无机化学 第二章 热化学

系统和环境 敞开体系
Matter (H2O)
封闭体系
孤立体系
Heat flow
Heat flow
按系统与环境的联系 （物质与能量）
System 敞开系统 封闭系统
open
closed
孤立(隔离)系 统isolated
物质交换 能量交换
可以 可以
不可能 可以
不可能 不可能
实 例 水为系统 水＋水蒸气 所有物质
首次报道中孔分子筛M41S六角孔道模型
Pore channels of MCM-41
obtained by HRTEM
(M. Kruk et al., J. Phys. Chem. B, 2000, 104, 292)
Hierarchical Flower-like Spheres
Some examples
5. 等压过程： 压力恒定不变 ΔP = 0；等容过程： ΔV = 0；等温过程： ΔT = 0
298 K，101.3 kPa 恒
途压 径过 (I) 程
恒温过程
途径(II) 实
际 过
298K，506.5 kPa
恒
压 (II)
过
程
程
375 K，101.3 kPa
恒温过程 (I)
375 K，506.5 kPa
Ultrathin film
Hollow sphere
Zeolite/steel grid
Hollow fiber
nanozeilite
Hierarchical porous monolith
Leabharlann Baidu
Zeolitic foam
Zeolite/mullite bilayered Hollow sphere
Zeo沸lite石mi/cr硅oca藻psu土le
如：以气体为系统时，n，p, V，T等
确定体系状态的物理量叫状态函数。
状态函数：用来说明、确定系统所处状态的宏观物理量。
如 n 、 T、 V、 p……，是与系统的状态相联系的物理量。
状态函数的特点：状态函数的变化量只与体系的始 态和终态有关，而与变化的过程无关P、V、T、n
状态函数的特性
① 定值性—— 状态确定，状态函数确定。 系统的变化，用状态函数的改变来描述。
2.1.5 化学反应计量式和反应进度
（stoichoimetric equation and reaction progress）
化学反应计量式：化学反应方程式。 正确的化学式 要标明物质的聚集状态。g l s aq 原子守恒，电荷守恒
化学计量数：化学式前面的系数加上正负号。υB 规定：反应物的υB 为负，生成物的υB 为正 aA（g）+ bB（g）= gG（g）+ dD（g）
第二章 热化学
热化学：讨论和计算化学反应的热量变化的 学科。 热化学理论依据：热力学
Introduction
• Micropore (d < 2 nm) • Mesopore (2 < d < 50 nm) • Macropore (d > 50 nm)
Microporous Domain
Mesoporous Domain
热力学中，我们主要研究封闭体系。
系统和环境 例：
绝
热 壁
水蒸气
水
孤立系统 封闭系统 敞开系统
火箭体系？
2.1.2 状态和状态函数（State and State function）
状态：热力学平衡态，系统的物理和化学性质的综合表现。 系统的状态由状态量进行描述。 状态量就是描述系统有确定值的物理量。
Chem. Commun., 2000, 2161; Chem. Commun., 2001, 783; Chem. Commun., 2002, 2814
Nature’s Reactors
社会可持续发展所面临的课题：
• 探索新能源 • 高效利用能源 • 开发洁净能源
§2.1 热力学术语和基本概念
② 状态函数的改变，只与过程有关，而与途径无关。 在计算有关状态函数变化的问题时，只需明确系统的
始态和终态即可，而不需考虑具体的变化途径。 ③ 同一体系，状态函数之间相关。
P1=101.3kPa
T1=373K V1=2m3
（I）加 压
P2=202.6kPa
T2=373K V2=1m3
（II）加压、升温
Macroporous Domain
0.5
2
10 20
50
500
Pore diameter (nm)
Self-assembled templates offer a way to produce oxides with large pores
Scale of the dimensional of the pores as a function of time The gray part corresponds to the useful size
P3=303.9kPa
T3=473K V3=0.845m3
减压、降温
理想气体两种不同变化过程
2.1.3 过程与途径
1. 状态变化的经过称为过程 (恒温、恒压、恒 容、绝热过程）
2. 系统由始态到终态所经历的过程叫途径
3. 状态1 → 状态2 ： 途径不同，状态函数改变 量相同；
4. 状态一定时，状态函数有一个相应的确定值。 始终态一定时，状态函数的改变量就只有一个 唯一数值。
实际过程与完成过程的不同途径
2.1.4 相（phase) ：系统中物理性质和化学性质完 全相同的任何均匀部分叫作一个相。相与相之 间有明确的界面。 按系统中存在的相数：
单相 (single phase)系统；
多相 (multiphase)系统
（二相，三相等）；
H2O(l)
糖水
糖水 糖
均相系统
多（复、非均）相系统
2.1.1系统和环境 System and Surroundings 系统：被研究的对象。在科学研究时必须先 确定研究对象，把一部分物质与其余分开， 这种被研究的物质和它们所占有的空间称为 系统。 环境：系统以外的，与系统密切相关、有相 互作用的部分称为环境。
环境
HCl＋ NaOH
桌子
研究对象 系统
υA = -a υB = -b υG = g
反应进度：为了方便表示化学反应进行程度， 比利时化学家唐德（Donder)引入反应进度概念。 ξ 单位 mol
aA + bB = gG + dD
ξ = ΔnB/υB
例：当3 mol N2 和10mol H2气混合通过合成塔 时，经过多次循环反应，最后有2mol NH3生成。 试分别以如下两个反应方程式为基础，计算反 应的进度。（a) N2 + 3 H2= 2 NH3