浙江大学普通化学(第六版)第一章课件-热化学与能源

教材：《普通化学》 (第六版)
浙江大学普通化学教研组编
徐端钧 方文军 聂晶晶 沈宏修订
高等教育出版社，北京 出版年：2011年6月
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1
绪论
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，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。 化学的分支比较多。 研究现状(2000年) 化合物>2000万种 时间分辨率：1 fs (飞秒（femtosecond）1 飞秒 为千万亿分之一秒 ) 空间分辨率：0.1nm 分析所需最小量：10-13 g。
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5
具体课程要求安排：
40 + 8
理论学习：认真听课、做好笔记；及时消化、 完成作业 实践学习：实验前写好预习报告，实验后及时 完成实验报告。 课程考核：理论考试占80%左右 实验占15%左右 平时占5%左右
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6
第
1章
热化学与能源
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条件是恒容，后者的反应条件是恒压。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？ 答：定容反应热
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1
反应热的实验测量方法
设有n mol物质完全反应，所 放出的热量使弹式量热计与 恒温水浴的温度从T1上升到 T2，弹式量热计与恒温水浴 的热容为Cs(J· K-1)， 比热容 为cs(J· K-1kg-1 )，则：
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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：
U1
q>0
w>0
ΔU = q +w
U2
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27
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 / A，因 此，体积功
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4
课程要求
1.课前预习，浏览一遍今天老师要讲什么，在心 理上有个准备； 2.课堂上，准备一笔记本，注意听记，这是提高 听课效率确保不走神，能跟上讲课思路的最佳 方法；其二，笔记内容为课后复习以及期末的 复习重要依据； 3. 下课时，请静坐 1 分钟时间，回顾一下本节课 讲了什么； 4.课后复习总结，包括做习题作业、看参考书等， 希望对每一章以自己的方法、思路能总结一下， 期末时只要看自己的总结就能复习全书。
V2 p1V1 / p2 100000 Pa 22.410-3 m3 / 50000 Pa 44.810-3 m3
w体 p外V 50000 Pa (44.8 22.4) 103 m3 1120 J
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7
目录
1.1 热化学 1.2 反应热与焓 1.3 能源的合理利用
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
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8
1 .1
热化学
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。
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3
状态与状态函数
状态就是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。 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。
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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？ 相同。
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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。 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
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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。
qV,m q / 9.69kJ / 0.0156mol 621.2kJ mol 1
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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： 1 q 620 kJ mol N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)； V,m
开放系统 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
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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。
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
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5
理想气体的体积功
pV nRT
根据理想气体的状态方程：
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。 解：终态平衡时的体积为：
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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。（特点） 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。
系统压力从3pº 变为p°
图1.2 状态函数的性质
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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，内能现称为热力学能。
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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。
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
1 q 570 kJ mol 2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； p,m
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；
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反应热与反应式的化学计量数有关；
2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；
q p,m 570kJ mol 1
mol-1 H2(g)+1/2O2(g)=H2O (l)； qp,m=-285 kJ·
一般标注的是等压热效应qp。 思考：qp与qv相同吗？。
不相同
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1.2 反应热与焓
并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：
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5
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， 通式为：
0

B
B
源自文库
B
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。 没有量纲的纯数
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 应计量方程式： N2 + 3H2 == 2NH3 解：用化学反应通式表示为： 0= - N2 - 3H2 + 2NH3
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3
2 学习的目的、内容和要求
学习目的
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,以 实现对学生的高素质化学通才教育。
学习内容
理论化学：两条“主线” 【宏观（1-4）和微观结构及物质 性 质（5-8）】 应用化学： 化合物知识；化学在相关学科中的应用 实验化学 学习要求 辨证的思维 发展的眼光 实践的方法
2C(s) + O2(g) == 2CO(g)
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。
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1.2.1
热力学第一定律
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，则系统内能的增加ΔU (U2 – U1)为： ΔU = q + w
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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。 特点：①状态一定,状态函数一定。 ② 状态变化,状态函数也随之而变,且 状态函数的变化值只与始态、终态 有关,而与变化途径无关。 注意：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？
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1.1.2
热效应及其测量
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。
思考：反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者的反应
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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。
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。
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1 化学的地位和作用 化学仍是解决食物短缺问题的主要学 科之一 （农作物丰产，杂交水稻） 化学继续推动材料科学发展 （高分子复合 材料的研发） 化学是提高人类生存质量和生存安全的 有效保障 （提倡绿色化学，有机食品等） 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 化学是生命科学的重要支柱
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 ′
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？
1)做体积功，2)未做体积功。 功w也不是状态函数
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6
反应进度
d dnB
反应进度ξ 的定义：
B nB 为物质B的物质的量，d nB表示微小的变化量。或定 义
反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关。
思考：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： 0 = –N2 – 3H2 + 2NH3 ，当有1mol NH3生成时，反应进度为0.5mol。若将反应写成 1 3 N 2 H 2 NH 3 2 2 则反应进度为1 mol。
q cs ms (T2 T 1) Cs T
由于完全反应，ξ = n 因此摩尔反应热：
qm q / n
图1.3 弹式量热计
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示例
例1.1 联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：
m( N 2 H 4 ) 0.5000g m(H 2 O) 1210g cb 848J K 1 T1 293.18K T2 294.82K
解：燃烧0.5g联氨放热为
q [q(H 2 O) qb ] [c(H 2 O) m(H 2 O)T cb T ] (4.18 1210 848) (294.82 293.18)J 9690J 9.69kJ
(0 0.5)g / 32.0g mol 1 /( 1) 0.0156mol