《工程化学》化学反应基本规律

1、第一章 化学反应基本规律许多反应我们可以看得到，4Fe + 3O2 = 2Fe2O3Pb(NO3)2 + 2KI = PbI2 + 2KNO3Mg + CO2 = MgO + CO如：有的反应难以看得到： Pb2+ + EDTA = Pb-EDTA有的反应式可以写出来，却不知到能否发生？Al2O3 + 3CO = 2Al + 3CO2 这就需要了解化学反应的基本规律。热力学研究化学变化和相变化过程中能量转换规律的科学。其中最重要的是化学热力学。 化学热力学有三个定律，我们重点讨第一、第二定律。一、系统和环境系统：作为研究对象的那一部分物质。也称体系或物系。环境：系统之外，与系统密切联系的其它物

2、质。也称外界。 系统和环境随研究需要而变化。第一节 几个基本概念敞开系统： 系统与环境之间既有物质交换， 又有能量交换。 封闭系统：系统与环境之间没有物质交换， 只有能量交换。孤立系统：系统与环境之间既无物质交换， 又无能量交换。封闭系统孤立系统敞开系统 相：系统中组成、性质完全相同的均匀部分。相与相之间有明确的界面。如：二、相单相系统：只有一个相的体系，也称均相系统。多相系统：含有两个或两个以上相的体系， 也称非均匀系统。多相系统 在化学反应中，质量既不能创造，也不能毁灭，只能由一种形式转变为另一种形式。 通常用化学反应计量方程表示这种系统。B 称化学计量数。通式：0 = B BB第二节 化

3、学反应中的质量守恒和能量守恒一、化学反应质量守恒定律以合成氨反应为例：可写为：对于一般的反应： aA + bB = gG + dD 其化学反应计量方程为： 0 = BBB 其中B 的符号： a、b为负；g、d为正N2 + 3H2 = 2NH30 = N2 3H2 +2NH3即：N2 + 3H2 2NH3 在任何过程中，能量既不能创造，也不能消灭， 只能从一种形式转化为另一种形式。此即热力学第一定律，通常表示为：U = Q + W化学反应中的能量守恒定律二、热力学第一定律1. 状态和状态函数状态：描述系统的性质的综合。状态函数：表示系统状态性质的物理量。特点：状态一定，状态函数的数值一定。状态变

4、化，状态函数也随着变化， 但状态函数的改变量只与始态、终 态有关，而与变化的途径无关。具有加和性的状态函数称为量度性质或广 度性质，如体积V、物质的量n等；无加和性的状态函数称为强度性质，如温 度T、压力p、密度等。2. 热力学能热力学能：系统内部能量的总和，也称内能。 符号：U ；其值与n 成正比。无绝对数值；U 是状态函数；单位：kJ； 包括系统内部各种物质的分子平动能、分子转动能、分子振动能、电子运动能、核能等。3. 热和功系统与环境之间由于温度不同而传递的能量。*热热力学中将能量交换形式分为热和功。 符号：Q ；系统放热：Q 0； Q 不是状态函数。单位：kJ；*功功分为：体积功 W

5、(W = pV )； 单位：kJ； W 不是状态函数。系统对环境作功: W 0；非体积功 W。系统与环境交换能量的另一种形式。 体积功（膨胀功）：系统反抗外压，体 积变化时与环境交换的功。 非体积功（非膨胀功）：除体积功之外 的功，如表面功、电功等。V2p外V1Al4. 热力学第一定律的数学表达式变到状态2，热力Q 0W 0U2 = U1 + Q + W从环境吸一封闭系统1，热力学能U1，对环境做功W，则有：U = U2 U1 = Q + W 1 U1 2 U2注:书中若未特别指明，所讨论的均为封闭系统。收热Q，学能U2。W = 550kJ 例：某系统吸收热量 1000kJ，并对环境做了550

6、kJ 的功，试计算系统的内能变化。系统的内能增加 450kJ。U = Q + W = 1000 + (550) = 450kJ解： Q = 1000kJ某系统由状态 (1) 到状态 (2)，沿途径完成时放出热量 100J，环境对系统做功 50J；沿途径完成时，系统对环境做功 80J，则Q 值为 ( ) (A) 70J (B) 30J (C) 30J (D) 70J选择题B三、化学反应的反应热 化学反应系统与环境进行能量交换的主要形式是热称反应热或热效应。 通常把只做体积功，且始态和终态具有相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做反应热。根据反应条件的不同，反应热可分为：恒容反应热和恒压反应热。1.

7、 恒容过程反应热 QV 对于封闭系统，在恒容过程中，不做任何非体积功，恒容热 QV 不是状态函数。V = 0，W = 0，U = Q + WU = QV2. 恒压过程反应热Qp与焓在恒压过程中，不做任何非体积功，令： H = U + pV 称：焓则：Qp = H2 H1 = Hp外 = p= p1= p2U = Q + W = Qp p外VQp= U + pV = U2 U1+ p(V2 V1)= (U2 + p2V2) (U1+ p1V1)根据 Q 符号的规定，有： H 是状态函数；单位： kJ；其值与n 成正比。无绝对数值；符号：H ；焓：恒压热Qp不是状态函数。Qp 0，H 0，H 0，

8、恒压反应系统吸热。恒容、恒压过程中热量的测量弹式量热计测QV杯式量热计测Qp1. 标准摩尔反应焓变 某温度T 下，反应中各物质处于标准态时，反应进度 = 1mol（即按指定化学计量方程式一次完全进行的反应）时的反应热效应，称为标准摩尔反应焓变。单位：kJmol1 符号：当未指明温度(T)时，均指 298.15K。四、化学反应反应热的计算热力学关于标准态的规定(1) 气体：在标准压力p =100kPa时的(假想的)理想气体状态。在气体混合物中，指相应各气体物质的分压为 p。(2) 溶液：在标准压力p 时溶质的标准质量 摩尔浓度 b =1molkg1，对于稀溶液 b c =1molL1 。 (3)

9、 液体和固体：在标准压力p 时的纯液体 和纯固体。标准态没有指定温度。热化学方程式 rHm = 393.5kJmol1rHm = +285.83kJmol1 表示化学反应及其反应热效应之间关系的方程式。2H2(g)+O2(g) 2H2O(g)2H2(g)+O2(g) 2H2O(l)H2(g)+ O2(g) H2O(l) 聚集状态不同时，rHm 不同。rHm (298K) = 483.64kJmol1rHm (298K) = 571.66kJmol1 化学计量数不同时，rHm 不同。rHm (298K) = 285.83kJmol1热化学方程式的书写(5) 反应方程式与 间用逗号或分号分开。(4

10、) 正、逆反应的 数值相等，符号相反。(3) 注明反应的温度和压力。如果不注明，则 表示为298K，100kPa ，即常温常压。(2) 注明反应物、生成物的聚集状态。固态s， 液态 l，气态 g，水溶液 aq。固体的晶型。(1) 写出化学计量方程式。同一反应，反应 式系数不同， 不同。 中的m表示按照反应方程式各物质 进行了完全反应，反应进度为1mol。2. 标准摩尔生成焓 在标准态下，指定温度T(K) 时，由参考态元素生成1mol某物质 B 时的焓变，称为标准摩尔生成焓。H2(g) + O2(g) H2O(g)f Hm (H2O,g,298K) = 241.82kJmol1f Hm (参考态

11、元素,T ) = 0 符号：f Hm (B,相态,T) 单位：kJmol1下列哪些是参考态元素？（1）Hg(l) Br2(l) Hg(g) Br2(g) （2）C (s,石墨) C (s,金刚石) （3）P (白磷) P (红磷) P (黑磷)是否是否是否否参考态元素：指在所讨论的温度和压力下最稳定状态的单质，或为指定单质。 r Hm = 74.6kJmol1f Hm (CH4,g) = 74.6kJmol1rHm 与 fHm 的关系 3. 盖斯定律盖斯Germain Henri Hess 1802-1850瑞士出生的俄国化学家一个化学反应不论是一步完成，或是分几步完成，其热效应完全相同。盖斯

12、定律适用条件：恒容无非体积功或恒压无非体积功。始态终态中间态或 利用已知反应的焓变(热效应)去求算一些未知的或难以直接测定的反应的焓变。例：已知298.15K下，反应：计算298.15K下，CO的标准摩尔生成焓。(1) C(石墨)+O2(g) CO2(g)始态终态C(石墨)+O2(g)CO2(g)方法1注意：方程式相加减时，反应条件和物质的聚集状态必须相同。 )方法2已知下列热化学方程式:C6H6(l) + 7 O2(g) 6CO2(g) + 3H2O(l) rHm (1) = 3267.6 kJmol1，C(石墨) + O2(g) CO2(g) rHm (2) = 393.5 kJmol1，

13、H2(g) + O2(g) H2O(l) rHm (3) = 285.8 kJmol1， 则 反 应 6C(石墨) + 3H2(g) C6H6(l) 的 rHm 为 ( )(A) 49.2 kJmol1； (B) 49.2 kJmol1；(C) 2588.3 kJmol1； (D) 98.4 kJmol1。2121A4.由标准摩尔生成焓求标准摩尔反应焓变= 393.51 +2(285.83) (74.81) 20= 890.36kJmol1aA + bB gG + dD或结论：式中，B为反应中物质B的化学计量数 (反应物取负值，生成物取正值)。= 2(395.7) 2(296.8) 0解:= 197.8 (kJmol1)例：计算反应 2SO2(g) + O2 (g) = 2SO3(g) 在298K时的