普通化学第一章
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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：
pV nRT
附例1.2 1 mol理想气体从始态100kPa, 22.4dm3经等温恒外 压p2 = 50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。
w体 p外V 50000 (44.8 22.4) 103 m3 1120 Pa J
小结 对于没有气态物质参与的反应或Δn(g) = 0的反应，qV qp 对于有气态物质参与的反应，且Δn(g)0的反应，qV qp
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)
r H m, 1
终态 CO2(g)
r H m, 2
敞开系统 有物质和能量交换
封闭系统 只有能量交换
隔离系统 无物质和能量交换
图1.1 系统的分类
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(0°C)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。 答：1）在此条件下，存在3相（气、液、固各一相；2）3 相（气体1相，固体2相）
可逆过程 体系经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ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。
5 化学反应进度
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， cC dD yY zZ
若化学反应式为
ΔH – ΔU = qp – qV = p(V2 – V1)
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，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体 的物质的量。 思考：若反应 C(石墨) + O2(g) →CO2(g) 的qp,m为–393.5kJ· –1，则该反应的qV,m 为多少？ mol 答：该反应的Δn(g) = 0， qV = qp
外压从3pº 变为p°
3pº
V T
图1.2 状态函数的性质
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？
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ΔV
p外 = F / A，l = ΔV / 因此，体积功 A2，
l
p
p外 = F / A
w体= F · l
= –(p外· · A) (ΔV/A) = – p外 Δ V
图1.4 体积功示意图
5. 理想气体的体积功
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。
（等容）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。
图1.3 弹式量热计
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： qV, m 620kJ mol 1 N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)；
结论 2
同一化学反应如果化学反应方程式 的写法不同，反应进度的值不相同。
当反应进度 x 等于1mol时，称为进 行了1mol化学反应（摩尔反应） N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g)
x = nB / B = 1.0mol
1/2N2(g)
+ 3/2H2(g) = NH3(g)
x = nB / B = 1.0mol
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20º C时，是否做了体积功？
答：1)做体积功，2)未做体积功。 功w也不是状态函数
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：
q>0 U1
w>0
ΔU = q +w
U2
热—无序能；功—有序能；能的品位不同。
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，则系统热力学能的增加 ΔU (U2 – U1)为： ΔU = 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，热力学能从前称为内能。
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。
解：终态平衡时的体积为： V2 p1V1 / p2 100000 22.410-3 m3 / 50000 44.810-3 m3 Pa Pa 负值表示系统对外做功。
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，
q p,m 570kJ mol 1 2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；
若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。 书写热化学方程式时应注意： 标明反应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态；
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。
答：力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度 性质的物理量的商是一个强度性质的物理量。
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开再降至常压。
思考：qp与qv相同吗？。
不相同
第一次课结束
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。
1.2.1 热力学第一定律
■
■ 同一化学反应，化学计量系数与方程 式的写法有关。 2 H2 + O2 = 2 H2O H2 + 1/2 O2 = H2O
6
反应进度（ ξ读Ksai） —表示化学反应进行程度的物理量
0=BB
反应进度为（x 的单位是 mol）
x
nB
B
nB (x ) nB (0)
B
Question 1
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 Ⅰ. 核燃料和核能的来源 Ⅱ. 核电的优势与发展趋势
本章小结
1 .1 反应热的测量
1.1.1 几个基本概念
1. 系统与环境
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。
3. 状态与状态函数
状态就是系统一切性质的总和。有平衡态和非平 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。 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。
状态函数的性质
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。 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。
第 章
1
热化学与能源
本章学习要求：
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、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。
Question 2
t0
1 3 N 2 g H 2 g NH 3 g 2 2
3.0
10.0
7.0
0
2.0
(mol)
(mol)
t t1时 2.0
Solution
x
' 1
n N2
N
2
(2.0 3.0)mol 2.0mol 1/ 2
反应进度必须对应具体的反应方程式。
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。
内能的特征： 状态函数 无绝对数值 广度性质 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？ 答：相同。
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。
能源的分类表11能源的分类利用状况使用性质形成条件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195019601970198019902010102030405060中国俄罗斯日本德国印度1015202530国家254煤炭石油天然气核能水电10472604129图18世界六国消耗的一次能源比例及总比例占世界煤炭的成分与热值煤炭的主要成分
2.0 3.0
n1 H 2 (7.0 10.0)mol x1 1.0mol H 2 3 n1 NH3 (2.0 0)mol x1 1.0mol NH3 2 x 2 1.5mol
结论 1
对同一化学反应方程式，反应进度ξ 的值与选用反应式中何种物质的量的变 化进行计算无关。
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
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 ′。 w = w体+ w ′
N2 g 3H2 g 2NH3 g
10.0 0
x
0 x1
x2
t0时 nB/mol 3.0
n1 N 2 (2.0 3.0)mol Solution x1 1.0mol N 2 1
t1时 nB/mol 2.0 t2时 nB/mol 1.5
7.0 5.5
可改写成： 0= -cC- dD +y Y+z Z 令： c =-c ,d = -d ,y=y,z= z 则有 0= cC + d D+yY+zZ
简化成通式为： 0=BB
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。
注意
化学计量系数B是没有单位；
思考：焓是状态函数吗？能否知道它的绝对数值？ 答：是状态函数，但不能知道它的绝对数值。
公式qp =ΔH 的意义：
1）等压热效应即为焓的增量，故qP也只决定于始终态，而与 途径无关。2）可以通过ΔH的计算求出的qP值。
2. 定容反应热与定压反应热的关系
已知 定容反应热：qV = ΔU； 定压反应热：qp = ΔUp + p(V2 – V1) 等温过程， ΔUp ΔUV，则： 对于理想气体反应，有： qp – qV = n2(g)RT – n1(g)RT = Δn(g)RT
w= w体+ w ′=0 ，qV = ΔU
定压反应热
恒压过程，不做非体积功时， w体= – p(V2–V1)，所以 qp = ΔU + p(V2–V1)
思考：这两个公式有什么用处？
答：可以利用这两个公式计算反应热。
1. 焓
∵ qP =△U + p(V2 – V1)
= (U2 - U1)+ p(V2 – V1) = (U2 + p 2V2) – (U1 + p 1V1) 令H = U + p V 则qp =H2 – H1=ΔH H 称为焓，是一个重要的热力学函数。
中间态 CO(g) + ½ O2(g)
r H m, 3
r H m, 1 r H m, 2 r H m, 3
即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。
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：
pV nRT
附例1.2 1 mol理想气体从始态100kPa, 22.4dm3经等温恒外 压p2 = 50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。
w体 p外V 50000 (44.8 22.4) 103 m3 1120 Pa J
小结 对于没有气态物质参与的反应或Δn(g) = 0的反应，qV qp 对于有气态物质参与的反应，且Δn(g)0的反应，qV qp
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)
r H m, 1
终态 CO2(g)
r H m, 2
敞开系统 有物质和能量交换
封闭系统 只有能量交换
隔离系统 无物质和能量交换
图1.1 系统的分类
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(0°C)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。 答：1）在此条件下，存在3相（气、液、固各一相；2）3 相（气体1相，固体2相）
可逆过程 体系经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ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。
5 化学反应进度
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， cC dD yY zZ
若化学反应式为
ΔH – ΔU = qp – qV = p(V2 – V1)
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，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体 的物质的量。 思考：若反应 C(石墨) + O2(g) →CO2(g) 的qp,m为–393.5kJ· –1，则该反应的qV,m 为多少？ mol 答：该反应的Δn(g) = 0， qV = qp
外压从3pº 变为p°
3pº
V T
图1.2 状态函数的性质
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？
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ΔV
p外 = F / A，l = ΔV / 因此，体积功 A2，
l
p
p外 = F / A
w体= F · l
= –(p外· · A) (ΔV/A) = – p外 Δ V
图1.4 体积功示意图
5. 理想气体的体积功
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。
（等容）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。
图1.3 弹式量热计
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： qV, m 620kJ mol 1 N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)；
结论 2
同一化学反应如果化学反应方程式 的写法不同，反应进度的值不相同。
当反应进度 x 等于1mol时，称为进 行了1mol化学反应（摩尔反应） N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g)
x = nB / B = 1.0mol
1/2N2(g)
+ 3/2H2(g) = NH3(g)
x = nB / B = 1.0mol
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20º C时，是否做了体积功？
答：1)做体积功，2)未做体积功。 功w也不是状态函数
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：
q>0 U1
w>0
ΔU = q +w
U2
热—无序能；功—有序能；能的品位不同。
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，则系统热力学能的增加 ΔU (U2 – U1)为： ΔU = 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，热力学能从前称为内能。
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。
解：终态平衡时的体积为： V2 p1V1 / p2 100000 22.410-3 m3 / 50000 44.810-3 m3 Pa Pa 负值表示系统对外做功。
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，
q p,m 570kJ mol 1 2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；
若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。 书写热化学方程式时应注意： 标明反应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态；
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。
答：力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度 性质的物理量的商是一个强度性质的物理量。
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开再降至常压。
思考：qp与qv相同吗？。
不相同
第一次课结束
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。
1.2.1 热力学第一定律
■
■ 同一化学反应，化学计量系数与方程 式的写法有关。 2 H2 + O2 = 2 H2O H2 + 1/2 O2 = H2O
6
反应进度（ ξ读Ksai） —表示化学反应进行程度的物理量
0=BB
反应进度为（x 的单位是 mol）
x
nB
B
nB (x ) nB (0)
B
Question 1
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 Ⅰ. 核燃料和核能的来源 Ⅱ. 核电的优势与发展趋势
本章小结
1 .1 反应热的测量
1.1.1 几个基本概念
1. 系统与环境
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。
3. 状态与状态函数
状态就是系统一切性质的总和。有平衡态和非平 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。 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。
状态函数的性质
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。 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。
第 章
1
热化学与能源
本章学习要求：
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、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。
Question 2
t0
1 3 N 2 g H 2 g NH 3 g 2 2
3.0
10.0
7.0
0
2.0
(mol)
(mol)
t t1时 2.0
Solution
x
' 1
n N2
N
2
(2.0 3.0)mol 2.0mol 1/ 2
反应进度必须对应具体的反应方程式。
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。
内能的特征： 状态函数 无绝对数值 广度性质 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？ 答：相同。
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。
能源的分类表11能源的分类利用状况使用性质形成条件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195019601970198019902010102030405060中国俄罗斯日本德国印度1015202530国家254煤炭石油天然气核能水电10472604129图18世界六国消耗的一次能源比例及总比例占世界煤炭的成分与热值煤炭的主要成分
2.0 3.0
n1 H 2 (7.0 10.0)mol x1 1.0mol H 2 3 n1 NH3 (2.0 0)mol x1 1.0mol NH3 2 x 2 1.5mol
结论 1
对同一化学反应方程式，反应进度ξ 的值与选用反应式中何种物质的量的变 化进行计算无关。
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
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 ′。 w = w体+ w ′
N2 g 3H2 g 2NH3 g
10.0 0
x
0 x1
x2
t0时 nB/mol 3.0
n1 N 2 (2.0 3.0)mol Solution x1 1.0mol N 2 1
t1时 nB/mol 2.0 t2时 nB/mol 1.5
7.0 5.5
可改写成： 0= -cC- dD +y Y+z Z 令： c =-c ,d = -d ,y=y,z= z 则有 0= cC + d D+yY+zZ
简化成通式为： 0=BB
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。
注意
化学计量系数B是没有单位；
思考：焓是状态函数吗？能否知道它的绝对数值？ 答：是状态函数，但不能知道它的绝对数值。
公式qp =ΔH 的意义：
1）等压热效应即为焓的增量，故qP也只决定于始终态，而与 途径无关。2）可以通过ΔH的计算求出的qP值。
2. 定容反应热与定压反应热的关系
已知 定容反应热：qV = ΔU； 定压反应热：qp = ΔUp + p(V2 – V1) 等温过程， ΔUp ΔUV，则： 对于理想气体反应，有： qp – qV = n2(g)RT – n1(g)RT = Δn(g)RT
w= w体+ w ′=0 ，qV = ΔU
定压反应热
恒压过程，不做非体积功时， w体= – p(V2–V1)，所以 qp = ΔU + p(V2–V1)
思考：这两个公式有什么用处？
答：可以利用这两个公式计算反应热。
1. 焓
∵ qP =△U + p(V2 – V1)
= (U2 - U1)+ p(V2 – V1) = (U2 + p 2V2) – (U1 + p 1V1) 令H = U + p V 则qp =H2 – H1=ΔH H 称为焓，是一个重要的热力学函数。
中间态 CO(g) + ½ O2(g)
r H m, 3
r H m, 1 r H m, 2 r H m, 3
即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。