浙江大学普通化学(第六版)第一章课件-热化学与能源省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页教材：普通化学 (第六版)浙江大学普通化学教研组编徐端钧 方文军 聂晶晶 沈宏修订高等教育出版社，北京出版年：6月1第1页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页绪论化学是一门既古老又年轻科学。化学是研究和创造物质科学，同工农业生产和国防当代化，同人民生活和人类社会等都有非常亲密关系。化学是一门中心性、实用和创造性科学，主要是研究物质分子转变规律科学。化学与物理一起属于自然科学基础学科。化学分支比较多。研究现实状况()化合物万种时间分辨率：1 fs(飞秒（femtosecond）1 飞秒 为千万亿分之一秒)空间分辨率：0.1nm分析所需最小量：10-13 g。2第2页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1 1 化学地位和作用化学地位和作用v 化学仍是处理食物短缺问题主要学科之一（农作物丰产，杂交水稻）v 化学继续推进材料科学发展（高分子复合材料研发）v 化学是提升人类生存质量和生存安全有效保障（提倡绿色化学，有机食品等）v 化学在能源和资源合理开发和高效安全利用中起关键作用v 化学是生命科学主要支柱3第3页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2 学习目标、内容和要求学习目标、内容和要求学习目标了解当代化学学科概貌了解当代化学学科概貌用化学观点分析、认识生活和工作中化学问题用化学观点分析、认识生活和工作中化学问题,以以实现对学生高素质化学通才教育。实现对学生高素质化学通才教育。学习内容学习内容 理论化学：两条理论化学：两条“根本根本”【宏观（【宏观（1-4）和微观结构及物质）和微观结构及物质性性 质（质（5-8）】）】应用化学：应用化学：化合物知识；化学在相关学科中应用化合物知识；化学在相关学科中应用 试验化学试验化学学习要求学习要求 辨证思维辨证思维 发展眼光发展眼光 实践方法实践方法4第4页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.1.课课前前预预习习，浏浏览览一一遍遍今今天天老老师师要要讲讲什什么么，在在心心理上有个准备；理上有个准备；2.2.课课堂堂上上，准准备备一一笔笔记记本本，注注意意听听记记，这这是是提提升升听听课课效效率率确确保保不不走走神神，能能跟跟上上讲讲课课思思绪绪最最正正确确方方法法；其其二二，笔笔记记内内容容为为课课后后复复习习以以及及期期末末复复习主要依据；习主要依据；3.3.下下课课时时，请请静静坐坐1 1分分钟钟时时间间，回回顾顾一一下下本本节节课课讲了什么；讲了什么；4.4.课课后后复复习习总总结结，包包含含做做习习题题作作业业、看看参参考考书书等等，希希望望对对每每一一章章以以自自己己方方法法、思思绪绪能能总总结结一一下下，期末时只要看自己总结就能复习全书。期末时只要看自己总结就能复习全书。课程要求课程要求5第5页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页详细课程要求安排：详细课程要求安排：40+8 40+8 理论学习：认真听课、做好笔记；及时消化、完理论学习：认真听课、做好笔记；及时消化、完成作业成作业 实践学习：试验前写好预习汇报，试验后及时完实践学习：试验前写好预习汇报，试验后及时完成试验汇报。成试验汇报。课程考评：理论考试占课程考评：理论考试占80%左右左右 试验占试验占15%左右左右 平时占平时占5%左右左右6第6页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页热化学与能源第1章7第7页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页目录目录1.1 热热化学化学1.2 反应热与反应热与焓焓1.3 能源合理利用能源合理利用选读材料 核能.核燃料和核能起源.核电优势与发展趋势本章小结本章小结8第8页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.1 热化学热化学系统：作为研究对象那一部分物质和空间。系统：作为研究对象那一部分物质和空间。环境：系统之外，与系统亲密联络其它物质和环境：系统之外，与系统亲密联络其它物质和 空间。空间。开放系统开放系统有物质和能量交换有物质和能量交换封闭系统封闭系统只有能量交换只有能量交换1.1.1 几个基本概念几个基本概念1 系统与环境系统与环境图1.1 系统分类隔离系统隔离系统无物质和能量交换无物质和能量交换9第9页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2 相相系统中任何物理和化学性质完全相同、均匀部分称为系统中任何物理和化学性质完全相同、均匀部分称为相。依据相概念，系统可分为：相。依据相概念，系统可分为：单相（均匀）系统单相（均匀）系统多相（不均匀）系统多相（不均匀）系统 相与相之间有明确界面相与相之间有明确界面。思索思索：1)101.325kPa，273.15K(0C)下，H2O(l),H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中相数为多少。2)CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g)并到达平衡系统中相数。10第10页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3 状态与状态函数状态与状态函数状态函数状态函数用于表示系统性质物理量用于表示系统性质物理量X 称状态函数，如气体压力称状态函数，如气体压力p、体积、体积V、温度、温度T 等。等。状态就是系统一切性质总和。有平衡和非平衡态状态就是系统一切性质总和。有平衡和非平衡态之分。之分。如系统宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。如系统宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。状态改变时，系统宏观性质也必定发生部分或全部改状态改变时，系统宏观性质也必定发生部分或全部改变。变。11第11页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页状态函数性质状态函数性质 状态函数是状态单值函数。状态函数是状态单值函数。当系统状态发生改变时，状态函数改变量只与系统始、当系统状态发生改变时，状态函数改变量只与系统始、末态相关，而与改变实际路径无关。（特点）末态相关，而与改变实际路径无关。（特点）图1.2 状态函数性质以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统状态函数压压力力p和体积体积V改变量与路径无关。系统压力从3p变为p12第12页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页广度性质和强度性质广度性质和强度性质状态函数可分为两类：状态函数可分为两类：广度性质：广度性质：其量值含有加和性，加和性，如体积、质量等。强度性质：强度性质：其量值不含有加和性，不含有加和性，如温度、压力等。特点特点：状态一定,状态函数一定。状态改变,状态函数也随之而变,且 状态函数改变值只与始态、终态 相关,而与改变路径无关。注意注意：摩尔体积(体积除以物质量)是什么性质物理量？13第13页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页4 过程与路径过程与路径 系统状态发生任何改变称为过程；系统状态发生任何改变称为过程；可逆过程可逆过程体系经过某一过程，由状态体系经过某一过程，由状态变到状态变到状态之后，假之后，假如经过逆过程能使体系和环境都完全复原，这么如经过逆过程能使体系和环境都完全复原，这么过程称为可逆过程。它是在一系列无限靠近平衡过程称为可逆过程。它是在一系列无限靠近平衡条件下进行过程。条件下进行过程。实现一个过程详细步骤称路径实现一个过程详细步骤称路径。思索思索：过程与路径区分。构想假如你要把构想假如你要把20 C水烧开，要完成水烧开，要完成“水烧开水烧开”这个过这个过程，你能够有各种详细程，你能够有各种详细“路径路径”：如能够在水壶中常压烧；：如能够在水壶中常压烧；也能够在高压锅中加压烧。也能够在高压锅中加压烧。14第14页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页5 化学计量数化学计量数普通用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒普通用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系，关系，通式为：通式为：B 称为B 化学计量数。符号要求符号要求：反应物：B为负；产物：B为正。没有量纲纯数附例附例1.1 应用化学反应统通式形式表示以下合成氨化学反应计量方程式：N2+3H2=2NH3解：解：用化学反应通式表示为：0=-N2-3H2+2NH315第15页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页6 反应进度反应进度反应进度反应进度 定义：定义：反应进度单位是摩尔反应进度单位是摩尔（mol），它与化学计量数选配相关。nB 为物质B物质量，d nB表示微小改变量。或定义思索思索：反应进度与化学反应方程式书写相关吗？相关。如对于反应：0=N2 3H2+2NH3，当有1mol NH3生成时，反应进度为0.5mol。若将反应写成则反应进度为1 mol。16第16页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.1.2 热效应及其测量热效应及其测量反应热指化学反应过程中系统放出或吸收热量。热反应热指化学反应过程中系统放出或吸收热量。热化学要求：系统放热为负，系统吸热为正。化学要求：系统放热为负，系统吸热为正。摩尔反应热指当反应进度为摩尔反应热指当反应进度为1 mol时系统放出或吸时系统放出或吸收热量。收热量。思索思索：反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者反应条件是恒容，后者反应条件是恒压。用弹式量热计测量反应热是定容反应热还是定压反应热？答：定容反应热答：定容反应热（等容）反应热可在弹式量热计中准确地测量。（等容）反应热可在弹式量热计中准确地测量。测量反应热是热化学主要研究内容。17第17页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1 反应热试验测量方法反应热试验测量方法设有n mol物质完全反应，所放出热量使弹式量热计与恒温水浴温度从T1上升到T2，弹式量热计与恒温水浴热容热容为Cs(JK-1)，比热容比热容为cs(JK-1kg-1)，则：因为完全反应，=n所以摩尔反应热：图1.3 弹式量热计18第18页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页示例示例 例例1.1 联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)已知：解解：燃烧：燃烧0.5g联氨放热为联氨放热为19第19页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2 热化学方程式热化学方程式 表示化学反应与热效应关系方程式称为热化学方程表示化学反应与热效应关系方程式称为热化学方程式。其标准写法是：式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出对应先写出反应方程，再写出对应反应热，二者之间用分号或逗号隔开反应热，二者之间用分号或逗号隔开。比如：。比如：标明反应温度、压力及反应物、生成物标明反应温度、压力及反应物、生成物 量量和状态；和状态；书写热化学方程式时应注意：书写热化学方程式时应注意：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)；2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；若不注明若不注明T,p,皆指在皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。下。20第20页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页 反应热与反应式化学计量数相关；反应热与反应式化学计量数相关；普通标注是等压热效应普通标注是等压热效应qp。思索思索：qp与qv相同吗？。不相同不相同2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)；qp,m=-285 kJmol-121第21页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.2 反应热与焓反应热与焓 并不是全部反应热都能够试验测定。比如反应：2C(s)+O2(g)=2CO(g)为何上述反应反应热无法试验测定？试验过程中无法控制生成产物完全是试验过程中无法控制生成产物完全是CO。所以，只能用理论方法来计算反应热。22第22页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.2.1 热力学第一定律热力学第一定律封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热收热q，从环境得功从环境得功w，则系统内能增加，则系统内能增加U(U2 U1)为：为：U=q+w热力学第一定律实质是能量守恒定律在热力学中应用。其中，内能现称为热力学能。23第23页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1 热力学能热力学能系统内部运动能量总和。内部运动包含分子平动、系统内部运动能量总和。内部运动包含分子平动、转动、振动以及电子运动和核运动。转动、振动以及电子运动和核运动。思索思索：一样物质，在相同温度和压力下，前者放在10000m高空，以400m/s飞行飞机上，后者静止在地面上。二者内能相同吗？相同。相同。内能特征：内能特征：状态函数状态函数 无绝对数值无绝对数值 广度性质广度性质因为分子内部运动相互作用十分复杂，所以当前尚无法测定内能绝对数值。24第24页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2 热热在物理或化学改变过程中，系统与环境存在物理或化学改变过程中，系统与环境存在温度差而交换能量称为热。在温度差而交换能量称为热。热符号要求：热符号要求：系统吸热为正，系统放热为负。系统吸热为正，系统放热为负。热量热量q不是状态函数不是状态函数25第25页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3 功与体积功功与体积功在物理或化学改变过程中，系统与环境除热以外在物理或化学改变过程中，系统与环境除热以外方式交换能量都称为功。方式交换能量都称为功。功符号要求：功符号要求：（注意功符号要求尚不统一）（注意功符号要求尚不统一）系统得功为正，系统作功为负。系统得功为正，系统作功为负。因为系统体积发生改变而与环境所交换功称为体积因为系统体积发生改变而与环境所交换功称为体积功功w体体。全部其它功统称为非体积功。全部其它功统称为非体积功w。功功w也不是状态函数也不是状态函数思索思索：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2)钢瓶中；将理想气体温度提升20C时，是否做了体积功？1)1)做体积功，做体积功，2)2)未做体积功。未做体积功。w=w体体+w 26第26页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页一封闭系统，热力学能一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热，从环境吸收热q，得功，得功w，变到状态，变到状态2，热力学能，热力学能U2，则有：，则有：U1U2q 0w 0U=q+w27第27页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页4 体积功体积功w体体计算计算等外压过程中，体积功等外压过程中，体积功w体体=p 外外(V2 V1)=p外外V pp外外=F/Al p外=F/A，l=V/A，所以，体积功w体体=F l =(p外 A)(V/A)=p外 V 图1.4 体积功示意图28第28页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页5 理想气体体积功理想气体体积功依据理想气体状态方程依据理想气体状态方程：附例附例1.2 1 mol理想气体从始态100kPa,22.4dm3经等温恒外压p2=50kPa膨胀到平衡，求系统所做功。解解：终态平衡时体积为：终态平衡时体积为：负值表示系统对外做功。负值表示系统对外做功。29第29页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.2.2 化学反应反应热与焓化学反应反应热与焓通常把反应物和生成物含有相同温度时，系统吸收或通常把反应物和生成物含有相同温度时，系统吸收或放出热量叫做反应热。放出热量叫做反应热。依据反应条件不一样，反应热又可分为：依据反应条件不一样，反应热又可分为：定容反应热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，qV=U 定压反应热定压反应热恒压过程，不做非体积功时，w体=p(V2V1)，所以qp=U+p(V2V1)这就说明了这就说明了qp与与qv不一样，二者间差一相体积功。不一样，二者间差一相体积功。30第30页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1 焓焓 qP=U+p(V2 V1)=(U2-U1)+p(V2 V1)=(U2+p 2V2)(U1+p 1V1)公式公式qp=H 意义：意义：等压热效应即为焓增量，所以能够经过等压热效应即为焓增量，所以能够经过H计算求出计算求出qP 值。值。令令 H U+p V则则qp=H2 H1=HH 称为焓，是一个主要热力学函数。称为焓，是一个主要热力学函数。思索思索：焓是状态函数吗？能否知道它绝对数值？是状态函数，但不能知道它绝对数值。是状态函数，但不能知道它绝对数值。31第31页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2 定容反应热与定压反应热关系定容反应热与定压反应热关系已知定容反应热：qV=U；定压反应热：qp=Up+p(V2 V1)等温过程，Up UV，则：qp qV=n2(g)RT n1(g)RT=n(g)RT对于理想气体反应，有：对于有凝聚相参加理想气体反应，因为凝聚相相对气相来说，体积能够忽略，所以在上式中，只需考虑气体物质量。H U=qp qV=p(V2 V1)思索思索：若反应 C(石墨)+O2(g)CO2(g)qp,m为393.5kJmol 1，则该反应qV,m 为多少？该反应该反应n(g)=0，qV=qp 所以所以对于没有气态物质参加反应或对于没有气态物质参加反应或n(g)0反应，反应，qV qp对于有气态物质参加反应，且对于有气态物质参加反应，且n(g)0反应，反应，qV qp32第32页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3 盖斯定律盖斯定律 化学反应恒压或恒容反应热只与物质始态或终态相化学反应恒压或恒容反应热只与物质始态或终态相关而与改变路径无关。关而与改变路径无关。始态始态C(石墨石墨)+O2(g)终态终态CO2(g)中间态中间态CO(g)+O2(g)即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。33第33页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页盖斯定律示例盖斯定律示例由盖斯定律知：若化学反应能够加和，则其反应热也能由盖斯定律知：若化学反应能够加和，则其反应热也能够加和。够加和。附例附例1.3 已知反应和反应焓，计算反应焓，解：解：34第34页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.2.3 反应标准摩尔焓变反应标准摩尔焓变1 热力学标准态热力学标准态：气体物质标准态：标准压力p 下表现出理想气体性质纯气体状态溶液中溶质B标准态是:标准压力p 下，质量摩尔浓度为b (1.0mol.kg-1),并表现出无限稀溶液中溶质状态;本书采取近似c =1.0 mol.dm-3)液体或固体标准态是:标准压力p 下纯液体或纯固体。35第35页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓指定单质通常通常指标准压力和该温度下最稳定单质。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l)等。但但P为白磷(s)，即P（s，白）。298.15K时数据能够从手册上查到。（附录3 p357）思索思索：以下哪些反应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)要求：标准态指定单质标准生成焓为要求：标准态指定单质标准生成焓为0 0。生成焓负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。生成焓负值越大，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量纯物质标准状态时由指定单质生成单位物质量纯物质B时反时反应焓变称为标准摩尔生成焓，记作应焓变称为标准摩尔生成焓，记作 。36第36页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3 标准摩尔焓变及测定标准摩尔焓变及测定测定原理：测定原理：因为因为qp=H所以能够经过在标准状态下测定恒温恒压条件所以能够经过在标准状态下测定恒温恒压条件下反应热得到反应标准摩尔焓变下反应热得到反应标准摩尔焓变.标准状态下标准状态下,反应进度反应进度 =1mol1mol焓变称为反应标准摩焓变称为反应标准摩尔焓变尔焓变:记作记作37第37页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页4 反应标准摩尔焓变计算反应标准摩尔焓变计算稳定单质稳定单质可从手册数据计算可从手册数据计算298.15K时标准摩尔反应焓时标准摩尔反应焓.反应物反应物标准状态标准状态生成物生成物标准状态标准状态 r Hm f Hm(p)f Hm(r)由盖斯定律，得：由盖斯定律，得：=产 反 即即：38第38页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页标准摩尔反应焓变计算示例标准摩尔反应焓变计算示例解解：从手册查得298.15K时Fe2O3和Al2O3标准摩尔生成焓分别为824.2和1675.7kJmol-1。例例1.4 试计算铝热剂点火反应反应计量式为：39第39页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页注意事项注意事项 物质聚集状态，查表时仔细物质聚集状态，查表时仔细应用物质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公式中化学计量数与反应方程式相符 数值与化学计量数选配相关；数值与化学计量数选配相关；温度影响温度影响40第40页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页附例附例1.4 设反应物和生成物均处于标准状态，计算1mol乙炔完全燃烧放出能量。解：从手册查得298.15K时，各物质标准摩尔生成焓以下。226.73 0 -393.509 -285.8341第41页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.3 能源合理利用能源合理利用 能源是自然界中为人类提供能量物质资源。能源是自然界中为人类提供能量物质资源。能源是当今社会三大支柱（材料、能源、信息）能源是当今社会三大支柱（材料、能源、信息）之一。之一。能源是我们赖以生存主要物质基础。能源是我们赖以生存主要物质基础。42第42页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.3.1 煤炭与洁煤技术煤炭与洁煤技术注意注意：我国能源结构特点：我国能源结构中，煤炭占据主要地位：占总能量我国能源结构中，煤炭占据主要地位：占总能量70%以上。另外，我国也是世界上煤炭储量最大国家，所以上。另外，我国也是世界上煤炭储量最大国家，所以，怎样高效、科学、清洁地利用煤炭资源是我国能以，怎样高效、科学、清洁地利用煤炭资源是我国能源科学和研究中主要课题。源科学和研究中主要课题。我国煤炭一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中二氧化硫是造成酸雨主要原因。43第43页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页洁净煤技术洁净煤技术洁净煤技术于1986年由美国率先提出，现已成为处理环境和能源问题主导技术之一。煤煤甲醇合成汽油液体燃料(新型液态燃料)44第44页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.3.2 石油和天然气石油和天然气 石油石油石油是各种烃类混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少许含氧、含硫有机物。问题问题：世界原油储量最大地域在哪儿？我国原油产地在哪儿？世界原油储量最大地域是中东。我国原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省大庆油田、新疆克拉玛依油田和山东省胜利油田是中国三大油田）。45第45页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页天然气天然气是低级烷烃混合物，主要成份是甲烷，常与石油伴生。天然气优点：天然气优点：可直接应用 易于管道输送 污染少46第46页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.3.3 氢能和太阳能氢能和太阳能氢能氢能热值高；点火轻易；水原料充分；洁净能源热值高；点火轻易；水原料充分；洁净能源太阳能光解水；太阳能光解水；LaNi5氢气制取和储存氢气制取和储存太阳能：天然核聚变能。太阳能：天然核聚变能。47第47页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页本章小结本章小结了解若干热力学基本概念（如状态函数、热力学标了解若干热力学基本概念（如状态函数、热力学标准态、反应进度、焓等）和定容热效应准态、反应进度、焓等）和定容热效应q测定测定;了解热化学定律及其应用；掌握反应标准摩尔焓变了解热化学定律及其应用；掌握反应标准摩尔焓变近似计算；近似计算；了解能源概况和我国能源特征，及可连续发展战略。了解能源概况和我国能源特征，及可连续发展战略。48第48页首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页学习要求学习要求：了解定容热效应(qv)测量原理。熟悉qv试验 计算 方法。了解状态函数、反应进度、标准状态概念和热化学定律。了解等压热效应与反应焓变关系、等容热效应与热力学能变关系。掌握标准摩尔反应焓变近似计算。了解能源概况，燃料热值和可连续发展战略。49第49页