化学反应基本规律

1、第第1 1篇篇 化学反应基本规律化学反应基本规律主讲：甘孟瑜主讲：甘孟瑜Chemical Thermodynamics引言l热力学热力学研究自然界各种形式研究自然界各种形式能量之间相互转化的规律，以及能量之间相互转化的规律，以及能量转化对物质的影响的科学。能量转化对物质的影响的科学。化学热力学化学热力学用热力学的基本原理研究化用热力学的基本原理研究化学现象以及与化学有关的物理现象的科学。学现象以及与化学有关的物理现象的科学。热力学热力学经典热力学经典热力学统计热力学统计热力学物理热力学物理热力学工程热力学工程热力学 化学热力化学热力学学l以热力学第一定律为基础，研究化学以热力学第一定律为基础，

2、研究化学变化中的变化中的能量转换能量转换问题，计算化学变问题，计算化学变化中的热效应化中的热效应热化学。热化学。l以热力学第二定律为基础，研究一定以热力学第二定律为基础，研究一定条件下化学反应进行的条件下化学反应进行的方向和限度。方向和限度。l问题：出口气体中含有问题：出口气体中含有2228CO？l以前认为是以前认为是CO与铁矿石接触时间不够。与铁矿石接触时间不够。l解决办法：加高炉身、升高炉温。解决办法：加高炉身、升高炉温。l结果：出口气体中结果：出口气体中CO含量并未明显减少。含量并未明显减少。l热力学计算表明，此反应不能进行到底。热力学计算表明，此反应不能进行到底。 高炉炼铁高炉炼铁Fe

3、2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+CO2(g)合成氨的反应合成氨的反应 N2 (g)+ 3H2 (g) = NH3 (g)l目前的反应条件：高温、高压。目前的反应条件：高温、高压。l根据热力学计算，该反应可以在常温、常根据热力学计算，该反应可以在常温、常压下进行。压下进行。l解决办法：研究有效的催化剂及最佳途径。解决办法：研究有效的催化剂及最佳途径。研究对象研究对象l由大量的微观粒子组成的宏观系统。由大量的微观粒子组成的宏观系统。l其结果只具有统计意义。其结果只具有统计意义。 研究方法研究方法l以热力学三大定律为基础以热力学三大定律为基础l只考虑研究对象的始态和终态及变化条只考虑研究对

4、象的始态和终态及变化条件，不考虑中间过程。件，不考虑中间过程。l不考虑物质的微观结构和反应机理。不考虑物质的微观结构和反应机理。l不涉及反应速率问题。只解决反应的可能不涉及反应速率问题。只解决反应的可能性问题，不能解决反应的现实性问题。性问题，不能解决反应的现实性问题。特点特点本章重点讨论：本章重点讨论：四个热力学状态函数：四个热力学状态函数：U (U)、H(H)、G (G)、 S (S)两个过程变量：两个过程变量：Q 、W1.1.1 体系与环境体系与环境1.1 1.1 基本概念基本概念 体体 系系The System（1 1）敞开体系：）敞开体系：体系与环境间既有能量交换，又有物质交换。体系

5、与环境间既有能量交换，又有物质交换。（2 2）封闭体系：）封闭体系：体系与环境间有能量交换，没有物质交换。体系与环境间有能量交换，没有物质交换。（3 3）孤立体系：）孤立体系：体系与环境间既没有能量交换，也没有物质交换。体系与环境间既没有能量交换，也没有物质交换。本章主要讨论的就是封闭体系本章主要讨论的就是封闭体系体系的分类体系的分类体系的宏观性质：质量、温度、压力、体系的宏观性质：质量、温度、压力、体积、密度、组成等。体积、密度、组成等。体系的热力学性质体系的热力学性质体系的宏观性质。体系的宏观性质。简称体系的性质。简称体系的性质。1.1.2 体系的性质体系的性质（1）广度性质）广度性质 又

6、称容量性质又称容量性质 特点：广度性质的量值与体系中物质的量成正特点：广度性质的量值与体系中物质的量成正比。具有加和性。比。具有加和性。 如质量、体积热容量等。如质量、体积热容量等。（2）强度性质）强度性质 特点：强度性质的量值只决定于体系的自身特点：强度性质的量值只决定于体系的自身特性，与体系中物质的量无关。无加和性。特性，与体系中物质的量无关。无加和性。 如温度、压力、密度等。如温度、压力、密度等。体系性质的分类体系性质的分类（1）体系的状态）体系的状态状态状态体系物理、化学性质的总和。体系物理、化学性质的总和。例如质量、温度、压力、体积、密度、组成等。例如质量、温度、压力、体积、密度、组

7、成等。当这些性质都有确定的值时，当这些性质都有确定的值时，就说体系处于一定的状态，即热力状态。就说体系处于一定的状态，即热力状态。 始态始态体系发生变化前的状态体系发生变化前的状态 终态终态体系发生变化后的状态体系发生变化后的状态1.1.3 1.1.3 体系的状态和状态函数体系的状态和状态函数l 状态函数状态函数描述体系状态的物理、化学描述体系状态的物理、化学性质都是状态的函数，简称状态函数。性质都是状态的函数，简称状态函数。l状态函数的总和也就确定了体系的某一确状态函数的总和也就确定了体系的某一确定的状态。状态和状态函数之间可以互为定的状态。状态和状态函数之间可以互为自变量和因变量。自变量和

8、因变量。（2）状态函数）状态函数(State Functions) 例如，一定量理想气体的状态变化，例如，一定量理想气体的状态变化，可以有下图所示两种不同的途径：可以有下图所示两种不同的途径：始始 T T1 1273 K 273 K p11 110105 5 PaPa态态 V V1 12 m2 m3 3 T T3 3273 K 273 K p3 31 110106 6 PaPaV V3 30.2 m0.2 m3 3 终终 T T2 2273 K 273 K p2 22 210105 5 PaPa态态 V V2 21 m1 m3 3 加压加压加压加压减压减压p p2 2 p1 1 2 21010

9、5 5 PaPa1 110105 5 PaPa1 110105 5 PaPaV V V V2 2 V V1 1 1m1m3 3 2m2m3 3 -1m-1m3 31.2.1 热力学第一定律热力学第一定律the first law of thermodynamics1.2 1.2 热化学与焓热化学与焓热力学第一定律的两个重要的实践基础：热力学第一定律的两个重要的实践基础： 第一类永动机的失败第一类永动机的失败 焦耳热功当量实验的成功焦耳热功当量实验的成功 自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同的自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同的形式，它可以从一种形式转化为另一种形式，从一形式，它可以从

10、一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，但在转化和传递过程中个物体传递给另一个物体，但在转化和传递过程中能量的数量不变。能量的数量不变。热力学第一定律的数学表达热力学第一定律的数学表达 U = Q w (1-1) E = Ek + Ep + UEk体系整体运动的动能体系整体运动的动能Ep体系在外力场中的势能体系在外力场中的势能U体系的内能（热力学能）体系的内能（热力学能）1）内能）内能体系内部能量的总和。单位：体系内部能量的总和。单位：J 如分子的动能，分子间的势能，分子中原子、如分子的动能，分子间的势能，分子中原子、电子运动的能量，核内基本粒子间的核能等。电子运动的能量，核内基

11、本粒子间的核能等。2） 内能的特点：内能的特点： 内能的绝对值无法确定。内能的绝对值无法确定。 内能是体系的状态函数。内能是体系的状态函数。 U = U2 U1 （1）内能）内能 U (Internal Energy) 热热由于温度不同，体系与环境间传递的能量。由于温度不同，体系与环境间传递的能量。 热的单位：热的单位：J。 热不是状态函数。热不是状态函数。 热力学上规定：热力学上规定： 吸热反应使体系能量增加，吸热反应使体系能量增加，Q0，为正值，为正值， 放热反应使体系能量减少，放热反应使体系能量减少，Q0，为负值。，为负值。（2）热）热Q（Heat） 功功体系与环境间除热以外以其它各种形

12、式传体系与环境间除热以外以其它各种形式传递的能量都叫做功。功的单位：递的能量都叫做功。功的单位：J。 功也不是状态函数。功也不是状态函数。 热力学上规定：热力学上规定： 体系对环境做功，体系对环境做功， 功为正值，功为正值，W0； 环境对体系做功，功为负值，环境对体系做功，功为负值，W0 。（3）功）功 W（Work） 体积功体积功因体系体积变化反抗外力作用与环境交因体系体积变化反抗外力作用与环境交换的能量。换的能量。 对于一般化学反应来说，如果反应过程不在特定装对于一般化学反应来说，如果反应过程不在特定装置置( (如原电池如原电池) )中进行，主要指体积功。中进行，主要指体积功。 化学热力学

13、中功分为：体积功（膨胀功）化学热力学中功分为：体积功（膨胀功）W 体积体积 非体积功（有用功）非体积功（有用功） W有用有用 体积功体积功 （1）焓（）焓（enthalpy）和焓变）和焓变设：设：1）体系的变化过程为等压过程）体系的变化过程为等压过程 即即 p始始 = p终终 = p环环 2）体系在变化过程中只做体积功，）体系在变化过程中只做体积功， 不做其他形式的功。不做其他形式的功。 W体积体积 P外外 V1.2.2 焓与化学反应的热效应焓与化学反应的热效应由热力学第一定律由热力学第一定律 U = Qp w体积体积 Qp = U + p外外 V =（ U2U1 ）+ p外外 （V2V1）

14、p1 = p2 = p外外 Qp = （ U2U1 ）+ （p2V2p1V1）将状态将状态1、状态、状态2的函数归并在一起：的函数归并在一起： Qp = （U2 p2V2 ） （U1 + p1V1 ） 令令 H U pV Qp = H 则则 Qp = H2H1 1 1）焓是状态函数）焓是状态函数 H = U + pV U、p、V都是状态函数，都是状态函数， U + pV也是状态函数也是状态函数, ,是复合的状态函数是复合的状态函数, , H = H2 H1 2）焓和内能一样，具有能量的量纲。）焓和内能一样，具有能量的量纲。 焓的绝对值无法确定。焓的绝对值无法确定。（2）焓的性质）焓的性质特定条

15、件下：特定条件下：在封闭体系中发生只做体积功的等压过程在封闭体系中发生只做体积功的等压过程。 H = Qp吸热过程吸热过程 Qp0 ， H 0 焓增焓增放热过程放热过程 Qp0 ， H 0 焓减焓减4）焓是体系的容量性质，）焓是体系的容量性质，它的量值与体系中物质的量有关，具有加和性。它的量值与体系中物质的量有关，具有加和性。3）焓的物理意义）焓的物理意义H = U + pV对一定量的某物质而言对一定量的某物质而言 H（g） H（l） H（s） H（高温）（高温） H（低温）（低温）5）焓与物质的聚集态、所处的温度有关）焓与物质的聚集态、所处的温度有关6）当过程反向进行时，当过程反向进行时，

16、H 要改变符号要改变符号 即即 H(正正) = H(逆逆) 1）热效应的定义）热效应的定义 体系在物理的或化学的体系在物理的或化学的等温等压等温等压或或等温等温等容等容过程中，过程中，不做非体积功不做非体积功时所吸收或放时所吸收或放出的热叫做此过程的热效应。出的热叫做此过程的热效应。（3）化学反应的热效应）化学反应的热效应热效应的两个限制条件热效应的两个限制条件 等温过程等温过程 T始始 = T终终 = T环环 例：例： C(s) + O2(g) = CO2(g) H = -393kjT1=298KT2=400KQ1T3=298KQ2Q1Q2 体系只做体积功体系只做体积功 Zn + Cu2+

17、= Zn2+ + CuQ2Q1Q1Q2 一般化学反应常常是在敞口容器中进行，是恒一般化学反应常常是在敞口容器中进行，是恒压条件，即体系的压力与外界压力相等。压条件，即体系的压力与外界压力相等。(常压为常压为101.325kPa) 即即 P1 = P2 = P外外 等压下化学反应的热效应可用符号等压下化学反应的热效应可用符号Qp表示。表示。 Qp = H 可在绝热杯式量热器中测定可在绝热杯式量热器中测定2 2）等压热效应）等压热效应Qp及测定及测定 若化学反应是在恒容条件下进行若化学反应是在恒容条件下进行(体积一定的密闭体积一定的密闭容器中的反应容器中的反应)， 则则V=0，且不做非体积功，故有

18、，且不做非体积功，故有 QV = U QV称为等容热效应，称为等容热效应，可在弹式量热器中测定。可在弹式量热器中测定。3）等容热效应）等容热效应QV及测定及测定热化学方程式热化学方程式 热化学方程式热化学方程式 联系化学反应与热效应的方程联系化学反应与热效应的方程 例：例：C(s) + O2(g) = CO2(g) rH m= -393kjmol-1 1）热力学标准态）热力学标准态 Standard ConditionsStandard Conditions规定：规定： 标准压力标准压力 : p1 110105 5PaPa 固体、液体为固体、液体为p下的纯物质，下的纯物质， 气体为在气体为在p

19、下表现出理想气体性质的纯气体下表现出理想气体性质的纯气体 （4 4）化学反应标准焓变）化学反应标准焓变rH 与与化学反应标准摩尔焓变化学反应标准摩尔焓变rHm定义定义热力学标准态下化学反应的焓变热力学标准态下化学反应的焓变 符号：符号：r rH H 单位：单位：kj 298.15 298.15K，记为：，记为：r rH H（ 298.15298.15K ） 任意温度，记为：任意温度，记为：r rH H（ TK ）2）化学反应标准焓变化学反应标准焓变rH定义定义在热力学标态下，发生在热力学标态下，发生1mol 化学反应化学反应的焓的焓变称为化学反应的标准摩尔焓变。变称为化学反应的标准摩尔焓变。

20、符号：符号： rHm 单位：单位：kjmolkjmol-1-1。常用常用298.15K298.15K的数据，记为的数据，记为 rHm （ 298.15K298.15K）3）化学反应标准摩尔焓变化学反应标准摩尔焓变r rH Hm m 1mol 反应反应化学计量数化学计量数对于给定的化学反应：对于给定的化学反应：aA + bB = gG + dD上述方程式可写为：上述方程式可写为：0 = -aA - bB + gG + dD 0 = vBBvB化学计量数化学计量数 反应物反应物vB为负，生成物为负，生成物vB为正。为正。vA = -a ，vB = -b ，vD = d，vG = g vB =（g

21、+ d）- （a + b）1mol 反应反应 若反应完成的物质的量是按反应方程式所表示若反应完成的物质的量是按反应方程式所表示的那样实现的，则称为的那样实现的，则称为1mol反应，或反应，或1个单位的反个单位的反应。应。 如：如：aA + bB = gG + dD 例：例：H2 (g) + I2 (g) = 2HI (g) rHm （ 298.15K298.15K）= -9.44 kJmolkJmol-1-1。 N2(g) + 3H2 (g) = 2NH3 (g) r rH Hm m (298.15K) = - 92kJmol(298.15K) = - 92kJmol-1-1 1/2N2(g)

22、 + 3/2H2 (g) = NH3 (g) r rH Hm m (298.15K) = - 46kJmol(298.15K) = - 46kJmol-1-1r rH Hm m 与方程式的书写有关与方程式的书写有关反应进度反应进度描述化学反应进展程度的状态函数，描述化学反应进展程度的状态函数，等于反应体系中任一物质的等于反应体系中任一物质的物质的量变化除以反物质的量变化除以反应式中该物质的化学计量数。符号为应式中该物质的化学计量数。符号为x x 或或x x ，单，单位为位为mol。反应进度反应进度extent of reaction化学反应进度化学反应进度等于反应系统中任一物质的等于反应系统中

23、任一物质的物质的量变物质的量变化除以反应式中该物质的化学计量数。化除以反应式中该物质的化学计量数。 对于化学反应对于化学反应 aA+bB=dD+gG化学计量数化学计量数：对于反应物其为负，对于产物其为正。：对于反应物其为负，对于产物其为正。即：即： vA = -a ，vB = -b ，vD = d，vG = g定义定义反应进度反应进度为为 = nAvA = nBvB = nDvD = nDvD 反应进度的定义反应进度的定义对于微小的变化，则有：对于微小的变化，则有：=dnAvA = dnBvB = dnDvD = dnDvD 或反应进度变或反应进度变x x dnBvB 常以常以B表示反应方程式

24、中任一物质。表示反应方程式中任一物质。对同一反应体系，其值与物质选择无关，但与反应式对同一反应体系，其值与物质选择无关，但与反应式写法有关。写法有关。例如合成氨的反应，可写成：例如合成氨的反应，可写成： N23H22NH3 (1)或或 1/2N23/2H2NH3 (2)若若即即1mol1molN2与与3molmolH2生成生成2molmolNH3时时nN2=-1mol1mol nH2 =-3mol3mol nNH3= 2molmol反应进度与反应式书写有关反应进度与反应式书写有关对于反应对于反应(1) 1 1= =n nN N2 2v vN N2 2 =-1mol/(-1=-1mol/(-12

25、)2) = 2mol2mol = =n nH H2 2v vN N2 2 =-3mol/(-3=-3mol/(-32 2 )= 2mol2mol = =n nNH3v vNH3 =2mol/1=2mol/1= 2mol2mol 其值与物质选择无关。其值与物质选择无关。 对于反应对于反应(2) 2 2= =N N2 2v vN N2 2 = -1mol/-1= -1mol/-1 = 1mol1mol = =H H2 2v vH H2 2 = -3mol/-3= -3mol/-3 = 1mol1mol = =H H2 2v vH H2 2 = -3mol/-3= -3mol/-3 = 1mol1m

26、ol可见可见 2 2=2 =2 1 1 即即反应进度与反应式写法有关反应进度与反应式写法有关显然，显然， r rH Hm m = r rH Hx x由于由于 x x与反应式写法有关与反应式写法有关所以所以r rH Hm m与反应式写法有关与反应式写法有关 盖斯定律盖斯定律Hesss LawHesss Law化学家盖斯化学家盖斯(Hess)总结大量反应热的实验数据后提出：总结大量反应热的实验数据后提出： 化学反应的热效应，只跟反应的始态与终态有关，化学反应的热效应，只跟反应的始态与终态有关，与反应途径无关。与反应途径无关。 根据这一定律，一个化学反应若能分几步完成，根据这一定律，一个化学反应若能

27、分几步完成，那么各步反应的热效应之和，就等于该反应那么各步反应的热效应之和，就等于该反应 一步完一步完成时的热效应。成时的热效应。 (5)(5)化学反应热效应的计算化学反应热效应的计算例：在生产中我们需要知道下列反应的热效应：例：在生产中我们需要知道下列反应的热效应： C(s) + 1/2O(g) = CO(g)利用已知的下列反应的热效应：利用已知的下列反应的热效应：C(石墨石墨) + O(g) = CO(g) rHm(1) = -393.5kJmol-1 CO(g) +1/2 O(g) = CO(g) rHm(2) = -283.0 kJmol-1(3) C(石墨石墨) + 1/2O(g)

28、= CO(g) rHm(3) =? rHm(3) =rHm(1) -rHm(2) = (-393.5 kJmol-1)-(-283.0 kJmol-1) =-110.5kJmol-1盖斯定律的应用盖斯定律的应用1 1）标准生成焓）标准生成焓定义：定义： 在热力学标准状态下，由在热力学标准状态下，由参考态单质参考态单质生成生成1mol某物质时反应的标准摩尔焓变称为该物某物质时反应的标准摩尔焓变称为该物质的标准生成焓。质的标准生成焓。 符号：符号： f fH Hm m( 298.15K( 298.15K） 单位：单位： kJmolkJmol-1-1参考态单质：一般指常温、常压下的稳定单质参考态单质

29、：一般指常温、常压下的稳定单质 1/2H2(g)+ (g)+ 1/2Cl2(g) (g) HCl(g)HCl(g) r rH Hm m (298.15K)= -92.3kJmol(298.15K)= -92.3kJmol-1-1 HCl(g)HCl(g)的标准生成焓的标准生成焓f fH Hm m( 298.15K( 298.15K） -92.3kJmol-92.3kJmol- -1 1 例例1 HCl(g)HCl(g)的标准生成焓？的标准生成焓？ 例例2 CaCO3 (s) 的标准生成焓的标准生成焓 ? ? Ca(s) + C(s) + 3/2O2(g) = CaCO3(s) r rH Hm

30、m (298.15K)= -1206kJmol(298.15K)= -1206kJmol-1-1 CaCO3(s)的标准生成的标准生成f fH Hm m( 298.15K( 298.15K） -1206kJmol-1206kJmol-1-1 例例3 金刚石（金刚石（s）的标准生成焓？）的标准生成焓？ C(C(石墨石墨) )C(C(金刚石金刚石) )，r rH Hm m (298.15K)=-1 .9kJmol(298.15K)=-1 .9kJmol- -1 1 C( C(金刚石金刚石) ) f fH Hm m (298.15K) (298.15K) -1 .9kJmol-1 .9kJmol-1

31、-1 参考态单质：参考态单质：f fH Hm m = 0= 0 但非参考态单质的标准生成焓不为零。但非参考态单质的标准生成焓不为零。例如例如 C(C(石墨石墨) )是是参考态单质参考态单质f fH Hm m = 0= 0 C( C(金刚石金刚石) )不是不是参考态单质参考态单质f fH Hm m 0 0 f fH Hm m与反应的条件有关与反应的条件有关 f fH Hm m与物质的聚集态有关与物质的聚集态有关 注意：注意： 2）由由f fH Hm m计算计算r rH Hm m标准态，标准态，298K 反应物反应物标准态，标准态，298K 生成物生成物标准态，标准态，298K 参考态单质参考态单

32、质r rH Hm m (298.15K)(298.15K)f fH Hm m(298.15K)(298.15K)生成物生成物f fH Hm m(298.15K)(298.15K)反应物反应物r rH Hm m (298.15K)+(298.15K)+ f fH Hm m(298.15K)(298.15K)反应物反应物 = f fH Hm m(298.15K)(298.15K)生成物生成物r rH Hm m (298.15K) (298.15K) f fH Hm m(298.15K)(298.15K)生成物生成物 f fH Hm m(298.15K)(298.15K)反应物反应物对于化学反应对于

33、化学反应 aA+bB=dD+gGr rH Hm m gf fH Hm m(G)(G) ddf fH Hm m(D)(D)- - af fH Hm m(A)(A) bbf fH Hm m(B)(B) 或或 r rH Hm m (298.15K)(298.15K) v vB Bf fH Hm m(B(B，298.15K)298.15K) 1)自发过程自发过程 1.3 1.3 化学反应的方向化学反应的方向 Water always flows downhill热传递：高温热传递：高温 低温低温温度不一致温度不一致温度一致温度一致 T2T1T2）自发过程的特点）自发过程的特点 有明确的方向：有明确的方

34、向： 单向地从非平衡态向平衡态方向变化。单向地从非平衡态向平衡态方向变化。 自发过程只要设计合理便可对外做功。自发过程只要设计合理便可对外做功。 例如下列反应例如下列反应 Cu2+Zn Cu+Zn2+ 设计成原电池，可做电功。设计成原电池，可做电功。 自发过程进行的限度：自发过程进行的限度：一定条件下的平衡态一定条件下的平衡态过过 程程 判判 据据限限 度度热的传递热的传递T2T1T T2T1 0T0水的流动水的流动h2h1h h2h1 0h0气体扩散气体扩散p2p1p p2p1 0p03）自发过程的判据）自发过程的判据1.3.2 熵熵(entropy)(entropy)的初步概念的初步概念要

35、求：要求：1）明确熵的物理意义）明确熵的物理意义 2）了解熵的一些基本性质）了解熵的一些基本性质 3）会计算化学反应的熵变）会计算化学反应的熵变（1）混乱度）混乱度（2）熵）熵S1）物理意义）物理意义 体系混乱度的量度体系混乱度的量度 S = f（） S = k ln 2）熵的性质）熵的性质 熵是体系的状态函数熵是体系的状态函数 S = S2 S1 熵是体系的容量性质，具有加和性。熵是体系的容量性质，具有加和性。 熵与物质的聚集态、温度有关。熵与物质的聚集态、温度有关。对一定量的某物质而言对一定量的某物质而言 S（g） S（l） S（s） S（高温）（高温） S（低温）（低温）同一物质，聚集态

36、不同、温度不同，熵不同同一物质，聚集态不同、温度不同，熵不同例：判断下列过程是熵增还是熵减？例：判断下列过程是熵增还是熵减？ H2O（l） H2O（g） N2（g）+ 3H2 (g) 2NH3 (g) 2HgO (s ) 2 Hg (l) + O2 (g) Ag+ + Cl- AgCl 不同物质，分子结构越复杂，熵值越大。不同物质，分子结构越复杂，熵值越大。 S（复杂分子）（复杂分子） S（简单分子）（简单分子） S0S0S0S0摩尔规定熵：摩尔规定熵：绝对零度（绝对零度（T=0K）时，纯物质的完整晶体的熵等于零。）时，纯物质的完整晶体的熵等于零。 热力学第三定律，记为：热力学第三定律，记为：

37、S0 = 0将将1mol物质某纯物质完整晶体从物质某纯物质完整晶体从0K TK，该过程的熵变：该过程的熵变： SSm(T) S0 S00 S Sm(T)Sm(T)称为该物质的称为该物质的摩尔规定熵摩尔规定熵。3）标准）标准摩尔规定熵（标准熵）摩尔规定熵（标准熵） 在热力学标准状态下，某物质的摩尔规定熵在热力学标准状态下，某物质的摩尔规定熵 叫做该物质的叫做该物质的标准摩尔规定熵标准摩尔规定熵。 记为记为Sm(T)，简称，简称标准熵标准熵。 单位：单位： JKJK-1-1molmol-1-1 。 附表附表7 7列出了常见物质的列出了常见物质的298.15K298.15K标准熵标准熵Sm(298.

38、15) ，利用它可计算化学反应的熵变。利用它可计算化学反应的熵变。标准熵标准熵 f fH Hm m 、单位是单位是 kJmolkJmol-1 -1 ， Sm(T)的单位是的单位是 JKJK-1-1molmol-1-1 。 参考态单质的参考态单质的f fH Hm m 0 0 Sm(T) 0S Sm m(T)(T)与与f fH Hm m的区别的区别 在热力学标准状态下，发生在热力学标准状态下，发生1mol化学反应的标化学反应的标准摩尔熵变叫做准摩尔熵变叫做化学反应的标准摩尔熵变化学反应的标准摩尔熵变。 符号：符号：r rS Sm m 单位：单位：JKJK-1-1molmol-1-1 常用常用298

39、.15K298.15K的数据，记为的数据，记为r rS Sm m （ 298.15K298.15K）4）化学反应标准的摩尔熵变化学反应标准的摩尔熵变r rS Sm m r rS Sm m (298.15K) (298.15K) S Sm m(298.15K)(298.15K)生成物生成物 S Sm m(298.15K)(298.15K)反应物反应物 对于化学反应对于化学反应 aA+bB=dD+gGr rS Sm m g Sm(G)(G) d d Sm(D)(D) - -a Sm(A)(A) b b Sm(B)(B) 或或 r rS Sm m (298.15K)(298.15K) v vB B

40、Sm(B(B，298.15K)298.15K) r rS Sm m的计算的计算 1.3.3 吉布斯自由能吉布斯自由能 （Free EnergyFree Energy）吉布斯吉布斯(Josiah Willard Gibbs 1839-1903) 物理学家和化学家。物理学家和化学家。1939年年2月月11日生于康涅狄格日生于康涅狄格 州纽黑文，州纽黑文，1903年年4月月28日卒于同地。吉布斯主要从事物日卒于同地。吉布斯主要从事物理和化学的基础理论研究，对经典热力学规律进行了系理和化学的基础理论研究，对经典热力学规律进行了系统总结，从理论上全面解决了热力学体系的平衡问题；统总结，从理论上全面解决了

41、热力学体系的平衡问题；提出了描述物相变化和多相物系平衡条件的相律及吉布提出了描述物相变化和多相物系平衡条件的相律及吉布斯自由能及化学势，在热力学领域作出了划时代的贡献。斯自由能及化学势，在热力学领域作出了划时代的贡献。著有著有论多相物质的平衡论多相物质的平衡(1876-1878)和和统计力学的统计力学的基本原理基本原理(1902) 等书。等书。 自发过程的特征自发过程的特征体系做功的能力体系做功的能力 热力学第一定律热力学第一定律 熵的定义式熵的定义式（1）Gibbs自由能与自发过程自由能与自发过程G = U + pV TSG = H - TS讨论讨论1）G是状态函数是状态函数 G = G2

42、G12）G是体系的容量性质，具有加和性。是体系的容量性质，具有加和性。3）G的绝对值无法确定。的绝对值无法确定。4）G的物理意义：的物理意义： 体系提供体系提供“有用功有用功”的能力的能力 在等温、等压只做体积功的条件下，体系由在等温、等压只做体积功的条件下，体系由状态状态1变到状态变到状态2，吉布斯自由能变化，吉布斯自由能变化GG2G1与过程自发性的关系如下与过程自发性的关系如下 ：5）Gibbs判据判据G0 自发过程自发过程 G0 体系处于平衡态体系处于平衡态 G0 非自发过程非自发过程Gibbs判据判据 在等温、等压只做体积功的条件下，在等温、等压只做体积功的条件下，自发过程进行的方向是

43、体系吉布斯自由能自发过程进行的方向是体系吉布斯自由能减少的方向。这是热力学第二定律的一种减少的方向。这是热力学第二定律的一种表述方式。表述方式。热力学第二定律热力学第二定律 体系的吉布斯自由能越大，它自发地体系的吉布斯自由能越大，它自发地向吉布斯自由能小的状态变化的趋势就越大，向吉布斯自由能小的状态变化的趋势就越大，此时体系的稳定性较差；反之，吉布斯自由此时体系的稳定性较差；反之，吉布斯自由能较小的状态稳定性较大。因此，吉布斯自能较小的状态稳定性较大。因此，吉布斯自由能也是体系稳定性的一种量度。由能也是体系稳定性的一种量度。G是体系稳定性的量度是体系稳定性的量度 定义：在热力学标准状态下，发生

44、定义：在热力学标准状态下，发生1mol化学反化学反应的吉布斯自由能变化叫做应的吉布斯自由能变化叫做化学反应的标准摩尔吉化学反应的标准摩尔吉布斯自由能变。布斯自由能变。 符号：符号：rGm 单位：单位：kJmolkJmol-1-1 常用常用298.15K298.15K的数据，记为的数据，记为rGm （ 298.15K）（2）化学反应的标准摩尔吉布斯自由能变化学反应的标准摩尔吉布斯自由能变 定义：定义：热力学标准状态下，由参考态单质生成热力学标准状态下，由参考态单质生成1mol某物质时的标准摩尔吉布斯自由能变称为某物质时的标准摩尔吉布斯自由能变称为该物质的标准生成吉布斯自由能。该物质的标准生成吉布

45、斯自由能。 符号：符号： fGm ( 298.15K） 单位：单位： kJmolkJmol-1-1 标准生成吉布斯自由能标准生成吉布斯自由能 f fG Gm m 与与 f fH Hm m 定义相似定义相似 f fG Gm m 与反应的条件有关与反应的条件有关 f fG Gm m 与物质的聚集态有关与物质的聚集态有关 f fG Gm m (参考态单质参考态单质)=0对于化学反应对于化学反应 aA+bB=dD+gGr rG Gm m (298.15K)(298.15K) gf fG Gm m(G)(G) ddf fG Gm m(D)(D) - -af fG Gm m(A)(A) bbf fG Gm

46、 m(B)(B) 或写成或写成r rG Gm m (298.15K)(298.15K) v vB Bf fG Gm m(B(B，298.15K)298.15K)r rG Gm m的计算的计算例题例题 计算下列反应的标准摩尔计算下列反应的标准摩尔Gibbs自由能变，并判断自由能变，并判断该反应在标准态、该反应在标准态、298.15K是能否自发进行？是能否自发进行？ 2CO(g) + O2(g) = 2CO2(g)解：查表解：查表 CO(g) O2(g) CO2(g)f fG Gm m (298.15K)(298.15K)/ /kJmolkJmol-1-1 -137.3 0 -394.4r rG

47、Gm m (298.15K)=2(298.15K)=2f fG Gm m(CO(CO2 2)-2)-2f fG Gm m(CO)(CO)+f fG Gm m(O(O2 2) 2 2(-394.4 kJmol(-394.4 kJmol-1-1)- 1)- 1(-137.3 kJmol(-137.3 kJmol-1-1) ) - 514.2kJmol- 514.2kJmol-1-1 r rG Gm m O O 该反应可以自发进行。该反应可以自发进行。1.3.4 GibbsHelmholtz公式公式三个状态函数之间的关系：三个状态函数之间的关系：GHTS吉布斯赫姆霍兹公式吉布斯赫姆霍兹公式 G(T)

48、H(T)TTS (T) H 、 S 、 G混乱度混乱度能量的变能量的变化化反应的方向反应的方向、限度、限度 在任意温度时在任意温度时 r rG Gm m (TK)(TK) r rH Hm m (TK)(TK) TTr rS Sm m (TK)(TK)近似处理，将近似处理，将r rH Hm m (T)(T)、r rS Sm m(T)(T)视为常数，视为常数， 则则 吉布斯赫姆霍兹公式可写成：吉布斯赫姆霍兹公式可写成：r rG Gm m (T)(T) r rH Hm m (298.15K)(298.15K) TTr rS Sm m (298.15K)(298.15K)GibbsHelmholtz公

49、式公式 在热力学标态、在热力学标态、298.15K时，对化学反应：时，对化学反应：r rG Gm m (298.15K)(298.15K) r rH Hm m (298.15K)(298.15K) TTr rS Sm m (298.15K)(298.15K)rGm (T) rHm (298.15K) TrSm (298.15K) 把把T看成自变量看成自变量(x)(x)， rGm (T)看成因变量看成因变量(y)(y) 上式可看成直线式上式可看成直线式 y yaxax b b 其中直线的其中直线的 斜率斜率a a r rS Sm m (298.15K)(298.15K) 截距截距b b r rH

50、 Hm m (298.15K)(298.15K) rGm (T)是温度的一次函数是温度的一次函数rGm (T)与温度的关系与温度的关系反应类型反应类型 温度条件温度条件 rGm (T)rHm TrSm 反应的自发性反应的自发性GibbsHelmholtz公式讨论公式讨论焓减、熵增焓减、熵增焓增、熵减焓增、熵减焓增、熵增焓增、熵增焓减、熵减焓减、熵减任意温度任意温度任意温度任意温度TT转转TT转转000（）（）000（+）（+）0000（+）（）TT转转TT转转0000（+）（）均自发进行均自发进行均非自发进行均非自发进行高温自发进行高温自发进行低温非自发低温非自发高温非自发高温非自发低温自发进

51、行低温自发进行斜率斜率a a 0 0截距截距b b 0 0 r rG Gm m (T)(T)T任何温度下任何温度下r rG Gm m (T)(T)0 0，反应均能自发进行反应均能自发进行.焓减、熵增过程：焓减、熵增过程：r rH Hm m (298.15K)(298.15K) 0 0 r rS Sm m (298.15K)(298.15K) 0 00+任何温度下任何温度下r rG Gm m (T)(T)0 0，反应均不能自发进行反应均不能自发进行r rG Gm m (T)(T)T斜率斜率a a 0 0截距截距b b0 0 .焓增、熵减过程：焓增、熵减过程：r rH Hm m (298.15K) (298.15K) 0 0 r rS Sm m (298.15K) (298.15K) 0 00+ 通常体系中：通常体系中： r rH Hm m r rS Sm m 温度较低温度较低 r rH Hm m Tr rS Sm m 温度较高温度较高 r rH Hm m Tr rS Sm m 转变温度转变温度 r rH Hm m = Tr rS Sm m r r