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1、工科化学 (Engineering Chemistry)朱燕舞 化工学院应用化学系 升华楼421室合肥工业大学校级精品课程1致2012级新同学勤奋、严谨、求实、创新做人做事 人生规划（Career Design）2课程简介1、总学时：32 学分：2.0理论课：24 实验：82、教学内容理论课：主要是上篇的第15章；（适当作一些笔记）实验课：四个实验；（课前有预习报告，课后有实验报告）；3课程简介实验内容： 水质的检验（配合滴定；酸式滴定管；电导率仪）; 醋酸解离度和解离常数的测定（解离平衡，中和滴定，碱式滴定管，pH计）；配位化合物（组成，配位平衡，多相离子平衡，平衡移动）；氧化还原与电化学
2、（原电池，电极电势，氧化还原反应）；实验时间安排在课外，根据实验室的具体情况而定。 4实验地点: 实验楼55课程简介课程成绩计算： 平时：10%（点名） 实验：15%考试：75%其它材料见精品课程网页6第1章 化学反应的基本原理方向速率程度7化学热力学 Chemical Thermodynamics化学动力学 Chemical Kinetics反应能不能发生反应能不能发生反应的吸热放热情况反应的吸热放热情况反应能够进行的程度反应能够进行的程度反应的快慢反应的快慢反应的机理反应的机理81. 系统与环境系统（system）:在化学热力学中被研究的对象;环境 （surrounding）:指系统之外，
3、与系统密切相关、影响所能及的部分。1.1 热化学与能量变化1.1.1 基本概念系统与环境是人为划定的，可根据讨论问题的需要来确定，两者之间并无严格的界限。系统与环境之间可以有实际的界面，也可以没有实际的界面。 9系统 (system)物质交换能量交换敞开系统 (open system)封闭系统 (closed system)隔离系统 (isolated system)1 12 23 310所谓均匀是指其分散度达到分子或离子大小的数量级。相与相之间有明确的物理界面，超过此相界面，一定有某些宏观性质（如密度、组成等）要发生突变。 2. 相 相(phase) 是系统中具有相同的物理性质和化学性质的均
4、匀部分。11相的分类相的分类气相气相( g )( g )：任何气体共混，处于一相。：任何气体共混，处于一相。如，如，HH2 2+N+N2 2混合。混合。液相液相( l )( l )：具体问题，具体分析。：具体问题，具体分析。如，水与乙醇混合为一相；如，水与乙醇混合为一相；水与水与CClCCl4 4混合为二相；混合为二相；水水( (中中) )与与CClCCl4 4 ( (下下) )、苯、苯( (上上) )混合为三相混合为三相。固相固相( s )( s )：有几种固体物质，就有几个相。如：有几种固体物质，就有几个相。如MgOMgO与与AlAl2 2OO3 3根据系统中相数不同，可将系统分为单相系统
5、和多相系统根据系统中相数不同，可将系统分为单相系统和多相系统 。 12广度性质（extensive properties）: 有些状态函数，如物质的 量、质量等具有加和性的性质。强度性质（intensive properties）:另一些状态函数，如温度、密度等不具有加和性的性质。3. 状态与状态函数 由一系列表征系统性质的物理量所确定下来的系统的存在形式称为系统的状态 (state)。用来表征系统状态的物理量称为状态函数 (state function) 。状态函数的变化量只与变化的始终态有关，与变化过程无关。状态函数的数学组合仍是状态函数。系统各状态函数之间密切关联、相互影响。13一个过程
6、可以由多种不同的途径来实现。而状态函数的改变量只取决于过程的始态和终态，与采取哪种途径来完成这个过程无关。即过程的着眼点是始态和终态，而途径则是具体方式。热力学可逆过程和热力学不可逆过程 （不作要求）4. 过程和途径 系统的状态发生变化，从始态变到终态，我们就说系统经历了一个热力学过程，简称为过程 (process)。实现这个过程可以采取许多种不同的具体步骤，我们就把这每一种具体步骤称为一种途径 (pathway)。145. 反应进度(the extent of reaction) 对于一般的化学反应方程式：可改写为：或表述为：R表示任意物质， 表示该物质的化学反应计量数，是量纲 为1的量（旧
7、称无量纲的纯数），对反应物取负值，对产物 取正值。 152.0 7.0 2.0 11.5 5.5 3.0 1.53.0 10.0 0 0反应进度必须对应具体的反应方程式！反应进度举例反应进度举例161.1.2 热力学第一定律系统与环境之间的能量交换有两种方式，一种是热传递，另一种是做功。 1. 1. 热热 (heat)(heat)F热是由于系统与环境之间存在温度差而引起的能量传递 （以Q表示）。F高温物体低温物体（自发）。F热（Q）与途径有关，不是状态函数。172. 2. 功功 (work)(work)在化学中的功有体积功、电功和表面功等， 本章所研究的仅是体积功，不考虑非体 积功，以W表示。
8、F功（W）与途径有关，不是状态函数。热和功符号的规定本书规定，凡是使系统能量增加的为正，反之为负。系统吸热，Q取“+”； （如无机盐溶于水）系统放热， Q取“” （如酸碱中和反应）环境对系统做功，W取“+”；系统对环境做功，W取“”18体积功的推导体积功的推导 体体积积积积功：指由于系功：指由于系统统统统体体积发积发积发积发 生生变变变变化而与化而与环环环环境之境之间间间间所做的功。所做的功。IIIPl用活塞将气体密封在截面积为用活塞将气体密封在截面积为S的圆的圆柱形筒内，以柱形筒内，以p代表外压，在恒压下代表外压，在恒压下的膨胀过程中，气体将活塞从的膨胀过程中，气体将活塞从I I位置推到位置
9、推到II II位置，位移为位置，位移为 l l。W = = F l ; ; F = = p S则：则：W = = p S l l = = p( (V1 1- -V2 2) =) = pV恒压过程 (isobaric process) 气体膨气体膨胀时胀时胀时胀时 ， V00，则则则则 W0 0 （环境对系统做功，（环境对系统做功，W0 0 ）19F定义： 指系统内一切能量的总和，(以U表示)。FU是状态函数，热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径无关。至今尚无法直接测定，只 能测定到 U。FU = U2 U13. 3. 热力学能热力学能 (thermodynamic energy)(the
10、rmodynamic energy)20系统与环境之间的能量交换有两种方式，一种是热传递，另一种是做功。在化学中的功有体积功、电功和表面功等，本章所研究的仅是体积功，不考虑非体积功。U = U2 U1 = Q + W4. 4. 热力学第一定律热力学第一定律(first law of thermodynamics)(first law of thermodynamics)若封闭系统由状态若封闭系统由状态I I变化到状态变化到状态IIII，且在这一过程中系统从，且在这一过程中系统从环境中吸热环境中吸热Q Q，环境对系统做功，环境对系统做功WW，则系统热力学能的变化量，则系统热力学能的变化量为：为：
11、能量守恒能量守恒211.化学反应的热效应（heat effect）定义：是指当生成物与反应物的温度相同时，化学反应过程中所吸收或放出的热量。化学反应的热效应一般称为反应热，通常有等容反应热和等压反应热两种。1.1.3 化学反应的热效应和焓 在恒容、不做非体积功的条件下 ：V = 0，W = - pV = 0，Q = QV （等容反应热） U = U2 U1 = QV 在恒压、不做非体积功的条件下：W = - pV = - p (V2 V1)，Q = Q P （等压反应热）U = U2 U1 = Q P - p (V2 V1)22 Q p与Q v的关系 ：P P1111例例1-11-1U = Q
12、V ，QV = QP pV由于pV=nRT则： Qp = QV + +nRT23【例1-1】298.15K时，向刚性密闭反应器中加入1molH2和 0.5molO2，完全反应生成1mol液态H2O时放出热量282.1kJ。试 计算该温度下生成2mol液态H2O时的恒压反应热。解：QV = -282.1kJ n n = 0 - (1+0.5)mol = -1.5molQp = -282.1kJ + (-1.5mol)8.314Jmol-1K-1298.15K= -282.1 + (-1.5)8.314298.1510-3= -285.8 kJ生成2mol液态H2O时的恒压反应热为-571.6 k
13、J。 242. 焓(enthalpy)与焓变(enthalpy change)焓可简单地理解为该物质中热的含量 物质内部可供转 化为热的能量。焓值越低, 稳定性就越高; 反之亦然。焓变为化学或物理过程中吸收或放出的热量, 即过程完成之 后的终态物质的焓与过程发生之前的始态物质的焓之差。H = H2 H1由由U = U2 U1 = Q P - p (V2 V1)整理可得：Q P =( U2+ p V2 ) (U1 + p V1)令H U+ p V，这里H即为焓，焓的变化简称“焓变”（H ）显然有： H= H2 H1 = Q P 25 H U+ p V是热力学函数; 由于H是状态函数U、p、V的组
14、合，所以焓H也是状态函数。 焓变H ： 吸热反应（endothermic），H 0 放热反应（exothermic）， H Sm(l) Sm(s)。2. 同一物质在相同的聚集状态时，Sm(高温)Sm(低温) 。例如, CS2(l)在161K 和 298 K时的Sm值分别为 103 Jmol-1K-1和150 J mol-1K-1。 3. 在温度和聚集状态相同时，Sm(复杂分子)Sm(简单分子) 。例如乙醇和它的同分异构体二甲醚的Sm值分别为283 Jmol-1K-1和267 J mol-1K-1，这是因为前者的对称性较低。4. 通常，Sm(混合物)Sm(纯物质) 。491.2.3 反应的标准摩
15、尔熵变的计算对于一般的化学反应方程式：在标准状态和温度为298.15K下，反应进度= 1mol时的标准摩尔熵变的计算公式为：rSm(298.15K) Sm,R(298.15K)本书中，rSm(TK) rSm(298.15K)501.2.4 反应自发性的判断和吉布斯函数变F G = H TS (G是状态函数)F 在等温等压下：G = H TS（Gibbs-Helmholtz equation）（与温度有关）Josiah Willard Gibbs (1839-1903)吉布斯是美国物理化学家。1839 年2月11日生于康涅狄格州的纽黑文 。 1854-1858 年在耶鲁学院学习学习期间，拉丁语和数学成绩优异，因此 多次获奖。24岁获耶鲁学院哲学博士学位后，留校任助教。1866-1868 年留学法国和德国。1869年回国后继续任教。1870年后任耶
