大学化学1-化学反应热

1、第一章化学反应热，1.1几个基本概念，1.1.1系统(系统)和环境(外部世界)，为了明确研究对象，将一些物质人为地与其他物质分离，规定的研究对象称为系统；在系统之外，与系统紧密相关，可以到达的部分称为环境。在烧杯中添加一些稀的H2SO4和Zn颗粒，以H2S04 Zn颗粒为研究对象，H2SO4 Zn颗粒是体系，烧杯是环境。使用烧杯和H2SO4 Zn颗粒作为体制，周围的空气是环境等。根据系统与环境之间物质和能量的交换，一般可以将系统分为以下三类：1.如果开放系统和环境之间既有能量交换又有物质交换，那么系统就是开放系统。2.封闭的系统系统和环境之间没有物质交换，但可能会有能量交换。如果把这个烧杯放在

2、不绝热的密封容器里，就是封闭系统。3.孤立系统系统和环境之间没有任何物质或能量的交换。例如，如果将H2SO4 Zn颗粒装在隔热密封容器中，则由烧杯、H2SO4 Zn颗粒、隔热容器组成的系统是隔离系统。如果以化学反应(包括作用和产品)为研究对象，应属于什么系统？它属于封闭系统。注意！研究化学反应没有特别指示，都用密封系统处理。1.1.2系统状态是结合了系统宏特性(例如压力、温度、体积、能量、密度、配置等)的状态和状态函数。或系统宏观性质的总和决定系统的状态。系统的宏观特性是状态的单值函数，因此也称为状态函数。用于描述系统宏状态的物理量称为状态函数。状态函数中的变更值仅由系统的启动和关闭状态决定，

3、与变更路径无关。如果一杯水的起始状态为20c、100 kpa、50克，则最终状态为60c、100 kpa、50克。无论选择哪种途径，其温度的变化量 t为40 。1.2热力学第一定律是能量守恒定律，在任何过程中(当然也包括化学反应)，能量不自生，从一种形式到另一种形式，在转换过程中能量的总值不变。在热力学中应用能量守恒定律是热力学的第一定律。在化学热力学中，研究仅关注系统热力学能量(内部能量)的宏观静止系统，而不考虑整个系统运动的动能和电磁场、离心力场等外力场的系统位置能量。热力学能量是系统内分子的扁平动能，旋转能量，振动能量，分子间势能，原子间势能，电子动能，核内基本粒子间核能等能量的总和。1

4、.2.1热力学第一定律的内容假定系统从开始状态(热力学为U1)变为结束状态(热力学为U2)，在此过程中，如果系统从环境中吸收热量，环境在系统中运行w，那么系统热力学能量的变化将在 u=U2-u1=q w (1.1)式(1.1)中进行在变更过程中，系统内能量的增加表明系统吸收的热加上系统环境与系统所做的工作相同。这也是能量守恒定律。热力学与温度、压力等状态函数一样，系统的热力学增加 u只能与整个时间点的状态相关，与经过的过程无关。1.2.2电源和热、系统和环境之间的能量交换形式，不是状态函数，其值与路径相关。在热力学中，系统吸热q是正值。系统过热q为负值。系统运行环境时，w取负值。如果环境对系统

5、起作用，则w取正值(在某些书中，如果系统对环境为正，环境对系统为负，则第一法则的数学表达式 u=q-w)。热力学将工作分为体积工作(扩展工作)和非体积工作(努力工作)。也就是说，w=w躯干w。热力学中，体积工作以外的工作统称为w，如电力、表面工作等。化学反应要努力，需要特殊的排列或特定的装置。热力学系统的体积发生变化时，对环境(外部)执行的操作称为体积操作。体积工作是在开放容器中进行的，因此对化学过程有特殊的意义。如果外部压力p不变，则体积操作为w体=-p v。1.3化学反应热，课堂演示实验：安全火柴为什么不安全？安全火柴与第二代不安全火柴相比。第二代火柴是1816年法国人德鲁森发明的。这个火

6、柴杆上涂着硫磺，还裹着白磷、铅(Pb3O4)或二氧化锰(MnO2)和口香糖的混合物。白人受热容易熔化，在40 时着火。白人是人吃错0.1 0.2克就会死亡的有毒物质。白色的火柴擦在粗糙的东西上就着了。方便，但容易引起火灾，不安全。因此，这种火柴一问世，就被全世界广泛禁止了。红人直到260 才开始燃烧，也不是像白人一样有剧毒。但是红人光靠摩擦是不能着火的。但是与氯酸钾混合后，比白人容易着火，容易燃烧或爆炸。1855年，莱塔斯塔尔想出了一个巧妙而简单的方法，利用独特的思维方式解决上述难题。他用易燃氯酸钾、二氧化锰等以及木胶粘在用石蜡浸泡的小木棍上，制作了火柴盒。用胶水将红磷和细沙涂在火柴盒的侧面，

7、做火柴笔。火柴只在火柴盒的侧面摩擦时才点。这种火柴没有毒性，也不容易引起火灾，因此被称为“安全火柴”。KClO3 H2SO4(浓度)=khso 4 hclo 3 hclo 3不稳定，分解为O2和Cl2等。同时，这种反应还会释放很多热量，所以火柴会自然点燃。化学反应热是努力学习的话，0，等温过程的反应热，一般是需要等性或等压力的条件。因此，有两种等容反应热和等压反应热。1.3.1等体积反应热，一定容量，不努力工作的条件，热力学第一定律中，w体w=0。因此，U=qv(1.2)表达式的qv是等容反应列，左下脚字母v表示等容过程。格式(1.2)表明，等容反应热都用于改变系统内部能量。Qv仅与启动和关闭

8、状态相关，与路径无关。1.3.2等压反应热，等压，不努力学习的条件，热力学第一定律中w体=-p v=-p (v2-v1)，因此 u=U2-u1=qp-p (v2-v1)h是物理学中提到的焓，食(1.3)是焓的定义。因为h是状态函数u、p、v的组合，所以焓h也是状态函数。在式子(1.4)中， h是焓的变化量，称为焓的变化。(1.4)饮食也表明等压反应热与路径无关，数值上与焓变化相同。因为我们遇到的化学反应，大部分是在100kPa下，在开放容器中进行的，很多反应伴随着明显的体积变化。所以我们面对的反应大部分是在大气压下进行的，其反应热是大气压反应热，正好等于焓变量值。因此，通过焓的变化 h，可以知

9、道静压反应热的大小。因此，等压反应列用 h表示。以后我们提到化学反应列，没有特别说明，都指等压反应列。范例1.1表示，如果等温t、压力p和非体积作业w等于=0，则很难实验测量反应C 1/2O2=CO的反应热。因为不能保证只创建CO，不创建CO2。 h与路径无关，因此可以设计以下反应： rhm，1= rhm，2 rhm，3，表达式中，下脚r是化学反应的热效应，m是1mol反应(1mol反应可以简单地解释为先根据给定反应方程的反应)。在100kPa和298K上已经测量了反应(1)和反应(3)的等压反应列，分别是19世纪中期俄罗斯科学家盖斯综合分析了大量实验数据，被称为盖斯的定律和反应热加定律。利用

10、盖斯的定律可以阶段性反应的 rhm，I，总反应的rhm；当然，也可以从已知的n-1反应(n是总反应和所有分步反应数的总和)中获取其他未知反应的rHm。(3)-(1) (2)=(4)的数据替换后，结果为反应(4) rhm=-41 kj mol-1。1.3.3热力学标准状态，所谓标准状态，即在温度t和标准压力(100kPa)下，相应物质的状态称为标准状态。1.3.4元素和化合物的标准(摩尔)生成焓，所谓标准摩尔生成焓，是在特定温度和标准状态下单位物质量在最稳定的纯物质中生成时反应的焓，称为该物质的标准(摩尔)生成焓，用符号FHM表示。常用的单位是kJmol-1。从定义中可以看出，最稳定的单一质量标

11、准生成焓为0。石墨是标准条件下石墨和钻石最稳定的单体。石墨转换为1.91kJ的热，即C(石墨)C(钻石)FHM(钻石)=1.91 kj 1mol-1，需要吸收电解质，例如氯化氢(HCl)和硫酸钠(nnas)显然，这些水合离子总是与正负离子同时存在。因此，阳离子单独水合和负离子水合的焓测定是不可能的。在化学热力学中，规定水合离子的浓度(必须完全活性，活性度的概念稍后介绍)为1mol-1的条件为标准状态，水合h离子的标准为298K时生成焓值为0。书末的附录表列出了一些元素和化合物的标准焓的数据(附录的标准焓数据)。假设Abcd=AC BD (1)的标准焓更改为 RH m，1，计算1.3.5化学反应

12、标准(摩尔)焓变化。该反应也可以分两步进行：ab CD=a b c d=AC BD (2) (3)反应(2)的标准焓为 RH m，2。反应(3)的标准焓变为 RH m，3。焓变化与路径无关，因此 r h m，1= r h m，2 r h m，3和 r h m，2=- f h m，Ab- f h m，CD r h m，3= f CD基于化学反应热，如r hm=F hm、产物-F hm、反应物(1.5)等化学反应(aA fF=gG dD为 r h m=g f h m、g d) g d d d f hm，a f h m利用这些关系计算化学反应的热效应。 由于煤含有s，燃烧煤时会产生SO2或SO3，造

13、成环境污染(形成酸雨)，治理硫氧化物污染时可以使用以下反应。示例1.3测试计算反应SO3 (g) Cao (s)=caso 4 (s)的标准焓变化f hm/kj mol-1-395.7635.1-1434.1r h但是，带来固体废弃物和酸性废水，造成二次污染，使用电化学方法，可以取得更好的效果。示例1.4试验计算反应2to (g)=N2 (g) O2 (g)的标准焓变化FHm/kj mol-1 180.5 0rm=-180.5 kj mol-1此反应是上述汽车尾气处理肼(N2H4)也称为肼，与氧或氧化物反应时，会释放大量热量，燃烧速度非常快，产品(N2，H2O)稳定、无害，是理想的高能燃料。液

14、体N2H4和气体N2O4混合燃料用于大力神火箭引擎，使火箭发射。示例1.5测试反应2n2o4 (l) n2o4 (g)=3n2 (g) 4h2o (g)的标准焓变化FHm/kj mol-1 50.63 9.66-241.84r hm大力神火箭发动机使用液体N2H4和气体N2O4作为燃料。在上述计算中，如果要释放反应较大的热量，反应产物的标准生成焓 f h m负值越大越好。反应物的标准生成焓 f h m越小越好，即使是正值也越好。思考题硼的氢化物-硼烷，硅的氢化物-硅烷被称为高能燃料。学生们可以自己计算。B2H6(g)的 f h m=36.56 kj mol-1，b2 O3 (s)的f hm=-

15、1132.55 kj mol-1；SiH4(g)的 f h m=34.31 kj mol-1，SiO2(s)的 f h m=-910.7 kj mol-1。2 .计算化学反应热时的注意事项：(1)必须指明参与反应物质是什么状态：g(气体)、l(液体)、s(固体)、AQ(水溶液)。同质异构的情况下，晶型也必须明确(碳的情况下是石墨，钻石或球形碳的情况下)。(2)内能(u)和焓(h)与物质量成正比，因此必须根据平衡化学方程式计算 u和 h。(3)正反应的 u， h等于反反应的 u， h值，与符号相反。(4)化学反应的 h一般随温度(t)变化，但很少变化。因此，如果温度变化不是很大的计算精度要求很高，则可以不考虑温度对 h的影响。后面没有特别指示的话，就照此办理。为了简化写作，如果不为与温度相关