大学基础化学化学反应的能量变化省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

医用基础化学医用基础化学化学教研室化学教研室吴海珊吴海珊(1020403)第六章第六章 化学反应热及化化学反应热及化学反应方向和程度学反应方向和程度1第1页预习提要：预习提要：1.怎样计算化学反应热？怎样计算化学反应热？2.怎样判断化学反应方向？怎样判断化学反应方向？3.怎样衡量化学反应程度？怎样衡量化学反应程度？2第2页作业作业：P.118 1、2、4、5、6、7、10、12预习预习：自学自学：P.100(三三)P.103 (二二)P.111-115 四、五四、五不要求不要求：P.92 (二二)P.94 (三三)3第3页第六章第六章 化学反应能量改变、化学反应能量改变、方向和程度方向和程度C6H12O6(s)+6O2(g)6CO2(g)+6H2O(l)放出热量：放出热量：2802.5(kJ/mol)自发反应方向：自发反应方向：反应程度：反应程度：很大很大4第4页主要内容：主要内容：n热力学几个惯用术语热力学几个惯用术语n能量守恒和化学反应热能量守恒和化学反应热(重点重点)n化学反应方向和推进力化学反应方向和推进力(重点重点)n化学反应程度和平衡常数化学反应程度和平衡常数5第5页第一节第一节 热力学几个惯用术语热力学几个惯用术语一、状态函数一、状态函数state function1.状态状态指系统中全部指系统中全部性质性质及及条件条件均均确定不变确定不变平衡状态。平衡状态。6第6页例：理想气体例：理想气体T1=298.2KP1=100kPaV1=2 m3T2=298.2KP2=200kPaV2=1 m3Pep1始态始态终态终态7第7页性质确定，状态就确定。性质确定，状态就确定。状态改变，性质就改变。状态改变，性质就改变。2.状态函数状态函数描述和要求状态描述和要求状态宏观性质宏观性质。广度性质：广度性质：与系统中物质与系统中物质数量相关数量相关，含有含有加合性加合性。n、m、V、U(内能内能)、H(焓焓)、S(熵熵)、G强度性质：强度性质：与系统中物质与系统中物质数量无关数量无关，不不含有加合性。含有加合性。T、P、M8第8页问：问：冰：冰：1g+1g=2g2杯杯30水混合，混合后水混合，混合后T=30 3.状态函数特征状态函数特征系统系统状态一定状态一定，状态函数，状态函数值就一定值就一定。状态函数状态函数改变值改变值仅取决于仅取决于始态始态和和终态终态，而，而与与改变详细改变详细路径无关路径无关。9第9页问：水从问：水从10变到变到20,T=?始态始态：T1=10终态终态：T2=20T=25 T=10 T=15 T=5 T2T110第10页状态函数有特征，状态一定值一定，状态函数有特征，状态一定值一定，殊途同归改变等，周而复始改变零。殊途同归改变等，周而复始改变零。11第11页二、二、heat and work1.热热Q 放放环境间交换或传递能量。环境间交换或传递能量。(J，KJ)因为因为温度不一样温度不一样，而在系统与，而在系统与系统系统热，热，Q0.2.功功W除热以外除热以外，系统和环境间，系统和环境间进行传递和交换其它各种形式能量。进行传递和交换其它各种形式能量。12第12页 W=Fedz=peAdz=pedVW当恒外压时：当恒外压时：W13第13页体积功体积功:P外外V非体积功：电功等非体积功：电功等 作作系统向环境系统向环境功，功，W0.符号：符号：系统系统W:W:+Q:+Q:从系统角度从系统角度使系统能量升高为正，使系统能量升高为正，反之为负。反之为负。（恒外压）（恒外压）14第14页问：热和功是否状态函数？与路径问：热和功是否状态函数？与路径是否相关？是否相关？Q1=？Q2=？系统系统热热 吸吸解：解：始态始态：T1=10终态终态：T2=20 T=10 15第15页 热和功不是状态函数。热和功是热和功不是状态函数。热和功是过过程物理量程物理量，其大小与路径相关。，其大小与路径相关。例：例：练习题练习题16第16页第二节第二节 能量守恒和化学反应热能量守恒和化学反应热一、内能一、内能U和热力学第一定律和热力学第一定律1.internal energy系统内部能量总和。系统内部能量总和。问：内能是否状态函数？问：内能是否状态函数？U=？能否测出能否测出U值？值？17第17页2.the first law of thermodynamics 自然界一切物质都含有能量，能量自然界一切物质都含有能量，能量有各种不一样形式，而且能够从一个形有各种不一样形式，而且能够从一个形式转化为另一个形式，在转化中，能量式转化为另一个形式，在转化中，能量总值不变。总值不变。18第18页始始终终U1U2从环境吸热从环境吸热Q=10J系统对环境作功系统对环境作功W=-5JU2=U1+Q+WU=U2U1=Q+W练习题练习题=5J宏观上静止且无外力场存在封闭体系：宏观上静止且无外力场存在封闭体系：热力学第一定律热力学第一定律19第19页封闭系统在封闭系统在恒恒P，不做非体积功时：不做非体积功时：U=Q W=QPP外外VQP=U+P外外V=U2U1+P外外VP外外=P1=P2二、系统焓和等压反应热二、系统焓和等压反应热20第20页QP=U2U1+P外外(V2V1)=(U2+P2 V2)(U1+P1V1)=H2H1=HH是否状态是否状态函数？函数？恒压过程反应热等于系统焓变恒压过程反应热等于系统焓变令令 HU+P Vdef以后用焓变表示等压反应热以后用焓变表示等压反应热21第21页三、热化学方程式三、热化学方程式1.化学反应热效应化学反应热效应rHm当体系发生反应之后，使产物温度当体系发生反应之后，使产物温度回到回到反应前反应前始态时温度始态时温度，体系放出，体系放出或吸收热量。或吸收热量。T(反应物反应物)T(产物产物)22第22页2H2(g)+1O2(g)H2O(l)298.15K同时标明热效应值及物质状态化同时标明热效应值及物质状态化学方程式学方程式2.热化学方程式热化学方程式标准态标准态化学反应化学反应单位反应进度单位反应进度rHm,298.15O=285.8 kJ/molH2O(g)?23第23页3.标准态标准态气体：气体：纯液体：纯液体：纯固体：纯固体：溶质：溶质：P分分=100 kPa,T,理想气体理想气体P外外=100 kPa,TP外外=100 kPa,T，最稳定晶体最稳定晶体P外外=100 kPa,T，C=1mol/L在在T和和 p(100kPa)下该物质状态。下该物质状态。24第24页4.反应进度反应进度extent of reactiona A +d Dg G +h Ht=0t=tnA,0nD,0nG,0nH,0nAnDnGnH化学计量数化学计量数反应进度：反应进度：单位：单位：mol25第25页301006217N2+3H2 2NH3例：例：t=0,=0t=t,=（1）=n(NH3)(NH3)=60 2=3(mol)=n(N2)(N2)=7101=3(mol)26第26页 用任一反应物或产物所表示反应用任一反应物或产物所表示反应进度都是相等。进度都是相等。=n(NH3)(NH3)=601=6(mol)+NH3N2H2 3212（2）化学反应式写法不一样，化学反应式写法不一样，也不一样。也不一样。27第27页单位反应进度单位反应进度：=1mol此时：此时：nB B301002279N2+3H2 2NH3例：例：t=0,=0t=t,=（1）=n(NH3)(NH3)=20 2=1(mol)=1mol是指按反应式进行是指按反应式进行28第28页N2+3H2 2NH3rHm,298.15O=92.22 kJ/mol（1）+NH3N2H2 3212rHm,298.15O=（2）46.11 kJ/mol要将化学反应式与要将化学反应式与rHmO值同时值同时写出才有意义写出才有意义29第29页四、四、Hess定律和反应热计算定律和反应热计算Hess定律：一个化学反应不论是一步定律：一个化学反应不论是一步完成或是分几步完成，他完成或是分几步完成，他反应热反应热都都是相同。是相同。为何？为何？30第30页反应物反应物生成物生成物H H1H2H3H=H1+H2+H3恒恒T、P，不做非体积功：不做非体积功：H=QP31第31页1.由已知热化学方程式组合求反应热由已知热化学方程式组合求反应热例：试利用以下各热化学方程式求生成例：试利用以下各热化学方程式求生成CO(g)反应热反应热 C(石墨石墨)+O2(g)CO2(g)rHm,1O CO(g)+12O2(g)CO2(g)rHm,2OC(石墨石墨)+12O2(g)CO(g)rHm,3O?32第32页方法一：方法一：C(石墨石墨)CO2(g)rHm,1OCO(g)rHm,3OrHm,2OrHm,1O=rHm,3O+rHm,2OrHm,3O=rHm,1O rHm,2O？33第33页 方法二；依据反应物和产物判断方法二；依据反应物和产物判断 C(石墨石墨)+O2(g)CO2(g)rHm,1O CO(g)+12O2(g)CO2(g)rHm,2O C(石墨石墨)+12O2(g)CO(g)rHm,3OrHm,3O=rHm,1OrHm,2O?34第34页乙酸乙酸(l)+2O2(g)2CO2(g)H2(g)+O2(g)CO2(g)C(石墨石墨)+12O2(g)+2H2O(l)H2O(l)2C(石墨石墨)+2H2(g)+O2(g)乙酸乙酸(l)?解解:rHm,4O=+2rHm,2O2rHm,3OrHm,1O35第35页2.由标准摩尔生成焓求标准反应热由标准摩尔生成焓求标准反应热 标准标准摩尔摩尔生成焓生成焓fHm(B)O在标准态下，由在标准态下，由稳定单质稳定单质生成生成1mol该该物质物质 B 焓变。焓变。KJ/mol例：例：=227.4(KJ/mol)fHm,298.15O(C2H2,g)36第36页2H2(g)+C2H2(g)生成反应生成反应稳定单质稳定单质=227.4(KJ/mol)rHmO=fHm,298.15O(C2H2,g)C(石墨石墨)C2H2(g)37第37页问：问：fHmO(H2,g)为多少？为多少？H2(g)H2(g)稳定单质标准摩尔生成焓等于零稳定单质标准摩尔生成焓等于零问：请判断哪种物质是稳定单质？问：请判断哪种物质是稳定单质？C(石墨石墨)、C（金刚石）、金刚石）、C（无定形）无定形）O2（g）、）、O2（l）、）、O2（s）I2（g）、）、I2（s）38第38页 计算标准反应热计算标准反应热 rHmO最稳定单质(反应物)(产物)产物反应物39第39页例：用标准摩尔生成焓计算标准反应热例：用标准摩尔生成焓计算标准反应热4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(l)45.991.3285.8解：解：rHm,298O=491.3+6（285.8）4（45.9）=1166（KJ/mol)重重点点40第40页第三节第三节 化学反应方向和推进力化学反应方向和推进力一、自发过程及其特征一、自发过程及其特征从高到低从高到低推进力推进力自发判据自发判据水流水流hh0TT0传热传热h=0T=0达平衡时达平衡时化学反应化学反应GG0G=041第41页自发自发非平衡态非平衡态平衡态平衡态非自发非自发体系中存在不平衡原因就会造成自发体系中存在不平衡原因就会造成自发自发自发42第42页1.自发过程自发过程不依靠外力不依靠外力而能而能自动自动进行过程。进行过程。非自发过程非自发过程在外力作用下在外力作用下进行过程。进行过程。43第43页2.自发过程特征自发过程特征 自动、单向。自动、单向。（蕴蕴）含有作）含有作 功能力。功能力。44第44页 有判据有判据 0二、对自发反应认识二、对自发反应认识 常温常压下，放热反应都是自发常温常压下，放热反应都是自发（H0）有一定程度有一定程度平衡态平衡态,=045第45页NH3Ba(OH)28H2ONH4SCNH2O冰冰木板木板有些吸热反应也是自发有些吸热反应也是自发46第46页自发反应推进力自发反应推进力放热放热混乱增加混乱增加问：一滴墨水溶于水，是自发进行吗？问：一滴墨水溶于水，是自发进行吗？解：解：墨水墨水+H2O溶液溶液自发自发非自发非自发混乱度低混乱度低混乱度最大混乱度最大47第47页三、系统熵三、系统熵S1.反应体系混乱度状态函数。反应体系混乱度状态函数。单位：单位：J K-1 mol-1 混乱度愈大，混乱度愈大，S愈大。愈大。熵熵entropyS=k ln 混乱度混乱度48第48页 2.影响影响S原因：原因：聚集态、组成、结构、温度、压力及聚集态、组成、结构、温度、压力及物质量。物质量。问：问：S（冰）（冰）S（水）（水）S（气）（气）S（O）S（O2）S（O3）S（CH3CH2CH2CH3）S（CH3CHCH3）CH349第49页 外压外压P ，气体气体S 同一物质，同一物质，n ，S 同一物质，同一物质，T ，S 热力学第三定律：热力学第三定律：热力学温度热力学温度0K时，时，任何任何纯纯物质物质完完整整晶晶体体熵值为零熵值为零。熵值以熵值以T=0K时，时，S=0为为比较标准而求算出。比较标准而求算出。要求熵要求熵50第50页3.化学反应化学反应rSmO计算计算在标准态下，在标准态下，1mol物质物质 B要求熵值要求熵值。J K-1 mol-1问：问：SmO(H2,g)是否为零？是否为零？稳定单质标准摩尔熵不等于零稳定单质标准摩尔熵不等于零标准摩尔熵标准摩尔熵SmO(B)51第51页反应物反应物产物产物rSmOSmO197.7210.8213.8191.6CO(g)+NO(g)CO2(g)N2(g)+12例：例：98.9(J K-1 mol-1)rSm,298.15O=练习题练习题重重点点52第52页四、化学反应自发性判据四、化学反应自发性判据G1.Gibbs自由能自由能 G表征物质体系作非体积功效力物理量。(化学势能)G是状态是状态函数？函数？GHTSdefG物理含义：在物理含义：在等温等压等温等压过程中，除体积过程中，除体积改变所做功以外，系统对外界所做功只能改变所做功以外，系统对外界所做功只能等于或者小于等于或者小于吉布斯自由能减小。吉布斯自由能减小。53第53页势能高势能高势能低势能低G大大G小小反应物反应物生成物生成物WfWf水水水水54第54页反应物反应物P1=P2，T1=T2对环境作功对环境作功G1=50JG2=20JWfG0Wf,max G=30J等温等压，等温等压，Wf=0:可逆过程：可逆过程：不可逆过程：不可逆过程：Wf 25J生成物生成物55第55页Cu2+ZnCu+Zn2+问：为何原电池作功效力会降低？问：为何原电池作功效力会降低？Cu片片CuSO4Zn片片ZnSO4盐桥盐桥e正极正极(电位高电位高)负极负极(电位低电位低)56第56页rGm,298.15212.6（kJ/mol）OrGm=G(产物产物)G(反应物反应物)0Cu2+2eCuZn-2eZn2+正极正极:负极负极:Cu2+ZnCu+Zn2+伴随反应进行：伴随反应进行：57第57页G(产物产物)G(反应物反应物)tGG到达平衡到达平衡58第58页H2(g)+12O2(g)H2O(l)热机：热机：140kJ电功：电功：237kJrGm=237.18kJ 物质在自发改变时都可作功。并随过物质在自发改变时都可作功。并随过程进行其作功效力降至零。程进行其作功效力降至零。59第59页2.自由能降低原理自由能降低原理等温等压下，自由能降低反应必自发等温等压下，自由能降低反应必自发等温等压下，不作非体积功：等温等压下，不作非体积功：rGm 0，rGm=0，正正反应反应自发自发进行进行逆逆反应反应自发自发进行进行反应达反应达平衡平衡60第60页(H2T2S2)(H1T1S1)=rG=G2 G1=H T S 等等T、PGibbs方程式方程式Gibbs方程式方程式61第61页GHTS自由能是熵和焓综合表达自由能是熵和焓综合表达自发自发反应反应推进力推进力放热放热rHm0=H T S rGm+讨论：讨论：62第62页3.温度对反应方向影响温度对反应方向影响温度温度T对物质对物质H影响影响对物质对物质S影响影响对物质对物质G影响影响大大，对，对rHm影响影响小小大大，对，对rSm影响影响小小不确定不确定，对，对rGm影响影响大大反应物反应物生成物生成物rHm,TOrHm,298.15O63第63页rSm,TOrSm,298.15OrGm,TOrGm,298.15OrGm,TO=rSm,298.15rHm,298.15OOT任何温度任何温度 64第64页rG=H T S，rG0条件条件，+，+，+，+，任何温度任何温度不存在不存在低温低温高温高温练习题练习题65第65页4.自由能变自由能变计算计算标准态下标准态下 rGmO计算计算在标准态下，由稳定单质生成在标准态下，由稳定单质生成1mol物质物质 B 时自由能时自由能变变。KJ/molfGm(B)O 利用利用Gibbs方程式方程式由标准摩尔生成自由能计算由标准摩尔生成自由能计算66第66页问：问：fGmO(H2,g)为多少？为多少？稳定单质标准摩尔生成自由能等于零稳定单质标准摩尔生成自由能等于零例：用两种方法判断以下反应在例：用两种方法判断以下反应在298.15K 100kPa 下能否自发进行。下能否自发进行。重重点点67第67页2NO(g)N 2(g)+O2(g)fGmOfHmOSmO若要此反应自发进行，最少要到达多少若要此反应自发进行，最少要到达多少温度温度(K)？87.691.3191.6205.2210.8000068第68页解：解：计算计算 rGm,298.15O方法一：方法一：rGm,298.15O=287.6175.2(kJ/mol)=方法二：方法二：rHm,298.15O=291.3182.6(kJ/mol)=69第69页rSm,298.15O=2210.8191.6205.2=24.8(J K-1 mol-1)rGm,298.15O=182.6298.1524.8=175.2(kJ/mol)正向反应在正向反应在298.15K 100kPa下不下不能自发进行。能自发进行。10-370第70页即即rHm,TOTrSm,TOrHm,TOrSm,TO=182.624.810-3=7363(K)若要反应自发，必须若要反应自发，必须rGm,TO0rHm,298.15OrSm,298.15O71第71页rGm,TO=rSm,298.15rHm,298.15OOT小结：小结：298.15K任何温度任何温度 72第72页 非标准态下非标准态下rGm 计算计算aA+bBdD+eErGm,T=rGm,TO+RTQQ=(CD/C )dO(CE/C )eO(CA/C )a(CB/C )bOO单位？单位？等温等温非标非标:化学反应等温式化学反应等温式反应商反应商73第73页OC标准浓度：标准浓度：=1mol/L气体时改为气体时改为PA/PO100kPa当当CA=CB=CD=CE=1mol/LrGm,T=rGm,TO标准态只是一个特例标准态只是一个特例74第74页例：例：CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)已知已知rHm,298.15O=178.5(kJ/mol)rSm,298.15O=159.0(JK-1 mol-1)若使若使CO2分压为分压为0.010 kPa，试计算此反，试计算此反应自发进行所需最低温度？应自发进行所需最低温度？75第75页rGm,T=rGm,TO+RTP(CO2)100=(178.5T159.010-3)+8.31410-3T 0.0101000解：解：T759(K)76第76页状态函数状态函数HSG定义定义H=U+PV衡量混乱度衡量混乱度G=HTS性质性质n都是状态函数，含有都是状态函数，含有稳定单质稳定单质常态常态SmfGmn温度对温度对改变值改变值影响影响显著影响显著影响显著影响显著影响显著影响显著影响几个状态函数对比几个状态函数对比fHmOOO=0=00加合性加合性无无无无有有77第77页应用应用:P.112 耦联反应耦联反应A+BC+DG=3kJ/molA+B+ED+F+HG=2kJ/mol热力学上一个不利反应能够被热热力学上一个不利反应能够被热力学上一个有利反应所推进力学上一个有利反应所推进C+EF+HG=5kJ/mol目标产物目标产物78第78页第四节第四节 化学反应程度和标准平衡常数化学反应程度和标准平衡常数一、试验平衡常数和标准平衡常数一、试验平衡常数和标准平衡常数可逆反应：可逆反应：aA+bBdD+eE 正正=k 正正 C(A)aC(B)b 逆逆=k 逆逆 C(D)dC(E)e反应达平衡时：反应达平衡时：正正=逆逆79第79页k 正正 AaBb=k 逆逆 DdEeDdEeAaBb=k 正正k 逆逆=KcPDdPEePAaPBb=Kp试验平衡常数试验平衡常数K愈大，反应程度愈大。愈大，反应程度愈大。80第80页标准平衡常数：标准平衡常数：(D/C )d=KOO(E/C )eO(A/C )aO(B/C )bO是否有单位？是否有单位？C =1mol/LOK与温度相关，与浓度无关与温度相关，与浓度无关81第81页二、自由能和化学平衡二、自由能和化学平衡rGm,T=rGm,TO+RTQ平衡状态时：平衡状态时：rGm,T=0愈大愈大愈大愈大rGm,TO+RTK=0OrGm,TO=RTKOrGm,TO愈负愈负，K，反应程度，反应程度OQ=KO82第82页总结：总结：一、基本概念一、基本概念热、功：与路径热、功：与路径相关相关状态函数改变量与路径状态函数改变量与路径无关无关二、计算二、计算 rHm,TO83第83页1.热力学第一定律：热力学第一定律：U=Q+W2.恒恒T、P，不作其它功：不作其它功：H=QP3.计算计算rHm,298.15O(Hess定律定律)由由 用用fHm,298.15O计算计算已知热化学方程式组合已知热化学方程式组合计算计算84第84页三、判断自发反应方向三、判断自发反应方向等温等压下，等温等压下，rGmrGm=正正反应反应自发自发进行进行逆逆反应反应自发自发进行进行反应达反应达平衡平衡0，0，0，85第85页1.用用rGm,TO判断判断下反应方向下反应方向标态标态rGm,TO=rHm,298OTrSm,298OGibbs方程式方程式86第86页2.用用rGm,T判断判断下反应方向下反应方向非标态非标态rGm,T=rGm,TO+RTQ=+RTQRTK O四、化学平衡四、化学平衡rGm,TO=RTKO87第87页练习题练习题1.以下物理量中不属于状态函数是：以下物理量中不属于状态函数是：A、Q B、p C、T D、n88第88页练习题练习题1.一封闭体系经由两种不一样路径，一封闭体系经由两种不一样路径，从状态从状态A到状态到状态B，则：则：A、U=0B、Q1=Q2C、W1=W2D、Q1+W1=Q2+W2E、UW=089第89页2.系统由系统由A态到态到B态，沿路径态，沿路径放热放热100J，得到得到50J功。当系统由功。当系统由A态态沿路径沿路径到到B态时做功态时做功80J，则则Q为为A、70JB、70JC、30JD、30J90第90页练习题练习题1.N2(g)标准摩尔熵正确写法是标准摩尔熵正确写法是 A、SmO(N2,g)SmO(N2,g)B、C、SO(N2,g)91第91页2.以下哪个反应熵变最大以下哪个反应熵变最大A、CO2(g)+C(S)O2(g)B、2SO3(g)+2SO2(g)O2(g)C、CaSO4 2H2O(S)+CaSO4(S)2H2O(l)D、2NH3(g)+3H2(g)N2(g)92第92页练习题练习题1.浓浓H2SO4溶于水时反应溶于水时反应(吸或放吸或放)热，其过程热，其过程H0，S0，G0.放放93第93页2.已知反应已知反应H2(g)+CO(g)C(石墨石墨)+H2O(g)在在298.15K时，时，rHm=131.3kJmol-1rSmOO=134.1 J K-1 mol-1，故标准态，故标准态下此反应下此反应94第94页A、在温度升高至一定数值以上即可在温度升高至一定数值以上即可 自发进行。自发进行。B、在温度降低至一定数值以下即可在温度降低至一定数值以下即可 自发进行。自发进行。C、在任何温度下反应都能自发进行。在任何温度下反应都能自发进行。D、在任何温度下反应都不能自发进行。在任何温度下反应都不能自发进行。95第95页