無機化學第二章熱化學-PPT課件

1、第二章 熱化學2-1 熱力學的術(shù)語和基本概念2-2 熱力學第一定律2-3 化學反應(yīng)的熱效應(yīng)2-4 Hess定律2-5 反應(yīng)熱的求算2.1 熱力學的術(shù)語和基本概念熱力學：研究熱和其它形式能量相互轉(zhuǎn)化 之間關(guān)系的科學化學熱力學(chemical thermodynamic) ：把熱力學的定律、原理、方法用來研究化學過程以及伴隨這些化學過程發(fā)生的物理變化化學熱力學不能解決的問題化學熱力學研究的問題化學變化過程中的能量轉(zhuǎn)換問題（熱力學第一定律）；化學變化的方向和限度以及化學平衡和相平衡的有關(guān)問題（熱力學第二定律）。微觀粒子的性質(zhì)；變化過程的速率問題一、 系統(tǒng)和環(huán)境system and surround

2、ing系統(tǒng)（system)： 把一部分物體和周圍其他物體劃分開來，作為研究的對象，這部分物體就稱為系統(tǒng)。 環(huán)境(surrounding)： 與系統(tǒng)密切相關(guān)的其他部分稱為環(huán)境。系統(tǒng)類型1. 敞開體系（open system)： 體系與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換又有能量交換 2. 封閉體系(closed system)： 體系與環(huán)境之間沒有物質(zhì)交換只有能量交換 3. 孤立體系(isolated system)： 體系與環(huán)境之間沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換根據(jù)體系與環(huán)境的關(guān)系（體系與環(huán)境之間物質(zhì)與能量交換的情況）熱力學體系分為三種：二、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)1、狀態(tài)(state)：系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)的綜合表現(xiàn),2、狀態(tài)

3、函數(shù)(state function)：描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量 系統(tǒng)處于一定狀態(tài)時，系統(tǒng)的性質(zhì)只決定 于它現(xiàn)在所處的狀態(tài)，而與過去的歷史無 關(guān)，具有這種性質(zhì)的物理量叫做狀態(tài)函數(shù) 如T，P，V， n，U，H，S，G。3、狀態(tài)函數(shù)的特點: 狀態(tài)函數(shù)的變化只決定于系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)，而與變化的途徑無關(guān)三、過程和途徑過程(process)： 系統(tǒng)的狀態(tài)在外界條件改變時 發(fā)生的變化稱為過程；途徑(approach)：系統(tǒng)由始態(tài)到終態(tài)所經(jīng)歷的過程總和稱為途徑。常見過程等溫過程定壓過程定容過程定溫過程循環(huán)過程絕熱過程四、相相：系統(tǒng)中物理性質(zhì)和化學性質(zhì)完全相同，而與其他部分有明確界面分隔開來的任何均勻部分均相（單相

4、）系統(tǒng)非均相（多相）系統(tǒng)五、化學反應(yīng)計量式及反應(yīng)進度1. 化學計量數(shù)(B) 化學式前的系數(shù)稱為化學計量數(shù) 化學反應(yīng)計量方程式： 根據(jù)質(zhì)量作用定律，用規(guī)定的化學符號和化學式來 表示化學反應(yīng)的式子 規(guī)定： （產(chǎn)物）為正 （反應(yīng)物）為負 上述反應(yīng)若有0.2molNH3生成，則相應(yīng)有0.1molN2和0.3mol的H2消耗?？杀硎緸椋?n(NH3)=0.2mol n(N2)=-0.1mol n(H2)=-0.3mol2. 反應(yīng)進度(ksai)反應(yīng)進度：反應(yīng)進行的程度 對某一化學反應(yīng)，當某一物質(zhì)i的物質(zhì)的量從開始的nB(0)變到nB()時，其反應(yīng)進度:反應(yīng)進行到任意時刻時可用任一生成物或反應(yīng)物來表示反應(yīng)

5、進行的程度，所得的值總是相等。 引入反應(yīng)進度的最大優(yōu)點注：計量式寫法不同時，反應(yīng)進度數(shù)值不同。對于反應(yīng)式：a A + b B = c C + d D例例：53.96g鋁粉在充足氧氣中燃燒能生成 多少克 Al2O3 解：2Al(s) + 3/2O2(g) = Al2O3(s) n(Al)=53.96g/26.98g.mol-1=2mol (Al) =-2, ni(Al)=-2mol = ni(Al)/ (Al)=2mol/(-2)=1mol =ni(Al2O3)/ (Al2O3)= ni(Al2O3)/1=1molm(Al2O3)=1mol101.96g.mol-1=101.96g2.2 熱力學

6、第一定律一、 熱和功1、 熱 Q（heat)：系統(tǒng)和環(huán)境 之間由于溫度差的存在引起的能量叫做熱熱的本質(zhì)：系統(tǒng)與環(huán)境間因內(nèi)部粒子無序運動強度不同而交換的能量體系從環(huán)境吸熱 Q0 正值體系向環(huán)境放熱 Q0 負值單位： kJ or J 熱是一種交換中的能量 熱和途徑有關(guān)， 不是狀態(tài)函數(shù)規(guī)定：注意：常見：氣化熱、熔化熱、定容反應(yīng)熱、定壓反應(yīng)熱系統(tǒng)和環(huán)境之間除熱以外，其它各種形式的被傳遞的能量如： 電功、膨脹功、機械功。體系對環(huán)境作功，W0 單位： kJ or J 功不是狀態(tài)函數(shù)化學上把體積功以外的功統(tǒng)稱為非體積 功 規(guī)定：注意：2、功（work)：功的本質(zhì)：系統(tǒng)與環(huán)境間因粒子的有序運動而交換的能量二、

7、熱力學能 U1. 熱力學能U（thermodynamic energy) ： 是系統(tǒng)內(nèi)所有粒子除整體勢能及整體動能外, 全部能量的總和，如 分子平動能、轉(zhuǎn)動能、振動能，鍵能，電子運動能，核能，勢能等。也稱內(nèi)能（internal energy )2. 熱力學能特點： (1) 是狀態(tài)函數(shù) (2)不能確定絕對值，可以求變化值U三、熱力學第一定律熱力學第一定律：能量既不能消滅也不能創(chuàng)造，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，而在轉(zhuǎn)化和傳遞過程中能量的總值不變。也稱能量守恒與轉(zhuǎn)化定律 (law of energy conservation and transformation) 如系統(tǒng)變化中吸收50kJ的熱，

8、作30kJ的功，內(nèi)能的變化為：U系統(tǒng) =50-30=20kJ系統(tǒng)內(nèi)能凈增20kJ，環(huán)境失去20kJ即U環(huán)=-20kJ隔離系統(tǒng)的過程： Q = W =0 ， U =0循環(huán)過程： 系統(tǒng)由始態(tài)經(jīng)歷一系列變 化 后又恢復(fù)到原始狀態(tài)。 Q = W2.3 化學反應(yīng)的熱效應(yīng)反應(yīng)熱：當生成物與反應(yīng)物的溫度相同時，化學反應(yīng)過程中吸收或放出的熱量一、定容反應(yīng)熱V=0， W= 0， QV= U 表示不做體積功條件下，系統(tǒng)在恒容過程中所吸收的熱量全部用來增加系統(tǒng)的內(nèi)能 QV的測定二、定壓反應(yīng)熱定壓時的熱效應(yīng)稱為定壓熱效應(yīng)，以QP 表示 這時 焓(enthalpy)令 H =U + PV (熱力學定義H為焓） 表明：在

9、恒壓過程中，體系所吸收的熱量全部用來使焓值增加（封閉體系、恒壓、不做其它功）規(guī)定： 放熱反應(yīng) H 0H: 狀態(tài)函數(shù) 不能測定焓的絕對值。溫度對化學反應(yīng)的焓變影響較小，一般不作考慮三、 rUm 與 rHmrUm ：反應(yīng)的摩爾熱力學能變rHm ： 反應(yīng)的摩爾焓變當有氣體參加時rHm = rUm+ RT四、熱化學方程式1.標準狀態(tài)(standard state)：純理想氣體：該氣體處于標準壓力p下的狀態(tài)，混合理想氣體中任一組分：該氣體組分的分壓為p 純液體（固體）物質(zhì)：標準壓力p下的純液體（或純固體）溶液中各組分：各組分濃度均為c =1mol.L-1(標準濃度）的理想溶液。溶劑看成純液體2、 熱化學

10、方程式表示化學反應(yīng)與熱效應(yīng)關(guān)系的方程式（1）標明物質(zhì)的聚集狀態(tài)： g l s cr aq 氣 液 固 晶體 水溶液（2）標明反應(yīng)條件溫度、壓力 （不注明是指 298.15K、100kPa)（3）配平方程式（4） 正反應(yīng)與逆反應(yīng)的反應(yīng)熱絕對值相等，符號相反 反應(yīng)進度與化學計量方程式有關(guān)，所以同一反應(yīng)，以不同的計量方程式表示時，其熱效應(yīng)的數(shù)值不同 如：N2（g)+3H2(g) = 2NH3(g) rHm =-2.2kJ.mol-1 1/2N2(g)+3/2H2(g)=NH3(g) rHm =-1.1kJ.mol-1 2NH3(g) = N2（g)+3H2(g) rHm = 2.2kJ.mol-1五

11、、標準摩爾生成焓 standard molar enthalpies of formation 定義：在溫度T和標準壓力 (p) 下，由參考狀態(tài)的單質(zhì)生成1mol物質(zhì)B反應(yīng)的標準摩爾焓變符號：fHm 單位： kJ.mol-1規(guī)定：穩(wěn)定單質(zhì)的標準摩爾生成焓等于“0”參考狀態(tài)度單質(zhì)固體金屬：液體 ： Br2(l) 氣體： H2 O2 N2 Cl2 F2 固體非金屬：C（石墨） P（白磷） S（斜方，正交晶） I2 (s) 六、標準摩爾燃燒焓定義：在溫度T 下，由1mol 物質(zhì)B 完全氧化成相同溫度下的指定產(chǎn)物時的標準摩爾焓變，即為物質(zhì)在溫度T 時的標準摩爾燃燒焓cmcm 單位: kJ.mol-1。

12、注意：完全氧化反應(yīng)的含義。如C+1/2O2=CO？ 完全氧化物如CO2、H2O（l）、N2、SO2等的cm應(yīng)為?2.4 赫斯定律Hesss law赫斯定律（1840）：化學反應(yīng)的熱效應(yīng)只與反應(yīng)的始 末態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)途徑無關(guān)1、相同條件下，正逆反應(yīng)的H數(shù)值相等，符號相反 H2(g)+1/2O2(g)H2O(g)；H298=241.8kJ.mol1 H2O(g)H2(g)+1/2O2(g)；H298= + 241.8kJ.mol12、一反應(yīng)若能分成兩步或多步實現(xiàn)，則總反應(yīng)的H等于各步反應(yīng)H之和 rm = r m(i) 赫斯定律的應(yīng)用：間接量熱及計算多個化學反應(yīng)計量式相加或相減，所得化學反應(yīng)計量式的

13、rm (T) 等于原各計量式的rm (T)之和例 SnCl4(l)生成熱的確定 1、 Sn(s) + Cl2(g) SnCl2(s) H1=349.8kJ.mol12、SnCl2(s) + Cl2(g) SnCl4(l) H2=195.4kJ.mol13、 Sn(s) + 2Cl2(g) SnCl4(l) H3=545.2kJ.mol1Sn(s), Cl2(g)SnCl4(l)SnCl2(s)349.8kJ.mol1195.4kJ.mol1545.2kJ.mol1總反應(yīng)的焓變?yōu)榉植椒磻?yīng)的焓變之和 例：已知298.15K時C(s)+O2(g)CO2(g); rHm1 =-393.51 kJ.mo

14、l-1CO(g)+1/2O2(g) CO2(g); rHm2 =-283.0kJ.mol-1求反應(yīng)C(s)+1/2O2(g)CO (g)的焓變rHm3為多少？ 即求fHm (CO,g)解：rHm1 = rHm3 + rHm2 rHm3 = rHm1 - rHm2 = -393.5-（-283.0) = -110.5kJ.mol-1 = fHm (CO,g) 從反應(yīng)方程式來看，（1）= （2）式+（3）式它們的焓變關(guān)系為：rHm1 = rHm3 + rHm2 由此可見：假如某一反應(yīng)可看作是分步完成的，是一系列變化的總結(jié)果，則總的焓變必等于各步焓變的總和。例：已知：2Cu2O(s)+O2(g)=4

15、CuO(s) rHm1 = -290 kJ.mol-1 CuO(s)+Cu(s)=Cu2O(s) rHm2 = -12 kJ.mol-1 求： fHm (CuO,s)=?解： (1)+2 (2)得2Cu (s)+O2(g)=2CuO(s) rHm = rHm1 + rHm2 = -290+2 (-12) = -314 kJ.mol-1 fHm (CuO,s) =-314 / 2=-157 kJ.mol-11.下列純態(tài)單質(zhì)中哪些單質(zhì)的fHm0 ? 金剛石；臭氧；Br(l); Fe(s); Hg(g)2.已知： A+BM+N；rHm（1）=35kJmol-1 2M+2N2D；rHm（2）=-80k

16、Jmol-1 則：A+BD的rHm（3）是？3.已知298.15K、100kPa下，反應(yīng)：N2（g)+2O2(g)2NO2（g); rHm=67.8kJmol-1則NO2（g）的fHm是 Hesss lawBecause enthalpy is a state function, it follows that the absolute enthalpy associated with the reactants and products in a reaction are independent of the process by which they were formed. Conseq

17、uently, the enthalpy change during the course of a reaction, given by Hreactants- Hproducts is independent of the reaction pathway.That is to say: If a chemical reaction is carried out in a series of steps, the total heat of reaction will be equal to the sum of the heat changes for the individual st

18、eps. For example, suppose you are given the following data: Could you use these data to obtain the enthalpy change for the following reaction?kJ -297H );g(SO)g(O)s(So22=D+kJ 198H );g(O)g(SO2)g(SO2o223=D+?H );g(SO2)g(O3)s(S2o32=D+ If we multiply the first equation by 2 and reverse the second equation, they will sum together to become the third.Hesss law is based on th