《化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)》教案

《化學(xué)熱力學(xué)根底》教案[]．生疏熱力學(xué)第確定律及其相關(guān)概念。．把握化學(xué)反響熱效應(yīng)；了解反響進(jìn)度概念。．把握熱化學(xué)方程式；反響熱、反響焓變的計(jì)算；蓋斯定律及有關(guān)計(jì)算；吉布斯能和化學(xué)反響方向的推斷。[]化學(xué)熱力學(xué)的四個(gè)狀態(tài)函數(shù)—熱力學(xué)能、焓、熵、自由能[]焓、熵[8學(xué)時(shí)[]．化學(xué)熱力學(xué)的特點(diǎn)，體系和環(huán)境、放開(kāi)體系、封閉體系、孤立體系的概念、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)、廣度性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì)、等溫過(guò)程和等壓過(guò)程、絕熱過(guò)程、內(nèi)能、熱和功。的概念及計(jì)算，化學(xué)反響進(jìn)度概念，熱化學(xué)方程式，反響熱的計(jì)算：蓋斯定律及其應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)生成焓。．吉布斯能和化學(xué)反響的方向：自發(fā)過(guò)程及其特點(diǎn)、熵和熵變、標(biāo)準(zhǔn)熵變的計(jì)算、吉布斯能和—其計(jì)算。[]化學(xué)熱力學(xué)的爭(zhēng)論對(duì)象根本概念化學(xué)反響：化學(xué)熱力學(xué)：應(yīng)用熱力學(xué)的根本原理爭(zhēng)論化學(xué)反響，化學(xué)變化過(guò)程的能量變化問(wèn)題主要解決化學(xué)反響中的三個(gè)問(wèn)題：機(jī)理、反響的現(xiàn)實(shí)性和方向性例：→低溫；→壓力??；→濃度小體系：作為爭(zhēng)論對(duì)象的一局部物體，包含確定種類(lèi)和確定數(shù)量的物質(zhì)。除體系以外的與體系親熱相關(guān)的局部稱(chēng)為環(huán)境狀態(tài)及狀態(tài)函數(shù):狀態(tài)是體系的總性質(zhì)由壓力、溫度、體積和物質(zhì)的量等物理量所確定下來(lái)的體系存在的形式稱(chēng)為體系的狀態(tài)確定體系狀態(tài)的物理量稱(chēng)為狀態(tài)函數(shù)P、V、T、n過(guò)程與途徑(恒溫、恒壓、恒容、絕熱過(guò)程〕途徑1→2狀態(tài)函數(shù)轉(zhuǎn)變量一樣；狀態(tài)確定時(shí)，狀態(tài)函數(shù)有一個(gè)相應(yīng)確實(shí)定值。始終態(tài)確定時(shí)，狀態(tài)函數(shù)的轉(zhuǎn)變量就只有一個(gè)唯一數(shù)值。等壓過(guò)程：壓力恒定不變?chǔ)=0；等容過(guò)程：ΔV=0；等溫過(guò)程：ΔT=0廣度〔容量〕性質(zhì)及強(qiáng)度性質(zhì)〔容量〕性質(zhì)：與體系中物質(zhì)的量成正比的物理量(體積、質(zhì)量等)∑X=∑Xi；具有加和性。i=1強(qiáng)度性質(zhì)：數(shù)值上不隨體系中物質(zhì)總量的變化而變化的物理量〔溫度、密度、熱容、壓力。熱力學(xué)第確定律，熱和功體系與環(huán)境之間因溫度不同而交換或傳遞的能量稱(chēng)為熱；表示為Q。規(guī)定：體系從環(huán)境吸熱Q為正值放熱Q為負(fù)值。除了熱之外，其它被傳遞的能量叫做功表示為W。規(guī)定：環(huán)境對(duì)體系做功時(shí)，WW問(wèn)題：熱和功是否為狀態(tài)函數(shù)？體積功：W=PΔVJkJ熱和功不是狀態(tài)函數(shù)，不取決于過(guò)程的始、終態(tài)，而與途徑有關(guān)。熱力學(xué)的四個(gè)重要狀態(tài)函數(shù)熱力學(xué)能(內(nèi)能)體系內(nèi)部一切能量的總和稱(chēng)為體系的熱力學(xué)能U),子、原子內(nèi)部所隱蔽的能量。問(wèn)題：U是否為狀態(tài)函數(shù)？ΔU呢？*U的變化值。U：可確定。廣度性質(zhì)，具有加和性，與物質(zhì)的量成正比。體系與環(huán)境之間能量交換的方式熱力學(xué)第確定律：QW狀態(tài)〔I〕〔II〕U1U2U2=U1+Q+W熱力學(xué)第確定律數(shù)學(xué)表達(dá)式：ΔU=U2–U1=Q+W的總值不變。Q與W的正負(fù)號(hào)：體系從環(huán)境吸熱Q?。玅?。h(huán)境對(duì)體系做功時(shí)W?。玏－。1:某封閉體系在某一過(guò)程中從環(huán)境中吸取了50kJ30kJ的功，則體系在過(guò)程中熱力學(xué)能變?yōu)椋?〔-30kJ〕20kJ體系熱力學(xué)能凈增為20kJ；問(wèn)題：ΔU環(huán)境=？化學(xué)反響的熱效應(yīng)QPQv)H)1.反響熱〔化學(xué)反響的熱效應(yīng)：等壓條件下反響過(guò)程中體系只做體積功而不做其它有用功時(shí)，化學(xué)反響中吸取或放出的熱量稱(chēng)為化學(xué)反響的熱效應(yīng)。2.焓〔H：由熱力學(xué)第確定律：ΔU=Q+W體系對(duì)外作功：W=PΔV=p〔V2–V1〕2 ΔU=QP+W=QP–p〔V –V 2 2 1 2 U –U =QP–p〔V –V 2 1 2 2 2 1 QP=〔U +pV 〕-〔U +pV 2 2 1 令H＝UpVH：的函數(shù) -則Qp=H2–H1ΔH〔ΔH稱(chēng)為焓變〕問(wèn)題：H是狀態(tài)函數(shù)還是非狀態(tài)函數(shù)？ΔH呢？問(wèn)題QpQv之間的關(guān)系？等壓反響熱〔Qp〕假設(shè)體系在變化過(guò)程中，壓力始終保持不變，其反響熱QP〔右下標(biāo)p表示等壓過(guò)程〕2 QP=ΔU-W∵W=-PΔV=-p〔V –V 2 ∴QP=ΔU+pΔV=U2–U1+p(V2–V1)2 2 1 =〔U +pV 〕-〔U +pV 2 2 1 QP=ΔH:在等壓過(guò)程中，體系吸取的熱量QP增加體系的焓等容反響熱：〔ΔV=0〕即W0；這個(gè)過(guò)程放出的熱量為QV依據(jù)熱力學(xué)第確定律，QVΔU說(shuō)明：在等容過(guò)程中，體系吸取的熱量QV〔右下標(biāo)V,表示等容過(guò)程〕全部用來(lái)增加體系的熱力學(xué)能。ΔH在封閉體系中，在等壓及不做其它功的條件下，過(guò)程吸取或放出的熱全部用來(lái)增加或削減體系的焓。ΔH表示ΔH=ΔU+pΔVH):是狀態(tài)函數(shù)，等壓反響熱就是體系的焓變，QpQv之間的關(guān)系：Qp=ΔH=ΔU+pΔV=Qv+ΔnRT對(duì)液態(tài)和固態(tài)反響，QpQvΔHΔU對(duì)于有氣體參與的反響，ΔV0QpQvΔH+體系從環(huán)境吸取熱量，吸熱反響；ΔH體系向環(huán)境放出熱量，放熱反響。適用條件：封閉體系，等溫等壓條件，不做有用功。1298K1mol正庚烷的恒容反響熱為-4807.12kJmol-1,Qp值解：C7H16(l)+11O2(g)=7CO2(g)+8H2O(l)Δn7-11=-4Qp=Qv+ΔnRT=-4807.12+(-4)′8.314′298/1000=-4817.03kJ×mol-1R=8.314J×K-1×mol-1=8.314Pa×m3×K-1×mol-1=8.314kPa×dm3×K-1×mol-1反響熱的測(cè)定：熱化學(xué)方程式：表示化學(xué)反響與其熱效應(yīng)關(guān)系的化學(xué)方程式叫做熱化學(xué)方程式2H2〔g〕+O2〔g〕===2H2O〔g〕(298)=-483.6kJ×mol-1rreactionΔrHm表示反響的焓變m：表示反響進(jìn)度變化為1molθ：熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)θ)：表示反響物或生成物都是氣體時(shí)1105Pa；溶液狀態(tài)時(shí)，各物質(zhì)的濃度1molkg-1〔近似1moldm-3〕;的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)則指處于標(biāo)準(zhǔn)壓力下的純物質(zhì).※書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)方程式：注明反響的溫度和壓強(qiáng)條件注明反響物與生成物的聚攏狀態(tài)，g-l-s-固態(tài)值與反響方程式的寫(xiě)法有關(guān)，如2H2(g)+O2(g)=2H2O(g),=-483.6kJ·mol-12H2(g)+O2(g)=2H2O(l),=-571.68kJ·mol-1H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g),=-241.8kJ·mol-1H2O(l)=H2(g)+1/2O2(g),=241.8kJ·mol-1不同計(jì)量系數(shù)的同一反響，其摩爾反響熱不同2H2〔g〕+O2〔g〕===2H2O〔g〕(298)=-483.6kJ×mol-1正逆反響的反響熱效應(yīng)數(shù)值相等，符號(hào)相反2H2〔g〕+O2〔g〕===2H2O〔g〕(298)=-483.6kJ×mol-12H2O〔g〕===2H2〔g〕+O2〔g〕(298)=+483.6kJ×mol-1．反響的焓變：aA+bB====cC+dD〔生成物〕-〔反響物〕．標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓1mol純物質(zhì)時(shí)的等壓熱效應(yīng)表示，簡(jiǎn)稱(chēng)該溫度下的生成焓H2(g，105Pa)+1/2O2(g，105Pa)===H2O(l)(298)=-285.8kJ×mol-1H2Ol298)=-285.8kJ×mol-1 11生成焓同一物質(zhì)不同聚攏態(tài)下，標(biāo)準(zhǔn)生成焓數(shù)值不同〔H2O，g〕=-241.8kJ×mol-1〔H2O，l〕=-285.8kJ×mol-1只有最穩(wěn)定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成熱才是零；〔C，石墨〕0kJmol-1〔C，金剛石〕1.9kJmol-1298.15K下的數(shù)據(jù)。(5)H+〔aq〕〔H+aq〕1/2H2〔g〕H2O〔g〕H+aqe不為零離子生成熱：指從穩(wěn)定單質(zhì)生成1mol溶于足夠大量的水成為無(wú)限稀釋溶液時(shí)的水合離子所產(chǎn)生的熱效應(yīng)反響熱效應(yīng)的計(jì)算：aA+bB====cC+dD()–(反響物)熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)反響物與生成物都是氣體時(shí)，各物質(zhì)的分壓為1.013105Pa反響物與生成物都是液體時(shí)，各物質(zhì)的濃度為1.0molkg-1固體和液體純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)指在標(biāo)準(zhǔn)壓力下的純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)對(duì)溫度沒(méi)有規(guī)定，不同溫度下有不同標(biāo)準(zhǔn)態(tài)蓋斯定律，標(biāo)準(zhǔn)生成焓和反響熱計(jì)算1.蓋斯定律：1840G.H.Hess(瑞士科學(xué)家)步反響的熱效應(yīng)之和。2．應(yīng)用條件：留意：某化學(xué)反響是在等壓〔或等容〕下一步完成的，在分步完成時(shí)，各分步也要在等壓〔或等容〕下進(jìn)展；要消去某同一物質(zhì)時(shí)，不僅要求物質(zhì)的種類(lèi)一樣，其物質(zhì)的也一樣。例：求反響C()1/2O2(g)CO(g)的反響熱？始態(tài)C(石墨)O2(g)=終態(tài)CO2(g)CO(g)+1/2O2：C(石墨)＋O2(g)=CO2(g)=-393.5kJ·mol-1CO(g)＋1/2O2(g)=CO2(g)=-283.0kJ·mol-12則?--得：C(石墨)＋1/2O (g)=CO(g)的ΔrHmq為：2＝-110.5kJ·mol-1內(nèi)能、焓確實(shí)定值無(wú)法得到。依據(jù)蓋斯定律有：C(石墨)＋O2(g)=CO2(g)C()1/2O2(g)CO(g)令最穩(wěn)定單質(zhì)確實(shí)定焓為零，即H(C)H(O20,則CO(g)1/2O2(g)＝CO2(g)3.②無(wú)限稀釋溶液：指當(dāng)向溶液參與溶劑時(shí)，不再產(chǎn)生熱效應(yīng)時(shí)的溶液，￥1mol產(chǎn)生的熱效應(yīng)。相對(duì)值：以H+aq)的生成熱為零焓變的計(jì)算公式一般地，對(duì)于反響：aAbBcC+dD標(biāo)準(zhǔn)焓的定義1mol某純物質(zhì)時(shí)的等壓熱效應(yīng)叫做該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓，簡(jiǎn)稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)焓，用表示，單位：為kJ·mol-1同一物質(zhì)不同聚攏態(tài)時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)焓數(shù)值不同只有最穩(wěn)定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)焓才為零表中數(shù)據(jù)是298K時(shí)的數(shù)據(jù)，但標(biāo)準(zhǔn)焓在不同溫度下數(shù)據(jù)相差不大，可用298K的數(shù)據(jù)近似計(jì)算利用標(biāo)準(zhǔn)焓可計(jì)算某一化學(xué)反響的反響熱燃燒熱的概念由燃燒熱計(jì)算反響熱公式：8298K105Pa1mol化學(xué)鍵的焓變。用B.E.表示。鍵焓大小表示了化合物中原子間結(jié)合力的強(qiáng)弱。由鍵能估算反響熱,,熱力學(xué)其次、三定律一、過(guò)程的自發(fā)性自發(fā)過(guò)程：不憑借外力就能發(fā)生的過(guò)程稱(chēng)為自發(fā)過(guò)程自發(fā)反響：不憑借外力就能發(fā)生的反響稱(chēng)為自發(fā)反響19ΔH推斷反響發(fā)生的方向凡體系能量上升的過(guò)程都是不能自發(fā)進(jìn)展的。二、熵與熵變熵：可以看作是體系混亂度()的量度。S表示熱力學(xué)第三定律：對(duì)于純物質(zhì)的晶體，在熱力學(xué)零度時(shí)，熵為零。熵的規(guī)律：(1),任何純潔完整晶態(tài)物質(zhì)的熵等于零T時(shí)熵的轉(zhuǎn)變量稱(chēng)為該物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的摩爾確定熵值，簡(jiǎn)稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)熵，用表示，單位：J·mol-1·K-1對(duì)于同一物質(zhì)而言，氣態(tài)熵大于液態(tài)熵，液態(tài)熵大于固態(tài)熵；例：H2O:298H2Og298H2Ol)188.7J·mol-1·K-169.96J·mol-1·K-1由于一樣原子組成的分子中，分子中原子數(shù)目越多，熵值越大；O2(g)<O3(g)NO(g)<NO2(g)<N2O4(g)CHCH(g)<CH2=CH2(g)<CH3-CH3(g)一樣元素的原子組成的分子中，分子量越大熵值越大；CH3Cl(g)<CH2Cl2(g)<CHCl3(g)同一類(lèi)物質(zhì)，摩爾質(zhì)量越大，構(gòu)造越簡(jiǎn)潔，熵值越大；CuSO4(s)<CuSO4·H2O(s)<CuSO4·3H2O(s)<CuSO4·5H2O(s)F2(g)<Cl2(g)<Br2(g)<I2(g)固體或液體溶于水時(shí)，熵值增大，氣體溶于水時(shí)，熵值削減；NaCl(s)=Na++Cl-HCl(g)=H++Cl-同一物質(zhì)，存在不同異構(gòu)體時(shí)，構(gòu)造剛性越大的分子，熵值越小。反響熵變的計(jì)算公式一般地，對(duì)于反響：aAbBcCdD規(guī)律：0；00ΔSJ0；反響中物質(zhì)計(jì)量系數(shù)削減的反響，反響的0三、熵變與過(guò)程的方向熱溫熵?zé)崃W(xué)證明，在恒溫可逆過(guò)程中，體系吸取或放出的熱量QrΔS之間有以下關(guān)系：ΔS＝Qr/T,因此ΔS又叫熱溫熵Qr：恒溫可逆過(guò)程中體系所吸取的熱熵的應(yīng)用孤立體系〔絕熱體系〕的自發(fā)過(guò)程是體系熵增加的過(guò)程，即：狀態(tài)I→狀態(tài)II，SIISIΔSSIISI0ΔS0，過(guò)程自發(fā)進(jìn)展；ΔS0，逆過(guò)程自發(fā)進(jìn)展；ΔS0，平衡狀態(tài)．熱力學(xué)其次定律：體系的熵變是過(guò)程變化的推動(dòng)力之一。在自然界中孤立體系的自發(fā)過(guò)程是熵增加的過(guò)程。體系，則焓變與熵變均對(duì)化學(xué)反響的方向有影響ΔrHJm是較負(fù)的數(shù)值時(shí),反響正向自發(fā);,反響正向自發(fā)條件必需是0,自由能與化學(xué)反響進(jìn)展的方向1876年美國(guó)科學(xué)家Gibbs證明在等溫等壓下，假設(shè)一個(gè)反響能被用來(lái)作功，則該反響是自發(fā)的，反之為非自發(fā)一、自由能函數(shù)的定義例：CH4(g)2O2(g)CO2(g)2H2O(l)ZnCu2+Zn2+Cu2H2O(l)?2H2(g)-+O2-(g)熱力學(xué)第確定律：ΔUQW等溫可逆條件下：ΔU=Qr+WmaxQr可逆過(guò)程吸取或放出的熱量；Wmax:最大功；Wmax=-pΔV+Wmax,Qr=TΔS\ΔU=TΔS-pΔV+Wmax,ΔU+pΔV=TΔS+Wmax,ΔH=TΔS+Wmax,ΔH-TΔS=WmaxGoHTS,則ΔGWmaxG：定義的函數(shù)，自由能函數(shù)，F(xiàn)reeenergy意義：ΔG0Wmax0,說(shuō)明自由能被用來(lái)對(duì)環(huán)境作最大有用功，是自發(fā)過(guò)程。②當(dāng)ΔG>0時(shí)，Wmax>0,說(shuō)明過(guò)程非自發(fā)，要使過(guò)程進(jìn)展，必需由環(huán)境對(duì)體系做功。問(wèn)題：G是否為狀態(tài)函數(shù)？狀態(tài)函數(shù)-赫姆霍茲方程(Gibbs–HelmnoltzEquati