工程化学基础B课件

1工程化学基础A岳彩波E-mail:[e-mail]@pku.edu.cnTel:13956238464(0)187013543582绪论1.化学与科学技术1.1科学技术1.2化学1.3工程化学基础3系统(System)：研究的对象称为系统。环境(Surroundings)：系统以外与系统有关的其他物质。2.1系统与环境例如：2几个基本概念4系统与环境之间常进行着物质和能量的交换，根据交换情况的不同通常可分为三种类型：敞开（开放）系统：系统与环境之间既有物质的交换，又有能量的传递；封闭（密闭）系统：系统与环境之间只有能量的传递，没有物质的交换；孤立（隔离）系统：系统与环境之间既无物质的交换，又无能量的传递。5敞开系统封闭系统孤立系统62.2相(phase)：系统中任何具有相同的物理性质和化学性质并与其它部分有明确界面分隔开来的任何均匀部分。只含一相的系统称为单相（均相）系统。空气酒精和水7两相和两相以上的系统称为多相系统。煤油和水碘化银沉淀8(1)同一物质可因不同的聚集状态而形成不同的相。如：水、蒸气、冰为不同的相。(2)一个相并不一定是一种物质。如：空气或溶液。(3)聚集状态相同的物质放在一起，并不一定是单相系统。如：水和油。92.3化学反应计量式化学反应计量式：BBB0—物质B的化学计量数，无量纲BZYBA0zybaZYBAzybaνA=-a，νB=-b，νY=y，νZ=z。102.4物质的量(mol，用n来表示)基本单元：构成物质的量的微观粒子。基本单元可以是分子、原子、离子、中子、质子等单一粒子，也可以是这些粒子的特定组合。比如：分子：H2O、O2、H2、O3原子：C、N、O离子：Cl-、I-、H+、MnO4-特定组合：(H2+1/2O2)、Fe0.9S、1/5MnO4-2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)H2(g)+1/2O2(g)→H2O(g)11(1)使用摩尔单位时必须指明基本单元。(2)基本单元通常使用化学式来表示。122.5反应进度ZYBAzyba反应进度：表示化学反应程度的物理量，符号为ξ。BBBBB)0()(ntnn单位是mol13gNH2gH3gN322t0时nB/mol3.010.000t1时nB/mol2.07.02.02mol0.11mol)0.30.2(NN2211nmol5.12mol0.12mol)00.2(NHNH3311nmol0.13mol)0.100.7(HH2211n1t2时nB/mol1.55.53.014gNHgH23gN21322mol0.22/1mol)0.30.2(22NN'1n时1tt2.07.02.0(mol)3.010.00(mol)0t15(1)反应进度永为正值。(2)反应进度必须对应具体的反应方程式。16第1章热化学与能源1.1几个基本概念1.1.1状态与状态函数(1)状态：系统宏观性质的综合表现。如：始态、终态。(2)状态函数：描述系统性质的物理量。(p,V,T)特点：①状态一定，状态函数一定。②当系统状态发生变化时，状态函数的变化值只与始态、终态有关，而与变化途径无关。171.1.2过程、途径与可逆过程(1)过程：系统从始态到终态发生的一系列变化。定温过程：始态、终态温度相等，并且过程中始终保持这个温度。T1=T2定压过程：始态、终态压力相等，并且过程中始终保持这个压力。p1=p2定容过程：始态、终态容积相等，并且过程中始终保持这个容积。V1=V2(2)途径：系统由始态到终态所经历的全部过程的总和。*两者区别如同位移与路程18(3)可逆过程：系统复原时，环境亦复原的过程。需要注意：•a、可逆过程是一种理想化的过程。•b、可逆过程是在系统接近于平衡状态下发生的无限缓慢过程。•c、可逆过程具有重要的理论与现实意义。状态I状态Ⅱ环境191.2反应热的理论计算1.2.1热力学第一定律(能量守恒与转化定律)a、汉字表达：1)热能可以从一个物体传递给另一个物体，也可以与机械能或其他能量相互转换，在传递和转换过程中，能量的总值不变。2)热能可以转变为功，功可以转变为热；消耗一定的功必产生一定的热，一定的热消失时，也必产生一定的功。b、数学表达式：ΔU=q+w(密闭系统)其中：ΔU=U终态-U始态201.2.2热力学能U(内能)a、定义：系统内部各种形式能量的总和，包括分子动能、势能及电子运动的能量等等。b、特点：1)热力学能属于状态函数，具有状态函数的特征(①状态一定，其值一定；②殊途同归，值变相等；③周而复始，值变为零)2)U的数值只与温度、质量有关；3)无法也没有必要确定热力学能的绝对值，只涉及其变化量ΔU。4)单位：焦耳(J)211.2.3热q(反应热)a、定义：系统与环境之间由于温度差而交换的能量。b、特点：1)热不属于状态函数，不能说某某含有多少热；2)热的数值有正、负之分，表示热传递的方向：正值表示系统吸热；负值表示系统放热(以系统为研究对象）3)单位：焦耳(J)221.2.4功wa、定义：系统与环境之间除热以外的其他形式传递的能量。b、特点：1)功不属于状态函数；2)功分为体积功和非体积功。体积功:在一定外压下，由于系统的体积发生变化而与环境交换的功。例:等压p下：w=-pΔV=-p(V2-V1)3)功的数值有正、负之分：正值表示系统得功；负值表示系统失功或系统对外做功(以系统为研究对象）4)单位：焦耳(J)231.2.5反应热与焓1、反应热类型：a、定容反应热(qV)：b、定压反应热(qp)：ΔU=w+qq=qVw=∫pdvdv=0w=0qVΔU=ΔU=w+qq=qpΔU=U2-U1w=-p(V2-V1)qp=(U2+pV2)-(U1+pV1)令U+pV=Hqp=H2-H1=ΔH242、焓与焓变(H，ΔH，ΔrH)特点：1)焓属于状态函数；2)ΔH的数值有正、负之分：正号表示系统吸热，吸热反应；负号表示系统放热，放热反应；3)对于化学反应，其焓变写为ΔrH；4)焓只是温度的函数，只与温度有关；5)单位：焦耳(J)3、qp与qV之间的关系讨论：a、对于固体、液体：ΔH-ΔUV=(ΔUp+pΔV)-ΔUVqp-qV=ΔUpΔUV≈=pΔVΔV=0qp-qV=pΔVqp=qV真实气体、液体和固体近似认为理想气体25b、气体参与：ΔV=()BnBgRTpΔV=()BnBgRTpqp-qV=()BnBgRTqp-qV=pΔVΔn(B)=Bqp-qV=()BBgRTqp/=qp,mqV,mqV/=()BBgRTqp,m-qV,m=ΔrHm-ΔrUm()BBgRT=注：△rHm为摩尔反应焓变重要结论：判断一个化学反应的qp与qV大小，首先看方程式中有无气体产生或消耗，然后比较方程式两边气体计量数总和的大小。261.2.6盖斯定律a、基本内容：在恒容或恒压条件下，化学反应的反应热只与反应的始态和终态有关，而与变化的途径无关。(定压或定容条件下的任意化学反应，在不做其它功时，不论是一步完成的还是几步完成的，其热效应总是相同的)b、应用举例：方程式组合计算：例：已知：反应C(s)+O2(g)→CO2(g)△rHm=-393.5kJ∙mol-1(1)CO(g)+1/2O2(g)→CO2(g)△rHm=-282.8kJ∙mol-1(2)求：C(s)+1/2O2(g)→CO2(g)△rHm271.2.7标准摩尔焓变(△rHmθ(T))的计算a、标准状态：气体：任意温度T，标准压力pθ=100kPa下纯气体；液体：任意温度T，标准压力pθ下纯液体；固体：任意温度T，标准压力pθ下纯固体；溶液：任意温度T，标准压力pθ，标准浓度Cθ=1mol∙L-1下的溶液；(选定温度T=25℃)b、标准摩尔生成焓(ΔfHmθ(B(相态)，T))：在标准状态下，由指定单质生成单位物质的量的纯物质时反应的焓变。指定单质：选定温度T和标准压力时的最稳定单质。例如：碳C(石墨)、磷P(白磷)、硫S(正交硫)规定：指定单质的标准摩尔生成焓等于零。如：ΔfHmθ(O2(g)，298.15K)=0ΔfHmθ(石墨(s)，298.15K)=0ΔfHmθ(金刚石(s)，298.15K)=1.8966kJ∙mol-1282.1化学反应的方向和吉布斯函数变2.2化学反应进行的程度和化学平衡2.3化学反应速率第2章化学反应的基本原理292.2.1影响反应方向的因素a、自发反应：在给定条件下，不需要外力作用下能自动进行的反应。例：不靠外力帮助，下面哪些过程可自动发生?A.石头从山顶向下滚到山脚。B.石头从山脚向上滚到山顶。C.高温物体将热传递给低温物体。D.低温物体将热传递给高温物体。结论：凡是自发反应均是使系统向能量降低的方向进行。2.1化学反应的方向和吉布斯函数变30b、反应焓变例1、放热反应：H2(g)+1/2O2(g)H2O(l)(298K)=-285.83kJ·mol-1rHm△H+(aq)+OH-(aq)H2O(l)(298K)=-55.84kJ·mol-1rHm△例2、吸热反应：N2O5(g)N2O3(g)+O2(g)=72.4kJ·mol-1rHm△C100H2O(l)H2O(g)=44.0kJ·mol-1rHm△结论：不能仅用反应焓变来判断一个反应是否是自发反应31c、反应熵变1)熵定义：反映系统内部微观粒子混乱程度的物理量，用S表示。例：一把排列整齐的火柴，随手一抛，会乱七八糟地撒开。一滴墨水滴入水中会自动散开。结论：系统总是趋向于取得最大的混乱度，即总是向着熵增大的方向进行。2)特点：①熵属于状态函数；②在隔离系统中发生的自发反应必伴随着熵的增加(热力学第二定律)③在绝度零度时，一切纯物质的完美晶体的熵值等于零(热力学第三定律)④熵大小的比较：a)同一物质，不同相态：S(g)S(l)S(s)；b)同一物质，同一相态：S(相态，T1)S(相态，T2)(T1T2)；32c)同一状态和温度，不同物质：S复杂S简单；d)S混合物，溶液S纯物质；e)导致气体分子数增加的反应总伴随着熵值增加。3)熵的类型①规定熵：物质从绝对零度上升到某一温度时的熵值大小，记为S(T)。②标准摩尔熵(Smθ(T))：单位物质的量的纯物质在标准状态下的规定熵。单位为：J∙mol-1∙K-1注意：a、指定单质的标准摩尔熵不等于零，而标准摩尔生成焓等于零。b、标准摩尔熵的单位为J∙mol-1∙K-1，而标准摩尔反应焓变为kJ∙mol-1。c、T=298.15K时的标准摩尔熵值可以从附录中查的。③标准摩尔反应熵变：在标准状态下，反应进度为1mol时的熵值变化量，记为△rSmθ(T)。△rSmθ(T)≈△rSmθ(298.15K)4)标准摩尔反应熵的计算△rSmθ(T)=例题见Word文档,BmBBS33d、吉布斯函数1)吉布斯函数定义：G=H-TS2)特点：①吉布斯函数属于状态函数；②等温过程：△G=△H-T△S③变型：△G=△H-T△S△rG=△rH-T△rS△rGm=△rHm-T△rSm△rGmθ=△rHmθ-T△rSmθ3)用途：①自发性及反应方向的判断(恒温、恒压，不做非体积功):△G0自发过程，过程能正方向进行△G=0平衡状态△G0非自发过程，过程能逆方向进行注意：△G与△rG、△rGm、△rGmθ使用条件②转变温度Tc的计算(△H、△S同号时)Tc=△H/△S344)△G与△Gθ之间的关系△G=△Gθ+RTlnQ其中：Q==例：Aa(l)+bB(aq)=gG(s)+dD(g)Q=5)△rGm(T)的计算①△rGmθ(298.15K)的计算a、标准摩尔生成吉布斯函数(△fGmθ)：在标准状态时，由指定单质生成单位物质的量的纯物质时反