大学普通化学-完整课件.ppt

,.,*,第一章,普通化学（第六版）,浙江大学,李金灵,电话：,13892893124,信箱：,lijinling,.,绪 论,化学已成为高科技发展的强大支柱，化学已渗入社会、技术和科学的各个领域。,.,数学,物理,化学是自然科学基础课,属于自然科学,基础课,，是培养大学生的,基本素质课程,。,化学,.,绪 论,定义：,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,化学是研究从原子，分子片，分子，超分子，生物,大分子，到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的,聚集态的合成和反应，分离和分析，结构和形态，,物理性能和生物活性及其规律和应用的科学。,徐光宪,化学的成就是社会文明的重要标志！,.,无机化学,：,是研究元素、单质和无机化合物的来源、制备、结构、性质、变化和应用的一门化学分支。,有机化学,：,碳化合物的化学，是研究有机化合物的结构，性质、制备的学科。,分析化学,：,研究物质的组成、含量、结构和形态等化学信息的分析方法及理论的一门学科。,化学的分支学科,.,物理化学,：,在物理和化学两大学科基础上发展起来的。它以丰富的化学现象和体系为对象，大量采纳物理学的理论成就与实验技术，探索、归纳和研究化学的基本规律和理论，构成化学科学的理论基础。物理化学的水平在相当大程度上反映了化学发展的深度。,高分子化学,：,研究高分子化合物的合成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用等方面的一门新兴的综合性学科。,若干新分支：环境化学、核化学等等,化学是一门既古老又年轻的科学,!,.,化学与其它学科的渗透与交叉,化 学,物理学,数 学,地 学,材料科学,生命科学,工程科学,天 文 学,计算与信息科学,.,化学发展史,四次革命,绪 论,.,波义耳,1661,年发表了“怀疑派化学家”,(The Sceptical Chymist),，指出,:“,化学不是为了炼金，也不是为了治病，它应当从炼金术和医学中分离出来，成为一门独立的科学,”。波义耳极为崇尚实验，指出，“,空谈毫无用途，一切来自实验,”。他把严密的实验方法引入化学研究，使化学成为一门实验科学。,恩格斯的评价：,“,把化学确立为科学,”,被誉为,“,化学之父,”,（墓碑语）。,绪 论,.,法国化学家拉瓦锡,1783,年出版名著“关于燃素的回顾”，提出燃烧的氧化学说。,拉瓦锡,1789,年出版了“初等化学概论”，首次给元素下了一个科学和清晰的定义：,“元素是用任何方法都不能再分解的简单物质”,。以科学元素说取代了传统思辨的旧元素论。揭开了困惑人类几千年的燃烧之谜，以批判统治化学界近百年的“燃素说”为标志，发动了第二次化学革命，被誉为“化学中的牛顿”。,绪 论,.,英国化学家道尔顿创立,科学原子论,(,化学原子论,),，揭示了各种化学定律、化学现象的内在联系，成为说明化学现象的统一理论，完成了化学领域内一次极为重大的理论综合。有人称为近代化学史上的第三次化学革命。,1803,年，道尔顿提出了原子学说：,元素是由非常微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；原子既不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学反应中都保持自己原有的性质；同一种元素的原子其形状、质量及各种性质都相同，不同元素的原子的形状、质量及各种性质则不相同，原子的质量（而不是形状）是元素最基本的特征；不同元素的原子以简单的数目比例相结合，形成化合物。化合物的原子称为复杂原子，它的质量等于其组合原子质量的和,。,绪 论,.,1930,年，美国化学家鲍林（,L.Pauling,，,1901-1994,）和德国物理学家,J.C.Slater,（,1900,1976,）把量子力学处理氢分子的成果推广到多原子分子体系，建立了价键理论（,VBT,）。,阐明了共价键的方向性和饱和性，指出了由于原子轨道重叠方式不同而形成的,键和,键这两种基本共价键类型。,绪 论,.,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,绪 论,.,化学是社会需要的中心科学,化 学,住,行,材料,环境保护,国防,医药卫生,能源,衣,食,资源利用,冶金,农业,建材,汽车,.,化学在生活中的应用,-,环境化学,印染工厂废水处理,工厂烟囱废气处理,绪 论,.,化学在生活中的应用药物化学,抗甲流药物,-,达菲,瑞士罗氏公司生产,抗癌药物紫杉醇,对晚期癌症、肺癌等有十分显著的疗效,抗骨质疏松药物,活性维生素,D,3,绪 论,.,化学在生活中的应用石油化学、胶体化学、高分子化学,三次采油技术聚合物驱、表面活性剂驱等,一次采油,10%,二次采油,-,注水注气等,-25-40%,三次采油,绪 论,.,化学在生活中的应用能源,有机薄膜太阳能电池模块有机化学、高分子化学、光化学,多学科有机结合交叉,绪 论,.,化学在生活中的应用工程塑料高分子,绪 论,.,普通化学的教学目标,普通化学是一门,现代化学导论课程,。,通过化学反应基本规律和物质结构理论的学习，能,运用化学的理论、观点、方法,审视公众关注的环境污染、能源危机、新兴材料、生命科学、健康与营养等社会热点话题，了解化学对人类社会的作用和贡献。,把,化学的理论、方法与工程技术的观点,结合起来，用化学的观点分析、认识工程技术中的化学问题。,.,普通化学的教学内容,理论化学,：包括化学热力学、化学动力学和物质结构基础。,基础知识和应用化学,：包括单质和化合物的知识，化学与能源、环境、材料等。,实验化学,：主要是性质或理论的验证，重要数据的测定，并训练实验基本操作和仪器的使用等。,.,教材内容安排,普通化学,化学反应基本,原理及反应,物质结构理论,及物质性质,热化学,化学反应基本原理,水化学,电化学,物质结构基础,元素化学与无机材料,高分子化合物与材料,生命物质与人体健康,.,第一章,化学热与能源,化学反应时，伴随有能量的变化，其形式虽有多种但通常多以热的形式放出或吸收。,.,化学热力学基础,本章学习要求：,了解定容热效应,(,q,v,),的测量原理。熟悉,q,v,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。,.,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,.,1.1,化学热力学基本概念,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间,。,1.1.1,几个基本概念,1.,系统与环境,这种规定是人为的，,是为了研究的方便,系统与环境之间有时有明显的界面，如包括细胞壁在内的细胞,是一个系统，它用细胞壁与环境隔开；有的则没有明显的界面，,如研究的对象是一块雨云，它与环境的界限就很模糊；,如烧杯里装着水溶液，水溶液里发生一个放热反应，可以只划,定水溶液为系统，也可以把水溶液上方的气体也包括在内，甚,至把烧杯壁也算作系统的一部分，这要根据研究需要而定。,.,敞开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,隔离系统无物质和能量交换,.,系统与环境,系统,敞开系统,封闭系统,隔离系统,.,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，,H,2,O(l),H,2,O(g),和,H,2,O(s),同时共存时系统中的相数为多少。,答：在此条件下，存在,3,相（气、液、固各一相）,.,1.,系统中若只有一种液体，无论这种液体是纯物质,还是（真）溶液，总是一个相；,2.,若系统里有两种液体，如乙醚和水，中间以液,液界面隔开，为两相系统；不相溶的油和水在一,起是两相系统，即使激烈震荡后油和水形成乳浊,液，也是两相；,3.,不同固体的混合物，是多相系统。,.,需要注意的是，,相与态是两个不同的概念，,“,态,”,是指,物质宏观的聚集状态，物质的态一般分为气态、液态、和固态。对,“,相,”,来说，通常任何气体均能无限混合，因此系统无论有多少种气体都只为一个气相，汽油和水虽同为液态，但不能互溶而分层，因此为两相系统。,.,3.,状态与状态函数,定义：状态就是系统一切性质的总和，是系统所有宏观性质的综合表现。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。,当系统的温度、压力、体积、物态、物质的量、相、各种能量,等等一定时，就说系统处于一个状态。（无机化学，高教出版,社，第四版）,.,状态函数,用于表示系统性质的物理量称状态函数，如气体的压力,p,、体积,V,、温度,T,等，是由物质系统的状态决定的物理量。,物体或物质系统由一个状态（始态）变成另一个,状态（终态），它的各种状态函数（设符号位,X,）,的变化量（,X,）就一定是：,X=X,终态,-X,始态,.,状态函数的特点：,状态确定，状态函数有唯一确定值,状态函数的改变值只与过程的始、终态有关，而与途径无关。,体系完成循环过程：状态函数的变化值为零,体系的状态函数是相互关联的,如：理想气体状态方程,:pV=nRT,p,V,n,T,四个状态函数，确定任意三个，即可知道第四个，体系的状态就确定了。,T=T,终,-T,始,=373-298=75 K,P=P,终,-P,始,=500-100=400 kPa,.,广度性质和强度性质,状态函数可分为两类：,广度性质：,又称为容量性质，它的数值与体系的物质的量成正比，如体积、质量、焓、熵等。,广度性质具有加和性。,强度性质：,它的数值取决于体系自身的特点，与体系的数量无关，,不具有加和性,，如温度、压力,(,压强,),、粘度、密度等。,整个系统的强度性质的数值与各个部分该强度性质的数值相同。,以理想气体状态方程为例,pV=nRT,为例，,p,、,T,是强度性质，而,n,、,V,是广度性质。,p-Pa,V-m,3,n-mol,T-,K,R=8.314,Jmol,-1,K,-1,.,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。,强度性质举例,p,V,T,n,p,左,=p,右,=p,T,左,=T,右,=T,n,左,+,n,右,=n,V,左,+,V,右,=V,.,4.,过程与途径,系统状态发生任何的变化称为过程；,可逆过程,体系经过某一过程，由状态,变到状态,之后，如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程。,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,20,0,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。,.,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，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。,例,1.1,应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式：,N,2,+3H,2,=2NH,3,解：用化学反应通式表示为：,0=-N,2,-3H,2,+2NH,3,.,化学计量数只表示当按计量反应式反应时各,物质转化的比例数，并不是反应过程中各相,应物质实际转化的量，为了描述化学反应实,际进行的程度，需要引入反应进度的概念。,.,6.,反应进度,的定义：,反应系统中任何一种反应物或产物在反应过程中物质的量的变化量与该物质的化学计量数的商为该反应的反应进度,n,B,为物质,B,的物质的量，,d,n,B,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？,答：有关。如对于反应：,0=N,2,3H,2,+2NH,3,，当有,1mol NH,3,生成时，反应进度为,0.5mol,。,若将反应写成,则反应进度为,1 mol,。,化学计量数是指反应方程式中各物质的配比数，反应进度是反应的速率的表示。反应物或者生成物的反应速率出一该物质的化学计量数就是反应进度。,.,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,。,例如：在,298.15 K,下按方程式,H,2,(g)+O,2,(g)=H,2,O(g),发生,1 mol,反应，总共放出多少热量？,无法回答。,1,.,没有给定从始态反应物和终态生成物两个状态的温度，体积和压力等状态函数；,2.,如果给定终态温度仍为,298.15K,，即发生等温过程，还不能回答，还要看系统的体积或压力是否改变；,3.,如果再给定始态与终态系统的体积不变，即反应在一个刚性器壁的容器里进行，即发生,等温等容过程,，,我们才能进行实际测定和理论计算,。,.,图,1.3,弹式量热计,弹式量热计是一个封闭系统，当用电热丝,触发反应发生（电热丝供给的能量因相比,与发生的化学反应的能量变化太小，可以,忽略不计），系统的温度迅速升高，设量,热计是刚性壁，容积一定，系统与环境之,间没有发生功交换，若系统温度恢复到,298.15K,，在,等温等容,下化学内能就完全,以热的形式传递给环境，即,：,U=q,v,.,弹式量热计所吸收的热包括两部分：,一部分是被加入的水所吸收的，另一部分是钢弹及内部物质和金属容器所吸收的,，可按下式计算：,q(H,2,O)=c(H,2,O)m(H,2,O),T,=C(H,2,O),T,C,b,表示钢弹组件的热容，,q,b,=C,b,T,q,V,=-q(H,2,O)+q,b,=-C(H,2,O),T+Cb,T,.,U=,q,v,1.,下标“,V”,表明这种热效应是在系统发生等容过程,时测定的，这种热效应成为,等容热效应。,2.,式子表明当化学反应在等温等容下发生，系统与,环境没有功交换，反应热效应等于反应前后系统,的热力学能的变化量。,H,2,(g)+O,2,(g)=H,2,O(g),r,Um,(298.15 K)=-240.580KJmol,-1,.,摩尔反应热指当反应进度为,1 mol,时系统放出或吸收的热量。,r,Um,(298.15 K),下标,“,r,”,是反应（,reaction,）的意思，,“,m,”,是发生,1 mol,反应（,molar reaction,）的意思,上标,“,”,表明是在热力学标准态（,thermodynamic,standard state,）下进行的,括弧内给出了这个等温过程的稳定，因而符号的全名是：,标准,摩尔反应热力学能变,H,2,(g)+O,2,(g)=H,2,O(g),r,Um,(298.15 K)=-240.580KJmol,-1,.,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,T,1,上升到,T,2,，弹式量热计与恒温水浴的热容为,C,s,(JK,-1,),，比热容为,c,s,(JK,-1,kg,-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,.,例,1.1,联氨燃烧反应：,N,2,H,4,(,l,)+O,2,(g)=N,2,(g),+2H,2,O(,l,),已知：,解,：燃烧,0.5g,联氨放热为,.,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：,N,2,H,4,(,l,)+O,2,(g)=N,2,(g),+2H,2,O(,l,),；,2H,2,(g)+O,2,(g)=2H,2,O(,l,),；,若不注明,T,p,皆指在,T,=298.15 K,，,p,=100kPa,下。,.,反应热与反应式的化学计量数有关；,一般标注的是等压热效应,q,p,。,思考,：,q,p,与,q,v,相同吗？,。,不相同,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：,.,1.2,反应热的理论计算,H,2,(g)+O,2,(g)=H,2,O(g),若这个反应不是在等温等容条件下进行，而是在等温等压条件下发生的。,若反应发生时没有做其它功，反应大的热效应是？,等压热效应，,q,p,q,p,是否可以像,q,v,一样等于热力学能的变化量？,.,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,(,U,2,U,1,),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。,能量既不能无缘无故的产生，也不会无缘无故的消失，只会从一种形式转变为另一种形式,-,热力学第一定律,.,1.,热力学能,热力学能：系统内部运动能量的总和。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。,.,热和功,-,系统状态变化时与环境进行能量转换或传递的两种不同形式，都与变化的途径有关,2.,热,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,.,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,。,功不是状态函数,w=w,体,+,w,机械功,:W=F,l,，电功,:W=QV,体积功,：,W=-,（,p,外,V,），,3.,功与体积功,.,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。,.,热,无序能；功,有序能；能的品位不同。,一封闭系统，热力学能,U,1,，从环境吸收热,q,，得功,w,，变到状态,2,热力学能,U,2,，则有：,U,1,U,2,q,0,w,0,U,=,q+w,.,4.,体积功,w,体,的计算,等外压过程中，体积功,w,体,=,p,外,(,V,2,V,1,)=,p,外,V,p,p,外,=,F/A,l,p,外,=,F/A,，,l,=,V/A,2,，,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,.,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：,例,1.2 1 mol,理想气体从始态,100kPa,22.4dm,3,经等温恒外压,p,2,=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。,.,1.2.2,化学反应的反应热与焓,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,，,q,V,=,U,定压反应热,.,定压反应热,H,2,(g)+O,2,(g)=H,2,O(g),反应前后分子的总量发生了变化，系统内气体的分子总数减少了，,当反应后恢复到反应前的温度，系统的压力不能再维持原先的数值。,为了达到反应前的压力，必须减小系统的体积。,那么，恒压过程，不做非体积功时，,w,体,=,p,(,V,2,V,1,),系统接收的这份功的能量到哪去了呢？,并且要求反应前后温度不变，不可能转变为系统内水分子的内能，,所以反应后系统温度要恢复到反应前的温度，,这份能量只能以热,的形式向环境释放！,.,恒压过程，不做非体积功时,U=q+W,q,p,=U-W,=U+p V,化学反应的等压热效应：,q,p,=U+p V,=U+RT,vB(g),.,1.,焓,q,P,=U+p,(,V,2,V,1,),=(,U,2,-,U,1,)+,p(V,2,V,1,),=(,U,2,+,p,2,V,2,)(,U,1,+,p,1,V,1,),公式,q,p,=,H,的意义：,1,）等压热效应即为焓的增量，故,q,P,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,q,P,值,。,令,H,=,U,+,p,V,则,q,p,=,H,2,H,1,=,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。,.,2.,定容反应热与定压反应热的关系,已知定容反应热：,q,V,=,U,；,定压反应热：,q,p,=,U,p,+p,(,V,2,V,1,),等温过程，,U,p,U,V,，则：,q,p,q,V,=,n,2,(g),RT,n,1,(g),RT,=,n,(g),RT,对于理想气体反应，有：,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,=,q,p,q,V,=,p,(,V,2,V,1,),思考：若反应,C(,石墨,)+O,2,(g)CO,2,(g),的,q,p,m,为,393.5kJmol,1,，则该反应的,q,V,m,为多少？,答：该反应的,n,(g)=0,，,q,V,=,q,p,.,3.,盖斯定律,化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。,始态,C(,石墨,)+O,2,(g),终态,CO,2,(g),中间态,CO(g)+,O,2,(g),即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。,.,由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和。,例,1.3,已知反应,和,的反应焓，,计算,的反应焓，,解：,.,应用代数运算法时必须注意两点：,只有条件（如温度）相同的反应和聚集状态相同的同一物质，才能相加减。,将方程式同乘或除一系数时，该反应热效应也应同乘或除一系数。,.,1.2.3,标准摩尔反应焓变的计算,1.,热力学标准态：,气体物质的标准态：系统中各种气态物质的分压均为标准压力,p,溶液中溶质,B,的标准态是,:,标准压力,p,下，,c,为,1.0 mol,.,dm,-3,液体或固体的标准态是,:,标准压力,p,下的纯液体或纯固体。,热力学温度标态并未对温度有限定，任何稳定下都有热力学标态；,热力学标态不同于环境状态（,298K,101 325Pa,），也不同于理想,气体标准状态（,273K,101325Pa,），后两者都规定了温度。,.,2.,标准摩尔生成焓,指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如,C,：石墨,(,s,),；,Hg,：,Hg(,l,),等。但,P,为白磷,(,s,),，即,P,（,s,，白）。,显然，标准态指定单质的标准生成焓为,0,。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。,标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质,B,时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作,f,H,m,思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓,(,反应物和生成物都是标准态,)?,(1),(2),(3),.,3.,标准摩尔焓变及测定,测定原理：,由于,q,p,=,H,所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件下的反应热得到反应标准摩尔焓变,.,标准状态下,反应进度,=1mol,的焓变称为反应的标准摩尔焓变,:,记作,.,4.,反应的标准摩尔焓变的计算,稳定单质,可从手册数据计算,298.15K,时的标准摩尔反应焓,.,反应物标准状态,生成物标准状态,r,H,m,f,H,m,(p),f,H,m,(r),由盖斯定律，得：,.,解：从手册查得,298.15K,时,Fe,2,O,3,和,Al,2,O,3,的标准摩尔生成焓分别为,824.2,和,1675.7kJmol,-1,。,例,1.4,试计算铝热剂点火反应的,反应计量式为：,.,用燃烧弹测出，氯气和氢气每合成,1molHCl,气体放出,92.307 kJ,的热，求反应焓,.,解,H,2,(g)+(Cl,2,)=HCl(g),q,V,=-92.307 kJmol,-1,r,U,m,=-92.307 kJmol-1,r,H,m,=,r,U,m,+RT,VB,(g),RT,VB,(g)=0,r,H,m,=-92.307 kJmol,-1,.,注意事项,物质的聚集状态，查表时仔细,应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时需要注意,公式中化学计量数与反应方程式相符,数值与化学计量数的选配有关；,温度的影响,思考：正反应与逆反应的反应热的数值相等，符号相反。对吗？,答：对。这 也是热化学定律的重要内容。,.,例,1.4,设反应物和生成物均处于标准状态，计算,1mol,乙炔完全燃烧放出的能量。,解：从手册查得,298.15K,时，各物质的标准摩尔生成焓如下。,226.73 0 -393.509 -285.83,.,1.3,常见能源及其有效与清洁利用,能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。,思考,：能源对于人类的重要性，为什么能源科学被列为当今社会的三大支柱之一。,能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。,能源是我们赖以生存的重要物质基础。,.,1.3.1,世界能源的结构与能源危机,1.,能源的分类,利用状况,使用 性质,形成条件,.,2.,世界能源的结构和消耗,1950,1960,1970,1980,1990,2010,10,20,30,40,50,60,能源结构比例,(%),年代,图,1.7,世界消耗的一次能源结构,煤炭石油天然气水电及其它,.,4.,能源危机,本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降。可利用之,“,有效能,”,减少了，于是产生了能源危机,.,80,1.3.2,煤炭与洁净煤技术,我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。,SO,2,和粉尘是煤燃烧的主要一次污染物，其中的,SO,2,是造成酸雨的主要原因。,所以煤炭的开采和燃烧都会引起环境污染。,思考,：,我国能源的现状有何特点？,答：,1,）能源总量丰富，但人均不足；,2,）能源结构不合理，优质能源比例太小,煤炭占一次能源的,76%,，天然气消耗只有世界平均的,76%,，石油消耗只占世界平均的,1/3,。,3,）能源利用率低，能耗高浪费严重。,.,81,1.,煤炭的成分与热值,煤炭的主要成分：,碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。,煤炭的热值：,单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。,标准煤的热值为,29.3MJkg,-1,。,无烟煤：低硫，较好；,烟煤：高硫，燃烧环境污染；,褐煤：储量大，但热值低。,煤炭的分类：,.,82,2.,洁净煤技术,洁净煤技术于,1986,年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一。,煤,甲醇,合成汽油,液体燃料,(,新型液态燃料,),）,（,）,（,气体燃料,合成天然气,水煤气,焦炭,甲烷化,汽化剂,炼焦,4,2,H,CH,H,CO,2,+,O,水煤浆,少量添加剂,水,煤粉,+,%,30,%,70,.,83,1.3.3,石油和天然气,石油,石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。,思考,：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地在哪儿？,答：世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。,.,84,1.,石油燃料产品,石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青等产品。,思考,：以上产品中最重要的是什么？,汽油,。,95%,的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为,5572,之间，在汽油中加入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到,7988,，为了防止铅在汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅，与尾气一同排入大气。,思考,：汽车尾气污染物是什么？如何解决？,答：主要污染物：,NO,、,CO,、,HC,和含铅化物等。,解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。,.,85,2.,天然气,天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷，常与石油伴生。其热值约为,55.6MJ,kg,-1,。,天然气的优点：,可直接应用,易于管道输送,污染少,思考,：西气东送具有哪些重要意义？,.,86,3.,沼气和生物质能,植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产生的气体称为沼气。,沼气约含,60%,的甲烷，其余为二氧化碳和少量的,CO,、,H,2,、,H,2,S,等。,思考,：可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家使用过沼气吗？,答：农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。,生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃气体。,答：都是。沼气也属于生物质能。柴火是生物质能的直接利用。,思考,：沼气和柴火是生物质能吗？,.,87,4.,可燃冰,未来的新能源,天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。,CH,4,x,H,2,O(s),。,形成条件：低温高压如,0,，,76 MPa,。,储量：尚难正确估计，各文发表的数据相差较大。预测总量相当于161万亿吨煤，可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的23倍。,分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一半。,开采难，储量丰富。,.,88,1.3.4,煤气和液化气,煤气,煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。,来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂的副产品。,液化气,煤气的组成,H,2,：,50%,；,CO,：,15%,；,CH,4,：,15%,，热值约,16MJ M,-3,思考,：与煤气相比，液化气有哪些优点？,答：无毒、低污染、热值高于煤气。,液化气作动力 绿色汽车 燃料电池（各国竞争发展）。,.,89,1.4,清洁能源与可持续发展,思考,1,：,目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是无限的,(,不考虑太阳的寿命,),？,思考,2,：你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？,1,：矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的能源（如太阳能）和核能是无限的。,2,：开放性的结论,1992,年，联合国环境于发展大会上提出了社会、经济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源作为最紧缺的资源对人类社会的可持续发展起着关键的作用。,.,90,1.4.1,能源开发与可持续发展,我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展,。,图,1.9,治理前的热电厂,最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。,可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。,.,91,1.4.2,氢能,氢能是一种理想的二次清洁能源。,氢能的优点,热值高，其数值为,142.9MJ,kg,-1,。,燃烧反应速率快，功率高,原料是水，取之不尽,产物是水，不污染环境,思考,：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些方面的问题？,经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用。,.,92,1.,氢气的制取,太阳能光解,电解,作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。,2NaCl+2H,2,O Cl,2,+H,2,+2NaOH,电解,思考,：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？,从经济上考虑是不可行的。,利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有前途的制氢方法。是研究的热点。,.,93,2.,氢气的储运,氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的储存和运输是一个比较困难的问题。,合金贮氢法,原理,：氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合物，这些化合物在合适的条件下可以释放出氢气。如镧镍合金：,开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的热门分支。,LaNi,5,+3H,2,LaNi,5,H,6,300kPa,加热,.,94,1.4.3,太阳能,太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式,。,思考,：如何利用太阳能？,太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形式，主要有以下三种：,转换为热能,转换为电能,转换为化学能,图,1.10,太阳能电池,.,95,1.,转换为热能,思考,：太阳能热水器的工作原理？,太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能，是目前直接利用太阳能的最主要方式。,将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子的有效吸收。,思考,：太阳光能的缺点是什么？,1,、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。,2,、对天气的依赖性强。,.,96,2.,转换为电能,思考,：你能举出光能转换为电能的例子吗？,光电池是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导体材料中的电子就可以吸收光子而跃迁到导带并产生电动势。,光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、人造卫星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。,.,97,3.,转换为化学能,植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太阳能进行光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储存能量。,思考,：你能举出一些将光能转换为化学能的例子吗？,太阳能光解制氢是近几年的热门研究课题。这是将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。,模拟光合作用也是各国科学家感兴趣的课题。,思考,：如果你烧过柴火，你有没有意识到你正在间接地利用太阳能？,.,98,选读材料 核能,核能的产生主要有两种方式，核裂变和核聚变。释放的能量用质能方程计算：,在中子的轰击作用下，较重原子核,分裂,成轻原子核的反应称为核裂变反应。,.,核燃料和核能的来源,核裂变反应,.,99,该反应损失质量,m,=0.2118gmol,-1,，能量变化为：,此能量相当于,634.5,吨标准煤完全燃烧所释放的能量。,核裂变是链式反应，不加控制则可制造成原子,弹；如加以控制，例如使用,慢化剂,水，重水和石墨，则可建造成核电站。,.,100,2.,核聚变反应,高温作用下，轻原子核,合并,成较重原子核的反应。,释放的能量同样用质能方程计算。,图,1.11,氢弹爆炸,太阳能就是氢的核聚变能，经计算,1mol,聚变放出的能量为：,由于氢原子质量小，如折合成每,g,物质反应的热量，则氢聚变所释放是能量是相同质量的铀裂变能量的,3,倍多。,.,101,.,核电的优势与发展趋势,发展核能是必由之路,由其优势决定：高密度、清洁、经济、安全的能源。,核电的发展趋势,(1),热堆的应用。应用广泛但燃料利用率很低；完善、智能化。,(2),快堆的应用。核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高,。,加快研究和开发。,(3),可控热聚变堆。处于基础研究阶段，前景诱人。,.,102,图,1.12,秦山