无机与分析化学-第一篇-化学反应原理-第二章-热化学-课件.ppt

1、第二章第二章 热化学热化学2.1 热力学术语和基本概念热力学术语和基本概念2.2 热力学第一定律热力学第一定律2.3 化学反应的热效应化学反应的热效应 2.4 Hess定律定律2.5 反应热的求算反应热的求算2.1 热力学术语和基本概念热力学术语和基本概念2.1.1 系统和环境系统和环境2.1.5 化学反应计量式和反应进度化学反应计量式和反应进度2.1.4 相相2.1.3 过程和途径过程和途径2.1.2 状态和状态函数状态和状态函数 2.1.1 系统和环境系统和环境系统：系统：被研究对象。被研究对象。环境：环境：系统外与其密切相关的部分。系统外与其密切相关的部分。（按系统与环境之间的物质和能量

2、传递情况）：（按系统与环境之间的物质和能量传递情况）：敞开系统敞开系统，封闭系统封闭系统和和隔离系统隔离系统(孤立系统孤立系统)。敞开系统：敞开系统：与环境有物质交换也有能量交换。与环境有物质交换也有能量交换。封闭系统：封闭系统：与环境无物质交换有能量交换。与环境无物质交换有能量交换。隔离系统：隔离系统：与环境无物质、能量交换。与环境无物质、能量交换。三种系统与环境之间物质和能量的交换情况三种系统与环境之间物质和能量的交换情况敞开系统敞开系统封闭系统封闭系统隔离系统隔离系统有物质交换有物质交换没有物质交没有物质交换换没有物质交没有物质交换换有能量交换有能量交换有能量交换有能量交换没有能量交没有

3、能量交换换 选择题：选择题：下列情况中属于封闭体系的是（下列情况中属于封闭体系的是（）A A）氢气在盛有氯气的密闭绝热容器中燃烧氢气在盛有氯气的密闭绝热容器中燃烧B B）反应反应N N2 2O O4 4(g(g）2NO2NO2 2(g)(g)在密闭容器中进行在密闭容器中进行C C）氢氧化钠与盐酸在敞口的烧杯中反应氢氧化钠与盐酸在敞口的烧杯中反应D D）用水壶烧开水用水壶烧开水答案：答案：B2.1.2 状态和状态函数状态和状态函数状态状态：系统的宏观性质的综合表现。：系统的宏观性质的综合表现。由压力、由压力、温度、体积和物质的量等物理量所确定下来温度、体积和物质的量等物理量所确定下来的系统存在的

4、形式称为系统的状态。的系统存在的形式称为系统的状态。状态函数状态函数：描述系统状态的物理量：描述系统状态的物理量(p,V,T)。状态函数的关系状态函数的关系：根据理想气体状态方程：根据理想气体状态方程：pV=nRT 状态函数之间有一定联系。状态函数之间有一定联系。P2=303.9kPaT2=473KV2=0.845m3P1=101.3kPaT1=373KV1=2m3P3=202.6kPaT3=373KV3=1m3 （I）加加 压压（II）加压、升温加压、升温减压、降温减压、降温始始 态态终终 态态2.1.3 过程和途径过程和途径过程：过程：系统从始态到终态发生的一系列变化。系统从始态到终态发生

5、的一系列变化。定温过程定温过程：始态、终态温度相等，并且：始态、终态温度相等，并且过程中始终保持这个温度。过程中始终保持这个温度。T1=T2定压过程定压过程：始态、终态压力相等，并且：始态、终态压力相等，并且过程中始终保持这个压力。过程中始终保持这个压力。p1=p2定容过程定容过程：始态、终态容积相等，并且：始态、终态容积相等，并且过程中始终保持这个容积。过程中始终保持这个容积。V1=V2途径：途径：系统从始态变为终态所经历的过程总和，被系统从始态变为终态所经历的过程总和，被称为途径。称为途径。状态函数的特点是：状态函数的特点是：其变化值只取决于系统的起始状态和终了其变化值只取决于系统的起始状

6、态和终了状态，而与系统变化所经历的具体途径无关。状态，而与系统变化所经历的具体途径无关。2.1.4 相相均相系统均相系统(或单相系统或单相系统)非均相系统非均相系统(或多相系统或多相系统)系统中物理性质和系统中物理性质和化学性质完全相同的且化学性质完全相同的且与其他部分有明确界面与其他部分有明确界面分隔开来的任何均匀部分隔开来的任何均匀部分，叫做相。分，叫做相。是非题：是非题：1 1）聚集状态相同的物质混在一起，一定）聚集状态相同的物质混在一起，一定是单相体系。是单相体系。2 2）系统内相界面越多，则相越多。）系统内相界面越多，则相越多。思考题：思考题：1 1）高炉炼铁反应中，高炉炼铁反应中，

7、FeOFeO(s)(s)+CO+CO(g)(g)FeFe(s)(s)+CO+CO2(g)2(g)问该系统中共有几相？问该系统中共有几相？2.1.5 化学反应计量式和反应进度化学反应计量式和反应进度BBB 0 ZYBAzyba物质物质B的化学计量数的化学计量数规定：规定：生成物为正，反应物为负生成物为正，反应物为负。B化学反应计量式：化学反应计量式：ZYBA0zyba如如 WO3(s)+6H2(g)=6H2O(l)+W(s)(WO3)=-1,(H2)=-6,(H2O)=6,(W)=1 反应进度反应进度():表示化学反应进行程度的物理量。表示化学反应进行程度的物理量。例如例如:对化学计量方程：对化

8、学计量方程：d =B-1 d nB 或或 =B-1 nB =B-1 nB 式中：式中：nB为为B物质的量，物质的量，B为为B的化学计量数，的化学计量数，为反应进度为反应进度,单位为单位为mol。0 0B BB BB B gNH2gH3gN322t0时 nB/mol 3.0 10.0 0 0 t1时 nB/mol 2.0 7.0 2.0 t2时 nB/mol 1.5 5.5 3.0 1 2 mol0.11mol)0.30.2(NN2211nmol5.12mol0.12mol)00.2(NHNH3311nmol0.13mol)0.100.7(HH2211n gNHgH23gN21322mol0.2

9、2/1mol)0.30.2(22NN1n时1tt 2.0 7.0 2.0 (mol)3.0 10.0 0 (mol)0t使用使用 时应注意：时应注意：（1）反应进度）反应进度()的值与选用反应式中何种物的值与选用反应式中何种物质的量的变化进行计算无关。质的量的变化进行计算无关。（2）同一化学反应如果化学反应方程式的写）同一化学反应如果化学反应方程式的写法不同法不同物质量改变相同，则物质量改变相同，则 不同。不同。(D D)n n(D D)(C C)n n(C C)(B B)n n(B B)(A A)n n(A A)2.2 热力学第一定律热力学第一定律2.2.1 热和功热和功2.2.3 热力学第

10、一定律热力学第一定律2.2.2 热力学能热力学能2.2.1 热和功热和功 系统与环境之间由于存在温差而传递的能量。1.热(Q)热不是状态函数。规定：系统吸热：Q 0；系统放热：Q 0。系统与环境之间除热之外以其他形式传递的能量。分类：体积功，非体积功系统对环境做功，W0（得功）2.功(W )规定：功不是状态函数lFWexpexV1l体积功的计算：Vpex12exVVplApex2.2.2 热力学能热力学能热力学能(U)：系统内所有微观粒子的全部 能量之和，也称内能。U是状态函数。UUU12 热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径无关。2.2.3 热力学第一定律热力学第一定律WQU 对于封闭

11、系统热力学第一定律的数学表达是为：热力学第一定律的实质是能量守恒与转化定律。U1 U2QWU2=U1+Q+WU2-U1=Q+W2.3 化学反应的热效应化学反应的热效应2.3.1 定容反应热定容反应热2.3.5 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓2.3.4 热化学方程式热化学方程式2.3.3 rUm和和 rHm 2.3.2 定压反应热定压反应热2.3.6 标准摩尔燃烧焓标准摩尔燃烧焓 封闭系统，在定容过程中QV表示。体积功QV=在定容且非体积功为零的过程中，封闭系统从环境吸收的热等于系统热力学能的增加。2.3.1 定容反应热定容反应热 封闭系统，在定压过程中Qp表示。若系统不做非体积功，则：2.3.2

12、 定压反应热定压反应热VpQUpex111222)(VpUVpUQp112212VpVpQUUp12ex12VVpQUUp0,0HH放热反应吸热反应令：U+pV=H 焓，状态函数 H=H2 H1 焓变 则：Qp=H在定压且非体积功为零的过程中，封闭系统从环境吸收的热等于系统焓的增加。对于无气体参加的反应，W=pex V=0有气体参加的反应：WQUVpHUex2.3.3 rUm和和 rHm rUmrHm=rUmrHm=pex VrHm n(g)RT=rHmRTB(g)=rHm标准状态：表示化学反应及其反应热(标准摩尔焓变)关系的化学反应方程式。2H2(g)+O2(g)2H2O(g)气体：T，p=

13、p =100kPa液、固体：T，p 下，纯物质溶液：溶质B，bB=b =1molkg-1cB=c =1molL-12.3.4 热化学方程式热化学方程式(298.15K)=483.64kJmol-1rHm称为反应的标准摩尔焓变。rHm2H2(g)+O2(g)2H2O(g)2H2(g)+O2(g)2H2O(l)H2(g)+O2(g)H2O(g)21(298.15K)=483.64kJmol-1rHm 聚集状态不同时，不同。rHm(298.15K)=571.66kJmol-1rHm 化学计量数不同时，不同。rHm(298.15K)=241.82kJmol-1rHm 在温度T下,由参考状态单质生成物质

14、B(B=+1)反应的标准摩尔焓变，称为物质B的标准摩尔生成焓。H2(g)+O2(g)H2O(g)212.3.5 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓(B,相态,T)，单位是kJmol-1fHm(H2O,g,298.15K)=241.82kJmol-1fHmfHm(参考态单质,T)=0 在温度T下,物质B(B=1)完全氧化成指定产物时的标准摩尔焓变，称为物质B的标准摩尔燃烧焓。)g(COC2)l(OHH2)O(l2H(g)CO (g)OOH(l)CH2222332.3.6 标准摩尔燃烧焓标准摩尔燃烧焓(B,相态,T)，单位是kJmol-1cHm(CH3OH,l,298.15K)=726.51kJmol-

15、1cHm0),g,CO(2TcHm0),l,OH(2TcHm2.4 Hess定律定律 化学反应不管是一步完成还是分几步完成，其反应热总是相同的。rHm,1rHm,2rHm+=或rHm=rHm,i 例：已知298.15K下，反应：计算298.15K下，CO的标准摩尔生成焓。)(gCO (g)OC(s)(1)22(g)CO (g)OCO(g)(2)2221应用：1.利用方程式组合计算rHm(1)=393.5kJmol-1rHm(2)=282.98kJmol-1rHm解：解法一：解法一：利用Hess定律)(gOC(s)2)g(CO)g(O221 gCO2途径1途径2解法二：解法二：(g)CO(g)O

16、C(s)22222)(gCO(g)OCO(g)11CO(g)(g)OC(s)22,3rHm,1rHm,2rHm,3rHm,1rHm,2rHm=110.53kJmol-1,1rHm,2rHm,3rHm2.5 反应热的求算反应热的求算2.5.1 由标准摩尔生成焓计算由标准摩尔生成焓计算 反应的标准摩尔焓变反应的标准摩尔焓变2.5.2 由标准摩尔燃烧焓计算由标准摩尔燃烧焓计算 反应的标准摩尔焓变反应的标准摩尔焓变(g)5O(g)4NH23(g)6H(g)O5(g)2N222 gOH6)4NO(g2=490.25+6(-241.82)-4(-46.11)-0kJmol-1=905.4 8kJmol-1

17、2.5.1 由标准摩尔生成焓计算由标准摩尔生成焓计算 反应的标准摩尔焓变反应的标准摩尔焓变rHm=?fHm(NH3,g)4fHm(O2,g)5fHm(NO,g)4fHm(H2O,g)6(NO,g)+4fHm(H2O,g)6fHm(NH3,g)+-4fHm(O2,g)5fHmrHm=结论：aA+bB yY+zZ(B,相态,T)fHmBrHm(T)=)g(CO22.5.2 由标准摩尔燃烧焓计算由标准摩尔燃烧焓计算 反应的标准摩尔焓变反应的标准摩尔焓变cHm(C)cHm(CO)=-cHm(C)=,1rHmcHm(CO)=,2rHm)(gOC(s)2)g(CO)g(O221,3rHm=-,3rHm,1rHm,2rHm结论：aA+bB yY+zZ(B,相态,T)-BrHm(T)=cHm