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北理无机化学:第二章热化学.ppt

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    • 第二章 热化学2.1 热力学常用术语2.2 热力学第一定律2.3 化学反应的自发性(Thermochemistry)1. 化学反应中能量是如何转化的? (第二章)2. 该反应能否自发进行? (第二章)3. 实现这种转化需多少时间? (第三章)4. 在给定条件下有多少反应物能最大限度地转化为生成物? (第四章)研究化学反应必须研究的四个问题2.1 热力学常用术语2.1.1 系统与环境2.1.2 过程与途径 2.1.5 化学反应计量式和化学计量数2.1.4 相2.1.3 状态与状态函数2.1.6 反应进度 (Common Terms of Thermodynamics)2.1.1 系统与环境(System and Surrounding)任何物质都是和它周围的物质相联系,为了研究问题的需要,常把研究的对象人为地从周围事物中划分出来,被划分出来作为研究对象的这一部分称为系统,而系统之外又与系统有关的部分称为环境2.1 热力学常用术语第二章 热化学(1)系统研究的对象2)环境系统以外,并与其有关联的部分系统和环境之间,一定要有一个边界,这个边界可以是实实在在的物理界面,也可以是虚构假想的界面1. 定义2.1 热力学常用术语第二章 热化学研究对象:空气系统研究对象:H2系统环境环境如:(1)敞开系统(Open System)系统和环境之间通过边界既有物质交换又有以热和功的形式进行的能量交换的系统。

      2)封闭系统(Closed System)系统和环境之间通过边界只有能量交换,而没有物质的交换的系统3)孤立系统(Isolated System)系统和环境之间即无能量交换又无物质交换的系统2. 分类2.1 热力学常用术语第二章 热化学敞开系统HClZnHClZn封闭系统孤立系统HClZn绝热Zn + 2HCl ZnCl2 + H2系统如:2.1.2 过程与途径 (Process and Path)1. 定义(1)过程系统热力学状态发生变化的经过2)途径系统状态发生变化时由同一始态到同一终态所经历的不同方式2.1 热力学常用术语第二章 热化学 2. 过程的分类(1)定温过程T1=T2(2)定压过程p1 = p2 = p外 (3)定容过程V1 = V2 2.1 热力学常用术语第二章 热化学298K,101kPa298K,505kPa定温过程373K,505kPa定温过程373K,101kPa定压过程定压过程不同途径的示意图2.1.3 状态与状态函数(State and State Function)物质的量 n = 1mol用化学的术语说,该气体处于一定状态例如:已知一气体温度 T = 298.15K压力 p = 101.325kPa体积 V = 22.414dm3密度 = 状态函数2.1 热力学常用术语第二章 热化学(2)状态函数规定系统状态的每一物理性质和化学性质的物理量。

      1)状态系统物理性质和化学性质的综合表现1. 定义2.1 热力学常用术语第二章 热化学2. 性质(1)状态一定,状态函数值一定;(2)状态函数与过去的状态无关;(3)状态变化,状态函数值变化,状态函数值的变更只与始末态有关,而与变化的途径无关2.1 热力学常用术语第二章 热化学状态函数性质H2O(T1=298K)H2O(T2=308K)H2O(T=288K) T1 = T2 - T1 = 308 - 298 = 10 K T2 = ( T2 T ) + ( T - T1 ) = 10 K系统中物理性质和化学性质完全相同的部分称为相相与相之间有一明显的界限2.1.4 相(Phase)1. 定义2.1 热力学常用术语第二章 热化学气体:通常条件下,不论多少种气体混合在一起,均能无限混合,所以是单相 2. 分类q 均相系统(单相系统)(Homogenous System)q 非均相系统(多相系统)(Heterogeneous System)2.1 热力学常用术语第二章 热化学液体:根据液体的互溶性,可以是一相、两相或三相;水溶液:单相固体:如果固体之间不形成固体溶液,则不论固体分散多细,一种固体成为一相。

      2.1 热力学常用术语第二章 热化学根据质量守恒定律,用规定的化学符号和化学式表示化学反应的式子2.1.5 化学反应计量式和化学计量数1. 化学反应计量式(Stoichiometric Equation of Chemical Reaction)2.1 热力学常用术语第二章 热化学遵循质量守恒定律:0 = -aA bB + cC + dD任一反应: aA + bB cC + dD其中,B:任一反应物或生成物B:反应物或生成物前的系数或简写2.1 热力学常用术语第二章 热化学2. 化学计量数 (Stoichiometric Number of Chemical Reaction) 规定: 对反应物为负值A = -a, B = -b 对生成物为正值C = c, D = d例如: N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)遵循质量守恒定律0 = -1N2 - 3H2 + 2NH3 (N2) = -1,(H2) = -3,(NH3) = 22.1 热力学常用术语第二章 热化学3. 化学反应计量式的表示(1)根据实验事实,正确写出反应物和产物的化学式;(3)标明物质的聚集状态2)反应前后原子的种类和数量保持不变;气 体:g液 体:l固 体:s水溶液:aq2.1.6 反应进度 反应进行的程度1. 定义0 ,单位:mol;nB():反应进度为,B物质的物质的量;nB(0):反应未开始时,B物质的物质的量。

      2.1 热力学常用术语第二章 热化学2. 反应进度变化有一反应N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)t=0:n1(B)/mol3.010.00.0t=t:n2(B)/mol2.07.02.0 n(B)/mol-1.0-3.02.0 2.1 热力学常用术语第二章 热化学即消耗了 1.0 mol N2,3.0 mol H2,生成了 2.0 mol NH3,那么反应进度变化等于2.1 热力学常用术语第二章 热化学3. 1mol 反应或各反应物按化学计量数数值进行了一次反应,称作1mol反应当反应进度(变化)等于 1mol 时的反应称作 1mol 反应或时的反应称作 1mol 反应2.1 热力学常用术语第二章 热化学4. 优越性N2 + 3H2 2NH3Q = -92.22 kJ1mol反应表示消耗 1mol N2,3mol H2,生成 2mol NH31mol反应 表示消耗 0.5mol N2,1.5mol H2,生成 1mol NH3离开化学方程式谈反应进度是毫无意义的 N2 + H2 NH3Q = -46.11 kJ2.1 热力学常用术语第二章 热化学2.2 热力学第一定律2.2.1 热和功2.2.2 热力学能 2.2.4 热力学第一定律的应用 2.2.2 热力学第一定律(First Law of Thermodynamics)2.2.1 热和功(Heat and Work)1. 定义(1)热(Q)系统与环境之间由于温差而传递的能量。

      2)功(W)除热以外,其它一切能量的传递形式功的类型很多,本章只考虑体积功2.2 热力学第一定律第二章 热化学2. 性质不是状态函数3. 规定2.2 热力学第一定律第二章 热化学Q:kJ 或 JQ 0W:kJ 或 J W 0得功失功例:圆筒内装有理想气体,其截面积为 A,圆桶上有活塞,外压为 p,有一热源使气体膨胀,把活塞推出L,问系统对外作功多少?因为,所以 F = pA代入上式-W = pAL= pV= p(V2-V1)移项W = -pV (求体积功的公式)解:2.2 热力学第一定律第二章 热化学2.2.2 热力学能(U ) 系统内部能量的总和(Thermodynamic Energy) 1. 定义系统内部所有微观粒子的全部能量之和,也称内能 2. 性质(1)无法测量热力学能的绝对值;(2)热力学能是状态函数2.2 热力学第一定律第二章 热化学2.2.3 热力学第一定律1. 定律设一个封闭系统,处于一始态,具有一定热力学能 U1,系统从环境吸热 , 并从环境得到功, 变化至终态,具有一定热力学能U2 Q 0W 02.2 热力学第一定律第二章 热化学U1U2封闭系统发生状态变化时,其热力学能的增量等于变化过程中系统从环境吸的热与系统从环境得的功之和。

      根据能量守恒定律U2 = U1 +(Q + W)移项 U2 - U1 = U = Q + W2.2 热力学第一定律第二章 热化学2. 实质能量具有各种不同的形式,它们之间可以互相转化,而且在转化的过程中能量的总值不变2.2 热力学第一定律第二章 热化学U(系统)= Q + W = 853 63 = 790(J)U2 = U + U1 = 790 + U1(J)U(环境)= -853 + 63 = -790(J)U(总)= U(系统)+ U(环境)= 0 例:在 351K,101.325kPa条件下,1g液态乙醇蒸发,生成同温同压下气体乙醇时,吸热 853J,膨胀作功 63J,求 U,U2 2.2.4 热力学第一定律的应用 热化学U = U2 - U1= Q + W 反应热(Heat of Reaction) :要研究能量的变化,就要研究热量,一定条件下,化学反应过程中吸收或放出的热量叫化学反应热热化学(Thermochemistry) :研究化学反应热的学科就是热化学2.2 热力学第一定律第二章 热化学1. 化学反应热的推导 条件:V1 = V2 = V,即 V = 0 推导:U = Q + W = QV pV QV = U 意义:定容过程中系统从环境吸收的热全部用来增加系统的热力学能。

      说明:定容条件下进行化学反应是不方便的,故化学反应常在敞口容器中进行(定压)1)定容反应热2.2 热力学第一定律第二章 热化学 条件 p1 = p2 = p即 p = 0W = - pV 只作体积功 推导 U = Q + W U = Qp - pVQp = (U2 - U1) + p(V2 - V1 )Qp = (U2 + pV2) (U1 + pV1)(2)定压反应热2.2 热力学第一定律第二章 热化学令H 叫做焓(Enthalpy), 是复合函数Qp= H2 - H1 = H = U + pV 意义:定压过程中系统从环境吸收的热量全部用来增加系统焓若对于 Q0 的吸热反应, H0若对于 Q0 的放热反应,H0H = U + pV焓焓变2.2 热力学第一定律第二章 热化学 焓的性质 状态函数 焓变 H 与物质的质量成正比2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)H2(g) + O2(g) H2O(l)如:2.2 热力学第一定律第二章 热化学 正、逆反应的 H值大小相等,符号相反H2(g) + O2(g) H2O(l)H2O(l) H2(g) + O2(g) 在温度变化较小范围内,焓变可视为与温度无关。

      2.2 热力学第一定律第二章 热化学 U 与 H 的关系Qp = H = U + pV2.2 热力学第一定律第二章 热化学n = n(气体生成物)- n(气体反应物)其中,对于反应物、生成物都处于固态和液态H U对于有气体参加的定温定压反应系统H = U + nRT例:在 373K 和 101.325kPa下,2.0molH2 和 1.0molO2 反应,生成 2.0mol 水蒸气,放出 484kJ 热量,求该反应 H、U解:2H2(g) + O2(g) 2H2O(g)U = H - nRT=-484-2-(2+1)8.31410-3373kJmol-1=-481kJmol-12. 化学反应热的表示方法(1)定义表明化学反应与热效应关系的方程式称热化学方程式CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) 如:2.2 热力学第一定律第二章 热化学(2) rHmQ= rHm放热反应,rHm0rHm (298.15):298.。

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