《化学反应中的能量关系-无机化学课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化学反应中的能量关系-无机化学课件（140页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 化学反应中 的能量关系,热力学与化学热力学,热力学：是研究热和其它形式能量之间的转换关系，是研究体系宏观性质变化之间的关系。 化学热力学：把热力学中最基本的原理用来研究化学现象以及和化学有关的物理现象。 热力学可以告诉我们，在某种条件下，变化是否能够发生，进行到什么程度。热力学第一定律计算变化中的热效应。 热力学第二定律变化的方向和限度，相平衡和化学平衡中的有关问题。 热力学第三定律阐明了规定熵的数值。,爱因斯坦对热力学的评价,“对于一个理论而言，它的前提越简单，所关联的不同事物越多，应用的领域越广泛，它给人留下的印象就越深刻。因此，经典热力学给我留下了深刻的印象。它是唯一具有普遍性的
2、物理理论。这使我相信，在经典热力学的应用领域之内，它永远也不会被抛弃。” 爱因斯坦(Albert Einstein) (In The Library of Living PhilosophersVol. VII,Albert Einstein: Philosopher-Scientist. By P.A.Schilpp. 1973),4Fe + 3O2 = 2Fe2O3,Pb(NO3)2 + 2KI= PbI2 + 2KNO3,Mg + CO2 = MgO + CO,化学反应,可以看得到的化学反应,有的反应难以看到： Pb2+ + EDTA = Pb-EDTA 有的反应式可以写出来，却不知能否
3、发生？ Al2O3 + 3CO = 2Al + 3CO2 这就需要了解化学反应的基本规律。 其中最重要的是化学热力学。,为什么研究化学热力学,体系,体系（系统或物质）：作为研究对象的物质。 敞开系统：系统与环境间即有物质交换，又有能量交换 封闭系统：系统与环境间没有物质交换，只有能量交换 孤立系统：系统与环境间无物质和能量的交换 环境：体系以外的，与体系有密切联系的其它部分。,系统随观察对象变化,状态和过程,状态和状态函数,状态：体系一系列性质的总和。 状态函数：描写体系状态的宏观性质。 状态函数的特性： 状态一定，状态函数一定； 状态变化，状态函数变化，但变化值只与体系的始态和终态有关，而与
4、变化的途径无关。,始态,终态,（）,（）,过程,当体系的状态发生变化时，从始态到终态的变化称为过程。 恒温过程：始态、终态温度相等，并且过程中始终保持这个温度。 T1=T2 恒压过程：始态、终态压力相等，并且过程中始终保持这个压力。 P1=P2 恒容过程：始态、终态容积相等，并且过程中始终保持这个容积。 V1=V2,分子运动,内能U (热力学能),体系的内能即体系内部所有粒子全部能量的总和。其中包括体系内各物质分子的动能、分子间相互作用的势能及分子内部的能量(包括分子内部所有微粒的动能与粒子间相互作用势能)。 内能是体系自身的性质，只决定于体系的状态，是体系的状态函数。 由于粒子运动方式及相互
5、作用极其复杂，人们对此尚无完整的认识，所以体系内能的绝对值是无法确定的。 书中若未特别指明，所讨论的均为封闭体系。,热力学能的变化,热(Q)：体系与环境之间因温度不同而交换或传递的能量。规定：体系从环境吸热时，Q为正值；体系向环境放热时，Q为负值。 功(W)：除了热之外，其它被传递的能量规定：环境对体系做功时，W为正值；体系对环境做功时，W为负值。,体积功和非体积功,体积功：气体发生膨胀或压缩做的功一般条件下进行的化学反应，只作体积功热力学上的一个重要概念 用 W 表示，单位 J W= -pV = -p(V终V始) 非体积功，有用功：除体积功之外的功，电功，力学上的功等用 W 表示,热和功不是
6、状态函数,途径A， 反抗外压p=1105Pa，一次膨胀 WA=-pV=-1105Pa(16-4)10-3m3=-1200J途径B，分两步膨胀， 1)先反抗外压 p1=2105Pa膨胀到8dm3 W1=-p外V=-2105Pa(84)10-3m3=-800J2)再反抗外压 p2=1105Pa 膨胀到16dm3 W2=-p外V=-1105(168)10-3=-800J WB=W1+W2=(-800)+(-800)=-1600J 途径不同，完成同一过程时，体系的功不相等。,热功当量,焦耳（Joule）和迈耶(Mayer)自1840年起，历经20多年，用各种实验求证热和功的转换关系，得到的结果是一致的
7、。即： 1 cal = 4.1840 J 著名的热功当量，为能量守恒原理提供了科学的实验证明。,能量守恒定律,到1850年，科学界公认能量守恒定律是自然界的普遍规律之一。能量守恒与转化定律可表述为： 自然界的一切物质都具有能量，能量有各种不同形式，能够从一种形式转化为另一种形式，但在转化过程中，能量的总值不变。,070306 热力学第一定律,状态(I) Q,W 状态(II)U1 U2 U2 = U1 + Q + W 热力学第一定律数学表达式：封闭体系中：U = U2 U1 = Q + W 热力学第一定律：能量具有不同的形式，它们之间可以相互转化，而且在转化过程中，能量的总值不变。（宇宙的总能量
8、恒定）,示例,下列化学反应体系在反应过程中吸收了68kJ的热量，同时对外界作功30kJ，请问体系热力学能的变化如何？ N2(g) + 2O2(g) 2NO2(g) 68kJ解：体系吸收热能，Q68kJ体系对外作功，W30kJ 则该体系的热力学能为 U = Q + W = (+68)+(-30)kJ = +38kJ 所以体系的热力学能升高,焓 (1),在等压过程中，系统的始、末态的压力相同，且等于环境的压力，p1=p2=p环=常数 ，体积功 W = - p环(V2 - V1)由热力学第一定律得：Qp = U W = U2 U1+p环(V2 V1) = (U2+ p2V2) (U1+ p1V1)
9、U、V、p 是状态函数，则U + pV 是状态函数令 H = U + pVH称为焓,焓 (2),焓和体积，内能等一样是体系的状态函数，在一定状态下体系都有一定的焓。 内能的绝对值不能测定，所以焓的绝对值也不能确定。 焓与物质的聚集态有关。由于固态变为液态、液态变为气态必须吸热，所以对同一物质相同温度条件下有 H(g) H(l) H(s)对同一物质有 H(高温) H(低温),焓变,当体系的状态改变时，有 Qp =H2 H1 = H表示封闭体系中当发生只做体积功的等压过程时，过程的热效应等于体系的焓变。 对于一个化学反应，设反应前的焓是H1，反应后的焓是H2，则该反应的焓变： H = H2 H1
10、若该反应可分成两步进行，则其焓变分别为 H1、H2，则 H = H1 + H2 若为理想气体，H = U + pV = U + nRT , H = U + nRT,在化学反应中，质量既不能创造，也不能毁灭。只能由一种形式转变为另一种形式。,通常用化学反应计量方程表示这种系统。 通式：,B称化学计量数。,0=BBB,化学反应中的质量守恒定律,以合成氨反应为例：N2 +3H22NH3 可写为： 0 = 2NH3+(-1)N2 +(-3)H2 即： N2 +3H2 = 2NH3对于一般的反应： aA+bB = gG+dD其化学反应计量方程为： 0=BBB化学计量数B的符号： a、b为负；g、d为正,
11、反应进度,用来描述和表征化学反应进行程度的物理量，SI单位为 “ mol” ，用符号“”来表示。“”音“克西”B物质B的化学计量数,示例 (1),示例 (2),反应进度必须对应具体的反应方程式。,标准状态和标准状态函数,标准压力：100kPa，记为 p (以前为1atm, 101.325kPa) 在一定的温度下， 每种气体在p下表现出理想气体性质的纯气体状态； 体系中各固体、液体物质处于下p的纯物质,纯物质为标准状态，即Xi=1； 溶液中物质的标准状态是浓度 c= 1 molkg-1 的状态。质量摩尔浓度 1 molkg-1体积摩尔浓度 1 moldm-3。 标准态对温度没有规定，只要求反应物
12、和生成物的温度相同，不同温度下有不同标准态,热化学方程式的书写,热化学方程式的书写 1) 要注明反应的温度和压强。若不注明，则表示为298K，1105Pa ，即常温常压。 2) 要注明物质的存在状态。固相 s，液相 l，气相 g，水溶液 aq。有必要时，要注明固体的晶型，如石墨，金刚石等。 3) 化学计量数可以是整数，也可以是分数。 4) 注明热效应。其表示方法与中学不同。,热化学方程式示例,C(石墨)+O2(g) CO2(g) rHm = -393.5 kJmol-1 (1) C(金刚石)+O2(g) CO2(g) rHm = -395.4 kJmol-1 (2) H2(g)+ 1/2O2(
13、g) H2O(g) rHm = -241.8 kJmol-1 (3) H2(g)+ 1/2O2(g) H2O(l) rHm = -285.8 kJmol-1 (4) 2H2(g)+ O2(g) 2H2O(l) rHm = -571.6 kJmol-1 (5) H2O(g) H2(g)+1/2O2(g) rHm = +241.8 kJmol-1 (6)rHm 0 表示吸热， rHm 0 表示放热 。 从(1)和(2)对比，看出注明晶型的必要性。 (3)和(4)对比，看出写出物质存在状态的必要性。 (4)和(5)对比，看出计量数不同对热效应的影响。 (3)和(6)对比，看出互逆的两个反应之间热效应
14、的关系。,热效应,在热力学中，等温条件下（反应前后温度相同），且在反应过程中系统只反抗外压作膨胀功（只作体积功）时所吸收或放出的热量称为热效应，又称反应热。 反应热包括了物理变化过程中的热量变化,等容热效应,在密闭容器中进行的反应，体积不变，是等容过程，该过程不做任何非体积功，W=0由热力学第一定律U = Q+W，则 U = QV QV 叫做等容热效应。 上式表明在等容条件下，过程的热效应等于体系内能的变化。,等容过程中的热量：弹式量热计,热容 (C)：dQ/dT单位：JK-1 等压热容和等容热容 摩尔热容 (Cm)：C/n单位： Jmol-1K-1 质量热容 (Cw)：C/W单位：Jg-1K
15、-1，或比热,精确测量热量:弹式量热计 QV=Cw(H2O)m(H2O)T+CsT T为测量过程中温度计的最终读数与起始读数之差,等压反应热,在热力学中，反应前后（即反应物和生成物）温度相同，且在反应过程中系统只反抗外压作膨胀功（体积功）时所吸收或放出的热量称为等压反应热， Qp。 此时 W= pV 则 U Qp + W = Qp pV Qp = U + pV = Qv + pV = Qv + nRT 反应热包括了物理变化过程中的热量变化,恒压量热计,恒压量热计，又称“咖啡杯”量热计，反应在常压下进行,示例 (1),用弹式量热计测得298K时，燃烧1mol正庚烷的恒容反应热为-4807.12 kJmol-1,求其Qp值 解：C7H16(l) + 11O2(g) 7CO2(g)+ 8H2O(l)n = 7 11 = 4 Qp = Qv + nRT = 4807.12 + ( 4)8.314298/1000= 4817.03 kJmol-1,
