化学热力学初步崔爱莉省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第第3 3章章 化学热力学初步化学热力学初步化学热力学主要处理化学反应中三个问题：化学热力学主要处理化学反应中三个问题：化学反应中能量转化化学反应中能量转化 化学反应方向性化学反应方向性 反应进行程度反应进行程度卡诺卡诺卡诺循环卡诺循环焦尔焦尔热功当量热功当量吉布斯吉布斯吉布斯函数吉布斯函数瓦特瓦特蒸汽机蒸汽机化学热力学历史发展过程主要人物化学热力学历史发展过程主要人物第1页2作业：作业：3-153-153-23,3-283-23,3-283-403-40教学关键点：教学关键点：1.热力学函数热力学函数U、H、S、G物理意义。物理意义。2.热力学第一、第二、第三定律概念。热力学第一、第二、第三定律概念。3.依据热力学函数进行依据热力学函数进行反应自发性反应自发性判断。判断。4.掌握掌握吉布斯吉布斯-赫姆霍兹赫姆霍兹公式计算及其应用。公式计算及其应用。第2页33.1.1 3.1.1 化学热力学基本概念化学热力学基本概念 1 1 系统与环境系统与环境 系统系统:人为划分出来研究对象（也称体系）人为划分出来研究对象（也称体系）环境环境:系统以外与系统亲密相关其它部分系统以外与系统亲密相关其它部分3.1 3.1 化学反应中能量改变化学反应中能量改变 敞开系统敞开系统:现有能量交换，又有物质交换现有能量交换，又有物质交换 封闭系统封闭系统:只有能量交换，没有物质交换只有能量交换，没有物质交换 孤立系统孤立系统:既无物质交换，又无能量交换既无物质交换，又无能量交换第3页判断以下分别是什么体系？判断以下分别是什么体系？第4页5状态：状态：系统中一切物理和化学性质综合表现。系统中一切物理和化学性质综合表现。状态函数：状态函数：确定系统状态物理量称为状态函数。确定系统状态物理量称为状态函数。通惯用体积、温度、压力等宏观物理量来描述状态。通惯用体积、温度、压力等宏观物理量来描述状态。状态函数特点：状态函数特点：状态一定，状态函数一定状态一定，状态函数一定p p、V V、T T、n n。改变值只与始态、终态相关，与路径无关。改变值只与始态、终态相关，与路径无关。始态始态终态终态（）（）2 状态与状态函数状态与状态函数广度性质广度性质广度性质广度性质 :含有加和性，如体积含有加和性，如体积含有加和性，如体积含有加和性，如体积V V 强度性质强度性质强度性质强度性质:不含有加和性，如温度不含有加和性，如温度不含有加和性，如温度不含有加和性，如温度T T 第5页63 过程与路径过程与路径过程过程:当体系由一个状态到另一个状态发生改变时，这个当体系由一个状态到另一个状态发生改变时，这个改变称为过程改变称为过程(如固体溶解、化学反应等如固体溶解、化学反应等)。路径：路径：完成这个改变详细步骤称为路径。完成这个改变详细步骤称为路径。等温过程：等温过程：T1=T2，即即 T=0等压过程：等压过程：P1=P2，即即 P=0等容过程：等容过程：V1=V2，即即 V=0始态始态 终态：路径不一样，状态函数改变量相同。终态：路径不一样，状态函数改变量相同。第6页P3=303.9kPaT3=473KV3=0.845m3p1=101.3kPaT1=373KV1=2m3p1=202.6kPaT1=373KV1=1 m3 （I I）加加 压压()()加压、升温加压、升温减压、降温减压、降温始始 态态终终 态态比如：理想气体两种不一样改变过程比如：理想气体两种不一样改变过程第7页84.4.热力学标准态热力学标准态热力学标准态热力学标准态 用符号用符号用符号用符号“”做上标表示标准状态做上标表示标准状态做上标表示标准状态做上标表示标准状态 标准压力标准压力标准压力标准压力p p =100 kPa=100 kPa标准浓度要求标准浓度要求标准浓度要求标准浓度要求b b =1molkg=1molkg-1-1，惯用惯用惯用惯用c c =1molL=1molL-1-1在在在在热热热热力力力力学学学学标标标标准准准准态态态态要要要要求求求求中中中中，只只只只指指指指定定定定压压压压力力力力p p，没没没没有有有有指指指指定定定定温温温温度度度度，即即即即温度能够任意选取温度能够任意选取温度能够任意选取温度能够任意选取，通常选取，通常选取，通常选取，通常选取298K298K书写热化学方程式要注明聚集状态书写热化学方程式要注明聚集状态(气气:g；液；液:l；固；固:s）2H2(g)+O2(g)=2H2O(g),rHm =-483.6 kJmol-1 2H2(g)+O2(g)=2H2O(l),rHm =-571.68 kJmol-1第8页95.功和热：能量交换形式分为热和功功和热：能量交换形式分为热和功功功:除热以外除热以外系统系统与环境之间其它被传递能量与环境之间其它被传递能量热热:系统与环境因温度不一样而传递能量。系统与环境因温度不一样而传递能量。热不是状态函数；吸热热不是状态函数；吸热 Q 0，放热，放热 Q 0。W 不是状态函数；不是状态函数；系统对环境作功系统对环境作功:W 0体积功体积功 W体体=p外外(V2 V1)=p外外 V第9页10 6.热力学能（内能热力学能（内能U）:系统内部各种能量总和系统内部各种能量总和7.相相:*相和相之间有显著界面相和相之间有显著界面*相与聚集态不一样。相与聚集态不一样。*相数与物质种类数。相数与物质种类数。包含体系内分子运动动能、分子间相互作用能及分子中原包含体系内分子运动动能、分子间相互作用能及分子中原子子、电子运动能等。电子运动能等。U是状态函数，无绝对数值。是状态函数，无绝对数值。U=U2 U1体系中物理性质和化学性质完全相同任何均匀部分体系中物理性质和化学性质完全相同任何均匀部分第10页3.1.2 3.1.2 热力学第一定律热力学第一定律热和功是能量转换和传递两种方式。热和功是能量转换和传递两种方式。Joule试验得出了热功当量试验得出了热功当量1cal=4.184J。热力学第一定律即能量守恒定律：热力学第一定律即能量守恒定律：“能量既不能创能量既不能创造，也不能毁灭，自然界中能量能够从一个形式转造，也不能毁灭，自然界中能量能够从一个形式转化为另一个形式，总能量不变。化为另一个形式，总能量不变。”热力学第一定律其它表述方式，如热力学第一定律其它表述方式，如“第一类永动机第一类永动机是不能造成是不能造成”等等。等等。第11页12热力学第一定律数学表示式：热力学第一定律数学表示式：UQ+WU：(+)内能增加，内能增加，(-)内能降低内能降低Q ：(+)吸热吸热,(-)放热放热W：(+)环境对体系做功环境对体系做功,(-)体系对环境做功体系对环境做功U1U2QW对于封闭体系，体系内能改变（对于封闭体系，体系内能改变（U）等于体系从环境所）等于体系从环境所吸收热量（吸收热量（Q）加上环境对体系所做功（）加上环境对体系所做功（W）。）。第12页化学计量数化学计量数vI:vA=-a，vB=-b ，vy=y，vz=z3.1.3 反应进度反应进度化学反应计量式：化学反应计量式：化学计量数能够是整数、分数、正值、负值。化学计量数能够是整数、分数、正值、负值。反应进度：反应进度：相关相关 几点说明几点说明:(1)反应进度反应进度 单位是单位是 mol(2)同一反应各组分计量系数不一样，反应进度相同同一反应各组分计量系数不一样，反应进度相同(3)热力学函数指是当热力学函数指是当 =1mol时，对应状态函数单位为时，对应状态函数单位为kJmol-1，并在热力学函数符号右下角标注并在热力学函数符号右下角标注“m”第13页t0时时 nB/mol 3.0 10.0 0 t1时时 nB/mol 2.0 7.0 2.0 t2时时 nB/mol 1.5 5.5 3.0 比如：比如：N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)rHm=92 kJmol-1第14页注意：反应进度必须对应详细反应方程式。注意：反应进度必须对应详细反应方程式。2.0 7.0 2.0 (mol)3.0 10.0 0 (mol)第15页163.1.4 3.1.4 化学反应能量改变化学反应能量改变 1 体积功：反抗外界压强发生体积改变时产生功。体积功：反抗外界压强发生体积改变时产生功。W F L F p外外 S Wp外外V若外压若外压p0或体积改变量或体积改变量V0时，体积功时，体积功W 0。本章研究体系都是只作体积功，不做非体积功过程。本章研究体系都是只作体积功，不做非体积功过程。对于恒温对于恒温(T)恒压恒压(p)下理想气体参加反应：下理想气体参加反应：W=p外外V =ngRT第16页17例：例：2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)，求，求298K时标准状态下时标准状态下2molH2与与1mol O2生成生成2mol H2O(l)反应所作体积功反应所作体积功W。解：解：W=-ngRT=3 8.314 298=7.4(kJ)体系体积减小，系统得到正功。体系体积减小，系统得到正功。第17页18解：体系吸收热量解：体系吸收热量Q854J体系做功是指液态乙醇气化时所做恒压体积膨胀功：体系做功是指液态乙醇气化时所做恒压体积膨胀功：WpV100kPa0.62dm362J（忽略液态乙醇所占体积）（忽略液态乙醇所占体积）UQW854J62J792J以上结果表示以上结果表示1g乙醇在乙醇在78.3气化时，吸收气化时，吸收854J热量，做热量，做62J功，其内能增加功，其内能增加792J。例：在例：在78.3及及1105Pa下，下，1g乙醇蒸发变成乙醇蒸发变成 620cm3乙乙醇蒸气时，吸热醇蒸气时，吸热 854J，求内能改变，求内能改变U是多少焦耳。是多少焦耳。第18页19焓定义：焓定义：H U+pV ,H是状态函数；无绝对数值；是状态函数；无绝对数值；rHm，298.15K ：标准摩尔焓变；单位：标准摩尔焓变；单位 kJmoL-1 U=Q+W=Q pV 符号要求：符号要求：H 0，吸热。，吸热。2.等压热效应与焓等压热效应与焓 QP=U+pVQp =(U2+p2V2)(U1+p1V1)令令 H=U+pV ，则，则 Qp=H2 H1=H第19页20 U=Q+W 3.等容热效应（等容热效应（QV）与热力学能（）与热力学能（U）当当 V2=V1 ，V=0 U=Q pV =QV，U=QV U=H pV QV =Qp ngRT等压热效应（等压热效应（Qp）与等容热效应（）与等容热效应（QV）关系）关系对于理想气体：对于理想气体：QP QV +ng RT第20页214.化学反应化学反应标准摩尔焓变标准摩尔焓变 rHm，kJmol-1注意：注意：r Hm数值与反应方程式写法相关。数值与反应方程式写法相关。2H2(g)+O2(g)=2H2O(l),rHm =-571.68 kJmol-12H2(g)+O2(g)=2H2O(g),rHm =-483.6 kJmol-1H2(g)+1/2 O2(g)=H2O(g),rHm =?kJmol-1H2O(l)=H2(g)+1/2 O2(g),rHm =?kJmol-1第21页223.1.5 恒容热效应测量恒容热效应测量弹式量热计：弹式量热计：1搅拌器；搅拌器；2点火电线；点火电线；3温度计；温度计；4绝热外套；绝热外套；5钢质容器；钢质容器；6水；水；7钢弹；钢弹；8样品盘样品盘Q （Q水水+Q弹弹）Q水水 c mTc水比热容，水比热容，4.184 Jg-1K-1m水质量，水质量，g；Q弹弹 CTT T2T1C 弹式量热计热容弹式量热计热容JK-1第22页23注意：注意：p、V、T、U、H都是状态函数，都是状态函数，W和和Q不是状态函数不是状态函数Qp=H，QV=UQp，QV 试验可测试验可测不过对于反应不过对于反应2C(石墨石墨)+O2(g)=2CO(g)呢？呢？HH2 2O(O(l l)H)H2 2O(g)O(g)，r rHHmm=+40.6 kJmol=+40.6 kJmol11比如：在比如：在比如：在比如：在100100和和和和100 kPa 100 kPa 条件下条件下条件下条件下第23页241.Hess定律：定律：化学反应不论是一步完成，还是多步完成，其热效应总是相同。化学反应不论是一步完成，还是多步完成，其热效应总是相同。或者说，化学反应热效应只与物质始态或终态相关而与改变路或者说，化学反应热效应只与物质始态或终态相关而与改变路径无关。径无关。C(s)+O2(g)CO2(g)CO(g)+1/2 O2(g)H1 H2 H3 H1=H2+H33.1.6 盖斯定律和化学反应热效应计算盖斯定律和化学反应热效应计算盖斯盖斯(Hess G H)：生于瑞士日内瓦，任俄国圣彼得堡大学化学系教授：生于瑞士日内瓦，任俄国圣彼得堡大学化学系教授从事无机化学研究，最著名是他进行一系列热化学研究。从事无机化学研究，最著名是他进行一系列热化学研究。第24页252 由标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应热由标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应热(1)标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓 fHm定定义义：指指定定温温度度(通通常常298.15K)和和标标准准态态下下，由由稳稳定定单单质质生生成成1moL某物质时反应焓变，叫该物质标准生成焓。某物质时反应焓变，叫该物质标准生成焓。单位单位:kJmol-1稳定单质稳定单质 fHm=0。比如：。比如：C(石墨石墨)、Cl2(g)、I2(s)等等比如：比如：N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)rHm=92 kJmol-1 f Hm(NH3)=46 kJmol-1 第25页26(2)利用标准生成焓计算化学反应焓变利用标准生成焓计算化学反应焓变 对于普通反应：对于普通反应：aA+bB=cC+dD rHm=c f Hm(产产)+d f Hm(产产)a f Hm(反反)+b f Hm(反反)=n产产 f Hm(产产)n反反 f Hm(反反)注意注意:rHm(T)rHm(298.15K)应用公式时注意：应用公式时注意：1.反应焓变计算是终态减始态，勿颠倒反应焓变计算是终态减始态，勿颠倒2.公式中各种物质一定要考虑其聚集状态公式中各种物质一定要考虑其聚集状态3.rH m(T)rH m(298.15K)4.fH m(298.15K)是热力学基本数据，可查表取得。是热力学基本数据，可查表取得。第26页27定定义义：在在给给定定温温度度和和标标准准态态下下，1mol某某物物质质完完全全燃燃烧烧（氧氧化化）生成生成要求物质时反应热，简称燃烧热。要求物质时反应热，简称燃烧热。符号：符号：cHm（c 表示表示combustion）。）。单位：单位：kJmol-1完全燃烧：即生成物质为完全燃烧：即生成物质为 CO2(g)，H2O(l)，N2，SO2等。等。cHmCO2(g)、H2O(l)、O2(g)=03 由标准摩尔燃烧热计算标准摩尔反应热由标准摩尔燃烧热计算标准摩尔反应热反应热计算反应热计算 rHm=n反反 cHm(反反)n产产 cHm(产产)第27页28例例：判判断断 cHm石石墨墨与与 fHmCO2(g)相相对对大大小小？写写出出乙乙醇醇燃燃烧烧反反应应热热化化学学反反应应方方程程式式。已已知知：cHm乙乙醇醇=-1366.7 kJmol-1解：解：C2H5OH(l)+3O2(g)=3H2O(l)+2CO2(g)rHm=cHm乙醇乙醇=-1366.7 kJmol-1第28页294.由键能法计算标准摩尔热效应（普通了解）由键能法计算标准摩尔热效应（普通了解）(1)键能键能(bHom)双原子分子多原子分子 bHm(离解能离解能)bHom(平均离解能平均离解能)(2)化化学学反反应应本本质质就就是是旧旧键键断断开开和和新新键键形形成成，其其键键能能差差异异就就是是反反应应过程产生热效应根本原因。过程产生热效应根本原因。(3)键能法计算反应热不足：键能法计算反应热不足：键能数据不全；键能数据不全；计算反应热精度不高，因为键性质与分子环境相关。计算反应热精度不高，因为键性质与分子环境相关。N2+3H2=2NH3 rHm=92 kJmol-1第29页小结：小结：恒恒容反应热容反应热U标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓 热化学方程式热化学方程式恒压反应热恒压反应热H标准摩尔燃烧焓标准摩尔燃烧焓 热力学第一定律热力学第一定律第30页