化学反应的基本原理与大气污染

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< 0 自发过程,正向进行
DG = G终 – G始 = 0 平衡状态 > 0 非自发过程,逆向进行
类似于高度差的势能转化
Note:若还做非体积功,则上述判断标准中“0”改为
非体积功“ w’ ” -DG = G始 – G终 = -w’max
类似于高度差的势能转化,同时带动另一物体上升 27
根据DG=DH-TDS,有: 温度对吉布氏自由能的影响
开尔文说法:不可能从单一热源吸热使之完全变为功, 而不留下其他变化。
应明确:致冷机 :低温物体 热Q传递 高温物体,但环境消
耗了能量(电能);
理想气体可逆定温膨胀,系统从单一热源吸的热全转变为对环
境作的功,但系统的状态发生了变化(膨胀了)。
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宏观过程的不可逆性
一切实际宏观过程,总是: 非平衡态 自 发平衡态(为止)
可观察到的现象: 气体的扩散:硫化氢气体可以自发地、均匀地扩 散到室内,但飘回到反应瓶内?
溶液的混合:水中的一滴墨水可以自发地、均匀地 扩散到整个杯中,但浓缩回原来的一滴?
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有序排列的黑球和白球:摇晃后,只能变得无序 搭建好的积木:可以垮塌,但自发地还原?
现 象:系统有趋向于最大混乱度(无序度)的 倾向,在无外力作用的条件下,该过程不能自发 地逆向进行
结论:自然界中发生的一切实际过程(指宏观过程,下同)都有
一定方向和限度。不可能自发按原过程逆向进行,即自然界中一切
实际发生的过程都是不可逆的。
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2.1.2 反应自发性的判断 1. 反应的吉布斯函数变 吉布斯(Gibbs J.W., 1839~1903)1875年定义:
G def H -TS
G 称为吉布斯函数或吉布斯自由能(Gibbs free energy),表示能量,是状态函数,具有容量性质。
这些变化的逆过程都不能自动进行,即:自发过程 都是热力学不可逆过程。当借助外力,系统恢复原状后, 会给环境留下不可磨灭的影响。(后果不可消除)
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1. 反应的焓变 十九世纪,汤姆荪和贝塞罗特就曾经企图用△H
的符号作为化学反应方向的判据。他们发现许多自 发化学反应的方向总是与放热的方向一致,而吸热 反应是不能自动进行的。
G 包含了U、P、V、T、S 5种函数,人为定义。
对于等温过程: 吉布斯函数变 DG = DH - TDS( Gibbs-Helmholtz equation)
或:DrGm = DrHm – TDrSm 利用吉布斯函数变的结论还没有错误的。 26
2. 以DG为判断标准
等温、等压、且不作非膨胀功的条件下,反应 的自发性判断标准(即最小自由能原理):
Zn(s) + Cu2+ (aq) = Zn2+ (aq) + Cu(s)
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热从高温物体传向低温物体 水往低处流 系统倾向于取 得最低的势能。
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自发过程的共同特征
例如: (1) 水往低处流;(有势差存在) (2) 气体向真空膨胀;(有压力差存在) (3) 热量从高温物体百度文库入低温物体;(有温差存在) (4) 浓度不等的溶液混合均匀;(存在着浓差) (5) 锌片与硫酸铜的置换反应等,(存在着化学势差)
= 177 kJmol-1 吸热反应。
查表: Sm(298.15K) Jmol-1 K-1
92.9
39.75 213.74
ΔrSm (298.15K) = ∑u BSm, B (298.15K) B
= 39.75 + 213.74 – 92.9 = 160.59 (Jmol-1 K-1)
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例 3:已知 H2、N2和 NH3在 298.15 K 的标准摩尔 熵分别为 130.6 J ·mol-1·K-1, 191.5 J·mol-1·K-1和
有序运动的结果。 功转变成热是从规则运动转化为不规则运动,
混乱度增加,是自发的过程; 而要将无序运动的热转化为有序运动的功就
不可能自动发生。
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亦可以用“第二类永动机不能制成”来表述热力学第二定律。 热力学第二定律的实质是:断定自然界中一切实际进行的
过程都是不可逆的。
克劳休斯说法:不可能把热由低温物体转移到高温物体, 而不留下其他变化。
Q: 能否用熵来判断反应的方向?
DS隔离 > 0 过程自发进行
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﹡ 熵的来源
热力学第一定律是能量守恒和转化定律,它否认了 能量的无中生有,所以不需要动力和燃料就能做功 的第一类永动机就成了天方夜谭式的设想。
人们开始考虑热能转化为功的效率问题,有人设计 这样一种机械,它可以从一个热源(比如海洋、大 气层)无限地取热从而做功,即第二类永动机
后来人们发现有不少吸热反应也能自动进行。 如:H2O(s)===H2O(l) DH > 0,吸热过程 但283K时冰可以自发地变成水
热: 不是决定化学反应方向的唯一因素 除焓变外,还有某种因素左右着系统能量的得失
这种因素称为熵 5
2. 反应的熵和熵变
自然界的一种趋势---系统倾向于取得最低的势能
自然界的另一种趋势:过程能自发地向混乱度 (无序度)增加的方向进行
该式表明: 系统的微观状态数越多、热力学概率 越大、系统就越混乱、熵越大。
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(2) 热力学第二定律
热力学第二定律的统计表达:
熵增加原理:在隔离系统中发生的自发进行反 应必伴随熵的增加。
或 表述为:隔离系统的熵总是趋向极大值。
熵判据
DS隔离 > 0 过程自发进行 DS隔离 = 0 系统处于平衡状态
(可逆过程)
利用Gibbs等温方程可以求出化学反应
转变温度T转:
DG
DH - TDS
0, T转
DH/DS
D
r
Ho m,298K
D
r
So m,298K
绝大多数情况, H与 S均为正, 高温有利反应自发进行
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结果与讨论
1、G为状态函数,为广度量,绝对值不可知,且不 是守恒量。当体系的始、终态一定,△G便有确定 值。
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(3)热力学第三定律
通过低温实验数据和推理, 经验定律:
热力学第三定律
在绝对零度时,一切纯物质的完美晶体的熵值为0。
熵 :S(0K) = k ln W = k ln1 = 0
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(4)熵 的一些变化规律
☆ 相同物质、T (相变温度下): 固态时的熵
小于液态时的熵;液态时的熵小于气态时的熵 (Sg > Sl > Ss) 气态 Sm (H2O), g, 298.15K) = 188.72 J·mol-1 · K-1 液态 Sm (H2O), l, 298.15K) = 69.91 J·mol-1 · K-1
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1)、实验测试法
熵的热力学定义: DS =
qr T
在恒温可逆过程中系统所吸收或放出的热量除 以温度等于系统的熵变 --- 熵来自“热温商”。
例 1 已知在101325Pa和273.15K 下,冰的融化热 q = 6007 J ·mol-1,计算冰融化过程的摩尔熵变。
解:在101325Pa和273.15K 下,冰的融化为恒温恒压 可逆相变过程,由熵的热力学定义:
☆ 不同温度下T:相同物质、聚集态:
温度升高,运动加剧,熵增加;
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☆ 物质组成:相同聚集态、温度下
组成方式越复杂、熵越大; 黑、白球的混合过程,
☆ 固体晶体结构:结构越复杂、熵值增加
☆ 气、液体:混合物或溶液过程熵增大
或:混合物或溶液的熵比相应的纯物质大
熵值判断规律:一个导致气体分子数增加的物理过程 或化学变化总伴随着系统熵值的增加
(1)熵:
熵是系统内部物质微观粒子的混乱度(无序度) 的量度,用S表示。
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熵的统计热力学的表达
S = k lnΩ
k--- Boltzman常数 (1.386 x 10-23 J/K)
玻尔兹曼(Boltzmann)关系式。该式是沟通宏观量与 微观量的桥梁,它奠定了统计热力学的基础。
式中: Ω为隔离系统中的微观状态数;
∆H ∆S
∆G
-+
永远负
+-
永远正
T <∆H/∆S 为正 + + T >∆H/∆S 为负
T <∆H/∆S 为负 --
T >∆H/∆S 为正
反应方向
任何温度下,正反应自发 任何温度下,逆反应自发
低温下,逆反应自发 高温下,正反应自发 低温下,正反应自发 高温下,逆反应自发
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从上表中:对于∆H与∆S符号相同的情况,当 改变反应温度时,存在从自发到非自发(或从非 自发到自发)的转变,此时 ∆G= 0,这个温度叫 转变温度。
B
与焓变的计算类似 ΔrHm (T) = ∑u BΔf Hm, B (T) B 16
其他温度时任一化学反应的标准摩尔熵变:
在没有引起 物质聚集状态改变的情况下: 反应物的熵变化 生成物的熵变化
对同一反应式,反应的熵变基本不随温度而变 ΔrSm (T) ≈ ΔrSm (298.15K)
一般条件下: ΔrSm (T) ≈ ΔrSm (298.15K)
2、总熵判据是一个普遍化的判据,但它需要环境的 热温熵
而不可能: 平衡态 自 发 非平衡态
举例:
①热Q的传递:高温(T1) 不能自发
热Q传递 自发
低温( T2),
T1'=T2'为止, 反过程
②气体膨胀: 高压(p1) 不能自发
气体膨胀 自发
低压(p2), p1'=p2'为止, 反过程
③水与酒精混合:水+酒精 混合均匀 溶液,均匀为止, 反过程
不能自发
自发
笫二类永动机的争论,导致热力学第二定律的产生
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1824 年,法国工程师 N.L.S.Carnot (1796~1832)设计了 一个循环,以理想气体为工作物 质,从高温热源 (Th ) 吸收的热 量 Qh ,一部分通过理想热机用来 对外做功W,另一部分Qc 的热量 放给低温(Tc ) 热源。这种循环称为 卡诺循环。
DrSm = q / T = 6007 / 273.15 = 21.99 J·mol-1·K-1
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2)、熵变的理论计算
aA + bB
gG + dD
反应的标准摩尔熵变: DrSm ( DS )
依据盖斯定律和标准摩尔熵的定义:
ΔrSm (T) = ∑u BSm, B (T) B
ΔrSm (298.15 K) = ∑u BSm, B (298.15 K)
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卡诺循环中,热效应与温 度商值的加和等于零。
Qc Qh 0 Tc Th
Clausius根据可逆过程的热温商值决定于始终态而与 可逆过程无关这一事实定义了“熵”(entropy)这个 函数,用符号“S”表示
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热力学第二定律的本质
热与功转换的不可逆性 热是分子混乱运动的一种表现,而功是分子
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规定:处于标准状态下水合H+离子的标准熵为零。 通常温度选为298.15K,即 Sm(H+, aq, 298.15K) = 0 与DHm (H+, aq, 298.15K) = 0相同
3、熵变的计算:理论、实际测试
﹡ 熵是状态函数,反应或过程的熵变只与始态和 终态有关,与途径无关。 ﹡ 当状态改变时,熵变等于恒温可逆过程中的热 温商之和。 ﹡ 熵是容量性质
第二章 化学反应的基本原理
主要内容:
☆ 反应进行的方向——自发性判断 ☆ 反应进行的程度——化学平衡 ☆ 反应速率
2.1 化学反应的方向 2.1.1 影响反应方向的因素 定义:自发过程(自发反应) 在没有外界作用下,系统自身发生变化的过程
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自然界中的自发变化(spontaneous process) ﹡水从高处流向低处 ﹡热从高温物体传向低温物体 ﹡铁在潮湿的空气中锈蚀 ﹡锌置换硫酸铜溶液反应
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例 2.1: 计算CaCO3(s) =CaO(s) + CO2 (g) 反应的热效应和熵变。
解:
CaCO3(s) == CaO(s) + CO2 (g)
查表:DfHm /kJmol-1 -1206.9
-635.6 -393.5
∴ DrHm = [(-635.6) + (-393.5) – (-1206.9)]
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(5)熵变
规定熵:以绝对零度为基准,某物质在指定温度下 的熵值,称为这一物质的规定熵(与U、H不同) 单位:J·K-1 物质的标准摩尔熵 ---单位物质的量的纯物质在
指定标准状态下的规定熵 Sm (或简写为Sm)J·mol-1 ·K-1 (有数据可查,表3,注意单位)
指定单质的标准摩尔熵: 不为 0 (与焓不同)
192.4 J ·mol-1·K-1,计算反应
3H2(g) + N2(g)
2 NH3(g) 的标准摩尔熵变。
解:DDrSSmθm 2 Smθ (NH 3 ) - [3 Smθ (H2 ) 1 Smθ (N2 )]
= 2×192.4 J·mol-1·K-1 -3×130.6 J ·mol-1·K-1-1×191.5 J ·mol-1·K-1 = -198.5 J∙mol-1·K-1
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