普通化学50845省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

普通化学

第2章化学反应基本原理和大气污染1/91第2章化学反应基本原理和大气污染2.1化学反应方向和吉布斯函数变2.2化学反应进行程度和化学平衡2.3化学反应速率2.4大气污染及其控制2/91第二章教学大纲(6课时)2.1化学反应方向和吉布斯函数变了解反应方向及其影响原因：ΔG=ΔH－TΔS掌握反应方向判断，及ΔHθ、ΔSθ、ΔGθ、ΔG相关计算。3/91§2.1化学反应方向和吉布斯函数变2.1.1影响反应方向原因1.反应焓变2.反应熵变3.反应吉布斯函数变

自发反应(自发过程)：在给定条件下不需要外加能量而能自己进行反应或过程。4/911.反应焓变Zn(s)+2H＋(aq)===Zn2+

(aq)+H2(g)自发反应

ΔrHmθ(298.15K)=-153.9kJ•mol-1＜0放热CO2(g)===C(s)+O2(g)非自发反应

ΔrHmθ(298.15K)=393.5kJ•mol-1＞0吸热ΔHθ可作为判断是否是自发反应一个依据:ΔrHmθ＜0放热有利于自发反应能量最低原理:在反应过程中，系统有趋于最低能量状态倾向，称为能量最低原理。5/911.反应焓变但：CaCO3(s)=====CaO(s)+CO2(g)自发反应

ΔrHmθ(298.15K)

=178.33kJ•mol-1＞0吸热煅烧除ΔHθ外另有影响原因。

6/91熵：系统内物质微观粒子混乱程度(或无序度)量度。用符号S表示，S,混乱度。2.反应熵变隔离系统倾向于向熵增方向改变。绝对零度时，物质微观粒子热运动完全停顿，要求任何纯净完整晶态物质熵等于零，即S(0K)＝0。非绝对零度时，熵值可求，且熵值为正。(U、H绝对值不可求)。熵是状态函数。7/912.反应熵变要求熵：以S(0K)＝0为基准，利用物质从绝对零度到指定温度下热化学数据，所求出此温度时熵值。

标准摩尔熵：单位物质量纯物质在标准条件下要求熵。符号为Sm

，单位为J·mol-1·K-18/91熵、标准摩尔熵规律:绝对零度时，纯净完整晶态物质熵等于零,即S(0K)=0。对于水合离子，标准条件时水合H+离子标准摩尔熵值为零。相同聚集态同一物质，其熵值随温度升高而增大，即S高温

>S低温

。相同温度时，对于同一物质：Sm

(g)>Sm

(l)>Sm

(s)固体或液体溶于水时，熵值增大；气体溶于水时，熵值降低。9/91熵、标准摩尔熵温度和聚集状态相同时，结构越复杂，其熵值越大，S复杂

>S简单

。混合物或溶液熵值往往比对应纯物质熵值大，即S混合物＞S纯物质。10/91反应熵变反应标准摩尔熵变：

熵变：在特定条件下等温过程(可逆过程)中系统吸收或放出热量qr与系统熵变ΔS关系为：

ΔrSmθ(T)J•mol-1•K-1aA(l)+bB(aq)cC(s)+dD(g)

rSm

=υBSm

(生成物)+υBSm

(反应物)

=cSm

(C,s)+dSm

(D,g)-aSm

(A,l)-bSm

(B,aq)ΔrSmθ(T)≈ΔrSmθ(298.15K)ΔrSmθ计算11/91反应熵变与气体计量数关系规律：①

凡反应过程中气体计量数增加反应:

rSm

>0凡反应过程中气体计量数降低反应:

rSm

<0凡反应过程中气体计量数不变反应:

rSm

=0②没有气体参加反应，反应中物质总计量数增加反应:

rSm

>0反应中物质计量数降低反应:

rSm

<012/912.1.2反应吉布斯函数变吉布斯函数(Gibbs函数)1875年美国物理化学家吉布斯将H和S归并出一个热力学函数，即吉布斯自由能或吉布斯函数，其定义为：G=H–T·SG是状态函数。G采取相对值。13/912.1.2反应吉布斯函数变标准摩尔生成吉布斯函数(

fGm

或

fG

)在标准状态时，由指定单质生成单位物质量纯物质时反应吉布斯函数变。单位是kJ·mol-1要求在标准态下，指定单质标准生成吉布斯函数为零，

fGm

=0以水合氢离子标准生成吉布斯函数为零，即

fGm

(H+,aq)=0；14/912.1.2反应吉布斯函数变反应吉布斯函数变

rG:

rG=

rH-

r

(T·S)对于等温过程：

rG=

rH-T·

rS

rGm=

rHm-T·

rSm标准摩尔吉布斯函数变

rGm

:

rGm

=

rHm

-T·

rSm

15/912.1.3反应吉布斯函数变计算1.由

fGm

(298.15K)计算

rGm

(298.15K)

aA(g)+bB(l)===gG(s)+dD(aq)则反应标准摩尔吉布斯函数变

rGm

为：

rGm

(298.15K)=

υB

fGm

(生成物,298.15K)

+υB

fGm

(反应物298.15K)

=gfGm

(G,s)+dfGm

(D,aq)－afGm

(A,g)－bfGm

(B,l)16/912.1.3反应吉布斯函数变计算2.由

fHm

(298.15K)、Sm

(298.15K)计算

rGm

(298.15K)

rHm

(298.15K)=

υB

fHm

(生成物,298.15K)

+υB

fHm

(反应物298.15K)

rSm

(298.15K)=

υBSm

(生成物,298.15K)

+υBSm

(反应物298.15K)

rGm

=

rHm

-T·

rSm

17/91由

fHm

(298.15K)、Sm

(298.15K)计算

rGm

(298.15K)例：CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)

rHm

=178.32kJ

mol-1

rSm

=160.59J

mol-1·

K-1

rHm

=178.32kJ

mol-1>0吸热非自发反应

rSm

=160.59J

mol-1·

K-1>0熵增自发反应

rGm

=130.5(kJ

mol-1

)>0则：

rGm

=

rHm

-T·

rSm

=178.33–298.15×160.59×10－3=130.5(kJ

mol-1

)>018/912.1.3反应吉布斯函数变计算3.计算

rGm

(T≠298.15K)

rGm

(T)=

rHm

(T)-T

rSm

(T)≈

rHm

(298.15K)-T•rSm

(298.15K)由平衡常数K

、T求

rGm

(T或298.15K)例：求CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)反应在1000oC时

rGm

?已知

rHm

=178.32kJ

mol-1,

rSm

=160.59J

mol-1·

K-1则：

rGm

(1000oC)≈

rHm

(298.15K)-T·

rSm

(298.15K)≈178.33–1273×160.59×10－3=-26.11(kJ

mol-1

)<019/912.1.3反应吉布斯函数变计算4.计算非标准状态

rGm(T)由等温方程式计算：

rGm(T)=

rGm

(T)+RT•lnQQ:反应商20/91计算非标准状态

rGm(T)

rGm(T)=

rGm

(T)+RT•lnQ反应商气体反应aA(g)+bB(g)==cC(g)+dD(g)溶液反应aA(aq)+bB(aq)==dD(aq)+eE(aq)固体、液体纯物质无须代入计算。21/91反应商对于普通反应aA(g)+bB(l)gG(aq)+dD(s)22/91分压定律对于理想气体，能够利用分压定律来计算混合气体中各组分气体(A,B,…...)分压pi：p总=pA+pB+……Xi:某组分气体i摩尔分数φi:某组分气体i体积分数VA:某组分气体i分体积：在恒温下将该组分气体压缩到含有混合气体总压力时所占有体积。23/91分压定律气体体积与气体分体积体积：V总＝VA’＝VB’＝VC’分体积：V总＝VA+VB+VC分压力：p总=pA+pB+pC压力：p总=pA’=pB’=pC’24/912.1.4反应吉布斯函数变应用1.判断反应方向2.求反应能自发进行温度条件3.

fGm

数据判断化合物相对稳定性4.求平衡常数K

、电动势E25/91判断反应方向以

rG为判断标准

在恒温恒压、不做非体积功条件下，任何自发改变总是系统Gibbs函数减小。

rG<0自发过程，向正方向进行

rG=0平衡状态

rG>0非自发过程，向逆方向进行在标准状态下，G=G

，反应G

<0时是自发过程，向正方向进行。26/91判断反应方向

H、

S、T对反应自发性影响吉布斯等温方程:

G=

H-T·

S

HSG正反应<0自发(任何温度)放热<0熵减<0G<0低温时自发吸热>0熵增>0G<0高温时自发吸热>0熵减<0>0非自发(任何温度)放热<0熵增>0G=0时，转变温度SHTcDD=27/91求反应能自发进行温度条件例：CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)

rHm

=178.32kJ

mol-1

rSm

=160.59J

mol-1·

K-1

若反应自发进行，则

rGm

=

rHm

-T·

rSm

<0T>178.33/(160.59×10－3)=1110(K)T=1110K时，反应处于平衡状态T>1110K时，正反应为自发方向28/91

fGm

数据判断化合物相对稳定性应用热力学函数判断化合物相对稳定性:

fGm

＜0：化合物稳定，数值越负越稳定。

fGm

＞0：化合物是不稳定。29/91第2章化学反应基本原理和大气污染

2.1化学反应方向和吉布斯函数变作业：P1088(1)(3)计算

rHm

、rSm

、rGm

30/91第2章化学反应基本原理和大气污染2.1化学反应方向和吉布斯函数变2.2化学反应进行程度和化学平衡2.3化学反应速率2.4大气污染及其控制31/91第2章教学纲领

2.2化学反应进行程度和化学平衡掌握标准平衡常数及相关化学平衡计算了解多重平衡规则和浓度、压力、温度对平衡影响32/912.2化学反应进行程度和化学平衡2.2.1反应程度判据与化学平衡2.2.2平衡常数(标准平衡常数)2.2.3化学平衡相关计算2.2.4化学平衡移动33/912.2化学反应进行程度和化学平衡2.2.1反应程度判据与化学平衡反应程度判据自发反应总是单向地趋于平衡状态。平衡状态就是反应程度。对于恒温恒压下不做非体积功化学反应:

rG<0自发过程，向正方向进行

rG=0平衡状态

rG>0非自发过程，向逆方向进行在等温等压不做非体积功条件下，标准状态下反应

rGm

=0是平衡标志。化学平衡热力学标志，或称反应程度判据。34/912.2化学反应进行程度和化学平衡化学平衡大多数化学反应进行到一定程度，表观上好像停顿了，也就是到达了平衡状态，宏观上平衡是因为微观上仍连续进行着正、逆反应效果相互抵消所致。所以化学平衡是一个动态平衡。35/91化学平衡化学平衡基本特征

在一定条件下，可逆反应处于化学平衡状态：（1）平衡系统性质不随时间而改变，如到达化学平衡时，系统中每种物质分压力或浓度都保持不变。（2）化学平衡是动态平衡。（3）平衡是有条件、相正确。36/912.2.2平衡常数1.平衡常数在一定温度下，反应到达平衡时，生成物浓度与反应物浓度乘积之比值是一个常数，即平衡时反应商是一个常数。符号：K37/91标准平衡常数2.标准平衡常数Kθ1)对于稀溶液中反应aA(aq)+bB(aq)gG(aq)+dD(aq)浓度标准平衡常数:平衡时浓度38/91标准平衡常数2)

对于气相中反应aA(g)+bB(g)gG(g)+dD(g)浓度标准平衡常数:平衡时分压力压力标准平衡常数:39/91标准平衡常数3)

对于普通可逆反应aA(g)+bB(l)gG(aq)+dD(s)40/91Kθ数值只取决于反应本性、温度及标准态选择，而与压力和组成无关。当选定pθ＝100kPa,cθ=1mol·dm-3后，Kθ只是温度函数。同一温度下，Kθ值越大，反应进行得越彻底，反应物转化率就越高。

标准平衡常数平衡常数大小，表明了在一定条件下反应进行程度。3.标准平衡常数物理意义41/91标准平衡常数4.标准平衡常数几点说明：①平衡常数只表现反应进行程度，而不表现抵达平衡所需时间。

Kθ越大，反应越彻底，反应转化率越高；42/91标准平衡常数②平衡常数表示式与反应方程式写法相关

。1/2N2(g)+3/2H2(g)NH3(g)2NH3(g)

N2(g)+3H2(g)例

N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)43/91标准平衡常数③纯固体与纯液态在平衡常数表示式中不出现。④Kθ只是温度函数，而与压力和组成无关对同一反应，温度相同时Kθ值不变；温度不一样Kθ值也不一样。44/912.2.3化学平衡相关计算1.多重平衡规则2.K

与

rHm

、

rSm

、

rGm

关系3.平衡转化率45/91标准平衡常数1/2N2(g)+3/2H2(g)NH3(g)2NH3(g)

N2(g)+3H2(g)例

N2(g)+3H2(g)

2NH3(g)46/912.2.3化学平衡相关计算多重平衡规则

若某个反应能够表示为两个或更多个反应总和，则总反应平衡常数等于各反应平衡常数乘积。反应(1)=反应(2)+反应(3)反应(1)=反应(2)－反应(3)反应(1)=－反应(2)反应(1)=n*反应(2)47/912.2.3化学平衡相关计算

2.K

与

rHm

、

rSm

、

rGm

关系

rGm(T)=rGm

(T)+RT•lnQ

rGm

(T)＝0=rGm

(T)+RT•lnK

rGm

(T)=－RT•lnK

则：

rGm(T)=－RT•lnK

+RT•lnQ48/91K

与

rHm

、

rSm

、

rGm

关系

设某一反应在不一样温度T1和T2时平衡常数分别为K1

和

K2

，则：因为：

rHm

(T1)≈

rHm

(T2)≈

rHm

(298.15K)

rSm

(T1)≈

rSm

(T2)≈

rSm

(298.15K)得：49/91例：计算298K时，反应H2(g)＋CO2(g)=H2O(g)+CO(g)在(1)标准状态下(2)起始压力为pH2＝4105Pa,pCO2＝5104Pa,pH2O＝2102Pa,pco＝5102Pa时反应方向及该反应Kθ。2.2.3化学平衡相关计算50/91解（1）H2(g)＋CO2(g)=H2O(g)+CO(g)

fGm

/kJmol-1

0-394.4-228.6-137.2

rGm

=…=28.6KJmol-1>0标准状态下正反应非自发,逆向自发

rGm

＝-RTlnKθ

28600＝-8.314298

lnKθ

Kθ

=9.69810-62.2.3化学平衡相关计算51/91T不变，Kθ为常数，Kθ=9.69810-62.2.3化学平衡相关计算例：298K时，H2(g)＋CO2(g)=H2O(g)+CO(g)在(1)标准状态下(2)起始压力为pH2＝4105Pa,pCO2＝5104Pa,

pH2O＝2102Pa,pco＝5102Pa时反应方向及该反应Kθ。解：(2)

rGm(T)=rGm

(T)+RT•lnQ52/91

H2(g)＋CO2(g)==H2O(g)+CO(g)

Q

=[(pco/pθ)·(pH2O/pθ)]/[(pH2/pθ)·(pCO2/pθ)]

={[5102/1105][2102/1105]}/{[4105/1105][5104/1105]}=510-6

<Kθ=9.69810-6

2.2.3化学平衡相关计算∴

＜0反应朝正向自发进行53/912.2.3化学平衡相关计算3.平衡转化率α反应进行程度也惯用平衡转化率表示。54/91平衡转化率例将1.20molSO2和2.00molO2混合气体，在800K和101.325kPa总压力下，迟缓经过V2O5催化剂使生成SO3，在恒温恒压下到达平衡后，测得混合物中生成SO3为1.10mol.试利用上述试验数据求该温度下反应2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)SO2转化率。55/91平衡转化率解：2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g)起始n(B)/mol1.202.000改变n(B)/mol1.10平衡n(B)/mol-1.10-1.10/20.101.451.1056/912.2.4化学平衡移动1.平衡移动

平衡是相正确、暂时、有条件。因条件改变使化学反应从原来平衡状态转变到新平衡状态过程，称为化学平衡移动。

吕·查德里(A.L.Le.Chatelier)原理：改变平衡系统条件之一，如温度、压力或浓度，平衡就向减弱这个改变方向移动。实际上也是系统在条件改变后，再一次考虑化学反应方向和程度问题。57/912.2.4化学平衡移动例C(s)+CO2(g)2CO(g)rHmθ>0吸热平衡后，再使T↑若在密闭容器中反应，伴随正反应进行，p总↑则：正反应进行得越彻底，Kθ↑则：使平衡向逆反应方向移动。58/912.2.4化学平衡移动2.判断平衡移动依据---反应商判据59/912.2.4化学平衡移动与温度改变相关与浓度、压力改变相关60/912.2.4化学平衡移动3.

浓度对化学平衡影响aA(g)+bB(l)gG(aq)+dD(s)T一定时：增大反应物浓度(或分压)，减小生成物浓度(或分压)时，

Q减小，使得Q<Kθ，

rG<0,平衡正向移动；减小反应物浓度(或分压)，增大生成物浓度(或分压)时，

Q增大，使得Q>Kθ，

rG>0，平衡逆向移动。61/912.2.4化学平衡移动4.压力对化学平衡影响1)压力对固相或液相平衡没有影响；2)反应前后计量系数不变反应，压力对它们平衡也没有影响；3)反应前后计量系数不一样时：①增大压力，平衡向气体分子数目降低方向移动；②降低压力，平衡向气体分子数目增加方向移动。62/912.2.4化学平衡移动5.温度对化学平衡影响

rHmθ，rSmθ在T不大，可认为是常数，则能够写成以下形式：lnKθ＝A/T+B以lnKθ对1/T作图，得一直线，则斜率为：

A=-rHm

/R63/912.2.4化学平衡移动吸热反应：

rHm

>0，直线斜率<0T升高，Kθ增大放热反应：

rHm

<0，直线斜率>0T升高，Kθ减小A=-rHm

/R64/912.2.4化学平衡移动归纳在平衡系统内，c反应物↑，平衡向正方向移动c产物↑，平衡向逆方向移动对于气态物质存在平衡，在容积不变时p↑，平衡向着降低气体分子总数方向移动。T↑，平衡向着降低温度(吸热，

rHmθ>0)方向移动。65/91第2章化学反应基本原理和大气污染作业：P10815、162.2化学反应进行程度和化学平衡66/91第2章化学反应基本原理和大气污染2.1化学反应方向和吉布斯函数变2.2化学反应进行程度和化学平衡2.3化学反应速率2.4大气污染及其控制67/91第2章教学纲领2.3化学反应速率了解平均速率、瞬时速率表示式了解浓度、温度对化学反应速率影响和反应级数了解活化能概念和催化剂（酶）及其作用特点68/912.3化学反应速率2.3.1化学反应速率和反应级数2.3.2化学反应速率影响原因1.浓度与时间定量关系2.温度对速率常数影响3.催化作用影响2.3.3反应速率理论介绍2.3.4链反应和光化反应69/912.3.1化学反应速率及其表示法1.化学反应速率

用单位时间单位体积内发生反应进度ξ随时间改变率。aA+bB====gG+dD化学反应速率(mol·L-1·s-1)化学计量数，有+、－值体积反应进度时间70/912.3.1化学反应速率和反应级数平均速率与瞬时速率(1)平均速率：某一有限时间间隔内浓度改变量。化学反应速率：(2)瞬时速率：时间间隔Δt趋于无限小时平均速率极限。71/912.3.1化学反应速率和反应级数化学反应速率：反应速率与反应进度一样，采取任何一个反应物或产物来表示化学反应速率，其数值均相同。反应速率与反应进度一样，与化学反应方程式写法相关。对于定容气相反应：72/912.3.1化学反应速率和反应级数基元反应和复合反应基元反应：由反应物只经过一步生成产物反应。复合反应：

由两个或两个以上基元反应构成化学反应。2.速率常数与反应级数73/91速率常数质量作用定律

在给定温度下，对于基元反应，反应速率与反应物浓度乘积成正比。乘积中各浓度指数等于反应方程式中对应物质计量系数。基元反应：aA＋bB＝gG＋dDk:速率常数，又称为比速率+=na:反应物A分级数速率单位：mol·l-1·s-1n:总反应级数74/91速率常数普通反应速率方程α:反应物A分级数++…=nn:总反应级数α，β必须经过试验确定其值，基元反应，符合质量作用定律：α=a,β=b

通常α≠a,β≠b，为复合反应

75/91速率常数k称为反应速率常数:①

可了解为当反应物浓度都为单位浓度时反应速率，故又称为比速率；②k由化学反应本身决定，是化学反应在一定温度时特征常数。温度一定，k有定值；③不一样化学反应，在相同条件下，k值越大，反应速率越快；④k单位：(浓度)1-n·(时间)-1即(mol·l-1)1-n·s-176/91

=k(cA)0

=kcA

=k(cA)2

=k(cA)3/22.反