标准摩尔生成焓.ppt

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1、1,欢迎大家共同学习普通化学课程！,教材：普通化学 (第五版) 王明华 徐端钧 周永秋 张殊佳 修订 高等教育出版社，北京 出版年：2002,2,绪论,化学是一门既古老又年轻的科学。,化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。 化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学，主要是研究物质的分子转变规律的科学。 化学与物理一起属于自然科学的基础学科。,研究现状(2000年) 化合物2000万种 时间分辨率：1 fs 空间分辨率：0.1nm 分析所需最小量：10-13 g。,3,1 化学的定义与分支学科,化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构

2、和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学,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 若干新分支：环境化学、核化学等等,定义：,化学的分支学科,4,2 化学的地位和作用,化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一,化学继续推动材料科学发展,化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障,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,化学是生命科学的重要支柱,5,3 学习的目的、内容和要求,6,热化学与能源,第1章,7,学习要求： 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

3、、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。,8,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,9,1 .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

4、的分类,隔离系统无物质和能量交换,10,2 相,系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称为相。根据相的概念，系统可分为：,单相（均匀）系统 多相（不均匀）系统,相与相之间有明确的界面。,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。,11,3 状态与状态函数,状态就是系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之分。,如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。 状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。,12,状态函

5、数的性质,状态函数是状态的单值函数。 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。,13,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。结论是两个广度性质

6、的物理量的商是一个强度性质的物理量。,14,4 过程与途径,系统状态发生任何的变化称为过程；,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。,15,5 化学计量数,一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系， 通式为：,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

7、 + 2NH3,16,6 反应进度,反应进度 的定义：,反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关。,nB 为物质B的物质的量，d nB表示微小的变化量。或定义,思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？,17,1.1.2 反应热的测量,反应热指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。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,（等容）反应热可在弹式量热计中精确地测量。测

8、量反应热是热化学的重要研究内容。,18,1 反应热的实验测量方法,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：,由于完全反应， = n因此摩尔反应热：,图1.3 弹式量热计,19,示例,例1.1 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,20,2 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

9、应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态；,书写热化学方程式时应注意：,N2H4(l)+O2(g)=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。,21,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？。,不相同,22,1.2 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。

10、,23,1.2.1 热力学第一定律,封闭系统，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。,24,1 热力学能,系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平动、转动、振动以及电子运动和核运动。,思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在10000m高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上。两者的内能相同吗？,相同。,内能的特征： 状态函数 无绝对数值 广度性质,由于分子内部运动的相互作用十分复杂，因此目前尚无法测定内能的绝对数值。

11、,25,2 热,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。,热的符号规定： 系统吸热为正，系统放热为负。,热量q不是状态函数,26,3 功与体积功,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。,功的符号规定： （注意功符号的规定尚不统一） 系统得功为正，系统作功为负。,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 。,功w也不是状态函数,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 ,27,思考：水能

12、变油吗？,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,w 0,28,4 体积功w体的计算,等外压过程中，体积功 w体= p 外(V2 V1) = p外V,p外 = F / A，l = V / A2，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,29,5 理想气体的体积功,理想气体的定义：,气体分子不占有体积，气体分子之间的作用力为0的气态系统被称为理想气体。,理想气体的状态方程：,附例1.2 1 mol理想气体从始态100kPa, 22.4dm3

13、经等温恒外压p2 = 50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。,解：终态平衡时的体积为：,负值表示系统对外做功。,30,6.热力学能的组成部分和波谱分析概要*,(1)平动能 Ut：质点在三维空间的平动运动有关的能量。通常只有流体质点具有该能量。,(2)转动能Ur：质点环绕质心转动所具有的能量。单原子气体没有该能量。,(3)振动能 Uv：与分子或多原子离子中的组成原子间相对的往复运动有关的能量。物质具有零点震动能。,(4)电子能 Ue：原子核与电子之间的相互作用系统所具有的能量。它是化学反应中能量变化的主要部分。,以上形式的能量依次增大，且它们均是量子化的。,31,波谱分析概要*,利用物质发射或吸

14、收电磁辐射波来进行定性及定量分析的测试方法。 一般地，根据波长可进行定性分析； 根据波谱强度可进行定量分析。,图1.13 500 MHz核磁共振波谱仪,32,1. 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),思考：这两个公式有什么用处？,可以利用这两个公式计算反应热。,33,1 焓,

15、qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (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。,34,2 定容反应热与定压反应热的关系,已知定容反应热：qV = U； 定压反应热：qp = Up + p(V2 V1) 等温过程， Up UV，则：,对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气相

16、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,35,3 盖斯定律,化学反应的恒压或恒容反应热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

17、进行加减运算。,36,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。,解：,37,1.2.3 反应标准摩尔焓变的计算,1 热力学标准态：,38,2 标准摩尔生成焓,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）。,298.15K时的数据可以从手册上查到。,思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓(反应物和生成物都是标准态)?,(1) (2) (3),显然，标准态指定单质的标准生成焓为0。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。,39,3 标准摩尔焓变及测定,测定原理： 由于qp =H 所以

18、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,40,4 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时的标准摩尔反应焓.,41,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。,42,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；,43,附例1.4 设反应物和生成物均处于标准状态，计

19、算1mol乙炔完全燃烧放出的能量。,解：从手册查得298.15K时，各物质的标准摩尔生成焓如下。,44,1.3 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。,思考：能源对于人类的重要性，为什么能源科学被列为当今社会的三大支柱之一。,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。,45,1.3.1 世界能源的结构与能源危机,1.能源的分类,表1.2 能源的分类,46,2 世界能源的结构和消耗,图1.7 世界消耗的一次能源结构,47,3 能量消耗前六名的国家,图1.8 世界六国消耗的一次能源比例及总比例（占世界）,趋势（比例）： 石油

20、和天然气下降； 煤炭上升； 核电上升。,48,4 能源危机,本质：能量总量不变，质量衰退了，有序能下降。,思考：核能属于常规能源吗？,49,1.3.2 煤炭与洁煤技术,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，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原因。,50,1 煤炭的成分与热值,煤炭的主要成分：,碳、氢、氧；少量氮、硫、磷等。,51,2 洁净煤技术,洁净煤技术于1

21、986年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一。,合成汽油,(新型液态燃料),52,1.3.3 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）。,53,1 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

22、质量的一个重要指标是辛烷值。直馏汽油的辛烷值约为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。,54,2 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,思考：西气东送具有哪些重要意义？,55,3 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

23、气体称为沼气。,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。,生物质能的现代利用是将植物枝杆等在汽化炉中加压汽化制成可燃气体。,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？,56,4 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，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

24、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。,57,1.3.4 煤气和液化气,思考：与煤气相比，液化气有哪些优点？,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）。,58,1.4 清洁能源与可持续发展,思考1：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)？ 思考2：你认为伊拉克战争的深层次原因是什么？,1：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。,2：开放性的结论,1992年，联合国环境于发展大会上提出了

25、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。,59,1.4.1 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。,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。,60,1.4.2 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？

26、,经济的制备方法，安全高效的储运方法和有效地利用。,61,1 氢气的制取,太阳能光解,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。,62,2 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。,63,1.4.3 太阳能,太阳能是一种取之不尽、用之不竭的天然核聚变能。太阳能的利用不会引起环境

27、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,64,1 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？,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。,65,2 转

28、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。,66,3 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，

29、你有没有意识到你正在间接地利用太阳能？,67,选读材料 核能,核能的产生主要有两种方式，核裂变和核聚变。释放的能量用质能方程计算：,在中子的轰击作用下，较重原子核分裂成轻原子核的反应称为核裂变反应。,. 核燃料和核能的来源 核裂变反应,68,该反应损失质量m = 0.2118gmol-1，能量变化为：,此能量相当于634.5吨标准煤完全燃烧所释放的能量。,核裂变是链式反应，不加控制则可制造成原子 弹；如加以控制，例如使用慢化剂水，重水和石墨，则可建造成核电站。,69,图1.11 氢弹爆炸,太阳能就是氢的核聚变能，经计算1mol 聚变放出的能量为：,由于氢原子质量小，如折合成每g物质反应的热量，

30、 则氢聚变所释放是能量是相同质量的铀裂变能量的3倍多。,70,. 核电的优势与发展趋势,发展核能是必由之路 由其优势决定：高密度、清洁、经济、安全的能源。,核电的发展趋势 (1) 热堆的应用。应用广泛但燃料利用率很低；完善、智能化。 (2) 快堆的应用。核燃料利用充分，但工艺复杂，成本较高。加快研究和开发。,(3)可控热聚变堆。处于基础研究阶段，前景诱人。,71,图1.12 秦山核电厂外景,秦山核电站二期工程施工现场,鸟 瞰 一 期,72,本章小结,了解若干热力学基本概念（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; 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； 了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发展战略。,