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1、第一章第一章热化学热化学与能源与能源化学热力学的基本问题之一化学热力学的基本问题之一：什么样的反应是可以发生的什么样的反应是可以发生的？反应的能量变化和反应的自发性反应的能量变化和反应的自发性之间有着什么样的联系？之间有着什么样的联系？最直观的反应能量变化：反应的热效应最直观的反应能量变化：反应的热效应21了了解解化化学学变变化化过过程程中中的的热热效效应应、恒恒容容反反应应热热和和恒恒压压反反应应热热的的概概念念与与测测定定原原理理；会会写写热热化化学方程式；学方程式；2初步了解焓的概念，知道焓变是化学反应初步了解焓的概念，知道焓变是化学反应自发过程的一种驱动力；自发过程的一种驱动力；3会进
2、行有关热化学的一般计算；会进行有关热化学的一般计算；本章教学要求本章教学要求4.了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。战略。1.1反应热的测量反应热的测量1.2反应热的理论计算反应热的理论计算1.3常见能源及其有效与清洁利用常见能源及其有效与清洁利用(自学）自学）1.4清洁能源与可持续发展清洁能源与可持续发展（自学）（自学）1.1 1.1 反应热的测量反应热的测量1.1.11.1.1几个基本概念几个基本概念系系统统(system)：被研究的直接对象被研究的直接对象环环境境(environment):系统外与其密切相关的部分系统外与其密切相关的部分敞开
3、敞开系统系统(open system)：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封闭系统系统(closed system)：与环境有能量交换无物质交换与环境有能量交换无物质交换孤立孤立系统系统(isolated system)：与环境无物质、能量交与环境无物质、能量交换换1.系统和相系统和相状状态态:一定条件下体系存在的形式一定条件下体系存在的形式状态函数状态函数:描述系统性质的物理量，例如描述系统性质的物理量，例如p，V，T等等2.状态和状态函数状态和状态函数状态函数具有鲜明的状态函数具有鲜明的特点特点:(1)状态一定状态一定,状态函数一定。状态函数一定。(2)状态变化状
4、态变化,状态函数也随之而变状态函数也随之而变,且状态函数且状态函数的变化值只与始态、终态有关的变化值只与始态、终态有关,而与变化途径无关！而与变化途径无关！相相(phase)系统以相的组成划分：系统以相的组成划分：分为分为均相系统均相系统(单单相系统相系统)和和非均相系统非均相系统(多多相系统相系统)。体系中物理性质和化学性质完全相体系中物理性质和化学性质完全相同的任何同的任何均匀均匀部分。部分。相和相之间有明显的相和相之间有明显的界面界面。3.过程和可逆过程过程和可逆过程恒温过程恒温过程(isaothermal process):T1=T2=Tex恒压过程恒压过程(isobaric proc
5、ess):p1=p2=pex恒容过程恒容过程(constant volume process):V1=V2可逆过程可逆过程(reversible process):体系从终态到始态时，消除了对环境产生的一切影响，体系从终态到始态时，消除了对环境产生的一切影响，可逆过程是理想化过程，无限接近热力学平衡态。可逆过程是理想化过程，无限接近热力学平衡态。容量（广度）性质容量（广度）性质：具有加和性。：具有加和性。n ,V强度性质强度性质：不具有加和性。：不具有加和性。T，P 状态函数状态函数过程过程途径途径4.化学计量数和反应进度化学计量数和反应进度（Stoichoimetric equation a
6、nd reaction progress）若化学反应计量式为若化学反应计量式为则其反应进度为（则其反应进度为（x x 的单位是的单位是mol）物质物质B的化学计量数的化学计量数83.010.0002.07.02.011.55.53.01.5反应进度必须对应具体的反应方程式反应进度必须对应具体的反应方程式！91.1.2反应热的实验测量反应热的实验测量化学和物理变化过程中的热效应化学和物理变化过程中的热效应各类过程中放出或吸收的热量；各类过程中放出或吸收的热量；对对反应热反应热进行精密测量并研究进行精密测量并研究与其他能量变化的定量关系的与其他能量变化的定量关系的学科叫热化学。学科叫热化学。（1）
7、热效应）热效应(heat effect)q=nCm T(2)热容（热容（heat capacity,c）使某物体温度升高使某物体温度升高1K时所需的热量。热容除以时所需的热量。热容除以物质的量得摩尔热容物质的量得摩尔热容(Molar heat capacity)Cm100.0J的热量可使的热量可使1mol铁的铁的温度上升温度上升3.98K,求铁的求铁的Cm。Example物质物质比热容比热容(J/g)H2O(l)4.18H2O(s)2.03Al(s)0.89Fe(s)0.45Hg(l)0.14C(s)0.71Solutionq热量计热量计测定化学反应热效应的装置叫热量计测定化学反应热效应的装置
8、叫热量计(calorimeter)其测定原理可简单表示如下：其测定原理可简单表示如下：热效应的测定热效应的测定(heating effect measurement)q=-csms(T2 -T1)=-CsTq 表示一定量反应物在给定条件下的热效应表示一定量反应物在给定条件下的热效应负号表示放热、正号表示吸热；负号表示放热、正号表示吸热；ms表示溶液的质量；表示溶液的质量；Cs表示溶液的热容；表示溶液的热容；T表示表示溶液终态温度溶液终态温度T2与始态温度与始态温度T1之差。之差。弹弹式式热热量量计计(Bomb calorimeter)最最适适用用于于测测定定物物质质的的燃燃烧热。烧热。13局局
9、限限只适用于燃烧反应（只能测定恒容燃烧热）只适用于燃烧反应（只能测定恒容燃烧热）燃烧反应：即充分氧化，燃烧反应：即充分氧化，HH2O;CCO2;NN2反应速度必须足够快反应速度必须足够快测定结果是恒容热效应测定结果是恒容热效应即：即：q=-q(H2O)+qb=-C(H2O)T+CbT=-CT钢弹组件的总热容钢弹组件的总热容弹式量热计中环境所吸收的热有两部分：弹式量热计中环境所吸收的热有两部分：主要部分是加入的吸热介质水所吸收的；另一部分是主要部分是加入的吸热介质水所吸收的；另一部分是金属容器等钢弹组件所吸收的。金属容器等钢弹组件所吸收的。小结小结基本概念和术语基本概念和术语：系统系统 相相状态
10、状态 状态函数状态函数过程过程 途径途径 可可逆过程逆过程化学计量数化学计量数 反应反应进度进度热效应热效应 热容热容基本方法：基本方法：如何实验测定反应如何实验测定反应热（燃烧热）？热（燃烧热）？定容反应热：定容反应热：qv15体系与环境体系与环境之间由于存之间由于存在在温差温差而传递的能量。热不而传递的能量。热不是是状态函数状态函数。热热（q）体系与环境之间体系与环境之间除热之除热之外外以其他形式传递的能量。以其他形式传递的能量。功不是状态函数。功不是状态函数。非体积功非体积功:体积功以外的所有其他形式的功体积功以外的所有其他形式的功功功(w)体积功：体积功：PV功功1.2反应热的理论计算
11、反应热的理论计算1.2.1热力学第一定律热力学第一定律16热力学第一定律热力学第一定律能量守恒能量守恒U2 U1=U=q+w热力学能热力学能(U)体系内所有微观粒子的全部能量之和，体系内所有微观粒子的全部能量之和，U是状态函是状态函数热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径数热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径无关。至今尚无法直接测定，只能测定到无关。至今尚无法直接测定，只能测定到 U。1.热力学第一定律热力学第一定律系统只作体积功时（等压途径）：系统只作体积功时（等压途径）：w=-p(V2-V1)=-pVU=q-pV体系的总能量体系的总能量 动能（动能（T）势能（势能（V）热力学能（
12、热力学能（U）分子间相互作用能分子间相互作用能 Ut+Ur+Uv+Ue.热力学能热力学能U的基本特征：的基本特征：(1)是状态函数；是状态函数；(2)绝对值无法确定；绝对值无法确定；(3)容量性质。容量性质。热力学能的组成热力学能的组成:容量（广度）性质容量（广度）性质：具有加和性。：具有加和性。n ,V强度性质强度性质：不具有加和性。：不具有加和性。T，P 18热力学第一定律的表述热力学第一定律的表述U=q+w“在任何过程中，能量消灭，只能从一种形式变为另在任何过程中，能量消灭，只能从一种形式变为另一种形式，而不同形式的能量在相互转化时，数量永一种形式，而不同形式的能量在相互转化时，数量永远
13、是相当的。远是相当的。”热力学第一定律是热现象领域内的能量守恒与转化热力学第一定律是热现象领域内的能量守恒与转化定律，它可以表述为：定律，它可以表述为：“第一类永动机不能造成第一类永动机不能造成。”第一类第一类第一类第一类永动机永动机：“不需要外界提供能量，却能不断对外作功。不需要外界提供能量，却能不断对外作功。不需要外界提供能量，却能不断对外作功。不需要外界提供能量，却能不断对外作功。”1.2.2化学反应的化学反应的反应热反应热与焓与焓1.定容反应热定容反应热(qV)V=0对于封闭系统对于封闭系统,在恒容、不做非体积功条件下，在恒容、不做非体积功条件下，W=0 ,U=q对于等容过程，对于等容
14、过程，Vi=0U=qV表明表明:在恒容、不做非体积功条件下，在恒容、不做非体积功条件下，定容反应热等于系统热力学能的增量定容反应热等于系统热力学能的增量。化学反应热：等温过程热化学反应热：等温过程热定义定义焓焓H=U+pV，H=qp焓变：焓变：（即恒压量热计所测之热）（即恒压量热计所测之热）qpqpqpqpqp2.定压反应热定压反应热(qp)与焓与焓213.qp与与qV的关系与盖斯定律的关系与盖斯定律由由H=U+pV可知：可知：H=U+(pV)，即即qp=qv+(pV)对凝聚体系的反应，对凝聚体系的反应，qp=qV对理想气体反应对理想气体反应，qp=qV+nRT对于一般反应：对于一般反应：qp
15、 qv n(B(Bg)RTqp qv n n(Bg)RT rHm-rUm=n n(Bg)RT22 与与 的关系的关系对对无气体无气体参加的反应参加的反应：W=pex V=0对对有气体有气体参加的反应：参加的反应：23始态始态始态始态 C C(石墨）石墨）石墨）石墨）+OO2 2(g)(g)终态终态终态终态COCO2 2(g)(g)COCO(g)+1/2(g)+1/2O O2 2(g)(g)(2)(2)(3)(3)(1)(1)因为（因为（1）=（2）+（3）所以，所以，q p,1=q p,2+q p,3或或 q v,1=q v,2+q v,3盖斯定律（盖斯定律（1840年年）当反应恒压或恒容进行
16、时总反应的热效应当反应恒压或恒容进行时总反应的热效应只与反应的始态和终态（温度、反应物和只与反应的始态和终态（温度、反应物和生成物的量以及聚集状态等）有关，而与生成物的量以及聚集状态等）有关，而与变化的途径无关。变化的途径无关。即：即：化学反应不管是化学反应不管是一步完成一步完成还是分还是分几步完几步完成成，其反应热总是，其反应热总是相同相同的的。24 Hsol=H1+H2+H325恒恒压压条条件件下下反反应应吸吸收收或或放放出出的的热热量量叫叫反反应应焓焓，符符号号为为。放放热热过过程程中中为为负负值值(往往往往能能自自发发进进行行),吸热过程吸热过程中为中为正值正值(通常不能自发进行通常不
17、能自发进行)。1.2.3反应标准摩尔焓变的计算反应标准摩尔焓变的计算N2H4(l)+2O2(g)=-642.33kJmolN2(g)+4H2O(g)产物或终态产物或终态反应物或始态反应物或始态反应物或始态反应物或始态产物或终态产物或终态2Hg(l)+O2(g)=+181.7kJmol2HgO(s)26标准摩尔焓标准摩尔焓（standard molar enthalpy）是是每每mol反反应应的的焓焓变变,为为了了使使测测得得的的rH值值具具有有可可比比性性，就就产产生生了了标标准准摩摩尔尔焓焓(standard molar enthalpy)的的概概念念，它它是是反反应应物物在在其其标标准准状
18、状态态的的反反应应焓焓。物物质质的的标标准准状状态态是是指指在在1105Pa的的压压力力和和某某一一指指定定温温度度下下物物质质的的物物理理状状态态。标标准准摩摩尔尔焓焓完完整整的的表表示示符符号号为为 右右上上标标“”代代表表热热力力学学标标准准状状态态(简简称称标标准准态态)，括括号号内内标标出出指定的温度。指定的温度。标准摩尔生成焓：标准摩尔生成焓：fHm(T)标准状态时，由标准状态时，由指定单质指定单质生成生成单位物质的量单位物质的量的的纯物质时反应的焓变纯物质时反应的焓变27焓（焓变）：焓（焓变）：H反应焓：反应焓：rH摩尔反应焓摩尔反应焓:rHm标准摩尔反应焓标准摩尔反应焓:rHm
19、(T)标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓:fHm(T)28反应的标准摩尔焓变反应的标准摩尔焓变：rHm(298.15K)=B f Hm,B(298.15K)aA+bB=gG+dDrHm(298.15K)=f Hm(298.15K)生成物生成物-f Hm(298.15K)反应物反应物应用上式应注意的问题应用上式应注意的问题：终态终态-始态始态聚集态聚集态化学计量数，即反应方程式写法化学计量数，即反应方程式写法正负号，吸热为正负号，吸热为+，放热为，放热为作为近似，作为近似，H(298.15K)H(T)29Solution 先先将将反反应应式式反反向向书书写写并并将将所所有有物物质质的的系系数数除除以以
20、2，以以便便使使讨讨论论的的系系统统符符合合对对生生成成热热所所下下的的定定义义,即即由单质直接反应生成由单质直接反应生成1molHgO(s):根据下述热化学方程式计算根据下述热化学方程式计算HgO(s)的生成热：的生成热：2HgO(s)2Hg(l)O2(g),=+181.7kJmol-1 再将分解热的再将分解热的 的正号改为负号并除以的正号改为负号并除以2即得即得HgO(s)的生成热的生成热 ：Hg(l)+O2(g)HgO(s)Hg(l)+O2(g)HgO(s),302SO2(g)O2(g)2SO3(g),SolutionS8(s)8O2(g)8SO2(g),用用 计算计算SO3(g)的标准
21、摩尔生成焓：的标准摩尔生成焓：S8(s)O2(g)SO2(g),=296.9kJmol-1)SO2(g)O2(g)SO3(g),=99kJmol-1S8(s)+O2(g)SO3(g),=396kJmol-1由单质直接反应生成由单质直接反应生成1molSO3(g)的反应方程式为的反应方程式为S8(s)+O2(g)SO3(g)该方程可由上述两个方程及其该方程可由上述两个方程及其分别除以分别除以8和和2然后相加然后相加得到：得到：31Solution该反应可看作该反应可看作Al2O3的生成反应与的生成反应与Fe2O3分解反应相加的分解反应相加的结果：结果：2Al(s)+(3/2)O2(g)Al2O3
22、(s),Fe2O3(s)2Fe(s)+(3/2)O2(g)，2Al(s)+Fe2O3(s)Al2O3(s)+2Fe(s)+)用来焊接金属的铝热反应涉及用来焊接金属的铝热反应涉及Fe2O3被金属被金属Al还原的反应还原的反应 2Al(s)+Fe2O3(s)Al2O3(s)+2Fe(s),试计算试计算298K时时该反应的该反应的 。321.3常见能源及其有效与清洁利用常见能源及其有效与清洁利用自学要求：自学要求：1.常见的能源有哪些常见的能源有哪些?2.在常见的能源结构中，各种能源的储在常见的能源结构中，各种能源的储藏量的比例在发生怎样的变化藏量的比例在发生怎样的变化?3.如何进行常见能源的有效及清洁利用如何进行常见能源的有效及清洁利用?331.4清洁能源与可持续发展清洁能源与可持续发展自学要求：自学要求：1.你认为当前应重点开发的清洁你认为当前应重点开发的清洁能源有些能源有些?2.能源开发不走可持续发展之路有可能能源开发不走可持续发展之路有可能3.产生哪些问题，设想一下，这些问题产生哪些问题，设想一下，这些问题4.一旦产生对人类所带来的后果。一旦产生对人类所带来的后果。343536