普通化學(xué)熱化學(xué)與能源

1、普通化學(xué)熱化學(xué)與能源第1頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四2教學(xué)目標(biāo)：了解定容熱效應(yīng)(qv)的測(cè)量原理。熟悉qv的實(shí)驗(yàn)計(jì)算方法。了解狀態(tài)函數(shù)、反應(yīng)進(jìn)度、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的概念和熱化學(xué)定律。理解等壓熱效應(yīng)與反應(yīng)焓變的關(guān)系、等容熱效應(yīng)與熱力學(xué)能變的關(guān)系。掌握標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變的近似計(jì)算。了解能源的概況、燃料的熱值和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 Lecture 1第2頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四3重點(diǎn):(1)熱化學(xué)基本概念：狀態(tài)函數(shù)，可逆過程，化學(xué)計(jì)量數(shù)，反應(yīng)進(jìn)度，反應(yīng)熱和焓。(2) 定容熱效應(yīng)的測(cè)量原理和方法。(3)熱力學(xué)第一定律和蓋斯定律及其應(yīng)用。(4)定壓熱效應(yīng)(q

2、p)與反應(yīng)焓變的關(guān)系、定容熱效應(yīng)(qv)與熱力學(xué)能變的關(guān)系。(5)化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計(jì)算。第3頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四4難點(diǎn):(1)狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)。(2)qp與反應(yīng)焓變的關(guān)系、qV與熱力學(xué)能變的關(guān)系。第4頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四5化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，伴隨有能量的變化，通常多以熱的形式放出或吸收。燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量和化學(xué)反應(yīng)中所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換和利用都是能源的重要課題。熱化學(xué)？ 研究化學(xué)反應(yīng)中熱與其它能量變化的定量關(guān)系的學(xué)科。1.1 反應(yīng)熱的測(cè)量第5頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四6系統(tǒng)：作為研究對(duì)象的那一

3、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(gè)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)和能量交換第6頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四7注意以下幾點(diǎn):(1) 系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系主要是物質(zhì)和能量交換。系統(tǒng)的邊界有多種多樣。 可以是實(shí)際的，也可以是假想的。如剛性壁，活動(dòng)壁，絕熱壁，透熱壁，半透壁。(3) 不同系統(tǒng)有不同的環(huán)境，常用熱源這一概念描述。第7頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四82. 相(phase)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

4、相。根據(jù)相的概念，系統(tǒng)可分為：?jiǎn)蜗啵ň鶆颍┫到y(tǒng)多相（不均勻）系統(tǒng) 相與相之間有明確的界面。第8頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四9氣體物質(zhì)及其混合物：?jiǎn)蜗唷?液體物質(zhì)： 如相互溶解，則形成一個(gè)相（如酒精與水）；如互不相溶，混合時(shí)，則形成有明顯界面分開的兩個(gè)液相（如四氯化碳和水）。 固態(tài)物質(zhì)： 較為復(fù)雜，它有晶態(tài)和非晶態(tài)之分，晶態(tài)中又有多種結(jié)構(gòu)，分屬不同的相。第9頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四10思考： (1) 101.325kPa，273.15K(0)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同時(shí)共存時(shí)系統(tǒng)中的相數(shù)為多少？ (2) CaCO3

5、(s)分解為CaO (s)和CO2(g)并達(dá)到平衡的系統(tǒng)中的相數(shù)為多少？答案: (1)在此條件下，存在3相（氣、液、固各一相)。 (2)3相（氣體1相，固體2相）。第10頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四113. 狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)(state and state function)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)是系統(tǒng)一切性質(zhì)的總和。有平衡態(tài)和非平衡態(tài)之分。如系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)都處于定值，則系統(tǒng)為平衡態(tài)。狀態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)也必然發(fā)生部分或全部變化。第11頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四12

6、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(shí)，狀態(tài)函數(shù)的變化量只與系統(tǒng)的始、終態(tài)有關(guān)，而與變化的實(shí)際途徑無關(guān)。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(shí)，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)。外壓從3p變?yōu)閜VT3p第12頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四13狀態(tài)函數(shù)的三個(gè)特點(diǎn)： 狀 態(tài)一定，其值一定； 殊途同歸，值變相等 ； 周而復(fù)始，值變?yōu)榱?。?3頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四14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)：具有加和性，如體積、質(zhì)量等。強(qiáng)度性質(zhì)：不具有加和性，如溫度、壓力等。

7、思考：力和面積是什么性質(zhì)的物理量？它們的商即壓強(qiáng)(熱力學(xué)中稱為壓力)是強(qiáng)度性質(zhì)的物理量。由此可以得出什么結(jié)論？推論：摩爾體積(體積除以物質(zhì)的量)是什么性質(zhì)的物理量？答：力和面積都是廣度性質(zhì)的物理量。結(jié)論是兩個(gè)廣度性質(zhì)的物理量的商是一個(gè)強(qiáng)度性質(zhì)的物理量。第14頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四154. 過程與途徑 系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何的變化稱為過程?？赡孢^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(gè)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 的

8、水燒開，要完成“水燒開”這個(gè)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開再降至常壓。第15頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四165. 化學(xué)計(jì)量數(shù)一般用化學(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 的化學(xué)計(jì)量數(shù)。符號(hào)規(guī)定：反應(yīng)物： B為負(fù)；產(chǎn)物：B為正。例：應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)通式形式表示下列合成氨的化學(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 + 2NH3第16頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四17對(duì)于同一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)計(jì)量數(shù)與化學(xué)反應(yīng)方程式的

9、寫法有關(guān)。 例： N2(g) + 3H2(g)2NH3(g) v(N2)-1， v(H2)-3， v(NH3)2 1/2N2(g) + 3/2H2(g)NH3(g) v(N2)-1/2， v(H2)-3/2， v(NH3)1第17頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四186. 反應(yīng)進(jìn)度反應(yīng)進(jìn)度 的定義：的單位是摩爾(mol)，它與化學(xué)計(jì)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。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？答：有關(guān)。如對(duì)于反應(yīng) N2 + 3H2 = 2NH3 ，當(dāng)有1mol NH3生成時(shí)，反應(yīng)進(jìn)度為0.5mol。則反應(yīng)進(jìn)度為1 mol。

10、若將反應(yīng)寫成第18頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四19反應(yīng)進(jìn)度的值為正值。反應(yīng)進(jìn)度只與化學(xué)反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)，而與選擇系統(tǒng)中何種物質(zhì)來表達(dá)無關(guān)。 換句話說，引入反應(yīng)進(jìn)度這個(gè)量的最大優(yōu)點(diǎn)是在反應(yīng)進(jìn)行到任意時(shí)刻時(shí)，可用任一反應(yīng)物或產(chǎn)物來表示反應(yīng)進(jìn)行的程度，所得的值總是相等的。 第19頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四20例： N2(g)3H2 (g) 2NH3 (g) 反應(yīng)前物質(zhì)的量n1/mol 10 30 0 反應(yīng)某時(shí)刻物質(zhì)的量n2/mol 8 24 4 n2(N2)n1(N2)/v(N2)(810) mol/(1)2 mol或 n2(H2)n1(

11、H2)/v(H2)(2430) mol/(3)2 mol或n2(NH3)n1(NH3)/v(NH3)(40) mol/22 mol第20頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四21對(duì)于同一反應(yīng)，反應(yīng)式寫法不同，vB就不同，因而值不同。例： 1/2N2 (g)3/2H2 (g) NH3 (g) 反應(yīng)前物質(zhì)的量n1/mol 10 30 0 反應(yīng)某時(shí)刻物質(zhì)的量n2/mol 8 24 4 n2(N2)n1(N2)/v(N2)(810) mol/(1/2)4 mol當(dāng)涉及到反應(yīng)進(jìn)度時(shí)，必須指明化學(xué)反應(yīng)方程式。當(dāng)1 mol時(shí)，表示進(jìn)行了1 mol化學(xué)反應(yīng)，或簡(jiǎn)稱摩爾反應(yīng)。第21頁，共98頁

12、，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四221.1.2 反應(yīng)熱的測(cè)量反應(yīng)熱: 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: 當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為1 mol時(shí)系統(tǒng)放出或吸收的熱量。(等容)反應(yīng)熱可在彈式量熱計(jì)中精確地測(cè)量。測(cè)量反應(yīng)熱是熱化學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。圖1.3 彈式量熱計(jì) Lecture 2第22頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四231. 反應(yīng)熱的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法 設(shè)有n mol物質(zhì)完全反應(yīng)，所放出的熱量使彈式量熱計(jì)與恒溫水浴的溫度從T1上升到T2，彈式量熱計(jì)與恒溫水浴的熱容為Cs(JK-1)， 比熱容為cs(JK-1kg-1 )，則

13、：由于完全反應(yīng)， = n因此摩爾反應(yīng)熱： q為一定量反應(yīng)物在給定條件下的反應(yīng)熱效應(yīng)； cs表示溶液的比熱容； ms為溶液的質(zhì)量； Cs為溶液的熱容， Cs csms 對(duì)于反應(yīng)熱q，負(fù)號(hào)表示放熱，正號(hào)表示吸熱。第23頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四24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(jì)測(cè)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)熱第24頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四25彈式量熱計(jì)所吸收的熱分為兩個(gè)部分： (1) 加入的水所吸收的熱； q(H2O)=c(H2O)m(H2O) T

14、 C(H2O)T 圖1.3 彈式量熱計(jì)(2) 鋼彈及內(nèi)部物質(zhì)和金屬容器(簡(jiǎn)稱鋼彈組件)等所吸收的熱。 qbCb T第25頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四26 反應(yīng)所放出的熱等于水所吸收的熱和鋼彈組件所吸收的熱之和： q -q(H2O)+ qb -C(H2O)T Cb T -C T第26頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四27例： 聯(lián)氨燃燒反應(yīng)：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：解：燃燒0.500g聯(lián)氨放熱為第27頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四282. 熱化學(xué)方程式 表示化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)關(guān)系的

15、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(hào)或逗號(hào)隔開。例如：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。第28頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四29 反應(yīng)熱與反應(yīng)式的化學(xué)計(jì)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？答案：不相同。書寫熱化學(xué)方程式時(shí)應(yīng)注意： 標(biāo)明反應(yīng)溫度、壓力及反應(yīng)物、生成物的量和狀態(tài)；第29頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四301.2 反應(yīng)熱的理論計(jì)算

16、 并不是所有的反應(yīng)熱都可以實(shí)驗(yàn)測(cè)定。例如反應(yīng)：2C(s) + O2(g) = 2CO(g)思考：為什么上述反應(yīng)的反應(yīng)熱無法實(shí)驗(yàn)測(cè)定？答案：實(shí)驗(yàn)過程中無法控制生成產(chǎn)物完全是CO。只能用理論方法來計(jì)算該反應(yīng)的反應(yīng)熱。第30頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四311.2.1 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)境吸收熱q，從環(huán)境得功w，則系統(tǒng)熱力學(xué)能的增加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)中的的應(yīng)用?！暗谝活愑绖?dòng)機(jī)不可能制成”是熱力學(xué)第一定律的另一種表述。其中，熱力學(xué)能從前稱為內(nèi)能。第31頁，共98頁，2022年，5月

17、20日，1點(diǎn)25分，星期四32 1. 熱力學(xué)能(U)系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)能量的總和。內(nèi)部運(yùn)動(dòng)包括分子的平動(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？答：相同。內(nèi)能的特征： 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)的相互作用十分復(fù)雜，因此目前尚無法測(cè)定內(nèi)能的絕對(duì)數(shù)值。第32頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四332. 熱(q)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的能量稱為熱。熱量q不是狀態(tài)函數(shù)第33頁，共98頁，2022年，5月20日，

18、1點(diǎn)25分，星期四343. 功與體積功功：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(hào)規(guī)定： （注意功符號(hào)的規(guī)定尚不統(tǒng)一） 系統(tǒng)得功為正；系統(tǒng)作功為負(fù)。體積功：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(shí)，是否做了體積功？答：1)做體積功；2)未做體積功。w = w體+ w 第34頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四35熱是由于系統(tǒng)間的溫差，功則是因系統(tǒng)間的力差而引起的能量傳遞。熱和功有兩點(diǎn)是相同

19、的：(1)熱和功都是能量；(2)熱和功都不是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)。功是有序能，而熱是無序能。因此，功能夠完全轉(zhuǎn)化為熱，而熱卻不能完全轉(zhuǎn)換為功。功分為體積功和非體積功。無論是壓縮還是膨脹，體積功都為： pV p(V2 V1)熱與功的比較：第35頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四361. 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(shí)，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)熱又可分為兩種： 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)， 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

20、= p(V2V1)， qp = U + p(V2V1)第36頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四371. 焓 qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1)令 H = U + p V則 qp =H2 H1=HH 稱為焓，是一個(gè)重要的熱力學(xué)函數(shù)。H 叫焓變。思考：焓是狀態(tài)函數(shù)嗎？能否知道它的絕對(duì)數(shù)值？答： H是U和p、V的一種組合形式，因此也是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，但不能知道它的絕對(duì)數(shù)值。第37頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四38公式qp =H 的意義： 1）等壓熱效應(yīng)即為

21、焓的增量，故qP也只決定于始終態(tài)，而與途徑無關(guān)。 2）可以通過H的計(jì)算,求出化學(xué)反應(yīng)的qP值。第38頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四392. 定容反應(yīng)熱與定壓反應(yīng)熱的關(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 UVqp qV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT對(duì)于理想氣體反應(yīng)，有：對(duì)于有凝聚相參與的理想氣體反應(yīng)，由于凝聚相相對(duì)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。則： H U = qp qV = p(V2 V1)第39頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四

22、40思考：若反應(yīng) C(石墨) + O2(g) CO2(g) 的qp,m為393.5kJmol 1，則該反應(yīng)的qV,m 為多少？答：該反應(yīng)的n(g) = 0， qV = qp 小結(jié)：1)對(duì)于沒有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)或n(g) = 0的反應(yīng)，qV qp2)對(duì)于有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)，且n(g)0時(shí)，qV qp第40頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四41 因?yàn)?pV nRT 若任一氣體的物質(zhì)的量變化為n(Bg)， 則例： aA(g) + bB(g)gG(g) + dD(g)化學(xué)反應(yīng)的摩爾熱力學(xué)能變r(jià)Um和摩爾焓變r(jià)Hm的基本單位均為kJmol-1第41頁，共98頁，2022年，5月

23、20日，1點(diǎn)25分，星期四42例： 在100和101.325 kPa下，由1mol H2O(l) 汽化變成1 mol H2O(g)。在汽化過程中H 和 U 是否相等？ 若H 等于40.63kJmol-1，則U為多少？解： H2O(l) H2O(g) (1) 水汽化，有體積功。 所以 H U (2) U H RT 40.63(10)(8.314/1000) (273.15+100) 40.633.1037.53kJmol-1第42頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四43在通常情況下，反應(yīng)或過程的體積功的絕對(duì)值小于5 kJmol-1。 若H數(shù)值較大，則 H U 第43頁，共98

24、頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四443. 蓋斯定律(Hesss Law） 問題的提出： 1) 測(cè)得的熱效應(yīng)常是qv，而不是qp； 2)有些反應(yīng)熱效應(yīng)，難以直接用實(shí)驗(yàn)測(cè)定。第44頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四451840年，G. H. Hess總結(jié)出的反應(yīng)熱總值一定定律。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。第45頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四46蓋斯定律的應(yīng)用：蓋斯定

25、律適用于恒壓或恒容條件。應(yīng)用蓋斯定律，可以計(jì)算一些很難直接用或尚未用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定的反應(yīng)熱。第46頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四47蓋斯定律示例：由蓋斯定律知：若化學(xué)反應(yīng)可以加和，則其反應(yīng)熱也可以加和。例： 已知反應(yīng)和的反應(yīng)焓，計(jì)算的反應(yīng)焓。解：第47頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四48化學(xué)熱力學(xué)中規(guī)定： 標(biāo)準(zhǔn)壓力：p100kPa。 標(biāo)準(zhǔn)濃度：m 1.0mol.kg-1)； c1moldm-3。 “”表示“標(biāo)準(zhǔn)”，可讀作“標(biāo)準(zhǔn)”。1.2.3 反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計(jì)算1. 熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài) Lecture 3第48頁，共98頁，2022年，5月20日，

26、1點(diǎn)25分，星期四49氣體物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：在標(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): 在標(biāo)準(zhǔn)壓力 p 下，質(zhì)量摩爾濃度為m (1.0mol.kg-1),并表現(xiàn)出無限稀溶液中溶質(zhì)的狀態(tài); 近似采用c =1.0 mol.dm-3。液體或固體的標(biāo)準(zhǔn)態(tài): 在標(biāo)準(zhǔn)壓力 p 下的純液體或純固體。第49頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四50標(biāo)準(zhǔn)條件：標(biāo)準(zhǔn)壓力及標(biāo)準(zhǔn)濃度。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：某物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓： 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，由指定的單質(zhì)生成單位物質(zhì)的量的純物質(zhì)時(shí)反應(yīng)的焓變叫做該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓 ，記作fHm。 規(guī)定：任何指定的單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成

27、焓為零。 (實(shí)際上是指定單質(zhì)的相對(duì)焓值為零)“指定單質(zhì)”： 一般為最穩(wěn)定的單質(zhì)，如H2(g), N2(g), Cl2(g), Br2(l), C(石墨)，S(正交)，Na(s)等。但是磷較為特殊，指定為P(白磷)，而不是熱力學(xué)上更穩(wěn)定的紅磷。2. 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓第50頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四51298.15K時(shí)的數(shù)據(jù)可以從教材的附錄3（或其它手冊(cè)）中查到。符號(hào)： fHm(298.15K)， 習(xí)慣簡(jiǎn)寫為 ：fH(298.15K)生成焓的負(fù)值越大，表示該物質(zhì)的鍵能越大，對(duì)熱越穩(wěn)定。H2(g) + O2(g) H2O(l) fH(298.15K)285.8kJmol-

28、1 fH(H2O, l ,298.15K)285.8kJmol-1 第51頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四52水合離子的相對(duì)焓值： 水合氫離子：H3O+ H+(aq) 規(guī)定： 水合氫離子的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為零。 fH(H+, aq, 298.15K)0 第52頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四53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)答： （2）不是第53頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四543. 反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)條件下反應(yīng)的摩爾焓變叫做反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變。以rHm

29、表示，簡(jiǎn)寫為H第54頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四55 aA(l) + bB(aq) = gG(s) + dD(g)H(298.15K)gfH(G,s,298.15K) d fH (D,g,298.15K) afH(A,l,298.15K) b fH(B,aq,298.15K)注意： H 的數(shù)值與反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)。第55頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四56 H(298.15K)1117.1 kJmol-1表明：在298.15K和標(biāo)準(zhǔn)條件下，按上述化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行1mol反應(yīng)：放出1117.1 kJ的熱量。第56頁，共98頁，2022年，5

30、月20日，1點(diǎn)25分，星期四57反應(yīng)式兩側(cè)同乘 3/4H(298.15K)1117.1 (3/4) 837.8 kJmol-1第57頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四58表明在298.15K和標(biāo)準(zhǔn)條件下，1mol 反應(yīng)：放出837.8 kJ的熱量。第58頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四59反應(yīng)式兩側(cè)同乘 3/2H(298.15K)1117.1 (3/2) 1675.7 kJmol-1第59頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四60表明在298.15K和標(biāo)準(zhǔn)條件下，1mol反應(yīng)：放出1675.7 kJ 的熱量。 因此，在寫H(298

31、.15K)的數(shù)值時(shí)，應(yīng)指明與之相應(yīng)的反應(yīng)方程式。第60頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四61溫度對(duì)rH 的值有影響，但一般變化不大。 例： SO2(g) + O2(g) SO3(g) H(298.15K)98.9 kJmol-1 H(873.15K)96.9 kJmol-1 在近似估算中，可把H(298.15K)作為其它溫度T時(shí)的H(T)，即 H(T) H(298.15K)第61頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四62注意事項(xiàng)： 查表時(shí)要注意物質(zhì)的聚集狀態(tài)； 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)的選配有關(guān)； f H(298.15K)的數(shù)

32、值有正、有負(fù)； 反應(yīng)的焓變基本不隨溫度而變。第62頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四63思考：正反應(yīng)與逆反應(yīng)的反應(yīng)熱的數(shù)值相等，符號(hào)相反。對(duì)嗎？答：對(duì)。這 也是熱化學(xué)定律的重要內(nèi)容。第63頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四64例： 設(shè)反應(yīng)物和生成物均處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，計(jì)算1mol乙炔完全燃燒放出的能量。解：從手冊(cè)查得298.15K時(shí)，各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓如下。226.73 0 -393.509 -285.83標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變計(jì)算示例第64頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四65解： Zn(s) + Cu2+(aq) = Zn2+(a

33、q)+ Cu(s) fH(298.15K) /(kJmol-1) 0 64.77 -153.89 0H(298.15K) fH(Zn2+ ,aq,298.15K) fH(Cu,s,298.15K) fH(Zn,s,298.15K) fH(Cu2+ ,aq,298.15K) (153.89) + 00 64.77 218.66 kJmol-1例：計(jì)算反應(yīng)：Zn(s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq)+ Cu(s) 的標(biāo)準(zhǔn)焓變H(298.15K) ,并簡(jiǎn)單說明其意義。意義： 該氧化還原反應(yīng)能放出相當(dāng)大的能量，在電池反應(yīng)中這部分能量與反應(yīng)的電功之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。第65頁，共98頁，

34、2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四661.3 常見能源及其有效與清潔利用 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(huì)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)。第66頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四671.3.1 世界能源的結(jié)構(gòu)與能源危機(jī)1.能源的分類一次能源二次能源常規(guī)能源燃料能源煤炭、石油、天然氣、生物質(zhì)能煤氣、焦碳、成品燃油、液化氣、酒精非燃料能源水能電力、蒸汽、熱水新能源燃料能源核能人工沼氣、氫能非燃料能源太陽能、地?zé)帷L(fēng)能、海洋能激光利用狀況使用 性質(zhì)形成條件表1.2 能源的分類第67頁，共98頁，2022年，

35、5月20日，1點(diǎn)25分，星期四682. 世界能源的結(jié)構(gòu)和消耗195019601970198019902010102030405060能源結(jié)構(gòu)比例(%)年代世界消耗的一次能源結(jié)構(gòu)煤炭石油天然氣水電及其它第68頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四693. 能量消耗前六名的國家美國中國俄羅斯日本德國印度51015202530能源結(jié)構(gòu)比例(占世界%) 國家煤炭石油天然氣核能水電25.410.47.26.04.12.9世界六國消耗的一次能源比例及總比例（占世界）趨勢(shì)（比例）：石油和天然氣下降；煤炭上升；核電上升。第69頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四704.

36、能源危機(jī)本質(zhì)：能量總量不變，質(zhì)量衰退了，有序能下降?？衫弥坝行堋睖p少了，于是產(chǎn)生了能源危機(jī)。第70頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四711.3.2 煤炭與潔凈煤技術(shù)我國煤炭的一個(gè)特點(diǎn)是煤炭中含硫量較高，煤炭中的硫在燃燒時(shí)生成二氧化硫。SO2和粉塵是煤燃燒的主要一次污染物，其中的SO2是造成酸雨的主要原因。所以，煤炭的開采和燃燒都會(huì)引起環(huán)境污染。思考：我國能源的現(xiàn)狀有何特點(diǎn)？答：1）能源總量豐富，但人均不足； 2）能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比例太小煤炭占一次能源的76%，天然氣消耗只有世界平均的76%，石油消耗只占世界平均的1/3。 3）能源利用率低，能耗高浪費(fèi)嚴(yán)重。第

37、71頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四721. 煤炭的成分與熱值煤炭的主要成分：碳、氫、氧；少量氮、硫、磷等。煤炭的熱值：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或體積的燃料完全燃燒放出的熱量。標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29.3MJkg-1 (或 29.3kJg-1)。無煙煤：低硫，較好；煙煤 ：高硫，燃燒環(huán)境污染；褐煤：儲(chǔ)量大，但熱值低。煤炭的分類：氧、硫、磷是煤中的有害成分。第72頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四732. 潔凈煤技術(shù)CO 40%, H2 5%, 其余N2、 CO2等 40%H2、15%CO、15%CH4 、 30%CO2 第73頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)2

38、5分，星期四741.3.3 石油和天然氣 石油:石油是多種烴類的混合物，其中含有鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和少量含氧、含硫的有機(jī)物。思考：世界原油儲(chǔ)量最大的地區(qū)在哪兒？我國的原油產(chǎn)地在哪兒？答：世界原油儲(chǔ)量最大的地區(qū)是中東。我國的原油產(chǎn)地在東北、西北和山東（黑龍江省的大慶油田、新疆的克拉瑪依油田和山東省的勝利油田是中國三大油田）。第74頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四751. 石油燃料產(chǎn)品石油經(jīng)過分餾和裂解等加工過程后可得到石油氣、汽油、煤油、柴油、潤(rùn)滑油和瀝青等產(chǎn)品。以上產(chǎn)品中最重要的是什么？答案：汽油。95%的汽油用于驅(qū)動(dòng)汽車。衡量汽油質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)是辛烷值。直餾汽

39、油的辛烷值約為5572之間，在汽油中加入少量四乙基鉛可以將辛烷值提高到7988，為了防止鉛在汽缸中沉積，加入少量二溴乙烷，使生成揮發(fā)性的溴化鉛，與尾氣一同排入大氣。乙醇汽油？第75頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四76汽油中最有代表性組分是辛烷(C8H18)。 C8H18(l) + 25/2 O2 (g) 8CO2 (g) +9H2O(l) H (298.15K )-5440 kJmol-1或：H (298.15K )-47.7 kJg-1第76頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四772. 天然氣天然氣是低級(jí)烷烴的混合物，主要成分是甲烷，常與石油伴生。

40、其熱值約為55.6MJ kg-1。天然氣的優(yōu)點(diǎn)： 可直接應(yīng)用 易于管道輸送 污染少思考：西氣東送具有哪些重要意義？第77頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四783. 沼氣和生物質(zhì)能植物殘?bào)w在隔絕空氣的情況下發(fā)生自然分解時(shí)產(chǎn)生的氣體稱為沼氣。沼氣約含60%的甲烷，其余為二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。思考：可用哪些原料制備沼氣？如果你來自農(nóng)村，你家使用過沼氣嗎？答：農(nóng)村一般用人畜糞便、雜草等制取沼氣。生物質(zhì)能的現(xiàn)代利用是將植物枝桿等在汽化爐中加壓汽化制成可燃?xì)怏w。第78頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四794. 可燃冰未來的新能源天然氣被包進(jìn)水分子

41、中，在深海的低溫高壓下形成的透明結(jié)晶，外形似冰，用火柴一點(diǎn)就著，故稱“可燃冰”。 CH4xH2O (s)。形成條件：低溫高壓如0，76 MPa。儲(chǔ)量：尚難正確估計(jì)，各文發(fā)表的數(shù)據(jù)相差較大。預(yù)測(cè)總量相當(dāng)于161萬億噸煤，可用100萬年；是地球上煤、石油和天然氣能量總和的23倍。分布：深水大陸架和陸地永久凍土帶。我國東海、南海有大量可燃冰，約相當(dāng)于全國石油儲(chǔ)量的一半。開發(fā)利用：開采難。第79頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四801.3.4 煤氣和液化氣煤氣:煤的合成氣及煉焦氣都是城市煤氣。來源于石油，主要成分為丙烷、丁烷等，煉油廠的副產(chǎn)品。液化氣:煤氣的組成:H2：50%；C

42、O：15%；CH4：15%，熱值約16MJ M-3第80頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四81思考：與煤氣相比，液化氣有哪些優(yōu)點(diǎn)？答：無毒、低污染、熱值高于煤氣。液化氣作動(dòng)力 綠色汽車 燃料電池（各國競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展）。第81頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四821.4 清潔能源與可持續(xù)發(fā)展思考：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是無限的(不考慮太陽的壽命)？答：礦物能源（煤炭和石油）是有限的，來自宇宙的能源（如太陽能）和核能是無限的。1992年，聯(lián)合國環(huán)境于發(fā)展大會(huì)上提出了社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、人口、資源和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的口號(hào)。能源作為最緊缺的資源對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)

43、發(fā)展起著關(guān)鍵的作用。第82頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四831.4.1 能源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展我國能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比重太小。必須合理開發(fā)及進(jìn)一步開發(fā)新能源，才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。治理前的熱電廠最有希望的清潔能源是氫能、太陽能、核能和生物質(zhì)能等。可持續(xù)發(fā)展三原則：公平性、共同性和持續(xù)性。第83頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四841.4.2 氫能氫能是一種理想的二次清潔能源。氫能的優(yōu)點(diǎn): 熱值高，其數(shù)值為142.9MJ kg-1。 燃燒反應(yīng)速率快，功率高 原料是水，取之不盡 產(chǎn)物是水，不污染環(huán)境思考：用氫作能源目前還存在一些問題，你認(rèn)為是哪些方

44、面的問題？經(jīng)濟(jì)的制備方法、安全高效的儲(chǔ)運(yùn)方法和有效地利用。第84頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四851. 氫氣的制取 太陽能光解 電解作為氯堿工業(yè)的副產(chǎn)品，是目前工業(yè)氫氣的制備方法。2NaCl + 2H2O Cl2 + H2 + 2NaOH電解思考：用電解的方法大規(guī)模制取用作能源的氫氣可行嗎？答：從經(jīng)濟(jì)上考慮是不可行的。利用太陽光的能量催化分解水得到氫氣，最有前途的制氫方法，是研究的熱點(diǎn)。第85頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四862. 氫氣的儲(chǔ)運(yùn)氫氣的密度小，且極難加壓液化，因此氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸是一個(gè)比較困難的問題。合金貯氫法：原理：氫可以與某些合金在較高的壓力下生成化合物，這些化合物在合適的條件下可以釋放出氫氣。如鑭鎳合金：開發(fā)研究貯氫合金材料是當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門分支。LaNi5 + 3H2 LaNi5H6300kPa加熱第86頁，共98頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)25分，星期四871.4.3 太陽能太陽能是一種取之不盡、用之不竭的天然核聚變能。太陽能的利用不會(huì)引起環(huán)境污染，不會(huì)破壞自然生態(tài)，是人類最可靠、最有前景的能源形式。思考：如何利用太