化学反应中的质量关系和能量关系xinPPT课件

1、 第二章 化学反应中的质量和能量关系化学反应过程中伴随有两种变化 质量 能量-重点第1页/共58页化学反应过程 化学反应是反应物分子中旧键的削弱、断裂和产物分子新键形成的过程。 旧键的削弱、断裂需要吸收能量;新键形成则会释放能量。 伴随有能量的吸收或释放。第2页/共58页如： 煤燃烧时放热； 碳酸钙分解要吸热； 原电池反应可产生电能； 电解食盐水要消耗电能； 镁条燃烧时会放出耀眼的光； 叶绿素在光作用下使二氧化碳和水转化为糖类。第3页/共58页1、理想气体状态方程式 理想气体: 无体积，分子间无相互吸引力的气体。 *低压、高温条件下的实际气体性质接近理想气体分子间距离大（分子体积可忽略，分子间

2、相互作用可忽略）。 第4页/共58页理想气体状态方程理想气体状态方程实验测知实验测知1mol1mol气体在标准状况下的体积为气体在标准状况下的体积为22.41422.4141010-3-3m m3 3, ,则则 第5页/共58页101.325103Pa22.41410-3 m31mol273.15KR= pV/nT= 8.3144 Pam3mol-1K-1= 8.3144 Jmol-1K-1第6页/共58页理想气体状态方程式 PV = nRT *R值的选取与P，V的单位有关 第7页/共58页R与P、V单位的关系P的单位 V的单位 R的单位 Pa m3 8.314 m3 Pa mol-1 K-1

3、 kPa L 8.314 L kPa mol-1 K-1 R = 8.314 J mol-1 K-12; 1N/m2 = 1 Pa 1atm = 101.3 kPa m3 Pa = L kPa = m3 1N/m2 =1N m = 1J第8页/共58页2、实际气体状态方程式 P + a(n/V)2(V-nb)=nRT第9页/共58页3、混合气体的分压定律 P总=p1+p2+p3+.+pi =pi * pi 指混合气体中每一种气体单独占有整个混合气体的容积所呈现的压力。 * 混合气体-每一种气体所占有的容积相同，温度相等。第10页/共58页推导 PiVi=niRTi P1V1 +P2V2 +P3

4、V3 +PiVi = n1RT1+n2RT2+ n3RT3+.+niRTi 因是混合气体， V1 =V2 =V3 =Vi =V T1=T2= T3=.=Ti=T(P1 +P2 +P3 +Pi）V =（n1+n2+ +.+ni）RT n总= n1+n2+ n3+.+ni 所以 P总 =P1 +P2 +P3 +Pi第11页/共58页等式成立的条件 气体间无化学反应 理想气体 容积相同，温度相等或混合气体 第12页/共58页分体积、体积分数、摩尔分数 混合气体总体积（VT）等于各个组分气体分体积（Vi）之和。 VT = V1 + V2 + + Vi*分体积：相同的温度，相同压力时所占的 体积 体积分

5、数：Xi=Vi / VT 摩尔分数: X= ni/n第13页/共58页混合体积如如 组分气体组分气体B的物质的量为的物质的量为nB 混合气体的物质的量为混合气体的物质的量为n n 混合气体的体积为混合气体的体积为V则它们的压力：则它们的压力： pB = nBRT/V p = nRT/V p = nBRT/VB 第14页/共58页将两式相除，得将两式相除，得: pB nBp n同温同压下,气态物质的量与其体积成正比第15页/共58页 化学反应中的质量关系 化学计量数与反应进度(自学)化学计量数()第16页/共58页1.化学计量数()反应式: cC + dD = yY + zZ 0 = -cC -

6、 dD + yY + zZ令 c = -c , D = -d, Y= y, Z =z 0 = BB第17页/共58页2.反应进度() 化学计量方程: 0 = BB d = B-1dnB nB : B的物质的量 B : B的化学计量数第18页/共58页d = B-1dnB dnB = Bd nB() - nB(0) = B ( - 0) nB = B 第19页/共58页举例 N2 + 3H2 = 2NH3 ( nB = B )n (N2)/mol n (H2)/mol n (NH3)/mol /mol 0 0 0 0 -1/2 -3/2 1 -1 -3 2 1 -2 -6 4 2第20页/共58

7、页 N2 + 3/2 H2 = NH3 = 1 ( nB = B ) n (N2)/mol n (H2)/mol n (NH3)/mol -1/2 -3/2 1第21页/共58页结论 对同一化学反应方程式,反应进度()的值与选用反应式中哪种物质的量的变化计算无关. 相同反应进度时对应各物质的量的变化与反应式的写法有关.第22页/共58页化学反应中的能量关系1.体系与环境 (开放)敞开体系： 体系与环境既有物质交换又有能量交换 封闭体系： 体系与环境没有物质交换只有能量交换 孤立体系： 体系与环境既无物质交换又无能量交换第23页/共58页2.状态和过程状态 当系统处于一定的温度、压力、体积、物质

8、的量、某一物态等。第24页/共58页过程 等温过程从始态到终态的温度相同 等压过程从始态到终态的压力相同 等容过程从始态到终态的体积相同第25页/共58页 自发过程-自然而然发生的过程，不需外力。 非自发过程-不会自然发生，需借助外力。第26页/共58页3. 状态函数由物质系统的状态决定的物理量。体系的状态是体系性质的综合表现。第27页/共58页状态函数的特点 体系的性质只决定于所处的状态，与过去的历史无关。 其变化只决定于体系的始态和终态，与变化的途径无关。第28页/共58页4.能量的几种形式 热力学能（内能）U： 是系统（体系）内各种形式的能量的总和。 状态函数 U = U终态 U始态第2

9、9页/共58页能量的几种形式 热量 Q： 由于温度不同而在环境和体系之间传递的能量。 系统吸热 Q 0 ; 系统放热 Q 0 状态函数?第30页/共58页例 H2（g） + O2 （g） = H2O（l）等温（298K）等压（P=100Kpa）:mol-1等温（298K）等容:mol-1 与过程有关-热量为非状态函数第31页/共58页能量的几种形式 功 W：除热的形式外的其他各种被传递 的能量。系统对环境做功（体系失功） : W 0 状态函数?第32页/共58页例 膨胀方式 外压 膨胀功W一次等压膨胀 p=p终 W = -PV自由膨胀 p=0 o多次等压膨胀 p1,p2,.pj=p终 -PiV

10、i可逆膨胀 p1,p2,.pj=p终 -nRTIn(V2/V1) 与过程有关-功为非状态函数第33页/共58页热力学能(内能) : U系统吸热不做功 Q = U 环境对系统做功，没有热量交换,内能增加 U = W 系统吸热且环境对系统做功，系统内能的变化 U = Q +W第34页/共58页 热力学第一定律（能量守恒定律） 自然界一切物质都具有能量，能量有各种形式，能够从一种形式转化为另一种形式，从一种物体传递给另一个物体，而在转化和传递中能量的总数量不变。 U体系= Q + W第35页/共58页封闭体系： U体系=Q + W体系吸收热量，Q0 ； 体系放出热量，Q0 ； 体系对环境做功，W0第

11、36页/共58页 反应热和反应焓变反应热Q （反应焓变）: 化学反应时体系不做非体积功，当反应终态的温度恢复到始态的温度时体系所吸收或放出的热量，称为该反应的反应热。1摩尔第37页/共58页 Q第38页/共58页恒压反应热 Qp 等压过程，只做体积功。 敞口反应（无气体）第39页/共58页推导 U体系= Qp+W 又 W= -p 所以，U体系 = Qp-pv 即，U2-U1=Qp-p（V2-V1） Qp = U2- U1 +p（V2-V1 ） =U2 +p2V2-（p1V1 + U1 ）设： U +pV=H (焓) Qp= H2-H1= H(焓变)第40页/共58页说明 Qp= HH = U

12、+pV 焓(H) 状态函数 Q （非状态函数）； H （状态函数）*反应过程的焓变在数值上与等压反应热相等。 第41页/共58页反应热的测定第42页/共58页2.热化学方程式表示化学反应与热效应关系的方程式 rHm = -241.82 kJmol-1H2(g) + O2(g) H2O(g) 298.15K100kPa如如12第43页/共58页注意： 注明反应的温度、压力等。 注明各物质的聚集状态。 同一反应,反应式系数不同, rHm不同 。 HQ H 第44页/共58页n正正、逆反应的逆反应的Qp的绝对值相同的绝对值相同, 符号相反。符号相反。HgO(s) Hg(l) + O2(g) rHm

13、= 90.83 kJmol-112Hg(l) + O2(g) HgO(s) rHm = -90.83 kJmol-112第45页/共58页赫斯(盖斯)定律一个化学反应如果分几步完成，则总反应的反应热等于各步反应的反应热之和。 Q总= Q1+ Q2 +第46页/共58页C(s) + O2(g) rHm CO(g) + O2(g)12 H1 H2CO2(g) rHm= H1+ H2第47页/共58页结论反应的热效应只与反应的始态和终态有关，而与变化的途径无关。条件：只适宜等容或等压且一步或多步的条件是相同的情况。 U=Qv ,H=Qp第48页/共58页盖斯定律的重要性可以通过计算得到用实验难以获得

14、的热效应反应慢副反应多反应热小第49页/共58页 标准标准(状状)态态物质物质标准态标准态气体气体标准压力标准压力(p =100kPa)下纯气体下纯气体液体液体固体固体标准压力标准压力(p =100kPa)下下纯液体、纯固体、纯液体、纯固体、溶液中溶液中的溶质的溶质标准压力标准压力(p )下质量摩尔浓度为下质量摩尔浓度为1molkg-1(近似为近似为1 1molL-1) ) 第50页/共58页标准摩尔生成焓（热） fHm0在标准态，由最稳定单质生成一摩尔该物质时的等压热效应。定义：最稳定单质的标准摩尔生成热都等于零。H+(aq)的标准摩尔生成热等于零。* fHm0相对值。第51页/共58页fH

15、m0 (CO2) C (s) + O2 (g) = CO2 (g) fHm0 (C, 石墨 ) = 0, fHm0 (O2 , g ) = 0rHm0 = fHm0(CO2, g ) fHm0 (C, S ) + fHm0 (O2 , g ) = fHm0(CO2, g ) 第52页/共58页标准摩尔焓变rHm0的计算 cC + dD = yY + zZ rHm0 = y fHm0 （Y）+ zfHm0 （Z） - cfHm0 （C）+ dfHm0 （D） = i fHm0 （生成物） + i fHm0 （反应物） = i fHm0 第53页/共58页 计算时计算时,注意系数和正负号注意系数和正负号 计算恒压反应计算恒压反应:4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)的的 rHm 例例1解：解：4NH3(g)+5O2 4NO+6H2O(g) fHm/kJmol-1 -46.11 0 90.25 -241.82 rHm = 4 fHm(NO,g) + 6 fHm(H2O,g) - 4 fHm(NH3,g) + 5 fHm(O2,g)=4(90.25)+6(-241.82)-4(-46.11)kJmol-1= -kJmol-1第54页/共58页注意事项公式中所涉及的各种反应物质，需考虑其凝聚状态。rHm0的数值大小与反应式的写法有关。当温