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1、第一章第一章 化学反应中的质量化学反应中的质量和能量关系和能量关系第1页，本讲稿共26页用于计量指定的微观基本单元，如用于计量指定的微观基本单元，如分子、原子、离子、电子分子、原子、离子、电子等微观粒子或其特定组合的一个物理量（符号为等微观粒子或其特定组合的一个物理量（符号为n），其单位），其单位名称为摩尔（名称为摩尔（mol）。m某物质的质量某物质的质量n该物质的物质的量该物质的物质的量相对分子质量（相对分子质量（Mr）：）：物质的分子或特定单元的平均质量与物质的分子或特定单元的平均质量与12C原子质量的原子质量的1/12之比，以前被称为分子量，如：之比，以前被称为分子量，如：Mr(H2O)
2、=18.0148 18.01。1、相对原子质量和相对分子质量、相对原子质量和相对分子质量2、物质的量（、物质的量（Amount of Substance）3、摩尔质量和摩尔体积、摩尔质量和摩尔体积（1）摩尔质量）摩尔质量(M)相对原子质量（相对原子质量（Ar）：元素的平均原子质量与：元素的平均原子质量与12C原子质量的原子质量的1/12之比，以往被称为原子量，如：之比，以往被称为原子量，如：Ar(H)=1.0079。第2页，本讲稿共26页（1）理想气体状态方程）理想气体状态方程p气体的压力，气体的压力，Pa;V 气体的体积，气体的体积，m3n 气体的物质的量，气体的物质的量，molT 气体的热
3、力学温度，气体的热力学温度，KR 摩尔气体常数摩尔气体常数,8.314 J.mol-1.K-1 (适用条件：当气体压力不太高、温度不太低的情况下适用条件：当气体压力不太高、温度不太低的情况下,气体分气体分子间的距离大，分子本身的体积和分子间的作用力均可忽略。子间的距离大，分子本身的体积和分子间的作用力均可忽略。)（2）摩尔体积）摩尔体积4、物质的量浓度物质的量浓度5、气体的计量、气体的计量第3页，本讲稿共26页（2）理想气体分压定律（道尔顿分压定律）理想气体分压定律（道尔顿分压定律）混混合合气气体体中中任任一一组组分分的的分分压压pi等等于于该该气气体体的的物物质质的的量量分分数数与与总压之积
4、。总压之积。混合气体的总压（混合气体的总压（p总总）等于各）等于各组分气体分压组分气体分压pi 之和。之和。即：即：p总总=pi该式为分压定律的一种表示式该式为分压定律的一种表示式第4页，本讲稿共26页1.2.1 应用化学反应方程式的计算应用化学反应方程式的计算利用配平的化学反应方程式，从已知反应物的量，计算生成物利用配平的化学反应方程式，从已知反应物的量，计算生成物的理论产量，或从所需产量计算反应物的量。的理论产量，或从所需产量计算反应物的量。例：氯碱工业用电解法制取氯气，若每投入例：氯碱工业用电解法制取氯气，若每投入9.0102 kg NaCl，制得的氯气在标准状况下只有制得的氯气在标准状
5、况下只有150m3，试计算其产率。，试计算其产率。解解：2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl22.0 mol22.4 103 m3n(NaCl)n(NaCl)m(NaCl)M(NaCl)9.0102 103 g（22.99+35.45)g.mol1.5 104 mol2.0 mol1.5 104 mol22.4 103 m31.7 102m3产率产率实际产量实际产量理论产量理论产量100150m31.7 102m310088第5页，本讲稿共26页1.2.2 化学计量数与反应进度化学计量数与反应进度1、化学计量数、化学计量数()cC+dD=yY +zZ0=-cC-dD+yY +zZ 令：
6、令：c c，d D，y Y，z Z 0=C C+D D+Y Y +Z Z化学计量式通式：化学计量式通式：B 包含在反应中的分子、原子、离子包含在反应中的分子、原子、离子 B 化学化学计量数计量数例如例如 N2+3H2 2NH3 0=-N2-3H2+2NH3=(N2)N2+(H2)H2+(NH3)NH3(N2)=-1 (H2)=-3 (NH3)=2规定规定：反应物的化学计量数为负，：反应物的化学计量数为负，产物的化学计量数为正。产物的化学计量数为正。第6页，本讲稿共26页2、反应进度、反应进度我国国标规定用为我国国标规定用为 表示化学反应进度表示化学反应进度。nB B 的物质的量的物质的量 B
7、B 的化学计量数的化学计量数对于化学计量式对于化学计量式对同一反应方程式，对同一反应方程式，值与选择的组分值与选择的组分无关。反应进行无关。反应进行到某程度，用反应物或产物表示反应进度，到某程度，用反应物或产物表示反应进度，值相同。值相同。但但对同一反应，对同一反应，值与值与反应方程式的写法有关。反应方程式的写法有关。=1=1mol时时时时，(1)式表示式表示生成生成生成生成1 1mol H2O；(2)式表示式表示生成生成生成生成2 2mol H2OH2与与O2反应生成反应生成0.5mol H2O时时时时，(1)式式 =0.5=0.5mol;(2)式式 =0.25=0.25mol第7页，本讲稿
8、共26页1.3.1 基本概念和术语基本概念和术语1.1.体系与环境体系与环境体系（体系（system):被研究对象。被研究对象。环境（环境（surrounding):与体系相联系的客观物质世界。与体系相联系的客观物质世界。敞开体系敞开体系:与环境间既有能量交换又有物质交换。与环境间既有能量交换又有物质交换。封闭体系封闭体系:与环境间只有能量交换而与环境间只有能量交换而没有没有物质交换。物质交换。孤立体系孤立体系:与环境间既与环境间既没有没有能量交换又能量交换又没有没有物质交换。物质交换。第8页，本讲稿共26页V=V2-V1=（4.48-22.4）L=-17.9L特点：特点：状态一定状态一定,状
9、态函数一定。状态函数一定。状态变化状态变化,状态函数也随之而变状态函数也随之而变,且状态函数的变化值且状态函数的变化值只与始态、终态有关只与始态、终态有关,而与变化途径无关。而与变化途径无关。例如：例如：1mol P1=101325PaT1=273K V1=22.4L1mol P2=1013250PaT2=546K V2=4.48LT=T2-T1=（546-273）K=273KP=P2-P1=（1013250-101325）Pa=911925Pa2、状态函数、状态函数状态状态（state):体系宏观性质的综合表现体系宏观性质的综合表现.状态函数（状态函数（state function):描述体
10、系状态的物理量描述体系状态的物理量，如：温度、压强、，如：温度、压强、体积等。体积等。状态函数状态函数的改变量的改变量第9页，本讲稿共26页体积功：体积功：由于体系体积变化而与环境交换的功由于体系体积变化而与环境交换的功,如膨胀功等。如膨胀功等。非体积功：非体积功：除体积功之外的功就是非体积功，除体积功之外的功就是非体积功，如电如电功等。功等。3、功和热、功和热 热不是状态函数。热不是状态函数。规定：规定：体系体系吸热：吸热：Q0；体系放热：体系放热：Q0；体系失功：体系失功：W0。热热(heat)：体系与环境间因温差而传递的能量体系与环境间因温差而传递的能量,以以Q表示表示.功功(work)
11、：体系体系与环境之间除热之外以其它形式传递的能量与环境之间除热之外以其它形式传递的能量,以以W表示表示.按做功按做功的形式的形式第10页，本讲稿共26页 内能以符合内能以符合U表示，为状态函数，具有能量单位。表示，为状态函数，具有能量单位。内能内能(internal energy)：即：即热力学能热力学能（thermodynamic energy)是系统内所是系统内所有粒子除整体势能及整体动能外全部能量的总和。有粒子除整体势能及整体动能外全部能量的总和。包括：分子平动能、分子转动能、分子振动能、分子间势能、包括：分子平动能、分子转动能、分子振动能、分子间势能、原子间键能、电子运动能、核内基本粒
12、子间核能。原子间键能、电子运动能、核内基本粒子间核能。能量守恒定律能量守恒定律（law of conservation of energy）：即）：即热力学第一热力学第一定律定律（the first law of thermodynamic），在任何变化过程中，能量不），在任何变化过程中，能量不会自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式，能量的总值不变。会自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式，能量的总值不变。4、内能（热力学能）、内能（热力学能）5.5.能量守衡能量守衡第11页，本讲稿共26页U1U2QW根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：U2=U1+Q+WU=Q+W例例 在在353K和和
13、1.01105Pa下，下，1g液态乙醇（液态乙醇（C2H5OH）蒸发变成同温、）蒸发变成同温、同压下的气体吸热同压下的气体吸热853J，因气体膨胀而做功，因气体膨胀而做功63J，求系统内能的变化。，求系统内能的变化。解：解：U系统系统=Q+W=853J-63J=790J U环境环境=-853J+63J=-790J U系统系统+U环境环境=0（系统（系统+环境）的总环境）的总能量变化为零能量变化为零规定规定：1、系统对环境做功、系统对环境做功 W为负值，反之为负值，反之,W为正值。为正值。2、系统吸收热量、系统吸收热量Q为正值为正值,反之反之,Q为负值。为负值。第12页，本讲稿共26页1.3.2
14、 反应热与反应焓变反应热与反应焓变恒温恒压条件下，体系不做非体积功，化学反应的反应热恒温恒压条件下，体系不做非体积功，化学反应的反应热Qp。Qp=U+pVU=Qp+WU=Qp pV =pS l =p(V1-V2)W=F l环境做功环境做功W=pVpS lpV=n RT1、恒压反应热、恒压反应热通常通常通常通常,反应热的数值为反应进度反应热的数值为反应进度反应热的数值为反应进度反应热的数值为反应进度 =1 mol(=1 mol(=1 mol(=1 mol(即发生即发生即发生即发生1 1摩尔摩尔反应反应反应反应)时的反应热。时的反应热。时的反应热。时的反应热。=pV化学反应热：化学反应热：发生化学
15、反应时，体系不做非体积功，反应终态温度恢发生化学反应时，体系不做非体积功，反应终态温度恢复到反应始态温度时，体系吸收或放出的热量。复到反应始态温度时，体系吸收或放出的热量。有气体参加或生成的反应，设气体为理想气体。有气体参加或生成的反应，设气体为理想气体。第13页，本讲稿共26页例例在在298.15K，101325Pa时，时，U=3165.74kJ.mol-1，求，求Qp。解：解：Qp=U+(n)RT2、反应焓变、反应焓变Qp=U+pV=U2U1+pV2pV1第14页，本讲稿共26页 H为为状状态态函函数数，焓焓变变H只只取取决决于于体体系系变变化化的的状状态态，而而与与变变化化途途径径无无关
16、关。如如果果一一个个反反应应分分几几步步进进行行，则则反反应应总总过过程程的的焓焓变变等等于各步焓变之和。于各步焓变之和。=(U2+pV2)(U1+pV1)令令H=U+pV，H定义为定义为焓（焓（enthalpy）。Qp=H2 H1=H=U+pV恒压条件下，恒压条件下，Qp在数值上等于体系的在数值上等于体系的H。H0 吸热反应吸热反应H=H1+H2+Hn第15页，本讲稿共26页热化学方程式：热化学方程式：表示化学反应与表示化学反应与热效应热效应关系的式子。关系的式子。v注明反应条件（温度、压力等）注明反应条件（温度、压力等）298.15K101325Pa2、热化学方程式、热化学方程式v标聚集态
17、标聚集态vQ具有容量性质具有容量性质v正逆正逆Q绝对值相同，符号相反绝对值相同，符号相反298.15K101325Pa298.15K101325Pa298.15K101325Pa298.15K101325Pa第16页，本讲稿共26页赫斯定律（赫斯定律（G.H.Hess law)：反应的热效应只与反应的始态与终反应的热效应只与反应的始态与终态有关，而与变化的途径无关。态有关，而与变化的途径无关。例例 计算计算298.15K和标准状态下和标准状态下,的热效应的热效应Qp。已知：已知：(1)Qp,1=393.5kJ.mol-1(2)Qp,2=283.0kJ.mol-14、赫斯定律、赫斯定律应用赫斯定
18、律不仅可计算某些恒压反应热，而且可计算难以或无应用赫斯定律不仅可计算某些恒压反应热，而且可计算难以或无法用实验测定的反应热。法用实验测定的反应热。第17页，本讲稿共26页解解:Qp,2QpQp,1Qp,1=Qp+Qp,2Qp=Qp,1Qp,2=393.5kJ.mol-1(283.0kJ.mol-1)=110.5kJ.mol-1 石墨不完全燃烧放出的热量只有完全燃烧放出热量的石墨不完全燃烧放出的热量只有完全燃烧放出热量的1/4。第18页，本讲稿共26页例例 求下列反应的热效应求下列反应的热效应已知已知:(1)Qp,1=32.64kJ.mol-1(2)Qp,2=285.83kJ.mol-1(3)Q
19、p,3=20.60kJ.mol-1解解:(3)2-(1)2-(2)2 即为所求反应式的热效应即为所求反应式的热效应Q=2Qp,3 2Qp,2 2Qp,1=2 (20.60kJ.mol-1)2 (285.83kJ.mol-1)2 (32.64kJ.mol-1)=595.74 64kJ.mol-1第19页，本讲稿共26页1.4.1 1.4.1 标准生成焓标准生成焓1、标准态、标准态标准条件：标准条件：压力为标准压力（气体混合物中，各气态物质的压力为标准压力（气体混合物中，各气态物质的分压均为标准压力），溶液中溶质的浓度均为标准浓度。分压均为标准压力），溶液中溶质的浓度均为标准浓度。物质物质标准态标
20、准态气体气体标准压力标准压力(p =100kPa)下纯气体下纯气体液体液体固体固体标准压力标准压力(p =100kPa)下下纯液体、纯固体、纯液体、纯固体、溶液中的溶液中的溶质溶质标准压力标准压力(p=100kPa)下摩尔浓度为下摩尔浓度为1molL-1 第20页，本讲稿共26页2、标准摩尔生成焓、标准摩尔生成焓H=Hf(H2O,l)=-285.8kJ.mol-1标准摩尔生成焓：标准摩尔生成焓：恒定的温度和标准态下，由指定的最稳恒定的温度和标准态下，由指定的最稳定的单质生成单位物质的量的纯物质的焓变。以定的单质生成单位物质的量的纯物质的焓变。以 表示，表示，单位为单位为kJ.mol-1。fHm
21、Hf，可简写为可简写为 H =Hf(CO,g)=-110.54kJ.mol-1 如：如：Na2O Ag2OHf/kJ.mol-1 -414.2 -31.0根据根据Hf值可判断值可判断同类型同类型化合物的相对稳定性，化合物的相对稳定性，Hf代数代数值越小，化合物越稳定值越小，化合物越稳定。Na2O的稳定性比的稳定性比Ag2O的的热稳定性要好。热稳定性要好。C（graphite，s）+O2(g)=CO(g)第21页，本讲稿共26页1.5.1 1.5.1 标准摩尔生成焓的计算及反应热标准摩尔生成焓的计算及反应热标准摩尔生成焓的计算及反应热标准摩尔生成焓的计算及反应热H(298.15K)=gHf(G,
22、298.15K)+dHf(D,298.15K)+-aHf(A,298.15K)-bHf(B,298.15K)H=i Hf(生成物生成物)i Hf(反应物反应物)3 键焓键焓 键焓：键焓：在标准态下，气态物质平均每断开单位物质的量的在标准态下，气态物质平均每断开单位物质的量的化学键成生成态原子或原子团时的焓变。以符号化学键成生成态原子或原子团时的焓变。以符号H b表示，表示，单位单位kJ.mol-1。标准摩尔焓变：标准摩尔焓变：标准态下，反应或过程的摩尔焓变，以标准态下，反应或过程的摩尔焓变，以r H 表示，表示，可可简写为简写为H，单位为单位为kJ.mol-1。第22页，本讲稿共26页例：例：
23、已知恒压反应已知恒压反应:CaO(s)+H2O(l)Ca(OH)2（s）计算此反应的标准反应热。计算此反应的标准反应热。H3=Hf(Ca(OH)2.s)=-986.17kJmol-1解：解：H H3CaO(S)+H2O(1)Ca(OH)2(s)+H2H1 H1+H2+H=H3H=H3-(H1+H2)H1=Hf(CaO,s)=-635.13kJmol-1H2=Hf（H2O,1）=-285.83kJmol-1反应物反应物生成物生成物H =Hf(Ca(OH)2,s)Hf(CaO,s)Hf(H2O,1)=-65.21 kJmol-1 第23页，本讲稿共26页H(298.15K)=Hf(Al2O3,s)
24、+2Hf(Fe,s)2Hf(Al,s)Hf(Fe2O3,s)=1675.7+20-20(-824.2)kJ.mol-1=-851.5 kJ.mol-1解：解：Hf/kJ.mol-10 -824.2 -1675.7 0例例 计算铝粉和三氧化二铁反应的计算铝粉和三氧化二铁反应的H(298.15K)已知：已知：H =iHf(生成物生成物)i Hf(反应物反应物)作业作业 p2223：1，6，8，9，13，15 第24页，本讲稿共26页1.5.2 由键焓估算反应热由键焓估算反应热 例例 求求298.15K和标准态下，和标准态下，的的H。解：解：H2=Hb(F-F)H3=2Hb(H-F)反反 应应 物物
25、生生 成成 物物H +2Hb(H-F)=Hb(F-F)+Hb(H-H)H =Hb(F-F)+Hb(H-H)-2Hb(H-F)H2H2(g)F2(g)+2HF(g)2H(g)+2F(g)HH1H3H1=Hb(H-H)H +H3=H1+H2H =(436+158)-2566=-538kJ.mol-1H=i Hb(反应物反应物)+i Hb(生成物生成物)第25页，本讲稿共26页例例 试由键焓估算试由键焓估算298.15K时，乙烷分解为乙烯和氢气反应：时，乙烷分解为乙烯和氢气反应：的的H 解：解：H =6Hb(C-H)+Hb(C-C)-4 Hb(C-H)+Hb(C=C)+Hb(H-H)=6416+356-4 416+598+436=154kJ.mol-1HCCHH HH H乙烷结构乙烷结构HC CHH H乙烯结构乙烯结构第26页，本讲稿共26页