工程化学 第一章解析

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1、1 2014.9.3 2 工程化学能告诉大家什么？ v化学反应能不能进行？ v如果能进行，那其进行的程度是多少？ v还有化学反应进行需要多长时间？ v物质结构和其性能之间有什么关系？ 这些都是化学研究的对象是在原子、分子或离 子水平上研究物质的组成、结构、性质和它们之间相互 转化的科学。是研究由一种物质变为另一种物质的条件 、方法以及变化规律的科学。 3 教学进度 周 次 内容 周次 内容 1 第1章 化学反应的调控与应用 1.1化学反应的基本概念 1.2化学反应的能量关系 6 2.2 电极电势的应用 2.5 金属腐蚀与防腐 2 1.3化学反应的方向 1.4化学反应的程度及转化率提高 7 第3

2、章 物质的微观结构及其键合 3.1原子结构与元素周期表 3 1.5化学平衡的应用 酸碱溶液的pH计算与控制8 元素性质的周期性 第4章 物质的聚集与分散 4.1气体、液体 4 1.6 化学反应的速率与控制 第2章 电化学基础与应用 9 4.3 溶液 4.4 固体 5 2.1 原电池与电极电势 10 第7章 机械和建筑工程中的化学 第1章 化学反应的调控与应用 1.1 化学反应的基本概念和常用术语 1.1.1 系统和环境 1.1.2 过程和途径 1.1.3 状态和状态函数 1.1.4 热和功 1.1.5 热力学能 5 1.1.1 系统和环境 定义：热力学的研究对象总是选择宇宙空间的一部分， 这一

3、部分选定的空间即称为系统，其余部分称为环境。 分类：三类 （1）封闭系统：与环境间无物质传递。 （2）敞开系统：与环境间有物质传递。 （3）孤立系统：与环境间既无物质传递又无能量传递。 环境 系统 敞开系统 封闭系统 孤立系统是一种科学的抽象,对于科 学研究有重要意义. 孤立系统 1.1.2 过程与途径 过程：系统从始态到终态变化的经过。 途径：完成这个过程的具体步骤、路线。 v1. 恒温过程：T = T环，dT = 0 v2. 恒压过程：p= p环，dp = 0 v3. 恒容过程：V终=V初，dV = 0 常见的过程有：3种 1.1.3 状态与状态函数 基本特征：状态一定，其值一定；殊途同归

4、，变化相等； 周而复始，变化为零 状态一定，状态函数也一定；如果状态发生变化，则状态 函数的变化仅决定于体系的初态和终态，与所经历的具体 过程无关。 1.状态：系统一切性质的总和(如非特别指明，状态即指平衡状态) 。 2.平衡状态：在没有外界条件的影响下，系统的宏观性质不随时间 的变化而改变。 3.状态函数：决定系统状态的物理量称为状态函数。其变化值与系 统状态变化的途径无关，仅取决于初态和终态。常用的状态函数 有 P，V，T，U，H，S，G 9 压强 p 单位面积上的力(单位:Pa) 体积 V 物质所占据的空间(单位:m3 ) 温度 T 物质冷热程度的度量(单位:K) 可以直接观察或测量的状

5、态函数 10 理想气体状态方程： 状态方程 习惯上将联系状态函数（ p、V、T、n ）的方程 称为状态方程 1.1.4 热和功 热(Q)：系统与环境之间因温度不同而传递 的能量 (能量的交换是通过分子碰撞实现的)；单位 ：J或kJ。 规定：系统从环境吸热时，Q为正值； 系统向环境放热时，Q为负值。 功(W)：系统与环境之间除热以外，其 他各种被传递的能量；单位：J或kJ。 规定：环境对系统做功时，W为正值； 系统对环境做功时，W为负值。 热和功是否为状态函数？ *功有不同的形式： 热力学中涉及最多的功是体积功，是系统因体积变化反 抗外力所做的功； 热和功不是状态函数，不取决于过程的始态 、终态

6、，而与变化途径有关。 体积功以外的其它功（如电功、表面功等）都称为非体积功 单位： J、kJ 体积功： 13 1.1.5 热力学能（内能） 系统内部能量的总和称为系统的热力学能(U ) 。包括系 统内部分子的能量（平动能、振动能、转动能），分子 间的势能以及分子内原子和电子的能量等。 问题：U 是状态函数吗？ U呢？ 第一章 化学反应的基本原理 1.2 化学反应的能量关系 1.2.1 热力学第一定律 1.2.2 热化学和赫斯定律 1.2.3 热力学的标准状态与生成焓 1.2.4 键能 15 1.2.1热力学第一定律 在任何过程中，能量不能消灭也不能生成， 它只能从一种形式转化成另一种形式，或从

7、一个 物体传给另一个物体。 16 如：在一封闭系统中 始态 一定的过程 终态 U1 与环境交换热和功 U2 Q W 根据能量守恒定律： U2 = U1 +（Q + W） 或：U = U2 - U1 = Q + W 上式表示：系统从始态到终态的变化过程，其 热力学能的改变（U ）等于系统吸收的热量和 得到的功。 17 v【例1】某理想气体在恒压100kPa下膨胀， 体积从20L变到50L，同时吸收2.24kJ的热量 ，求系统热力学能的变化。 1.2.2 热化学和赫斯定律 一般的化学反应都是在等压条件下进行，等压下的化学反 应热称为焓变，用H 表示，简称反应焓,即H =Qp 1.热化学方程式 把物

8、质变化和能量变化包括在一起的化学反应式。 19 热化学反应方程式书写时应注意： v要注明反应条件。若不注明则认为是标准状态。 v要注明物质聚集状态（s、l、g、aq）。 什么是标准态？(见书p5) 20 2.赫（盖）斯定律 反应焓定义？ 如分步 ： 21 G.H.Hess（瑞士科学家） 一个反应可以一步进行，也可以分多步进行 。因为焓是状态函数，所以与途径无关。 盖斯定律在生产和科研中具有重要意义：有些反应的反 应热虽然无法直接测得，但可通过间接的方法测定，并 计算得到。 始态 终态 24 1.2.3 热力学标准状态与生成焓 1.热力学标准状态 气体物质压力为100kPa （ p ） 溶液中溶

9、质其浓度为1.0 molL-1 ( c ) 液体和固体p 压力下的液态和固态纯物质 温度可任选，一般选常温 298.15 K。 25 定义：在恒温和标准态下，由最稳定的纯态单质生成 1mol化合物时，系统的焓变称为该化合物的标准摩尔 生成焓，以 表示。单位： kJ mol-1 2 标准（摩尔）生成焓 26 有时 写成 （见附表5） 显然，最稳定的纯态单质的标准生成焓为零。 物质的聚集状态不同，其标准摩尔生成焓也不同。请注意： H2O(l)，H2O(g)。 问：标准摩尔生成焓的化学反应式怎么表示？ 27 由标准生成焓计算化学反应热 28 即：标准摩尔反应焓 等于生成物标准摩尔生 成焓之和减去反应

10、物标准摩尔生成焓之和。 29 【例2】 计算下列反应的标准反应焓 解：查附表得 30 1.2.4键能 定义：在标准态下，将1mol的气态分子AB的化 学键断开形成气态的中性原子A和B时所吸收 的热量称为键能。 由键能可以估算反应热： 31 32 练习 1.求在下列过程中，体系热力学能的变化U 系统统吸收60J的热热，并对环对环 境做60J的功； 系统统放出40J的热热，并从环环境得到170J的功； 系统绝热统绝热 ，并对环对环 境做590J的功。 1.3 化学反应的方向 v前述：化学热力学主要研究两个问题 v 1.化学反应中能量的转化问题， v 2.化学反应的方向和限度问题。 v任何事物都要方

11、向性 v自然界中发生的过程都具有一定的方向和限度 。 v自发过程钢铁生锈、瀑布、热由高温流向 低温等等 因此，人们最感兴趣和最关心的问题之一 就是化学反应的方向。因为在实际应用中只有 可能发生的化学反应，才有研究如何进一步实 现这个反应、如何加快反应和提高产率。所以 ，从理论上和应用上研究如何判断一个反应能 否发生具有重要的意义。 1.3.1化学反应的自发性 自发过程：在一定条件下，不需要外力作用就能自 动进行的过程； 非自发过程：在一定条件下，需要持续借助人为作 用才能进行的过程。 注意2点：自发的反应不一定是迅速的。 自发过程的逆过程一定是非自发的。自发过程的逆过程一定是非自发的。 1.

12、1. 系统热量的变化系统热量的变化 ( ( H) H) ； 2. 2. 系统混乱度的变化系统混乱度的变化 ( ( S)S) . . 影响反应自发进行的因素有两个：影响反应自发进行的因素有两个： 系统的系统的 混乱度混乱度 用熵用熵 ( S)( S)表示，其变化值则用熵变表示，其变化值则用熵变( ( S)S)表示表示 化学反应方向与化学反应热 19世纪中叶，贝赛洛曾提出一个经验规则：“在没有外 界能量的参与下，化学反应总是朝着放热更多的方向 进行。”例如： 上述这些例子与贝赛洛规则相矛盾。 然而，可以发现，它们的共同特征是：化学反应 导致了系统内分子热运动混乱度的增加。 有序有序 混乱混乱 1.

13、3.2 熵 1.熵的含义 系统的混乱度就是对微观粒子的微观运动形态的 形象描述。在热力学中，这个状态函数称为熵，用 符号S表示。 熵的单位：JK-1mol-1 系统的混乱度越低，S值就越小 如：冰的熵值为 水的熵值为 水蒸汽的熵值为 2 熵变的计算 在1.00105 Pa压力下，1mol纯物质的熵值叫做标 准摩尔熵， 化学反应的熵变:可以由298K时的熵值计算。 热力学第三定律定义： 在0K时，任何纯物质完美晶体的熵值为零。 【例3】求反应： 2HCl(g) = H2 (g)+ Cl2 (g)的标准熵变S。 查表：Sm 187 130 223 JK-1mol-1 答案：-21 JK-1mol-

14、1 1 化学反应方向的判据 为了综合考虑焓变与熵变以及温度之间的关系，定义了 一个新函数，即吉布斯函数G。并且有： 判断一个反应进行的方向时，如果： rGm 0 反应不自发进行 rGm = 0 平衡状态 1.3.3 热力学第二定律和吉布斯函数 在恒温恒压条件下有： 2 吉布斯函数的特点 特点：吉布斯函数（G）与内能（U）、焓（H）、熵（S） 一样都是状态函数，是体现体系性质的一个重要的热力 学量。 使用G判据有三个先决条件，见P9 利用fGm计算反应的rGm （同H ） ： (2) 标准摩尔反应吉氏函数 纯物质的fGm是在恒温下由最稳定单质生成1mol 该物质时，反应的摩尔反应吉氏函数。 最稳定单质的 fGm=0。 2 .标准摩尔吉布斯焓变的计算 (1) 标准摩尔生成吉氏函数 fGm rGm 该反应在标态 和298.15K时是自发进行的 类型HSG反应的自发性 1 2 3 4 - + - + + - - + 0 不确定 不确定 自发 非自发 低温下自发 高温下自发 rHm、rSm和rGm之间的关系 由上面的rG(T)=rH(298K)-TrS(298K) 公式可得下列结果(各物质处于标准态时） 下列反应中，在高温下不能自发进行的是： D. CO(g) C(s)1/2O2