气体； 2、组分气体必须处于混合气体相同的环境中。、组分气体必须处于混合气体相同的环境中。表达式：表达式： P总总=P1+P2+P3+ +Pi= Pi Pi=nin总总P总总Pi=ViV总总P总总2010.9 分压定律的应用2010.9例例1：A，B两种气体在一容器中混和，两种气体在一容器中混和， 下面表达式哪些是正确的？下面表达式哪些是正确的？ 1PAVA=nART 2PV=nART 3PVA=nART 4PAV=nART 5PA(VA

9、+VB)=nART 6(PA+PB)VA=nART 2010.9例例2：某容器的容积为：某容器的容积为2.0L，其中装有，其中装有O2、H2、Ar，各气体的物质，各气体的物质的量分别为：的量分别为：n O2 =0.2mol n H2 =0.5mol nAr=0.1mol，温度保持，温度保持在在300K，求混合气体总压与各组分气体的分压。，求混合气体总压与各组分气体的分压。解：解：PV=nRT P=nRT/V2.0 10-3 m3P O2 =V=249kPan O2RT0.2mol8.314Jmol-1 K-1 300K2.0 10-3 m3P H2 =n H2RTV=0.5mol8.314J

10、mol-1 K-1 300K=624kPa2.0 10-3 m3P Ar=n ArRTV=0.1mol8.314J mol-1 K-1 300K=125kPaP总总= P O2 + P H2 + P Ar=249kPa+624kPa+125kPa=998kPa2010.9例题例题3 氧是人类维持生命的必需气体，缺氧生命就会死亡，过剩的氧会使人致病，只有在氧气的分压维持21kPa才能使人体维持正常代谢过程。在潜水员自身携带的水下呼吸器中充有氧气和氦气（He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得气栓病）2010.9 某潜水员潜至海水某潜水员潜至海水30m处作业，海水的密度为处作业，海水的密度

11、为1.03g cm-3，温度为，温度为20。在这种条件下，若维持。在这种条件下，若维持O2、He混合气中混合气中p(O2)=21kPa氧气的体积分数为多少？氧气的体积分数为多少？以以1.000L混合气体为基准，计算氧气的分体积和氮的混合气体为基准，计算氧气的分体积和氮的质量。（重力加速度取质量。（重力加速度取9.807m/s2）解：T=（273+20）K=293K海水深30m处的压力是由30m高的海水和海面的大气共同产生。海面上的空气压力为760mmHg，则p= g hw + kPa101mmg760mmHg7602010.9=9.807 m/s2 1.03103kgcm-330m+101kP

12、a=3.03103 kgcm-1 s-2 +101kPa =303kPa+101kPa =404kPa%2.5%10040421)O()O()O(kPa21)O(2222iixVVxVVppp2010.9g63. 0K293molKJ314. 8L)052. 0000. 1 (kPa404molg0026. 4)He()He(0026. 4)He(mL52L52. 0)O(111r2TRVPMmMV若混合气体体积为1.000L时，2010.91.2.6 化学计量化合物化学计量化合物化学计量化合物化学计量化合物（整比化合物）：具有确定组成且各元素原子（整比化合物）：具有确定组成且各元素原子互成简

13、单正数比的化合物。互成简单正数比的化合物。非化学计量化合物非化学计量化合物（非整比化合物）：组成不固定且各元素原（非整比化合物）：组成不固定且各元素原子不成简单正数比的化合物子不成简单正数比的化合物例如：例如：FeO的组成：的组成：Fe 0.84 0.95 OFeS：Fe 0.90 0.93 S超导材料：超导材料：YBaCu3O 7-x，x0.12010.91.3 化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系 质量守恒定律：质量守恒定律：反应前后各元素的原子总数相等。反应前后各元素的原子总数相等。1.3.2 化学计量数（化学计量数（）与反应进度）与反应进度对于任意的化学反应：对于任意的化学反应：a

14、A+bB=cC+dDA=-aB=-bC=cD=d0= A A+B B+c C+D D0=i I（化学计量式）（化学计量式）1.3.1 应用化学方程式的计算应用化学方程式的计算 1 化学计量数化学计量数2010.92 反应进度（反应进度（）定义：反应进度（定义：反应进度（ ）是用来表示反应进行的程度。）是用来表示反应进行的程度。对于任意化学反应：对于任意化学反应：d =d niid ni =i d积分得到：积分得到：ni=i例如：例如： H2(g)+I2(g) 2HI(g)=1mol单位：单位：mol=nii2010.9mol5 . 1mol0 . 12mol)00 . 2(NHNHmol0 .

15、 13mol)0 .100 . 7(HHmol0 . 11mol)0 . 30 . 2(NN2331122112211同理，nnn时时时210ttt gNH2gH3gN322mol/mol/mol/BBBnnn 2.0 7.0 2.0 1 1.5 5.5 3.0 1.53.0 10.0 0 0反应进度必须对应具体的反应方程式反应进度必须对应具体的反应方程式！2010.9白磷的燃烧白磷的燃烧钾钾与与水水钾钾的的燃燃烧烧1.41.4 化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系2010.91. 体系与环境体系与环境体系：体系：被研究对象敞开体系敞开体系封闭体系封闭体系孤立体系孤立体系环境：环境：系统外

16、与其密切相关的部分既有物质交换又有能量交换既有物质交换又有能量交换只有能量交换只有能量交换既无物质交换，也无能量交换既无物质交换，也无能量交换1.4.1 基本概念和术语基本概念和术语2010.9敞开体系敞开体系封闭体系封闭体系隔离体系隔离体系2010.92 体系的性质、状态和状态函数体系的性质、状态和状态函数（1 1） 体系的性质体系的性质N2T=273.15K P=101325PaV=22.4L n=1mol容量性质容量性质强度性质强度性质TP、V、n具有加和性具有加和性不具有加和性不具有加和性2010.9（2）体系的状态）体系的状态体系的状态确定，体系的性质亦确定。体系的状态确定，体系的性

17、质亦确定。（3）体系的状态函数）体系的状态函数当体系的所有性质都有确定值时，体系处一定状态。当体系的所有性质都有确定值时，体系处一定状态。用来表征体系特性的宏观性质，叫做体系的状态函数用来表征体系特性的宏观性质，叫做体系的状态函数P V n T均为状态函数均为状态函数 特点：特点： （1）是）是单值函数单值函数，一个状，一个状态由一组确定的状态函数表态由一组确定的状态函数表述；述；（2）其改变量只与）其改变量只与始、终始、终态态有关，与途径无关；有关，与途径无关；（3）状态函数的）状态函数的集合集合（和、（和、差、积、商）也为状态函数。差、积、商）也为状态函数。2010.91molN2 T=2

18、73.15KP=101325PaV=22.4L恒温加压恒温加压1molN2 T=273.15KP=202650PaV=11.2L（）P=50662.5Pa V=44.8LP=405300Pa V=5.6L恒温减压恒温减压恒温加压恒温加压恒温加压恒温加压恒温减压恒温减压（）（） P=101325Pa V=-11.2L（始态）（始态）（终态）（终态）2010.93. 热和功热和功热（热（Q）：）：体系和环境之间因温差而传递的能量。体系和环境之间因温差而传递的能量。功（功（W）：）：除了热以外，其它各种形式被传递的能量。除了热以外，其它各种形式被传递的能量。体积功体积功非体积功非体积功符号规定：符号

19、规定：体系由环境吸热体系由环境吸热Q为为+；体系向环境放热体系向环境放热Q为为-。环境对体系作功环境对体系作功W为为+；体系对环境作功；体系对环境作功W为为-。注意：注意：功和热与变化的路径有关，不是状态函数。功和热与变化的路径有关，不是状态函数。2010.94. 热力学能（内能，热力学能（内能，U）说明：说明：内能内能(U)是状态函数，是体系的容量性质，具有加合性。是状态函数，是体系的容量性质，具有加合性。其绝对值无法测定，可测定其变化值。其绝对值无法测定，可测定其变化值。5. 热力学第一定律（能量守恒定律）热力学第一定律（能量守恒定律）在任何过程中，能量是不会自生自灭的，只能从一种形式转在

20、任何过程中，能量是不会自生自灭的，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。化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变。数学表达式：数学表达式：U=Q+W内能是体系内一切能量的总和，包括体系内各种物质的分子或内能是体系内一切能量的总和，包括体系内各种物质的分子或原子的位能、振动能、转动能、平动能、电子的动能以及核能原子的位能、振动能、转动能、平动能、电子的动能以及核能等等。等等。2010.9环境环境体系体系反应物反应物环境环境体系体系产物产物放热反应过程的能量变化放热反应过程的能量变化环境环境反应物反应物体系体系吸热反应过程的能量变化吸热反应过程的能量变化环境环境体系体系产产

21、 物物2010.9例例2 某体系开始的内能为某体系开始的内能为U1，(1)它从环境吸收它从环境吸收600J的的热量，并对环境作功热量，并对环境作功450J；(2)它从环境吸收它从环境吸收100J的热量，环境对它作功的热量，环境对它作功50J。求内能的变化值求内能的变化值U及终态内能及终态内能U2。解解：(1) U=Q+W=600J+(-450J)=150J U=U2-U1U2=U1+150J(2) U=Q+W=100J+50J=150JU=U2-U1U2=U1+150J说明：说明：体系的始态、终态相同，内能的变化量相同，内能是状态体系的始态、终态相同，内能的变化量相同，内能是状态函数；而热和功

22、的变化与具体路径有关，所以热和功不是状态函数。函数；而热和功的变化与具体路径有关，所以热和功不是状态函数。2010.91.4.2 反应热和反应焓变反应热和反应焓变定义：定义：H=U+PV QP=H2-H1=H H称为焓，称为焓， H称为焓变。称为焓变。P恒定恒定，并且体系不作非体积功，此时的反应热称为恒压反应热，并且体系不作非体积功，此时的反应热称为恒压反应热，用用Qp表示表示:Qp= U-W= U+P V=(U2-U1)+P(V2-V1)= (U2-U1)+(PV2-PV1) =(U2 +PV2 )-(U1+PV1)1.等压反应热和反应焓变等压反应热和反应焓变2010.9说明说明：(1) 恒

23、压反应热恒压反应热Qp= H(2) 符号规定：放热反应：符号规定：放热反应： H0。(3) H是状态函数。即焓变是状态函数。即焓变H只取决于体系的始态和只取决于体系的始态和 终态，与过程无关。终态，与过程无关。 H和和U一样不能确定其绝对值，只能确定其变化值。一样不能确定其绝对值，只能确定其变化值。(5) 对于反应物和生成物均为固体或液体的化学反应，对于反应物和生成物均为固体或液体的化学反应， V很小，很小， 可近似认为：可近似认为： H U。2010.9例例5 已知化学反应：已知化学反应：NH3(g)+HCl(g)NH4Cl(s) 298.15K,101325Pa下，下， H=-175.3K

24、J.molmol-1 ，求该反应的内能变化。，求该反应的内能变化。 Qp和和Qv的关系的关系 同一反应的恒压反应热和恒容反应热不同，它们的关系为：同一反应的恒压反应热和恒容反应热不同，它们的关系为：Qp = Qv + n RT； H = U + n RT 解：解： U= H- nRT= = -175.3kJ.molmol-1 (-2)8.314J.mol-1.K-1 298.15K =-170.3kJ.mol-12010.92. 热化学方程式热化学方程式(1) 2H2(g)+O2(g)2H2O(g) Qp=rHm=-483.6kJ.mol-1 (2) H2(g)+1/2O2(g)H2O(g)

25、Qp=rHm= -241.8kJ.mol-1(3) 2H2(g)+O2(g)2H2O(l) Qp=rHm=-571.66kJ.mol-1书写热化学方程式应注意问题：书写热化学方程式应注意问题：（1） 标明物质的聚集状态。标明物质的聚集状态。g-气态；气态；l-液态；液态；s-固态。固态。（2） 反应物、产物要配平反应物、产物要配平（3） 反应的焓变（热变化），是指反应的焓变（热变化），是指“1 mol 反应反应”， 与反应与反应式式 的写法有关。的写法有关。（4） 正、逆反应焓变的绝对值相等，符号相反正、逆反应焓变的绝对值相等，符号相反。2010.9 rHm ( 3 ) + H2O ( g )

26、 H2 ( g ) + 1/2 O2 ( g ) H2O ( l ) rHm ( 4 ) rHm ( 1 )2 H ( g ) rHm ( 2 )O ( g ) rHm总反应的总反应的 rHm= rHm(1)+ rHm(2)+rHm(3)定律定律: 若一个化学反应分几步进行，则反应总过程的若一个化学反应分几步进行，则反应总过程的焓变等于各步焓变之和。焓变等于各步焓变之和。 H= H1+ H2+H3+2010.9氧弹量热计氧弹量热计2010.91.4.3 应用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变应用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变 对于对于气相系统气相系统，每种气态物质的压力均处于标准压力，每种

27、气态物质的压力均处于标准压力p的的状态称为标准态；对于状态称为标准态；对于液体或固体液体或固体，其标准态是指处于标准压，其标准态是指处于标准压力力p下的纯液体或纯固体；对于下的纯液体或纯固体；对于理想溶液理想溶液，其标准态是指处于，其标准态是指处于标准压力标准压力p下，浓度为标准浓度下，浓度为标准浓度c时的状态，即为该溶液的标时的状态，即为该溶液的标准态。准态。1.热力学标准状态热力学标准状态 (standard state)国家标准规定：国家标准规定：标准压力标准压力 p = 100kPa；标准浓度标准浓度 c = 1moldm-3；参考温度参考温度 T = 298.15K （标准态没有规定

28、温度）。（标准态没有规定温度）。2010.92. 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓定义：一定温度，定义：一定温度，标准态下标准态下，由最稳定由最稳定的的纯态单质纯态单质生成生成1mol某某物质时的热效应，称为物质时的热效应，称为该物质该物质的的标准生成焓标准生成焓。符号：符号：fHm 单位：单位：kJ.mol-1热力学上对标准态的规定：热力学上对标准态的规定：气态：气态：P=P = 100kPa下纯气体下纯气体液态、固态：液态、固态： P=P 下的纯液体、固体下的纯液体、固体溶液：溶液： P=P ，C=C =1mol.L-1说明：说明：1 表示标准态。表示标准态。2 fHm (最稳定单质最稳定单质) =0fHm (石墨石墨,s) =0fHm (H2,g) =02010.9 Na