浙江大學(xué)普通化學(xué)(第六版)第一章課件-熱化學(xué)與能源市公開課獲獎(jiǎng)?wù)n件

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：6月1第1頁第1頁緒論化學(xué)是一門既古老又年輕科學(xué)?；瘜W(xué)是研究和創(chuàng)造物質(zhì)科學(xué)，同工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防當(dāng)代化，同人民生活和人類社會(huì)等都有非常密切關(guān)系?；瘜W(xué)是一門中心性、實(shí)用和創(chuàng)造性科學(xué)，主要是研究物質(zhì)分子轉(zhuǎn)變規(guī)律科學(xué)?；瘜W(xué)與物理一起屬于自然科學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科。 化學(xué)分支比較多。研究現(xiàn)實(shí)狀況()化合物萬種時(shí)間分辨率：1 fs (飛秒（femtosecond）1 飛秒 為千萬億分之一秒 )空間分辨率：0.1nm分析所需最小量：10-13 g。2第2頁第2頁1 化學(xué)地位和作用 化學(xué)仍是處理食物短缺問題主要

2、學(xué)科之一 （農(nóng)作物豐產(chǎn)，雜交水稻） 化學(xué)繼續(xù)推動(dòng)材料科學(xué)發(fā)展 （高分子復(fù)合材料研發(fā)） 化學(xué)是提升人類生存質(zhì)量和生存安全有效保障 （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)主要支柱3第3頁第3頁2 學(xué)習(xí)目的、內(nèi)容和要求學(xué)習(xí)目的理解當(dāng)代化學(xué)學(xué)科概貌用化學(xué)觀點(diǎn)分析、結(jié)識(shí)生活和工作中化學(xué)問題,以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生高素質(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(shí)；化學(xué)在相關(guān)學(xué)科中應(yīng)用 試驗(yàn)化學(xué)學(xué)習(xí)要求 辨證思維 發(fā)展眼光 實(shí)踐辦法4第4頁第4頁1.課前預(yù)習(xí)，瀏覽一遍今天老師要講什么

3、，在心理上有個(gè)準(zhǔn)備；2.課堂上，準(zhǔn)備一筆記本，注意聽記，這是提升聽課效率確保不走神，能跟上講課思緒最佳辦法；其二，筆記內(nèi)容為課后復(fù)習(xí)以及期末復(fù)習(xí)主要依據(jù)；3.下學(xué)時(shí)，請(qǐng)靜坐1分鐘時(shí)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(duì)每一章以自己辦法、思緒能總結(jié)一下，期末時(shí)只要看自己總結(jié)就能復(fù)習(xí)全書。課程要求5第5頁第5頁詳細(xì)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(shí)消化、完畢作業(yè) 實(shí)踐學(xué)習(xí)：試驗(yàn)前寫好預(yù)習(xí)匯報(bào)，試驗(yàn)后及時(shí)完畢試驗(yàn)匯報(bào)。課程考核：理論考試占80%左右 試驗(yàn)占15%左右 平時(shí)占5%左右6第6頁第6頁熱化學(xué)與能源第1章7第7頁第7頁目

4、錄1.1 熱化學(xué)1.2 反應(yīng)熱與焓1.3 能源合理利用選讀材料 核能. 核燃料和核能起源. 核電優(yōu)勢(shì)與發(fā)展趨勢(shì)本章小結(jié)8第8頁第8頁1 .1 熱化學(xué)系統(tǒng)：作為研究對(duì)象那一部分物質(zhì)和空間。環(huán)境：系統(tǒng)之外，與系統(tǒng)密切聯(lián)系其它物質(zhì)和 空間。開放系統(tǒng)有物質(zhì)和能量互換封閉系統(tǒng)只有能量互換1.1.1 幾種基本概念1 系統(tǒng)與環(huán)境圖1.1 系統(tǒng)分類隔離系統(tǒng)無物質(zhì)和能量互換9第9頁第9頁2 相系統(tǒng)中任何物理和化學(xué)性質(zhì)完全相同、均勻部分稱為相。依據(jù)相概念，系統(tǒng)可分為：?jiǎn)蜗啵ň鶆颍┫到y(tǒng)多相（不均勻）系統(tǒng) 相與相之間有明確界面。思考：1) 101.325kPa，273.15K(0C)下，H2O(l), H2O(g)和

5、H2O(s)同時(shí)共存時(shí)系統(tǒng)中相數(shù)為多少。2) CaCO3(s)分解為CaO (s)和CO2(g)并達(dá)到平衡系統(tǒng)中相數(shù)。10第10頁第10頁3 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)物理量X 稱狀態(tài)函數(shù)，如氣體壓力p、體積V、溫度T 等。狀態(tài)就是系統(tǒng)一切性質(zhì)總和。有平衡和非平衡態(tài)之分。如系統(tǒng)宏觀性質(zhì)都處于定值，則系統(tǒng)為平衡態(tài)。狀態(tài)改變時(shí)，系統(tǒng)宏觀性質(zhì)也必定發(fā)生部分或所有改變。11第11頁第11頁狀態(tài)函數(shù)性質(zhì) 狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)單值函數(shù)。 當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，狀態(tài)函數(shù)改變量只與系統(tǒng)始、末態(tài)相關(guān)，而與改變實(shí)際路徑無關(guān)。（特點(diǎn)）圖1.2 狀態(tài)函數(shù)性質(zhì)下列例子闡明：當(dāng)系統(tǒng)由始態(tài)變到終態(tài)時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)壓力

6、p和體積V改變量與路徑無關(guān)。系統(tǒng)壓力從3p變?yōu)閜12第12頁第12頁廣度性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)狀態(tài)函數(shù)可分為兩類：廣度性質(zhì)：其量值含有加和性，如體積、質(zhì)量等。強(qiáng)度性質(zhì)：其量值不含有加和性，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)改變,狀態(tài)函數(shù)也隨之而變,且 狀態(tài)函數(shù)改變值只與始態(tài)、終態(tài) 相關(guān),而與改變路徑無關(guān)。注意：摩爾體積(體積除以物質(zhì)量)是什么性質(zhì)物理量？13第13頁第13頁4 過程與路徑 系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何改變稱為過程；可逆過程體系通過某一過程，由狀態(tài)變到狀態(tài)之后，假如通過逆過程能使體系和環(huán)境都完全復(fù)原，這樣過程稱為可逆過程。它是在一系列無限靠近平衡條件下進(jìn)行過程。 實(shí)現(xiàn)一個(gè)過程詳細(xì)環(huán)

7、節(jié)稱路徑。思考：過程與路徑區(qū)別。設(shè)想假如你要把20 C水燒開，要完畢“水燒開”這個(gè)過程，你能夠有各種詳細(xì)“路徑”：如能夠在水壺中常壓燒；也能夠在高壓鍋中加壓燒。14第14頁第14頁5 化學(xué)計(jì)量數(shù)普通用化學(xué)反應(yīng)計(jì)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 化學(xué)計(jì)量數(shù)。符號(hào)要求：反應(yīng)物： B為負(fù)；產(chǎn)物：B為正。 沒有量綱純數(shù)附例1.1 應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)統(tǒng)通式形式表示下列合成氨化學(xué)反應(yīng)計(jì)量方程式： N2 + 3H2 = 2NH3解：用化學(xué)反應(yīng)通式表示為： 0= - N2 - 3H2 + 2NH315第15頁第15頁6 反應(yīng)進(jìn)度反應(yīng)進(jìn)度 定義：反應(yīng)進(jìn)度單位是摩爾（mol），它與化學(xué)計(jì)量數(shù)選配相

8、關(guān)。nB 為物質(zhì)B物質(zhì)量，d nB表示微小改變量?；蚨x思考：反應(yīng)進(jìn)度與化學(xué)反應(yīng)方程式書寫相關(guān)嗎？相關(guān)。如對(duì)于反應(yīng)： 0 = N2 3H2 + 2NH3 ，當(dāng)有1mol NH3生成時(shí)，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第16頁第16頁1.1.2 熱效應(yīng)及其測(cè)量反應(yīng)熱指化學(xué)反應(yīng)過程中系統(tǒng)放出或吸取熱量。熱化學(xué)要求：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(shí)系統(tǒng)放出或吸取熱量。思考：反應(yīng)熱有定容反應(yīng)熱和定壓反應(yīng)熱之分。前者反應(yīng)條件是恒容，后者反應(yīng)條件是恒壓。用彈式量熱計(jì)測(cè)量反應(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

9、計(jì)中準(zhǔn)確地測(cè)量。測(cè)量反應(yīng)熱是熱化學(xué)主要研究?jī)?nèi)容。17第17頁第17頁1 反應(yīng)熱試驗(yàn)測(cè)量辦法設(shè)有n mol物質(zhì)完全反應(yīng)，所放出熱量使彈式量熱計(jì)與恒溫水浴溫度從T1上升到T2，彈式量熱計(jì)與恒溫水浴熱容為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(jì)18第18頁第18頁示例 例1.1 聯(lián)氨燃燒反應(yīng)：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：解：燃燒0.5g聯(lián)氨放熱為19第19頁第19頁2 熱化學(xué)方程式 表示化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)關(guān)系方程式稱為熱化學(xué)方程式。其原則寫法是：先寫出反應(yīng)方程，再寫出相應(yīng)反應(yīng)熱，兩者之

10、間用分號(hào)或逗號(hào)隔開。比如： 標(biāo)明反應(yīng)溫度、壓力及反應(yīng)物、生成物 量和狀態(tài)；書寫熱化學(xué)方程式時(shí)應(yīng)注意：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)； 2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； 若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。20第20頁第20頁 反應(yīng)熱與反應(yīng)式化學(xué)計(jì)量數(shù)相關(guān)； 普通標(biāo)注是等壓熱效應(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-121第21頁第21頁1.2 反應(yīng)熱與焓 并不是所有反應(yīng)熱都能夠試驗(yàn)測(cè)定。比如反應(yīng)：

11、2C(s) + O2(g) = 2CO(g)為何上述反應(yīng)反應(yīng)熱無法試驗(yàn)測(cè)定？試驗(yàn)過程中無法控制生成產(chǎn)物完全是CO。因此，只能用理論辦法來計(jì)算反應(yīng)熱。22第22頁第22頁1.2.1 熱力學(xué)第一定律封閉系統(tǒng)，不做非體積功時(shí)，若系統(tǒng)從環(huán)境吸取熱q，從環(huán)境得功w，則系統(tǒng)內(nèi)能增長(zhǎng)U (U2 U1)為：U = q + w熱力學(xué)第一定律實(shí)質(zhì)是能量守恒定律在熱力學(xué)中應(yīng)用。其中，內(nèi)能現(xiàn)稱為熱力學(xué)能。23第23頁第23頁1 熱力學(xué)能系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)能量總和。內(nèi)部運(yùn)動(dòng)包括分子平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)以及電子運(yùn)動(dòng)和核運(yùn)動(dòng)。思考：同樣物質(zhì)，在相同溫度和壓力下，前者放在10000m高空，以400m/s飛行飛機(jī)上，后者靜止在地面上。兩

12、者內(nèi)能相同嗎？相同。內(nèi)能特性： 狀態(tài)函數(shù) 無絕對(duì)數(shù)值 廣度性質(zhì)由于分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)互相作用十分復(fù)雜，因此當(dāng)前尚無法測(cè)定內(nèi)能絕對(duì)數(shù)值。24第24頁第24頁2 熱在物理或化學(xué)改變過程中，系統(tǒng)與環(huán)境存在溫度差而互換能量稱為熱。熱符號(hào)要求： 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)25第25頁第25頁3 功與體積功在物理或化學(xué)改變過程中，系統(tǒng)與環(huán)境除熱以外方式互換能量都稱為功。功符號(hào)要求： （注意功符號(hào)要求尚不統(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)生改變而與環(huán)境所互換功稱為體積功w體。所有其它功統(tǒng)稱為非體積功w 。功w也不是狀態(tài)函數(shù)思考：1mol抱負(fù)氣體，密閉在1)氣球中，2) 鋼瓶中；將

13、抱負(fù)氣體溫度提升20C時(shí)，是否做了體積功？1)做體積功，2)未做體積功。w= w體+ w 26第26頁第26頁一封閉系統(tǒng)，熱力學(xué)能U1，從環(huán)境吸取熱q ，得功w，變到狀態(tài)2，熱力學(xué)能U2，則有：U1U2q 0w 0U = q +w27第27頁第27頁4 體積功w體計(jì)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28第28頁第28頁5 抱負(fù)氣體體積功依據(jù)抱負(fù)氣體狀態(tài)方程：附例1.2 1 mol抱負(fù)氣體從始態(tài)100kPa

14、, 22.4dm3經(jīng)等溫恒外壓p2 = 50kPa膨脹到平衡，求系統(tǒng)所做功。解：終態(tài)平衡時(shí)體積為：負(fù)值表示系統(tǒng)對(duì)外做功。29第29頁第29頁1. 2. 2 化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)熱與焓通常把反應(yīng)物和生成物含有相同溫度時(shí)，系統(tǒng)吸取或放出熱量叫做反應(yīng)熱。依據(jù)反應(yīng)條件不同，反應(yīng)熱又可分為： 定容反應(yīng)熱恒容過程，體積功w體 = 0，不做非體積功 w =0時(shí)，因此， w= w體+ w =0 ，qV = U 定壓反應(yīng)熱恒壓過程，不做非體積功時(shí)， w體= p(V2V1)，因此qp = U + p(V2V1)這就說明了qp與qv不同，二者間差一相體積功。30第30頁第30頁1 焓 qP =U + p(V2 V1) =

15、(U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1)公式qp =H 意義：等壓熱效應(yīng)即為焓增量，因此能夠通過H計(jì)算求出qP 值。令 H U + p V則qp =H2 H1=HH 稱為焓，是一個(gè)主要熱力學(xué)函數(shù)。思考：焓是狀態(tài)函數(shù)嗎？能否知道它絕對(duì)數(shù)值？是狀態(tài)函數(shù)，但不能知道它絕對(duì)數(shù)值。31第31頁第31頁2 定容反應(yīng)熱與定壓反應(yīng)熱關(guān)系已知定容反應(yīng)熱：qV = U；定壓反應(yīng)熱：qp = Up + p(V2 V1)等溫過程， Up UV，則：qp qV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT對(duì)于抱負(fù)氣體反應(yīng)，有：對(duì)于有凝聚相參與抱負(fù)氣體反應(yīng)，由

16、于凝聚相相對(duì)氣相來說，體積能夠忽略，因此在上式中，只需考慮氣體物質(zhì)量。H U = qp qV = p(V2 V1)思考：若反應(yīng) C(石墨) + O2(g) CO2(g) qp,m為393.5kJmol 1，則該反應(yīng)qV,m 為多少？該反應(yīng)n(g) = 0， qV = qp 因此對(duì)于沒有氣態(tài)物質(zhì)參與反應(yīng)或n(g) 0反應(yīng)，qV qp對(duì)于有氣態(tài)物質(zhì)參與反應(yīng)，且n(g)0反應(yīng)，qV qp32第32頁第32頁3 蓋斯定律 化學(xué)反應(yīng)恒壓或恒容反應(yīng)熱只與物質(zhì)始態(tài)或終態(tài)相關(guān)而與改變路徑無關(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

17、。33第33頁第33頁蓋斯定律示例由蓋斯定律知：若化學(xué)反應(yīng)能夠加和，則其反應(yīng)熱也能夠加和。附例1.3 已知反應(yīng)和反應(yīng)焓，計(jì)算反應(yīng)焓，解：34第34頁第34頁1.2.3 反應(yīng)原則摩爾焓變1 熱力學(xué)原則態(tài)：氣體物質(zhì)原則態(tài)：原則壓力p 下表現(xiàn)出抱負(fù)氣體性質(zhì)純氣體狀態(tài)溶液中溶質(zhì)B原則態(tài)是:原則壓力p 下，質(zhì)量摩爾濃度為b (1.0mol.kg-1),并表現(xiàn)出無限稀溶液中溶質(zhì)狀態(tài); 本書采用近似c =1.0 mol.dm-3)液體或固體原則態(tài)是:原則壓力p 下純液體或純固體。35第35頁第35頁2 原則摩爾生成焓指定單質(zhì)通常指原則壓力和該溫度下最穩(wěn)定單質(zhì)。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l) 等。但P為白

18、磷(s)，即P（s，白）。298.15K時(shí)數(shù)據(jù)能夠從手冊(cè)上查到。（附錄3 p357）思考：下列哪些反應(yīng)恒壓反應(yīng)熱不是生成焓(反應(yīng)物和生成物都是原則態(tài))?(1)(2)(3)要求：原則態(tài)指定單質(zhì)原則生成焓為0。生成焓負(fù)值越大，表明該物質(zhì)鍵能越大，對(duì)熱越穩(wěn)定。原則狀態(tài)時(shí)由指定單質(zhì)生成單位物質(zhì)量純物質(zhì)B時(shí)反應(yīng)焓變稱為原則摩爾生成焓，記作 。36第36頁第36頁3 原則摩爾焓變及測(cè)定測(cè)定原理：由于qp =H因此能夠通過在原則狀態(tài)下測(cè)定恒溫恒壓條件下反應(yīng)熱得到反應(yīng)原則摩爾焓變.原則狀態(tài)下,反應(yīng)進(jìn)度 = 1mol焓變稱為反應(yīng)原則摩爾焓變:記作37第37頁第37頁4 反應(yīng)原則摩爾焓變計(jì)算穩(wěn)定單質(zhì)可從手冊(cè)數(shù)據(jù)計(jì)

19、算298.15K時(shí)原則摩爾反應(yīng)焓.反應(yīng)物原則狀態(tài)生成物原則狀態(tài)r Hmf Hm (p)f Hm (r)由蓋斯定律，得：= 產(chǎn) 反 即：38第38頁第38頁原則摩爾反應(yīng)焓變計(jì)算示例解：從手冊(cè)查得298.15K時(shí)Fe2O3和Al2O3原則摩爾生成焓分別為824.2和1675.7kJmol-1。例1.4 試計(jì)算鋁熱劑點(diǎn)火反應(yīng)反應(yīng)計(jì)量式為：39第39頁第39頁注意事項(xiàng) 物質(zhì)匯集狀態(tài)，查表時(shí)仔細(xì)應(yīng)用物質(zhì)原則摩爾生成焓計(jì)算原則摩爾反應(yīng)焓時(shí)需要注意 公式中化學(xué)計(jì)量數(shù)與反應(yīng)方程式相符 數(shù)值與化學(xué)計(jì)量數(shù)選配相關(guān)； 溫度影響40第40頁第40頁附例1.4 設(shè)反應(yīng)物和生成物均處于原則狀態(tài)，計(jì)算1mol乙炔完全燃燒放出能量。解：從手冊(cè)查得298.15K時(shí)，各物質(zhì)原則摩爾生成焓下列。226.73 0 -393.509 -285.8341第41頁第41頁1.3 能源合理利用 能源是自然界中為人類提供能量物質(zhì)資源。 能源是當(dāng)今社會(huì)三大支柱（材料、能源、信息）之一。 能源是我們賴以生存主要物質(zhì)基礎(chǔ)。42第42頁第42頁1.3.1 煤炭與潔煤技術(shù)注意：我國(guó)能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占據(jù)主要地位：占總能量70%以上。另外，我國(guó)也是世界上煤炭?jī)?chǔ)量最大國(guó)家，因此，如何高效、科學(xué)、清潔地利用煤炭資源是我國(guó)能源科學(xué)和研究中主要課題。我國(guó)