普通化学：第一章 热化学.ppt

普通化学热 化 学（Thermochemistry）第 一章普通化学 1.1 化学反应的热效应及体积功 （Heat Effect and Volume Work of Chemical Reaction） 1.2 焓及焓变 （Enthalpy and Enthalpy Change） 1.3 赫斯定律 （Hesss Law ） 1.4 标准生成焓及反应的标准焓变 （Standard Enthalpy of Formation and Enthalpies of Reaction） 选读材料 能源 . 石油 . 煤 . 氢能源 .其他能源目 录普通化学1.1 化学反应的热效应及体积功1.1.1 系统和环境（System and Surroundings）1.1.2 状态函数 （State Functions）1.1.3 过程与途径（process and approaches)1.1.4 热力学第一定律 （The First Law of Thermodynamics）1.1.5 内能 （Internal Energy）1.1.6 内能的改变量与热和功的关系 （Relating U to Heat and Work）1.1.7 吸热过程和放热过程 （Endothermic and Exothermic Processes）普通化学系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。

环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和空间开放系统有物质和能量交换封闭系统只有能量交换1.1.1 系统与环境图1.1 系统的分类隔离系统无物质和能量交换普通化学 例 考察一个汽缸中待燃烧的氢气和氧气的混合物，氢气和氧气即为系统，气缸、活塞以及其他相关部分则为环境2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)+ 热量 虽然系统中氢原子和氧原子的化学形态发生了变化，但系统与环境间并没有发生物质交换，但却与环境以热和功的形式交换了能量 图1.2 H2和O2在密闭的金属气缸中燃烧构成封闭系统普通化学1.1.2 状态与状态函数状态函数 用于表示系统性质的物理量X 称状态函数，如气体的压力p、体积V、温度T 等 状态 就是系统一切性质的总和有平衡和非平衡态之分 如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化普通化学状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数 当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始、末态有关，而与变化的实际途径无关图1.3 状态函数的性质系统压力从3p变为p普通化学广度性质和强度性质状态函数可分为两类：广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等。

强度性质：其量值不具加和性，如温度、压力等思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强(热力学中称为压力)是强度性质的物理量由此可以得出什么结论？推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？ 力和面积都是广度性质的物理量结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量普通化学1.1.3 过程与途径 系统状态发生任何的变化称为过程可逆过程 体系经过某一过程，由状态变到状态之后，如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程 实现一个过程的具体步骤称途径思考：过程与途径的区别 设想如果你要把20 C的水烧开，要完成“水烧开”这个过程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧普通化学1.1.4 热力学第一定律 封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热q，从环境得功w，则系统内能的增加U (U2 U1)为：U = q + w 热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的的应用其中，内能现称为热力学能普通化学 能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，但可以从一种形式转变成另一种形式系统失去的能量必定被环境所得到，反之亦然。

要定量地运用这个定律，我们必须更精确地定义系统的能量普通化学1.1.5 内能 系统内部运动能量的总和，用 U 表示内部运动包括分子的平动、转动、振动以及电子运动和核运动思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在10000m高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上两者的内能相同吗？相同内能的特征： 状态函数 无绝对数值 广度性质 由于分子内部运动的相互作用十分复杂，因此目前尚无法测定内能的绝对数值普通化学 对于一个给定的系统，其内能有一个固定的值 能量是一个广延量（见1.3节），一个系统的总的内能正比于该系统中物质的总质量 将系统在终态与始态之间的内能差值定义为系统的内能改变量，用U表示：UU终U始普通化学1.1.6 内能的改变量与热和功的关系 热力学第一定律的代数式： U = Q + W 热力学规定，当系统从环境中吸热时Q为正值，当系统对环境做功时，W为负值换句话说，系统吸收热和环境对系统做功都增加了系统的内能普通化学例 点燃图1.1中所示汽缸中的氢气和氧气系统放出 1.15 kJ热由于气体受热膨胀， 引起了活塞上升， 膨胀气体对环境做了0.48 kJ的功，系统内能的变化 量是多少？解 已知热由系统传给环境，且系统对环境做功。

因此q 和W都是负值：Q1.15 kJ，W0.48 kJ根据 方程式1.2 ，体系内能的变化量U为 即系统传递给环境的能量为1.63 kJ普通化学热 在物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为热热的符号规定： 系统吸热为正，系统放热为负热量q不是状态函数普通化学功与体积功 在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以外的方式交换的能量都称为功功的符号规定： （注意功符号的规定尚不统一）系统得功为正，系统作功为负 由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体积功w体所有其它的功统称为非体积功w 功w也不是状态函数思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2) 钢瓶中；将理想气体的温度提高20C时，是否做了体积功？1)做体积功，2)未做体积功w= w体+ w 普通化学思考：水能变油吗？热无序能；功有序能；能的品位不同 一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q ，得功w，变到状态2,热力学能U2，则有：U1U2q 0w 0U = q +w普通化学体积功w体的计算等外压过程中，体积功w体 = p 外(V2 V1) = p外V pp外 = F / Al p外 = F / A，l = V / A2，因此，体积功w体= F l = (p外 A) (V/A) = p外 V 图1.4 体积功示意图普通化学理想气体的体积功理想气体的定义： 气体分子不占有体积，气体分子之间的作用力为0的气态系统被称为理想气体。

理想气体的状态方程：例 1 mol理想气体从始态100kPa, 22.4dm3经等温恒外压p2 = 50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功解 终态平衡时的体积为：负值表示系统对外做功普通化学1.1.7 吸热过程和放热过程 当一个过程，从环境中吸收热量时，称该过程是吸热过程(endothermic course) 如：冰融化、固体NH4SCN与Ba(OH)28H2O在室温下混合 当一个过程，向环境释放热量时，称该过程是放热过程(exthothermal course) 如：汽油燃烧、Al粉与Fe2O3粉末的反应普通化学1 化学计量数 一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系， 通式为：B 称为B 的化学计量数符号规定： 反应物： B为负；产物：B为正例 应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式： N2 + 3H2 = 2NH3解用化学反应通式表示为： 0 = - N2 - 3H2 + 2NH31.2. 焓及焓变普通化学2 反应进度反应进度 的定义： 反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关nB 为物质B的物质的量，d nB表示微小的变化量或定义思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？有关。

如对于反应： 0 = N2 3H2 + 2NH3 ，当有1mol NH3生成时，反应进度为0.5mol若将反应写成则反应进度为1 mol普通化学 通常把反应物和生成物具有相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做反应热 根据反应条件的不同，反应热又可分为： 定容反应热 定压反应热3 焓及焓变普通化学 定容反应热恒容过程，体积功w体 = 0，不做非体积功 w =0时，所以， w = w体+ w =0 ，qV = U 定压反应热恒压过程，不做非体积功时， w体= p(V2V1)，所以 qp = U + p(V2V1)普通化学 qP = U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1)公式qp =H 的意义：表明在定压和不做非体积功的过程中，封闭系统从环境所吸收的热量等于系统焓的增加所以可以通过H的计算求出qP 的值令 H = U + p V 则qp =H2 H1=HH 称为焓，是一个重要的热力学函数思考：焓是状态函数吗？能否知道它的绝对数值？是状态函数，但不能知道它的绝对数值普通化学4 定容反应热与定压反应热的关系已知定容反应热：qV = U；定压反应热：qp = Up + p(V2 V1)等温过程， Up UV，则：qp qV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT对于理想气体反应，有：H U = qp qV = p(V2 V1)普通化学思考：若反应 C(石墨) + O2(g) CO2(g) 的qp,m为393.5kJmol 1，则该反应的 qV,m 为多少？ 对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气相来说，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体的物质的量。

该反应的n(g) = 0， qV = qp 所以对于没有气态物质参与的反应或n(g) = 0的反应，qV qp对于有气态物质参与的反应，且n(g)0的反应，qV qp普通化学5 热化学方程式 表示化学反应及其反应热（标准摩尔焓变）关系的化学反应方程式 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g) 称为反应的标准摩尔焓变普通化学 聚集状态不同时，Hm 不同 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)， Hm =-571.66 kJmol-1 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g)， Hm =-483.62 kJmol-1 书写热化学方程式时应注意： 标明反应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态；普通化学 反应热与反应式的化学计量数有关； 化学计量数不同时, Hm不同 H2(g) + 1/2O2(g) H2O(g) ， Hm =-241.82 kJmol-1 一般标注的是等压热效应qp 如果没有特别注明，通常假定反应物和产物处在大气压环境和298.15 K（25）的条件下 普通化学例 在常压系统中燃烧4.5 g甲烷，放出多少热？ 解 常压下1 mol CH4燃烧产生802 kJ的热量。

由于1 mol CH4 的质量为16.0g，所以系统放出的热量 负号表示系统释放给环境226 kJ的热量 图1.5 正逆反应焓变示意图 普通化学1.3 赫斯定律1、焓变的基本特点：某反应的 与其逆反应的 数值相等，符号相反即:始态和终态确定之后，一步反应的焓变 等于多步反应的焓变之和即普通化学1840年Germain Henri Hess通过实验总结出一条规律: 化学反应不管是一步完成还是分几步完成，其总反应放出或吸收的热总是相同的始 态终 态中间态x、y为系数即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算普通化学 化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关始态C(石墨) + O2(g)终态CO2(g)中间态CO(g) + O2(g)普通化学 由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和例 已知反应和的反应焓，计算的反应焓，解普通化学1.4 标准生成焓及反应的标准焓 1.4.1 标。