第一章化学反应与能源

1、第一章第一章 化学反应与能源化学反应与能源主要内容主要内容定温过程定温过程：始态、终态温度相等，并且过程中始：始态、终态温度相等，并且过程中始终保持这个温度。终保持这个温度。T1=T2定压过程定压过程：始态、终态压力相等，并且过程中始：始态、终态压力相等，并且过程中始终保持这个压力。终保持这个压力。p1=p2定容过程定容过程：始态、终态容积相等，并且过程中始：始态、终态容积相等，并且过程中始终保持这个容积。终保持这个容积。V1=V2* 两者区别如同两者区别如同位移位移与与路程路程状态I状态环境需要注意需要注意：1.2.1.1 热力学第一定律热力学第一定律(能量守恒定律能量守恒定律)a、汉字表达

2、：、汉字表达：1) 热能可以从一个物体传递给另热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。在传递和转换过程中，能量的总值不变。2) 热能可以转变为功，功可以转变为热；消耗一热能可以转变为功，功可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。产生一定的功。b、数学表达式：、数学表达式：U = q + w (密闭系统密闭系统)其中：其中： U = U终态终态-U始态始态1.2.1.2 热力学能又称内能（热力学能又称内能（ U

3、 ） ：a、定义：、定义：系统内部各种形式能量的总和，包括系统内部各种形式能量的总和，包括分子动能、势能及电子运动的能量等等。分子动能、势能及电子运动的能量等等。b、特点：、特点：1) 热力学能属于状态函数，具有状态热力学能属于状态函数，具有状态函数的特征函数的特征(状态一定，其值一定；状态一定，其值一定；殊途同归，殊途同归，值变相等；值变相等；周而复始，值变为零周而复始，值变为零)2) U的数值只与温度、质量有关；的数值只与温度、质量有关；3) 无法也没有必要确定热力学能的绝对值，只涉无法也没有必要确定热力学能的绝对值，只涉及其变化量及其变化量U。4) 单位：焦耳单位：焦耳(J)1.2. 1

4、.3 热热q (反应热反应热)a、定义：、定义：系统与环境之间由于温度差而交换的能量。系统与环境之间由于温度差而交换的能量。b、特点：、特点：1) 热不属于状态函数，不能说某某含有多少热；热不属于状态函数，不能说某某含有多少热；2) 热的数值有正、负之分，表示热传递的方向：正值表热的数值有正、负之分，表示热传递的方向：正值表示系统吸热；负值表示系统放热示系统吸热；负值表示系统放热(以系统为研究对象）以系统为研究对象）能量物理量的符号规定：原则能量物理量的符号规定：原则以以“我我”（系统）为主（系统）为主确定，系统本身能量增加，则符号为确定，系统本身能量增加，则符号为“+”；系统本身能；系统本身

5、能量减少，则符号为量减少，则符号为“-”。例如：放热反应例如：放热反应 q0,“-”,系统对环境做功，系统对环境做功，w0,“+”,环境对系统做功，环境对系统做功，w0,“+”。3) 单位：焦耳单位：焦耳(J)1.2. 1.4 功功a、定义：、定义：系统与环境之间除热以外的其他形式传递的系统与环境之间除热以外的其他形式传递的能量。能量。b、特点：、特点：1) 功不属于状态函数；功不属于状态函数；2) 功分为体积功和非体积功。功分为体积功和非体积功。体积功体积功:在一定外压下，由于系统的体积发生变化而与在一定外压下，由于系统的体积发生变化而与环境交换的功。例环境交换的功。例:等压等压p下：下：w

6、 = -pV=-p(V2-V1)3) 功的数值有正、负之分：正值表示系统得功；负值功的数值有正、负之分：正值表示系统得功；负值表示系统失功或系统对外做功表示系统失功或系统对外做功(以系统为研究对象）以系统为研究对象）4) 单位：焦耳单位：焦耳(J)1.2.2 化学反应的反应热与焓化学反应的反应热与焓1.2.2.1 反应热类型：反应热类型：a.定容反应热定容反应热(qV)：U = w + qq = qVw =pdvdv = 0w = 0 qVU=b. 定压反应热定压反应热qp U = w + qq = qpU = U2-U1w = -p (V2-V1)qp = (U2+pV2) - (U1+pV

7、1)令U+pV = Hqp = H2-H1 =H1.2.2.2焓与焓变焓与焓变(H，H， rH) 特点：特点：1) 焓属于状态函数；焓属于状态函数；2) H的数值有正、负之分：正号表示系统吸热，的数值有正、负之分：正号表示系统吸热，吸热反应；负号表示系统放热，放热反应；吸热反应；负号表示系统放热，放热反应；3) 对于化学反应，其焓变写为对于化学反应，其焓变写为rH；4) 焓只是温度的函数，只与温度有关；焓只是温度的函数，只与温度有关；5) 单位：焦耳单位：焦耳(J)1.2.2.3 qp与与qV之间的关系之间的关系讨论：讨论：a、对于固体、液体：、对于固体、液体：H -UV = (Up + pV

8、) - UVqp - qV =Up UV= pV真实气体、液体和固体近似认为理想气体V = 0qp - qV = pV qp = qVpRTBnVgB/)(V =()BnBgRTpqp - qV =()BnBgRTqp - qV = pVn(B) =Bqp - qV =()BBgRTqp/= qpImqVImqV/=()BBgRTqpIm-qVIm=rHm -rUm()BBgRT=注：注：rHm为摩尔反应焓变为摩尔反应焓变重要结论重要结论： 例例1-2 在在100 101.325 kPa 下下,由由1摩尔液态水汽化摩尔液态水汽化变成变成1摩尔水蒸气摩尔水蒸气,此过程中此过程中 U和和 H 是否

9、相等是否相等?若若 H等等于于40.63kJmol-1 则则 U 为多少为多少? 解解: H2O(l)= H2O(g) H - U = RT U= H - RT =1 故故 U H U=40.63-(18.314 10-3 373) =40.63-3.10=37.53 kJmol-1 盖斯定律：在恒容或恒压条件下，化学反应的反应盖斯定律：在恒容或恒压条件下，化学反应的反应热只与反应的始态和终态有关，而与变化的途径无热只与反应的始态和终态有关，而与变化的途径无关。关。始态始态C(石墨石墨) + O2(g)终态终态CO2(g)1 m,rH中间态中间态CO(g) + O2(g)2 m,rH3 m,r

10、H3 m,r2 m,r1 m,rHHH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。(2)-(1) COO21C2112,1 ,3,molkJ5 .100molkJ)283(5 .393mrmr mrHHH由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和。12,molkJ0 .283 Hmr COO21CO22 COO21CO22附例1.3 已知反应 COOC22和的反应焓，计算 COO21C2的反应焓， COOC22解：11 ,molkJ5 .393 Hmr符号：符号：f fH Hm m(298.15K) (298.15K) ，单位，单位kJmol

11、kJmol-1-1， :标准标准 m:m:摩尔，摩尔，f:f:生成，生成， 可简写为可简写为f fH H。指定物质指定物质 一般为选定温度和标准压力时一般为选定温度和标准压力时 的最稳定单质。的最稳定单质。规定：指定单质的标准摩尔生成焓为零。规定：指定单质的标准摩尔生成焓为零。水合离子的相对焓值水合离子的相对焓值规定：规定：f fH Hm m(H(H+ +aqaq 298.15K)=0 298.15K)=0据此，可以获得其他水合离子在据此，可以获得其他水合离子在298.15K298.15K时的标时的标准摩尔生成焓（见附录准摩尔生成焓（见附录3 3）（1.19a) 反应反应aA+bB=gG+dD

12、 H （298.15K)= g fH (G.298.15K)+d fH (D.298.15K)- a fH (A.298.15K)+b fH (B.298.15K) （1.19b)规定：在标准状态时反应的摩尔焓变叫做该规定：在标准状态时反应的摩尔焓变叫做该 反应的标准摩尔焓变。反应的标准摩尔焓变。符号：符号：rHmrHm(298.15K) (298.15K) 可简写为可简写为HH。 )15.298()15.298(,KHKHBBmfBmr例如：已知反应例如：已知反应 4 NH4 NH3 3(g) + 3O(g) + 3O2 2(g)=2N(g)=2N2 2(g)+6H(g)+6H2 2O(l)

13、O(l) 求：该反应的求：该反应的rHm(298.15K)=rHm(298.15K)=？解：解： 4 NH4 NH3 3(g) + 3O(g) + 3O2 2(g) = 2N(g) = 2N2 2(g)+6H(g)+6H2 2O(l)O(l)f fH Hm m -46.11 0 0 -285.83 -46.11 0 0 -285.83rHm(298.15K)=6rHm(298.15K)=6( (285.83)-4285.83)-4( (46.11)46.11) = =1530.54 kJmol1530.54 kJmol-1-1说明：计算时说明：计算时准准查准查准fHm查准物质，如：查准物质，如

14、：CO2、CO。查准状态：如：查准状态：如：fHm H2O(l)= 285.83；fHm H2O(g)= 241.82。算准算准 勿忘化学计量数勿忘化学计量数。注意：注意：rHm数值与方程式的书写有关数值与方程式的书写有关应保持一致。应保持一致。反应的焓变基本不随温度而变。即：反应的焓变基本不随温度而变。即：H(T) H(298.15K)。例例1-3计算联氨完全燃烧时反应的计算联氨完全燃烧时反应的 H (298.15K)解：反应为解：反应为 N2H4(l)+ O2(g)= N2(g)+2H2O(l) fH / kJ.mol-1 50.63 0 0 -285.83 H H (298.15K)=2

15、(298.15K)=2 f fH H ( (H H2 2O O)+ )+ f fH H ( (N N2 2)-)- f fH H ( (O O2 2)+ )+ f fH H (N(N2 2H H4 4) = 2 = 2 (-285.83)-50.63(-285.83)-50.63 =-622.29 kJ.mol =-622.29 kJ.mol-1-1例例1-41-4计算下列反应的计算下列反应的 H H (298.15K)(298.15K)解：解：(1) 2Al(s)+Fe2O3(s)=Al2O3(s)+2Fe(s) fH / kJ.mol-1 0 -824.2 -1675.5 0 H (298

16、.15K)=(-1675.5)-(-824.2)=-851.5 kJ.mol-1 (1) 2Al(s)+Fe2O3(s)=Al2O3(s)+2Fe(s)(2) Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s) (2) Z n(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s) fH / kJ.mol-1 0 64.77 -153.89 0 H (298.15K)=(-153.89)-(64.77)=-218.66kJ.mol-1 (298.15)rmHK!(298.15)rmUK!424CH4ClCCl (l)4HCl(g)(298.15)rmHK(298.15)rmHK1-5 计算下列反应的（计算下列反应的（1） rHm(298.15K)（2）rUm(298.15K)（3）298.15K进行进行1mol反应时的体积功反应时的体积功W。已知反应物和产物的生成焓依次分别为：已知反应物和产物的生成焓依次分别为：-74.81，0，-135.44，-92.31/k