第一章化学反应中的质量和能量关系

化学是研究物质的组成、结构、性质及化学反应的科学。因此,化学是材料科学的基础之一.从更广泛的角度来讲,研究和应用化学的水平将对社会生产力发展和人民生活质量提高起着关键作用。1、化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一化肥、饲料、农药、塑料薄膜，以及食品储存加工方法2、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燃料转化技术、开发新能源3、化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障材料科学、药物化学、环境化学等①增加常识：如能源问题、环境问题等，以及常见分子的结构。学习无机化学的目的：②培养科学素养：从基本化学反应热的事实入手，如何建立化学热力学。C(C(石墨石墨)+O)+O22(g)(g)→→COCO22(g)(g)QQpp==––393.5kJ/mol393.5kJ/mol化学热力学的用途：计算出任意化学反应的反应热；反应能否自发进行；自发进行的限度；通过电化学的相关内容，把理论与实际结合起来。固、液、气体，怎么提炼出共性问题进行研究。普通化学，同济大学编北京：高等教育出版社，2004．7第十一章现代化学应用讲座推荐书籍大学化学教程：原理应用领沿，丁廷帧，高等教育出版社，2003．7下篇：介绍等离子体化学、小分子活化、超分子化学、单分子科学和化学、电化学电容器——新储能装置、分离膜——环保技术新星、飞秒化学、可燃冰——天然气水合物、绿色化学、碳纳米管和软物质等30个专题。科学教育的内涵:学习过去的几百年里科学家对自然世界运转方式的发现。学习如何像一个科学家那样解决问题，使用证据、运用逻辑，真正理解科学过程是如何进行的。物质的聚集体物质在一定的温度和压力所处的相对稳定的状态，称为物质的聚集（状）态，它们构成的系统称为聚集体。物质一般有三个聚集态（为固、液、气态）。等离子态为气态，但带电荷，1.2化学中的计量物质发生化学反应时通常伴随质量和能量变化。例：24.3克镁条在空气中燃烧，不仅发出耀眼的白光，释放热量，而且最后生成40.3克氧化镁。从更普遍的角度出发，需要研究它们表示方法，再研究变化规律相对分子质量：就是元素的平均原子质量与12C原子质量的1/12之比。物质的量实质的计量单位是“个”，但个的数值太小，与宏观相联系时，采用6.023×1023个作为一个单位，即1mol。这个单位可以指原子、分子、离子，但要注意指明具体的物质。这个单位可以有分数或小数。溶液浓度的表示方法1B的质量分数：如7wt%BABmmm2B的摩尔浓度：cB=BVn单位：mol·L-3wB=溶液浓度的表示方法4物质B的物质的量分数(摩尔分数)：xB=BABnnn6物质B的质量浓度(密度)：dB=BmV单位:kg·m-31.2.5气体的计量理想气体：1、分子之间的距离大；2、分子本身的体积和作用力可以忽略。理想气体状态方程：pV=nRTR=8.314J·mol-1·k-1实际气体在压力低、温度高的情况下接近理想气体，可以用该方程来处理。气体的分压对于多组分的气体混合物，其中某一组分气体B对器壁所施加的压力称为该气体的分压（PB)，等于相同温度下该气体单独占有该体积时的压力。混合气体的总压力等于各组分气体的分压之和。p=∑pBpBV=nBRTpV=nRT组分气体B和混合气体的物质的量分别为nB和n，它们的分压为：pnnBPnnPPBBBpnnPnnPPBBBB该公式表明：气体B的分压实质上是一个浓度的概念。解（1）n（CO2）=m（CO2）/M（CO2）=5.00/44.01=0.114molp（CO2）=n（CO2）RT/V=0.114×8.314×303.15/0.01=2.87×104Pa22页-6例30℃下，在一个容积为10.0L的容器中，O2、N2、与CO2混合气体的总压力为93.3kPa，其中p（O2）为26.7kPa,CO2的含量为5.00g,求（1）容器中CO2的分压；（2）N2的分压；（3）O2的摩尔分数。（2）p（N2）=p－p（O2）－p（CO2）=（9.33－2.67－2.87）×104=3.79×104Pa（3）n（O2）/n=p（O2）/p=2.67/9.33=0.2861.2.6化学计量混合物和非化学计量化合物是具有确定组成，而且各种元素的原子数目互成简单整数比的化合物，又称整比化合物。非化学计量化合物的原子偏离整数比，而且组成可在一个较小的范围内变动，又保持结构基本不变，又称非整比化合物。现代许多新材料属于这类化合物。0=－aA－bB＋yY+zZ即0=ΣυBB计量系数υB，其中反应物取“－”，产物取“+”，这与随反应的进行，反应物减少，产物增加相一致。对任一化学反应：aA+bB=yY+zZ移项得：B表示反应中任意的物质，υB是B的化学计量数。这就是化学计量式的通式。1.3.2化学计量数和反应进度合成氨的反应写成N2(g)+3H2(g)==2NH3(g)时υ(N2)=－1；υ(H2)=－3；υ(NH3)=2化学计量数只表示当按计量反应式反应时各物质转化的比例数，与反应式的写法有关。若写成½N2(g)+3/2H2(g)==NH3(g)则υ(N2)=－½,υ(H2)=－3/2,υ(NH3)=1对于其逆反应，氨分解反应，写成下面的形式0=N2(g)+3H2(g)-2NH3(g)υ(N2)=1,υ(H2)=3,υ(NH3)=-2AnBnYnZnt=0nAnBnYnZt=t化学反应进度（，读“克赛”），单位为摩尔（mol）描述化学反应进行的程度。BBdndBBnaA+bB=yY+zZ反应进度ξ对于一般化学反应式的定义为：BBdnd用反应进度ξ表示一个化学反应进行的程度，最大的优点是：无论进行到任意时刻，采用任意一个反应物或产物，所得得数值都是一样的。化学计量式为0=ΣυBB下面以合成氨反应举例gNH2gH3gN322t0时nB/mol3.010.000t1时nB/mol2.07.02.0t2时nB/mol1.55.53.012mol0.11mol)0.30.2(NN2211nmol5.12mol0.12mol)00.2(NHNH3311nmol0.13mol)0.100.7(HH2211n反应进度必须对应具体的反应方程式。gNHgH23gN21322mol0.22/1mol)0.30.2(22NN'1n时1tt2.07.02.0(mol)3.010.00(mol)0t•ξ=0，反应还未进行。•ξ=1mol,则反应完全按方程化学反应计量数进行，即amolA与bmolB反应物完全作用生成ymolY和zmolZ产物，这时的反应进度为1mol，简称摩尔反应。aA+bB=yY+zZ1基本概念和术语在热力学中，为了明确讨论或研究的对象，常常将所研究的一部分物质或空间与其余的物质和空间分开，就构成体系（又称物系、系统）1.4化学反应中的能量关系系统可以是实际存在的，也可以是想象的。系统与环境间的界面可以是真实的界面，也可以是虚构的界面。与系统相联系的其他部分称为环境，即体系外与其密切相关的部分。敞开体系：与环境有物质交换也有能量交换。封闭体系：与环境无物质交换有能量交换。孤立体系：与环境无物质、能量交换。体系的分类状态函数：描述系统性质的物理量。(p,V,T)状态一定,状态函数一定。状态函数的变化只与始态、终态有关,而与变化途径无关。始态终态（Ⅰ）（Ⅱ）系统可以用一系列物理量来描述其状态，系统的状态是这些性质（物理量）的综合表现。3热和功系统与环境之间由于存在温差而传递的能量。1.热(Q)热不是状态函数。规定：系统吸热：Q0；系统放热：Q0。系统与环境之间除热之外以其它形式传递的能量。lFWex非体积功的概念pexV1l体积功：系统对环境做功，W0（失功）环境对系统做功，W0（得功）2.功(W)规定：Vpex12exVVplApex系统对环境做功，即封闭系统膨胀（从V1到V2），因为系统失去能量，w应为负值。膨胀时，W=P（V2－V1）＞0，∴W=－P（V2－V1）同理，环境对系统做功，系统得功，q应为正值。∴W=－P（V2－V1）体积功的表达式为：W=－P（V2－V1）功不是状态函数热力学能热力学能(U)：系统内所含的全部能量，也称内能。U是状态函数。UUU12热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径无关。热力学能是状态函数，用符号U表示，它的绝对值无法测定，只能求出它的变化值。对孤立体系,△U=05热力学第一定律(能量守衡定律)WQU对于封闭系统热力学第一定律为：U1U2QWU2=U1+Q+W∴U2-U1=Q+W实质为U系统＋U环境=常数3一个体系从同一个始态到同一个终态，可以经历不同的途径。Q、W数值可能不同，但代数和相同，即热力学能的变化都是相同的。1.说明了热力学能、热、功可以相互转化，以及转化时的数量关系。2功和热都是能量的传递形式，而不是体系自身的属性，因此它不是状态函数。WQU系统和环境之间的热交换不是状态函数，其大小与过程有关，但是在某些特定条件，某一特定过程的热量却可以变成一定值，此定值仅仅取决于系统的始态和终态。恒压反应热(焓)恒压、只做体积功时：ΔU=Qp-pΔV∴Qp=（U2+p2V2）-（U1+p1V1）U+PV是体系性质的组合，必然随体系的状态而定，所以U+PV像内能一样，亦是一个状态函数，仅仅取决于始态和终态，我们将其组合定义为焓，用H表示。因此，焓的定义式为：HUPV焓的物理意义为：在没有非体积功的恒压过程中，体系所吸收的热等于体系焓的增加。△H单位J。焓是状态函数。定压：定义焓H=U+pV，ΔH=Qp12HHH热化学方程式表示化学反应及其反应热关系的化学反应方程式。2H2(g)+O2(g)2H2O(g)Qp=ΔH=-483.64kJ·mol-1在始态、终态温度都是298.15K，而且恒压的条件下：该反应为放热反应。•化学计量数不同时，反应热也不同。298.15K时ΔH(H2O,g)=-241.82kJ·mol-1H2(g)+O2(g)H2O(g)21ΔH(H2O，l)=－285.83kJ·mol正、逆反应的绝对值相同，符号相反。因为热效应的数值与体系的状态有关，所以方程式中应该：①注明反应的条件温度、压力；②要注明各物质的聚集状态（l、g、s）以及晶型。思考：是否只有恒压过程体系才有焓值的改变？上面的讨论说明在特定条件下Q和△U或△H的关系，也就是说通过热量的测定，就可以确定恒压过程的△H，而不是说只只有恒压过程才有△H。☻热力学能△U变化和焓变ΔH的关系已知：定容反应热：QV=ΔU；定压反应热：Qp=ΔU+p(V2–V1)=ΔH则：Qp–QV=p(V2–V1)=ΔH–ΔUQp–QV=p(V2–V1)=n2(g)RT–n1(g)RT=Δn(g)RT对于理想气体反应，有：△U=△H－△nRT2H2(g)+O2(g)2H2O(g)△n=2-3=-1C(s)+O2(g)=CO2(g)△n=1-1=0固体、液体的n都认为是0解：△H=Qp=－89.5kJ△U=△H－△nRT=－89.5－（3－0）×8.314×298.15/1000=－96.9kJ23页-12在一敞口试管内加热氯化钾晶体，发生下列反应：2KClO3=2KCl+3O2并放出89.5kJ的热量（298.15K）。求298.15K时该反应的△H和△U。反应的摩尔焓变rHmBBB0在一定条件下，化学反应反应的摩尔热力学能变rUmnUξUUBmrnHξHHBmr3、赫斯定律（Hess’slaw）1840年，根据大量的实验事实赫斯提出了一个定律：不管反应是一步完成的，还是分几步完成的，其反应热相同。反应的热效应只与起始和终了状态有关，与变化途径无关。即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算，只要确定了