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1、1,大学化学,化学化工学院 原金海,2,大学化学,授课单位:重庆科技学院化学化工学院 授课对象:建环2010（32学时） 授课时间:2011-2012第一学期 授课教师:原金海 联系方式: TEL:15923369074 E-mail:,3,绪论,化学是一门既古老又年轻的科学。,化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。 化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学，主要是研究物质的分子转变规律的科学。 化学与物理一起属于自然科学的基础学科。,研究现状(2000年) 化合物2000万种 时间分辨率：1 fs 空间分辨率：0.1nm 分析所需最小
2、量：10-13 g。,4,1. 化学的定义与分支学科,化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学.,无机化学：无机物 有机化学：碳氢化合物及衍生物 分析化学：测量和表征 物理化学：所有物质系统 高分子化学：高分子化合物 若干新分支：环境化学、核化学等等,定义：,化学的分支学科,5,2. 化学的地位和作用,化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一,化学继续推动材料科学发展,化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障,化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用,化学是生命科学的重要支柱,6,3. 学习的目的、内容和要求,7,热化学与能源,第1章
3、,8,本章学习要求： 了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验 计算 方法。 了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力学能变的关系。 掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。 了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。,9,目录,1.1 反应热的测量 1.2 反应热的理论计算 1.3 常见能源及其有效与清洁利用 1.4 清洁能源与可持续发展 选读材料 核能 . 核燃料和核能的来源 . 核电的优势与发展趋势 本章小结,10,1 .1 反应热的测量,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
4、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 几个基本概念,1. 系统与环境,图1.1 系统的分类观看动画,隔离系统无物质和能量交换,11,2. 相,系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称为相。根据相的概念，系统可分为：,单相（均匀）系统 多相（不均匀）系统,相与相之间有明确的界面。,思考：1) 101.325kPa，273.15K(0C)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少。 2) CaCO3(s)分解为CaO (s)和CO2(g)的过程及完全分解后，系统中的相数。,答：1）在此条件下，存在3相（气、液、固各一相；2）3相（气
5、体1相，固体2相；2相）,12,3. 状态与状态函数,状态就是系统一切性质的总和。有平衡态和非平衡态之分。,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。,13,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1.2 状态函数的性质,以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数压力p和体积V的变化量与途径无关。,14,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：其量值不具有加和性，如温度、压力等
6、。,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？,答：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。,15,4. 过程与途径,系统状态发生任何的变化称为过程；,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开再降至常压。,16,5. 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，
7、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。,附例1.1 应用化学反应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 + 2NH3,17,6. 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？,18,1.1.2 反应热的测量,反应热指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。热化学规定：系统放热为负，系统吸热为正。,摩尔反应热指当反应进
8、度为1 mol时系统放出或吸收的热量。,（等容）反应热可在弹式量热计中精确地测量。测量反应热是热化学的重要研究内容。 观看动画,图1.3 弹式量热计,19,1. 反应热的实验测量方法,设有n mol物质完全反应，所放出的热量使弹式量热计与恒温水浴的温度从T1上升到T2，弹式量热计与恒温水浴的热容为Cs(JK-1)， 比热容为cs(JK-1kg-1 )，则：,由于完全反应， = n因此摩尔反应热：,思考：反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者的反应条件是恒容，后者的反应条件是恒压。用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热？,答：定容反应热,20,示例,例1.1 联氨燃烧反应：N2H4
9、(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：,解：燃烧0.5g联氨放热为,反应进度,因此摩尔反应热：,21,2. 热化学方程式,表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如：,标明反应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态；,书写热化学方程式时应注意（与普通的化学反应方程式相区别）,N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)；,2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；,若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。,22,反应热与反应式的化学计量数有关
10、；,一般标注的是等压热效应qp。,思考：qp与qv相同吗？。,不相同,23,1.2 反应热的理论计算,并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：,2C(s) + O2(g) = 2CO(g),思考：为什么上述反应的反应热无法实验测定？,实验过程中无法控制生成产物完全是CO。,因此，只能用理论方法来计算反应热。,24,1.2.1 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，则系统热力学能的增加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，热力学能从前称为内能。,25,1. 热力学能,系统内部运动能量的
11、总和。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？,答：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。,26,2. 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,27,3. 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
12、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 （如电功）。,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？,答：1)做体积功，2)未做体积功。,w = w体+ w ,28,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：,29,4. 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,p外 = F / A，l =
13、V / A，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,30,5. 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：,附例1.2 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。,31,6. 理想气体可逆过程体积功*,封闭系统的等温过程中，理想气体压力p和体积V之间的关系称为理想气体的等温线：,当系统从始态变到终态时，可以有多种途径：,经恒外压p2
14、：,经恒外压p 膨胀到平衡，再经恒外压p2：,W1,显然，|W2| |W1|,思考：经什么途径系统可以做最大功？,答：外压无限接近系统的压力时。,图1.5 理想气体的体积功,32,可逆过程体积功*,设砝码对系统施加了p2的压力，砝码和砂子施加了p1的压力，当将砂子一粒一粒地拣去，系统沿下图的折线从始态变到终态。,拣去一粒砂子，系统的压力从pi+1变为pi，同时系统的体积变化为Vi，这一微小过程中系统做功：pi Vi， 整个过程中做功：,当砂子足够小时， pi可以用系统的压力来代替。 pi = nRT/Vi,并可以用积分代替加和：,图1.6 可逆过程的体积功,33,1. 2. 2 化学反应的反应
15、热与焓,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 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),思考：这两个公式有什么用处？,答：可以利用这两个公式计算反应热。,34,1. 焓, qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1),公式qp =H 的意义： 1）等压热效应即为焓的
16、增量，故qP也只决定于始终态，而与途径无关。2）可以通过H的计算求出的qP值。,令 H = U + p V 则qp =H2 H1=H,H 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？,答：是状态函数，但不能知道它的绝对数值。,35,2. 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：,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。,H U = qp qV = p(V2 V1),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？,答：该反应的n(g) = 0， qV = qp,小结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,36,3. 盖斯定律,化学反应的恒压或恒容反应热只与物
