理学大学普通化学第一章.pptx
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1、1-1 化学反应中的能量变化化学反应中的能量变化1-1-1 几个基本概念几个基本概念1-1-2 热力学第一定律热力学第一定律1-1-3化学反应的反应热化学反应的反应热1-1-4反应热的计算反应热的计算第1页/共159页1-1-1 几个基本概念几个基本概念 系统系统:研究的对象称为系统。研究的对象称为系统。环境环境:系统以外与系统有关的其他物质。系统以外与系统有关的其他物质。1.系统(体系)与环境系统(体系)与环境例如:第2页/共159页系统与环境之间常进行着物质和能量的交换,根系统与环境之间常进行着物质和能量的交换,根据交换情况的不同热力学系统通常分为三种类型:据交换情况的不同热力学系统通常分
2、为三种类型:敞开系统:敞开系统:系统与环境之间既有物质的交换,系统与环境之间既有物质的交换,又有能量的传递。又有能量的传递。封闭系统:封闭系统:系统与环境之间只有能量的传递,系统与环境之间只有能量的传递,没有物质的交换。没有物质的交换。孤立系统:孤立系统:系统与环境之间既无物质的交换又系统与环境之间既无物质的交换又无能量的传递。无能量的传递。第3页/共159页敞开系统 封闭系统孤立系统第4页/共159页2.变化的过程与途径变化的过程与途径过程过程:系统从始态到终态变化的经过。:系统从始态到终态变化的经过。途径途径:完成这一变化经过的具体路线。完成这一变化经过的具体路线。101.325kPa27
3、8K80kPa278K80kPa328K101.325kPa328K101.325kPa298K101.325kPa278K恒压过程恒压过程恒温恒温恒压恒压恒恒压压恒压恒压恒恒温温(始态)(终态)(终态)第5页/共159页 2 2、状态与状态函数状态与状态函数3.系统的状态与状态函数系统的状态与状态函数 在热力学中要描述一个宏观系统,必须给出它的在热力学中要描述一个宏观系统,必须给出它的一系列的性质,如温度、压力、体积、物质的量等,一系列的性质,如温度、压力、体积、物质的量等,这些这些物理性质和化学性质的总和物理性质和化学性质的总和就称为该就称为该系统的系统的状态状态。这些性质都具有确定的值时
4、,系统就处于一定的状这些性质都具有确定的值时,系统就处于一定的状态;当系统的某个性质发生变化时,系统的状态也就随态;当系统的某个性质发生变化时,系统的状态也就随之发生改变。这些之发生改变。这些用以确定系统状态的性质的物理量称用以确定系统状态的性质的物理量称为为状态函数状态函数。例如:温度、压力、体积、密度等,还有。例如:温度、压力、体积、密度等,还有后面将要介绍的热力学状态函数:后面将要介绍的热力学状态函数:U、H、S、G等。等。第6页/共159页(1)(1)系统的状态一定,状态函数有唯一确定的值。系统的状态一定,状态函数有唯一确定的值。(2)(2)系统的状态变化时,状态函数系统的状态变化时,
5、状态函数(X)的变化量的变化量(X)只只决定于系统的始态(变化前的状态)和终态(变化后决定于系统的始态(变化前的状态)和终态(变化后的状态),而与变化所经历的途径无关。的状态),而与变化所经历的途径无关。即:X =X(终)X(始)状态函数的特点:状态函数的特点:第7页/共159页殊途同归殊途同归第8页/共159页(3)(3)系统的状态函数之间有一定的关系。系统的状态函数之间有一定的关系。例如例如:理想气体系统的状态函数,体积、压力、理想气体系统的状态函数,体积、压力、温度、物质的量之间的关系可用理想气体方程式表温度、物质的量之间的关系可用理想气体方程式表述:述:pV=nRT 第9页/共159页
6、(1)(1)当系统的状态发生变化,系统的状态函当系统的状态发生变化,系统的状态函数也变化,但不一定所有的状态函数都变化,数也变化,但不一定所有的状态函数都变化,如定温、定压过程。如定温、定压过程。(2)(2)反过来,当系统有一个状态函数发生变反过来,当系统有一个状态函数发生变化,系统的状态一定发生变化。化,系统的状态一定发生变化。第10页/共159页4.热和功热和功热(热(Q):):系统与环境之间由于存在温差而交系统与环境之间由于存在温差而交换或传递的能量。换或传递的能量。规定:规定:系统吸热系统吸热 Q 0 系统放热系统放热 Q0功(功(W):系统与环境之间除热之外以其它形系统与环境之间除热
7、之外以其它形式传递的能量。式传递的能量。规定:规定:系统对环境做功系统对环境做功 W 0 当系统的状态发生变化时,系统与环境之间必然当系统的状态发生变化时,系统与环境之间必然伴随着伴随着能量的交换能量的交换,其交换形式可概括为,其交换形式可概括为“热热”和和“功功”两种。两种。热和功的单位都采用热和功的单位都采用J或或kJ。第11页/共159页体积功We:系统因体积变化而与环境交换的功,亦称膨胀功。非体积功W:体积功以外的其它功。如电功、机械功等,亦称非膨胀功。热力学中一般不考虑。W=We+W功包括两种形式功包括两种形式体积功非体积功第12页/共159页式中:p环境压力体积功We的计算:系统对
8、环境做体积功,即系统对环境做体积功,即V2V1,V=V2V10,按规定按规定We应取负值应取负值,所以:所以:环境对系统做体积功,即环境对系统做体积功,即V2V1,V=V2V10,按规定按规定We应取正值应取正值,所以:所以:综上所述:综上所述:第13页/共159页热和功都不是状态函数。热和功是系统和环境之间传递的能量,是在系统状态发生变化的过程中传递的能量形式。所以,热和功与过程有关,不是状态函数,而是过程函数。第14页/共159页5.相和界面相和界面 系系统统中中物物理理性性质质和和化化学学性性质质完完全全相相同同的的部部分分称为称为相相。将相与相分隔开来的部分称为。将相与相分隔开来的部分
9、称为相界面相界面。只含只含一相一相的称为的称为单相系统单相系统。含有两相和两相以上含有两相和两相以上的系统称为的系统称为多相系统多相系统。汽汽水水冰冰第15页/共159页(1)(1)同一物质可因不同的聚集状态而形成多相系统。如:水、水蒸气、冰为不同的相。同一物质可因不同的聚集状态而形成多相系统。如:水、水蒸气、冰为不同的相。(2)(2)在单相系统,并不一定只有一种物质。如:空气或溶液。在单相系统,并不一定只有一种物质。如:空气或溶液。(3)(3)聚集状态相同的物质放在一起,并不一定是单相系统。如:水和油,混凝土。聚集状态相同的物质放在一起,并不一定是单相系统。如:水和油,混凝土。第16页/共1
10、59页6.理想气体状态方程和分压定律理想气体状态方程和分压定律(1)理想气体状态方程)理想气体状态方程理理想想气气体体的的温温度度(T)、压压力力(p)、体体积积(V)和和物物质的量(质的量(n)之间)之间,具有如下的方程式关系:具有如下的方程式关系:pV=nRT在在SI制制中中,p的的单单位位是是Pa,V的的单单位位是是m3,T的的单单位位是是K,n的单位是的单位是mol,摩尔气体常数,摩尔气体常数R=8.3145JK-1mol-1第17页/共159页(2)气体分压定律)气体分压定律(道尔顿分压定律道尔顿分压定律)混和气体的总压力等于各组分气体的分压之和。混和气体的总压力等于各组分气体的分压
11、之和。分压分压pB:某组分某组分B与混合气体处于同温、同体与混合气体处于同温、同体积下单独产生的压力。积下单独产生的压力。p=pB第18页/共159页根据理想气体状态方程式,有:根据理想气体状态方程式,有:pV=nRT-(1)pBV=nBRT-(2)(2)/(1)得得:pB/p=nB/npB=(nB/n)p=xBp某组分某组分B的分压等于混合气体的总压力与组分的分压等于混合气体的总压力与组分B的的摩尔分数摩尔分数xB的乘积。的乘积。xB组分组分B的摩尔分数的摩尔分数xB=nB/n第19页/共159页例题:例题:某容器中含有某容器中含有NH3、O2、N2气体的混合物。取气体的混合物。取样分析后,
12、其中样分析后,其中n(NH3)=0.320mol,n(O2)=0.180mol,n(N2)=0.700mol。混合气体的总压力。混合气体的总压力p=133.0kPa。计算。计算各组分气体的分压。各组分气体的分压。解n=n(NH3)+n(O2)+n(N2)=0.320mol+0.180mol+0.700mol=1.200molp(N2)=p-p(NH3)-p(O2)=77.5kPa第20页/共159页1-1-2热力学第一定律热力学第一定律1、热力学能(内能)、热力学能(内能)U系统系统内部内部能量的总和。能量的总和。构成:分子的动能、分子间势能、电子运动能、构成:分子的动能、分子间势能、电子运动
13、能、核能等。核能等。不包括系统整体运动的能量不包括系统整体运动的能量。是一种热力学状态函数。是一种热力学状态函数。无法知道他的绝对值,但过程中的变化值无法知道他的绝对值,但过程中的变化值U却却是可以测量的。是可以测量的。第21页/共159页2、热力学第一定律、热力学第一定律能量守恒定律能量守恒定律吸收吸收/放出热量放出热量Q 环境对系统环境对系统/系统对环境做功系统对环境做功W U=U2-U1=Q+W系统从系统从U1状态变化到状态变化到U2状态时,系统中状态时,系统中内能的变化量内能的变化量必定等于系统与环境交换的热、功量的总和:必定等于系统与环境交换的热、功量的总和:此式为热力学第一定律的数
14、学表达式。状态状态1(U1)状态状态2(U2)表述:表述:能量只可能在不同形式之间转化,或在不同物质能量只可能在不同形式之间转化,或在不同物质间传递,在转化和传递过程中能量的总值保持不变。间传递,在转化和传递过程中能量的总值保持不变。第22页/共159页例题:例题:系统始态的内能为系统始态的内能为U1,在经历了下述两个不,在经历了下述两个不同途径后,内能的变化量同途径后,内能的变化量U各为多少?它们各自的各为多少?它们各自的终态的内能终态的内能 U2为多少?这一结果说明了什么?为多少?这一结果说明了什么?从环境吸收了从环境吸收了480J的热量,对环境做了的热量,对环境做了270J的功。的功。向
15、环境放出了向环境放出了60J的热量,环境对系统做了的热量,环境对系统做了270J的功。的功。解:(1)由题意知,)由题意知,Q=480J,W=270J U=Q+W=480270=210JU2=U1+U=U1+210J(2)由题意知,)由题意知,Q=60J,W=270J U=Q+W=-60+270=210JU2=U1+U=U1+210J第23页/共159页1-1-3化学反应的反应热化学反应的反应热 化学反应中系统与环境进行能量交换的化学反应中系统与环境进行能量交换的主要形式是主要形式是热热。通常把只做体积功,且始态和终态具有通常把只做体积功,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相
16、同温度时,系统吸收或放出的热量叫做化化学反应的热效应学反应的热效应,通常称为,通常称为反应热反应热。根据反应条件的不同,反应热又可分为:根据反应条件的不同,反应热又可分为:第24页/共159页 V=0 We=0又由反应热定义,又由反应热定义,W=0W=We+W=0U=Q+WQV=Q=U W=U 1恒容恒容反应热反应热 QV上式表明:在上式表明:在恒恒容、不做非体积功时,反应热容、不做非体积功时,反应热在数值上等于系统的在数值上等于系统的内能变化量内能变化量。第25页/共159页弹式量热计弹式量热计对化学反应,可用对化学反应,可用弹式量热计弹式量热计精确测量恒精确测量恒容反应热,从而获得内能的变
17、化量。容反应热,从而获得内能的变化量。第26页/共159页 QP=Q=U p V=(U2-U1)+P(V2-V1)=(U2+p2V2)-(U1+p1V1)U=Q+W ,W=We+W=p V 2恒压恒压反应热反应热 Qp第27页/共159页3 焓焓 H 焓变焓变(焓的变化量)(焓的变化量)上式表明:上式表明:在恒压、不做非体积功时,反应热在恒压、不做非体积功时,反应热在数值上等于系统的焓变在数值上等于系统的焓变。即可以通过测量恒。即可以通过测量恒压反应热来获得系统的焓变。压反应热来获得系统的焓变。QP=(U2+p2V2)-(U1+p1V1)U、p、V都是状态函数,它们的组合(都是状态函数,它们的
18、组合(U+pV)当然也是状态函数,)当然也是状态函数,热力学上把这个新的状态热力学上把这个新的状态函数定义为焓,用符号函数定义为焓,用符号H表示:表示:即即 H=U+PV式可写为:式可写为:QP=H2-H1=H第28页/共159页(1)(1)焓焓H是状态函数。是状态函数。焓的性质和意义焓的性质和意义(2)(2)焓焓H和内能和内能U一样,其绝对值无法测量。一样,其绝对值无法测量。(3)(3)对任何化学反应,其恒压反应热对任何化学反应,其恒压反应热QP=HH 0,系统吸热;,系统吸热;H H(l)H(s)第29页/共159页1-1-4反应热的计算反应热的计算 B化学计量数,即化学式方程式前的系数。
19、化学计量数,即化学式方程式前的系数。反应物的化学计量数为负反应物的化学计量数为负(B0)。1反应进度反应进度描述化学反应的描述化学反应的进行程度进行程度的物理量。在反应的的物理量。在反应的某一阶段中,任一物质某一阶段中,任一物质B的物量(摩尔数)的改变的物量(摩尔数)的改变值值nB与其化学计量数与其化学计量数 B的商。单位:的商。单位:mol,用希用希腊字母腊字母表示。表示。d D+e E=g G+h H第30页/共159页例如下列给定反应:例如下列给定反应:d D+e E=g G+h H式中,nB()和nB(0)分别表示反应进度为 和0时,B的物质的量。(?)通式为:通式为:第31页/共15
20、9页举例说明:3H2(g)+N2(g)=2NH3(g)t=0s(mol)3.01.02.0t=0.1s(mol)1.50.51.0以H2计算反应进度 =nH2/H2=(1.5-3.0)mol/-3=0.5mol以N2计算反应进度=nN2/N2=(0.5-1.0)mol/-1=0.5mol以NH3计算反应进度 =nNH3/NH3=(1.0-0.0)mol/2=0.5mol第32页/共159页当反应进度当反应进度 =1mol时,时,nB=B,即即:反应中反应中各物质各物质物质的量的变化量在数值上等于该物质的化物质的量的变化量在数值上等于该物质的化学计量数。学计量数。对于任意反应对于任意反应d D+
21、e E=g G+h H当反应进度当反应进度 =1mol时,意味着反应消耗掉时,意味着反应消耗掉dmol物质物质D,emol物质物质E,同时生成了,同时生成了gmol物质物质G和和hmol物质物质H.注意:注意:反应进度反应进度 与化学方程式的写法有关与化学方程式的写法有关H2+1/2O2=H2O2H2+O2=2H2O例如:例如:第33页/共159页表示出化学反应过程中表示出化学反应过程中反应热反应热的化学反应方程式称为的化学反应方程式称为热化学方程式。热化学方程式。例如,例如在例如,例如在298.15K时有:时有:2 标准摩尔焓变标准摩尔焓变1)H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l);=-
22、285.8kJ mol-12)2H2(g)+O2(g)=2H2O(l);=-571.6kJ mol-13)C(石墨)+O2(g)=CO2(g);=-393.5kJ mol-1*下标下标r表示化学反应;表示化学反应;*m指反应进度指反应进度=1mol;*上标上标表示在标准状态下;表示在标准状态下;*T 为反应时的温度。为反应时的温度。(T)表示标准状态下,在温度表示标准状态下,在温度T 时,当反应进度为时,当反应进度为1 1mol时该时该反应的焓变反应的焓变标准摩尔焓变标准摩尔焓变。单位。单位:kJ mol-1。2)式的标准摩尔焓变为什么为)式的标准摩尔焓变为什么为1)式的两倍?)式的两倍?第3
23、4页/共159页 对于以上所说的对于以上所说的“焓变等于恒压反应热焓变等于恒压反应热”,“恒压恒压”恒在什么压力之下,其反应热是不一样的,恒在什么压力之下,其反应热是不一样的,因因为不同的压力之下,体积功不同,因而恒压反应热为不同的压力之下,体积功不同,因而恒压反应热焓变值也有所不同焓变值也有所不同。因此热力学在处理化学反应系。因此热力学在处理化学反应系统时,必须选定某一状态作为统时,必须选定某一状态作为“计算、比较的标准计算、比较的标准”,这一标准即称做热力学标准状态。,这一标准即称做热力学标准状态。标准状态:1)气体:该气体分压p=p=100kPa2)纯液体或纯固体:处于p=100kPa下
24、3)溶液中的溶质:在PB=P=100kPa下,各溶质组分浓度cB=c=1moldm-3。第35页/共159页3 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓标准状态下,在温度标准状态下,在温度T T 时,由时,由参考态单质参考态单质生成生成1 1mol某物质某物质B的化学反应的标准摩尔焓变。的化学反应的标准摩尔焓变。(B,相态相态,T)表示表示。例如在例如在298.15K时:时:用符号用符号H2(g)+O2(g)=H2O(g);(H2O,g)=-241.82kJmol-1*下标下标f表示生成反应;表示生成反应;生成反应的生成物的化学计量数生成反应的生成物的化学计量数 B=1*m指反应进度指反应进度=1mol;
25、*上标上标表示在标准状态下;表示在标准状态下;*参考状态的单质指在参考状态的单质指在T 和和p下最稳定的单质。下最稳定的单质。*所有参考状态单质的标准摩尔生成焓都等于所有参考状态单质的标准摩尔生成焓都等于0。H2(g)+O2(g)=H2O(l);(H2O,l)=-285.83kJmol-1第36页/共159页4 盖斯定律盖斯定律 俄国化学家盖斯对化学反应的数据俄国化学家盖斯对化学反应的数据进行总结指出:进行总结指出:一个化学反应无论是一一个化学反应无论是一步完成,还是分几步完成,其反应热是步完成,还是分几步完成,其反应热是相同的。相同的。即反应热(焓变)只与反应系即反应热(焓变)只与反应系统的
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- 理学 大学 普通 化学 第一章
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