化学反应热效应.ppt
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1、关于化学反应热效应关于化学反应热效应1现在学习的是第1页,共70页绪绪 论论化学是一门既古老又年轻的科学。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,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。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。化学与物理一起属于自然科学的基础学科。研究现状研究现状(2000年年)化合物化
2、合物2000万种万种时间分辨率:时间分辨率:1 fs空间分辨率:空间分辨率:0.1nm0.1nm分析所需最小量:分析所需最小量:10-13ug10-13ug。2现在学习的是第2页,共70页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、结构和性质及化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学其变化规律和变化过程中能量关系的科学无机化学:无机物无机化学:无机物有机化学:有机化学:碳氢化合物及衍碳氢化合物及衍生物生物分析化学:测量和表征分析化学:测量和表征定义:定义:化学的分支学科化学的分支学科物理化学:所有物质系统物理化学:所有物质系统高分
3、子化学:高分子化合物高分子化学:高分子化合物若干新分支:环境化学、核化若干新分支:环境化学、核化学等等学等等3现在学习的是第3页,共70页2-2-(乙酰氧基)苯甲酸。(乙酰氧基)苯甲酸。分子式:分子式:C C9 9H H8 8O O4 4分子量:分子量:180.16 180.16 阿司匹林阿司匹林AspirinTablets4现在学习的是第4页,共70页三嗪类含氮杂环有机化合物,重要的氮杂环有机化工原料。三嗪类含氮杂环有机化合物,重要的氮杂环有机化工原料。简称三胺,又叫简称三胺,又叫2,4,6-2,4,6-三氨基三氨基-1,3,5-1,3,5-三嗪、蜜胺、氰尿三嗪、蜜胺、氰尿酰胺、三聚氰酰胺,
4、分子式酰胺、三聚氰酰胺,分子式C C3 3N N6 6H H6 6、C C3 3N N3 3(NH(NH2 2)3 3,分子量,分子量126.12 126.12 三聚氰胺三聚氰胺(Melamine)5现在学习的是第5页,共70页化学的地位和作用v化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一v化学继续推动材料科学发展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起关键作用v化学是生命科学的重要支柱化学是生命
5、科学的重要支柱6现在学习的是第6页,共70页学习的目的、内容和要求学习的目的、内容和要求了解当代化学学科的概貌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学习内容 理论化学:两条理论化学:两条“主线主线”应用化学:应用化学:化合物知识;化合物知识;化学在相关学科中的应用化学在相关学科中的应用 实验化学实验化学学习要求学习要求 辨证的思维辨证的思维 发展的眼光发展的眼光 实践的方法实践的方法学习目的学习目的7现在学习的是第7页,共70页学习要求学习要求:了解定容热效应了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉的测量原理。熟悉q
6、v的实验的实验 计算计算 方法。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。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。的关系。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。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。了解能源的概况,燃料的热值和可持续发展战略。第第1 1章章 热化学与能源热化学与能源8现在学习的是第8页,共70页目录目录l1.1 1.1 反应热的测量反应热的测量l1.2 1.2 反应热的理论计算反应热的理论计算l1.3 1
7、.3 常见能源及其有效与清洁利用常见能源及其有效与清洁利用l1.4 1.4 清洁能源与可持续发展清洁能源与可持续发展l选读材料选读材料 核能核能l.核燃料和核能的来源核燃料和核能的来源l.核电的优势与发展趋势核电的优势与发展趋势l本章小结本章小结9现在学习的是第9页,共70页1.1 1.1 反应热的测量反应热的测量系统:作为研究对象的那一部分物质和空间。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环境:系统之外,与系统密切联系的其它物质和 空间。空间。开放系统开放系统有物质和能量交换有物质和能量交换封闭系统封闭系统只有能量交换只有能量交换1.1.1 几个基
8、本概念几个基本概念1 系统与环境系统与环境图1.1 系统的分类隔离系统隔离系统无物质和能量交换无物质和能量交换10现在学习的是第10页,共70页2 2 相相系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称为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:相。根据相的概念,系统可分为:单相(均匀)系统单相(均匀)系统多相(不均匀)系统多相(不均匀)系统 相与相之间有明确的界面相与相之间有明确的界面。思考思考:1)101.325kPa,273.15K(0C)下,下,H2O(l),H2O(g)和和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少同时共存时系统中的相数为多少2)Ca
9、CO3(s)分解为分解为CaO(s)和和CO2(g)并达到平衡的系并达到平衡的系统中的相数。统中的相数。11现在学习的是第11页,共70页3 3 状态与状态函数状态与状态函数状态函数状态函数用于表示系统性质的物理量用于表示系统性质的物理量X 称状态函数,如气体的称状态函数,如气体的压力压力p、体积、体积V、温度、温度T 等。等。状态状态:系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之分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。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状态变化时,系统的宏观性质也必然发生部分或全
10、部变化。化。12现在学习的是第12页,共70页状态函数的性质 状态函数是状态的单值函数。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、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。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力p和体积和体积V的变化量与途径无关。的变化量与途径无关。系统压力从3p变为p13现在学习的是第13页,共70页广度性质和强度性质广度性质和强度性质状态函数可分为两类:状态函数
11、可分为两类:广度性质:广度性质:其量值具有其量值具有加和性,加和性,如体积、质量等如体积、质量等强度性质:强度性质:其量值其量值不具有加和性,不具有加和性,如温度、压力等如温度、压力等思考思考:力和面积是什么性质的物理量?它们的商即压强:力和面积是什么性质的物理量?它们的商即压强(热力学中称为压力热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论?什么结论?推论:摩尔体积推论:摩尔体积(体积除以物质的量体积除以物质的量)是什么性质的物理量?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的力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性
12、质的物理量的商是一个强度性质的物理量物理量的商是一个强度性质的物理量14现在学习的是第14页,共70页4 4 过程与途径过程与途径过程过程:系统状态发生任何的变化称为系统状态发生任何的变化称为可逆过程可逆过程体系经过某一过程,由状态体系经过某一过程,由状态变到状态变到状态后,如果通过逆过后,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。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它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程途径途径:实现一个过程的具体步骤实现一个过程的具体步骤思考思考:过程与途径的区别。设想如果你要把设想如果你要把2
13、0 C的水烧开,要完成的水烧开,要完成“水烧开水烧开”这个过程,这个过程,你可以有多种具体的你可以有多种具体的“途径途径”:如可以在水壶中常压烧;也:如可以在水壶中常压烧;也可以在高压锅中加压烧。可以在高压锅中加压烧。15现在学习的是第15页,共70页5 5 化学计量数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一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系,关系,通式为:通式为:B 称为称为B 的化学计量数。符号规定:的化学计量数。符号规定:反应物:反应物:B为负;产物:为负;产物:B为正。为正。附例附例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应用化学反应统通式
14、形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式:方程式:N2+3H2=2NH3解:解:用化学反应通式表示为:用化学反应通式表示为:0=-N2-3H2+2NH316现在学习的是第16页,共70页6 6 反应进度反应进度的单位是摩尔(的单位是摩尔(molmol),它与化学计量数的选配有关),它与化学计量数的选配有关思考思考:反应进度与化学反应方程式的书写有关吗?:反应进度与化学反应方程式的书写有关吗?有关。如对于反应:有关。如对于反应:0=N2 3H2+2NH3,当有,当有1mol NH3生成时,反应进度为生成时,反应进度为0.5mol。若将反应写成。若将反应写成则反应进度为则反应进度为1 mol。反应进
15、度反应进度nB 为物质为物质B的物质的量的物质的量dnB表示微小的变化量表示微小的变化量或或17现在学习的是第17页,共70页化学反应过程中系统放出或吸收的热量,热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,系统吸热为正化学规定,系统放热为负,系统吸热为正反应热反应热当反应进度为当反应进度为1 mol时系统放出或吸收的热量时系统放出或吸收的热量摩尔摩尔反应热反应热一定量反应物在给定条件下的反应热一定量反应物在给定条件下的反应热 溶液的质量溶液的质量 溶液温度差溶液温度差 吸热溶液比热容吸热溶液比热容 溶液的热容溶液的热容1.1.2 1.1.2 反应热的测量反应热的测量18现在
16、学习的是第18页,共70页图1.3 弹式量热计思考思考:用弹式量热计测量的反应热: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?是定容反应热还是定压反应热?答:定容反应热答:定容反应热化学反应放出的热化学反应放出的热=水吸收的热水吸收的热 +量热计吸收的热量热计吸收的热由仪器供应商提供,使用时校验由仪器供应商提供,使用时校验 1 1 反应热的实验测量方法反应热的实验测量方法19现在学习的是第19页,共70页20现在学习的是第20页,共70页示 例 例例1.1 联氨燃烧反应:联氨燃烧反应:N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)已知:已知:解解:燃烧:燃烧0.5g联氨放热为联
17、氨放热为21现在学习的是第21页,共70页2 2 热化学方程式热化学方程式 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:式。其标准写法是:先写出反应方程,再写出相应反应热,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两者之间用分号或逗号隔开。例如:。例如:N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l);2H2(g)+O2(g)=2H2O(l);若不注明若不注明T,p,皆指在皆指在T=298.15 K,p=100kPa下。下。标明反应温度、压力及反应物、生成物的量和状态标明反应温度、压力及反应物、生成物的量和
18、状态书写热化学方程式时应注意:书写热化学方程式时应注意:反应热与反应式的化学计量数有关;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一般标注的是等压热效应qp。22现在学习的是第22页,共70页1.2 1.2 反应热的理论计算反应热的理论计算 并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应: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)思考思考:为什么上述反应的反应热无法实验测定?: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实验过程中无法控制生成产物完全是CO。能够精确测量的是能够精确测量的是,但生产中需要的是,但生产中需要的是
19、23现在学习的是第23页,共70页封闭系统,不做非体积功时,若系统从环境吸收热封闭系统,不做非体积功时,若系统从环境吸收热q,从环境得功从环境得功w,则系统内能的增加,则系统内能的增加U=(U2 U1)为)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。的应用。其中,内能现称为热力学能。其中,内能现称为热力学能。在任何过程中能量不会自生自灭,只能从一种形式转在任何过程中能量不会自生自灭,只能从一种形式转化为另一种形式,在转化过程中能量的总值不变化为另一种形式,在转化过程中能量的总值不变 1.2.1 1.2.1 热力学第一定律热力学
20、第一定律24现在学习的是第24页,共70页热力学能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、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。转动、振动以及电子运动和核运动。思考思考:同样的物质,在相同的温度和压力下,前者放在同样的物质,在相同的温度和压力下,前者放在10000m高空,高空,以以400m/s飞行的飞机上,后者静止在地面上。两者的内能相同吗?飞行的飞机上,后者静止在地面上。两者的内能相同吗?相同。相同。由于分子内部运动的相互作用十分复杂,因此目前尚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。无法测定内能的绝对数
21、值。状态函数状态函数 无绝对数值无绝对数值广度性质广度性质内能的特征:内能的特征:25现在学习的是第25页,共70页 状态函数特点状态函数特点 状态一定,其值一定状态一定,其值一定 殊途同归,值变相等殊途同归,值变相等 周而复始,变值为零周而复始,变值为零能量是状态的单值函数,其变化值只取决于变化的终态和始能量是状态的单值函数,其变化值只取决于变化的终态和始态,而与变化的途径无关态,而与变化的途径无关26现在学习的是第26页,共70页热热在物理或化学变化的过程中,系统与环境存在温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。度差而交换的能量称为热。热的符号规定:热的符号规定
22、:系统吸热为正,系统放热为负。系统吸热为正,系统放热为负。热量热量q不是状态函数不是状态函数27现在学习的是第27页,共70页功与体积功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。式交换的能量都称为功。功的符号规定:功的符号规定:(注意功符号的规定尚不统一)(注意功符号的规定尚不统一)系统得功为正,系统作功为负。系统得功为正,系统作功为负。思考:思考:1mol1mol理想气体,密闭在(理想气体,密闭在(1 1)气球中,()气球中,(2 2))钢瓶中;钢瓶中;将理想气体的温度提高将理想气体的温度提高20C20C时
23、,是否做了体积功?时,是否做了体积功?功功w也不是状态函数也不是状态函数1)1)做体积功,做体积功,2)2)未做体积功。未做体积功。由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体积功积功w体体。所有其它的功统称为非体积功。所有其它的功统称为非体积功w w=w体体+w 28现在学习的是第28页,共70页1.2.2 1.2.2 化学反应的反应热与焓化学反应的反应热与焓根据反应条件的不同,反应热又可分为:根据反应条件的不同,反应热又可分为:恒容过程,体积功恒容过程,体积功w体体=0,不做非体积功,不做非体积功 w=0时,所以,时,所以,w=w体体+w=0,q
24、V=U定容反应热定容反应热恒压过程,不做非体积功时,恒压过程,不做非体积功时,w体体=p(V2V1),所以,所以qp=U+p(V2V1)定压反应热定压反应热反应物和生成物具有相同温度时,系统反应物和生成物具有相同温度时,系统吸收或放出的热量吸收或放出的热量反应热反应热29现在学习的是第29页,共70页1 1 焓焓 qP=U+p(V2 V1)=(U2-U1)+p(V2 V1)=(U2+p 2V2)(U1+p 1V1)公式公式qp=H 的意义:的意义:等压热效应即为焓的增量,所以可以通过等压热效应即为焓的增量,所以可以通过H的计算求出的计算求出qP 的值。的值。令令 H=U+p V则则qp=H2
25、H1=HH 称为焓,是一个重要的热力学函数。称为焓,是一个重要的热力学函数。是状态函数,但不能知道它的绝对数值。是状态函数,但不能知道它的绝对数值。30现在学习的是第30页,共70页2 2 定容反应热与定容反应热与定压反应热的关定压反应热的关系系已知已知定容反应热:定容反应热:qV=U;定压反应热:定压反应热:qp=Up+p(V2 V1)等温过程,等温过程,Up UV,则:则:qp qV=n2(g)RT n1(g)RT=n(g)RT对于理想气体反应,有:对于理想气体反应,有:对于有凝聚相参与的理想气体反应,由于凝聚相相对气相来说,对于有凝聚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
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