化学反应热效应

关于化学反应热效应1第一页，共七十页，2022年，8月28日绪论化学是一门既古老又年轻的科学。化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学，主要是研究物质的分子转变规律的科学。化学与物理一起属于自然科学的基础学科。研究现状(2000年)化合物>2000万种时间分辨率：1fs空间分辨率：0.1nm分析所需最小量：10-13ug。2第二页，共七十页，2022年，8月28日化学的定义与分支学科化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学无机化学：无机物有机化学：碳氢化合物及衍生物分析化学：测量和表征定义：化学的分支学科物理化学：所有物质系统高分子化学：高分子化合物若干新分支：环境化学、核化学等等3第三页，共七十页，2022年，8月28日2-（乙酰氧基）苯甲酸。分子式：C9H8O4分子量：180.16阿司匹林AspirinTablets4第四页，共七十页，2022年，8月28日三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。简称三胺，又叫2,4,6-三氨基-1,3,5-三嗪、蜜胺、氰尿酰胺、三聚氰酰胺，分子式C3N6H6、C3N3(NH2)3，分子量126.12三聚氰胺（Melamine）5第五页，共七十页，2022年，8月28日化学的地位和作用化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一化学继续推动材料科学发展化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障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化学是生命科学的重要支柱6第六页，共七十页，2022年，8月28日学习的目的、内容和要求了解当代化学学科的概貌用化学的观点分析、认识生活和工作中的化学问题学习内容理论化学：两条“主线”应用化学：化合物知识；化学在相关学科中的应用实验化学学习要求辨证的思维发展的眼光实践的方法学习目的7第七页，共七十页，2022年，8月28日学习要求：

了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验计算方法。了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力学能变的关系。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。第1章热化学与能源8第八页，共七十页，2022年，8月28日目录1.1反应热的测量1.2反应热的理论计算1.3常见能源及其有效与清洁利用1.4清洁能源与可持续发展选读材料核能Ⅰ.核燃料和核能的来源Ⅱ.核电的优势与发展趋势本章小结9第九页，共七十页，2022年，8月28日1.1反应热的测量系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和空间。开放系统

有物质和能量交换封闭系统

只有能量交换1.1.1几个基本概念1系统与环境图1.1系统的分类隔离系统

无物质和能量交换10第十页，共七十页，2022年，8月28日2相系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称为相。根据相的概念，系统可分为：单相（均匀）系统多相（不均匀）系统相与相之间有明确的界面。思考：1)101.325kPa，273.15K(0°C)下，H2O(l),H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少2)CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g)并达到平衡的系统中的相数。11第十一页，共七十页，2022年，8月28日3状态与状态函数状态函数用于表示系统性质的物理量X称状态函数，如气体的压力p、体积V、温度T等。状态:系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之分如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。12第十二页，共七十页，2022年，8月28日状态函数的性质

状态函数是状态的单值函数。当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。图1.2状态函数的性质以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数压力p和体积V的变化量与途径无关。系统压力从3pº变为p°13第十三页，共七十页，2022年，8月28日广度性质和强度性质状态函数可分为两类：广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力等思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强(热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论？推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量14第十四页，共七十页，2022年，8月28日4过程与途径过程：系统状态发生任何的变化称为可逆过程体系经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ后，如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程途径：实现一个过程的具体步骤思考：过程与途径的区别。设想如果你要把20°C的水烧开，要完成“水烧开”这个过程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧。15第十五页，共七十页，2022年，8月28日5化学计量数一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系，通式为：B称为B的化学计量数。符号规定：反应物：B为负；产物：B为正。附例1.1应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式：

N2+3H2==2NH3解：用化学反应通式表示为：

0=-N2-3H2+2NH316第十六页，共七十页，2022年，8月28日6反应进度ξ的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？有关。如对于反应：0

=–N2

–3H2+2NH3

，当有1molNH3生成时，反应进度为0.5mol。若将反应写成则反应进度为1mol。反应进度ξnB

为物质B的物质的量dnB表示微小的变化量或17第十七页，共七十页，2022年，8月28日化学反应过程中系统放出或吸收的热量，热化学规定，系统放热为负，系统吸热为正反应热当反应进度为1mol时系统放出或吸收的热量摩尔反应热——一定量反应物在给定条件下的反应热——溶液的质量——溶液温度差——吸热溶液比热容——溶液的热容1.1.2反应热的测量18第十八页，共七十页，2022年，8月28日图1.3弹式量热计思考：用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热？答：定容反应热化学反应放出的热=水吸收的热+量热计吸收的热由仪器供应商提供，使用时校验1反应热的实验测量方法19第十九页，共七十页，2022年，8月28日20第二十页，共七十页，2022年，8月28日示例例1.1联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)

+2H2O(l)已知：解：燃烧0.5g联氨放热为21第二十一页，共七十页，2022年，8月28日2热化学方程式表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)

+2H2O(l)；2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；若不注明T,p,皆指在T=298.15K，p=100kPa下。标明反应温度、压力及反应物、生成物的量和状态书写热化学方程式时应注意：反应热与反应式的化学计量数有关；

一般标注的是等压热效应qp。22第二十二页，共七十页，2022年，8月28日1.2反应热的理论计算并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：2C(s)+O2(g)==2CO(g)思考：为什么上述反应的反应热无法实验测定？实验过程中无法控制生成产物完全是CO。能够精确测量的是，但生产中需要的是23第二十三页，共七十页，2022年，8月28日封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热q，从环境得功w，则系统内能的增加ΔU=（U2–U1）为ΔU

=q+w热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的的应用。其中，内能现称为热力学能。在任何过程中能量不会自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变1.2.1热力学第一定律24第二十四页，共七十页，2022年，8月28日热力学能系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平动、转动、振动以及电子运动和核运动。思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在10000m高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上。两者的内能相同吗？相同。由于分子内部运动的相互作用十分复杂，因此目前尚无法测定内能的绝对数值。状态函数无绝对数值广度性质内能的特征：25第二十五页，共七十页，2022年，8月28日状态函数特点

状态一定，其值一定

殊途同归，值变相等

周而复始，变值为零能量是状态的单值函数，其变化值只取决于变化的终态和始态，而与变化的途径无关26第二十六页，共七十页，2022年，8月28日热在物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为热。热的符号规定：系统吸热为正，系统放热为负。热量q不是状态函数27第二十七页，共七十页，2022年，8月28日功与体积功在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以外的方式交换的能量都称为功。功的符号规定：（注意功符号的规定尚不统一）系统得功为正，系统作功为负。思考：1mol理想气体，密闭在（1）气球中，（2）)钢瓶中；将理想气体的温度提高20ºC时，是否做了体积功？功w也不是状态函数1)做体积功，2)未做体积功。由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体积功w体。所有其它的功统称为非体积功w′w=w体+

w′28第二十八页，共七十页，2022年，8月28日1.2.2化学反应的反应热与焓根据反应条件的不同，反应热又可分为：恒容过程，体积功w体=0，不做非体积功w'=0时，所以，w=w体+

w′=0，qV=ΔU定容反应热恒压过程，不做非体积功时，w体=–

p(V2–V1)，所以

qp=ΔU+p(V2–V1)定压反应热反应物和生成物具有相同温度时，系统吸收或放出的热量反应热29第二十九页，共七十页，2022年，8月28日1焓∵qP

=△U+p(V2–

V1)=(U2-U1)+p(V2–

V1)=(U2+p

2V2)–(U1+p1V1)公式qp

=ΔH的意义：等压热效应即为焓的增量，所以可以通过ΔH的计算求出qP

的值。令

H

=

U+p

V则qp

=H2–

H1=ΔHH称为焓，是一个重要的热力学函数。是状态函数，但不能知道它的绝对数值。30第三十页，共七十页，2022年，8月28日2定容反应热与定压反应热的关系已知 定容反应热：qV=ΔU；

定压反应热：qp=ΔUp+p(V2–V1) 等温过程，ΔUpΔUV，则：qp–

qV

=n2(g)RT–n1(g)RT=Δn(g)RT对于理想气体反应，有：对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气相来说，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体的物质的量。ΔH–ΔU=qp–

qV=p(V2–V1)思考：若反应C(石墨)+O2(g)→CO2(g)

的qp,m为–393.5kJ·mol–1，则该反应的qV,m为多少？该反应的Δn(g)=0，qV

=qp所以 对于没有气态物质参与的反应或Δn(g)0的反应，qVqp 对于有气态物质参与的反应，且Δn(g)0的反应，qVqp31第三十一页，共七十页，2022年，8月28日3盖斯定律化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。始态

C(石墨)+O2(g)终态

CO2(g)中间态

CO(g)+½O2(g)即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。32第三十二页，共七十页，2022年，8月28日盖斯定律示例由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和附例1.3

已知反应和的反应焓，计算的反应焓，解：33第三十三页，共七十页，2022年，8月28日1.2.3反应标准摩尔焓变的计算1热力学标准态气体物质的标准态：标准压力p下表现出理想气体性质的纯气体状态溶液中溶质B的标准态是:标准压力p

下，质量摩尔浓度为b

(1.0mol.kg-1),并表现出无限稀溶液中溶质的状态;本书采用近似c=1.0mol.dm-3)液体或固体的标准态是:标准压力p

下的纯液体或纯固体34第三十四页，共七十页，2022年，8月28日2标准摩尔生成焓指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l)等。但P为白磷(s)，即P（s，白）。298.15K时的数据可以从手册上查到。思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓(反应物和生成物都是标准态)?显然，标准态指定单质的标准生成焓为0。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。(1)(2)(3)标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质B时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作。35第三十五页，共七十页，2022年，8月28日3标准摩尔焓变及测定测定原理：由于qp=ΔH所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件下的反应热得到反应标准摩尔焓变标准状态下,反应进度ξ=1mol的焓变称为反应的标准摩尔焓变:记作标准状态单位物质量生成反应36第三十六页，共七十页，2022年，8月28日4反应的标准摩尔焓变的计算可从手册数据计算298.15K时的标准摩尔反应焓.稳定单质反应物

标准状态生成物

标准状态rHmfHm(p)fHm(r)由盖斯定律，得：37第三十七页，共七十页，2022年，8月28日标准摩尔反应焓变计算示例解：从手册查得298.15K时Fe2O3和Al2O3的标准摩尔生成焓分别为–824.2和–1675.7kJ·mol-1。例1.4试计算铝热剂点火反应的反应计量式为：38第三十八页，共七十页，2022年，8月28日注意事项应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时需要注意物质的聚集状态，查表时仔细公式中化学计量数与反应方程式相符数值与化学计量数的选配有关；温度的影响39第三十九页，共七十页，2022年，8月28日附例1.4

设反应物和生成物均处于标准状态，计算1mol乙炔完全燃烧放出的能量。解：从手册查得298.15K时，各物质的标准摩尔生成焓如下226.730-393.509-285.8340第四十页，共七十页，2022年，8月28日1.3常见能源及其有效与清洁利用能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。思考：能源对于人类的重要性，为什么能源科学被列为当今社会的三大支柱之一。能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。能源是我们赖以生存的重要物质基础。41第四十一页，共七十页，2022年，8月28日1.3.1世界能源的结构与能源危机1.能源的分类激光太阳能、地热、风能、海洋能非燃料能源人工沼气、氢能核能燃料能源新能源电力、蒸汽、热水水能非燃料能源煤气、焦碳、成品燃油、液化气、酒精煤炭、石油、天然气、生物质能燃料能源常规

能源二次能源一次能源利用

状况使用

性质形成条件表1.2能源的分类42第四十二页，共七十页，2022年，8月28日2世界能源的结构和消耗195019601970198019902010102030405060能源结构比例(%)年代图1.7世界消耗的一次能源结构煤炭

石油

天然气

水电及其它43第四十三页，共七十页，2022年，8月28日3能量消耗前六名的国家美国中国俄罗斯日本德国印度51015202530能源结构比例(占世界%)国家煤炭

石油

天然气

核能

水电25.410.47.26.04.12.9图1.8世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）趋势（比例）：石油和天然气下降；煤炭上升；核电上升。44第四十四页，共七十页，2022年，8月28日4能源危机本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降思考：核能属于常规能源吗？45第四十五页，共七十页，2022年，8月28日1.3.2煤炭与洁煤技术思考：我国能源结构的特点是什么？我国的能源结构中，煤炭占据重要地位：占总能量的70%以上。此外，我国也是世界上煤炭储量最大的国家，因此，如何高效、科学、清洁地利用煤炭资源是我国能源科学和研究中的重要课题。我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中的二氧化硫是造成酸雨的主要原因。46第四十六页，共七十页，2022年，8月28日1煤炭的成分与热值煤炭的主要成分：碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。煤炭的热值：单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。标准煤的热值为29.3MJ·kg-1。无烟煤：低硫，较好；烟煤：高硫，燃烧环境污染；褐煤：储量大，但热值低。煤炭的分类：47第四十七页，共七十页，2022年，8月28日2洁净煤技术洁净煤技术于1986年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一煤甲醇合成汽油液体燃料新型液态燃料48第四十八页，共七十页，2022年，8月28日1.3.3石油和天然气石油石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。思考：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地在哪儿？世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。49第四十九页，共七十页，2022年，8月28日1石油燃料产品石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤油、柴油、润滑油和沥青等产品。思考：以上产品中最重要的是什么？汽油。95%的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为55~72之间，在汽油中加入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到79~88，为了防止铅在汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅，与尾气一同排入大气。思考：汽车尾气污染物是什么？如何解决？主要污染物：NO、CO、HC和含铅化物等。解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。50第五十页，共七十页，2022年，8月28日2天然气天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷，常与石油伴生。其热值约为55.6MJ•kg-1。天然气的优点：可直接应用易于管道输送污染少思考：西气东送具有哪些重要意义？51第五十一页，共七十页，2022年，8月28日3沼气和生物质能植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产生的气体称为沼气。沼气约含60%的甲烷，其余为二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。思考：可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家使用过沼气吗？农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃气体。都是。沼气也属于生物质能。柴火是生物质能的直接利用。思考：沼气和柴火是生物质能吗？52第五十二页，共七十页，2022年，8月28日4可燃冰—未来的新能源天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明结晶，外形似冰，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。CH4·xH2O(s)。形成条件：低温高压如0℃，76MPa。储量：数据相差较大。总量相当于161万亿吨煤，可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总和的2~3倍。分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海、南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的一半。开采难，储量丰富。53第五十三页，共七十页，2022年，8月28日1.3.4煤气和液化气煤气煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂的副产品。液化气煤气的组成H2：50%；CO：15%；CH4：15%，热值约16MJ•M-3思考：与煤气相比，液化气有哪些优点？无毒、低污染、热值高于煤气。液化气作动力→绿色汽车←燃料电池（各国竞争发展）54第五十四页，共七十页，2022年，8月28日1.4清洁能源与可持续发展思考1：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是无限的(不考虑太阳的寿命)？思考2：你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？1.矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的能源（如太阳能）和核能是无限的。2.开放性的结论1992年，联合国环境于发展大会上提出了社会、经济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源作为最紧缺的资源对人类社会的可持续发展起着关键的作用。55第五十五页，共七十页，2022年，8月28日1.4.1能源开发与可持续发展我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发及进一步开发新能源，才能实现可持续发展。图1.9治理前的热电厂最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。56第五十六页，共七十页，2022年，8月28日1.4.2氢能氢能是一种理想的二次清洁能源。氢能的优点

热值高，其数值为142.9MJ•kg-1。燃烧反应速率快，功率高原料是水，取之不尽产物是水，不污染环境思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些方面的问题？经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用57第五十七页，共七十页，2022年，8月28日1氢气的制取太阳能光解电解作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。2NaCl+2H2OCl2+H2+2NaOH电解思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？从经济上考虑是不可行的。利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有前途的制氢方法。是研究的热点。58第五十八页，共七十页，2022年，8月28日2氢气的储运氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的储存和运输是一个比较困难的问题。合金贮氢法原理：氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合物，这些化合物在合适的条件下可以释放出氢气。如镧镍合金：开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的热门分支。LaNi5+3H2

LaNi5H6300kPa加热59第五十九页，共七十页，2022年，8月28日1.4.3太阳能太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式思考：如何利用太阳能？太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形式，主要有以下三种：转换为热能转换为电能转换为化学能图1.10太阳能电池60第六十页，共七十页，2022年，8月28日1转换为热能思考：太阳能热水器的工作原理？太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的一个例子。其原理就是将太阳能转换为热能，是目前直接利用太阳能的最主要方式。将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子的有效吸收。思考：太阳光能的缺点是什么？1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。2、对天气的依赖性强。61第六十一页，共七十页，2022年，8月28日2转换为电能思考