普通化学第一章2012修改.ppt

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1、材料科学与化学工程学院 主讲：岳琪 手机：13704817960 Email：,普通化学,学科交叉与渗透更普遍,化学与社会 Chemistry in Context Applying Chmistry to Society 美 Lucy Pryde Enbanks Catherine H. Middlecamp 等编著 国家自然科学基金委员会化学部 中国科学院化学部 资助出版 国外优秀科技著作出版专项基金,第一章 化学热力学基础 第二章 化学反应的方向、限度和速率 第三章 酸碱平衡、沉淀平衡及配位平衡 第四章 电化学基础 第五章 物质结构基础 第六章 元素及其化合物 第七章 高分子化学简介,课

2、时：40 学时 理论课32 学时，实验课8学时 成绩：期末考试占80 实验成绩占20,高温炼铁,为什么不能用同样的方法进行高炉炼铝？,NO, CO,NO, CO是汽车尾气中的有毒成分，它们能否相互反应生成N2和CO2。,?,金刚石,石墨,第一章 化学热力学基础,热力学:专门研究能量相互转变过程中所遵循的规律的一门科学。,化学热力学:用热力学的理论和方法研究化学反应方向问题、化学反应过程的能量变化问题以及化学反应进行的程度问题。,1.1 热力学基本概念,体系之外并与体系有密切联系的那部分物质 或空间称为环境。,被划分出来作为研究对象的那部分物质或空 间称为体系(系统）。,1.1.1 体系和环境,

3、1.1 热力学基本概念,敞开体系：体系与环境之间既有物质 交换，又有能量交换。,体系分类：敞开体系 封闭体系 孤立体系 依据：根据体系与环境之间有无物质和能量交换。,封闭体系:体系与环境之间只有能量 交换，而没有物质交换。,孤立体系：体系与环境之间既没有 物质交换也没有能量交换。,敞开体系,封闭体系,孤立体系,动画来源：绍兴文理学院无机及分析化学,用来描述体系状态的物理量（n、p、T、V、U、H、S、G）叫做状态函数。,由一系列表征体系宏观性质的物理量所确定下来的体系的存在形式称为体系的状态。,1.1.2 状态和状态函数,方式1： p= p2-p1= 100 kPa V=V2-V1= -1 L

4、 T=T2-T1= 0 K,方式2： p= (p3-p1)+ (p2-p3)= 100 kPa V= (V3-V1)+ (V2-V3) = -1 L T=(T3-T1)+ (T2-T3) = 0 K,状态函数的特征,体系状态一定，状态函数值一定,体系状态变化时，状态函数值的变化只与体系的始态和终态有关，而与变化途径无关,循环过程状态函数的变化值为零,体系的状态由于外界条件的改变会发生变化，这种状态变化称为过程。,1.1.3 过程和途径,根据过程发生时的条件不同，可分为以下几类：,变化过程可以采取多种不同的具体形式，我们把实现过程的每一种具体的形式称为途径。,不同途径的示意图,热力学能(内能):

5、 是体系内各种形式的能量的总和，用符号U表示。单位: J 或 kJ,能量包括：组成体系的各种粒子（如分子，原子，电子，原子核等）的动能（如分子的平动能，振动能，转动能等）以及粒子间的相互作用的势能（如分子的吸引能，排斥能，化学建能等）。,1.1.4 热力学能,热力学能特点: 状态函数; 其绝对值不可测量; 具有加和性,热力学能的大小与体系的温度，体积，压力以及物质的量有关。 温度反映体系中各粒子运动的激烈程度； 体积反映粒子间的相互作用，反映的势能； 热力学能与体系中物质的量成正比。,动画来源： 绍兴文理学院 无机及分析化学,状态函数性质： 广延性质：与物质量有关，如v,n. 强度性质：与物质

6、量无关，如t,p.,定义: 体系与环境之间因温差而传递的能量称为热，以符号Q表示。单位: J 或 kJ,热是物质运动的一种表现形式，和大量分子子无规则运动有关。是物质在分子水平上运动的结果。,1.1.5 热和功,1. 热,规定： 若体系吸热，Q 0 若体系放热，Q 0,热量不是状态函数，只有体系的状态发生变化时，体系与环境之间才存在能量的交换，才有热量。,规定： 若环境向体系做功，W 0 若体系向环境做功，W 0,定义: 除热之外，在体系和环境之间被传递的其它能量，称为功，以符号W表示。单位: J 或 kJ,功和热都与途径有关，不是状态函数,2. 功,功的分类,体积功外的所有其他形式的功称为非

7、体积功。如电功、表面功等。,由于体系体积变化而与环境交换的能量，称为体积功。,体积功,非体积功,体系做功： W = p外V,体积功的计算,外力做功：,体系做功：W = P外 V,W = (P A) h= P V,该图来自北大无机化学课件,5组基本概念,1. 体系和环境,2. 状态和状态函数,3. 过程和途径,4. 热力学能U,5. 热和功,敞开、封闭、孤立,状态函数特征,恒温、恒压、恒容、绝热,状态函数、具有加和性、绝对值不可测,过程函数，正负号规定，体积功,1.2 化学反应的能量守恒与反应热效应,1.3 化学反应热效应的理论计算,1.1 热力学基本概念,1.2 化学反应的能量守恒与反应热效应

8、,1.2.1 热力学第一定律,热力学第一定律的数学表达式：,U = Q + W,热力学第一定律内容（能量守恒和转化定律）：,体 系,环境,U 0,U 0,热力学第一定律的数学表达式：,U = Q + W,起始状态为U1的体系，假设体系放出200 J的热量，环境对体系做了350 J的功，计算体系的能量变化和终态U2。,解: 由题意可知： Q=200 J；W=+ 350 J U=Q + W 200 J + 350 J=150 J 因为 U2U1 = U 所以 U2 = U1 + U = U1 + 150 J,定义： 当生成物与反应物的温度相同时，体系不做非体积功，化学反应过程中体系所放出或吸收的热

9、量称为该反应的反应热效应，简称热效应或反应热。,分类： 恒容热效应 恒压热效应,1.2.2 化学反应的热效应,恒容热效应 QV,在恒容过程中完成的化学反应称为恒容反应，其热效应称为恒容热效应。,体 系,U = Qv,恒容热效应特点： U = Qv 取决于体系的始态和终态，但非状态函数。,点火线,恒容反应热效应的测量,弹式热量计,反应热Qv ？,Q = - cm(T2-T1) = - cmT Q 水 = c水m水T Q 弹= c弹m弹T Q = -( Q水 + Q 弹),恒压热效应 Qp,在恒压过程中完成的化学反应称为恒压反应，其热效应称为恒压热效应。,体系,恒压热效应的计算,U = Qp p外

10、 V,W = pV,U 2 - U 1 = Qp -（p2V2 -p1V1）,Qp=(U 2 p2V2) (U 1+ p1V1),如果体系是在等压，只做体积功下变化, 即 p1 = p2 = p外,U 2 - U 1 = Qp p外(V2 -V1),H: 是一个新的热力学函数，称为焓； 单位：J 或 kJ,焓变： H = Qp,令： H = U + pV,焓的特点: 焓是状态函数; 绝对值无法测量; 具有加和性,H0 吸热 H0 放热,一、选择题 （1）下列对于功和热的描述中，正确的是 （ ） A. 都是过程函数，对应于某一状态有一确定值。 B. 都是过程函数，无确定的变化途径就无确定的数值。

11、 C. 都是状态函数，变化量与途径无关。 D. 都是状态函数，始终态确定，其值也确定 （2）敞开系统是指系统与环境之间 （ ） A. 既有物质交换 ，又有能量交换 B. 只有物质交换 C. 既没有物质交换，也没有物质交换 D. 只有能量交换,二、判断题 （1）状态函数的变化值只取决于体系的始终， 而与变化的途径无关。 （ ） （2）因为QP=H，而H与变化途径无关，是状态函数，所以QP也是状态函数。 （ ）,某温度下一定量的理想气体向环境吸收热量100kJ，使得体系从p1=1.6106Pa，V1=1dm3，在恒外压p外=1.0105Pa下恒温膨胀至p2=1.0105Pa， V2=16dm3，求

12、过程中体系的热力学能的变化值。,三、计算题,不能直接用实验测量的反应，如何知道 反应的热效应呢？,反应： C(石墨) + 1/2 O2(g) = CO(g) 的反应热能不能直接用实验测量？,1. 热力学的标准态,1.2.3 热化学方程式与盖斯定律,2. 反应进度,对于有限的变化 ,有 = nB/ B,当反应进度 = 1mol时，即按计量方程式进行了一次完整的反应时，称为1mol的化学反应或简称摩尔反应。,将上式左侧移到右侧：0 = - d D - e E + g G + h H,未反应时0=0 ,有 = - 0=nB()- nB(0)/ B = nB/ B,反应：N2 + 3H2 = 2NH3

13、,N2、H2、NH3的化学计量数 (N2) = -1、(H2) = -3、(NH3) = 2,当反应未开始00时,若有足够量的N2和H2、n(NH3)0,根据 nB/B,例:,例如: (1) N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g),(2) 1/2N2(g) + 2/3H2(g) NH3 (g), = 1 mol 时， ( 1 ) 表示生成了 2 mol 的 NH3 ( 2 ) 表示生成了 1 mol 的 NH3,化学计量方程与热效应都写出的方程称热化学方程式 。,3. 热化学方程式,2H2(g) + O2(g) = 2H2O(g),化学反应中各物质处于标准态按化学反应计量方程式进行1

14、mol反应时的焓变称为该反应的标准摩尔反应焓变，用 表示。,应注明反应的温度和压力。 如果是298.15K和 100kPa，可省略。 必须标出物质的聚集状态。通常以g、l和s分别表示气、液和固态。,书写热化学方程式时注意下列几点：,必须注明固体物质的晶型。 碳有石墨、金刚石等晶型。 同一反应，反应式系数不同，热效应值也 不同。,正、逆反应的热效应绝对值相等，但是符号相反。,已知T=298.15 K，p=100 kPa时， 反应的 = 91.8 kJmol1，计算在同样条件下，下 列反应的 。,CH3(CH2)14COOH(s) + 23O2(g) 16CO2(g) + 16H2O (l) =

15、9977 kJmol-1,过量的体脂肪的确可能增加心脏病、糖尿病和其他疾病发作的危险。但脂肪是人体的主要能量贮存系统。,在人体运动过程中, 脂肪发生水解生成一组叫做脂肪酸的化合物, 后者再通过一系列复杂反应转化为二氧化碳和水, 肌肉运动正是由该过程释放的能量驱动的。,4. 盖斯定律,盖斯定律的内容： “不管化学过程是一步完成或分为数步完成，这个过程的热效应是相同的。”,盖斯定律的用途： 利用实验易测量的反应热效应，来计算难以用实验方法测得的反应热效应。,rH rH +rH,rH rH rH,在煤气生产过程中，下列反应C(s)1/2O2 (g) = CO(g) 是很重要的。工厂设计或工艺改革时需

16、要该反应的热效应数值，由于单质碳与氧不能直接生成纯粹的一氧化碳，总会有一些二氧化碳生成，因此实验很难准确测定该反应的热效应数值。请根据所掌握的知识如何间接求得该反应的热效应？,已知反应： C(石墨)O2(g)=CO2(g) rH =393.5 kJmol-1 CO(g)+(1/2)O2(g)=CO2(g) rH = 283 kJmol-1,rH ,1 rH ,2 +rH ,3,始态C (石墨) + O2 (g),终态 CO2 (g),CO (g) +1/2 O2 (g),(1),(2),(3),rH ,2 rH ,1 -rH ,3,= 393.51 kJmol-1( 283kJmol -1)

17、=-110.5 kJmol-1,解：,= 2(221.0) kJmol1 (1118.4 kJ.mol1) = 676.4 kJmol1,（3）（1） 2 （2）,已知：(1) 4NH3(g) + 3O2(g) = 2N2(g) + 6H2O (l) , H 1523kJmol-1 (2) H2(g) + (1/2)O2(g) = H2O (l) , H 287kJmol-1 试求反应(3) N2(g) +3H2(g) = 2NH3(g)的H 。,1.2 化学反应的能量守恒与反应热效应,1.3 化学反应热效应的理论计算,1.1 热力学基本概念,1.3.1 物质的标准摩尔生成焓,在标准态时，由元

18、素稳定的纯态单质生成 1 mol 某纯物质B的焓变（即恒压反应热），称为该物质B的标准摩尔生成焓。符号为,1.3 化学反应热效应的理论计算,任何一种稳定单质的标准摩尔生成焓等于零。,针对对象,标准摩尔生成焓,一个反应,一种物质B,m的意义,摩尔反应,1mol的物质B,标准摩尔反应焓变,例如：在298.15K时,使用标准摩尔生成焓时注意：,这是一个相对值，相对于稳定纯态单质，稳定纯态单质的标准摩尔生成焓等于零。,注明摩尔生成焓的温度，不写就是指298.15 K，该温度下的数值可查热力学数据表。,注明B物质的相态，同一物质而不同相态，其标准摩尔生成焓的值不等。,用标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓：

19、,1.3.2 化学反应焓变的计算,ni和nj分别为化学方程式中生成物和反应物的系数,计算下列反应在298.15K时的标准摩尔反应焓变。,解：,2(285.8 kJmol-1)+(393.5 kJmol-1)( 74.6kJmol-1) = 890.5 kJmol-1,74.6 393.5 285.8,=(1675.7 kJ.mol-1)0 kJ.mol-10 kJ.mol-1+(824.2kJ.mol-1) =851.5 kJ.mol-1,解,根据标准生成焓的数据，计算铝粉和三氧化二铁反应的焓变 。,2Al (s) Fe2O3 (s)Al2O3 (s) 2Fe (s),0 824.2 1675

20、.7 0,2. 热力学第一定律： U = Q + W,本章小结,4. 盖斯定律：,一、选择题 （1）在温度T的标准状态下，若已知反应A2B的标准摩尔反应焓rHm,1，与反应2AC的标准摩尔反应焓rHm,2，则反应C4B的摩尔反应焓rHm,3与rHm,1及rHm,2的关系为rHm,3 （ ） A. 2 rHm,1rHm,2 B. rHm,12rHm,2 rHm,1rHm,2 D. 2rHm,1rHm,2 （2）在标准条件下石墨燃烧反应的焓变为393.6 kJmol1，金刚石燃烧反应的焓变为395.6 kJmol1，则石墨转变成金刚石反应的焓变为： （ ） 789.3 kJmol1 B. 0 C. +2.0 kJmol1 D. 2.0 kJmol1,（3）反应 2HgO(s) = 2Hg(l)+ O2(g), =181.4 kJmol1, 则 (HgO,s) 为（ ） A. 90.7 kJmol1 B. 181.4 kJmol1 C. 90.7 kJmol1 D. 181.4 kJmol1 （4）下列物质中, 不等于零的是： （ ） A. Fe(s) B. C(石墨) C. Cl2 (l) D. Ne(g),