吴英绵《基础化学电子教案02

《吴英绵《基础化学电子教案02》由会员分享，可在线阅读，更多相关《吴英绵《基础化学电子教案02（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 化学热力学基础,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,第三节 化学反应的方向和限度,第二节 化学反应热,第一节 基本概念和术语,学习目标,课后习题,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,学习目标：,了解标准摩尔燃烧焓的定义及基尔霍夫公式。,理解系统、环境、状态函数、热和功等基本概念；标准摩尔生成焓、标准摩尔生成吉布斯函数的定义；能利用标准摩尔生成焓、标准摩尔生成、吉布斯函数计算反应的标准摩尔焓变、标准摩尔吉布斯函数变。,掌握热和功的正、负号的规定；掌握体积功的定义；学会利用吉布斯函数判据判断反应的自发性。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,作为化学工作者在研究化学反应时，要解

2、决的问题有：（1）一个化学反应能否进行，怎样才能朝着我们需要的方向进行（化学反应的可能性问题）；（2）如果能进行，那么有无热量放出或吸收及放出或吸收多少能量（反应中的能量转化问题）；（3）反应进行的程度如何（化学反应的限度问题）；（4）反应需要多长时间才能进行完全，如何改变反应条件才能加速或减慢反应的进行（化学反应速率问题）等。这些问题可归为三个方面，即化学反应热力学、化学反应平衡和化学反应动力学问题。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,第一节 基本概念和术语,一、系统和环境 系统：为了研究问题的方便，把作为研究对象的那部分物质。又称体系或物系。 环境：系统之外并且与系统密切相关的部分，

3、又称外界。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,系统的三种类型：,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,二、状态、状态函数和过程 系统的状态是系统的各种物理性质和化学性质的综合表现。 系统的热力学性质：一个系统的状态可以用压力、温度、体积、物质的量、密度、表面张力等性质进行描述，他们都是宏观的物理量。 状态函数：在热力学中，把描述系统状态的这些宏观物理量如压力、体积、温度、物理的量等。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,状态函数有三个主要性质：,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,过程：系统的状态在外界条件改变时，就会发生变化。 途径：完成这个过程的具体线路。 某些特定条件下的

4、变化过程定义如下： （1）等温过程 系统的始态温度与终态温度相同，并等于环境温度的过程。即,（2）等压过程 系统的始态压力与终态压力相同，并等于环境压力的过程。即,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,（3）等容过程 系统的体积保持不变的过程。 （4）绝热过程 系统与环境之间没有热交换的过程。理想的绝热过程在实际中是不存在的。但当系统被一良好的绝热壁所包围，或当系统内经历一些速率极快的过程，以致于在过程中热几乎来不及传递时，可以近似当作绝热过程处理。 （5）循环过程 系统由始态经历某一具体途径后又恢复到原始状态的过程。由于在循环过程中系统的始、终态是同一状态，因此状态函数的增量为零。,高等教

5、育出版社 高等教育电子音像出版社,热是系统和环境之间由于温度差别而交换或传递的能量， 用符号Q表示。,热是能量的一种传递形式，而不是能量的形式，并且规定 系统由环境吸收热，Q值为正（Q0）；系统向环境放出热， Q值为负。(Q0)。,热力学中，除了热之外,在系统与环境之间的一切其它方 式传递的能量,均称为功。用符号W表示。国际中规定，环境对 系统做功，W值为正(W0)；系统对环境做功，W值为负(W0)。 功有多种形式，通常分为体积功和非体积功两大类。体积功也 称为膨胀功，它是系统在反抗外界压力发生体积变化而引起的 系统与环境之间传递的能量，常用符号w表示。,三、热和功,高等教育出版社 高等教育电

6、子音像出版社,用活塞将一定量气体密封在截面积为A的圆柱形筒中，若忽略活塞与筒壁的摩擦力，,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,设外界的压强为 。假定气体受热后，由于气缸内气体压力大于外压而使活塞位移 ，则气体的体积变化为 。根据机械功的定义，在此过程中系统克服外力所做的功为,系统只有在发生状态变化时才能与环境发生能量的交换，所以热和功不是系统的性质。当系统与环境发生能量交换时，经历的途径不同，热和功的值就不同，因而热和功都不是系统的状态函数。 热和功的单位均为能量单位。按法定计量单位以J（焦耳）或kJ（千焦）表示。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,计算结果表明，两种膨胀方式，尽管系

7、统的初、末态相同，但因途径不同，功也不同。这再一次说明了，功不是状态函数，它的数值不仅与系统的状态变化有关，而且与变化的途径有关。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,拓展 四、化学反应进度,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,计算结果表明： （1）对于同一反应方程式，在t时刻，无论采用哪一种反应物或产物的物质的量变化来计算反应进度，所得的值都相同。显然，在不同时刻， 值不同， 值越大，表示反应完成的程度越大，因此，用反应进度可以量度化学反应进行的程度； （2）数值与方程式的写法有关，不能离开具体的反应方程式去谈反应进度。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,第二节 化学反应热,一

8、、热力学能 热力学能又称内能，是系统内部各种形式能量总和，它包括系统内分子运动的动能、分子间相互作用的势能和分子内部各种粒子（如原子、原子核、电子等）相互作用的能量。用符号U表示。 热力学能是系统的状态函数，热力学能的变化值 仅取决于系统始态和终态，而与系统的变化途径无关。系统内部粒子的运动方式及相互作用极其复杂，人们对此尚无完整的认识，所以系统在某状态下，U的绝对值无法确定，但热力学通常用到的仅是热力学能的变化值 ，并不需要知道某状态下系统热力学能的绝对数值。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,二、热力学第一定律,热力学第一定律就是能量守恒定律，可具体表述为：“自然界的一切物质都具有能

9、量，能量有各种不同的形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，但在转化和传递的过程中能量的总值不变。”封闭系统热力学第一定律的数学表达式为：,若系统的状态仅发生微小变化，则上式写成：,式（2-4）与（2-5）表明了内能、热、功相互转化时的数量关系。由热力学第一定律的数字表达式还可以明确一个重要关系：若系统从始态A沿不同途径到达末态B如下图，因热力学能是状态函数，故U恒定，即U=Q+W，它不随具体途径而变化。但系统由状态A沿不同途径到达状态B，所对应的热和功不一定相同。但由于U1=U2，故不同途径的热和功之和（Q+W）应当只取决于系统的始、终状态，而与具体的途径无关。,高

10、等教育出版社 高等教育电子音像出版社,三、焓及热化学方程式 化学反应常伴有吸热或放热现象。对一个化学反应，可将反应物看成系统的始态，生成物看成是系统的终态，从热力学第一定律的观点来看，化学反应之所以吸热或放热，是因为反应物和生成物具有不同的热力学能，所以，发生化学反应时总是伴随着能量变化，这种能量以热的形式与环境交换就是反应的热效应。 化学反应的热效应：在等温且不作非体积功的条件下，化学反应所吸收或放出的热。,按反应条件的不同，反应热又可分为：,等压过程反应热,等容过程反应热,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,1.等压反应热及焓 若体系的压力在变化过程中始终态保持不变，其反应热称为等压反

11、应热，用 表示（下标p表示等压过程）例如，在敝口容器中进行的液体反应或保持恒定压力下的气体反应（外压不变，系统压力与外压相等）都属于定压过程。根据热力学第一定律可得：,由于U、p和V都是状态函数，因此，它们的组合 也是一个状态函数，这一新的状态函数称为焓，用符号H表示：,（2-6）式可化简为：,式（2-8）表明，当封闭系统经历一个不作非体积功的等压过程时，系统与环境交换的热等于此过程的焓的变化值。由于焓是状态函数，其变化（H）只取决于系统的始态和终态，所以QP必然也只取决于系统的始态和终态与变化的途径无关。 由焓的定义式（2-7）可知，焓具有能量单位。又因热力学能(U)和体积(V)都具有加和性

12、，所以焓也具有加和性。由于热力学能的绝对值无法测得，所以焓的绝对值也无法确定。和热力学能一样，在变化中，只需要知道状态变化时的焓变（H）即可。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,2.等容反应热 若体系在变化过程中，体积始终保持不变，则体系不做体积功，即 ，根据热力学第一定律可得：,下标“V”代表等容过程。式（2-9）表明，在封闭系统不做非体积功的等容过程中，过程的热等于系统内能的变化。 将（2-9）式代入（2-6）式，得,当反应物和生成物都处于固态或液态时，反应的 值很小， 可忽略，故 。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,对于有气体参加的反应， 值往往较大。应用理想气体状态方程式

13、，可得,式中 为反应前、后气体物质的物理的量的变化值。 实验室用热量计所测定的热效应通常是等容反应热 ，利用式（2-10）可计算出等压反应热 。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,3.热化学方程式 表示化学反应热效应关系的方程称为热化学方程式，如,（1）注明反应的压力及温度，如果反应是在298.15K及标准态下进行，则习惯上可不注明。 （2）要注明物质所处的状态。可分别用s、l和g代表固态、液态和气态；用aq代表水溶液，表示进一步稀释时不再有热效应。如果固体的晶型不同，也要加以说明。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,（3）化学式前的系数是化学计量数，它可以是整数或分数。但是，同一

14、化学反应的化学计量数不同时，反应热效应的数值不同。例如,（4）在相同温度和压力下，正逆反应的 数值相等，符号相反，如,（5）标明反应热（焓变）。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,在化工过程中，物料经常伴有升温或降温过程，这些变温过程可能在恒压条 件下进行，也可能在恒容条件下进行。作为化工技术人员应该掌握物料恒压变温 过程或恒容变温过程热的计算方法。为了计算物料过程热，需要引出重要的基础 热数据-摩尔热容。,四、变温过程热的计算,1.摩尔热容 (1)定容摩尔热容：1mol物质在dV=0并且w0的条件下，温度升高1K所需的热量，称为定容摩尔热容。用符号CV.m表示，单位是J/(K.mol)

15、，即,由上式可得，在没有相变化、没有化学变化和没有体积功的恒容条件下，物质的量为n的系统温度发生微小变化时，得,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,(2)定压摩尔热容：1mol物质在dp=0并且w0的条件下，温度升高1K所需要的热量，称为定压摩尔热容，用符号Cp.m表示，单位是J/(K.mol)，即,由上式可得，在没有相变化，没有化学变化和没有非体积功的恒压条件下，物质的量为n的系统温度发生微小变化时，得,上式表明，任何理想气体的定压摩尔热容与定容摩尔热容均相差一个常数，即摩尔气体常数R值。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,2.变温过程热的计算 在不发生相变和化学反应且w0的均相封

16、闭系统中，温度的变化往往伴随着热的吸收或释放。根据Cp.m和CV.m的定义，在常见的等压和等容变温过程中，过程热分别由下面的式子计算。,等压过程,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,五、盖斯定律 盖斯定律：一个化学反应无论是一步完成或是分几步完成，其热效应总是相同的。,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,六、标准摩尔生成焓 由单质生成某化合物的反应叫做该化合物的生成反应。如H2O(g)的生成反应为,在指定温度T，由稳定单质生成1mol物质B时的焓变称为物质B的摩尔生成焓，用符号 表示，单位为KJ/mol。如果生成物质B的反应是在标准状态下进行，这时的生成焓称为物质B的标准摩尔生成焓，简称标准生成焓，用符号 表示，单位为J/mol或KJ/mol。,一种物质的标准摩尔生成焓并不是这种物质的焓的绝对值，它是相对于合成它的最稳定的单质的相对焓值。标准生成焓的定义实际上已经规定了稳定单质在指定温度下的标准生成焓为零。,高等教育