化学反应热.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第一章,化学热力学,1/66,2,许多反应我们能够看得到，,4Fe+3O,2,=,2Fe,2,O,3,Pb(NO,3,),2,+2KI,=,PbI,2,+2KNO,3,Mg+CO,2,=,MgO+CO,如：,2/66,3,有反应难以看得到：,Pb,2+,+EDTA,=,Pb-EDTA,有反应式能够写出来，却不知到能否,Al,2,O,3,+3CO,=,2Al+3CO,2,这就需要了解化学反应基本规律。,热力学,研究化学改变和相改变过,发生？,其中最主要是化学热力学。,程中能量转换规律科学。,3/66,4,第一章 化学热力学,本章内容：,1.1基本概念；,1.2热力学第一定律；,1.3化学反应热效应,1.4,化学反应方向,1.5,化学平衡,教学目标：,1.掌握,系统,、,环境,、,内能,、,功,、,热,、,状态,、,状态函数,、,热力学标准态,、,恒容反应热,、,恒压反应热,、,标准生成焓,等基本概念；,2.熟悉,热力学第一定律,；,3.掌握,化学反应标准焓变计算方法,。,4/66,5,1.1.1 系统（体系）和环境（外界）,系统:,为了明确研究对象，,人为地,将一部分物质与其余物质分开，被划定研究对象称为系统；,环境:,系统之外，与系统亲密相关，影响所能及部分称为环境（大学物理学中多称外界，但在化学书中多称环境）。,1.1 几个基本概念,5/66,6,按照系统和环境之间,物质,和,能量交换,情况，通常可将系统分为以下三类:,环境,系统,物质交换,能量交换,封闭系统,敞开系统,孤立系统,系统分类,6/66,7,封闭系统,三种热力学系统：,孤立系统,敞开系统,7/66,8,思索：,若将化学反应（包含作用物和产物）作为研究对象，应该属于什么系统？,注意:在研究化学反应时，不加特殊说明，都是按封闭体系处理。,8/66,9,系统中任何物理和化学性质完全相,相与相之间有明确界面。,相：,比如：,H,2,OCCl,4,同部分。,水,冰,汽,油,-,水界面亦如此。,粉末颗粒间亦有界面。,9/66,10,气态：只有一个相，单相体系；,液态：纯液体单相；两种或两种以上液态组分，看其是否互溶，互溶为一相，不互溶为不一样相。,固态物质：有几个纯固态，便有几个相。,10/66,11,辨明：,相和态是两个不一样概念，态是指物质聚集状态，如上述由乙醚和水所组成系统，只有一个状态,液态，却包含有两个相。,11/66,12,H,2,H,2,S,CO,2,粉笔灰,石灰,冰,水,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,冰水,-,-,-,-,水蒸气,油,水,糖,冰,饱和糖水,-,-,-,-,-,水蒸气,例：,12/6613,状态,:,系统状态：就是,系统宏观性质,（比如压力、温度、体积、能量、密度、组成等）综合表现。或者说系统宏观性质总合确定了系统状态,当这些性质有确定值时，体系就处于一定状态;当体系某一个性质发生改变时，体系状态也随之改变。,1.1.2 状态与状态函数,13/66,14,状态函数,:,用来描述系统宏观状态物理量,(,如温度、压力、体积、内能、焓等）,称为状态函数。,状态函数改变值只决定于系统始态和终态，与改变路径无关。,14/66,15,体系,状态函数性质,分为两类：,1,容量性质,数值大小与体系中,物质数量,相关，含有,加和性,。如体积质量、焓、熵等。,2,强度性质,数值大小,不随体系中物质数量改变而改变，,它仅取决于体系本身性质，如,温度、浓度,。,15/66,16,状态函数特征：,（,1,）状态,状态函数值,(2),在系统状态改变时，状态函数改变量只与系统始、末态相关而与过程无关。,途 径,1,途 径,2,即：,X,=,X,2,-X,1,16/66,17,过程与路径,体系状态发生改变经过称为,过程,。而完成这个过程详细步骤称为,路径,。,定温过程,：始态、终态温度相等，而且过程中一直保持这个温度。,T,1=,T,2,定压过程,：始态、终态压力相等，而且过程中一直保持这个压力。,p,1=,p,2,定容过程,：始态、终态容积相等，而且过程中一直保持这个容积。,V,1=,V,2,17/66,18,热和功,热和功是体系,状态改变,时与环境进行,能量传递,两种形式。,热,是系统与环境因,温度,不一样而传递,能量。,符号：,Q,，,系统,放热,：,Q,0,；,Q,不是状态函数；,单位：,J,或,kJ,；,18/66,19,*,功,系统与环境交换能量另一个形式,功,功分为：,体积功,W,(,W,=,-,P,V,),；,非体积功,W,。,单位：,J,或,kJ,。,W,不是状态函数；,系统对环境,作功,:,W,0,。,19/66,20,总结：,热和功都是体系与环境间被传递能量，只有在体系发生改变时才表现出来。在给定体系始态和终态时，热和功数值与体系改变所经过路径相关。,所以热和功不是状态函数；,能量单位：焦,J,，千焦,KJ,20/66,21,练习：,1,判断以下说法正确是否：,(1),热和功区分在于热是一个传递中能量，而功不是。,(2),物体温度越低，表明物体所含热量越少。,(3),体系状态不变，其状态函数也不变，但体系状态函数改变，体系状态不一定随之改变。,(4),体积和温度均是体系状态函数，都含有容量性质。,(5),功和热都是能量传递形式，所以都是体系状态函数。,21/66,22,化学反应,中质量守恒定律,“,在化学反应中，质量既不能创造，,也不能毁灭。只能由一个形式转,变为另一个形式。,”,通惯用,化学反应计量方程,表示这种关系。,通式：,B,称,化学计量数,。,0=,B,B,B,22/66,23,以合成氨反应为例：,N,2,+3H,2,2NH,3,可写为：,0=,-,N,2,-,3H,2,+2NH,3,即：,N,2,+3H,2,=,2NH,3,对于普通反应：,aA+bB,=,gG+dD,其化学反应计量方程为,：,0=,B,B,B,其中,B,符号：,反应物,为,负,；,生成物,为,正,23/66,24,化学反应计量式和反应进度,物质,B,化学计量数,化学反应计量式：,A,=,a,，,B,=,b,，,Y,=y,，,Z,=z,。,反应进度：,单位是,mol,24/66,25,t,0,时,n,B,/mol,3.0 10.0 0 0,t,1,时,n,B/mol,2.0 7.0 2.0,t,2,时,n,B,/mol,1.5 5.5 3.0,25/66,26,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),26/66,27,由反应进度定义能够看出以下几点：,（1）对于指定化学反应方程式，,B,是定值，,随,B,物质量,改变而改变，所以用反应进度（,）,能够度量化学反应进行,程度。,（2）因为,B,量纲为1，单位为,mol，,所以单位应是,mol。,（3）,对于同一反应方程，能够写出,不论以那一参加反应物质为标准都是一样。,（4）对于指定化学反应方程式，当数值等于,B,时，则,=1,mol。,这就是我们前面提到,1,mol,反应,。它表示各物质按化学反应方程式进行了完全反应。如对于反应,2N2H4（l）+N2O4（g）=3 N2（g）+4H2O（g）,27/66,28,能量守恒定律:,在任何过程中（当然也包含化学反应）能量不会自生自灭，只能从一个形式转化为另一个形式，在转化过程中能量总值不变，这就是能量守恒定律。,热力学第一定律,28/66,29,热力学第一定律,：,将能量守恒定律应用于热力学就是热力学第一定律。在化学热力学中，研究是宏观静止系统，不考虑系统整体运动动能和系统在外力场（如电磁场、离心力场等）中位能，,只着眼于系统热力学能,（内能）。,29/66,30,*,热力学能,即,内能,系统内部能量总和,。,符号：,U,，,其值与,n,成正比。,无绝对数值；,U,是状态函数；,单位,：,J,或,kJ,。,热力学能,平动能,转动能,分子间势能,电子运动能,核内基本粒子间核能,振动能,原子间键能,30/66,31,变到状态,2,热力,学能,U,2,Q,0,W,0,U,=,Q+W,热力学第一定律数学表示式,从环境吸,收热,Q,，,一,封闭系统,，热力学能,U,1,，,对环境做功,W,，,则有：,31/66,32,经典例题：,例将,5g,液态乙醇在常压下加热，使其完全蒸发后，测得其体积为,3.03 L,，蒸发中乙醇共吸收热量,4.268KJ,，求乙醇由液态到气态时内能改变。,解答,乙醇由液态变为气态时吸收能量，体积发生改变，对外做膨胀功：,W=-PV,-P(V2-V1)=PV2=-1x 3.03,3.03(atm.L),-3.030.1013,-0.307(KJ),式中,V2,为乙醇蒸气体积；,Vl,为乙醇液体体积；,Vl,与,V2,相比较忽赂不计。,所以,U=Q+W,4.268-0.307,3.96(KJ),计算表明：此时,5g,乙醇蒸气内能较其液态时增加了,3.96KJ,。,32/66,33,化学知识小百科,古罗马一支庞大舱队出海远征，船队驶近西亚沿海，突然一艘最大给养船上冒出了滚滚浓烟。远征战船队只好收帆转舵，返航。事后调查无人放火。,1981,年,6,月,9,日，一艘巴拿马货轮,塞尼克斯,艾斯,”,号驶进印度东海一个港口。当打开开船舱时，从舱内冲出一股灼人热浪：装载半成品多孔铁粒,(,作为炼钢用,),正在燃烧。留在船舱内,500,吨铁粒继续燃烧了近一个月，极难阻止这种自燃现象。,我国也有类似事件发生。有一列货车行驶时，列车中部一车厢白糖突然起火，损失,2,万多元。经调查才知道是白糖自己燃烧起来。,奇怪自燃和爆炸,有些东西像面粉、粮食、淀粉、糖、煤、棉花、纯铁颗粒等，在仓库储备或在火车、轮船运输过程中，有时会突然燃烧起来，甚至发生大爆炸。,33/66,34,这些奇怪燃烧和爆炸是怎么回事呢,?,罗马给养船这桩历史奇案，还是后代科学家研究找出了起火原因。原来，给养船底舱里堆着严严实实草，密不通风,草发生氧化，放出热来。热散不出去，温度越来越高终于到达草燃点，于是草就自发地着火，这种现象叫自燃。,梅茨粮食仓库爆炸，据调查，,“,凶手,”,是仓库里粮食粉尘,。,危险分子,粉尘,化学知识小百科,34/66,35,燃烧要有两个条件：,一是温度要到达这种物质燃点二是外界要有充分空气供给。,成堆粮食、成包面粉、整块煤块，它们只有最外一层和空气接触，从整个物体来说，同空气接触是比较小不轻易燃烧。然而粮食和面粉粉尘却大不相同，它们体积很小，而且每一粒粉尘表面都同空气充分接触。当粉尘在空气中形成悬浮状态，到达一定含量时，任何一个微小火种也会将它点着并使室内,(,有限空间,),空气温度由窒温一下于升到几baidu以上。这时候，空气便会急剧地膨胀起来，引发猛烈爆炸。,不一样粉尘在空气中引发爆炸最低密度是不一样。淀粉和硫磺微尘，在每升空气中含量只要超出,7,毫克遇火就会爆炸；面粉、糖粉爆炸极限为每升,l0,毫克；煤粉爆炸极限为每升,17,毫克。,燃烧条件,化学知识小百科,35/66,36,化学反应反应热,化学反应系统与环境进行能量交换,主要形式是,热,。,通常把,只做体积功,，且,始态和终态含有相同温度,时，系统吸收或放出,热量,叫做,反应热,。,依据反应条件不一样，反应热又可,分为,：,36/66,37,V,2,=,V,1,V,=,0,UQ,+,W,U,=,Q,-,PV,=,Q,V,定容过程反应热,Q,V,1,式中,Q,v,就是等容反应热，左下脚标字母,v,表示等容过程。,式（1.2）表明，,等容反应热全部用于改变系统内能。,37/66,38,定压过程反应热,Q,P,2,因为,P,2,=,P,1,=,P,U,=,Q,-,PV,Q,P,=,U,+,PV,在等压，不作有用功,条件下，,38/66,39,上式可化为：,Q,P,=,（,U,2,-,U,1,）,+,P,（,V,2,-,V,1,）,即：,Q,P,=,（,U,2,+,P,2,V,2,）,-,（,U,1,+,P,1,V,1,）,焓,3,此时，令,：,H,=,U,+,PV称：,焓,则：,Q,P,=,H,2,-,H,1,=,H,39/66,40,H,是状态函数,U、P、V,组合，所以焓,H,也是状态函数。,式（1.4）中,H,是焓改变量，称为焓变。,今后我们提到化学反应热，不加特殊说明都指等压反应热。,40/66,41,依据,Q,符号要求，有：,H,0,Q,P,0,Q,P,0,定压反应系统,吸热,。,H,是状态函数；,无绝对数值；,其值与,n,成正比。,单位：,J,或,kJ,。,41/66,42,因为等压反应热,H,与路径无关，所以我们能够用易测反应热来求算难测反应热。,例 1.1 在等温,T,、,压力,p,及非体积功,W,有,条件下，要试验测得反应,C+1/2O,2,=CO,反应热是很困难。因为无法确保只生成,CO，,而没有,CO,2,生成。但我们能够设计以下反应，以下列图所式：,42/66,43,rHm.3,始态,C（s）+O,2,（g）,终态,CO,2,（g）,CO（g）+1/2O,2,（g）,rHm.1,rHm.2,因为,H,与路径无关，故有：,rHm,1,rHm,2,+,rHm,3,式中下脚标,r,表示是化学反应，,m,表示是1,mol,反应（,1,mol,反应,简单了解为按所给反应方程式进行反应）。,43/66,44,在100,kPa,和298,K,下，已经测得反应（1）和反应（3）等压反应热（这应是能够做到）分别是,（1）,C（s）+O,2,（g）CO,2,（g）,r,H,m1,=-393.5kJ,mol,-1,（3）CO（g）+O,2,（g）CO,2,（g）,r,H,m3,=-283.0kJ,mol,-1,所以反应（2）,C（s）+O,2,（g）CO（g）,r,H,m，2,r,H,m，1,-,r,H,m，3,-393.5kJ,mol,-1,-（-283.0kJ,mol,-1,）,-110.5 kJ,mol,-1,。,44/66,45,化学反应反应热（在,恒压或恒容条件下）只与物质始态或,终态相关而与改变路径无关。,盖斯定律,1,45/66,46,将上式写成通式：,依据盖斯定律，,若化学反应能够加和，则其反应热也能够加和。r,H=,i,r,H,i,利用盖斯定律:可由分步反应,rHmi,，,求总反应,rHm,；,也能够从已知,n-,1,反应（,n,是总反应和全部分步反应数总和），求另一个未知反应,rHm,。,46/66,47,例1.2试求以下反应,（1）,CO（g）+H,2,O（g）=CO,2,（,g,）+H,2,（g）,在298,K，100Kpa,条件下反应热是多少（该反应是工业制氢主要反应）？已知以下反应在298,K，100KPa,时,r,H,为,（2）,C（,石墨,）+,O,2,（,g,）=CO（,g,）,r,H,=-110.5 kJ,mol,-1,（3）H,2,（g）+O,2,（g）=H,2,O（g）,r,H,=-242kJ,mol,-1,（4）C（,石墨）+,O,2,（g）=CO,2,（g）,r,H,=-393.5kJ,mol,-1,47/66,48,解：从分析四个反应可知，（4）-（2）（3）=（1）,代入相关数据，可得反应（1）,r,H,m,=-41 kJ,mol,-1,。,在进行反应热计算时，要说明反应温度、压力以及物质聚集状态等。这是因为化学反应中能量改变受许多条件影响,（如温度、压力、聚集态、浓度等），所以为了比较方便，国际上要求了物质标准条件。,48/66,49,热力学关于标准态要求,（,1,）,气体,物质,标准态,是在,标准压力,(,p,=,100.00,kPa,),时,(,假想,),理想气体状态,;,（,2,）,溶液,中溶质,B,标准态是,:,在,标准压力,p,时标准质量摩尔浓度,b,=1.0,mol,.,kg,-1,并表现为无限稀薄溶液时溶质,B(,假想,),状态,;,（,3,）,液体,或,固体,标准态,是,:,在,标准压力,p,时,纯液体或纯固体。,49/66,50,注意：,标准态,只要求了标准压力 而没有限定温度,。所以，在不一样温度下就有不一样标准态。不过通常从手册或专著查到相关热力学数据普通都是298.15,K,时数据。,50/66,51,在标准态时，化学反应热（严格讲应是恒压反应热）用,rH,m,表示。下标,“,r,”,表示反应，,“,”,表示标准态m,”,表示进行1,mol,反应。本书所用数据如不加以说明，普通都是,T298K,时数据，此时温度就不标明了。标态下化学反应热（即反应标准焓变）既可,经过试验测得,，也能够利用单质和化合物,标准（摩尔）生成焓,来计算。,51/66,52,因为,Q,P,=,H,所以恒温恒压条件下,反应热可表示为反应,焓变,:,r,H,(,T,);,反应系统为,1,mol,反应,时,反应热,称为反应,摩尔焓变,:,r,H,m,(,T,),；,在,标准状态,下摩尔焓变称,反应,标准摩尔焓变,:,r,H,m,(,T,),标准摩尔焓变,2,52/66,53,标准摩尔生成焓,：就是在,一定温度、标态下,，由,最稳定单质,（这里人为地要求最稳定单质,f,H,m,=0）,生成单位物质量纯物质,时反应焓变称为该物质标准（摩尔）生成焓，以符号,f,H,m,表示。惯用单位是,kJ,mol,-1,。,53/66,54,标准生成焓意义及应用,依据,f,H,m,代数值，能够比较同类型物质稳定性，,f,H,m,越小，物质越稳定。,化合物标准生成焓并不是化合物绝对值，它是相对于合成它参考态单质相对值。,生成,1mol,该物质,区分,r,Hm,和,f,Hm,：,前者针对一个化学反应而言，而后者是由一个反应焓变得出一物质性质。二者有本质不一样。,54/66,55,其中,C,(,石,),为碳参考态元素,O,2,(g),为氧,参考态元素,此反应是,生成反应,。所以,此,反应焓变,即是,CO,2,（,g,）,生成焓：,比如,:,C,(,石,),+O,2(g),CO,2(g),r,H,m,(,T,),r,H,m,(,T,),=,f,H,m,(,CO,2,g,T,),55/66,56,同素异构体:对于某种单质有几个不一样同素异构体，当它本身结构改变时，也会产生热效应。比如在标准条件下石墨和金刚石，石墨是最稳定单质。当石墨转化为1,mol,金刚石时需要吸收1.91,kJ,热量，即,C（,石墨）,C（,金刚石）,f,H,m,（,金刚石）=1.91,kJ,mol,-1,最稳定单质石墨,f,H,m,=0,56/66,57,以乙炔完全燃烧反应为例,:,C,2,H,2,（,g,）,+,5/2,O,2,（,g,）,2CO,2,（,g,）,+H,2,O,（,l,）,标准摩尔焓变计算,4,r,H,m,(,T,)=,B,B,f,H,mB,(,T,),57/66,58,如：,f,H,m,(,O,2,g,)=0,注,意,(298.15,K,),是热力学基本数,据，可查表。单位：,kJ,.,mol,-1,f,H,mB,1,r,H,m,(T),r,H,m,(298.15,K,),；,2,C,（石）,、,H,2,（,g,）,、,O,2,（,g,）,皆为参考态,元素。,参考态单质标准摩尔生成焓,为零,。,3,因为,f,H,mB,与,n,B,成正比,，,在进行计算 时,B,化学计量数,B,不可忽略。,4,58/66,59,例题：计算乙炔完全反应标准摩尔焓变。,C,2,H,2,（,g,）,+5/2O,2,（,g,）,2CO,2,（,g,）,+H,2,O,（,l,）,解：,f,H,mB,（,T,）,226.73 0,393.51,285.83,r,H,m,(,T,)=,B,B,f,H,mB,(,T,),依据,:,r,H,m,(,T,),=,2(-393.51)+(-285.83)kJ,mol,-1,+(-226.73,）,kJ,mol,-1,=,-1299.58kJ,mol,-1,59/66,60,因为煤中含有,S，,所以在烧煤时会产生SO,2，,或,SO,3,，,而造成环境污染（形成酸雨），治理硫氧化物污染可利用以下反应。,例1.4 试计算反应,SO,3,（g）+CaO（s）CaSO,4,（s）,标准焓变,f,H,m,/kJ,mol,-1,-395.7,635.1 -1434.1,则有,r,H,m,=（-1434.1+395.7+635.1）kJ,mol,-1,=-403.3 kJ,mol,-1,例15 试计算反应,2,NO（g）N,2,（g）+O,2,（g）,标准焓变,f,H,m,/,kJ,mol,-1,180.5 0 0,则有,r,H,m,=-180.5 kJ,mol,-1,60/66,61,请课下计算该试验反应热,61/66,62,下面请同学们经过计算说明，氧乙炔焰能够用于金属焊接和切割？,经过上述计算可知，反应,C,2,H,2,(g)+5/2O,2,(g)=2CO,2,(g)+H,2,O(g),反应热为,-1452.3,KJ，,若将其反应热除以乙炔摩尔质量，则得每克乙炔燃烧发烧量为49.945,KJ,mol,-1,，,发烧量很大，燃烧火焰温度可达30003100,所以能够用来焊接金属和切割金属.,铝热剂能使铁融化，用于钢轨焊接就是因为反应热很大。用该反应还能够做成铝热剂燃烧弹。,62/66,63,2.,在计算化学反应热时，应注意以下几点：,（1）必须注明参加反应物质所处状态：,g（,气态），,l（,液态），,s（,固态），,aq（,水溶液）。对于同质异晶物质还必须注明晶型（如对于碳来说，是石墨、金刚石还是球碳等。,（2）因为内能（,U）,和焓（,H）,与物质量成正比，所以必须依据配平化学方程式来计算,U,和,H,。,（3）,正反应,U,，,H,与逆反应,U,，,H,数值相等而符号相反。,（4）化学反应,H,普通随温度（,T,）,而改变，但改变不大能够不考虑温度对,H,影响。后面如不加特殊说明，都按此处理。为了简化书写，对于与温度相关热力学量（如,H,及后面要提到熵,S,等），,如不标明温度，均指温度为298,K。,63/66,64,课堂练习,1,、在标准态要求中，下述表示不正确是,(,),A,、标准压力,P,=100.00KPa,B,、,T,=298.15K,C,、,b,=1.00 mol,kg-1,D,、纯固体或纯液体处于标准压力。,64/66,65,2,、,在标准条件下，以下反应式中能表示,CO2,fH,m(298.15K),反应式为,(,),A,、,C(,金刚石,)+O2(g)=CO2(g),B,、,C(,石墨,)+O2(g)=CO2(g),C,、,CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g),D,、,CO2(g)=CO(g)+1/2O2(g),3,、已知以下反应在一定温度下热效应,:,4Fe,2,O,3,(s)+Fe(s)=3Fe,3,O,4,(s),r,H,m,=-74 kJ,mol-,1,4Fe(s)+3O,2,(g)=2Fe,2,O,3,(s),r,H,m,=-1664kJ,mol,-1,则可计算出,Fe,3,O,4,(s),标准摩尔生成焓等于,(,),65/66,66,4,以下物质中,f,H,m,不等于零是,(,),A,、,Fe(S),B,、,C(,石墨,),C,、,Ne(g),D,、,Cl,2,(l),66/66,