浙江大學(xué)普通化學(xué)(第六版)第一章課件 熱化學(xué)與能源

1、教材：?普通化學(xué)? (第六版)浙江大學(xué)普通化學(xué)教研組編徐端鈞 方文軍 聶晶晶 沈宏修訂高等教育出版社，北京出版年：2011年6月1緒論化學(xué)是一門既古老又年輕的科學(xué)?；瘜W(xué)是研究和創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)，同工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防現(xiàn)代化，同人民生活和人類社會等都有非常密切的關(guān)系。化學(xué)是一門中心性的、實(shí)用的和創(chuàng)造性的科學(xué)，主要是研究物質(zhì)的分子轉(zhuǎn)變規(guī)律的科學(xué)?；瘜W(xué)與物理一起屬于自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。 化學(xué)的分支比較多。研究現(xiàn)狀(2000年)化合物2000萬種時間分辨率：1 fs (飛秒femtosecond1 飛秒 為千萬億分之一秒 )空間分辨率：分析所需最小量：10-13 g。21 化學(xué)的地位和作用 化學(xué)仍是解決食物

2、短缺問題的主要學(xué)科之一 農(nóng)作物豐產(chǎn)，雜交水稻 化學(xué)繼續(xù)推動材料科學(xué)發(fā)展 高分子復(fù)合材料的研發(fā) 化學(xué)是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有效保障 提倡綠色化學(xué)，有機(jī)食品等 化學(xué)在能源和資源的合理開發(fā)和高效安全利用中起關(guān)鍵作用 化學(xué)是生命科學(xué)的重要支柱32 學(xué)習(xí)的目的、內(nèi)容和要求學(xué)習(xí)目的了解當(dāng)代化學(xué)學(xué)科的概貌用化學(xué)的觀點(diǎn)分析、認(rèn)識生活和工作中的化學(xué)問題,以實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的高素質(zhì)化學(xué)通才教育。學(xué)習(xí)內(nèi)容 理論化學(xué)：兩條“主線” 【宏觀（1-4）和微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)性 質(zhì)（5-8）】應(yīng)用化學(xué)： 化合物知識；化學(xué)在相關(guān)學(xué)科中的應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)習(xí)要求 辨證的思維 發(fā)展的眼光 實(shí)踐的方法41.課前預(yù)習(xí)，瀏覽一遍今天老師要講

3、什么，在心理上有個準(zhǔn)備；2.課堂上，準(zhǔn)備一筆記本，注意聽記，這是提高聽課效率確保不走神，能跟上講課思路的最正確方法；其二，筆記內(nèi)容為課后復(fù)習(xí)以及期末的復(fù)習(xí)重要依據(jù)；3.下課時，請靜坐1分鐘時間，回顧一下本節(jié)課講了什么；4.課后復(fù)習(xí)總結(jié)，包括做習(xí)題作業(yè)、看參考書等，希望對每一章以自己的方法、思路能總結(jié)一下，期末時只要看自己的總結(jié)就能復(fù)習(xí)全書。課程要求5具體課程要求安排： 40 + 8 理論學(xué)習(xí)：認(rèn)真聽課、做好筆記；及時消化、完成作業(yè) 實(shí)踐學(xué)習(xí)：實(shí)驗(yàn)前寫好預(yù)習(xí)報告，實(shí)驗(yàn)后及時完成實(shí)驗(yàn)報告。課程考核：理論考試占80%左右 實(shí)驗(yàn)占15%左右 平時占5%左右6熱化學(xué)與能源第1章7目錄1.1 熱化學(xué)1.2

4、 反應(yīng)熱與焓1.3 能源的合理利用選讀材料 核能. 核燃料和核能的來源. 核電的優(yōu)勢與發(fā)展趨勢本章小結(jié)81 .1 熱化學(xué)系統(tǒng)：作為研究對象的那一部分物質(zhì)和空間。環(huán)境：系統(tǒng)之外，與系統(tǒng)密切聯(lián)系的其它物質(zhì)和 空間。開放系統(tǒng)有物質(zhì)和能量交換封閉系統(tǒng)只有能量交換1.1.1 幾個基本概念1 系統(tǒng)與環(huán)境圖1.1 系統(tǒng)的分類隔離系統(tǒng)無物質(zhì)和能量交換92 相系統(tǒng)中任何物理和化學(xué)性質(zhì)完全相同的、均勻部分稱為相。根據(jù)相的概念，系統(tǒng)可分為：單相均勻系統(tǒng)多相不均勻系統(tǒng) 相與相之間有明確的界面。思考：，273.15K(0C)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同時共存時系統(tǒng)中的相數(shù)為多少。2) CaCO3(s

5、)分解為CaO (s)和CO2(g)并達(dá)到平衡的系統(tǒng)中的相數(shù)。103 狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)用于表示系統(tǒng)性質(zhì)的物理量X 稱狀態(tài)函數(shù)，如氣體的壓力p、體積V、溫度T 等。狀態(tài)就是系統(tǒng)一切性質(zhì)的總和。有平衡和非平衡態(tài)之分。如系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)都處于定值，那么系統(tǒng)為平衡態(tài)。狀態(tài)變化時，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)也必然發(fā)生部分或全部變化。11狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì) 狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)。 當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時，狀態(tài)函數(shù)的變化量只與系統(tǒng)的始、末態(tài)有關(guān)，而與變化的實(shí)際途徑無關(guān)。特點(diǎn)圖1.2 狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)以下例子說明：當(dāng)系統(tǒng)由始態(tài)變到終態(tài)時，系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)壓力p和體積V的變化量與途徑無關(guān)。系統(tǒng)壓力從3p變?yōu)閜12廣度性質(zhì)和

6、強(qiáng)度性質(zhì)狀態(tài)函數(shù)可分為兩類：廣度性質(zhì)：其量值具有加和性，如體積、質(zhì)量等。強(qiáng)度性質(zhì)：其量值不具有加和性，如溫度、壓力等。特點(diǎn)：狀態(tài)一定,狀態(tài)函數(shù)一定。 狀態(tài)變化,狀態(tài)函數(shù)也隨之而變,且 狀態(tài)函數(shù)的變化值只與始態(tài)、終態(tài) 有關(guān),而與變化途徑無關(guān)。注意：摩爾體積(體積除以物質(zhì)的量)是什么性質(zhì)的物理量？134 過程與途徑 系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何的變化稱為過程；可逆過程體系經(jīng)過某一過程，由狀態(tài)變到狀態(tài)之后，如果通過逆過程能使體系和環(huán)境都完全復(fù)原，這樣的過程稱為可逆過程。它是在一系列無限接近平衡條件下進(jìn)行的過程。 實(shí)現(xiàn)一個過程的具體步驟稱途徑。思考：過程與途徑的區(qū)別。設(shè)想如果你要把20 C的水燒開，要完成“水燒開

7、這個過程，你可以有多種具體的“途徑：如可以在水壺中常壓燒；也可以在高壓鍋中加壓燒。145 化學(xué)計量數(shù)一般用化學(xué)反應(yīng)計量方程表示化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒關(guān)系， 通式為：B 稱為B 的化學(xué)計量數(shù)。符號規(guī)定：反應(yīng)物： B為負(fù)；產(chǎn)物：B為正。 沒有量綱的純數(shù)附例 應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)統(tǒng)通式形式表示以下合成氨的化學(xué)反應(yīng)計量方程式： N2 + 3H2 = 2NH3解：用化學(xué)反應(yīng)通式表示為： 0= - N2 - 3H2 + 2NH3156 反應(yīng)進(jìn)度反應(yīng)進(jìn)度 的定義：反應(yīng)進(jìn)度的單位是摩爾mol，它與化學(xué)計量數(shù)的選配有關(guān)。nB 為物質(zhì)B的物質(zhì)的量，d nB表示微小的變化量?；蚨x思考：反應(yīng)進(jìn)度與化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫有關(guān)嗎？有

8、關(guān)。如對于反應(yīng)： 0 = N2 3H2 + 2NH3 ，當(dāng)有1mol NH3生成時，反應(yīng)進(jìn)度為0.5mol。若將反應(yīng)寫成則反應(yīng)進(jìn)度為1 mol。16 熱效應(yīng)及其測量反應(yīng)熱指化學(xué)反應(yīng)過程中系統(tǒng)放出或吸收的熱量。熱化學(xué)規(guī)定：系統(tǒng)放熱為負(fù)，系統(tǒng)吸熱為正。摩爾反應(yīng)熱指當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為1 mol時系統(tǒng)放出或吸收的熱量。思考：反應(yīng)熱有定容反應(yīng)熱和定壓反應(yīng)熱之分。前者的反應(yīng)條件是恒容，后者的反應(yīng)條件是恒壓。用彈式量熱計測量的反應(yīng)熱是定容反應(yīng)熱還是定壓反應(yīng)熱？答：定容反應(yīng)熱等容反應(yīng)熱可在彈式量熱計中精確地測量。測量反應(yīng)熱是熱化學(xué)的重要研究內(nèi)容。171 反應(yīng)熱的實(shí)驗(yàn)測量方法設(shè)有n mol物質(zhì)完全反應(yīng)，所放出的熱量使

9、彈式量熱計與恒溫水浴的溫度從T1上升到T2，彈式量熱計與恒溫水浴的熱容為Cs(JK-1)， 比熱容為cs(JK-1kg-1 )，則：由于完全反應(yīng)， = n因此摩爾反應(yīng)熱：圖1.3 彈式量熱計18例如 例1.1 聯(lián)氨燃燒反應(yīng)：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) ：解：燃燒0.5g聯(lián)氨放熱為192 熱化學(xué)方程式 表示化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)關(guān)系的方程式稱為熱化學(xué)方程式。其標(biāo)準(zhǔn)寫法是：先寫出反應(yīng)方程，再寫出相應(yīng)反應(yīng)熱，兩者之間用分號或逗號隔開。例如： 標(biāo)明反應(yīng)溫度、壓力及反應(yīng)物、生成物的 量和狀態(tài)；書寫熱化學(xué)方程式時應(yīng)注意：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l

10、)； 2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； 假設(shè)不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。20 反應(yīng)熱與反應(yīng)式的化學(xué)計量數(shù)有關(guān)； 一般標(biāo)注的是等壓熱效應(yīng)qp。思考：qp與qv相同嗎？。不相同2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； H2(g)+1/2O2(g)=H2O (l)； qp,m=-285 kJmol-1211.2 反應(yīng)熱與焓 并不是所有的反應(yīng)熱都可以實(shí)驗(yàn)測定。例如反應(yīng)：2C(s) + O2(g) = 2CO(g)為什么上述反應(yīng)的反應(yīng)熱無法實(shí)驗(yàn)測定？實(shí)驗(yàn)過程中無法控制生成產(chǎn)物完全是CO。因此，只能用理論方法來計算反應(yīng)熱。22 熱力學(xué)第一定律封閉系統(tǒng)，

11、不做非體積功時，假設(shè)系統(tǒng)從環(huán)境吸收熱q，從環(huán)境得功w，那么系統(tǒng)內(nèi)能的增加U (U2 U1)為：U = q + w熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)是能量守恒定律在熱力學(xué)中的的應(yīng)用。其中，內(nèi)能現(xiàn)稱為熱力學(xué)能。231 熱力學(xué)能系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動能量的總和。內(nèi)部運(yùn)動包括分子的平動、轉(zhuǎn)動、振動以及電子運(yùn)動和核運(yùn)動。思考：同樣的物質(zhì)，在相同的溫度和壓力下，前者放在10000m高空，以400m/s飛行的飛機(jī)上，后者靜止在地面上。兩者的內(nèi)能相同嗎？相同。內(nèi)能的特征： 狀態(tài)函數(shù) 無絕對數(shù)值 廣度性質(zhì)由于分子內(nèi)部運(yùn)動的相互作用十分復(fù)雜，因此目前尚無法測定內(nèi)能的絕對數(shù)值。242 熱在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境存在溫度差而交換

12、的能量稱為熱。熱的符號規(guī)定： 系統(tǒng)吸熱為正，系統(tǒng)放熱為負(fù)。熱量q不是狀態(tài)函數(shù)253 功與體積功在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境除熱以外的方式交換的能量都稱為功。功的符號規(guī)定： 注意功符號的規(guī)定尚不統(tǒng)一系統(tǒng)得功為正，系統(tǒng)作功為負(fù)。由于系統(tǒng)體積發(fā)生變化而與環(huán)境所交換的功稱為體積功w體。所有其它的功統(tǒng)稱為非體積功w 。功w也不是狀態(tài)函數(shù)思考：1mol理想氣體，密閉在1)氣球中，2) 鋼瓶中；將理想氣體的溫度提高20C時，是否做了體積功？1)做體積功，2)未做體積功。w= w體+ w 26一封閉系統(tǒng)，熱力學(xué)能U1，從環(huán)境吸收熱q ，得功w，變到狀態(tài)2，熱力學(xué)能U2，那么有：U1U2q 0w 0U

13、= q +w274 體積功w體的計算等外壓過程中，體積功w體= p 外(V2 V1) = p外V pp外 = F / Al p外 = F / A，l = V / A，因此，體積功w體= F l = (p外 A) (V/A) = p外 V 圖1.4 體積功示意圖285 理想氣體的體積功根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程：附例 1 mol理想氣體從始態(tài)3經(jīng)等溫恒外壓p2 = 50kPa膨脹到平衡，求系統(tǒng)所做的功。解：終態(tài)平衡時的體積為：負(fù)值表示系統(tǒng)對外做功。291. 2. 2 化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱與焓通常把反應(yīng)物和生成物具有相同溫度時，系統(tǒng)吸收或放出的熱量叫做反應(yīng)熱。根據(jù)反應(yīng)條件的不同，反應(yīng)熱又可分為： 定容反應(yīng)

14、熱恒容過程，體積功w體 = 0，不做非體積功 w =0時，所以， w= w體+ w =0 ，qV = U 定壓反應(yīng)熱恒壓過程，不做非體積功時， w體= p(V2V1)，所以qp = U + p(V2V1)這就說明了qp與qv的不同，二者間差一相體積功。301 焓 qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1)公式qp =H 的意義：等壓熱效應(yīng)即為焓的增量，所以可以通過H的計算求出qP 的值。令 H U + p V那么qp =H2 H1=HH 稱為焓，是一個重要的熱力學(xué)函數(shù)。思考：焓是狀態(tài)函數(shù)嗎？能否知道它的絕

15、對數(shù)值？是狀態(tài)函數(shù)，但不能知道它的絕對數(shù)值。312 定容反應(yīng)熱與定壓反應(yīng)熱的關(guān)系定容反應(yīng)熱：qV = U；定壓反應(yīng)熱：qp = Up + p(V2 V1)等溫過程， Up UV，那么：qp qV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT對于理想氣體反應(yīng)，有：對于有凝聚相參與的理想氣體反應(yīng)，由于凝聚相相對氣相來說，體積可以忽略，因此在上式中，只需考慮氣體的物質(zhì)的量。H U = qp qV = p(V2 V1)思考：假設(shè)反應(yīng) C(石墨) + O2(g) CO2(g) 的qp,m為393.5kJmol 1，那么該反應(yīng)的qV,m 為多少？該反應(yīng)的n(g) = 0， qV = qp 所以對于

16、沒有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)或n(g) 0的反應(yīng)，qV qp對于有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)，且n(g)0的反應(yīng)，qV qp323 蓋斯定律 化學(xué)反應(yīng)的恒壓或恒容反應(yīng)熱只與物質(zhì)的始態(tài)或終態(tài)有關(guān)而與變化的途徑無關(guān)。始態(tài)C(石墨) + O2(g)終態(tài)CO2(g)中間態(tài)CO(g) + O2(g)即熱化學(xué)方程式可像代數(shù)式那樣進(jìn)行加減運(yùn)算。33蓋斯定律例如由蓋斯定律知：假設(shè)化學(xué)反應(yīng)可以加和，那么其反應(yīng)熱也可以加和。附例1.3 已知反應(yīng)和的反應(yīng)焓，計算的反應(yīng)焓，解：34 反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變1 熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：氣體物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：標(biāo)準(zhǔn)壓力p 下表現(xiàn)出理想氣體性質(zhì)的純氣體狀態(tài)溶液中溶質(zhì)B的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是:標(biāo)準(zhǔn)壓力p 下，質(zhì)量摩爾濃度為

17、b (1.0mol.kg-1),并表現(xiàn)出無限稀溶液中溶質(zhì)的狀態(tài); 本書采用近似c =1.0 mol.dm-3)液體或固體的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是:標(biāo)準(zhǔn)壓力p 下的純液體或純固體。352 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓指定單質(zhì)通常指標(biāo)準(zhǔn)壓力和該溫度下最穩(wěn)定的單質(zhì)。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l) 等。但P為白磷(s)，即Ps，白。時的數(shù)據(jù)可以從手冊上查到。附錄3 p357思考：以下哪些反應(yīng)的恒壓反應(yīng)熱不是生成焓(反應(yīng)物和生成物都是標(biāo)準(zhǔn)態(tài))?(1)(2)(3)規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)態(tài)指定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓為0。生成焓的負(fù)值越大，說明該物質(zhì)鍵能越大，對熱越穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時由指定單質(zhì)生成單位物質(zhì)的量的純物質(zhì)B時反應(yīng)的焓變稱為標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓，記

18、作 。363 標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變及測定測定原理：由于qp =H所以可以通過在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測定恒溫恒壓條件下的反應(yīng)熱得到反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變.標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,反應(yīng)進(jìn)度 = 1mol的焓變稱為反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變:記作374 反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計算穩(wěn)定單質(zhì)可從手冊數(shù)據(jù)計算時的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓.反應(yīng)物標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)生成物標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)r Hmf Hm (p)f Hm (r)由蓋斯定律，得：= 產(chǎn) 反 即：38標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變計算例如解：從手冊查得時Fe2O3和Al2O3的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓分別為和1675.7kJmol-1。例1.4 試計算鋁熱劑點(diǎn)火反應(yīng)的反應(yīng)計量式為：39本卷須知 物質(zhì)的聚集狀態(tài)，查表時仔細(xì)應(yīng)用物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓

19、計算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓時需要注意 公式中化學(xué)計量數(shù)與反應(yīng)方程式相符 數(shù)值與化學(xué)計量數(shù)的選配有關(guān)； 溫度的影響40附例 設(shè)反應(yīng)物和生成物均處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，計算1mol乙炔完全燃燒放出的能量。解：從手冊查得時，各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓如下。226.73 0 -393.509 -285.8341 能源的合理利用 能源是自然界中為人類提供能量的物質(zhì)資源。 能源是當(dāng)今社會的三大支柱材料、能源、信息之一。 能源是我們賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。421.3.1 煤炭與潔煤技術(shù)注意：我國能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占據(jù)重要地位：占總能量的70%以上。此外，我國也是世界上煤炭儲量最大的國家，因此，如何高效、科學(xué)、清潔地利用煤炭資源是我國能源科學(xué)和