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1、第第3章 化学反应概述章 化学反应概述上海交通大学化学化工学院大学化学教研室第3章化学反应概述1.化学反应、化学反应方程式及计量关系 化学反应的特点 化学反应方程式的作用 化学反应中有关量的研究质量和能量化学反应、化学反应方程式及计量关系 化学反应的特点 化学反应方程式的作用 化学反应中有关量的研究质量和能量2.化学反应热力学初步： 化学热力学的基本概念； 化学反应进行的方向； 化学反应进行的程度。化学反应热力学初步： 化学热力学的基本概念； 化学反应进行的方向； 化学反应进行的程度。3.化学反应速率： 反应速率的基本概念； 影响反应速率的因素。化学反应速率： 反应速率的基本概念； 影响反应速
2、率的因素。4.化学反应热力学与化学反应动力学的关系化学反应热力学与化学反应动力学的关系本章要点：本章要点：第3章化学反应概述要求掌握的概念要求掌握的概念 理解化学反应的特点，化学反应中的质量守恒定 律、能量守恒定律，掌握化学反应方程式的作用 及书写时应该遵循的定量关系； 基本概念: 状态、状态函数、过程、途径; 掌握化学热力学第一定律在化学反应中的表现； 理解吉布斯函数变和熵的概念，学会用吉布斯函 数变来判断化学反应进行的方向； 化学平衡及与化学热力学的关系； 化学反应速率及影响因素。第3章化学反应概述3.1 化学反应、化学反应方程式及计量关系化学反应、化学反应方程式及计量关系3.1.1化学反
3、应和化学变化化学反应和化学变化化学反应的特点：化学反应的特点：在化学反应中物质会发生变 化，同时还伴随有物质结构的变化和不同程度 的能量的变化。这种能量与结构的变化趋势与 所发生的化学反应有着本质上的联系。在化学反应中物质会发生变 化，同时还伴随有物质结构的变化和不同程度 的能量的变化。这种能量与结构的变化趋势与 所发生的化学反应有着本质上的联系。第3章化学反应概述3.1.2 化学反应方程式化学反应方程式 化学反应方程式的作用化学反应方程式的作用是以正确而简洁的 方式定性和定量地描述化学变化过程。是以正确而简洁的 方式定性和定量地描述化学变化过程。第3章化学反应概述3.1.3化学反应中有关量的
4、研究化学反应中有关量的研究 近代化学就是以建立定量分析为标志的。 1质量守恒定律奠定了化学知识发展的基础 拉瓦锡认为物质的变化，无论是物理变化还是化学 变化，并不意味着物质的产生或消灭，只不过是物 质重新排布而已。 2能量守恒定律 3元素分析 定比定律 定比定律：当元素化合成一种化合物时，各化合元 素间的质量比是不变的。这个定律是化合物的基本 性质，是化学反应方程式的配平和书写时必须遵循 的原则。第3章化学反应概述3.1.4 化学反应方程式中的计量关系化学反应方程式中的计量关系 物质不灭的实质物质不灭的实质 化学方程式中出现的计量系数化学方程式中出现的计量系数表示了化 学反应中各物质之间的定量
5、关系，有 时，它也表示一种反应机理。但在许多 场合下，这些系数只是分别代表参与化 学反应的分子的相对数目。第3章化学反应概述何为热力学？解决什么问题？何为化学热力学？解决什么问题？何为热力学？解决什么问题？何为化学热力学？解决什么问题？3.2 化学反应进行的方向化学反应进行的方向3.2.1 化学热力学基本概念化学热力学基本概念第3章化学反应概述 热力学热力学 : 研究热和其他形式能量间的转换规 律的科学，它研究某个体系发生变化时，引 起体系的物理量发生的变化。研究热和其他形式能量间的转换规 律的科学，它研究某个体系发生变化时，引 起体系的物理量发生的变化。 化学热力学化学热力学: 研究化学反应
6、过程中能量转换 与传递的科学。研究化学反应过程中能量转换 与传递的科学。 解决的问题：解决的问题：化学热力学可以解决化学反应 中能量变化问题化学热力学可以解决化学反应 中能量变化问题,同时可以解决化学反应进行 的方向和进行的限度问题。同时可以解决化学反应进行 的方向和进行的限度问题。 化学热力学方法的特点：化学热力学方法的特点：在研究中不考虑物 质的微观结构和反应进行的机理。在研究中不考虑物 质的微观结构和反应进行的机理。第3章化学反应概述（1）体系和环境）体系和环境（system and surrounding） 被研究的物质系统（对象）称体系； 体系以外并与体系相联系的部分称环境。 体系的
7、分类： 敞开体系（open system）； 封闭体系（closed system）； 孤立体系（isolated system）。我们一般主要讨论封闭体系。第3章化学反应概述体系和环境敞开体系封闭体系孤立体系第3章化学反应概述（2）状态和状态函数）状态和状态函数 （state and state function）1.体系的状态是体系所有性质的综合表现： 如体系一旦确定，其T、P、V、n等就确定； 2.体系的热力学性质称为状态函数： 决定体系性质的具体的各种函数，如T、P、 V、和U、H等。第3章化学反应概述状态函数的特征状态函数的特征状态函数有三个相互联系的特征： a.体系状态一定，状态函
8、数有一定的值； b.体系状态变化时，状态函数的变化只决定于体 系的始态和终态，而与变化的途径无关； c.体系恢复到始态，状态函数恢复原值。状态一定值一定；殊途同归变化等； 周而复始变为零。第3章化学反应概述某气体300K 350K T=50K 300K 360K 350K T=50K 300K 280K 350K T=50K 300K 460K 350K 300K T= 0K 始态终态改变量水 298K 272K 348K T=50K 298K 398K 348K T=50K 始态终态改变量两个例子第3章化学反应概述（3）过程和途径）过程和途径（process and path） 体系的状态发
9、生变化时，状态变化的经过变化的经过 称为过程过程。 完成这个过程的具体步骤具体步骤则称为途径途径。热力学中常见的过程： 等温过程：等温过程：体系的始态温度与终态温度相 同，并等于环境的温度；（T1T2T环） 等压过程：等压过程：始态、终态的压力与环境相同 （p1p2p环）第3章化学反应概述热力学中常见的过程： 等容过程：等容过程：体系的体积不发生变化（V1V2） 绝热过程：绝热过程：体系与环境之间无热量交换（Q0） 循环过程循环过程：过程进行后，系统重新回到初始状态 （各种状态函数的增量为零）。 可逆过程：可逆过程：它是一种在无限接近于平衡并且没有 摩擦力条件下进行的理想过程。第3章化学反应概
10、述第3章化学反应概述（4）功和热（work and heat)1.热力学中把体系与环境之间因温差而变 化的或传递的能量形式称热，以Q表示 系统吸热： 系统放热： 系统接受功： 系统做出功： 第3章化学反应概述放热与吸热的关系第3章化学反应概述2. 除热以外的能量交换形式都称为功，以W 表示。体系反抗外压所作的膨胀功膨胀功或称体积功体积功； 除“膨胀功”以外的“其它功”或称之为有用功、 非体积功。第3章化学反应概述C6H5N2+Cl-+H2O C6H5OH+H+Cl-+N2第3章化学反应概述 功和热均以体系为参照以体系为参照背景功和热都是在状态变化过程中能 量传递的形式，其数值与状态变 化的途径
11、有关，故热、功为非状 态函数，又称为过程函数过程函数。第3章化学反应概述状态函数与过程函数的关系之一状态函数与过程函数的关系之一 状态函数：状态函数：状态一定，状态函数就一 定，其变化只与体系任何变化过程的始 终态有关而与方式或途径无关； 过程函数：过程函数：必与发生变化的具体过程有 关，伴随着过程而定； 两者对立，但在一定的条件下可以也必 然有一定的联系。第3章化学反应概述热力学能（内能）热力学能（内能）thermodynamic energy (inner energy) 体系内部一切能量的总和称为体系的热力学能U。 它具有加和性。 U的内涵和性质： a.分子或原子的位能、振动能、转动能、
12、平动能、 电子的动能以及核能等等。 b.它的绝对值无法测量或计算。只能计算U。 c. U是体系的状态函数。体系的状态一定，则有一 个确定的热力学能值。 d.理想气体的热力学能只是温度的函数，所以恒温 过程的U=0 3.2.2热力学第一定律热力学第一定律第3章化学反应概述热力学第一定律热力学第一定律1. 数学表达式：UQW 2. 研究内容：变化过程中热力学能、功、 热的转换方式。 3. 实质：能量守恒。 4. 在孤立体系孤立体系中能量的总值恒定不变。第3章化学反应概述例: 某过程中，体系从环境吸收热量50kJ，对 环境做功30kJ。求： （1）过程中体系热力学能的改变量U和 环境热力学能的改变量
13、U。 （2）如果开始时，体系先放热40kJ，环境 对体系做功60kJ，求体系的热力学能的 改变量U以及终态的热力学能U。第3章化学反应概述解：（1） 由热力学第一定律的数学表达式可知 Q50kJ，W30kJ U体系=QW =5030=20（kJ） 若将环境当做体系来考虑， 则有Q= 50kJ，W= 30kJ， 故环境热力学能改变量=QW 环境= 50（30）= 20（kJ） （2） Q40kJ，W 60kJ U体系=QW 20kJ UIIUI20（kJ）第3章化学反应概述讨论：讨论： 1.从（1）（2）可以看到： 作为量度性质的热力 学能，对宇宙来说其改变量当然是零。U体 系 U环境0 或 U
14、体系 U环境常数 能量守恒的实质。2.对于体系的始态UI和终态（UI20），虽然变 化途径不同（Q、W不同），但U却相同。 说明Q、W是非状态函数，它们与途径有关， 而热力学能是状态函数与途径无关。第3章化学反应概述3.2.3 化学反应的热效应化学反应的热效应（1）化学反应热的定义化学反应热的定义： 当产物与反应物温度相同且化学反应时只作膨胀功 的条件下，化学反应过程中体系吸收或放出的热量 称为反应热。 （2）化学反应热的类型）化学反应热的类型： 恒容反应热： QV U； 在恒容条件下，反应热等于体系的内能变化。 恒压反应热： Qp= 在恒压反应过程中，体系吸收的热量全部用 来改变体系的热焓。
15、第3章化学反应概述H 是状态函数，称为热焓，简称焓。它是具有 加和性质的物理量。 *：注意 1.理想气体的热力学能U只是温度的函数，故理想气 体的焓H也只是温度的函数，温度不变， U=0 、 =0。 2.与内能U一样， 的具体数值与化学反应方程 式的具体表达形式有关，所以焓变要与具体的反应 式同时出现。 3.在书写反应式时不仅要表达出各反应物的计量关 系，还要表达出各个物质的物态，即气、固、液态。(3)状态函数焓的引入状态函数焓的引入： H=UpV第3章化学反应概述同一反应的恒压反应热Qp和恒容反应热Qv是不 相同的，但二者之间却存在着一定的关系。 对理想气体：Qp =QnRT n是气体反应产物分子数与反应物分子数的差值。 Qp= Qp（T)，若n=0 （如固、液反应） 则：Qp =Q(4)Qp和和Qv的关系的关系：第3章化学反应概述过程函数与状态函数的关系之二过程函数与状态函数的关系之二在等温、等压、没有非体积功的条件下： UQV =
