化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量與能量關(guān)系

1、第一章 化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量關(guān)系和能量關(guān)系1.1 氣體的計(jì)量1.2 反應(yīng)進(jìn)度1.3 化學(xué)反應(yīng)中的能量關(guān)系 第一節(jié) 氣體的計(jì)量一、理想氣體狀態(tài)方程1、理想氣體(ideal gases) 分子間作用力分子本身體積實(shí)際氣體理想氣體理想氣體忽略高溫 低壓2、理想氣體狀態(tài)方程(state equation)pV = nRT或式中：p 氣體壓力T 熱力學(xué)溫度V 氣體體積n 氣體的物質(zhì)的量R 摩爾氣體常數(shù)(或 8.314 J mol-1 K-1)(8.314 Pa m3 mol-1 K-1)(Pa)(m3)(mol)(K) 國(guó)際單位制單位?3、應(yīng)用（1）計(jì)算p、V、T、n 四個(gè)物理量之一（2）計(jì)算氣體摩爾質(zhì)量（3

2、）計(jì)算氣體密度統(tǒng)一國(guó)際單位制標(biāo)態(tài)密度？溫度T(temperature): 1atm 760mmHg 101325Pa 體積V (volume): T(t + 273.15)K壓力p(pressure) :1m3103L 103dm3 106cm3【例】為行車安全，可在汽車中裝備空氣袋，防止碰撞時(shí)司機(jī)受到傷害。這種空氣袋是用氮?dú)獬涿浧饋恚玫獨(dú)庥莎B氮化鈉與三氧化二鐵在火花的引發(fā)下反應(yīng)生成。總反應(yīng)：6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g) 在25、748 mmHg下，要產(chǎn)生75.0 L N2，計(jì)算需要疊氮化鈉的質(zhì)量?二、道爾頓分壓定律(Dalton law of

3、 patial presser )1、分壓： 混合氣體中某組分單獨(dú)占有與混合氣體相同體積和溫度時(shí)所具有的壓力. 總體積混合氣體： B組分： 摩爾分?jǐn)?shù)2、道爾頓分壓定律（1807、英國(guó)）形式1：形式2：說明（1）分壓公式中體積一定是容器總體積 （2）由阿佛加德羅定律： （3）道爾頓分壓定律也只適用于理想氣體 某容器中含有NH3、O2 、N2氣體 混合物。取樣分析后，其中： n(NH3) = 0.320mol， n(O2) = 0.180mol， n(N2) = 0.700mol 混合氣體總壓 p = 133.0kPa。 試計(jì)算各組分氣體的分壓?！纠?】 n = n(NH3) + n(O2) +

4、n(N2) = 0.320 + 0.180 + 0.700 = 1.200 ( mol ) p(N2) = p - p(NH3) - p(O2) = 133.0 - 35.5 - 20.0 = 77.5 ( kPa ) 解：做題格式體積為10.0L含N2、O2、CO2的混合氣體，T=30、p=93.3kPa, 其中:p(O2)=26.7kPa, CO2含量為5.00g, 試計(jì)算N2、CO2分壓。解:【例2】【例3】 17、754.5mmHg，水面上收集了150mLN2，經(jīng)干燥后重0.166g，求N2的分子量及干燥后的體積？（干燥后溫度、壓力不變，17水的飽合蒸氣壓為14.5mmHg）N2與水蒸

5、氣混合氣體p(總) = p (氮?dú)? + p (水蒸氣)解：由分壓定律： 單位換算1、實(shí)際氣體與理想氣體更接近的條件是 。 （1）高溫高壓 （2）低溫高壓 （3）高溫低壓 （4）低溫低壓（3）2、一混合理想氣體，i表示其中某一組分氣體， 則下列表達(dá)式中錯(cuò)誤的是 。 （1） （2） （3） （4）（4）分體積與分壓類似4、1升101.3KPaO2（g）和1升202.6KPaN2（g） 混和在2升抽空密閉容器中，在溫度不變條件 下，混合氣體總壓力是 。 （1）151.9KPa （2）101.3KPa （3）202.6KPa （4）303.9 KPa（1）3、密閉容器有互不發(fā)生反應(yīng)混合氣體A(g)和

6、 B(g)，總壓力為p，A分壓為pA，向容器中 充入稀有氣體，使總壓力為2p，則 此時(shí)A 的分壓為 。 （1）pA （2）1/2pA （3）2 pA （4）4p（1）5、將一定量KClO3加熱后，其質(zhì)量減少0.48g， 生成的氧氣用排水法收集。若溫度為210C， 壓力為99591.8Pa，水的飽和蒸氣壓為 2479.8Pa ，氧氣相對(duì)分子質(zhì)量為32.0，則收 集的氣體體積為 。 （1）188.5 cm3 （2）754 cm3 （3）565.5 cm3 （4）377.0 cm3（4）統(tǒng)一國(guó)際單位制1、化學(xué)計(jì)量數(shù)（）第二節(jié) 反應(yīng)進(jìn)度數(shù)值：=各物質(zhì)系數(shù)符號(hào)：反應(yīng)物負(fù)，產(chǎn)物正無單位?？蔀檎麛?shù)或分?jǐn)?shù)。同

7、一反應(yīng)與方程式寫法有關(guān)。2、反應(yīng)進(jìn)度（）衡量反應(yīng)進(jìn)行程度的物理量。示1mol N2與3mol H2完全反應(yīng)生成2mol NH3mol各物質(zhì)按方程式所示系數(shù)進(jìn)行完全反應(yīng)。 =1mol ：?jiǎn)挝唬海?2mol =1mol ？ 3.0 10.0 0 0 2.0 7.0 2.0 1 =? 1.5 5.5 3.0 2 =? 【例】3、反應(yīng)進(jìn)度與方程式寫法有關(guān)，因此必須 與具體方程式對(duì)應(yīng)。清楚1、 0。2、同一反應(yīng)， 可由參加反應(yīng)的任一物質(zhì) 來計(jì)算，其數(shù)值相等，具有唯一性。由N2和H2合成氨，反應(yīng)可寫為：（1）N2（g）+ 3H2（g）= 2NH3（g）（2）1/2N2（g）+3/2 H2（g）= NH3（

8、g）（3）1/3N2（g）+ H2（g）= 2/3NH3（g）若反應(yīng)進(jìn)度=0.5mol，則上述三個(gè)反應(yīng)中 生成NH3的物質(zhì)的量分別為_（1）1，1，1 （2）1，0.5，0.33（3）2，1，0.66 （4）不能確定（2）第三節(jié) 化學(xué)反應(yīng)中的能量關(guān)系 一、熱力學(xué)基本概念 1、系統(tǒng)(system)與環(huán)境(surroundings)系統(tǒng) ：被研究的對(duì)象或空間，又稱體系。環(huán)境 : 系統(tǒng)以外與其密切相關(guān)的部分。研究能量轉(zhuǎn)換過程中所遵循的規(guī)律。應(yīng)用熱力學(xué)原理，研究化學(xué)反應(yīng)過程中能量變化規(guī)律。熱力學(xué)：化學(xué)熱力學(xué)：物質(zhì)體系環(huán)境物質(zhì)能量最常見系統(tǒng)敞開系統(tǒng) (open system):封閉系統(tǒng) (closed

9、system):孤立系統(tǒng) (isolated system): 物質(zhì) + 能量能量均無封閉敞開孤立2、狀態(tài)(state)與狀態(tài)函數(shù)(state function)狀態(tài):狀態(tài)函數(shù): 描述狀態(tài)的物理量（1）特點(diǎn):a、狀態(tài)一定，狀態(tài)函數(shù)值一定。b、狀態(tài)函數(shù)變化量只與系統(tǒng)始 終態(tài)有關(guān)，與變化途徑無關(guān)。 1狀態(tài)T=300K2狀態(tài)T=350KT=350-300=50K非聚集狀態(tài)（如：p、V、T ) 系統(tǒng)所有物、化性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。T=280K狀態(tài)函數(shù)有特征，狀態(tài)一定值一定，殊途同歸變化等，周而復(fù)始變化零。 c、同一體系各狀態(tài)函數(shù)間相互聯(lián)系。d、同一狀態(tài)下狀態(tài)函數(shù)組合仍為狀態(tài)函數(shù)， 但不同狀態(tài)下組合不能成為狀

10、態(tài)函數(shù)。 如 ：T= T2T1，T就不是狀態(tài)函數(shù)。（2）分類：依與體系物質(zhì)數(shù)量的關(guān)系分：如：V、m、n等如:T、蒸氣壓、粘度、密度等與量成正比，有加合性。與量無關(guān)，無加合性。容量（廣度）性質(zhì)：強(qiáng)度性質(zhì)：3、過程(process)與途徑(path)過程：系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生的任何變化。等溫 (isothermal) 過程：等壓 (isobar) 過程：等容 (isovolume) 過程：絕熱 (adiabatic) 過程：循環(huán) (cyclic) 過程：途徑：完成過程的具體步驟。熱力學(xué)過程ABT1= T2 = T外p1= p2 = p外V1= V2Q = 0一個(gè)過程可由很多不同途徑實(shí)現(xiàn)。 復(fù)原4 、熱(h

11、eat)和功(work) （1）熱 ( Q )系統(tǒng)與環(huán)境因溫度不同交換或傳遞的能量。系統(tǒng)吸熱: Q 0系統(tǒng)放熱: Q 0系統(tǒng)對(duì)環(huán)境做功（體系失功）：W 0狀態(tài)函數(shù)?均不是狀態(tài)函數(shù)均具能量單位進(jìn)為正出為負(fù)多數(shù)情況下，可認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)體系只做體積功體積功(We)的計(jì)算：We= - F外 l系統(tǒng)體積變化反抗外力所做功之外其它功（磁、電、表面功）We= - p外 VV1V2VAp外l= - p外A l= - p外(V2 V1)功的形式 體積功： 非體積功：5、熱力學(xué)能 (U)(thermodynamic energy) 絕對(duì)數(shù)值難以確定，但可得到 U。 狀態(tài)函數(shù)。系統(tǒng)內(nèi)部各種形式能量總和，又稱內(nèi)能。廣度

12、性質(zhì)。質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能（平動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)能、振動(dòng)能）微粒間吸引或排斥所產(chǎn)生的勢(shì)能原子間相互作用的化學(xué)鍵能 不包括體系整體運(yùn)動(dòng)動(dòng)能和外力場(chǎng)中位能。二、 熱力學(xué)第一定律（first law of thermodynamics) 1、內(nèi)容：自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量有 不同形式，各形式間可以相互轉(zhuǎn)化，但能量 總量不變2、數(shù)學(xué)表達(dá)式： 等容系統(tǒng)： ？絕熱系統(tǒng)： ？U = QVU = WU2= U1+ Q + W U2 - U1= Q + WU = Q + W吸熱 Q 得功 W 封閉體系:（即能量守恒定律）。解： 由熱力學(xué)第一定律： 由題：Q=100J，W=20J =100 20 = 80（J）環(huán)境熱力學(xué)能改

13、變量（減少）為80J 【例1】某過程體系從環(huán)境吸收熱量100J，對(duì)環(huán)境作體積功20J,求過程中體系熱力學(xué)能和環(huán)境熱力學(xué)能改變量？【例2】系統(tǒng)在某狀態(tài)變化(1)過程中吸收836J熱; 當(dāng)系統(tǒng)以(2)過程恢復(fù)到原來狀態(tài)時(shí)，放熱418J，對(duì)環(huán)境做功1.6J，求在(1)狀態(tài)變化過程中環(huán)境和系統(tǒng)之間作的功。III（1）（2）解： U1 = U2 - U1= Q1 + W1U2 = U1 - U2= Q2+ W2U1= -U2 Q1+ W1= - (Q2+ W2)W1= - Q1 - Q2 - W2= - 836 - ( - 418) - ( -1.6) = - 416.4（J）解： Q = 178.3

14、KJ= 178.39.22 = 169.1 (KJ) 【例3】壓力101.33KPa，溫度1110K，1mol CaCO3分解，從環(huán)境吸熱178.3KJ，體積增大 0.091m3，求1mol CaCO3分解后內(nèi)能的變化？三、反應(yīng)熱(heat of chemical reaction)與焓(enthalpy) 1、反應(yīng)熱（1）含義：只做體積功，產(chǎn)物T恢復(fù)到反應(yīng)物T， 體系吸收或放出的熱。 （2）分類： 恒容反應(yīng)熱 (QV)：恒壓反應(yīng)熱(Qp)：V=0U = Qp + W= Qp p VQV與Qp的關(guān)系：We =0 U = QV恒容熱等于內(nèi)能變化 Qp = U + p VQp = QV + p V

15、Qp = QV + p外 VW = p外 V 0QV Qp【例1】1mol乙烯290K完全燃燒，測(cè)得恒容反應(yīng)熱為1390.2KJ，求反應(yīng)恒壓反應(yīng)熱？解： 無氣體參加反應(yīng)：有氣體參加反應(yīng)：= QV+ n(g) RT忽略固體、液體體積變化2、焓 (H) 和焓變 (H)Qp = (U2 + p外 V2) (U1 + p外 V1) H = U + pV焓Qp = QV + p外 V Qp = U + p外 V Qp = U2 U1 + p外 V Qp = U2 U1 + p外 (V2 V1) 封閉系統(tǒng)等壓過程（1）焓：狀態(tài)函數(shù)，絕對(duì)值不知，廣度性質(zhì)，單位KJ或JU、p、V均為狀態(tài)函數(shù)，U + pV也是

16、狀態(tài)函數(shù)= HH2H1成立條件:（2）焓變焓變等于恒壓反應(yīng)熱H 0 ，Qp 0 ，Qp 0，系統(tǒng)吸熱。（3） H 與U關(guān)系：氣相反應(yīng) ，Hg Hl Hs封閉體系、恒壓、始終態(tài)溫度相同、只作體積功。H = H2 H1=QpH、H與T有關(guān)，應(yīng)注明，不注明，指298K同一物質(zhì)：H(正) = H(逆)數(shù)值正負(fù)計(jì)算W 體積功 非體積功We= - p外 VQ 正負(fù) 分類 正負(fù) 分類QVQpQp = QV + p V QV=U Qp = HQp = QV+ n(g) RTUH 含義 狀態(tài)函數(shù) 能量單位 不可知 狀態(tài)函數(shù) 能量單位 不可知 H = U + pVU = Q + WH= Qp H = U + p

17、VH = U + n(g) RT2.00mol理想氣體在350K和152KPa條件下，經(jīng)恒壓冷卻至體積為35.0L，此過程放出了1260J熱，試計(jì)算：（1）起始體積（2）終態(tài)溫度（3）體系做功（4）熱力學(xué)能變化（5）焓變【例】解： 統(tǒng)一國(guó)際單位制（1）（2）表示化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)熱關(guān)系的化學(xué)方程式 。 四、熱化學(xué)方程式 (thermochemical equation)1、書寫（1）寫出正確化學(xué)方程式（計(jì)量數(shù)可為分?jǐn)?shù)）（2）標(biāo)明物質(zhì)所處狀態(tài)(s、l、g或aq)和晶形（3）注明溫度和壓力于箭頭上下（4）標(biāo)明反應(yīng)熱于方程式后，加“，”或“；”清楚聚集狀態(tài)不同， 不同化學(xué)計(jì)量數(shù)不同， 不同正逆反應(yīng)QP數(shù)

18、值相同，符號(hào)相反 2、標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變( ) 變化量r 化學(xué)反應(yīng)（reaction）m 摩爾 （molar） 熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)與標(biāo)況區(qū)別？氣體：p=100kPa= p 液、固體：p 下純物質(zhì)溶液：cB=1moldm-3= c無溫度限制kJmol-1單位五、蓋斯 (Hess) 定律 1、描述：反應(yīng)不管一步還是幾步完成，總熱效應(yīng)相同。始態(tài)終態(tài)中間態(tài)2、表達(dá)式：3、應(yīng)用： 計(jì)算難測(cè)或無法測(cè)定反應(yīng)熱效應(yīng)。 【例1】已知298.15K下，反應(yīng): 計(jì)算下列反應(yīng)的熱效應(yīng)？據(jù)Hess定律：途徑1途徑2推而廣之：反應(yīng)從何來，焓變從何來。由上面答案知： )解：（2）H2(g)+1/2 O2(g)=H2O

19、(l) （1）C(s)+O2(g)=CO2(g)（3）C3H8(g)+5O2(g)=3CO2(g)+4H2O(l)【例2】已知反應(yīng):求反應(yīng)：3C(s)+4H2(g)= C3H8(g)的所求反應(yīng)思考： 已知下列熱化學(xué)反應(yīng)方程式Fe2O3 (s) + 3 CO (g) = 2 Fe (s) + 3 CO2 (g) 3 Fe2O3 (s) + CO (g) = 2 Fe3O4 (s) + CO2 (g)Fe3O4 (s) + CO (g) = 3 FeO (s) + CO2 (g) 計(jì)算反應(yīng)FeO (s) + CO (g) = Fe (s) + CO2 (g)的(-16.7kJmol-1)解：所求反

20、應(yīng)f 生成 “formation”（1）最穩(wěn)定單質(zhì)：C : ； Br2 : ； I2 : P : ； Hg : ； S : O2、 H2、 N2 、 Cl2均為氣態(tài)清楚單位：kJmol-1六、標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓（ ）石墨Br2 (l)I2 (s)白磷Hg (l)正交硫 (最穩(wěn)定單質(zhì)）=?1、定義：標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下，由最穩(wěn)定單質(zhì)生成1mol化合物 （或轉(zhuǎn)化為1mol其它單質(zhì)）時(shí)的焓變。（2）最穩(wěn)定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為零相等關(guān)系？是熱力學(xué)中重要數(shù)據(jù)，可查表 。00？求 ？【例】解：=1mol物質(zhì)的量=1mol 和 中“m”含義不同？（3）物質(zhì)聚集狀態(tài)不同標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓不同。途徑1 反應(yīng)物生成物途徑2最穩(wěn)定單

21、質(zhì)?正負(fù)系數(shù)計(jì)算 反應(yīng): aA + bB = cC + dD 2、應(yīng)用 【例3】計(jì)算下面反應(yīng)的2Na2O2(s) + 2H2O(l) = 4NaOH(s) + O2(g) Na2O2 (s) H2O (l) NaOH (s) O2 (g)解：查表得各物質(zhì)如下： -510.9 -285.8 -425.6 0正負(fù)系數(shù)解: (2)2 +(1)得： 2Cu(s)+O2(g)2CuO(s) （3）(CuO,s)反應(yīng)計(jì)算 (CuO,s)？()()序號(hào)-11.3CuO(s)+Cu(s) Cu2O(s)-2922Cu2O(s)+O2(g) 4CuO(s)/kJmol-1【例4】Cu(s)+1/2O2(g)Cu

22、O(s) 由以下兩個(gè)反應(yīng)熱求NO的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。 (1) 4 NH3(g) + 5 O2(g) = 4 NO(g) + 6H2O(l) (2) 4 NH3(g) + 3 O2(g) = 2 N2(g) + 6H2O(l)思 考?(-90kJmol-1)【例5】見課本p17例1.7（1）-（2）得：2 N2 (g) +2O2(g) = 4 NO(g) 所求反應(yīng)：1/2 N2 (g) +1/2O2(g) = NO(g)作業(yè)：習(xí)題p24：3、6、7、8、10、12、14、17、18作業(yè)要求：（1）統(tǒng)一作業(yè)本，書寫清晰工整，布局：（2） 解題步驟要規(guī)范三步曲 （a）公式 （b）代入數(shù)據(jù) （c）結(jié)果（

23、3） 中間不用帶單位，結(jié)果帶單位（加括號(hào)）。（4）統(tǒng)一用國(guó)際單位制。（5）小數(shù)點(diǎn)后保留1到2位數(shù)字。 CH3(CH2)14COOH(s) + 23O2(g) 16CO2(g) + 16H2O (l) = 9977 kJmol-1 過量的體脂肪的確可能增加心臟病、糖尿病和其他疾病發(fā)作的危險(xiǎn)。但脂肪是人體的主要能量貯存系統(tǒng)。 在人體運(yùn)動(dòng)過程中, 脂肪發(fā)生水解生成一組叫做脂肪酸的化合物, 后者再通過一系列復(fù)雜反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水, 肌肉運(yùn)動(dòng)正是由該過程釋放的能量驅(qū)動(dòng)的。 首先是新化石燃料的形成(如果仍在形成的話)肯定趕不上現(xiàn)有化石燃料的消耗速度, 化石燃料基本上是一種不可再生的能源。它們?cè)诓痪玫膶頃?huì)被耗盡。 第二是它造成的環(huán)境問題。導(dǎo)致酸雨形成和制造所謂的“溫室”氣體會(huì)導(dǎo)致地球變暖。1、狀態(tài)方程與分壓定律狀態(tài)方程分壓定律m3Pamol K國(guó)際單位制計(jì)算時(shí)首先轉(zhuǎn)換8.314 J mol-1 K-1本章總結(jié)2、與數(shù)值上等于各物質(zhì)對(duì)應(yīng)系數(shù)，無單位，正負(fù)上反應(yīng)物取負(fù)值，產(chǎn)物取正值。=1mol 表示？應(yīng)與方程式對(duì)應(yīng)。 為正值?？捎蓞⒓臃磻?yīng)任一物質(zhì)表示，數(shù)值相等。3、Q、W、U、H