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1、第一章第一章化学热力学基础化学热力学基础第1页1.2化学反应能量守恒与反应热效应化学反应能量守恒与反应热效应1.3化学反应热效应理论计算化学反应热效应理论计算1.1热力学基本概念热力学基本概念1.1.1体系和环境体系和环境1.1.2状态和状态函数状态和状态函数 1.1.3过程和路径过程和路径 1.1.4热力学能热力学能1.1.5热和功热和功 第2页 热力学:专门研究能量相互转变过程中所遵照规律一门科学。化学热力学:用热力学理论和方法研究化学反应过程能量改变问题、化学反应方向问题以及化学反应进行程度问题。1.1热力学基本概念热力学基本概念第3页 体系之外并与体系有亲密联络那部分物质 或空间称为环
2、境。被划分出来作为研究对象那部分物质或空 间称为体系(系统）。1.1.1 体系和环境第4页 敞开体系：体系与环境之间现有物质 交换，又有能量交换。体系分类：敞开体系 封闭体系 孤立体系依据：依据体系与环境之间有没有物质和能量交换。第5页 封闭体系:体系与环境之间只有能量 交换，而没有物质交换。第6页孤立体系：体系与环境之间既没有 物质交换也没有能量交换。第7页敞开体系敞开体系封闭体系封闭体系孤立体系孤立体系动画起源：绍兴文理学院无机及分析化学第8页用来描述体系状态物理量（p、T、V、H、U）叫做状态函数。由一系列表征体系性质物理量所确定下来体系存在形式称为体系状态。1.1.2 状态和状态函数第
3、9页状态函数特征 体系状态一定，状态函数值一定。体系改变时，状态函数值改变只与体系 始态和终态相关，而与改变路径无关。循环过程状态函数改变值为零。状态函数有特征，状态一定值一定，状态函数有特征，状态一定值一定，殊途同归改变等，周而复始改变零。殊途同归改变等，周而复始改变零。第10页体系状态因为外界条件改变会发生改变，这种状态改变称为过程。过程能够采取各种不一样详细形式实现，每一个详细形式称为路径。1.1.3 过程和路径第11页依据过程发生条件不一样，可分为以下几类：恒温过程：T1=T2=T外 恒压过程：p1 =p2=p外 恒容过程：V1=V2 绝热过程：Q=0第12页恒温过程373K，505k
4、Pa恒温过程373K，202kPa恒压过程恒压过程不一样路径示意图不一样路径示意图308K，202kPa始态始态308K，505kPa终态终态第13页 热力学能(内能):是体系内各种形式能量总和，用符号U表示。单位:J 或 kJ；J/mol或 kJ/mol。热力学能特点:状态函数;其绝对值不可测量;含有加和性1.1.4 热力学能第14页动画起源：动画起源：动画起源：动画起源：绍兴文理学院无机及分析化学绍兴文理学院无机及分析化学绍兴文理学院无机及分析化学绍兴文理学院无机及分析化学状态函数性质：强度性质；广延性质。状态函数性质：强度性质；广延性质。状态函数性质：强度性质；广延性质。状态函数性质：强
5、度性质；广延性质。第15页定义:体系与环境之间因温差而传递能量称为热，以符号Q表示。单位:J 或 kJ；J/mol或 kJ/mol。要求：若体系吸热，Q 0 若体系放热，Q 0 1.1.5 热和功1.热第16页要求：若环境向体系做功，功取正值(W 0)若体系向环境做功，功取负值(W 0)定义:除热之外，在体系和环境之间被传递其它能量，称为功，以符号W表示。单位:J或kJ；J/mol或 kJ/mol。功和热都与路径相关，不是状态函数2.功第17页功分类体积功外全部其它形式功称为非体积功。如电功、表面功等。因为体系体积改变而与环境交换能量，称为体积功。体积功 非体积功 第18页体积功计算外力做功：
6、外力做功：体系做功：体系做功：W=P外外VW=Fd=(PA)h=PV该图来自北大该图来自北大该图来自北大该图来自北大无机化学课件无机化学课件无机化学课件无机化学课件第19页1.判断题(1)状态函数改变值只取决于体系一直，(2)而与改变路径无关。(2)Q和W是过程函数，而U是状态函数。2.计算题(1)体系放热300kJ，并受压做功700kJ，求内能 改变。(2)5g液态乙醇在78.3完全蒸发成3.03升蒸 汽，吸热4.268kJ，求U=？练习题第20页1.2化学反应能量守恒与反应热效应化学反应能量守恒与反应热效应1.3化学反应热效应理论计算化学反应热效应理论计算1.1热力学基本概念热力学基本概念
7、1.2.1热力学第一定律热力学第一定律1.2.2热化学方程式与盖斯定律热化学方程式与盖斯定律 1.2.3化学反应热效应化学反应热效应 第21页1.2 化学反应能量守恒与反应热效应 自然界一切物质都含有能量，能量有各种不一样形式，能够从一个形式转化为另一个形式，在转化过程中，能量总值不变。1.2.1 热力学第一定律第22页体体 系系环境环境U 0U 0体系吸热Q0对体系做功W0对环境做功第23页例例1.1起始状态为起始状态为U1体系，假设体系放出体系，假设体系放出200J热量，热量，环境对体系做了环境对体系做了350J功，计算体系能量改变功，计算体系能量改变和终态和终态U2。解解:由题意可知：Q
8、=200 J；W=+350 J U=Q+W 200 J+350 J=150 J因为 U2U1=U所以U2=U1+U=U1+150 J第24页+定义：化学反应时，体系所放出或吸收热量称为 该反应反应热效应，简称热效应或反应热。+分类：分类：恒容热效应 恒压热效应1.2.2 化学反应热效应 第25页 恒容热效应 QV 在恒容过程中完成化学反应称为恒容反应，其热效应称为恒容热效应。体体 系系U=QvU=Q+WW=0第26页 恒压热效应 Qp 在恒压过程中完成化学反应称为恒压反应，其热效应称为恒压热效应。体系第27页+恒压热效应计算U=Qp p外 V W=pV U 2-U 1 =Qp p外(V2-V1
9、)U 2-U 1=Qp-（p2V2-p1V1）Qp=(U 2 p2V2)(U 1+p1V1)假如体系是在等压，只做体积功下改变,即 p1=p2=p外，V 0第28页H:是一个新热力学函数，称为焓；单位：J 或 kJ；J/mol 或 kJ/mol 焓变：H=Qp 令：令：HH=U U+pVpV 焓特点:焓是状态函数;绝对值无法测量;含有加和性第29页点火线点火线+恒容反应热效应测量 弹式热量计 反应热Qv？第30页问题？问题？不能直接用试验测量反应，怎样知道不能直接用试验测量反应，怎样知道反应热效应呢？反应热效应呢？反应：反应：C(石墨石墨)+1/2O2(g)=CO(g)反应热能不能直接用试验测
10、量？反应热能不能直接用试验测量？第31页 1.热力学标准态气体标准压力（p=100 kPa）下纯气体状态液体、固体标准压力下最稳定纯液体、纯固体溶液中溶质标准压力下质量摩尔浓度1 molkg1状态1.2.3 热化学方程式与盖斯定律第32页2.反应进度反应进度对于化学反应：dD+eE=gG+hH普通化学反应式 则有：d=B-1dnB对于有限改变,有 =nB/B当反应进度=1mol时，即按计量方程式进行了一次完整反应时，称为1mol化学反应或简称摩尔反应。化学反应或简称摩尔反应。第33页 比如比如:(1)O2(g)+2H2(g)2H2O(g)(2)1/2O2(g)+H2(g)H2O(g)=1mol
11、时，时，(1)表示生成了表示生成了2molH2O(2)表示生成了表示生成了1molH2O第34页+化学计量方程与热效应都写出方程称热化学方程式。3.热化学方程式 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)化学反应中各物质处于标准态时焓变称为该反应标准摩尔反应焓变，用 表示。改变值改变值reaction反应温度反应温度rHm(T)yy标准态标准态mole标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变第35页 应注明反应温度和压力。假如是298.15K和 100kPa，可省略。必须标出物质聚集状态。通常以g、l和s分别表示气、液和固态。+书写热化学方程式时注意以下几点：2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)=4
12、83.6 kJ.mol-12H2(g)+O2(g)=2H2O(l)=571.6 kJ.mol-1第36页 必须注明固体物质晶型。碳有石墨、金刚石、无定形等晶型。同一反应，反应式系数不一样，热效应值也不一样。2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)=571.6 kJ.mol-1H2(g)+O2(g)=H2O(l)=285.8 kJ.mol-1第37页例例1.2 已知T=298.15 K，p=100 kPa时，反应 =91.8 kJmol1，计算在一样条件下，下列反应 。第38页 解：解：第39页4.盖斯定律+盖斯定律内容：“不论化学过程是一步完成或分为数步完成，这个过程热效应是相同。”+盖斯定律
13、用途：利用试验易测量反应热效应，来计算难以用试验方法测得反应热效应。第40页 (1)C(石墨)O2(g)=CO2(2)C(金刚石)O2(g)=CO2 =395.4 kJmol-1(3)C(石墨)=C(金刚石)第41页rH rH+rH rH rH rH =393.51 kJmol-1(395.41kJmol 1)=1.90 kJmol-1 rH第42页例例1.3已知25时，求反应（3）Fe3O4(s)+4C(石墨)=3Fe(s)+4CO(g)在25时反应热。（2）3Fe(s)+2O2(g)=Fe3O4(s)（1）2C(石墨)+O2(g)=2CO(g)解解：=2(221.0)kJmol1 (111
14、8.4 kJ.mol1)=676.4 kJmol1（3）（1）2（2）第43页1.什么是Hess定律？Hess定律理论基础是什么？2.热力学中标准态是怎样要求？3.热力学第一定律与Hess定律有什么关系？反应始态和终态压力相等，而中间过程压力有改变反应，是否一定服从Hess定律？为何？练习题第44页1.2化学反应能量守恒与反应热效应化学反应能量守恒与反应热效应1.3化学反应热效应理论计算化学反应热效应理论计算1.1热力学基本概念热力学基本概念1.3.1物质标准摩尔生成焓物质标准摩尔生成焓1.3.2化学反应标准摩尔焓变计算化学反应标准摩尔焓变计算 第45页1.3.1 物质标准摩尔生成焓物质标准摩
15、尔生成焓改变值改变值formationmolefHm(B，p，T)yy反应温度反应温度phase标准态标准态+在标准态时，由元素稳定纯态单质生成在标准态时，由元素稳定纯态单质生成1mol某某纯物质纯物质B焓变（即恒压反应热），称为该物质焓变（即恒压反应热），称为该物质B标准标准摩尔生成焓摩尔生成焓。符号为。符号为1.3化学反应热效应理论计算化学反应热效应理论计算1.3.1 物质标准摩尔生成焓+在标准态时，由元素稳定纯态单质生成在标准态时，由元素稳定纯态单质生成1mol某某纯物质纯物质B焓变（即恒压反应热），称为该物质焓变（即恒压反应热），称为该物质B标准标准摩尔生成焓摩尔生成焓。符号为。符号为
16、1.3 化学反应热效应理论计算第46页比如：在298K时任何一个稳定单质任何一个稳定单质标准摩尔生成焓等于零。标准摩尔生成焓等于零。第47页+使用标准摩尔生成焓时注意：这是一个相对值，相对于稳定纯态单质标准摩尔生成焓等于零。注明摩尔生成焓温度，不写就是指298.15 K，该温度下数值可查热力学数据表。注明B物质相态，同一物质而不一样相态，其标准摩尔生成焓值不等。第48页稳定单质稳定单质(1)(2)(3)反应物dD+eE生成物gG+hH+用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓：1.3.2 化学反应焓变计算第49页ni和nj分别为化学方程式中生成物和反应物系数=jjiiHnHnH）反应物生成物(mfm
17、fmryyyCaculationHofreaction?第50页计算以下反应在298.15K时标准摩尔反应焓变。74.6 0 393.5 285.8解：2(285.8 kJmol-1)+(393.5 kJmol-1)(74.6kJmol-1)=890.5 kJmol-1例例1.4第51页=(1675.7 kJ.mol-1)0 kJ.mol-10 kJ.mol-1+(824.2kJ.mol-1)=851.5 kJ.mol-1解：依据标准生成焓数据，计算铝粉和三氧化二铁反应焓变 。0 824.2 1675.7 02Al(s)Fe2O3(s)Al2O3(s)2Fe(s)例例1.5第52页练习题已知：(1)4NH3(g)+3O2(g)=2N2(g)+6H2O(l),H 1523kJmol-1 (2)H2(g)+(1/2)O2(g)=H2O(l),H 287kJmol-1 试求反应(3)N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)H 。第53页2.热力学第一定律：U=Q+W 本章小结3.化学反应热效应：H=Qp 4.盖斯定律1.基本概念：状态与状态函数；过程与路径；标准态；功 与热；热力学能、焓与焓变；化学反应热。第54页