热化学与能量转化市公开课获奖课件

1、第一章 热化学与能源1第1页第1页研究化学反应经常碰到问题1.化学反应能否自发进行？2.反应进行速率有多大？3.反应进行极限(化学平衡)。4.反应中能量改变(热化学)。5.反应是如何进行(反应机理)？2第2页第2页第一章热化学与能源 基 本 内 容3.阐明化学反应中质量关系和能 量关系。1.阐述化学中计量，以巩固高中 化学中相关概念;2.引入化学计量数，反应进度，状 态函数,原则态和反应焓变等重 要概念;3第3页第3页 会应用热化学方程式和物质原则摩尔生成焓计算原则摩尔反应焓变。 基 本 要 求第一章热化学与能源4第4页第4页第一章热化学与能源1-1 反应热测量1-2 反应热理论计算 目 录1

2、-3 能源及其有效与清洁 利用5第5页第5页第一节 反应热测量6第6页第6页1-1-1 基本概念1、系统与环境1、定义系统: 所需研究那部分物质或空间。环境: 体系之外与体系有一定联系 其它物质或空间。体系环境物质能量7第7页第7页2、分类 依据系统与环境之间联系，把系统分为三种类型： 敞开系统系统与环境之间，既有物质传递又有能量互换。 封闭系统系统与环境之间，没有物质传递而只有能量互换。 隔离系统(孤立系统)系统与环境之间，既没有物质传递也没有能量传递。8第8页第8页封闭系统 三种热力学系统：孤立系统 孤立系统是一个科学抽象,对于科学研究有主要意义.敞开系统9第9页第9页2、汇集体和相 自然

3、界中物质呈现汇集状态，熟知有气态，液态和固态，另外尚有等离子体态，超高温下地壳内部状态等。 任一汇集状态内部物理及化学性质均匀部分称为相。 比如，有两种气体构成混合物，在低压及中压下只有一个相，但在高压下，气体也许分层，有界面，且该界面两边气体性质发生突变，实为两个相，但这个体系却只有一个汇集态气态。10第10页第10页 又如，不形成固溶体三种不同物质固体混合物，体系只存在一个聚集态固态，但不论将他们研磨怎样细微，混合怎样均匀，依然是三相混合物。 因此处于同一相中物质一定处于同一聚集态，而处于同一聚集态物质不一定是处于同一相中。 液体，不分层为一相，分几层为几相； 固体，有几个固体为几相。11

4、第11页第11页思考：1) 101.325kPa，273.15K(0C)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中相数为多少。2) CaCO3(s)分解为CaO (s)和CO2(g)并达到平衡系统中相数。12第12页第12页1.状态：表征体系性质物理量所拟定体系存在形式。 由 p、V、T、n 等物理量所拟定下来体系存在形式称为体系状态3、状态及状态函数 对一系统，各种性质都有拟定数值，该系统状态便被拟定；反之，当系统状态已拟定期，该系统各种性质也必都有拟定值。13第13页第13页2. 状态函数： 拟定体系状态宏观性质物理量称为状态函数如 物质量、压力、体积、温度3. 状态函

5、数特点：(1)体系状态一拟定，各状态函数都有拟定值。(2)体系状态发生改变时,各状态函数改变量，只与始态和终态相关,与改变路径无关。14第14页第14页(3)描述体系所处状态各状态函数之间是有联系。抱负气体T=280K抱负气体T=300K抱负气体T=350KT=350K-300K=50K15第15页第15页P3=303.9kPaT3=473KV3=0.845m3p1=101.3kPaT1=373KV1=2m3p1= 202.6kPaT1= 373KV1=1 m3 （I）加 压（II）加压、升温减压、降温始 态终 态图1-1 理想气体两种不同改变过程即： X =X2-X116第16页第16页广度

6、性质和强度性质状态函数可分为两类：广度性质：其量值含有加和性，如体积、质量等。强度性质：其量值不含有加和性，如温度、压力等。思考：力和面积是什么性质物理量？它们商即压强(热力学中称为压力)是强度性质物理量。由此能够得出什么结论？推论：摩尔体积(体积除以物质量)是什么性质物理量？力和面积都是广度性质物理量。结论是两个广度性质物理量商是一个强度性质物理量。17第17页第17页4、过程与路径1.过程: 体系状态改变过程 T一定 T = 0 (等温过程)p一定 p = 0 (恒压过程)V一定 V = 0 (恒容过程)体系与环境间无热互换 Q0 (绝热过程)2.路径：完成过程详细步骤称为路径 状态1 状

7、态2 ： 路径不同，状态函数改变量相同；18第18页第18页298 K，101.3 kPa298K，506.5 kPa375 K，101.3 kPa375 K，506.5 kPa恒温过程路径(II)恒压过程路径(I)恒温过程(I)恒压过程(II)实际过程图1-2 实际过程与完成过程不同路径19第19页第19页化学反应 cC + dD = yY + zZ移项 0 = -cC - dD + yY + zZ 令 -c =C、-d =D、y =Y、z =Z0 BBB可简化写出化学计量式通式：得 0 =CC +DD +YY + ZZB表示反应中物质化学式，B是B化学计量数。化学计量数()5、化学计量数和

8、反应进度20第20页第20页 对于同一个化学反应，化学计量系数与化学反应方程式写法相关。比如，合成氨反应写成： 要求，反应物化学计量数为负， 产物化学计量数为正。21第21页第21页N2 + 3H2 = 2NH30 = - N2 - 3H2 + 2NH3 = (N2)N2 + (H2)H2 +(NH3)NH3N2、H2、NH3化学计量数 (N2) = -1、(H2) = -3、(NH3) = 2表明反应中每消耗1mol N2和3mol H2 生成2mol NH3例22第22页第22页若写作：1/2N2(g) + 3/2H2(g) = NH3(g)则v（N2）=1/2，v（H2）=3/2，v（N

9、H3) =1而对其逆反应：2 NH3(g) = N2(g)+3H2(g) 则 v（N2）=1，v（H2）=3，v（NH3）=2 23第23页第23页反应进度0 BBB对于化学计量方程式d = B-1dnB nBB物质量 单位为molB为B化学计量数 即反应系统中任一反应物或生成物在反应过程中物质量改变(nB) 与该物质计量系数(B)商就是反应进度() 。24第24页第24页反应进度对于有限改变，改写为 = B-1 nB开始时0=0、nB(0)，积分到时、nB() 得： (-0) = nB()-nB(0) B 则 = nB()-nB(0) BnB =B25第25页第25页例反应：N2 + 3H2

10、 = 2NH3N2、H2、NH3化学计量数 (N2) = -1、(H2) = -3、(NH3) = 2当00时,若有足够量N2和H2、n(NH3)0依据、 nB/Bn(N2)/moln(H2)/moln(NH3)/mol/mol0000 - -1 -1-321-2-64212123226第26页第26页n(N2)/moln(H2)/moln(NH3)/mol/mol0000 - -1 -1-321-2-6421232对同一化学反应方程式， 反应进度()值与选取反应式中何种物质量改变进行计算无关。例反应：N2 + 3H2 = 2NH31227第27页第27页注意:同一化学反应假如化学反应方程式写

11、法不同（亦即B不同），相同反应进度时对应各物质量改变会有区分。比如：当 = 1mol时反应方程式 N2+ H2=NH3N2+3H2=2NH3n(N2)/mol -1n(H2)/mol -3n(NH3)/mol121212323228第28页第28页1-1-2 反应热测量(heating effect measurement)1 热效应测量原理29第29页第29页计算公式：qcsms(T2-T1)csmsT =CST2 测量装置氧弹式量热计(calorimeter)30第30页第30页31第31页第31页3.测量办法与环节： 准确称量反应物(固态或液态）装入钢弹 内，通入氧气，密封; 将钢弹安放

12、在一钢质容器中，向容器内加入 足够已知质量水，使钢弹淹没，钢弹与 环境绝热; 准确测定系统起始温度(T1); 电火花引起反应，测量系统(包括钢弹及内 部物质、水和金属容器等)终态温度(T2)。32第32页第32页 C叫做量热计常数（calorimeter constant）为弹液(如水)和热量计部件(如杯体，钢弹,温度计,搅拌棒和引燃丝等)热容之和.(比如盛水g弹式热量计常数为10.1 kJK-1)4.计算： q-q(H2O)+qb -C(H2O)T+CbT -CT33第33页第33页例1:将0.500g N2H4(l)在盛有1210g H2O弹式量热计钢弹内完全燃烧尽。系统温度由293.18

13、K升至294.82K。已知钢弹组件在试验温度时总热容为848 JK-1。计算此条件下联氨完全燃烧所放出热量。解：Q = -(CH2O + Cb)T=-(4.181210+848)(294.82-293.18)= -9690(J) 显然，此热量与所用反应物质量相关，-9690J是对0.500g N2H4(l)而言，若以1 mol N2H4(l)计，则可乘以N2H4摩尔质量，即：Q= -9690/0.50032= -60 Jmol-134第34页第34页第二节 反应热理论计算35第35页第35页1-2-1热力学第一定律 热力学第一定律（能量守恒定律） “在任何过程中，能量既不能创造，也不能毁灭，

14、只能从一个形式转化为另一个形式。”基本概念：热力学能、热和功。36第36页第36页符号：U ，单位：kJ 、J 。 U 是状态函数；无绝对数值； U = U(终态) U(始态) 其值与n 成正比。包括分子平动能、分子振动能、分子转动能、电子运动能、核能等即内能系统内部能量总和。热力学能(以往称内能)37第37页第37页 热(Q)：体系和环境之间因温度不同而传递或互换能量形式。 功和热是体系状态发生改变时，体系和环境传递或互换能量两种形式。符号： Q ，注意 热不是状态函数 单位为J、kJ体系吸热，Q 0；体系放热，Q 0W 0, H 0放热反应：Qp 0, H 0如：2H2(g) + O2(g

15、) 2H2O(l) HQp=-571.66kJmol-1H2(g) + O2(g) H2O(l) H Qp=-285.83kJmol-11247第47页第47页定容反应热与定压反应热关系已知定容反应热：QV = U；定压反应热：Qp = Up + p(V2 V1)等温过程， Up UV，则：Qp QV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT对于抱负气体反应，有： 对于有凝聚相参与抱负气体反应，由于凝聚相相对气相来说，体积能够忽略，因此在上式中，只需考虑气体物质量。H U = Qp QV = p(V2 V1)48第48页第48页 思考：若反应 C(石墨) + O2(g) CO2(g

16、) Qp,m为393.5kJmol 1，则该反应QV,m 为多少？该反应n(g) = 0， QV = Qp 因此 对于没有气态物质参与反应或n(g) = 0反应，QV Qp 对于有气态物质参与反应，且n(g)0反应，QV Qp49第49页第49页表示化学反应与热效应关系方程式rHm摩尔反应焓变rHm = -241.82 kJmol-1H2(g) + O2(g) H2O(g) 298.15K100kPa如12表示在298.15K、100kPa下，当反应进度=1mol时(1mol H2(g)与 mol O2(g)反应，生成1molH2O(g)时)，放出241.82kJ热量。124 热化学方程式50

17、第50页第50页 热化学方程式注意： 1.注明反应温度、压力等。2.注明各物质汇集状态。3.注明反应热效应。如rHm = -241.82 kJmol-1H2(g) + O2(g) H2O(g) 298.15K100kPa1251第51页第51页 注明各物质聚集状态，聚集状态不同，热效应不同。52第52页第52页5.正、逆反应Qp绝对值相同, 符号相反。HgO(s) Hg(l) + O2(g) rHm = 90.83 kJmol-112Hg(l) + O2(g) HgO(s) rHm = -90.83 kJmol-1124.同一反应,反应式系数不同, rHm不同 。rHm = -483.64 k

18、Jmol-12H2(g) + O2(g) 2H2O(g) rHm = -241.82 kJmol-1 H2(g) + O2(g) H2O(g) 298.15K100kPa1253第53页第53页 在恒温恒压或恒温恒容条件下，体系不做非体积功，则反应热只取决于反应始态和终态，而与改变过程详细路径无关。即化学反应焓变只取决于反应始态和终态，而与改变过程详细路径无关。QV=U=U2-U15 盖斯(Hess)定律54第54页第54页C(s) + O2(g)rHm CO(g) + O2(g)12H1H2CO2(g)rHm= H1+ H2 应用盖斯定律不但可计算一些恒压反应热，并且可计算难以或无法用试验测

19、定反应热。H1 = rHm-H2=(-393.51)-(282.98)kJmol-1=-110.53 kJmol-1 依据盖斯定律，若化学反应能够加和，则其反应热也能够加和。55第55页第55页推理：任一化学反应能够分解为若干最基本反应（生成反应），这些生成反应反应热之和就是该反应反应热。如： AB + CD = AC + BD H A+B = AB H1 ; C+D = CD H2 ; A+C = AC H3 ; B+D = BD H4 。则： H =H4+H3-H1-H2即: rH=irHi56第56页第56页例2： 已知：C（s）+O2（g）CO2（g）=-393.5kJ.mol-1CO

20、(g)+O2(g)CO2(g)=-283.0kJ.mol-1问: C(s)+O2(g)CO(g)=?解:按盖斯定律=(-393.5)-(-283.0)kJ.mol-1 = -110.5kJ.mol-1Hm1Hm2Hm3Hm357第57页第57页1-2-3反应原则摩尔焓变计算原则(状)态（1）气体物质原则态是在原则压力(P =100.00kPa)时(假想)抱负气体状态;（2）溶液中溶质B原则态是:在原则压力p 时原则质量摩尔浓度b =1.0mol.kg-1 (近似为1molL-1)时抱负溶液;（3）液体或固体原则态是:在原则压力p 时纯液体或纯固体。标准态对温度没有要求，不同温度下有不同标准态5

21、8第58页第58页 在指定温度T及原则状态下，由最稳定纯态单质生成单位物质量某物质时反应焓变(即恒压反应热)称为该物质原则摩尔生成焓 符号：fHm (B，T)， 单位:kJmol-1 。 fHm0，吸热。原则摩尔生成焓fHm59第59页第59页 原则摩尔生成焓2. fHm代数值越小, 化合物越稳定。3.必须注明温度，若为298.15K时可省略。1.最稳定纯态单质fHm=0, 如fHm(石墨)=0。注意：高温时分解-157.3CuO(s)加热不分解-635.09CaO(s)稳定性fHm/(kJmol-1)物质60第60页第60页 由于QP=H,因此恒温恒压条件下反应热可表示为反应焓变:rH(T)

22、; 反应系统nB拟定为1mol时,反应热称为反应摩尔焓变:rHm(T)； 在原则状态下摩尔焓变称反应原则摩尔焓变:rHm(T)反应原则摩尔焓变rHm(T)61第61页第61页 比如: C(石)+O2(g)CO2(g) rHm 其中,C(石)为碳参考态元素,O2(g)为氧参考态元素,此反应是生成反应。因此此反应焓变即是CO2（g）生成焓：rHm(T)(T)=fHm(CO2,g,T)*参考态元素通常指在所讨论温度和压力下最稳定状态单质。也有例外.如:石墨(C),白磷(P)。62第62页第62页原则摩尔焓变计算,以乙炔完全燃烧反应为例: C2H2（g）+5/2O2（g）2CO2（g）+ H2O（l）

23、可将此反应分解为四个生成反应：2C+H2（g）C2H2（g) rHm1(T)=fHm(C2H2,T)O2(g)O2（g） rHm2(T)=fHm(O2,T)C(S)+O2（g）CO2（g) 2rHm3(T)=2fHm(CO2,T)反应原则摩尔焓变计算63第63页第63页H2(g)+O2(g)H2O(l) rHm4(T)=fHm(H2O,l,T)依据盖斯定律：rHm(T)=ifHmi(T)有:rHm=2fHm3+fHm4-fHm1-fHm2通式：rHm(T)= BBfHmB(T)64第64页第64页例3 用生成焓计算反应原则摩尔反应焓。【解】 依据盖斯定律，设计下列路径：65第65页第65页解：

24、利用盖斯定律，先设计该反应热化学循环过程： CaO(s)+ H2O(l) Ca(OH)2(s)H3 H2+Ca(s)+1/2O2(g)H2(g)+1/2O2(g) H298.15+H1+H2=H3 H298.15H298.15=H3 H1+H2=Hf(Ca(OH)2,s)- Hf(CaO,s)+ Hf(H2O,l)=(-986.17)-(-635.13)+(-285.83 )= -65.21 kJ.mol-1 例4：已知恒压反应CaO(s)+ H2O(l)Ca(OH)2(s)，求此反应原则反应热（即原则焓变）H166第66页第66页结论：对普通反应67第67页第67页 原则摩尔反应焓变计算化学

25、反应原则摩尔反应焓变等于生成物原则摩尔生成焓总和减去反应物原则摩尔生成焓总和。 化学反应：cC + dD = yY + zZ(任一物质均处于温度T原则态)rHm = yfHm(Y) + zfHm(Z) - cfHm(C) + dfHm(D)rHm =ifHm (生成物)+ifHm (反应物)计算时,注意系数和正负号68第68页第68页 计算时,注意系数和正负号 计算恒压反应:4NH3(g)+5O2(g) 4NO(g)+6H2O(g)rHm 例5解：4NH3(g)+5O2 4NO+6H2O(g)fHm/kJmol-1 -46.11 0 90.25 -241.82rHm = 4fHm(NO,g)

26、+ 6fHm(H2O,g) - 4fHm(NH3,g) + 5fHm(O2,g)=4(90.25)+6(-241.82)-4(-46.11)kJmol-1= -905.48kJmol-169第69页第69页 (rHm)3=2(rHm)2=-22.6 kJmol-1 反应rHm/kJmol-1序号2Cu2O(s)+O2(g) 4CuO(s)-292CuO(s)+Cu(s) Cu2O(s)-11.3计算fHm(CuO,s)。例6解:(2)式2=3式 2CuO(s)+2Cu(s)2Cu2O(s)(3)式+(1)式=4式 2Cu(s)+O2(g)2CuO(s)(rHm)4=(rHm)3+(rHm)1

27、=-314.6 kJmol-1 2 2(rHm)4 -314.6 kJmol-1 fHm(CuO,s)= = =-157.3kJmol-170第70页第70页例7. 计算联氨(N2H4)在空气中完全燃烧时反应原则摩尔焓变rHm（298.15K)。 =0+2(-285.83)-50.63-0kJ.mol-1 =-622.3kJ.mol-1解：71第71页第71页例8：计算反应 Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S)原则摩尔焓变。解： Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S)fHm/kJ.mol-1 0 64.77 -153.89 0 (-153.89)+0-0-

28、64.77kJ.mol-1 -218.66 kJ.mol-172第72页第72页注 意 1 fHmB(298.15K)是热力学基本数 据，可查表。单位：kJ.mol-1 2 rHm(T)rHm(298.15K)； 3 C（石）、H2（g）、O2（g）皆为参考态元 素。参考态元素原则摩尔生成焓 为零。 如：fHm(O2,g)=0 4 由于fHmB与nB成正比，在进行计 算时B化学计量数B 不可忽略。73第73页第73页讨论：f Hm与 r Hm区别与联系f Hmr Hmf Hmr Hm74第74页第74页 小结：U = q + w (封闭系统) U = qv （定容，w0） H = qp （定压

29、，w0 ) 原则摩尔生成焓fHm 处于原则压力下稳定单质生成原则压力下1mol纯物质反应焓叫做物质原则摩尔生成焓。 反应原则摩尔焓变rHm 由原则摩尔生成焓计算反应原则摩尔焓变公式为75第75页第75页 课堂练习：P43，1、2、 P44， 3、 P45， 8、9 作业： P44，4、5P45，11，13，1576第76页第76页例1：已知298.15K时下列各反应焓变值：C（石墨）+O2（g）CO2(g) H1=-393.5 kJ.mol-1 H2(g)+1/2O2(g) H2O(l) H2=-285.83kJ.mol-1 C3H8(g)+5O2(g) 3CO2(g)+4H2O(l)H3=-

30、2220.07 kJ.mol-1 ，计算下列反应焓变。 3C（石墨）+4H2 (g) C3H8 (g)； H=？ 提醒：H=（H13）+（H2 4）+（-H3） 77第77页第77页(1) C（石墨）+O2（g）CO2(g) 3 (2) H2(g)+1/2O2(g) H2O(l) 4 (3) C3H8(g)+5O2(g) 3CO2(g)+4H2O(l) -1 3C（石墨）+4H2 (g) C3H8 (g)； +H=（H13）+（H2 4）+（-H3） =（-393.5）3 + (-285.83) 4 + -(-2220.07 ) = -103.8kJ.mol-1 78第78页第78页例2：已知

31、恒压反应：2Al(s)+ Fe2O3(s) Al2O3(s)+2Fe(s)，求此反应原则反应热（即原则焓变），并判断此反应是吸热还是放热反应。 解： 2Al(s)+ Fe2O3(s) Al2O3(s)+2Fe(s)Hf 0 - 824.3 -1675 0 /（kJ.mol-1） H298.15=Hf(Al2O3, s)+2Hf(Fe, s) - Hf(Fe2O3, s)+ 2Hf(Al, s)=(-1675)+2*0 kJ.mol-1-(-824.3)+2*0 kJ.mol-1= -850.7 kJ.mol-10，故可判断此反应为放热反应。 79第79页第79页例3：依据下列反应反应热，求298.15K时AgCl 生成焓Hf(AgCl, s)Ag2O(s)+2HCl(g)=2AgCl(s)+H2O(l) H1=-324.9 kJ.mol-1(2)2Ag(s)+1/2O2(g)=Ag2O(s) H2=-30.57kJ.mol-1(3)1/2H2(g)+1/2Cl2(g)=HCl(g) H3=-92.31 kJ.mol-1（4）H2(g)+1/2O2(g)=H