第一章化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量和能量關(guān)系

化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)。因此,化學(xué)是材料科學(xué)的基礎(chǔ)之一.從更廣泛的角度來講,研究和應(yīng)用化學(xué)的水平將對社會生產(chǎn)力發(fā)展和人民生活質(zhì)量提高起著關(guān)鍵作用。

1、化學(xué)仍是解決食物短缺問題的主要學(xué)科之一化肥、飼料、農(nóng)藥、塑料薄膜，以及食品儲存加工方法2、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

燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)、開發(fā)新能源3、化學(xué)是提高人類生存質(zhì)量和生存安全的有效保障

材料科學(xué)、藥物化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等①增加常識：如能源問題、環(huán)境問題等，以及常見分子的結(jié)構(gòu)。學(xué)習(xí)無機(jī)化學(xué)的目的：②培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)：從基本化學(xué)反應(yīng)熱的事實(shí)入手，如何建立化學(xué)熱力學(xué)。化學(xué)熱力學(xué)的用途：計算出任意化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱；反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行；自發(fā)進(jìn)行的限度；通過電化學(xué)的相關(guān)內(nèi)容，把理論與實(shí)際結(jié)合起來。固、液、氣體，怎么提煉出共性問題進(jìn)行研究。普通化學(xué)，同濟(jì)大學(xué)編

北京：高等教育出版社，2004．7第十一章現(xiàn)代化學(xué)應(yīng)用講座推薦書籍大學(xué)化學(xué)教程：原理應(yīng)用領(lǐng)沿，丁廷幀，高等教育出版社，2003．7

下篇：介紹等離子體化學(xué)、小分子活化、超分子化學(xué)、單分子科學(xué)和化學(xué)、電化學(xué)電容器——新儲能裝置、分離膜——環(huán)保技術(shù)新星、飛秒化學(xué)、可燃冰——天然氣水合物、綠色化學(xué)、碳納米管和軟物質(zhì)等30個專題。科學(xué)教育的內(nèi)涵:學(xué)習(xí)過去的幾百年里科學(xué)家對自然世界運(yùn)轉(zhuǎn)方式的發(fā)現(xiàn)。學(xué)習(xí)如何像一個科學(xué)家那樣解決問題，使用證據(jù)、運(yùn)用邏輯，真正理解科學(xué)過程是如何進(jìn)行的。物質(zhì)的聚集體物質(zhì)在一定的溫度和壓力所處的相對穩(wěn)定的狀態(tài)，稱為物質(zhì)的聚集（狀）態(tài)，它們構(gòu)成的系統(tǒng)稱為聚集體。物質(zhì)一般有三個聚集態(tài)（為固、液、氣態(tài)）。等離子態(tài)為氣態(tài)，但帶電荷，1.2化學(xué)中的計量物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時通常伴隨質(zhì)量和能量變化。例：24.3克鎂條在空氣中燃燒，不僅發(fā)出耀眼的白光，釋放熱量，而且最后生成40.3克氧化鎂。從更普遍的角度出發(fā)，需要研究它們表示方法，再研究變化規(guī)律相對分子質(zhì)量：就是元素的平均原子質(zhì)量與12C原子質(zhì)量的1/12之比。物質(zhì)的量實(shí)質(zhì)的計量單位是“個”，但個的數(shù)值太小，與宏觀相聯(lián)系時，采用6.023×1023個作為一個單位，即1mol。這個單位可以指原子、分子、離子，但要注意指明具體的物質(zhì)。這個單位可以有分?jǐn)?shù)或小數(shù)。溶液濃度的表表示方法1B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：：如7wt%2B的摩爾濃度：：cB=單位：mol·L-3wB=溶液濃度的表表示方法4物質(zhì)B的物質(zhì)的量分分?jǐn)?shù)(摩爾分?jǐn)?shù))：xB=6物質(zhì)B的質(zhì)量濃度(密度)：dB=單位:kg·m-31.2.5氣氣體的計量量理想氣體：1、分子之間的的距離大；2、分子本身的的體積和作用用力可以忽略略。理想氣體狀態(tài)態(tài)方程：pV=nRTR=8.314J·mol-1·k-1實(shí)際氣體在壓力低、溫度高的情況下接近近理想氣體，可可以用該方程程來處理。氣體的分壓對于多組分的的氣體混合物物，其中某一一組分氣體B對器壁所施加加的壓力稱為為該氣體的分分壓（PB)，等于相同溫溫度下該氣體體單獨(dú)占有該該體積時的壓壓力。混合氣體的總總壓力等于各各組分氣體的的分壓之和。。p=∑pBpBV=nBRTpV=nRT組分氣體B和混合氣體的的物質(zhì)的量分分別為nB和n，它們的分壓壓為：該公式表明：：氣體B的分壓實(shí)質(zhì)上上是一個濃度的概念。解（1）n（CO2）=m（CO2）/M（CO2）=5.00/44.01=0.114molp（CO2）=n（CO2）RT/V=0.114××8.314×303.15/0.01=2.87×104Pa22頁-6例30℃下，在一個容容積為10.0L的容器中，O2、N2、與CO2混合氣體的總總壓力為93.3kPa，其中p（O2）為26.7kPa,CO2的含量為5.00g,求（1）容器中CO2的分壓；（2）N2的分壓；（3）O2的摩爾分?jǐn)?shù)。。（2）p（N2）=p－p（O2）－p（CO2）=（9.33－2.67－2.87）×104=3.79××104Pa（3）n（O2）/n=p（O2）/p=2.67/9.33=0.2861.2.6化化學(xué)計量混混合物和非化學(xué)計量化合合物是具有確定組組成，而且各各種元素的原原子數(shù)目互成成簡單整數(shù)比比的化合物，，又稱整比化合物。非化學(xué)計量化化合物的原子偏離整整數(shù)比，而且且組成可在一一個較小的范范圍內(nèi)變動，，又保持結(jié)構(gòu)構(gòu)基本不變，，又稱非整比化合物物。現(xiàn)代許多新新材料屬于這這類化合物。。0=－aA－bB＋yY+zZ即0=ΣυBB計量系數(shù)υB，其中反應(yīng)物取“－”，產(chǎn)物取“+”，這與隨反應(yīng)的的進(jìn)行，反應(yīng)應(yīng)物減少，產(chǎn)產(chǎn)物增加相一一致。對任一化學(xué)反反應(yīng)：aA+bB=yY+zZ移項得：B表示反應(yīng)中任任意的物質(zhì)，，υB是B的化學(xué)計量數(shù)數(shù)。這就是是化學(xué)計量式式的通式。1.3.2化學(xué)計量數(shù)和和反應(yīng)進(jìn)度合成氨的反應(yīng)應(yīng)寫成N2(g)+3H2(g)==2NH3(g)時υ(N2)=－1；υ(H2)=－3；υ(NH3)=2化學(xué)計量數(shù)只只表示當(dāng)按計計量反應(yīng)式反反應(yīng)時各物質(zhì)質(zhì)轉(zhuǎn)化的比例例數(shù)，與反應(yīng)應(yīng)式的寫法有有關(guān)。若寫成?N2(g)+3/2H2(g)==NH3(g)則υ(N2)=－?,υ(H2)=－3/2,υ(NH3)=1對于其逆反應(yīng)應(yīng)，氨分解反反應(yīng)，寫成下下面的形式0=N2(g)+3H2(g)-2NH3(g)υ(N2)=1,υ(H2)=3,υ(NH3)=-2t=0nAnBnYnZt=t化學(xué)反應(yīng)進(jìn)度度（，讀“克賽”），單位為摩摩爾（mol）描述化學(xué)反應(yīng)應(yīng)進(jìn)行的程度度。aA+bB=yY+zZ反應(yīng)進(jìn)度ξ對于一般化學(xué)學(xué)反應(yīng)式的定定義為：用反應(yīng)進(jìn)度ξ表示一個化學(xué)學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的的程度，最大大的優(yōu)點(diǎn)是：：無論進(jìn)行到任任意時刻，采采用任意一個個反應(yīng)物或產(chǎn)產(chǎn)物，所得得得數(shù)值都是一一樣的。化學(xué)計量式為為0=ΣυBB下面以合成氨氨反應(yīng)舉例t0時nB/mol3.010.000t1時nB/mol2.07.02.0t2時nB/mol1.55.53.0反應(yīng)進(jìn)度必須須對應(yīng)具體的的反應(yīng)方程式式。2.07.02.0(mol)3.010.00(mol)ξ=0，反應(yīng)還未進(jìn)進(jìn)行。ξ=1mol,則反應(yīng)完全按按方程化學(xué)反反應(yīng)計量數(shù)進(jìn)進(jìn)行，即amolA與bmolB反應(yīng)物完全作作用生成ymolY和zmolZ產(chǎn)物，這時的的反應(yīng)進(jìn)度為為1mol，簡稱摩爾反應(yīng)。aA+bB=yY+zZ1基本概念和術(shù)術(shù)語在熱力學(xué)中，，為了明確討討論或研究的的對象，常常常將所研究究的一一部分分物質(zhì)質(zhì)或空空間與其余余的物物質(zhì)和和空間間分開開，就就構(gòu)成成體系（又稱稱物系系、系統(tǒng)）1.4化化學(xué)反反應(yīng)中中的能能量關(guān)關(guān)系系統(tǒng)可可以是是實(shí)際存存在的的，也可以以是想象的的。系統(tǒng)與環(huán)境境間的的界面面可以以是真實(shí)的的界面面，也也可以以是虛虛構(gòu)的的界面面。與系統(tǒng)統(tǒng)相聯(lián)聯(lián)系的的其他他部分分稱為為環(huán)境，即體系系外與與其密密切相相關(guān)的的部分分。敞開體體系：：與環(huán)環(huán)境有有物質(zhì)質(zhì)交換換也有有能量量交換換。封閉體體系：：與環(huán)環(huán)境無無物質(zhì)質(zhì)交換換有能能量交交換。。孤立體體系：：與環(huán)環(huán)境無無物質(zhì)質(zhì)、能能量交交換。。體系的的分類類狀態(tài)函函數(shù)：描述述系統(tǒng)統(tǒng)性質(zhì)質(zhì)的物物理量量。(p,V,T)狀態(tài)一一定,狀態(tài)函函數(shù)一一定。。狀態(tài)態(tài)函數(shù)數(shù)的變變化只只與始始態(tài)、、終態(tài)態(tài)有關(guān)關(guān),而與變變化途途徑無無關(guān)。。始態(tài)終態(tài)（Ⅰ）（Ⅱ）系統(tǒng)可可以用用一系系列物物理量量來描描述其其狀態(tài)態(tài)，系系統(tǒng)的的狀態(tài)是這些些性質(zhì)質(zhì)（物物理量量）的的綜合合表現(xiàn)現(xiàn)。3熱和功功系統(tǒng)與與環(huán)境境之間間由于于存在在溫差而傳遞遞的能能量。。1.熱(Q)熱不是是狀態(tài)態(tài)函數(shù)數(shù)。規(guī)定：：系統(tǒng)統(tǒng)吸熱熱：Q>0；系統(tǒng)放放熱：：Q<0。系統(tǒng)與與環(huán)境境之間間除熱熱之外外以其其它形形式傳傳遞的的能量量。。非體積積功的的概念念pexV1體積功功：系統(tǒng)對對環(huán)境境做功功，W<0（失功功）環(huán)境對對系統(tǒng)統(tǒng)做功功，W>0（得功功）2.功(W)規(guī)定：：系統(tǒng)對對環(huán)境境做功功，即即封閉閉系統(tǒng)統(tǒng)膨脹脹（從從V1到V2），因因為系系統(tǒng)失失去能能量，，w應(yīng)為負(fù)負(fù)值。。膨脹脹時，，W=P（V2－V1）＞0，∴W=－P（V2－V1）同理，，環(huán)境境對系統(tǒng)做做功，，系統(tǒng)統(tǒng)得功功，q應(yīng)為正正值。?！郬=－P（V2－V1）體積功功的表表達(dá)式式為：：W=－P（V2－V1）功不是是狀態(tài)態(tài)函數(shù)數(shù)熱力學(xué)學(xué)能熱力學(xué)學(xué)能(U)：系系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)所含含的全全部能能量，，也稱稱內(nèi)能能。U是狀態(tài)態(tài)函數(shù)數(shù)。熱力學(xué)學(xué)能變變化只只與始始態(tài)、、終態(tài)態(tài)有關(guān)關(guān)，與與變化化途徑徑無關(guān)關(guān)。熱力學(xué)學(xué)能是是狀態(tài)態(tài)函數(shù)數(shù)，用用符號號U表示，，它的的絕對對值無無法測測定，，只能能求出出它的的變化化值。。對孤立立體系系,△△U=05熱力學(xué)學(xué)第一一定律律(能量守守衡定定律)對于封封閉系系統(tǒng)熱熱力學(xué)學(xué)第一一定律律為：：U1

U2QWU2=U1+Q+W∴∴U2-U1=Q+W實(shí)質(zhì)為為U系統(tǒng)＋U環(huán)境=常數(shù)3一個體體系從從同一一個始始態(tài)到到同一一個終終態(tài)，，可以以經(jīng)歷歷不同同的途途徑。。Q、W數(shù)值可可能不不同，，但代代數(shù)和和相同同，即即熱力力學(xué)能能的變變化都都是相相同的的。。1.說明了了熱力力學(xué)能能、熱熱、功功可以以相互互轉(zhuǎn)化化，，以及及轉(zhuǎn)化時時的數(shù)數(shù)量關(guān)關(guān)系。。2功和熱熱都是是能量量的傳傳遞形形式，，而不不是體體系自自身的的屬性性，因因此它它不是是狀態(tài)態(tài)函數(shù)數(shù)。系統(tǒng)和環(huán)境境之間的熱熱交換不是是狀態(tài)函數(shù)數(shù)，其大小小與過程有有關(guān)，但是是在某些特特定條件，，某一特定定過程的熱熱量卻可以以變成一定定值，此定定值僅僅取取決于系統(tǒng)統(tǒng)的始態(tài)和和終態(tài)。恒壓反應(yīng)熱熱(焓)恒壓、只做做體積功時時：ΔU=Qp-pΔV∴Qp=（U2+p2V2）-（U1+p1V1）U+PV是體系性性質(zhì)的組組合，必必然隨體體系的狀狀態(tài)而定定，所以以U+PV像內(nèi)能一一樣，亦亦是一個個狀態(tài)函函數(shù)，僅僅僅取決決于始態(tài)態(tài)和終態(tài)態(tài)，我們們將其組組合定義義為焓，用H表示。因此，焓的定義式式為：焓的物理意義義為：在沒沒有非體體積功的的恒壓過過程中，，體系所所吸收的的熱等于于體系焓焓的增加加?！鱄單位J。焓是狀態(tài)態(tài)函數(shù)。定壓：定定義焓焓H=U+pV，ΔH=Qp熱化學(xué)方方程式表表示化學(xué)學(xué)反應(yīng)及及其反應(yīng)應(yīng)熱關(guān)系系的化學(xué)學(xué)反應(yīng)方方程式。。2H2(g)+O2(g)2H2O(g)Qp=ΔH=-483.64kJ·mol-1在始態(tài)、、終態(tài)溫溫度都是是298.15K，而且恒恒壓的條條件下：：該反應(yīng)為為放熱反反應(yīng)?；瘜W(xué)計量量數(shù)不同同時，反反應(yīng)熱也也不同。。298.15K時ΔH(H2O,g)=-241.82kJ·mol-1H2(g)+O2(g)H2O(g)ΔH(H2O，l)=－285.83kJ·mol正、逆反反應(yīng)的絕絕對值相相同，符符號相反反。因為熱效應(yīng)的數(shù)值與與體系的的狀態(tài)有有關(guān)，所所以方程程式中應(yīng)應(yīng)該：①注明反應(yīng)應(yīng)的條件件溫度、、壓力；；②要注明各各物質(zhì)的的聚集狀狀態(tài)（l、g、s）以及晶晶型。思考：是否只只有恒壓壓過程體體系才有有焓值的改變？？上面的討討論說明明在特定定條件下下Q和△U或△H的關(guān)系，，也就是是說通過過熱量的的測定，，就可以以確定恒恒壓過程程的△H，而不是是說只只只有恒壓壓過程才才有△H。熱力學(xué)能能△U變化和焓焓變ΔH的關(guān)系已知：定定容反應(yīng)應(yīng)熱：QV=ΔU；定壓反應(yīng)應(yīng)熱：Qp=ΔU+p(V2–V1)=ΔΔH則：Qp–QV=p(V2–V1)=ΔH––ΔUQp–QV=p(V2–V1)=n2(g)RT–n1(g)RT=Δn(g)RT對于理想想氣體反反應(yīng)，有有：△U=△H－△nRT2H2(g)+O2(g)2H2O(g)△n=2-3=-1C(s)+O2(g)=CO2(g)△n=1-1=0固體、液液體的n都認(rèn)為是是0解：△H=Qp=－89.5kJ△U=△H－△nRT=－89.5－（3－0）×8.314××298.15/1000=－96.9kJ23頁-12在一敞口口試管內(nèi)內(nèi)加熱氯氯化鉀晶晶體，發(fā)發(fā)生下列列反應(yīng)：：2KClO3=2KCl+3O2并放出89.5kJ的熱量（（298.15K）。求298.15K時該反應(yīng)應(yīng)的△H和△U。反應(yīng)的摩摩爾焓變變rHm在一定條條件下，，化學(xué)反反應(yīng)反應(yīng)的摩摩爾熱力力學(xué)能變變rUm3、赫斯定定律（Hess’slaw）1840年，根據(jù)據(jù)大量的的實(shí)驗事事實(shí)赫斯提出了一一個定律律：不管反應(yīng)應(yīng)是一步步完成的的，還是是分幾步步完成的的，其反反應(yīng)熱相相同。反應(yīng)的熱熱效應(yīng)只只與起始始和終了了狀態(tài)有有關(guān)，與與變化途途徑無關(guān)關(guān)。即熱化學(xué)學(xué)方程式式可像代代數(shù)式那那樣進(jìn)行行加減運(yùn)運(yùn)算，只只要確定定了始終終態(tài)。始態(tài)

C(石墨)+O2(g)終態(tài)

CO2(g)中間態(tài)

CO(g)+?O2(g)已知：（1）

（2）

則（1）-（2）得（3）

（3）△rHm，3=[（－393.3）－（－283.0）]=－110.5kJ·mol－1。燃料需要充分分燃燒。由赫斯定律知知：若化學(xué)反反應(yīng)可以加和和，則其反應(yīng)應(yīng)熱也可以加加和。應(yīng)用：對于進(jìn)進(jìn)行得太慢的的或反應(yīng)程度度不易控制而而無法直接測測定反應(yīng)熱的的化學(xué)反應(yīng)，，可以用赫斯定律，利用容容易測定的反反應(yīng)熱來計算算不容易測定定的反應(yīng)熱。。赫斯定律的實(shí)實(shí)質(zhì)是計算恒恒壓反應(yīng)熱Qp，而Qp=△H，焓是狀態(tài)函函數(shù)，因此Qp才只取決于始始、終態(tài)，與與變化的途徑徑無關(guān)。已知熱化學(xué)反反應(yīng)求下面化學(xué)反反應(yīng)的Qp分析：反應(yīng)中中只出現(xiàn)一次，，可以從入手解題。（1）×3－（3）×2Qp=－16.7kJ·mol-1（1）條件相同的的反應(yīng)和聚集集狀態(tài)相同的的同一物質(zhì)才才能相消和合合并。（2）反應(yīng)方程乘乘于某一系數(shù)數(shù)，反應(yīng)焓ΔrHm也乘于某一系系數(shù)?；瘜W(xué)反應(yīng)千千千萬萬，若全全由實(shí)驗測定定反應(yīng)焓變不不可能，但若若先通過實(shí)驗驗測定由單質(zhì)質(zhì)生成化合物物這類反應(yīng)的的反應(yīng)焓變，，那么，其它它有關(guān)化學(xué)反反應(yīng)的反應(yīng)焓焓變可運(yùn)用赫赫斯定律計算算，則實(shí)驗測測定量大大減減少。所以引引出下面的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成成焓。物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)態(tài)熱力學(xué)規(guī)定物物質(zhì)在溫度T時的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：：不論純固體、純液液體、純氣體體或溶液，氣體的壓力力都是100kPa，稱這種壓力力狀態(tài)為物質(zhì)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)，，用符號“￠”[fai]表示，這里里強(qiáng)調(diào)的時標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)壓力Pφ=100kPa，對溫度無規(guī)定定。氣體的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：Pφ=100kPa

。固體、液體的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：壓力為p￠的純固體或純液體。溶液的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：壓力為p￠的c￠=1moldm－1標(biāo)準(zhǔn)態(tài)不規(guī)定溫度，每個溫度都有一個標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。一般298.15K時的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)數(shù)據(jù)有表可查。其中m表示產(chǎn)物是1mol,298.15K時的數(shù)據(jù)有表表可查。標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成成焓在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時時，由參考狀狀態(tài)的單質(zhì)生生成1摩爾純物質(zhì)的的焓變，稱為為該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)摩爾生成焓焓，用下述符號號表示：（物質(zhì)，相態(tài)，溫度）指定單質(zhì)的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成成焓在任何溫溫度下均為0?！爸付▎钨|(zhì)”通常為溫度度T和標(biāo)準(zhǔn)壓力下下最穩(wěn)定的單單質(zhì)，如H2（g）、O2（g）、Cl2（g）、Br2（l）、C（石墨）、S（正交）、Na（s）、Fe（s）。P的為白磷，而而不是更穩(wěn)定定的紅磷。由石墨生成金金剛石時，(金剛石,298.15K)=1.895kJ·mol-1(H2O,g,298.15K)=-241.82kJ·mol-1(參考態(tài)單質(zhì),T)=0水溶液中規(guī)定定：（H＋，aq，298.15k）=0據(jù)此，可獲得得其他水合離離子的標(biāo)準(zhǔn)摩摩爾生成焓。。H2(g)+O2(g)H2O(g)思考：以下哪些反應(yīng)應(yīng)的恒壓反應(yīng)應(yīng)熱不是標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)生成焓(反應(yīng)物和生成成物都是標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)態(tài))?標(biāo)準(zhǔn)生成焓包包括標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和指定單質(zhì)兩個主要條件件。298.15K時這就是HCl(g)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生生成焓：反應(yīng)焓變?yōu)椋海簶?biāo)準(zhǔn)摩爾生成成焓的負(fù)值越越大，一般對對熱越穩(wěn)定。。如HF（g）的同樣條件件下為－271.1kJ·mol－1（H＋，aq，298.15k）=0水溶液中規(guī)定定：據(jù)此，可獲得得其他水合離離子的標(biāo)準(zhǔn)摩摩爾生成焓。。（Zn2+）=－153.9kJ·mol－1（Cu2+）=64.8kJ·mol－1實(shí)驗用水合離離子的標(biāo)準(zhǔn)摩摩爾生成焓反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩摩爾焓△rHm￠（T）定義為生成成物標(biāo)準(zhǔn)摩爾爾焓