大学化学第一章ppt课件.ppt

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1、CO 能否想办法使能否想办法使其减少到几乎没有其减少到几乎没有或使或使CO完全参与反完全参与反应转化为生成物应转化为生成物?Fe2O3 + 3CO = Fe + 3CO2高温高温石墨石墨金刚石金刚石需要在什么条件下实现，能量变化如何需要在什么条件下实现，能量变化如何?研究化学反应必须研究研究化学反应必须研究的的问题问题1.1.该反应能否进行该反应能否进行? ?2.2.化学反应中能量是如何转化的化学反应中能量是如何转化的? ?3.3.在一定条件下，有多少反应物能在一定条件下，有多少反应物能最大限度地转化为生成物？最大限度地转化为生成物？许多反应我们可以看得到，许多反应我们可以看得到，如：如：有的

2、反应难以看得到：有的反应难以看得到：Pb2+ + EDTA = = Pb-EDTA有的反应式可以写出来，却不知到能否有的反应式可以写出来，却不知到能否Al2O3 + 3CO = = 2Al + 3CO2 这就需要了解化学反应的基本规律。这就需要了解化学反应的基本规律。 研究化学变化和相变化过研究化学变化和相变化过发生？发生？其中最重要的是化学热力学。其中最重要的是化学热力学。程中能量转换规律的科学。程中能量转换规律的科学。 热力学来自于大量实践的归纳总结，热力学来自于大量实践的归纳总结， 化学热力学有三个定律，我们重点讨化学热力学有三个定律，我们重点讨 为此，我们先建立几个基本概念，为此，我们

3、先建立几个基本概念，系统、系统、质量守恒、质量守恒、环境、环境、相；相；能量守恒能量守恒因此任何自然过程皆不违背热力学规律。因此任何自然过程皆不违背热力学规律。论第一、第二定律。论第一、第二定律。包括：包括：作为研究对象的那一部分物质；作为研究对象的那一部分物质；系统之外，与系统密系统之外，与系统密1. 1. 系统：系统：2. 2. 环境：环境：切联系的其它物质。切联系的其它物质。研究对象：空气系统研究对象：H2系统环境环境 系统和环境的划分是人为的，不是固系统和环境的划分是人为的，不是固定不变的，因讨论问题的重点而异。它的定不变的，因讨论问题的重点而异。它的意义在于不但可以集中注意力研究最关

4、心意义在于不但可以集中注意力研究最关心的事物，而且又能重视外界环境的影响。的事物，而且又能重视外界环境的影响。 思考思考 取一个装有盐酸溶取一个装有盐酸溶 液的烧杯，投入锌粒进液的烧杯，投入锌粒进 行锌与盐酸反应，哪一行锌与盐酸反应，哪一 部分是系统？哪一部分部分是系统？哪一部分 是环境？是环境？n若放有锌粒的盐酸溶液是系若放有锌粒的盐酸溶液是系统，溶液上的空气和烧杯及统，溶液上的空气和烧杯及外部空间，就是环境；外部空间，就是环境；n 也可以取烧杯以内的物也可以取烧杯以内的物质和空间作为系统，那么，质和空间作为系统，那么，烧杯以外的部分就是环境。烧杯以外的部分就是环境。（1 1）敞开系统）敞开

5、系统(open system) 系统与环境之间既有物质的系统与环境之间既有物质的 交换又有能量交换又有能量( (以热或功的形式以热或功的形式) ) 传递的系统。传递的系统。有三种热力学系统：有三种热力学系统：（2 2）封闭系统）封闭系统(closed system)系统与环境之间没有物质交换系统与环境之间没有物质交换, , 只有能量传递的系统。只有能量传递的系统。（3）孤立系统孤立系统(isolated system) 系统与环境之间既没有物质交换系统与环境之间既没有物质交换, , 也没有能量传递的系统。也没有能量传递的系统。系统中任何物理和化学性质完全相系统中任何物理和化学性质完全相相与相之

6、间有明确的界面。相与相之间有明确的界面。3. 3.相：相：例如：例如：H2OCCl4同的部分。同的部分。水水冰冰汽汽油油- -水界面水界面亦如此。亦如此。粉末颗粒间粉末颗粒间亦有界面。亦有界面。 一个相不一定是一种物质一个相不一定是一种物质 单相系统或均匀系统；单相系统或均匀系统； 相与态的区别相与态的区别 多相系统或不均匀系统；多相系统或不均匀系统； 同种物质可因聚集状态不同形成多相系统。同种物质可因聚集状态不同形成多相系统。 “在化学反应中，质量既不能创在化学反应中，质量既不能创 通常用通常用化学反应计量方程化学反应计量方程表示这种系统。表示这种系统。 B称称化学计量数化学计量数。0= B

7、 BB式转变为另一种形式。式转变为另一种形式。”造，也不能毁灭。造，也不能毁灭。 只能由一种形只能由一种形通式：通式：以合成氨反应为例：以合成氨反应为例：N2 +3H22NH3可写为：可写为： 0 = = -N2 -3H2 +2NH3即：即： N2 +3H2 = 2NH3对于一般的反应：对于一般的反应： aA+bB = gG+dD 其化学反应计量方程为其化学反应计量方程为： 0= = B BB 其中其中 B的符号：的符号： a、b为负为负；g、d为正为正 “在任何过程中，能量既不能创造，在任何过程中，能量既不能创造，U=Q+W此即此即热力学第一定律热力学第一定律，通常表示为：，通常表示为：也不

8、能消灭，也不能消灭， 只能从一种形式转化只能从一种形式转化为另一种形式。为另一种形式。”1.1.状态与状态函数状态与状态函数系统的系统的状态状态是指描述该系统的是指描述该系统的性质性质的综合。的综合。(1) (1) 对一系统，各种性质都有确定数对一系统，各种性质都有确定数表示系统性质的物理量表示系统性质的物理量X 称状态函数。称状态函数。性质也必都有确定的值。性质也必都有确定的值。当系统状态已确定时，该系统的各种当系统状态已确定时，该系统的各种值，该系统的状态便被确定；反之，值，该系统的状态便被确定；反之，(2) (2) 在系统状态变化时，状态函数的在系统状态变化时，状态函数的途途 径径 1途

9、途 径径 2 X =X2- -X1即：即：过程无关。过程无关。改变量只与系统的始、末态有关而与改变量只与系统的始、末态有关而与系统的性质系统的性质广度性质广度性质(extensive properties) ：强度性质强度性质(intensive properties) ： 如体积、质量、物质的量等，其数值与系统数量成正比，这种性质具有加和性。 如温度、压力、密度等，其数值与系统的数量无关，只取决于系统自身的特性，这种性质不具有加和性。水的体积水的体积 V=VV=V1 1+V+V2 2+V+V3 3+ +水的密度水的密度 =1 1+2 2+3 3+ +=1 1=2 2=3 3= =广度性质广度

10、性质强度性质强度性质2.2.热力学能热力学能即即内能内能系统内部能量的总和。系统内部能量的总和。 符号：符号：U ，其值与其值与n 成正比。成正比。无绝对数值；无绝对数值；U 是状态函数；是状态函数；单位：单位：kJmol-1-1。 * * 热热热力学中将能量交换形式分为热力学中将能量交换形式分为热热和和功功。 热热是系统与环境因温度不同而传递的是系统与环境因温度不同而传递的 符号：符号：Q ，系统系统放热放热：Q 0 ；Q 不是状态函数；不是状态函数；单位：单位：kJkJ；能量。能量。系统作功* *功功系统与环境交换能量的另一种形式系统与环境交换能量的另一种形式功功功分为：体积功功分为：体积

11、功 W单位：单位：kJ。 非体积功非体积功 WhAFW=Fh=PAh=PV W 不是状态函数；不是状态函数；系统对环境作功系统对环境作功: : W 0。F(W=- -PV ) 变到状态变到状态2, ,热力热力Q 0W 0U = Q + W热力学第一定律数学表达式热力学第一定律数学表达式 从环境吸从环境吸一封闭系统一封闭系统1，热力学能，热力学能U1 1，对环境做功对环境做功W，则有：则有：U=U2- -U1收热收热Q，学能学能U2 2永永 动动 机机 的的 设设 想想 图图 化学反应系统与环境进行能量交换的化学反应系统与环境进行能量交换的主要形式是热称主要形式是热称反应热反应热或或热效应热效应

12、。 通常把只做体积功，通常把只做体积功，且始态和终态具有且始态和终态具有根据反应条件的不同，反应热又可分为根据反应条件的不同，反应热又可分为：反应热。反应热。相同温度相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做时，系统吸收或放出的热量叫做 V2 =V1 V =0 U =Q +W U =Q - -PV =QV定容过程反应热定容过程反应热 QV1 定压过程反应热定压过程反应热 QP 2 由于由于P2 =P1 =P U =Q - -PV QP =U +PV 上式可化为：上式可化为： QP=（U2- -U1）+ P（V2- -V1） 即：即： QP=（U2+P2V2）- -（U1+P1V1）焓焓3此时，令：此

13、时，令： H = U +PV 称：称：焓焓 则：则： QP =H2- -H1=H 根据根据 Q 符号的规定，有：符号的规定，有： H 0 QP 0 QP 0 恒压反应系统恒压反应系统吸热吸热。H 是状态函数；是状态函数；单位：单位： kJmol-1。其值与其值与n n 成正比；成正比；无绝对数值；无绝对数值；符号：符号：H ； 化学反应的反应热（在恒压或恒容条件下）化学反应的反应热（在恒压或恒容条件下）如：如： C+O2= CO2 rH1C+21O2= CO rH2CO+21O2= CO2 rH3rH1=rH2+rH3盖斯定律盖斯定律1有：有：无关。无关。只与物质的始态或终态有关而与变化的途径

14、只与物质的始态或终态有关而与变化的途径将上式写成通式：将上式写成通式：根据盖斯定律，根据盖斯定律，若化学反应可以加和，则其反应热也可若化学反应可以加和，则其反应热也可推理：推理：任一化学反应可以分解为若干最任一化学反应可以分解为若干最基本的反应基本的反应 ，这些，这些 反反应的反应热之和就是该反应的反应热应的反应热之和就是该反应的反应热。（生成反应）（生成反应）生成生成rH=irHi以加和。以加和。 A+B = AB H1 ; C+D = CD H2 ; A+C = AC H3 ; B+D = BD H4 。即即: : rH=irHi则：则： H =H4+H3- -H1- -H2如：如： AB

15、 + CD = AC + BD H 因为因为QP=H，所以恒温恒压条件下的所以恒温恒压条件下的反应热可表示为反应的焓变反应热可表示为反应的焓变: :rH(T); 反应系统的反应系统的nB确定为确定为1 1mol时时, ,反应热反应热称为反应的称为反应的摩尔焓变摩尔焓变: :rHm(T)； 标准摩尔焓变标准摩尔焓变: :rHm(T)标准摩尔焓变标准摩尔焓变2在在标准状态标准状态下的摩尔焓变称反应的下的摩尔焓变称反应的热力学关于标准态的规定热力学关于标准态的规定（1 1）气体气体物质的标准态是在物质的标准态是在标准压力标准压力( (p = = 100.00 100.00kPa) )时的时的( (假

16、想的假想的) )理想气体状态理想气体状态; ;（2 2）溶液溶液中溶质中溶质B B的标准态是的标准态是: :在在标准压力标准压力p 时的标准质量摩尔浓度时的标准质量摩尔浓度b =1.0=1.0mol.kg-1, , 并表现为无限稀薄溶液时溶质并表现为无限稀薄溶液时溶质B(B(假想假想) )的的 状态状态; ;（3 3）液体液体或或固体固体的标准态是的标准态是: :在在标准压力标准压力p 时的纯液体或纯固体。时的纯液体或纯固体。 指定温度指定温度T 时由参考态元素生成时由参考态元素生成 B 时的标准摩尔焓变称时的标准摩尔焓变称标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓。 其中其中, ,C( (石石) )为碳的

17、参考态元素为碳的参考态元素, ,O2(g)(g)为氧为氧的参考态元素的参考态元素, ,此反应是生成反应。所以此反应是生成反应。所以此反应的焓变即是此反应的焓变即是CO2（g）的生成焓：的生成焓：例如例如: : C(石石)+O2(g)CO2(g) rHm(T) rHm(T)=fHm (CO2,g,T) 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓3 参考态元素通常指在所讨论的温度和压力参考态元素通常指在所讨论的温度和压力下最稳定状态的单质。也有例外，如下最稳定状态的单质。也有例外，如: :石墨石墨(C),白磷白磷(P)。标准摩尔焓变的计算标准摩尔焓变的计算4以乙炔的完全燃烧反应为例以乙炔的完全燃烧反应为例: :

18、C2H2（g）+O2（g）2CO2（g）+ H2O（l）可将此反应分解为四个生成反应：可将此反应分解为四个生成反应：通式：通式：2C+H2（g）C2H2（g) rHm1(T)=fHm (C2H2,T)O2(g)O2（g） rHm2 (T)=fHm (O2,T)C(S)+O2（g）CO2 2rHm3 (T)= 2fHm (CO2,T)H2(g)+O2(g)H2O(l) r rHm4m4 ( (T) )= =f fHm m ( (H2O,l,l,T) )有有: : r rHm = =2f fHm3 3 +f fHm4 4 -f fHm1 1 -f fHm2 2 根据盖斯定律根据盖斯定律：r rHm

19、 m ( (T）=i if fHmimi( (T）rHm (T)= BBfHmB(T) 注注意 (298.15K)是热力学基本数据，是热力学基本数据， 可查表。单位：可查表。单位：kJ.mol-1-1fHmB1rHm (T)rHm(298.15K)；2 如：如：fHm (O2,g)=0 C（石）（石）、H2（g）、O2（g）皆为参考态元皆为参考态元 素。参考态单质的标准摩尔生成焓为素。参考态单质的标准摩尔生成焓为 零。零。3 在进行计算在进行计算 时时B的化学计量数的化学计量数B 不可忽略。不可忽略。 由于由于f fHmB与与nB成正比成正比，4例题：例题：计算乙炔完全反应的标准摩尔焓变。计算乙炔完全反应的标准摩尔焓变。C2H2（g）+O2（g）2CO2（g）+ H2O（l）解：解：fHmB（T）226.73 0 393.51 285.83rHm (T)= BBfHmB(T)根据根据: :rHm (T)=2(-393.51)+(-285.83)kJmol-1 -(-226.73+0)kJmol-1=-1299.58kJmol-1