化学反应热及化学反应的方向和限度1.ppt
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化学反应热及化学反应的方向和限度1Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope有生命必有希望有生命必有希望 主要内容主要内容6.1 热力学系统和状态函数热力学系统和状态函数6.2 能量守恒和能量守恒和化学反应热化学反应热 6.3 熵和熵和GibbsGibbs自由能自由能 6.4化学化学反应的限度和平衡常数反应的限度和平衡常数 重难点重难点: 焓变、自由能、反应自发性判据焓变、自由能、反应自发性判据 反应进行的快慢、反应进行的快慢、条件、机理条件、机理化学反应的现实性化学反应的现实性反应能否发生反应能否发生及反应的限度及反应的限度化学反应的可能性化学反应的可能性化学反应中能量的变化化学反应中能量的变化化学反应速率化学反应速率化学动力学化学动力学化学热力学化学热力学 重要的理论意义和实际应用重要的理论意义和实际应用石墨石墨 金刚石金刚石2000K、、6万大气压万大气压NO+CO N2+CO2？条件？条件反应进行彻底反应进行彻底医学领域：医学领域：判断生物体内的许多化学反应能否发生？判断生物体内的许多化学反应能否发生？体内物质代谢过程中能量的转化和利用等体内物质代谢过程中能量的转化和利用等化工领域：化工领域： 二、状态和状态函数二、状态和状态函数1.状态状态2.状态函数（状态函数（state function））——即确定体系即确定体系 热力学状态的物理量热力学状态的物理量如：如：p，，V，，T，，n，，ρ（密度），（密度），U（热（热 力学能或内能），力学能或内能），H（焓），（焓），S （熵），（熵），G（自由能）（自由能）等。
等 （（1）一个体系的某个状态函数的值改变，）一个体系的某个状态函数的值改变，该体系的状态就改变了该体系的状态就改变了 殊途同归殊途同归殊途同归殊途同归 例：始态例：始态例：始态例：始态 T T1 1 298K 298K → 350K 350K T T2 2 终态终态终态终态 ↓ ↑ ↓ ↑ 520K → 410K 520K → 410K 途经途经途经途经1 1 和途经和途经和途经和途经2 2：：：： △ △ △ △T = TT = T2 2 - T - T1 1 =350K =350K – – 298K = 52K 298K = 52K状态函数的变化只取决于状态函数的变化只取决于始态和终态始态和终态，而与途经无关，而与途经无关状态函数的特征状态函数的特征 广度性质广度性质:有些状态函数，如物质的量、质量等具有加和性。
有些状态函数，如物质的量、质量等具有加和性强强度度性性质质:另另一一些些状状态态函函数数，，如如温温度度、、密密度度等等不不具具有有加加和和性性的的 性质 三、热力学第一定律三、热力学第一定律 系统与环境之间的能量交换有两种方式，一种是热传系统与环境之间的能量交换有两种方式，一种是热传递，另一种是做功递，另一种是做功 1.热热热热热（热（Q）与途径有关，不是状态函数与途径有关，不是状态函数规定：系统从环境中吸热：规定：系统从环境中吸热：Q > 0 （如无机盐溶于水）（如无机盐溶于水） 系统向环境中放热：系统向环境中放热：Q < 0 （如酸碱中和反应）（如酸碱中和反应） 2. 2. 功功功功 在化学中的功有体积功、电功和表面功等，本章所研究的仅在化学中的功有体积功、电功和表面功等，本章所研究的仅是体积功，不考虑非体积功，以是体积功，不考虑非体积功，以W表示功（功（W）与途径有关，不是状态函数与途径有关，不是状态函数规定：环境对系统做功：规定：环境对系统做功：W > 0 系统对环境做功：系统对环境做功：W < 0 体积功的推导体积功的推导体积功的推导体积功的推导 体体体体积积功：指由于系功：指由于系功：指由于系功：指由于系统统体体体体积发积发生生生生变变化而与化而与化而与化而与环环境之境之境之境之间间所做的功。
所做的功所做的功所做的功W = -F×l = -p外×A×l = -p外ΔV 3. 3. 热力学能（内能）热力学能（内能）热力学能（内能）热力学能（内能）F定义：定义： 指系统内一切能量的总和，以指系统内一切能量的总和，以U表示FU是状态函数，热力学能变化只与始态、终态有关，是状态函数，热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径无关与变化途径无关F至今尚无法直接测量，只能测量至今尚无法直接测量，只能测量 UF U = U2 – U1 ΔU = U2 – U1 = Q + W4. 4. 热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律系统热力学能的变化量为：系统热力学能的变化量为：系统热力学能的变化量为：系统热力学能的变化量为：能量守恒能量守恒能量守恒能量守恒状态状态状态状态I IU U1 1封闭系统：封闭系统：封闭系统：封闭系统：状态状态状态状态IIIIU U2 2系统从环境中吸热系统从环境中吸热系统从环境中吸热系统从环境中吸热环境对系统做功环境对系统做功环境对系统做功环境对系统做功WW 四、化学反应的热效应和焓四、化学反应的热效应和焓 1、化学反应的热效应、化学反应的热效应是指当反应始态与反应终态的是指当反应始态与反应终态的温度相同时，化学反应过程中所吸收或放出的热量。
化学温度相同时，化学反应过程中所吸收或放出的热量化学反应的热效应一般称为反应热，通常考虑恒压反应热反应的热效应一般称为反应热，通常考虑恒压反应热Qp 在恒压、不做非体积功的条件下：在恒压、不做非体积功的条件下：W = - pΔV = - p (V2 – V1)，，Q = Q P ，，ΔU = U2 – U1 = Q P - p (V2 – V1)，，Q P = (U2 + pV2) - (U1 + pV1)，，令令 H = U + pV，，H是状态函数是状态函数则：则：ΔH = H2 – H1 = Q p（恒压反应热）（恒压反应热） ♥ H = U + pV 是热力学函数是热力学函数;♥ 由于由于H是状态函数是状态函数U、、p、、V的组合，所以焓的组合，所以焓H也是状态函数也是状态函数♥ 焓变焓变ΔH ：： 吸热反应（吸热反应（endothermic），），ΔH > 0 放热反应（放热反应（exothermic），）， ΔH < 0 < 0 2. 焓（焓（enthalpy）） 焓变为化学或物理过程中吸收或放出的热量焓变为化学或物理过程中吸收或放出的热量, 即过程完成之即过程完成之后的终态物质的焓与过程发生之前的始态物质的焓之差。
后的终态物质的焓与过程发生之前的始态物质的焓之差ΔH = H2 – H1 C(石墨石墨) + O2(g) = CO2(g)= -393.5 kJ .mol-1△△rHm 三、热化学方程式三、热化学方程式ΔH + 吸热反应吸热反应ΔH - 放热反应放热反应 1. 1.定义定义：表示化学反应与反应热关系的方程：表示化学反应与反应热关系的方程式称为热化学方程式例：式称为热化学方程式例：（一）（一） 热化学方程式热化学方程式 “r ” 代表化学反应（代表化学反应（reaction））“m” 代表代表1 摩尔摩尔进度进度反应反应“” 代表代表热力学标准态热力学标准态（（298）代表热力学温度（）代表热力学温度（K）） 的含义的含义：标准摩尔焓变：标准摩尔焓变H2(g) + ½ O2(g) = H2O(l) 物质的标准态物质的标准态: :在在100kPa、、指定温度下该物指定温度下该物质的状态质的状态 气体：气体： 溶液：溶液：固体和固体和纯液体：纯液体：T, p p = 100 kPa溶质溶质B, bB = b = 1 mol·kg-1或或 cB = c = 1 mol·L-1T, p下，纯物质下，纯物质 2. 热化学方程式的书写要求热化学方程式的书写要求⑴⑴ 要注明反应的温度和压力要注明反应的温度和压力⑵⑵ 要注明物质的状态要注明物质的状态 固体固体s (solid）） 液体液体 l ( liquid）） 气体气体 g (gas）） 水溶液水溶液aq (aqueous solution））⑶⑶ 反应热与计量系数有关反应热与计量系数有关H2(g) + Cl2(g) = 2HCl(g) ½H2(g) + ½Cl2(g) = HCl(g) 例：例：N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g) = -92.38 kJ .mol-1 2NH3(g) = N2(g) + 3H2(g) = 92.38 kJ .mol-1 △△rHm △△rHm △△H正正 = -△△H逆逆(4)正逆反应的反应热的数值相等而符号相反。
正逆反应的反应热的数值相等而符号相反 四、四、HeSS定律和反应热的计算定律和反应热的计算 C A （始态）（始态） B（终态）（终态）△△rHm =？？△△rHm (2) △△rHm(1) 途径一：途径一：A B 途径二：途径二：A C B 不管化学反应是一步完成的，还是分几步完成的，不管化学反应是一步完成的，还是分几步完成的，该反应的热效应相同该反应的热效应相同 （一）（一） 由已知的热化学方程式计算反应热由已知的热化学方程式计算反应热 一个反应若能分解成一个反应若能分解成2步或几步实现，则总反应的步或几步实现，则总反应的 H等于各等于各分步反应分步反应 H值之和例如：例如： (1) C(石墨石墨) + O2(g) = CO2(g) = -393.5 kJ/mol (2) CO(g) + O2(g) = CO2(g) = -283.0 kJ/mol (3) C(石墨石墨) + O2(g) = CO(g) = ?反应反应 (3) = 反应反应(1) – 反应反应(2) = – = -110.5 kJ/mol A B△ △rH＝＝HB－－ HAH绝对值不可测绝对值不可测定义物质的焓值：定义物质的焓值：即规定稳定单质的焓值为即规定稳定单质的焓值为0，各化合物以，各化合物以单质为参照物得到相对焓值（生成焓），利用这些相对焓值单质为参照物得到相对焓值（生成焓），利用这些相对焓值求各反应的焓变求各反应的焓变即即△ △rH＝＝HB－－ HA= HB（（相对相对））－－ HA （（相对相对）） （二）（二） 由由标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓（（standard molar enthalpy of formation）计算反应热）计算反应热 定义：定义：在在标准状态标准状态下下( (100kPa，，TK),),由由稳定单质稳定单质生成生成1 1摩尔摩尔的某物质时的反应热称为该物质的的某物质时的反应热称为该物质的标准摩尔标准摩尔生成焓生成焓，符号，符号 ，，f代表生成代表生成(formation) (formation) 单位：单位：kJ.mol-1.△△fHm △△fHm ө(T ) = 0 kJ·mol-1例如：例如：例如：例如： C C（（（（s, s,石墨石墨石墨石墨）））） 的的的的△△fHm ө 为为为为0 0处于标态下的各元素所指定最稳处于标态下的各元素所指定最稳定单质的标准生成焓为定单质的标准生成焓为0标准摩尔生成焓（热）标准摩尔生成焓（热） 例：例：①① C金刚石金刚石 + O2（（g）） = CO2(g) = - 395.4 kJ.mol-1△△rHm(1) ②②C（石墨）（石墨） + O2（（g）） = CO2(g) = - 393.5 kJ.mol-1 △△rHm(2) △△fHm(CO2) = = - 393.5 kJ.mol-1△△rHm(2) △△fHm(NH3) = = -46.19 kJ.mol-1 △△rHm(4) ③③ N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)△△rHm(3) = -92.38 kJ.mol-1④④ 1/2N2(g) + 3/2H2(g) = NH3(g) △△rHm(4) = -46.19 kJ.mol-1 根据根据Hess定律定律=(产物产物)-(反应物反应物)利用物质的利用物质的 计算反应的计算反应的△△rHm △△fHm 解解：：CH4(g)+ 2O2(g) = CO2(g)+ 2H2O(l)查查 -74.89 0 -393.5 -285.8 kJ.mol-1△△rHm 例：例：计算下列反应的计算下列反应的= -393.5 + 2(-285.8)-(-74.89) = -890.21 kJ.mol-1 △△rHm 2. 查出数据后计算时要乘以反应方程查出数据后计算时要乘以反应方程式中物质的系数。
式中物质的系数 1. 查查△△fHm 的值时要注意各物质的聚集的值时要注意各物质的聚集状态状态不同状态状态不同△△fHm值不同，并要注意正值不同，并要注意正负号 3. 近似认为近似认为△ △rHmθ(T) ＝＝△ △rHmθ(298.15ＫＫ)注意注意 在热化学标准状态下在热化学标准状态下在热化学标准状态下在热化学标准状态下，，，，1mol1mol1mol1mol某物质某物质某物质某物质完完完完全燃烧全燃烧全燃烧全燃烧时的标准摩尔反应焓称为该物质的时的标准摩尔反应焓称为该物质的时的标准摩尔反应焓称为该物质的时的标准摩尔反应焓称为该物质的标准摩标准摩标准摩标准摩尔燃烧热尔燃烧热尔燃烧热尔燃烧热 标准摩尔燃烧热标准摩尔燃烧热标准摩尔燃烧热标准摩尔燃烧热（（（（standard molar heat of combustionstandard molar heat of combustion ））））(三三) 由标准摩尔燃烧热计算反应热由标准摩尔燃烧热计算反应热△△cHm 下标：下标：下标：下标：c c ————燃烧燃烧燃烧燃烧 m ——m ——1mol1mol上标：上标：上标：上标： ————标准状态标准状态标准状态标准状态单位：单位：单位：单位： kJkJ molmol-1-1 完全燃烧：物质中的完全燃烧：物质中的H、、C、、S、、N、、Cl经燃烧后其经燃烧后其产物是产物是H2O(l)、、CO2(g)、、N 2(g)、、SO2(g)、、HCl(aq) 利用物质的利用物质的 计算计算△△cHm △△rHm △△rHm =∑(n )反反△△cHm -∑(n )产产△△cHm 例例 C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g) 解解 ：： –1411 -286 -1560 kJ.mol-1△△rHm = -1411+（（-286））-（（-1560））= -137 (kJ.mol-1) 标准摩尔燃烧焓标准摩尔燃烧焓标准摩尔燃烧焓标准摩尔燃烧焓: :以燃烧终产物为参照物的相对值以燃烧终产物为参照物的相对值标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓:以各种单质为参照物的相对值以各种单质为参照物的相对值二者既有区别又有联系二者既有区别又有联系例如例如: H2(g) + 1/2 O2(g) = H2O(l)则则△ △rHmθ= △ △fHmθ(H2O,l)= -285.8kJ/mol △ △rHmθ= △ △cHmθ(H2,g)= -285.8kJ/mol1mol某物质某物质完全燃烧（氧化）时的反应热完全燃烧（氧化）时的反应热完全燃烧（氧化）时的反应热完全燃烧（氧化）时的反应热由稳定单质生成由稳定单质生成1摩尔的某物质摩尔的某物质时的反应热时的反应热 。
