Chap01 化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量和能量關(guān)系

第一章化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系和能量關(guān)系能量關(guān)系是本章的重點(diǎn)1本章內(nèi)容基本概念氣體化學(xué)方程式化學(xué)計(jì)量數(shù)反應(yīng)進(jìn)度1.1計(jì)量1.2質(zhì)量關(guān)系基本概念術(shù)語(yǔ)反應(yīng)熱焓和焓變標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓反應(yīng)焓變的計(jì)算1.3能量關(guān)系21.1計(jì)量本節(jié)目的鞏固高中化學(xué)中的相關(guān)概念基本概念相對(duì)原子質(zhì)量Ar(原子量)相對(duì)分子質(zhì)量Mr(分子量)物質(zhì)的量n、摩爾分?jǐn)?shù)x、Avogadro常數(shù)NA摩爾質(zhì)量M、摩爾體積Vm物質(zhì)的量濃度c3i)單位制ISO國(guó)際單位制Ar、Mr沒(méi)有單位n：mol；x：沒(méi)有單位；NA：mol-1M：gmol-1或kgmol-1，前者可與Mr對(duì)應(yīng)，但計(jì)算時(shí)必須注意單位轉(zhuǎn)換。Vm：m3mol-1、dm3mol-1或Lmol-1，使用后兩者時(shí)注意單位轉(zhuǎn)換。c：moldm-3，同樣注意單位轉(zhuǎn)換4ii)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT對(duì)于實(shí)際氣體，僅適用于壓力不太高、溫度不太低的情況p：Pa；V：m3或dm3；n：mol；T：KR：摩爾氣體常數(shù)1mol的氣體在STP下，V=22.414dm35例題例：在容積為10.0dm3的真空鋼瓶中充入O2，當(dāng)溫度為300K時(shí)，測(cè)得瓶?jī)?nèi)氣壓為1.00107Pa，計(jì)算鋼瓶?jī)?nèi)O2的質(zhì)量。解：

pV=nRT，n=m/M

可推出代入數(shù)據(jù)，

6iii)Dalton分壓定律混合氣體的分壓氣體混合物中其一組分氣體B對(duì)器壁所施加的壓強(qiáng)，稱為該氣體的分壓pBpB等于該溫度下，B單獨(dú)占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)：pB=nBRT/V分壓定律：混合氣體的總壓等于各組成氣體分壓之和，p=pB7Dalton分壓定律變化形式含義：混合氣體中任一組分氣體的分壓等于該氣體的摩爾分?jǐn)?shù)與總壓之積8其他相關(guān)概念分體積VB該溫度下，B單獨(dú)存在且具有混合氣體總壓強(qiáng)時(shí)所占據(jù)的體積：VB=nBRT/pV=VB體積分?jǐn)?shù)VB/V等于摩爾分?jǐn)?shù)xB：VB=xBV9分子式和最簡(jiǎn)式化合物具有確定組成且各種元素的原子互成簡(jiǎn)單整數(shù)比的化合物非化學(xué)計(jì)量化合物組成可在一個(gè)較小范圍內(nèi)變動(dòng)，但基本結(jié)構(gòu)保持不變的化合物如WO2.92，PdH0.8等又稱非整比化合物或貝多體iv)化學(xué)計(jì)量化合物和

非計(jì)量化合物101.2質(zhì)量關(guān)系化學(xué)方程式表明化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)和量關(guān)系的式子正確書(shū)寫(xiě)、配平及運(yùn)算系數(shù)不代表反應(yīng)分子數(shù)，可以為分?jǐn)?shù)H2+?O2=H2O：1molH2+?molO2生成1molH2O書(shū)寫(xiě)Na2SO4+BaCl2=BaSO4+2NaClSO42-+Ba2+=BaSO411ii)化學(xué)計(jì)量數(shù)參與反應(yīng)的物質(zhì)(分子、原子或離子)在化學(xué)方應(yīng)方程式中的系數(shù)規(guī)定：反應(yīng)物取負(fù)值，生成物取正值化學(xué)反應(yīng)：cC+dD=yY+zZC=-c，D=-d，Y=y，Z=z注意：與化學(xué)反應(yīng)方程式的寫(xiě)法有關(guān)12iii)反應(yīng)進(jìn)度含義：表示反應(yīng)進(jìn)行程度的量，單位mol。對(duì)于一個(gè)具體的反應(yīng)

cC+dD=yY+zZ

如何描述其進(jìn)行的程度呢？隨著反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)物C和D不斷消耗，生成物Y和Z不斷產(chǎn)生顯然可用C、D消耗量或Y、Z的生成量表征問(wèn)題：使用不同的參考物結(jié)果不一樣13N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)t03.0mol10.0mol0t12.0mol7.0mol2.0moln-1.0mol-3.0mol2.0mol-1-32n/1.0mol1.0mol1.0mol反應(yīng)中各物質(zhì)的物質(zhì)的量的變化量與其化學(xué)反應(yīng)計(jì)量數(shù)的比值——定義為反應(yīng)進(jìn)度，單位mol。14iii)反應(yīng)進(jìn)度反應(yīng)中各物質(zhì)的物質(zhì)的量變化量n等于與各自的化學(xué)反應(yīng)計(jì)量數(shù)的乘積。可以為任何正數(shù)，也可以為0。=0mol表示反應(yīng)開(kāi)始時(shí)刻的反應(yīng)進(jìn)度。cC+dD=yY+zZ。=1mol：此時(shí)已經(jīng)有c

mol的C和d

mol的D消耗，生成了y

mol的Y和z

mol的Z。注意：對(duì)于同一化學(xué)反應(yīng)，與化學(xué)方程式的寫(xiě)法有關(guān)同樣=1mol，前者表示生成了2mol的NH3，后者表示生成了1mol的NH3。151.3化學(xué)反應(yīng)中的能量關(guān)系熱力學(xué)研究能量相互轉(zhuǎn)換規(guī)律的科學(xué)化學(xué)熱力學(xué)利用熱力學(xué)的基本原理研究化學(xué)反應(yīng)的學(xué)科解決的問(wèn)題化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的方向和限度本節(jié)內(nèi)容熱力學(xué)基本理論化學(xué)反應(yīng)的能量變化關(guān)系及有關(guān)計(jì)算16i)基本概念和術(shù)語(yǔ)體系：被研究的直接對(duì)象環(huán)境：體系以外與其密切相關(guān)的部分物質(zhì)交換能量交換敞開(kāi)體系封閉體系-孤立體系--17狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)：一定條件下體系存在的形式狀態(tài)函數(shù)：描述系統(tǒng)性質(zhì)的物理量p、T、V、n狀態(tài)函數(shù)具有鮮明的特點(diǎn)狀態(tài)一定，狀態(tài)函數(shù)則一定；狀態(tài)變化，狀態(tài)函數(shù)也隨之而變各狀態(tài)函數(shù)之間存在聯(lián)系：狀態(tài)方程狀態(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(wú)關(guān)。因此可用T表示狀態(tài)函數(shù)T的變化量18熱和功體系和環(huán)境傳遞能量的方式熱Q：體系與環(huán)境之間由于存在溫差而傳遞的能量功W：除熱之外以其它形式傳遞的能量體積功：體系反抗外界壓強(qiáng)發(fā)生體積變化所做的功非體積功：如機(jī)械功、電功等單位：J或kJQ和W都不是狀態(tài)函數(shù)，不能說(shuō)體系某種狀態(tài)下具有多少Q(mào)或WQ和W的符號(hào)規(guī)定：若體系吸熱，Q>0；體系放熱，Q<0環(huán)境對(duì)體系做功，W>0；體系對(duì)環(huán)境做功，W<019體積功IIIFLS外界氣壓若V=0，則W=020體積功例：恒溫下壓強(qiáng)為100kPa的2m3理想氣體反抗恒外壓50kPa而膨脹，直至平衡。計(jì)算氣體做的功。解：p1=100kPa，V1=2m3，p2=50kPa由p1V1=p2V2可得V2=p1V1/p2=1002/50=4m3p外=p2，V=V2-V1=4-2=2m3W=-p外V=-501032=-1.0105J21熱力學(xué)能和熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)能U（內(nèi)能、熱能）定義：體系內(nèi)一切能量之和，單位kJ。狀態(tài)函數(shù)。體系狀態(tài)一定，則U確定。絕對(duì)數(shù)值尚無(wú)法測(cè)量，但U可測(cè)。對(duì)理想氣體而言，U只與T有關(guān)。熱力學(xué)第一定律：U=Q+W其實(shí)質(zhì)為能量守恒定律注意Q和W的符號(hào)22ii)反應(yīng)熱反應(yīng)熱Q反應(yīng)前后溫度相同時(shí)，且體系不作非體積功，反應(yīng)過(guò)程中吸收或放出的熱量回顧：符號(hào)問(wèn)題。體系對(duì)外放熱，則Q<0注意：并不要求反應(yīng)過(guò)程中體系溫度保持恒定恒壓反應(yīng)熱Qp在反應(yīng)過(guò)程中體系外壓保持恒定不變條件下的反應(yīng)熱23新的熱力學(xué)函數(shù)：焓Qp的確定恒壓過(guò)程中，W=-pV=-(pV2-pV1)U=Qp+W可得：Qp=U-W=(U2-U1)+p(V2-V1)=(U2+pV2)-(U1+pV1)熱力學(xué)函數(shù)：焓H定義：H=U+pV狀態(tài)函數(shù)，絕對(duì)值難以測(cè)定，但焓變H可測(cè)理想氣體的焓H也只是溫度的函數(shù)Qp=H24關(guān)于H的進(jìn)一步說(shuō)明H僅對(duì)等溫恒壓反應(yīng)有意義，此時(shí)等于反應(yīng)熱。對(duì)于其他反應(yīng)，H沒(méi)有意義吸熱反應(yīng)H>0，放熱反應(yīng)H<0以后未加說(shuō)明，均認(rèn)為所有反應(yīng)處于等溫恒壓狀態(tài)25H與U的聯(lián)系H=U+pV

H=U+(pV)對(duì)于反應(yīng)體系中的固體或液體，(pV)可忽略不計(jì)，H=U對(duì)于理想氣體，(pV)=nRT，H=U+nRT26化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)顯然與反應(yīng)進(jìn)度有關(guān)，越大，則H越大摩爾焓變r(jià)Hm定義：=1mol時(shí)的焓變。rHm單位為kJmol-1注意：rHm與方程式寫(xiě)法有關(guān)。使用摩爾焓變的概念后，則摩爾焓變27例：實(shí)驗(yàn)測(cè)得1mol正庚烷在298K恒壓燃燒時(shí)放出熱量4817.03kJ。

C7H16(l)+11O2(g)=7CO2(g)+8H2O(l)

試求反應(yīng)的rHm與rUm。解：反應(yīng)放熱，所以rH=Qp=-4817.03kJ。=1mol，則rHm=rH/=-4817.03kJmol-1由化學(xué)方程式可見(jiàn)=7-11=-4rUm=rHm-RT=-4817.03+48.31429810-3=-4807.12kJmol-1例題28關(guān)于符號(hào)的說(shuō)明當(dāng)泛指一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程時(shí)，使用U、H等形式，單位為J或kJ當(dāng)指明一個(gè)具體反應(yīng)，但不作定量計(jì)算時(shí)，使用rU、rH等形式，單位為J或kJ需要定量計(jì)算時(shí)，必須考慮反應(yīng)進(jìn)度，使用rHm等形式，單位為kJmol-1以后講到的新的狀態(tài)函數(shù)沿用此習(xí)慣。29表示出反應(yīng)熱效應(yīng)的化學(xué)方程式標(biāo)注反應(yīng)的溫度和壓強(qiáng)。習(xí)慣上T=298K標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)不標(biāo)。表明反應(yīng)物和生成物聚集狀態(tài)。g、l、s、aq反應(yīng)式寫(xiě)法不一樣，熱效應(yīng)數(shù)值不一樣。熱化學(xué)方程式30Hess定律始態(tài)終態(tài)中間態(tài)rHmrHm,1rHm,2rHm=rHm,1+rHm,2rHm=rHm,i化學(xué)反應(yīng)總反應(yīng)熱為各步子反應(yīng)反應(yīng)熱之和熱力學(xué)定律的顯然結(jié)果31反應(yīng)熱的計(jì)算例：已知

C(石墨)+O2(g)=CO2(g)rHm,1=-393.5kJmol-1，H2(g)+?O2(g)=H2O(g)rHm,2=-241.8kJmol-1，

試求反應(yīng)

C(石墨)+2H2O(g)=CO2(g)+2H2(g)的rHm解：總反應(yīng)=反應(yīng)1-2反應(yīng)2rHm=rHm,1-2rHm,2=-393.5-2(-241.8)=90.1kJmol-1注意此題的做法。32反應(yīng)熱的計(jì)算例：解：總反應(yīng)=2反應(yīng)1+2反應(yīng)2-反應(yīng)3rHm=2rHm,1+2rHm,2-rHm,3=2(-393.5)+2(-285.8)-(-874.2)=-484.4kJmol-1反應(yīng)rHm/kJmol-11C(s)+O2(g)=CO2(g)-393.52H2(g)+?O2(g)=H2O(l)-285.83CH3COOH(l)+2O2(g)=2CO2(g)+2H2O(l)-874.242C(s)+2H2(g)+O2(g)=CH3COOH(l)？33Hess定律的意義根據(jù)已有結(jié)果直接計(jì)算反應(yīng)熱，從而可以減少大量實(shí)驗(yàn)測(cè)定工作可計(jì)算某些難以或無(wú)法用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的反應(yīng)的反應(yīng)熱C(s)+?O2(g)=CO(g)反應(yīng)無(wú)法定量控制N2(g)+O2(g)=2NO(g)在熱力學(xué)條件下反應(yīng)無(wú)法進(jìn)行H2(g)+F2(g)=2HF(g)反應(yīng)過(guò)于劇烈，不可能測(cè)量34間接測(cè)量舉例N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)(1)4NH3(g)+5O2(g)=4NO(g)+6H2O(l)(2)2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)(3)N2(g)+O2(g)=2NO(g)(4)(4)=(1)+0.5(2)-1.5(3)rHm(4)=rHm(1)+0.5rHm(2)-1.5rHm(3)35iii)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓利用Hess定律求反應(yīng)熱仍然不太方便若已知反應(yīng)物和生成物的H，則rH=H(生成物)-H(反應(yīng)物)，非常方便H絕對(duì)值不可測(cè)？？？使用相對(duì)值生成焓fH需要合適的基點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)36標(biāo)準(zhǔn)態(tài)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)氣體標(biāo)準(zhǔn)壓力(p?=100kPa)下純氣體的狀態(tài)液體固體標(biāo)準(zhǔn)壓力(p?)下最穩(wěn)定的純液體、固體的狀態(tài)溶液中的溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)壓力(p?)下標(biāo)準(zhǔn)濃度(b?=1molkg-1)的狀態(tài)，常近似為c?=1moldm-3沒(méi)有規(guī)定溫度，但一般數(shù)據(jù)都是298.15K的與討論理想氣體時(shí)說(shuō)的“標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)”是不一樣的p?=100kPa而不是1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.325kPa)37定義：某溫度下，由處于標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下的最穩(wěn)定的純態(tài)單質(zhì)生成1mol某物質(zhì)的焓變，稱為這種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓按此規(guī)定，處于標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下的最穩(wěn)定的純態(tài)單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為0標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓H2O(l)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓38標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的討論意義：提供了以穩(wěn)定單質(zhì)為基點(diǎn)的各種物質(zhì)的相對(duì)