无机与分析化学第二章化学反应的能量和方向ppt课件

1、 教学要点：教学要点：第二章 化学反应的能量和方向 1.理解 U、H、S、G 四个热力学函数的意义及相互关系。 2.理解系统、环境、状态、状态函数、定容热、定压热 等概念。 3.理解热力学第一定律和盖斯定律，掌握有关的计算。 5.掌握吉布斯一亥姆霍兹方程及其应用。 4. 掌握有关热力学函数的计算，根据热力学函数进行反 应自发性的判断。化学热力学： 应用热力学的基本原理研究化学反应的能量转化规律。应用热力学的基本原理研究化学反应的能量转化规律。 主要解决化学反应中的三个问题：主要解决化学反应中的三个问题： 化学反应中能量的转化化学反应中能量的转化 化学反应的方向性化学反应的方向性 反应进行的程度

2、反应进行的程度2-1 热力学基础知识 一、系统与环境系统:被人为地划分出来作为研究对象的那部分物质或空 间称为系统(或体系)。环境:系统之外但又与系统有关系的部分叫做环境。 按照系统和环境之间的物质及能量的交换关系，可以将系统分为三类： （1） 敞开系统 既有能量交换，又有物质交换；（2） 封闭系统 有能量交换，无物质交换；（ 3孤立系统 既无物质交换，又无能量交换。 二、状态和状态函数 状态 由一系列表征体系性质的物理量所确定下来的 体系的一种存在形式，称为体系的状态。 状态函数 确定体系状态的物理量，称为状态函数。 例如某理想气体体系 n = 2 mol， p = 1.013 10 5 P

3、a， V = 44.8 dm 3 ，T = 273 K 这就是一种状态。是由 n、p、V、T 所确定下来的体系的一种存在形式 。 因而 n、p、V、T 都是体系的状态函数。 状态一定，则体系的状态函数一定。体系的一个或几个状态函数发生了变化，则体系的状态发生变化。状态与状态函数的关系： 状态函数的改变量只取决于体系的始态与终态,而与变化途径无关。状态函数的特性:例如，温度的改变量用 T 表示，那么 T = T终 T始 三、过程和途径 过程 体系的状态发生变化，从始态到终态，则称体系经历了一个热力学过程，简称过程。 若体系在恒温条件下发生了状态变化，我们说体系的变化为 “恒温过程”；同样理解 “

4、恒压过程”，“恒容过程”。若体系变化时与环境之间无热量交换，则称之为“绝热过程 ”。 途径 状态变化所经历的具体步骤称为途径。 体系与环境之间由于存在温差而传递的能量体系与环境之间由于存在温差而传递的能量. 热不是状态函数热不是状态函数 体系吸热体系吸热: Q 0 体系放热体系放热: Q 0 热热Q） 四、热和功四、热和功 体系与环境之间除热之外以其它体系与环境之间除热之外以其它形式传递的能量形式传递的能量. 功不是状态函数功不是状态函数. 体系对环境做功，体系对环境做功，W0体积功：体积功：VpVVplAplFWexexexex21非体积功非体积功: 体积功以外的所有其它形式的功体积功以外的

5、所有其它形式的功 功功 ( W )热力学能(U): 体系内所有微观粒子的全部能量之和，旧称内能， U是状态函数，热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径无关. 至今尚无法直接测定，只能测定到 U.UUU12五、 热力学能WQU对于封闭体系热力学第一定律为：对于封闭体系热力学第一定律为：WQUU12WQUU122Q 1UU吸热得功得功W热力学第一定律热力学第一定律的实质是能量守恒与转化定律 六、过程的热 1. 定容热对于只作体积功的定容过程, V = 0 ， 故 W = - p V = 0 则有 U = Qv + W = Qv 即 U = Qv 可见，对于只作体积功的定容过程, 定容热等于系统

6、内能的改变。 当 U 0 时，Qv 0，是吸热反应， U 0 时，Qv 0 时，Qp 0 ， 是吸热反应 ； H 0 时，Qp SL Ss 。(2)温度: 对于同一物质,温度越高,熵值越大。(3)压力: 对于同一物质,压力越大,熵值越小。(4)分子体积:对于同类物质, 分子体积(摩尔质量)越大, 熵值越大。(5)化学反应:由较少分子变为较多分子的反应熵值增加,由固体变为液体或气体的反应熵值增加。2.标准摩尔熵 在标准状态下,1mol纯物质的熵值叫该物质的标准摩尔熵。表示为Sm ,单位:J/moL K。 3.化学反应的标准摩尔熵变一般地，对于反应：m A + n B x C + y DrSm S

7、,(生成物) - S,(反应物) x S,C + y S,D m S,A + n S,B4.熵判据 孤立系统中,自发过程总是向着熵增加的方向进行。(热力学第二定律的表述形式之一)即： rSm 0， 反应自发进行； rSm 0， 逆反应自发进行； rSm = 0， 反应处于平衡状态。 三、吉布斯自由能 1. 吉布斯自由能的定义 1876年美国科学家Gibbs对当时世界各国关于热力学研究方面的成果进行了总结，提出了自由能G的概念，并定义： G = H T S关于自由能的概念，应把握几点: (1) 吉布斯自由能是一个状态函数。(2) 吉布斯自由能的绝对值无法测定。(3) 吉布斯自由能可理解为系统能做

8、最大有用功的本 领(在等温定压的可逆过程中, 吉布斯自由能的减少值等于系统所做的最大有用功。） 2.标准摩尔生成吉布斯自由能 在标准状态下,由最稳定的单质生成1mol纯化合物时的标准摩尔吉布斯自由能变,叫该化合物的标准摩尔生成吉布斯自由能。并规定最稳定单质的标准摩尔生成吉布斯自由能为零。用符号 f Gm 表示。单位为 kJ mol 1 。3.化学反应的标准摩尔吉布斯自由能变一般地，对于反应：m A + n B x C + y DrGm f Gm (生成物) - f Gm (反应物) x f Gm ,C + y f Gm ,D m f Gm ,A + n f Gm ,B4.吉布斯自由能判据 在等

9、温定压且系统只作体积功的条件下,自发过程总是向着吉布斯自由能减小的方向进行。(热力学第二定律的表述形式之二)即： rGm 0， 反应逆向自发进行； rGm = 0， 反应处于平衡状态。若反应在标准状态下进行，那么： rG m 0 ，标准状态下反应逆向自发；rG m = 0， 标准状态下反应处于平衡状态。四、吉布斯亥姆霍兹方程G = H TSG = H TS应用于化学反应，则有 rGm=rHmTrSm rGm=rHmTrSm标态下的反应）吉布斯-亥姆霍兹方程的应用 ：(1)由反应的焓变、熵变及温度来判断反应的方向。 定压下反应自发性的几种类型 rHmrSm r G m = r H m TrSm反

10、应的自发性低温高温1任何温度下正向反应均为自发2低温时正向反应自发，高温时正向反应非自发3任何温度下正向反应均为非自发4低温时正向反应非自发，高温时正向反应自发 fG m(298) fH m(298)S m(298) (生生) (反反) rG m(298) (生生) (反反) rH m(298) (生生) (反反) rS m(298) rH m(T) rS m(T) rG m(298) = rH m(298)298 rS m(298) 查查 表表 rG m(T) = rH m(298) T rS m(298)(2)求某反应在任一温度下的标准摩尔吉布斯自由能变。 (3)求某反应在标准状态下自发进行的最低温度。 例 讨论温度对下列反应的方向性影响解： CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)fHm /kJmol-1 -1206.9 -635.1 -393.5Sm /Jmol-1K-1 92.9 39.7 213.6fGm /kJmol-1 -1128.8 -604.2 -394.4298K时：rGm 394.4 - 604.2 + 1128.8 = 130.2 kJ