大学基础化学化学反应的能量变化公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件

1、医用基础化学化学教研室吴海珊(1020403)第六章 化学反应热及化学反应方向和程度1第1页预习提要：1. 怎样计算化学反应热？2. 怎样判断化学反应方向？3. 怎样衡量化学反应程度？2第2页作业：P.118 1、2、4、5、6、7、 10、12预习：自学： P.100 (三) P .103 (二) P .111-115 四、五不要求：P .92 (二) P .94 (三)3第3页第六章 化学反应能量改变、 方向和程度C6H12O6(s)+6O2(g)6CO2(g)+6H2O(l)放出热量：2802.5 (kJ/mol)自发反应方向：反应程度：很大4第4页主要内容：热力学几个惯用术语能量守恒和

2、化学反应热 (重点)化学反应方向和推进力(重点)化学反应程度和平衡常数5第5页第一节 热力学几个惯用术语一、状态函数state function1.状态指系统中全部性质及条件均确定不变平衡状态。6第6页例：理想气体T1=298.2KP1=100kPaV1=2 m3T2=298.2KP2=200kPaV2=1 m3Pep1始态终态7第7页性质确定，状态就确定。状态改变，性质就改变。2. 状态函数描述和要求状态宏观性质。广度性质：与系统中物质数量相关，含有加合性。n、m、V、U(内能)、H(焓)、S(熵)、G强度性质：与系统中物质数量无关，不含有加合性。T、P、M8第8页问：冰：1g+1g=2g2

3、杯30水混合，混合后T=30 3. 状态函数特征系统状态一定，状态函数值就一定。状态函数改变值仅取决于始态和终态，而与改变详细路径无关。9第9页问：水从10变到20 , T=?始态：T1= 10终态：T2= 20T=25 T=10 T=15 T=5 T2T110第10页状态函数有特征，状态一定值一定，殊途同归改变等，周而复始改变零。11第11页二、heat and work1. 热Q 放环境间交换或传递能量。(J， KJ)因为温度不一样，而在系统与系统热， Q0.2. 功W除热以外，系统和环境间进行传递和交换其它各种形式能量。12第12页W=Fedz=peAdz=pedVW当恒外压时：W13第

4、13页体积功: P外V非体积功：电功等 作系统向环境功，W0.符号：系统W:W: +Q: +Q: 从系统角度使系统能量升高为正，反之为负。（恒外压）14第14页问：热和功是否状态函数？与路径是否相关？Q1=？Q2=？系统热 吸解：始态：T1= 10终态：T2= 20T=10 15第15页热和功不是状态函数。热和功是过程物理量，其大小与路径相关。例：练习题16第16页第二节 能量守恒和化学反应热一、内能U和热力学第一定律1. internal energy系统内部能量总和。问：内能是否状态函数？U=？能否测出U值？17第17页2. the first law of thermodynamics

5、自然界一切物质都含有能量，能量有各种不一样形式，而且能够从一个形式转化为另一个形式，在转化中，能量总值不变。18第18页始终U1U2从环境吸热Q=10J系统对环境作功W=-5JU2=U1+Q +WU= U2U1=Q +W练习题=5J宏观上静止且无外力场存在封闭体系：热力学第一定律19第19页封闭系统在恒P，不做非体积功时：U=Q W=QPP外VQP= U+ P外V=U2U1+ P外VP外=P1=P2二、系统焓和等压反应热20第20页QP=U2U1+ P外(V2V1)=( U2+P2 V2) ( U1+P1V1)=H2H1=HH是否状态函数？恒压过程反应热等于系统焓变令 HU+P Vdef以后用

6、焓变表示等压反应热21第21页三、热化学方程式1. 化学反应热效应rHm当体系发生反应之后，使产物温度回到反应前始态时温度，体系放出或吸收热量。T(反应物) T(产物)22第22页2H2(g)+1O2 (g)H2O (l)298.15K同时标明热效应值及物质状态化学方程式2. 热化学方程式标准态化学反应单位反应进度rHm,298.15O=285.8 kJ/molH2O (g)?23第23页3. 标准态气体：纯液体：纯固体：溶质：P分=100 kPa, T , 理想气体P外=100 kPa, TP外=100 kPa, T，最稳定晶体P外=100 kPa, T，C=1mol/L在T和 p(100k

7、Pa)下该物质状态。24第24页4. 反应进度extent of reactiona A + d Dg G + h Ht=0t=tnA,0nD,0nG,0nH,0nAnDnGnH化学计量数反应进度：单位：mol25第25页301006217N2 + 3H2 2NH3例：t=0, =0t=t, = （1）=n(NH3) (NH3)= 60 2=3(mol)=n(N2) (N2)=7101=3(mol)26第26页 用任一反应物或产物所表示反应进度都是相等。=n(NH3) (NH3)=601=6(mol)+NH3N2H2 3212（2）化学反应式写法不一样， 也不一样。27第27页单位反应进度：=

8、1mol此时：nBB301002279N2 + 3H2 2NH3例：t=0, =0t=t, = （1）=n(NH3) (NH3)= 20 2=1(mol)=1mol是指按反应式进行28第28页N2 + 3H2 2NH3rHm,298.15O=92.22 kJ/mol（1）+NH3N2H2 3212rHm,298.15O=（2）46.11 kJ/mol要将化学反应式与rHmO值同时写出才有意义29第29页四、Hess定律和反应热计算Hess定律：一个化学反应不论是一步完成或是分几步完成，他反应热都是相同。为何？30第30页反应物生成物H H1H2H3H= H1+ H2+ H3恒T 、 P，不做非

9、体积功：H= QP31第31页1. 由已知热化学方程式组合求反应热例：试利用以下各热化学方程式求生成CO(g)反应热C(石墨)+O2(g)CO2(g)rHm,1OCO(g)+12O2(g)CO2(g)rHm,2OC(石墨)+12O2(g)CO(g)rHm,3O?32第32页方法一：C(石墨)CO2(g)rHm,1OCO(g)rHm,3OrHm,2OrHm,1O=rHm,3O+rHm,2OrHm,3O=rHm,1OrHm,2O？33第33页 方法二；依据反应物和产物判断C(石墨)+O2(g)CO2(g)rHm,1OCO(g)+12O2(g)CO2(g)rHm,2OC(石墨)+12O2(g)CO(

10、g)rHm,3OrHm,3O=rHm,1OrHm,2O?34第34页乙酸(l)+2O2(g)2CO2(g)H2(g)+O2(g)CO2(g)C(石墨)+12O2(g)+2H2O(l)H2O(l)2C(石墨)+2H2(g)+O2(g)乙酸(l)?解:rHm,4O=+2rHm,2O2rHm,3OrHm,1O35第35页2. 由标准摩尔生成焓求标准反应热 标准摩尔生成焓fHm (B)O在标准态下，由稳定单质生成1mol该物质 B 焓变。KJ/mol例：=227.4(KJ/mol)fHm,298.15O(C2H2,g)36第36页2H2(g)+C2H2(g)生成反应稳定单质=227.4(KJ/mol)

11、rHmO=fHm,298.15O(C2H2,g)C(石墨)C2H2(g)37第37页问：fHmO(H2, g)为多少？H2(g)H2(g)稳定单质标准摩尔生成焓等于零问：请判断哪种物质是稳定单质？ C(石墨)、C（金刚石）、C（无定形） O2（g）、 O2（l）、 O2（s）I2（g）、 I2（s）38第38页 计算标准反应热rHmO最稳定单质(反应物)(产物)产物反应物39第39页例：用标准摩尔生成焓计算标准反应热4NH3(g)+5O2 (g)4NO (g)+6H2O(l)45.991.3285.8解：rHm,298O=491.3+6（285.8） 4（45.9）=1166（KJ/mol)重

12、点40第40页第三节 化学反应方向和推进力一、自发过程及其特征从高到低推进力自发判据水流hh0TT0传热h=0T=0达平衡时化学反应GG0G=041第41页自发非平衡态平衡态非自发体系中存在不平衡原因就会造成自发自发42第42页1. 自发过程不依靠外力而能自动进行过程。非自发过程在外力作用下进行过程。43第43页2. 自发过程特征 自动、单向。 （蕴）含有作 功能力。44第44页 有判据 0二、对自发反应认识 常温常压下，放热反应都是自发（ H0） 有一定程度平衡态,=045第45页NH3Ba(OH)28H2ONH4SCNH2O冰木板有些吸热反应也是自发46第46页自发反应推进力放热混乱增加问

13、：一滴墨水溶于水，是自发进行吗？解：墨水+H2O溶液自发非自发混乱度低混乱度最大47第47页三、系统熵S1. 反应体系混乱度状态函数。单位：J K-1 mol -1 混乱度愈大， S愈大。熵entropyS=k ln 混乱度48第48页 2. 影响S原因：聚集态、组成、结构、温度、压力及物质量。问：S （冰）S （水）S （气）S（O）S （O2）S （O3）S（CH3CH2CH2CH3）S（CH3CHCH3）CH349第49页 外压P ，气体S同一物质，n ，S同一物质， T ，S热力学第三定律：热力学温度0K时，任何纯物质完整晶体熵值为零。熵值以T=0K时，S=0为比较标准而求算出。要求熵

14、50第50页3. 化学反应rSmO计算在标准态下， 1mol物质 B要求熵值。J K-1 mol-1问：SmO(H2,g)是否为零？稳定单质标准摩尔熵不等于零标准摩尔熵SmO(B)51第51页反应物产物rSmOSmO197.7210.8213.8191.6CO(g)+NO(g)CO2(g)N2(g)+12例：98.9 (J K-1 mol-1 )rSm,298.15O=练习题重点52第52页四、化学反应自发性判据G1. Gibbs自由能 G表征物质体系作非体积功效力物理量。 (化学势能) G是状态函数？GHTSdefG物理含义：在等温等压过程中，除体积改变所做功以外，系统对外界所做功只能等于或

15、者小于吉布斯自由能减小。 53第53页势能高势能低G大G小反应物生成物WfWf水水54第54页反应物P1=P2， T1=T2对环境作功G1=50JG2=20JWfG0Wf,maxG=30J等温等压，Wf=0:可逆过程：不可逆过程：Wf25J生成物55第55页Cu2+ + ZnCu + Zn2+问：为何原电池作功效力会降低？Cu片CuSO4Zn片ZnSO4盐桥e正极(电位高)负极(电位低)56第56页rGm,298.15212.6（kJ/mol）OrGm=G(产物) G(反应物)0Cu2+2eCuZn-2eZn2+正极:负极:Cu2+ + ZnCu + Zn2+伴随反应进行：57第57页G(产物

16、)G(反应物)tGG到达平衡58第58页H2(g)+12O2(g)H2O(l)热机：140kJ电功：237kJrGm=237.18kJ 物质在自发改变时都可作功。并随过程进行其作功效力降至零。59第59页2. 自由能降低原理等温等压下，自由能降低反应必自发等温等压下，不作非体积功：rGm0，rGm=0， 正反应自发进行逆反应自发进行反应达平衡60第60页(H2T2S2) (H1T1S1) =rG=G2 G1=H T S 等T、PGibbs方程式Gibbs方程式61第61页GHTS自由能是熵和焓综合表达自发反应推进力放热rHm0=H T S rGm+讨论：62第62页3. 温度对反应方向影响温度

17、T对物质H影响对物质S影响对物质G影响大，对rHm影响小大，对rSm影响小不确定，对rGm影响大反应物生成物rHm,TOrHm,298.15O63第63页rSm,TOrSm,298.15OrGm,TOrGm,298.15OrGm,TO=rSm ,298.15rHm,298.15OOT任何温度 64第64页rG=H T S ，rG0条件，+，+，+，+，任何温度不存在低温高温练习题65第65页4. 自由能变计算标准态下rGmO计算在标准态下，由稳定单质生成1mol物质 B 时自由能变。KJ/molfGm (B)O 利用Gibbs方程式由标准摩尔生成自由能计算66第66页问：fGmO(H2 ,g)

18、为多少？稳定单质标准摩尔生成自由能等于零例：用两种方法判断以下反应在298.15K 100kPa 下能否自发进行。重点67第67页2NO(g)N 2(g)+O2 (g)fGmOfHmOSmO若要此反应自发进行，最少要到达多少温度(K)？87.691.3191.6205.2210.8000068第68页解： 计算rGm,298.15O方法一：rGm,298.15O=287.6175.2(kJ/mol)=方法二：rHm,298.15O=291.3182.6(kJ/mol)=69第69页rSm,298.15O=2210.8191.6205.2=24.8(J K-1 mol-1 )rGm,298.15

19、O= 182.6298.1524.8=175.2 (kJ/mol)正向反应在298.15K 100kPa下不能自发进行。10-370第70页即rHm,TOTrSm,TOrHm,TOrSm,TO=182.624.810-3=7363(K) 若要反应自发，必须rGm,TO0rHm,298.15OrSm,298.15O71第71页rGm,TO=rSm ,298.15rHm,298.15OOT小结：298.15K任何温度 72第72页 非标准态下rGm计算aA+bBdD+eErGm,T=rGm,TO+RTQQ=(CD/C )dO (CE/C )eO(CA/C )a (CB/C )bOO单位？等温非标:

20、化学反应等温式反应商73第73页OC标准浓度：=1mol/L气体时改为PA/PO100kPa当CA=CB=CD=CE=1mol/LrGm,T=rGm,TO标准态只是一个特例74第74页例：CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)已知rHm,298.15O=178.5(kJ/mol)rSm,298.15O=159.0(JK-1 mol-1 )若使CO2分压为0.010 kPa，试计算此反应自发进行所需最低温度？75第75页rGm,T=rGm,TO+RTP(CO2)100=(178.5T159.010-3)+8.31410-3T 0.0101000解：T759(K)76第76页状态函数HSG定义

21、H=U+PV衡量混乱度G=HTS性质都是状态函数，含有稳定单质常态SmfGm温度对改变值影响显著影响显著影响显著影响几个状态函数对比fHmOOO=0=00加合性无无有77第77页应用: P.112 耦联反应A+BC+DG=3kJ/molA+B+ED+F+HG=2kJ/mol热力学上一个不利反应能够被热力学上一个有利反应所推进C+EF+HG=5kJ/mol目标产物78第78页第四节 化学反应程度和标准平衡常数一、试验平衡常数和标准平衡常数可逆反应：aA+bBdD+eE正=k 正 C(A)aC(B)b逆=k 逆 C(D)dC(E)e反应达平衡时：正= 逆79第79页k 正 AaBb=k 逆 DdE

22、eDdEeAaBb=k 正k 逆=KcPDdPEePAaPBb=Kp试验平衡常数K愈大，反应程度愈大。80第80页标准平衡常数：(D/C ) d=KOO(E/C )eO(A/C ) aO(B/C )bO是否有单位？C =1mol/LOK与温度相关，与浓度无关81第81页二、自由能和化学平衡rGm,T=rGm,TO+RTQ平衡状态时：rGm,T= 0愈大愈大rGm,TO+RTK= 0OrGm,TO=RTKOrGm,TO愈负，K，反应程度OQ=KO82第82页总结：一、基本概念热、功：与路径相关状态函数改变量与路径无关二、计算rHm,TO83第83页1. 热力学第一定律：U= Q +W2. 恒T、P，不作其它功： H= QP3. 计算rHm,298.15O(Hess定律) 由 用fHm,298.15O计算已知热化学方程式组合计算84第84页三、判断自发反应方向等温等压下，rGmrGm= 正反应自发进行逆反