普通化学五版浙江大学普通化学教研组.ppt

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1、首页上一页下一页末页 教材：普通化学 (第五版) 教师: 王一兵 学时：48(讲课40;实验8) 1 首页上一页下一页末页 绪论 1 、 化学的定义与分支 化学的定义一直颇有争议。 定义大体分为五类: 1.笼统式 2.具体式 3.微观式 4.扩张式 5.哲学式 2 首页上一页下一页末页 Fe + S = FeS（黑色） 化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构、 性能及其变化规律和变化过程中能量关系的学科.（教材） 无机化学：无机物 有机化学：碳氢化合物及衍生物 分析化学：测量和表征 物理化学：所有物质系统 高分子化学：高分子化合物 3 首页上一页下一页末页 化学是研究从原子，分子片，分子

2、，超分子，生物大 分子，到分子的各种不同尺度和不同复杂程度的聚集态的 合成和反应，分离和分析，结构和形态，物理性能和生物 活性及其规律和应用的科学。（徐光宪） 第一是原子层次的化学 第二是分子片层次的化学 第三是分子层次的化学 第四是超分子层次的化学 第五是生物分子层次的化学 第六是宏观聚集态的化学 第七是介观聚集态的化学 第八是复杂分子体系的化学 4 首页上一页下一页末页 化学发展史 四次革命 2 、化学的发展和作用 5 首页上一页下一页末页 波义耳1661年发表了“怀疑 派化学家”(The ScepticalChymist)，指出:“化 学不是为了炼金，也不是为了治 病，它应当从炼金术和医

3、学中分 离出来，成为一门独立的科学” 。波义耳极为崇尚实验，指出， “空谈毫无用途，一切来自实验 ”。他把严密的实验方法引入化 学研究，使化学成为一门实验科 学。 恩格斯的评价：“把化学确立为科学” 被誉为“化学之父”（墓碑语）。 6 首页上一页下一页末页 法国化学家拉瓦锡1783年出版名著“关于燃素的回顾”，提 出燃烧的氧化学说。 拉瓦锡1789年出版了“初等化学概论”，首次给元素下了一 个科学和清晰的定义：“元素是用任何方法都不能再分解的简单 物质”。以科学元素说取代了传统思辨的旧元素论。揭开了困惑 人类几千年的燃烧之谜，以批判统治化学界近百年的“燃素说” 为标志，发动了第二次化学革命，被

4、誉为“化学中的牛顿”。 7 首页上一页下一页末页 英国化学家道尔顿创立科学原子论(化学原子论) ，揭示了各种化学定律、化学现象的内在联系，成为 说明化学现象的统一理论，完成了化学领域内一次极 为重大的理论综合。有人称为近代化学史上的第三次 化学革命。 1803年，道尔顿提出了原子学说：元素是由非常 微小的、看不见的、不可再分割的原子组成；原子既 不能创造，不能毁灭，也不能转变，所以在一切化学 反应中都保持自己原有的性质；同一种元素的原子其 形状、质量及各种性质都相同，不同元素的原子的形 状、质量及各种性质则不相同，原子的质量（而不是 形状）是元素最基本的特征；不同元素的原子以简单 的数目比例相

5、结合，形成化合物。化合物的原子称为 复杂原子，它的质量等于其组合原子质量的和。 8 首页上一页下一页末页 1930年，美国化学家鲍林（L.Pauling， 19011994）和德国物理学家J.C.Slater（ 19001976）把量子力学处理氢分子的成果推 广到多原子分子体系，建立了价键理论（VBT ）。阐明了共价键的方向性和饱和性，指出了 由于原子轨道重叠方式不同而形成的键和 键这两种基本共价键类型。 9 首页上一页下一页末页 路甬祥: 21世纪科学技术将在四个层面上展开 1.研究物质结构极其运动规律 2.生命科学 3.地球及环境科学 4.对人脑及认知的研究 10 首页上一页下一页末页 学

6、习要求： 了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验 计算 方法 。 了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律 。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力 学能变的关系。 掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。 了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。 化 学 计算与 信息科学 物理学 数 学 天文学 地质与环 境科学 工程 科学 生命 科学 材料 科学 11 首页上一页下一页末页 化学是理论与应用并重的科学 化学 医药 卫生 军事 国防 衣、食、 住、行 资源利用， 环境保护 新能源冶金 信息电子 新材料 生物技术 12 首页上一页下一页末页 v 化学仍是解决食物短缺问

7、题的主要学 科之一 v 化学继续推动材料科学发展 v 化学是提高人类生存质量和生存安全 的有效保障 v 化学在能源和资源的合理开发和高效 安全利用中起关键作用 v 化学是生命科学的重要支柱 13 首页上一页下一页末页 3 学习的目的、内容和要求 学习目的 了解当代化学学科的概貌 用化学的观点分析、认识生活和工作中的化学问题 学习内容 理论化学：两条“主线” 应用化学： 化合物知识；化学在相关学科中的应用 实验化学 学习要求 辨证的思维 发展的眼光 实践的方法 14 首页上一页下一页末页 教学内容 课程内容结构体系 基础理论部分为重点讲授的内容，它由五部分组成： （1）化学反应基本规律：如热力学

8、第一定律、第二定律、 化学动力学、界面现象和胶体分散系统。 （2）溶液与离子平衡：化学平衡、相平衡、离子平衡、氧 化还原反应平衡和配位平衡，以及建立在平衡基础上 的常规化学分析原理。 （3）电化学与金属腐蚀：原电池、电极电势、电解、金属 的腐蚀及防止。 （4）物质结构基础：物质的聚集状态、原子结构、分子结 构和晶体结构、配合物结构。 （5）应用部分。 15 首页上一页下一页末页 C3H3 Clear head (清醒的头脑） Clever hands （灵巧的双手） Clean habit （清洁的习惯） 16 首页上一页下一页末页 第1章热化学与能源 热化学与能源 第1章 17 首页上一页下

9、一页末页 目录 1.1 反应热的测量 1.2 反应热的理论计算 1.3 常见能源及其有效与清洁利用 1.4 清洁能源与可持续发展 选读材料 核能 . 核燃料和核能的来源 . 核电的优势与发展趋势 本章小结 18 首页上一页下一页末页 教学基本要求 1.了解用弹式热量计测量等容热效应(qv)的原 理，熟悉qv的实验计算法。 2.了解状态函数的意义。了解化学反应中的焓 变在一般条件下的意义。理解等压热效应 (qp) 与反应中的焓变的关系。了解qv与反应中的 内能变的关系。初步掌握化学反应的标准摩 尔焓变的近似计算。 3.适当了解能源中的燃料燃烧反应的热效应。 19 首页上一页下一页末页 举例： 2

10、H2 + O2 = 2H2 O 298.15K、1atm下放出热量是- 483.6kJ/mol 1、在通常情况下能否发生。 2、如果不能，那么又需要在什么条件下才能 发生。 3、发生以后，反应能进行到什么程度，也就 是说结果如何。 上述问题就属于化学热力学范畴。化学热力学 就是研究在化学变化和物理变化中伴随发生 的能量转化和传递的学科。 20 首页上一页下一页末页 化学反应的方向 化学热力学 化学反应的程度 热化学：研究化学反应中热与其他能量变化的定量 关系的学科。（热量变化问题的学科） 测量化学反应的热效应 本章主要两部分内容 计算化学反应的热效应 热效应：化学反应时放出或吸收的热量。 21

11、 首页上一页下一页末页 1 .1 反应热的测量 系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。 环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和 空间。 开放系统 有物质和能量交换 封闭系统 只有能量交换 1.1.1 几个基本概念 1 系统与环境 图1.1 系统的分类 隔离系统 无物质和能量交换 22 首页上一页下一页末页 应用相的概念需区分： *相与聚集态不同； 2 相： 系统可分为: 单相（均 匀）系统；多相（不均匀）系统。 系统中任何物理和化学性质完全相同的部分。 *相数与物质种类数；*相与数量无关。 23 首页上一页下一页末页 a.相与相之间有明确的界面。 b.在界面处，从宏观看，性质改变是突跃

12、的。 思考： 1) .101.325kPa，273.15K(0C)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少 ? 2). CaCO3(s)分解为CaO (s)和CO2(g)并达到平 衡的系统中的相数? 3).Cu(s)+H2O+HNO3=CuNO3 + NO(g)相数？ 24 首页上一页下一页末页 3 状态与状态函数 状态函数 用于表示系统性质的物理量X 称状态函数，如气体的压 力p、体积V、温度T 等。 状态就是系统一切性质的总和。 状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或 全部变化。 25 首页上一页下一页末页 状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数。

13、当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的 始、末态有关，而与变化的实际途径无关。 图1.2 状态函数的性质 以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数 压力p和体积V的变化量与途径无关。 系统压力从3p变为p 26 首页上一页下一页末页 广度性质和强度性质 状态函数可分为两类： 广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等。 强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力 等。 思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强( 热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出什 么结论？ 推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？ 力和面积都是广度性质的物理量。结

14、论是两个广度性质 的物理量的商是一个强度性质的物理量。 27 首页上一页下一页末页 状态函数有两个特征： a. 系统的状态确定之后，每一状态函数都具有单一确 定的值，而不会具有多个不等的值。例: 系统状态 确定后，温度只能具有单一确定的值。 若测出某些易测的性质，就可以通过相互关联的数学 式计算难测的。这就是引进状态函数方便之处（ PV=nRT)。 b. 系统发生一个过程的前后，状态发生变化，状态 函数的值也可能发生变化，其改变的数值只取决于 系统的初、终状态，而与变化时体系所经历的具体 途径无关。 状态函数有特征，状态一定值一定，殊途同归 变化等，周而复始变化零。 28 首页上一页下一页末页

15、 4 过程与途径 系统状态发生任何的变化称为过程； 可逆过程 体系经过某一过程，由状态变到状态之后，如 果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样 的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平 衡条件下进行的过程。 实现一个过程的具体步骤称途径。 思考：过程与途径的区别。 设想如果你要把20 C的水烧开，要完成“水烧开”这个过 程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常压烧 ；也可以在高压锅中加压烧。 29 首页上一页下一页末页 5 化学计量数 对于任意一化学反应： aA+cC=dD+gG 或写成：0=dD+gG -aA-cC ACDG-化学式 acdg-化学计量数。 一般用化学反应计量方

16、程表示化学反应中质量 守恒关系， 通式为： 30 首页上一页下一页末页 B 称为B 的化学计量数。符号规定： 反应物： B为负；产物：B为正。 附例1.1 应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反 应计量方程式： N2 + 3H2 = 2NH3 解：用化学反应通式表示为： 0= - N2 - 3H2 + 2NH3 31 首页上一页下一页末页 6 反应进度（extent of reaction) 若反应前物质B的物质的量为nB(0),也是=0 时B的物质的量，反应时间T后B的物质的量为 nB（），也是=时的B的物质的量。这样，微 分后得定义式为： nB 为物质B的物质的量，d nB表示微小的

17、变化量。 =nB/B 对任一反应，有： nA/-A=nC/-C=nD/D=nG/G= 32 首页上一页下一页末页 可以看出随反应进行nB增大或减少，也逐渐增大或减少，所以反应 进度是表示反应进行程度的参数，由于是纯数，单位为摩尔。是 不同于“物质的量”的另一种新的物理量，但具有相同的量纲。未反应 时为零。 反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关 。 对于反映：N2(g)+3H2 (g)=2NH3(g) 若反应进行到反应进度=1mol时，按定义 nN2 /-1=nH2/-3=nNH3/2=1-0 nN2=-1mol；nH2=-3mol；nNH3=2mol 上述反应=1mol时的

18、含义为，该反应进行到这样的进度，消耗了1mol的 N2，3mol的H2，生成了2mol的NH3。若反应为： 1/2N2(g)+3/2H2 (g)=NH3(g)，有： nN2 /（-1/2）=nH2/（-3/2）=nNH3/1=1-0 33 首页上一页下一页末页 =1mol时的含义为，该反应进行到这样的进度，消耗了1/2mol的N2， NH33/2mol的H2，生成了1mol的NH3。显然的单位是对整个反应而言 ，n是对某一物质而言，与方程式写法有关。 注意：反应进度与反应方程式是对应的。反应进度为1的反应也称 为摩尔反应。 引入反应进度的优点是在反应进行到任何时刻时，可用任一反应物 或任一生成

19、物来表示反应进行的程度，所得的值总是相等的。 34 首页上一页下一页末页 1.1.2 反应热的测量 热化学规定：系统放热为负，系统吸热为正。 摩尔反应热指当反应进度为1 mol时系统放出或吸 收的热量。 思考：反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者的反应 条件是恒容，后者的反应条件是恒压。用弹式量热计测量的 反应热是定容反应热还是定压反应热？ 答：定容反应热 （定容）反应热可在弹式量热计中精确地测量。测量反应热 是热化学的重要研究内容。 35 首页上一页下一页末页 1 反应热的实验测量方法 图1.3 弹式量热计 1 ) 测量装置及原理 36 首页上一页下一页末页 37 首页上一页下一页末页

20、2).测量方法与步骤： 准确称量反应物(固态或液态）装入钢弹 内，通入氧气，密封; 将钢弹安放在一钢质容器中，向容器内加入 足够的已知质量的水，使钢弹淹没，钢弹与 环境绝热; 精确测定系统的起始温度(T1); 电火花引发反应，测量系统(包括钢弹及内 部物质、水和金属容器等)的终态温度(T2)。 38 首页上一页下一页末页 3).计算： 设有n mol物质完全反应，所放出 的热量使弹式量热计与恒温水浴的温 度从T1上升到T2，弹式量热计与恒温 水浴的热容为Cs(JK-1)， 比热容为 cs(JK-1kg-1 )，则： 39 首页上一页下一页末页 C叫做量热计常数（calorimeter cons

21、tant）为弹液(如水)和热量计部件(如 杯体，钢弹,温度计,搅拌棒和引燃丝等)热 容之和。 q-q(H2O)+qb -C(H2O)T+CbT -CT 40 首页上一页下一页末页 示例 例1.1（P13） 联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知： 解：燃烧0.5g联氨放热为 41 首页上一页下一页末页 2 热化学方程式 表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方 程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相 应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如： 标明反应温度、压力及反应物、生成物的 状态； 书写热化学方程式时应注意： N2H4(l)+O2(g)

22、=N2 (g) +2H2O (l)； 2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； 若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。 42 首页上一页下一页末页 反应热与反应式的化学计量数有关； 一般标注的是等压热效应qp。 思考：qp与qv相同吗？。 43 首页上一页下一页末页 1.2 反应热的理论计算 并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反 应： 2C(s) + O2(g) = 2CO(g) 思考：为什么上述反应的反应热无法实验测定？ 实验过程中无法控制生成产物完全是CO。 因此，只能用理论方法来计算反应热。 44 首页上一页下一页末页 1.2.1 热力学第一定律 封

23、闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸 收热q，从环境得功w，则系统内能的增加U (U2 U1)为： U = q + w 热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力 学中的的应用。 其中，内能现称为热力学能。 45 首页上一页下一页末页 1 热力学能 符号：U ， 单位：J。 U 是状态函数； 无绝对数值。 包括分子平动能、 分子振动能、分子 转动能、电子运 动能、核能等 即内能系统内部能量的总和。 46 首页上一页下一页末页 在物理或化学变化的过程中，系统与环境 存在温度差而交换的能量称为热。 符号：q ，单位：J；q不是状态函数； 系统吸热：q 0 ；系统放热：q 0。 48 首页上一页下一

24、页末页 在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热 以外的方式交换的能量都称为功。 由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为 体积功w体。所有其它的功统称为非体积功w 。 思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2) 钢瓶中；将理 想气体的温度提高20C时，是否做了体积功？ 1)做体积功，2)未做体积功。 w= w体+ w 49 首页上一页下一页末页 等外压过程中，体积功 w体= p 外(V2 V1) = p外V pp外 = F / A l p外 = F / A，l = V / A 因此，体积功 w体= F l = (p外 A) (V/A) = p外 V 图1.4 体积功示意图 50 首页上

25、一页下一页末页 设有摩尔气体放入汽缸内，下面有恒温器，在 恒温下进行。并设活塞无重量，与汽缸无摩擦。放 上4个砝码表示4个大气压，用以调节外压。通过两 个途径恒温膨胀。 甲：降为1个大气压，一次膨胀，乙3次。 W甲=-P外V=-V W乙=-（3V1+2V2+V3）=-（V+2V1+V2） =-（W甲+2V1+V2） 由此可见，系统始态和终态固定，一次膨胀所做的 功小于三次。功与途径有关，若外压无限小，多次 功（可逆）最大。 51 首页上一页下一页末页 热无序能；功有序能；能的品位不同。 一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q ，得功 w，变到状态2,热力学能U2，则有： U1 U2 q 0

26、w 0 U = q +w 4、热力学第一定律的数学表达式 52 首页上一页下一页末页 1. 2. 2 化学反应的反应热与焓 通常把反应物和生成物具有相同温度时，系统吸 收或放出的热量叫做反应热。 根据反应条件的不同，反应热又可分为： 定容反应热 恒容过程，体积功w体 = 0，不做非体积功 w =0时，所以 ， w= w体+ w =0 ，qV = U 定压反应热 恒压过程，不做非体积功时， w体= p(V2V1)，所以 qp = U + p(V2V1) 可以利用这两个公式计算反应热。 53 首页上一页下一页末页 1 焓 qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1)

27、 = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1) 公式qp =H 的意义： 等压热效应即为焓的增量，所以可以通过H的计算求出qP 的 值。 令 H = U + p V 则qp =H2 H1=H H 称为焓，是一个重要的热力学函数。 思考：焓是状态函数吗？能否知道它的绝对数值？ 是状态函数，但不能知道它的绝对数值。 54 首页上一页下一页末页 2 定容反应热与定压反应热的关系 已知定容反应热：qV = UV； 定压反应热：qp = Up + p(V2 V1) 等温过程， Up UV，则： qp qV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT 对于理想气体反应，有： 对于有凝聚

28、相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气 相来说，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体 的物质的量。 H U = qp qV = p(V2 V1) 思考：若反应 C(石墨) + O2(g) CO2(g) 的qp,m为393.5kJmol 1，则该反应的qV,m 为多少？ 该反应的n(g) = 0， qV = qp 所以对于没有气态物质参与的反应或n(g) 0的反应，qV qp 对于有气态物质参与的反应，且n(g)0的反应，qV qp =（nG+nD-nA-nC）RT 55 首页上一页下一页末页 因为=nB/B 所以nB=B 56 首页上一页下一页末页 3 盖斯定律 化学反应的恒压或恒容反应热

29、只与物质的始态或终 态有关而与变化的途径无关。 始态 C(石墨) + O2(g) 终态 CO2(g) 中间态 CO(g) + O2(g) 即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。 57 首页上一页下一页末页 盖斯定律示例 由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可 以加和。 附例1.3 已知反应和的反应焓， 计算的反应焓， 解： 58 首页上一页下一页末页 应用代数运算法时必须注意两点： 、只有条件（如温度）相同的反应和聚集状 态相同的同一物质，才能相加减。 反应条件、聚集状态相同的同一物质才能加减 。 、将方程式同乘或除一系数时，该反应热效 应也应同乘或除一系数。 方程式乘或除系数，

30、反应热效应也应同乘或除 。 59 首页上一页下一页末页 1.2.3 反应标准摩尔焓变的计算 1 热力学标准态： 气体物质的标准态：标准压力p =100kPa）下表 现出理想气体性质的纯气体状态 溶液中溶质B的标准态是:标准压力p 下，质量 摩尔浓度为b (1.0mol.kg-1),并表现出无限稀溶液 中溶质的状态; 本书采用近似c =1.0 mol.dm-3) 液体或固体的标准态是:标准压力p 下的纯液体 或纯固体。 60 首页上一页下一页末页 2 标准摩尔生成焓 水和离子的相对焓值：规定以水合氢离子的标准摩尔生成 焓为零。fHm0（H+，298.15）=0 思考：以下哪些反应的恒压反应热不是

31、生成焓(反应物和生 成物都是标准态)? (1) (2) (3) 标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质 时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作 指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如C： 石墨(s)；Hg：Hg(l) 等。但P为白磷(s)，即P（s，白）。 61 首页上一页下一页末页 3 标准摩尔焓变及测定 测定原理： 由于qp =H 所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件 下的反应热得到反应标准摩尔焓变. 标准状态下,反应进度 = 1mol的焓变称为反应 的标准摩尔焓变:记作 62 首页上一页下一页末页 4 反应的标准摩尔焓变的计算 稳定单质 可从手册数据计算298.15K时

32、的标准摩尔反应焓. 反应物 标准状态 生成物 标准状态 r Hm f Hm (p)f Hm (r) 由盖斯定律，得： 63 已知：fHm0（NH3，g,298.15）=-46.0kJ/mol fHm0（NO，g,298.15）=90.4 kJ/mol fHm0（H2O，g,298.15）=-241.8 kJ/mol 4NH3(g)+5O2(g) Hm 4NO(g)+6H2O (g) Hm 1 Hm2 2N2+6H2+5O2 Hm 1=5fHm (O2)+4 fHm0 （NH3）=4(-46.0)+50=-184.0 kJ/mol Hm 2=4 fHm0 (NO)+6 fHm0 （H20）=49

33、0.4+6(-241.8)=- 1089.2kJ/mol 由盖斯定律：Hm 1+Hm =Hm 2 Hm =Hm 2-Hm 1 =4fHm (NO)+6fHm（H20）-5fHm (O2)+4fHm（NH3） =-1089.2-（-184.0）=-905.2 kJ/mol 6464 首页上一页下一页末页 标准摩尔反应焓变计算示例 解：从手册查得298.15K时Fe2O3和Al2O3的标准摩 尔生成焓分别为824.2和1675.7kJmol-1。 例 试计算铝热剂点火反应的 反应计量式为： 65 首页上一页下一页末页 例3：计算反应 Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S)的 标准

34、摩尔焓变。 解： Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S) fHm/kJ.mol-1 0 64.77 -153.89 0 (-153.89)+0-0-64.77kJ.mol-1 -218.66 kJ.mol-1 66 首页上一页下一页末页 注意事项 物质的聚集状态，查表时仔细 应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时 需要注意 公式中化学计量数与反应方程式相符 数值与化学计量数的选配有关； 温度的影响 67 首页上一页下一页末页 复习：U = q + w U = qv （定容，w0） H = qp （定压，w0 ) 标准摩尔生成焓fHm 处于标准压力下的稳定单质生成标准压力

35、下 1mol纯物质的反应焓叫做物质的标准摩尔生成焓。 反应的标准摩尔焓变rHm 由标准摩尔生成焓计算反应的标准摩尔焓变公式为 68 首页上一页下一页末页 1-3 能源及其有效与清洁利用 能源是指能提供能量的源泉或资源。人类的文明 始于火的使用，燃烧现象是人类最早的化学实践之一 ，燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人类巧妙地 利用化学变化过程中所伴随的能量变化，创造了五光 十色的物质文明。 现代社会的生产和生活离不开能源。能源既是工 农业生产中必需的物质基础，也是人类赖以生存的物 质条件之一。随着社会的发展，能源供需之间将会出 现越来越尖锐的矛盾。因此，如何节约能源，研究和 发展利用新能源，就引

36、起了世界范围内极大的关注。 69 首页上一页下一页末页 1.3 常见能源及其有效与清洁利用 能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。 能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息 ）之一。 能源是我们赖以生存的重要物质基础。 70 首页上一页下一页末页 1.3.1 世界能源的结构与能源危机 1.能源的分类 一次能源二次能源 常规 能源 燃料能源 煤炭、石油、天然 气、生物质能 煤气、焦碳、成品燃 油、液化气、酒精 非燃料能源 水能电力、蒸汽、热水 新能源 燃料能源核能人工沼气、氢能 非燃料能源 太阳能、地热、风 能、海洋能 激光 利用 状况 使用 性质 形成条件 表1.2 能源的分类 71 首页

37、上一页下一页末页 2 能量消耗前六名的国家 美国中国俄罗斯日本德国印度 5 10 15 20 25 30 能源结构比例(占世界%) 国家 煤炭 石油 天然气 核能 水电 25.4 10.4 7.2 6.0 4.1 2.9 图1.8 世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界） 72 首页上一页下一页末页 2 世界能源的结构和消耗 195019601970198019902010 10 20 30 40 50 60 能源结构比例(%) 年代 图1.7 世界消耗的一次能源结构 煤炭 石油 天然气 水电及其它 73 首页上一页下一页末页 74 首页上一页下一页末页 1.3.2 煤炭与洁煤技术 煤炭的

38、成分与热值 煤炭的主要成分： 碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。 煤炭的热值： 单位质量或体积的燃料完全燃烧放出的热量。 标准煤的热值为29.3MJkg-1。 无烟煤：低硫，较好； 烟煤 ：高硫，燃烧环境污染； 褐煤：储量大，但热值低。 煤炭的分类： 75 首页上一页下一页末页 思考：我国能源结构的特点是什么？ 我国的能源结构中，煤炭占据重要地位：占总能量的 70%以上。此外，我国也是世界上煤炭储量最大的国 家之一，因此，如何高效、科学、清洁地利用煤炭资 源是我国能源科学和研究中的重要课题。 我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中的 硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中的二氧化硫是造成 酸雨的主要

39、原因。 76 首页上一页下一页末页 1.3.3 石油和天然气 石油 石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环 烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。 思考：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地 在哪儿？ 世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东 北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛 依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。 77 首页上一页下一页末页 1 石油燃料产品 石油经过分馏和裂解等加工过程后可得到石油气、汽油、煤 油、柴油、润滑油和沥青等产品。 思考：以上产品中最重要的是什么？ 汽油。 95%的汽油用于驱动汽车。衡量汽油质量的一个重要指标 是辛烷值。直馏

40、汽油的辛烷值约为5572之间，在汽油中加 入少量四乙基铅可以将辛烷值提高到7988，为了防止铅在 汽缸中沉积，加入少量二溴乙烷，使生成挥发性的溴化铅 ，与尾气一同排入大气。 思考：汽车尾气污染物是什么？如何解决？ 主要污染物：NO、CO、HC和含铅化物等。 解决方法：采用无铅汽油，对汽车尾气进行催化净化。 78 首页上一页下一页末页 2 天然气 天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷， 常与石油伴生。其热值约为55.6MJ kg-1。 天然气的优点： 可直接应用 易于管道输送 污染少 79 首页上一页下一页末页 3 沼气和生物质能 植物残体在隔绝空气的情况下发生自然分解时产 生的气体称为沼气

41、。 沼气约含60%的甲烷，其余为二氧化碳和少量的 CO、H2、H2S等。 思考：可用哪些原料制备沼气？如果你来自农村，你家 使用过沼气吗？ 农村一般用人畜粪便、杂草等制取沼气。 都是。沼气也属于生物质能。柴火是生物质能的直接利 用。 思考：沼气和柴火是生物质能吗？ 80 首页上一页下一页末页 光合作用是生命活动中的关键过程，植 物光合作用的简单过程如下： 植物 水 + 二氧化碳-有机体 + 氧 太阳能 生物质能的现代利用： 将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃 气体。 发电 81 首页上一页下一页末页 4 可燃冰未来的新能源 天然气被包进水分子中，在深海的低温高压下形成的透明 结晶，外形似冰

42、，用火柴一点就着，故称“可燃冰”。 CH4xH2O (s)。 形成条件：低温高压如0，76 MPa。 储量：数据相差较大。总量相当于161万亿吨煤， 可用100万年；是地球上煤、石油和天然气能量总 和的23倍。 分布：深水大陆架和陆地永久冻土带。我国东海 、南海有大量可燃冰，约相当于全国石油储量的 一半。 开采难，储量丰富。 82 首页上一页下一页末页 1.3.4 煤气和液化气 煤气 煤的合成气及炼焦气都是城市煤气。 来源于石油，主要成分为丙烷、丁烷等，炼油厂 的副产品。 液化气 煤气的组成 H2：50%；CO：15%；CH4：15%，热值约16MJ M-3 思考：与煤气相比，液化气有哪些优点

43、？ 无毒、低污染、热值高于煤气。 液化气作动力 绿色汽车 燃料电池（各国竞争发展） 。 83 首页上一页下一页末页 1.4 清洁能源与可持续发展 思考：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是 无限的(不考虑太阳的寿命)？ 矿物能源（煤炭和石油）是有限的，来自宇宙的 能源（如太阳能）和核能是无限的。 1992年，联合国环境于发展大会上提出了社会、经 济、人口、资源和环境协调发展的口号。能源作为最紧 缺的资源对人类社会的可持续发展起着关键的作用。 84 首页上一页下一页末页 1.4.1 能源开发与可持续发展 我国能源结构不合理，优质能源比重太小。必须合理开发 及进一步开发新能源，才能实现可持续发展

44、。 图1.9 治理前的热电厂 最有希望的清洁能源是氢能、太阳能以及核能和生物质能等。 可持续发展三原则：公平性、共同性和持续性。 85 首页上一页下一页末页 1.4.2 氢能 氢能是一种理想的二次清洁能源。 氢能的优点 热值高，其数值为142.9MJ kg-1。 燃烧反应速率快，功率高 原料是水，取之不尽 产物是水，不污染环境 思考：用氢作能源目前还存在一些问题，你认为是哪些 方面的问题？ 经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用 。 86 首页上一页下一页末页 1 氢气的制取 太阳能光解 电解 作为氯碱工业的副产品，是目前工业氢气的制备方法。 2NaCl + 2H2O Cl2 + H2

45、 + 2NaOH 电解 思考：用电解的方法大规模制取用作能源的氢气可行吗？ 从经济上考虑是不可行的。 利用太阳光的能量催化分解水得到氢气，最有前途的制 氢方法。是研究的热点。 87 首页上一页下一页末页 2 氢气的储运 氢气的密度小，且极难加压液化，因此氢气的储 存和运输是一个比较困难的问题。 合金贮氢法 原理：氢可以与某些合金在较高的压力下生成化合物 ，这些化合物在合适的条件下可以释放出氢气。如镧镍 合金： 开发研究贮氢合金材料是当今材料科学领域的 热门分支。 LaNi5 + 3H2 LaNi5H6 300kPa 加热 88 首页上一页下一页末页 1.4.3 太阳能 太阳能是一种取之不尽、用

46、之不竭的天然核聚变能 。太阳能的利用不会引起环境污染，不会破坏自然 生态。因此是人类最可靠、最有前景的能源形式。 思考：如何利用太阳能？ 太阳能的利用方法是将太阳能转换为更方便使用的能量形 式，主要有以下三种： 转换为热能 转换为电能 转换为化学能 图1.10 太阳能电池 89 首页上一页下一页末页 1 转换为热能 思考：太阳能热水器的工作原理？ 太阳能热水器是目前广泛利用太阳能最典型的一个例子 。其原理就是将太阳能转换为热能，是目前直接利用太 阳能的最主要方式。 将光能转换为热能的关键是吸收材料，一般选用 黑色、表面粗糙的材料以减少反射，增加对光子 的有效吸收。 思考：太阳光能的缺点是什么？

47、 1、能量密度低，因此设备的表面积必须很大。 2、对天气的依赖性强。 90 首页上一页下一页末页 2 转换为电能 思考：你能举出光能转换为电能的例子吗？ 光电池是人们最感兴趣的将光能转换为电能的一 种设备。当光照射到一些半导体材料上时，半导 体材料中的电子就可以吸收光子而跃迁到导带并 产生电动势。 光电池在收音机、计算器、汽车、飞机、人造卫 星等航天器的仪表等方面已经有广泛的应用。 91 首页上一页下一页末页 3 转换为化学能 植物能够从空气中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太阳 能进行光合作用合成碳水化合物而以化学能的形式储存能 量。 思考：你能举出一些将光能转换为化学能的例子 吗？ 太阳能光解制氢是近几年的热门研究课题。这是 将太阳能转换为化学能的一种最有效的方法。 模拟光合作用也是各国科学家感兴趣的课题。 思考：如果你烧过柴火，你有没有意识到你正在间接地 利用太阳能？ 92 首页上一页下一页末页 本章小结 v掌握热力学基本概念（如状态函数、热力学标准态 、反应进度、焓等）和定容热效应q的测定; v理解热化学定律及其应用；掌握反应的标准摩尔焓 变的近似计算； v了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发展 战略。 93