化学反应中的质量和能量关系(共73页).ppt

1、从更广泛的角度来讲从更广泛的角度来讲,研究和应用化学的水平将研究和应用化学的水平将对对社会生产力发展社会生产力发展和和人民生活质人民生活质量提高量提高起着关键作用。起着关键作用。 2、化学在能源和资源的合理开发和高效、化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用安全利用中起关键作用 燃料转化技术、开发新能源燃料转化技术、开发新能源3 3、 化学是提高人类生存质量和生存安化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障全的有效保障 材料科学、药物化学、环境化学等材料科学、药物化学、环境化学等C(C(石墨石墨) + O) + O2 2(g) (g) COCO2 2(g) (g) QQp p= =

2、 393.5kJ/mol393.5kJ/mol科学教育的内涵科学教育的内涵:学习过去的几百年里科学家对自然世界学习过去的几百年里科学家对自然世界运转方式的发现。运转方式的发现。学习如何像一个科学家那样解决问题，学习如何像一个科学家那样解决问题，使用证据、运用逻辑，真正理解科学过使用证据、运用逻辑，真正理解科学过程是如何进行的。程是如何进行的。溶液浓度的表示方法溶液浓度的表示方法 1 1 B B的质量分数：的质量分数：如如 7wt%7wt%BABmmm2 2 B B的摩尔浓度：的摩尔浓度： c cB B= =BVn单位：单位：molL-3wB=溶液浓度的表示方法溶液浓度的表示方法4 4 物质物质

3、B B的物质的量分数的物质的量分数( (摩尔分数摩尔分数) )： x xB B= =BABnnn6 6 物质物质B B的质量浓度的质量浓度( (密度密度) )： d dB B= =BmV单位单位: kgm-3pnnBPnnPPBBBpnnPnnPPBBBB0 = aA bB yY + zZ即即 0=BB 计量系数计量系数B ，其中，其中反应物取反应物取“”，产物产物取取“+”，这与随反应的进行，反应物减少，这与随反应的进行，反应物减少，产物增加相一致。产物增加相一致。对任一化学反应：对任一化学反应： aA + bB = yY + zZ 移项得：移项得： B表示反应中任意的物质，表示反应中任意的

4、物质，B是是B的化学的化学计量数计量数 。这就是化学计量式的通式。这就是化学计量式的通式。化学计量数只表示当按计量反应式反应时各化学计量数只表示当按计量反应式反应时各物质转化的比例数，与反应式的写法有关。物质转化的比例数，与反应式的写法有关。AnBnYnZnt=0nA nB nY nZt=t化学反应进度（化学反应进度（ ，读，读“克赛克赛”），单位为摩），单位为摩尔（尔（molmol）描述化学反应进行的程度。描述化学反应进行的程度。BBBnnBBdndBBnaA + bB = yY + zZBBdnd 用反应进度用反应进度表示一个化学反应进行表示一个化学反应进行的程度，最大的优点是：的程度，最

5、大的优点是：无论进行到任无论进行到任意时刻，采用任意一个反应物或产物，意时刻，采用任意一个反应物或产物，所得得数值都是一样的。所得得数值都是一样的。化学计量式为化学计量式为 0=BB 下面以合成氨反应举例下面以合成氨反应举例 gNH2gH3gN322t0时 nB/mol 3.0 10.0 0 0 t1时 nB/mol 2.0 7.0 2.0 t2时 nB/mol 1.5 5.5 3.0 1 2 mol0 . 11mol)0 . 30 . 2(NN2211nmol5 . 12mol0 . 12mol)00 . 2(NHNH3311nmol0 . 13mol)0 .100 . 7(HH2211n反

6、应进度必须对应具体的反应方程式。反应进度必须对应具体的反应方程式。 gNHgH23gN21322mol0 . 22/1mol)0 . 30 . 2(22NN1n时1tt 2.0 7.0 2.0 (mol) 3.0 10.0 0 (mol)0taA + bB = yY + zZ1 1 基本概念和术语基本概念和术语 在热力学中，为了明在热力学中，为了明确讨论或研究的对象，确讨论或研究的对象，常常将常常将所研究的一部分所研究的一部分物质或空间物质或空间与其余的物与其余的物质和空间分开，就构成质和空间分开，就构成体系体系（又称物系、（又称物系、系统系统） 系统可以是系统可以是实际存在的实际存在的，也可

7、以是也可以是想想象的象的。系统系统与环境间的界面可以是与环境间的界面可以是真实真实的界面，也可以是虚构的界面。的界面，也可以是虚构的界面。 与系统相联系的其他部分称为与系统相联系的其他部分称为环境环境，即即体系外与其密切相关的部分体系外与其密切相关的部分 。敞开体系：与环境有物质交换也有能敞开体系：与环境有物质交换也有能量交换。量交换。封闭体系：与环境无物质交换有能量封闭体系：与环境无物质交换有能量交换。交换。孤立体系：与环境无物质、能量交换。孤立体系：与环境无物质、能量交换。状态函数状态函数：描述系统性质的物理量。：描述系统性质的物理量。( (p,V,Tp,V,T) )状态一定状态一定, ,

8、状态函数一定。状态函数的变化状态函数一定。状态函数的变化只与始态、终态有关只与始态、终态有关, ,而与变化途径无关。而与变化途径无关。始态始态终态终态（）（）系统可以用一系列物理量来描述其状态，系统可以用一系列物理量来描述其状态，系统的系统的状态状态是这些性质（物理量）的综合是这些性质（物理量）的综合表现。表现。 系统与环境之间由于存在系统与环境之间由于存在温差温差而而传递的能量。传递的能量。1.1.热热( ( Q Q ) )热不是状态函数热不是状态函数。规定：系统吸热：规定：系统吸热：Q Q 00； 系统放热：系统放热： Q Q 0 0。 系统与环境之间除热之外以其它系统与环境之间除热之外以

9、其它形式传递的能量形式传递的能量 。 lFWex非体积功的概念非体积功的概念pexV1l体积功体积功：系统对环境做功，系统对环境做功，W W000（得功）（得功）2.2.功功( ( W W ) )规定：规定：Vpex12exVVplApex功不是状态函数功不是状态函数热力学能热力学能(U)(U)： 系统内所含的全部能系统内所含的全部能量，也称内能。量，也称内能。 U U是状态函数。是状态函数。 UUU12 热力学能变化只与始态、终态热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径无关。有关，与变化途径无关。5 热力学第一定律热力学第一定律(能量守衡定律能量守衡定律)WQU对于封闭系统热力学第一定律为

10、：U1 U2QWU2 = U1 + Q + W U2 - U1 = Q + W实质为实质为 U U系统系统U U环境环境 = = 常数常数2 2 功和热都是能量的传递形式，而不是体系功和热都是能量的传递形式，而不是体系自身的属性，因此它不是状态函数。自身的属性，因此它不是状态函数。WQU恒压反应热恒压反应热( (焓焓) )恒压、只做体积功时：恒压、只做体积功时：U= Qp- pVQp=（U2+ p2 V2）-（U1+ p1V1）因此，因此，焓焓的定义式为：的定义式为： HUPV焓的焓的物理意义物理意义为：在没有非体积功的恒压为：在没有非体积功的恒压过程中，体系所吸收的热等于体系焓的增过程中，体

11、系所吸收的热等于体系焓的增加。加。H H单位单位J J。焓是状态函数焓是状态函数。 定压：定压： 定义焓定义焓 H = U + pV， H = Qp 12HHH热化学方程式表示化学反应及其反应热关热化学方程式表示化学反应及其反应热关系的化学反应方程式。系的化学反应方程式。2H2(g)+O2(g) 2H2O(g)Qp=H= -483.64kJmol-1在始态、终态温度都是在始态、终态温度都是298.15K298.15K，而且恒压，而且恒压的条件下：的条件下：该反应为放热反应。该反应为放热反应。 化学计量数不同时，反应热也不同。298.15K时H(H2O,g) = -241.82kJmol-1H2

12、(g)+ O2(g) H2O(g)21H(H2O，l)= 285.83kJmol正、逆反应的绝对值相同，符号相反。正、逆反应的绝对值相同，符号相反。思考思考：是否只有恒压过程体系才有焓值：是否只有恒压过程体系才有焓值的改变？的改变？热力学能热力学能U变化和焓变变化和焓变H的关系的关系已知：定容反应热：已知：定容反应热：QV = U；定压反应热：定压反应热：Qp = U + p(V2 V1)= H则：则：Qp QV = p(V2 V1) = H UQp QV = p(V2 V1) =n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT对于理想气体反应，有：对于理想气体反应，有：2H2(g)+O2(g

13、) 2H2O(g)C(s)+O2(g) = CO2(g) 反应的摩尔焓变反应的摩尔焓变 r rH Hm mBBB0在一定条件下，化学反应在一定条件下，化学反应反应的摩尔热力学能变反应的摩尔热力学能变 r rU Um mnUUUBmrnHHHBmr 3、赫斯定律（、赫斯定律（Hesss law）1840年，根据大量的实验事实赫斯提出了一个定律：不管反应是一步完成的，还是分几步完不管反应是一步完成的，还是分几步完成的，其反应热相同。成的，其反应热相同。反应的热效应只与起始和终了状态有关，反应的热效应只与起始和终了状态有关，与变化途径无关。与变化途径无关。即热化学方程式可像代数式那样进行加减即热化学

14、方程式可像代数式那样进行加减运算，只要确定了始终态。运算，只要确定了始终态。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)3 m,rH2 m,rH3 m,r2 m,r1 m,rHHH已知：（1） （2） (g)CO)(OC(s)22gm,1rH2212CO(g)O (g)CO (g)m,2rH则 （1）-（2）得（3） （3）CO(g)g)(OC(s)221m,3rHrm,3rm,1rm,2HHH rHm，3 =（393.3）（）（283.0） = 110.5kJmol1。燃料需要充分燃烧。燃料需要充分燃烧。由赫斯定律知：若化学反应

15、可以加和，则其反由赫斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和。应热也可以加和。应用：对于进行得太慢的或反应程度不易应用：对于进行得太慢的或反应程度不易控制而无法直接测定反应热的化学反应，控制而无法直接测定反应热的化学反应，可以用可以用赫斯赫斯定律，利用容易测定的反应热定律，利用容易测定的反应热来计算不容易测定的反应热。来计算不容易测定的反应热。赫斯定律的实质是计算恒压反应热赫斯定律的实质是计算恒压反应热Qp，而，而Qp=H，焓是状态函数，因此，焓是状态函数，因此Qp才只取决于始、终态，与变化的途才只取决于始、终态，与变化的途径无关。径无关。FeO(s)+ CO(g)= Fe + CO

16、2(g)FeO(s)Fe3O4(s)Fe2O3(s)+ CO(g)=Fe + CO2(g)323Qp1_=27.6KjMol-l(1)(2)Fe2O3(s)3+ CO(g)=Fe3O4(s)2+CO2(g)Qp2_=58.6KjMol-l(3)+ CO(g)=3+CO2(g)Qp3= 38.1KjMol-lFeO(s)Fe 622331FeO(s)Fe3O4(s)Fe2O3(s)+ CO(g)=Fe + CO2(g)(1)(2)Fe2O3(s)3+ CO(g)=Fe3O4(s)2+CO2(g)(3)+CO(g)=+ CO2(g)39692262Fe2O3(s)3+ CO(g)=Fe3O4(s)

17、2+ CO2(g)+7FeO(s)66Fe+7（1 1）条件相同的反应和聚集状态相同的同一）条件相同的反应和聚集状态相同的同一物质才能相消和合并。物质才能相消和合并。（2 2）反应方程乘于某一系数，反应焓）反应方程乘于某一系数，反应焓r rH Hm m也也乘于某一系数。乘于某一系数。 化学反应千千万万，若全由实验测定反化学反应千千万万，若全由实验测定反应焓变不可能，但若先通过实验测定由单质应焓变不可能，但若先通过实验测定由单质生成化合物这类反应的反应焓变，那么，其生成化合物这类反应的反应焓变，那么，其它有关化学反应的反应焓变可运用赫斯定律它有关化学反应的反应焓变可运用赫斯定律计算，则实验测定量

18、大大减少。所以引出下计算，则实验测定量大大减少。所以引出下面的标准摩尔生成焓。面的标准摩尔生成焓。物质的标准态物质的标准态热力学规定物质在温度热力学规定物质在温度T T时的标准态：时的标准态：不论不论纯固体、纯液体、纯气体或溶液纯固体、纯液体、纯气体或溶液，气体，气体的压力都是的压力都是100kPa100kPa，称这种压力状态为物质的，称这种压力状态为物质的标准态，用符号标准态，用符号“”fai”fai表示表示 ，这里强调，这里强调的时标准压力的时标准压力P P= =100kPa100kPa， 对温度无规定。对温度无规定。气体的标准态： P=100kPa 。固体、液体的标准态：压力为p的纯固体

19、或纯液体。溶液的标准态：压力为p的c = 1moldm1标准态不规定温度，每个温度都有一个标准态。一般298.15 K时的标准态数据有表可查。其中m表示产物是1mol, 298.15 K时的数据有表可查。标准摩尔生成焓在标准状态时，由参考状态的单质生成1摩尔纯物质的焓变，称为该物质的标准摩尔生成焓，用下述符号表示：fmH$（物质，相态，温度）指定单质的标准摩尔生成焓在任何温度下指定单质的标准摩尔生成焓在任何温度下均为均为0 0。“指定指定单质单质”通常为温度通常为温度T T和标准压力下和标准压力下最稳定的单质，如最稳定的单质，如H H2 2 （g g） 、O O2 2 （g g） 、ClCl2

20、 2（g g）、BrBr2 2（l l）、C C（石墨石墨）、S S（正正交交）、NaNa（s s）、）、Fe Fe （s s）。）。P P的为白磷，的为白磷，而不是更稳定的红磷。而不是更稳定的红磷。由石墨生成金刚石时，由石墨生成金刚石时，(金刚石金刚石,298.15K) = 1.895kJmol-1fHm(H2O ,g,298.15K) = -241.82kJmol-1fHmfHm(参考态单质,T)=0水溶液中规定：水溶液中规定：fmH$（H H，aqaq，298.15k298.15k）= 0= 0据此，可获得其他水合离子的标准摩尔据此，可获得其他水合离子的标准摩尔生成焓。生成焓。H2(g)

21、+ O2(g) H2O(g)21思考思考：以下哪些反应的恒压反应热不是标准以下哪些反应的恒压反应热不是标准生成焓生成焓( (反应物和生成物都是标准态反应物和生成物都是标准态)?)?(g) CO) g (O)C(22石墨 (g)CO)(O21CO(g)22gCO(g)(O21)C(2g金刚石22C() O (g) 2CO (g) 石墨标准生成焓包括标准生成焓包括标准状态标准状态和和指定单质指定单质两个主要两个主要条件。条件。298.15 K时221122H (g,)Cl (g,)HCl(g,)ppp$-1rm(298.15 K)-92.31 kJ molH$这就是HCl(g)的标准摩尔生成焓：

22、-1mf(HCl,g,298.15 K)-92.31 kJ molH$反应焓变为： 标准摩尔生成焓的负值越大，一般对热越稳定。标准摩尔生成焓的负值越大，一般对热越稳定。如如HFHF（g g）的同样条件下为）的同样条件下为271.1kJmol271.1kJmol1 1fmH$（H H，aqaq，298.15k298.15k）= 0= 0水溶液中规定：水溶液中规定：据此，可获得其他水合离子的标准摩尔生成焓。据此，可获得其他水合离子的标准摩尔生成焓。rHm（Zn2+）=153.9kJmol1rHm（Cu2+）=64.8kJmol1实验用水合离子的标准摩尔生成焓实验用水合离子的标准摩尔生成焓反应的标准

23、摩尔焓反应的标准摩尔焓r rH Hm m（T T）定义为生成物标）定义为生成物标准摩尔焓之和减去反应物标准摩尔焓之和。准摩尔焓之和减去反应物标准摩尔焓之和。在标准态时，反应的摩尔焓变称为该反在标准态时，反应的摩尔焓变称为该反应的标准摩尔焓变。应的标准摩尔焓变。 rHm（T）)()(,反应物产物ojmfjoimfiomrccBm,fBBmrHH（终态终态 始态）始态） ； 吸热为吸热为+ +，放热为，放热为 。fmH$（H2O，g）= 241.82kJmolfmH$（H2O，l）= 285.83kJmol作为近似，作为近似， rHrH(298.15K) rH(298.15K) rH(T)(T)(

24、)(,反应物产物ojmfjoimfiomrcc(g)5O(g)4NH23(g)6H(g)O5(g)2N222 gOH6)4NO(g2rHm=?fHm(NO,g)4fHm(H2O,g)6fHm(NH3,g)4fHm(O2,g)5(NO,g)+4fHm(H2O,g)6fHm(NH3,g)+-4fHm(O2,g)5fHmrHm=490.25+6(-241.82) -4 (-46.11)-0kJmol-1=905.4 8kJmol-1始态始态终态终态(NO,g)+4fHm(H2O,g)6fHmrHm=(NH3,g)+4fHm(O2,g)+5fHm(NH3,g)+4fHm(O2,g)+5fHmrHm=(NH3,g)+4fHm(O2,g)+5fHm1. 已知水在101.325 kPa下正常沸