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 化学反应中的化学反应中的质量关系和能量关系质量关系和能量关系第一节第一节 化学反应中的化学反应中的质量质量关系关系第二节第二节 化学反应中的化学反应中的计量计量第三节第三节 化学反应中的化学反应中的能量能量关系关系 具有确定质子数和中子数的一类单具有确定质子数和中子数的一类单核粒子称为核粒子称为核素核素。 元素元素是具有是具有相同质子数相同质子数的一类单的一类单核粒子的总称。核粒子的总称。 质子数相等而中子数不等质子数相等而中子数不等的同一元的同一元素的一些原子品种互称为素的一些原子品种互称为同位素同位素。 自然界中氧就有三种同位素自然界中氧就有三种同位素: : 16O 17O

2、18O含量含量/% 99.759 0.037 0.204 1、概念、概念元素元素同位素同位素【核素核素】 例如：例如： Ar(H) = 1.0079 Ar(O) = 15.999相对原子质量相对原子质量( (Ar) ) 元素的平均原子质量与核素元素的平均原子质量与核素12C原子质量的原子质量的1/12之比。之比。以往被称为以往被称为原子量原子量。例如：例如： Mr(H2O)= 18.0148 18.01 Mr(NaCl)= 58.443 58.44相对分子质量相对分子质量(Mr) 物质的物质的分子或特定单元分子或特定单元的平均质的平均质量与核素量与核素12C原子质量的原子质量的1/12之比。之

3、比。以前被称为分子量。以前被称为分子量。 是用于是用于计量计量指定的指定的微观基本单元微观基本单元( (如分子、原子、离子、电子等微观如分子、原子、离子、电子等微观粒子粒子) )或其或其特定组合特定组合的一个物理量的一个物理量物质的量物质的量符号：符号：n单位：摩单位：摩 尔尔 （mole）、）、mol 系统中的物质的量若为系统中的物质的量若为 1 mol，表示该系统中所包含的基本单元数与表示该系统中所包含的基本单元数与0.012kg12C的的原子数目原子数目相等。相等。 0.012 kg 12C所含的碳原子数目称所含的碳原子数目称为阿伏加德罗常数为阿伏加德罗常数Avogadro（NA） (6

4、.0221023个个)。物质的量物质的量 1mol H2表示有表示有NA个氢分子个氢分子2mol C表示有表示有2NA个碳原子个碳原子3mol Na+ +表示有表示有3NA个钠离子个钠离子4mol (H2+O2)表示有表示有4NA个个(H2+O2)的特定组合体，其中含有的特定组合体，其中含有4NA个氢分子和个氢分子和2NA个氧分子个氧分子物质的量物质的量 在使用摩尔这个单位时，一定要指在使用摩尔这个单位时，一定要指明明基本单位基本单位(以以化学式化学式表示表示) )，否则示，否则示意不明。意不明。例如例如: : 笼统说笼统说“1mol氢氢”难以断定是指难以断定是指1mol氢分子氢分子还是指还是

5、指1mol氢原子氢原子或或1mol氢离子氢离子物质的量物质的量如如 含含1molO2和和4molN2的混合气体中的混合气体中, , O2和和N2的摩尔分数分别为：的摩尔分数分别为：x(O2)=1mol/(1+4)mol =1/5=20%x(N2)=4mol/(1+4)mol =4/5=80% 在混合物中，在混合物中，B的物质的量的物质的量(nB)与与混合物的物质的量混合物的物质的量(n)之比，称为组之比，称为组分分B的物质的量分数的物质的量分数(xB)，又称，又称B的摩的摩尔分数尔分数摩尔分数摩尔分数例如例如 1mol H2的质量为的质量为2.0210-3kg H2的摩尔质量为的摩尔质量为2.

6、0210-3kgmol-1某物质的某物质的质量质量(m)除以该物质的除以该物质的物质的量物质的量(n)M = m/n M的单位：的单位：kgmol-1或或gmol-1摩尔质量摩尔质量例如例如 在标准状况在标准状况(STP)(273.15K及及101.325kPa下下)，任何理想气体的摩尔，任何理想气体的摩尔体积为：体积为：Vm,273.15K = 0.022414 m3mol-1 = 22.414Lmol-1 22.4 L/mol某气体物质的体积某气体物质的体积(V)除以该气体物质除以该气体物质的量的量(n) Vm = V/n 单位：单位： m3mol-1摩尔体积摩尔体积 溶液中某溶质溶液中某

7、溶质B的的物质的量物质的量(nB)除除以溶液的以溶液的体积体积(V)。cB = nB/V 对溶液来说，即对溶液来说，即1L溶液中所含溶质溶液中所含溶质B的物质的量的物质的量 单位：摩单位：摩(尔尔)每升每升 单位符号：单位符号：molL-1物质的量浓度物质的量浓度(cn)（1）物质聚集状态）物质聚集状态 有三种：有三种：气态气态（gaseous state）、）、液态液态（ liquid state）和和固态固态（ solid state）。）。聚集聚集状态状态粒子间粒子间距离距离粒子运粒子运动动压缩性压缩性扩散性扩散性固体固体小小不活跃不活跃液体液体较小较小不活跃不活跃很小很小有有气体气体大

8、大活跃活跃有有有有2、气体的计量、气体的计量（2 2）研究气体性质的意义）研究气体性质的意义(1)(1)是物质的一种较简单的聚集状态。是物质的一种较简单的聚集状态。(2)(2)许多生化过程和化学变化都是在空气中发生的。许多生化过程和化学变化都是在空气中发生的。(3)(3)许多气体参与了重要的化学反应。许多气体参与了重要的化学反应。（3 3）气体的基本特征）气体的基本特征(1)(1)无固定的形状和体积。无固定的形状和体积。(2)(2)扩散性和易被压缩性扩散性和易被压缩性 。(3)(3)分子间距离大分子间距离大, ,分子间作用力小。分子间作用力小。(4)(4)不同气体可以任意比例均匀混合。不同气体

9、可以任意比例均匀混合。(5)(5)密度小。密度小。2、气体的计量、气体的计量4. 4. 理想气体的基本假定理想气体的基本假定 (1) (1) 气体分子本身只有质量而没有体积。气体分子本身只有质量而没有体积。 （2 2）气体分子间没有相互作用力。）气体分子间没有相互作用力。 （3 3）气体分子之间的碰撞）气体分子之间的碰撞, , 包括分子与分子、分子包括分子与分子、分子与器壁之间的碰撞与器壁之间的碰撞, , 是完全弹性碰撞是完全弹性碰撞无动能损耗无动能损耗5. 5. 气体压力的产生气体压力的产生 气体分子碰撞器壁气体分子碰撞器壁2、气体的计量、气体的计量 理想气体状态方程理想气体状态方程 适用对

10、象适用对象 实际工作中实际工作中，当当压力不太高压力不太高、温度温度不太低不太低的情况下的情况下，气体气体分子间的距离分子间的距离大大，分子本身的分子本身的体积体积和分子间的和分子间的作用作用力力均可忽略，气体的压力、体积、温均可忽略，气体的压力、体积、温度以及物质的量之间的关系可度以及物质的量之间的关系可近似地近似地用理想气体状态方程用理想气体状态方程来描述。来描述。 摩尔气体常数摩尔气体常数实验测知实验测知1mol理想气体在标准状况理想气体在标准状况下的体积为下的体积为 22.41410-3 m3, 则则 101.325103Pa22.41410-3 m31mol273.15KR= pV/

11、nT= 8.3144 Pam3mol-1K-1= 8.314 Jmol-1K-1理想气体状态方程的应用理想气体状态方程的应用 理想气体分压定律理想气体分压定律 气体的分压气体的分压(pB) 气体混合物中，气体混合物中，某一分气体某一分气体B对器壁所施加的压力。对器壁所施加的压力。 等于相同温度下该气体等于相同温度下该气体单独占有单独占有与混与混合气体合气体相同体积相同体积时所产生的压力。时所产生的压力。理想气体分压定律理想气体分压定律道尔顿分压定律道尔顿分压定律混合气体的总压力等混合气体的总压力等于各组分气体的分压之和。于各组分气体的分压之和。 p = pB 总压与分压的关系总压与分压的关系如

12、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将两式相除，得将两式相除，得pB nBp n为组分气体为组分气体B B的摩尔分数的摩尔分数nBn总压与分压的关系总压与分压的关系同温同压下同温同压下, ,气体物质的量与其体积成正比气体物质的量与其体积成正比 则则pB nBp npB = pVBV 解解m(CO2) 5.00gM(CO2) 44.01gmol-1n(CO2)= = =0.114molp(COCO2 2)= = Pa n(CO2

13、)RT 0.1148.314303.15 V 1.0010-2=2.87104 Pap(N2)=p-p(O2)-p(CO2)=(9.33-2.67-2.87)104Pa =3.79104 Pa 体积为体积为10.0L含含N2、O2、CO2的混合气体的混合气体,T=30、p =93.3kPa, 其中其中: :p(O2)=26.7kPa, CO2的含量为的含量为5.00g, 试计算试计算N2、CO2分压。分压。例例能表明组成化学物质的各元素原子数目之能表明组成化学物质的各元素原子数目之间最简单的间最简单的整数比关系整数比关系, 因此又称因此又称最简式最简式化学式化学式分子式分子式能表明分子型物质中

14、一个分子所包含的能表明分子型物质中一个分子所包含的各种元素原子的数目。各种元素原子的数目。分子式可能和最简式相同分子式可能和最简式相同，也可能是最简式的整，也可能是最简式的整数倍。例如：数倍。例如：对于那些非分子型物质对于那些非分子型物质,只能用最简式表示只能用最简式表示例如：例如：离子型化合物氯化钠离子型化合物氯化钠，习惯上以最，习惯上以最 简式简式NaCl表示。表示。分子型物质分子型物质 化学式化学式 分子式分子式气态氯化铝气态氯化铝AlCl3Al2Cl6水水H2OH2O 具有确定组成且各种元素的具有确定组成且各种元素的原子互成原子互成简单整数比简单整数比的化合物，这类化合物又称整的化合物

15、，这类化合物又称整比化合物或比化合物或道尔顿体道尔顿体。例如：例如：一氧化碳中氧与碳质量比恒为一氧化碳中氧与碳质量比恒为4 3原子比恒为原子比恒为1 1化学计量化合物化学计量化合物 组成可在一个组成可在一个较小范围内变动较小范围内变动，而又，而又保持基本结构不变的化合物，这类化合物保持基本结构不变的化合物，这类化合物偏离了原子互为整数比的关系，又称为偏离了原子互为整数比的关系，又称为非非整比化合物或贝多莱体整比化合物或贝多莱体。例如例如: 还原还原 WO3 或加热或加热WO2 与与WO3 的的 混合物，均可制得混合物，均可制得WO2.92又如又如: 方铁矿的物相分析发现方铁矿的物相分析发现,

16、在在900时时 其组成为其组成为FeO1+x(0.09 x 0 0 环境环境对体系做功对体系做功：W W 0 0 体系体系失去能量失去能量为负：为负： 体系体系向环境向环境放热放热：Q Q 0 0 体系对环境体系对环境做功做功：W W 0 H(l)H(s) H与温度有关与温度有关:H(高温高温)H(低温低温) , 低温到高低温到高温要吸热温要吸热把把“H = U + pV ”代入代入 Qp = H2 H1 ,得：得： Qp = H = H2 H1 = ( U 2+ pV 2) (U 1+ pV 1 ) = U + pV = Qv + pV Qp与与Qv仅仅相差相差“体积功体积功” pV 。 若

17、反应物、产物均为固体、液体，则体若反应物、产物均为固体、液体，则体积功很小，则：积功很小，则： H U Qp与与Qv关系关系: (四四) 标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变r Hm注：压力必为标准压力，注：压力必为标准压力，温度温度不是不是标准状态规定的条件标准状态规定的条件常用常用298.15 K. 非非298.15 K，必须写出，必须写出。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、纯固体溶液中的溶液中的溶质溶质标准压力标准压力(p)下质量摩尔浓度为下质量

18、摩尔浓度为 1molkg-1(近似为近似为1molL-1) reaction反应进度反应进度=1mol热力学标准态热力学标准态请注意：若不注明温度，是指请注意：若不注明温度，是指 298.15 K；非非298.15 K，一定要写出，如：，一定要写出，如： rHm (290 K)例：例：2H2(g) + O2(g) = 2H2O(l) rHm = -571.68 kJmol-1 废除关于反应热的下列写法！废除关于反应热的下列写法！ 2H2 (g) + O2 (g) = 2H2O (l) + 571.68 kJ 在标准状态下，发生了反应进度为在标准状态下，发生了反应进度为1mol的化学的化学反应的

19、焓变称之为该化学反应的反应的焓变称之为该化学反应的标准摩尔焓变标准摩尔焓变。(五五) 热化学方程式热化学方程式热化学方程式（热化学方程式（Thermochemical equations）：）： 是指表示是指表示化学反应与其热效应关系的方程式化学反应与其热效应关系的方程式 。如：如：2 H2(g) + O2(g) = 2 H2O(l) rHm = -571.68 kJmol-1 (放热放热) CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g) rHm = +178 kJmol-1 (吸热吸热) r H = H（产物）（产物）- H （反应物）反应物） r H 0, 放热放热：表示产物的总焓值

20、：表示产物的总焓值反应物的总反应物的总焓值，焓值， H（产物）（产物） H （反应物）反应物）; rH 0, 吸热吸热：表示产物的总焓值反应物的总：表示产物的总焓值反应物的总焓值，焓值， H（产物）（产物） H （反应物）反应物）。2H2(g)+O2(g) 2H2O( )(298.15K) = -483.64kJmol-1rHm 聚集状态不同时，聚集状态不同时， 不同。不同。rHm2H2(g)+O2(g) 2H2O( )(298.15K) = -571.66kJmol-1rHm 化学计量数不同时，化学计量数不同时， 不同。不同。rHm(298.15K) = -241.82kJmol-1rHmH

21、2(g)+ O2(g) H2O(g)211.标明每种反应物和每种产物的标明每种反应物和每种产物的聚集状态聚集状态和和晶形晶形。聚集状态：聚集状态：s solid （固体），固体）， l liquid（液体），液体）， g gas（气体），气体），固体：固体：晶体晶体(crystal)和和无定形体（无定形体（amorphous solid)。晶体晶体可有可有不同晶形：不同晶形： C（石墨），石墨），C（金刚石）和金刚石）和 C（ C60） ； S（菱形）和菱形）和 S（单斜）单斜）2. 标明反应温度标明反应温度。（若不写温度，是指。（若不写温度，是指298.15 K） “热力学标准态热力学标准态

22、”不涉及温度不涉及温度。 若不是若不是298.15 K ，必须写出，例：，必须写出，例： CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g) rHm （1000 K）= +1785 kJmol-1书写书写“热化学方程式热化学方程式”注意事项：注意事项：3. 热化学方程式中的热化学方程式中的系数系数是计量系数，是计量系数，无量纲无量纲。4. H 的单位是的单位是kJmol-1,此处此处mol的的“基本单元基本单元”是是指指“方程式所表示出来的方程式所表示出来的质点的特定组合质点的特定组合”。因。因此，离开热化学方程式，只写此，离开热化学方程式，只写H 值，毫无意义。值，毫无意义。5. 反应逆向

23、反应逆向进行时，进行时，H 绝对值相同，绝对值相同，符号相反符号相反。 2 H2(g) + O2(g) = 2 H2O(l) rHm = -571.68 kJmol-1 (放热放热) 2 H2O(l) = 2 H2(g) + O2(g) rHm = +571.68 kJmol-1 (吸热吸热)标准状态时标准状态时,由由最稳态单质最稳态单质生成生成1mol某物质的化某物质的化学反应的学反应的标准摩尔焓变标准摩尔焓变称为称为标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓。f Hmform生成生成1mol物质物质热力学标准态热力学标准态最稳态单质最稳态单质指标准压力和该温度下最稳定的单质。指标准压力和该温度下最稳定的

24、单质。如如C：石墨石墨(s)；Hg：Hg(l) 等。但等。但P为白磷为白磷(s)，即，即P（s，白）白）,Br2(l)。fHm(最稳态单质最稳态单质,T)=0 规定：规定：最稳定单质最稳定单质的的 fH m (T ) = 0 kJmol-1 fHm (H2(g) = 0 kJmol-1 fHm (O2(g) = 0 kJmol-1 fHm (C (石墨石墨) = 0 kJmol-1 但，但，fHm (O3(g) = +143 kJmol-1 fHm (C (金刚石金刚石) = +1.987 kJmol-1 例：例： Cu(s) + O2 (g) = CuO (s)rHm = fHm (CuO

25、(s)- fHm (Cu(s) ) - fHm (O2 (g) ) = - 157 kJmol-1 fHm (CuO (s) = - 157 kJmol-1 化学反应的恒压或恒容的热效应只与物质化学反应的恒压或恒容的热效应只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。的始态或终态有关而与变化的途径无关。(总反总反应的热效应等于各分步反应的热效应之和应的热效应等于各分步反应的热效应之和)rHm,1rHm,2rHm+=或rHm=rHm,i 例：已知298.15K下，反应：计算298.15K下，CO的标准摩尔生成焓。应用：应用：利用方程式组合计算利用方程式组合计算rHm)(gCO (g)OC(s)(1

26、)22(1) = -393.5kJmol-1rHm(g)CO (g)OCO(g)(2)2221(2) = -282.98kJmol-1rHm解：利用Hess定律)(gOC(s)2)g(CO)g(O221 gCO2途径1途径2(1)rHm(3)rHm(2)rHm-=(1)rHm(2)rHm(3)rHm= -110.53kJmol-1途径3+ +=(2)rHm(3)rHm(1)rHm（一）（一） 由标准摩尔生成焓计算由标准摩尔生成焓计算 反应的标准摩尔焓变反应的标准摩尔焓变*（二）（二） 由标准摩尔燃烧焓计算由标准摩尔燃烧焓计算 反应的标准摩尔焓变反应的标准摩尔焓变应用赫斯定律可以计算难以测定或无

27、法应用赫斯定律可以计算难以测定或无法用实验测定的反应热。用实验测定的反应热。(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)- -0 kJmol-1= -905.4 8kJmol-1结论：结论： aA + bB yY + zZ(B,相态,T)fHmBrHm(T) =核心核心是解决化学反应是解决化学反应过程过程的的能量交换能量交换（热效应）（热效应）问题问题1. U = Q + W （封闭体系封闭体系）2. 许多反应的许多反应的热效应