化学反应的基本原理课件.ppt

1、12345、体系和环境、体系和环境体系体系被划作研究对象的那部分物体称为体系。体系。环境环境体系以外的并且与体系有关系的其他部分称为环境。 6按照体系和环境之间的物质及能量的交换关系，可以将体系分为三类：(open system)(closed system)(isolated system)7体系体系 环境环境能量能量物质物质8体系体系 环境环境能量能量9孤立体系也称为孤立体系也称为隔离体系。隔离体系。10112 状态函数状态函数状态函数：用来描述体系状态的物理量叫做状态函数：用来描述体系状态的物理量叫做状态函数。状态函数。例如，某理想气体是我们研究的体系，其物质的例如，某理想气体是我们研究

2、的体系，其物质的量量 n = 1 mol，压强，压强 p = 1.013105 Pa，体积，体积 V = 22.4 L，温度，温度 T = 273 K，我们说体系处于标准状，我们说体系处于标准状态。在这里，态。在这里，n,p,V和和T就是体系的状态函数，理就是体系的状态函数，理想气体的标准状态就是由这些状态函数确定下来想气体的标准状态就是由这些状态函数确定下来的体系的一种状态。的体系的一种状态。12状态函数按其性质可分为两类：状态函数按其性质可分为两类：（1）广度性质广度性质 广度性质的量值与系统中物质的量成正比，具有广度性质的量值与系统中物质的量成正比，具有加和性。这样的状态函数有：体积，质

3、量以及以加和性。这样的状态函数有：体积，质量以及以后要讲到的热力学能、焓、熵等。后要讲到的热力学能、焓、熵等。（2）强度性质强度性质 强度性质的量值不具有加和性，其值与系统中物强度性质的量值不具有加和性，其值与系统中物质的量多少无关，仅决定于系统本身的特性。这质的量多少无关，仅决定于系统本身的特性。这样的状态函数有：温度，压力，密度，摩尔质量样的状态函数有：温度，压力，密度，摩尔质量等。等。13状态函数的特点：状态函数的特点：1. 体系的状态一定，状态函数值确定。体系的状态一定，状态函数值确定。 2. 状态函数的改变值只由体系的始态和终状态函数的改变值只由体系的始态和终态决定，与体系经过的途径

4、无关。态决定，与体系经过的途径无关。3. 循环过程的状态函数改变值为零。循环过程的状态函数改变值为零。状态函数变化值终态值始态值14过程与途径过程与途径过程过程：体系从始态到终态，其状态发生变：体系从始态到终态，其状态发生变化的经过称为过程。化的经过称为过程。途径途径：完成过程可以采取多种不同的方式。：完成过程可以采取多种不同的方式。我们把每种具体的方式，即具体步我们把每种具体的方式，即具体步骤称为途径。骤称为途径。15298K, 298K, H2O（g) 途径途径1298K,298K,H2O(l) 373K, 373K,H2O（g) 始态始态 终态终态 373K,373K,H2O(l) 途径

5、途径2 过程着重于始态和终态；而途径着重于具体过程着重于始态和终态；而途径着重于具体方式。方式。16等温过程：等温过程：体系在恒温（）条件下发生了状态变化。等压过程：等压过程：体系在恒压（p）条件下发生了状态变化。等容过程：等容过程：体系在恒容（）条件下发生了状态变化。绝热过程：绝热过程：体系与环境之间无热量交换（）。17p1=1.01105PaT1=298K始态始态恒温过程恒温过程p2=2.02105PaT1=298K恒压过程恒压过程p2=2.02105PaT2=398K终态终态恒温过程恒温过程p1=1.01105PaT2=398K恒压过程恒压过程1819420能量传递有两种形式，一种是传热

6、，一种是做功。能量传递有两种形式，一种是传热，一种是做功。热热：由于温度不同而在体系和环境之间传递的能量由于温度不同而在体系和环境之间传递的能量叫做热，用符号叫做热，用符号Q 表示，单位是表示，单位是焦耳焦耳( J )。功：功：除热之外以一切其它形式交换的能量叫做功，除热之外以一切其它形式交换的能量叫做功， 用符号用符号W表示，单位是表示，单位是焦耳焦耳( J )。21热力学规定：热力学规定：体系从环境吸热，体系从环境吸热，Q为正值；放热为负值。为正值；放热为负值。环境对体系作功，环境对体系作功，W为正值；反之为负值。为正值；反之为负值。热和功与途径紧密联系。热和功与途径紧密联系。 热和功不是

7、体系的状态函数。热和功不是体系的状态函数。2223p外外 VT24二、热力学能二、热力学能热力学能：热力学能：不考虑系统整体运动的动能和系统在外场中的势能，其它所有能量的总和。它包括系统内分子的平动能、分子间势能、原子间键能、电子的动能以及核能等。热力学上用符号U表示热力学能。经常称为内能。体系的内能尚不能求得不能求得，但是体系的状态一定时，内能是一个固定值。因此，热力学能U是体系的状态函数状态函数。25三、热力学第一定律三、热力学第一定律自然界的一切物自然界的一切物质都具有能量，能量有不同的形式，能量可从一质都具有能量，能量有不同的形式，能量可从一个物体传递给另一个物体，也可从一种形式转化个

8、物体传递给另一个物体，也可从一种形式转化为另一种形式，在传递和转化过程中，能量总值为另一种形式，在传递和转化过程中，能量总值不变。不变。26当封闭体系从环境吸收热量当封闭体系从环境吸收热量 Q，同时，同时体系又对环境作功体系又对环境作功W，在此过程中体系内，在此过程中体系内能的改变量能的改变量U为：为：U = Q + W 该式为热力学第一定律的数学表达式。该式为热力学第一定律的数学表达式。27【例【例1】某体系从始态变到终态，从环境吸热某体系从始态变到终态，从环境吸热100 kJ，同时对环境作功，同时对环境作功200 kJ，求体系与，求体系与环境的内能改变量。环境的内能改变量。解：解： U体系

9、体系 Q + W U体系体系 100 + (- 200) - 100 kJ U体系体系 = U环境环境 U环境环境 = 100 kJ2829恒容反应热、恒压反应热和焓的概念恒容反应热、恒压反应热和焓的概念 假设在变化过程中只存在体积功。假设在变化过程中只存在体积功。恒容反应热恒容反应热恒容反应中，V = 0 ，故 W = -pV = 0 则有 rU = Qv + W = Qv 即 rU = QvQv 是恒容反应中体系的热效应 。可见， 在恒容反应中，体系的热效应全部用来改变体系的内能。30恒压反应热恒压反应热在恒压反应中，由于 p = 0， 则有 rU = Qp + W = Qp p V =

10、Qp ( pV ) 所以 Qp = rU + ( pV )31Qp = ( U2 U1 ) + ( p2V2 p1V1 ) = ( U2 + p2V2 ) ( U1 + p1V1 )= ( U + pV ) 则 Qp = ( U + pV )U，p，V 都是状态函数，可见 U + pV 也是一个状态函数。状态函数。令令 H = U + pV ， H 称称焓焓，是一个新的状态函数。，是一个新的状态函数。即即 Qp = rH该式说明，在恒压反应中，体系的热效应该式说明，在恒压反应中，体系的热效应 Qp 全部全部用来改变体系的用来改变体系的焓焓。32为什么要引入焓这一状态函数？为什么要引入焓这一状态

11、函数？v 因为大多数反应是在等温等压因为大多数反应是在等温等压(在大气中在大气中)下进下进行的，即反应热行的，即反应热Qp比比Qv常用常用。v Qp虽然不是状态函数，但其数值只与状态有关，虽然不是状态函数，但其数值只与状态有关，因此引入一个新的状态函数焓因此引入一个新的状态函数焓H，以方便讨论。，以方便讨论。v 焓的焓的绝对值也无法确定，但焓变绝对值也无法确定，但焓变H = Qp 。v H的量纲为的量纲为 J 或或 kJ。v H 0 吸热吸热33等容反应热等容反应热Qv与等压反应热与等压反应热Qp的关系的关系Qp - Qv = Hp -Uv = (Up + pV)-Uv热力学能热力学能U只与温

12、度有关只与温度有关 Up = Uv由理想气体状态方程：由理想气体状态方程：pV = nRTn为生成为生成物物的气体物质的量与反应物的气体物质的气体物质的量与反应物的气体物质的量的差值。的量的差值。Qp - Qv = nRT3435【例【例2】298K 时时6.5 g 液体苯在弹式量热计中液体苯在弹式量热计中完全燃烧，放热完全燃烧，放热272.3 kJ 。求该反应的。求该反应的rUm和和rHm。3637【例【例3】 298K，标准状态下，标准状态下HgO 在开口容器在开口容器中加热分解，若吸热中加热分解，若吸热 22.7 kJ 可生成可生成Hg（l）50.10 g，求该反应的，求该反应的rHm，

13、若在密封的容，若在密封的容器中反应，生成同样量的器中反应，生成同样量的Hg（l）需吸热多）需吸热多少？少？ 3839二、热化学反应方程式二、热化学反应方程式1、反应进度、反应进度 其中 表示 化学计量数，反应物的化学计量数为负，产物的化学计量数为正。 aA + dD = gG + hHt=0 nA(0) nD(0) nG(0) nH(0)t nA(t) nD (t) nG(t) nH (t) 0BBR40定义定义: 表示化学反应进行的程度。表示化学反应进行的程度。 t 时刻的反时刻的反应进度为应进度为 ( ksai )。BBBBBn)0(n)t (n 由此定义式可知的量纲是 mol。 用反应体

14、系中任一物质来表示反应进度，在同一时刻所得到的值完全一致。 41例：例： 3H2 + N2 = 2NH3 t=0 3 mol 1 mol 0 t 0 0 2 molmol1221133nBB 3/2H2 + 1/2N2 = NH3t=0 3 mol 1 mol 0t 0 0 2 molmolnBB2122/112/33可见可见与反应式的写法有关。与反应式的写法有关。422、热化学方程式热化学方程式表示化学反应与反应热关系的方程式称为表示化学反应与反应热关系的方程式称为热化热化学方程式学方程式。43热化学方程式的书写要求：热化学方程式的书写要求：、标明各物质的物态或浓度，s 表示固体( soli

15、d)，l 表示液体(liquid), g 表示气体(gas)。有必要时，要注明固体的晶型。、要注明反应的温度和压强。若不注明，则表示为 298 K ， 1.013 10 5 Pa ，即常温常压。、热化学方程式的系数表示摩尔反应中各物质的量的比例，称化学计量数，无量纲。可以是整数，也可以是分数。44 各物质都处于标准状态下的各物质都处于标准状态下的 1 反反应的反应热称为应的反应热称为标准摩尔反应热标准摩尔反应热，又称标，又称标准准符号符号rHm 。r 表示反应表示反应(reaction)， m 代表反应进度代表反应进度 = 1 mol，表示标准态。表示标准态。4546C (石墨) + O2 (

16、g) CO2 (g) rHm= 393.5 kJ/mol (1)C (金刚石) + O2 (g) CO2 (g) rHm = 395.4 kJ/mol (2)H2 (g) + 1/2 O2 (g) H2O (g) rHm = 241.8 kJ/mol (3)H2 (g) + 1/2 O2 (g) H2O (l) rHm = 285.8 kJ/mol (4)2H2 (g) + O2 (g) 2 H2O (l) rHm = 571.6 kJ/mol (5)H2O (g) H2 (g) + 1/2 O2 (g) rHm = + 241.8 kJ/mol (6)从 ( 1 ) 和 ( 2 ) 对比，看

17、出注明晶型晶型的必要性。( 3 ) 和 ( 4 ) 对比，看出写出物质存在状态存在状态的必要性。( 4 ) 和 ( 5 ) 对比，看出计量数计量数不同对热效应的影响。( 3 ) 和 ( 6 ) 对比，看出互逆互逆的两个反应之间热效应的关系。 rHm 0 表示吸热，表示吸热， rHm 0 表示放热表示放热 。47三、三、 盖斯定律盖斯定律在在等压或等容等压或等容的条件下，的条件下，一个化学反应，不论是一步完成，还是分数步完成，其热效应是相同的。 若 反应(1)+反应(2)=反应(3) 则 Qp(1) + Qp(2) = Qp(3) rHm(1) + rHm (2) = rHm (3) 若 反应(

18、1) - 反应(2) = 反应(3) 则 Qp(1) - Qp(2) = Qp(3) rHm(1) - rHm(2) = rHm(3)48盖斯定律的另一种表示：盖斯定律的另一种表示：总反应的热效应，只与反应的始态和终态有关，而与变化的途径无关。 49H2O(l) H2(g) + O2(g)122H(g) + O(g)H2O(g) rHrH2rH1rH3 化学反应的热效应，是反应体系的焓变或内能变，由于化学反应的热效应，是反应体系的焓变或内能变，由于焓和内能都是状态函数，它们的变化值只与始、终态有关，焓和内能都是状态函数，它们的变化值只与始、终态有关，而与反应的途径无关。所以反应过程的热效应不管

19、是一步或而与反应的途径无关。所以反应过程的热效应不管是一步或分为多步完成，热效应是相同的。分为多步完成，热效应是相同的。rH = rH1 + rH2 + rH35051盖斯定律的应用盖斯定律的应用：计算某些不易测得或无法直接测定的反应的热效应。计算某些不易测得或无法直接测定的反应的热效应。【例【例4】已知已知 (1) C(石墨石墨) + O2(g) CO2(g) rHm = -393.5 kJ.mol-1 (2) CO(g) + 1/2 O2(g) CO2(g) rHm = -282.9 kJ.mol-1计算计算 (3) C(石墨石墨) + 1/2 O2(g) = CO (g)rHm = ？5

20、2CO(g) + 1/2 O2(g) C(石墨石墨) + O2(g) （始态）（始态） CO2(g) （终态（终态）rHm(3)= ？rHm (2) rHm(1) 反应反应 =反应反应 - 反应反应 rHm(3)= rHm (1) - rHm(2) = -393.5 + 282.9 = -110.6 kJmol-1解解53生成焓生成焓在某温度下，由处于标准状态的各种元素的最在某温度下，由处于标准状态的各种元素的最稳定的单质，生成标准状态下单位物质的量的纯物稳定的单质，生成标准状态下单位物质的量的纯物质质时时反应的焓变，叫做该物质的标准摩尔生成焓反应的焓变，叫做该物质的标准摩尔生成焓，用符号用符

21、号fHm表示，单位：表示，单位：J/mol稳定单质稳定单质fHm= 0稳定单质1 mol 物质fHm = rHm 545556稳定单质反应物生成物rH1rH2rHmrH1= - (fHi)反应物 rH2= (fHi)生成物 r rH Hm m= = ( (f fH Hi i) )生成物生成物 - - ( (f fH Hi i) )反应物反应物 57(298)( )rmBfmBHHB温度温度T T时反应标准摩尔焓变的近似计算时反应标准摩尔焓变的近似计算rHm(T)rHm(298) =rHm 58【例【例5】计算反应计算反应 CaCO3(s) = CaO(s) + CO2 (g) 的的焓变。焓变。 59解：查表得解：查表得 CaCO3(s) = CaO(s) + CO2 (g) fHm /kJ mol-1 -1206.9 -635.6 -393.5 rHm = (-635.6) + (-393.5) (-1206.9) = 177 kJ mol-1 60【例【例6】6162636465