《无机化学》天津大学第四版第一章：化学反应中的质量关系和能量关系

1、第一章第一章 化学反应中的质量化学反应中的质量关系和能量关系关系和能量关系第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系1.1.化学反应能否自发进行？化学反应能否自发进行？2.2.反应进行的速率有多大？反应进行的速率有多大？3.3.反应进行的极限反应进行的极限( (化学平衡化学平衡) )4.4.反应中的能量变化反应中的能量变化( (热化学热化学) )5.5.反应是如何进行的反应是如何进行的( (反应机理反应机理) )？第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 基基 本本 内内 容容3.3.阐明化学反应中的质量关系和能阐明化学反应

2、中的质量关系和能 量关系量关系1.1.阐述化学中的计量阐述化学中的计量，以巩固高中以巩固高中 化学中的有关概念化学中的有关概念2.2.引入化学计量数引入化学计量数，反应进度反应进度，状状 态函数态函数, ,标准态和反应焓变等重标准态和反应焓变等重 要概念要概念第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 会应用热化学方程式和会应用热化学方程式和物质的标准摩尔生成焓计物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变算标准摩尔反应焓变 基基 本本 要要 求求第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系第一章第一章 化学反应中的质量关系和能量关

3、系化学反应中的质量关系和能量关系1-1 物质的聚集态和层次物质的聚集态和层次1-2 化学中的计量化学中的计量1-3 化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系 目目 录录1-41-4化学反应中的能量关系化学反应中的能量关系第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系第一节第一节 物质的聚集态和层次物质的聚集态和层次第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系1.1.1物质的聚集态物质的聚集态物质三态物质三态 气态气态(gas)：流态：流态 液态液态(liquid)：流态、凝聚态：流态、凝聚态 固态固态(solid) ：凝聚态：凝聚态

4、 等离子态等离子态“Plasma” I. Langmuir 1926定义定义1: “包含足够多的正负电荷数目近于包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物质聚集状态。相等的带电粒子的物质聚集状态。”第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 等离子态等离子态固态等离子体固态等离子体：晶格中正离子与自由电子：晶格中正离子与自由电子组合组合; ;半导体中电子与空穴的组合等。半导体中电子与空穴的组合等。 液态等离子体液态等离子体：如电解质溶液中正负离子：如电解质溶液中正负离子的组合。的组合。定义定义2 2: : “等离子体是由大量带电粒子组成等离子体是由大量带电

5、粒子组成的非凝聚系统。的非凝聚系统。”（国家自然科学基金委，（国家自然科学基金委，“等离子体物理等离子体物理学发展战略调研报告学发展战略调研报告”，19941994年）年）强调了非凝聚系统，即排除了单纯的固态强调了非凝聚系统，即排除了单纯的固态和液态，但包含了电子束和离子束。和液态，但包含了电子束和离子束。第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 定义定义3:“等离子体是包含足够多的正负电等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统。统。” 单纯气态：单纯气态： 完全或部分电离了的气体完全或部分电离了的气

6、体非单纯气态：尘埃等离子体雾滴等离子体非单纯气态：尘埃等离子体雾滴等离子体注注: :特殊条件下还有超固体、中子态、磁特殊条件下还有超固体、中子态、磁性超流态以及辐射场态等性超流态以及辐射场态等. . 等离子态等离子态第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系1.1.2 物质的层次物质的层次 层次层次 空间尺度空间尺度 遵循运动规律遵循运动规律 实例实例宇观宇观 106 m 相对论力学相对论力学 地球地球、太阳太阳、星云星云宏观宏观(10-8106 m) 牛顿力学牛顿力学 交通工具交通工具微观微观 0, H 0放热放热反应反应：Qp 0, H 0如：如：2H2(

7、g) + O2(g) 2H2O(l) HQp=-571.66kJmol-1H2(g) + O2(g) H2O(l) H Qp=-285.83kJmol-1121.4.2反应热和反应焓变反应热和反应焓变反应焓变反应焓变第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 表示化学反应与热效应关系的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表示在表示在298.15K、100kPa下，当反应进度下，当反应进度 =1mol时时(1mol H2(g)与与 mol O

8、2(g)反应，反应，生成生成1molH2O(g)时时)，放出，放出241.82kJ热量。热量。12 rHm摩尔反应焓变摩尔反应焓变1.4.2反应热和反应焓变反应热和反应焓变第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 注意：注意： 1. 注明反应的温度、压力等。注明反应的温度、压力等。2. 注明各物质的聚集状态。注明各物质的聚集状态。3. 同一反应同一反应, 反应式系数不同反应式系数不同, rHm不同不同 。 rHm = -483.64 kJmol-12H2(g) + O2(g) 2H2O(g) 4. 正正、逆反应的逆反应的Qp的的绝对值相同绝对值相同, 符号相

9、反符号相反。HgO(s) Hg(l) + O2(g) rHm = 90.83 kJmol-112Hg(l) + O2(g) HgO(s) rHm = -90.83 kJmol-1121.4.2反应热和反应焓变反应热和反应焓变第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 在等温等压或等温等容条件下，体系不做非在等温等压或等温等容条件下，体系不做非体积功体积功, 则反应热只取决于反应的始态和终态，则反应热只取决于反应的始态和终态，而与变化过程的具体途径无关。而与变化过程的具体途径无关。 即化学反应的焓变只取决于反应的始态和终即化学反应的焓变只取决于反应的始态和终态，

10、而与变化过程的具体途径无关。态，而与变化过程的具体途径无关。C(s) + O2(g) rHm CO(g) + O2(g)12 H1 H2CO2(g) rHm= H1+ H2 H1 = rHm- H2=(-393.51)-(282.98)kJmol-1=-110.53 kJmol-1应用赫斯定律不仅可计算某些等压反应用赫斯定律不仅可计算某些等压反应热，而且可计算难以或无法用实验应热，而且可计算难以或无法用实验测定的反应热。测定的反应热。1.4.2反应热和反应焓变反应热和反应焓变赫斯赫斯(Hess)定律定律第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系1-4-3应用标

11、准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变应用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变 标标 准准 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1molL-1) 第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓定义：标准态下定义：标准态下, 由最稳定的纯态单质生由最稳定的纯态单质生成单位物质的量的某物质的焓变。成单位物

12、质的量的某物质的焓变。 (即等压反应热即等压反应热)。符号：符号： fHm单位：单位： kJmol-11.最稳定纯态单质最稳定纯态单质 fHm=0, 如如 fHm(石墨石墨)=0。注意：注意：2. fHm代数值越小代数值越小, 化合物越稳定。化合物越稳定。3.必须注明温度，若为必须注明温度，若为298.15K时可省略。时可省略。高温时分解高温时分解-157.3CuO(s)加热不分解加热不分解-635.09CaO(s)稳定性稳定性 fHm/(kJmol-1)物质物质第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 标准摩尔反应焓变的计算标准摩尔反应焓变的计算化学反应的

13、标准摩尔反应焓变等于生成物化学反应的标准摩尔反应焓变等于生成物的标准摩尔生成焓的总和减去反应物的标的标准摩尔生成焓的总和减去反应物的标准摩尔生成焓的总和。准摩尔生成焓的总和。计算时计算时,注意系数和正负号注意系数和正负号化学反应：化学反应：cC + dD = yY + zZ(任一物质均处于温度任一物质均处于温度T的标准态的标准态) rHm = y fHm(Y) + z fHm(Z) - c fHm(C) + d fHm(D) rHm =i fHm (生成物生成物)+i fHm (反应反应物物)第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系例例1计算等压反应计算等压

14、反应: :4NH3(g) + 5O2(g) 4NO(g) + 6H2O(g)的的 rHm解：解：4NH3(g)+5O24NO+6H2O(g) fHm/kJmol-1 -46.11 0 90.25 -241.82=4(90.25)+6(-241.82)-4(-46.11)kJmol-1= -905.48kJmol-1计算时计算时, 注意系数和正负号注意系数和正负号 rHm = 4 fHm(NO,g) + 6 fHm(H2O,g) - 4 fHm(NH3,g) + 5 fHm(O2,g) rHm = 4 fHm(NO,g) + 6 fHm(H2O,g) - 4 fHm(NH3,g) + 5 fHm(O2,g)第第1 1章章 化学反应中的质量关系和能量关系化学反应中的质量关系和能量关系 计算计算 fHm(CuO,s)。序号序号反应反应 rHm/kJmol-12Cu2O(s)+O2(g) 4CuO(s)-292CuO(s)+Cu(s) Cu2O(s)-11.3例例2解解:(2)式式2=3式式 2CuO(s)+2Cu(s)2Cu2O(s)( rHm)3=2( rHm)2=-22.6 kJmo