工程化学B第一章

11
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： 关系， 通式为：
0 = ∑ BB ν
B
νB 称为B 的化学计量数。符号规定： 反应物： νB为负；产物：νB为正。
附例1.1 附例 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
思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2) 钢瓶中；将理 思考 想气体的温度提高20C时，是否做了体积功？ 1)做体积功，2)未做体积功。 1)做体积功，2)未做体积功。 做体积功 未做体积功 功w也不是状态函数 也不是状态函数
首页 上一页 下一页 末页
23
一封闭系统，热力学能 从环境吸收热q 一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热 ，得功 w，变到状态 热力学能 2，则有： 热力学能U 则有： ，变到状态2,热力学能
首页 上一页 下一页 末页
17
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q 一般标注的是等压热效应 p。 思考：qp与qv相同吗？。
不相同
首页
上一页
下一页
末页
18
三、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？ 思考
q>0 U1 w>0 ΔU = q +w
无序能； 有序能； 热—无序能；功—有序能；能的品位不同。 无序能 有序能 能的品位不同。
（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
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
首页
上一页
下一页
末页
14
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(JK-1)， 比热容 为cs(JK-1kg-1 )，则：
首页 上一页 下一页 末页
2
2 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 化学继续推动材料科学发展 化学是提高人类生存质量和生存安全 的有效保障 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
首页 上一页 下一页 末页
3
3 学习的目的、内容和要求 学习的目的、
首页
上一页
下一页
末页
6
第一节 热化学
一、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。 系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。 环境：系统之外， 空间。 环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和 空间。
开放系统 有物质和能量交换
封闭系统 只有能量交换 图1.1 系统的分类
隔离系统 无物质和能量交换
系统压力从3p变为p°
图1.2 状态函数的性质
首页 上一页 下一页 末页
10
4
过程与途径
系统状态发生任何的变化称为过程； 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。 实现一个过程的具体步骤称途径
思考：过程与途径的区别。 思考 设想如果你要把20 的水烧开， 设想如果你要把 °C的水烧开，要完成“水烧开”这个 的水烧开 要完成“水烧开” 过程，你可以有多种具体的“途径” 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。 压烧；也可以在高压锅中加压烧。
首页
上一页
下一页
末页
7
2相 系统中任何物理和化学性质完全相同的、 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： 称为相。根据相的概念，系统可分为： 单相（均匀） 单相（均匀）系统 多相（不均匀） 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) 思考 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。
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。 研究现状(2000年) 研究现状 化合物>2000万种 时间分辨率：1 fs 空间分辨率：0.1nm 分析所需最小量：10-13 g。
q = cs ms (T2 T1) = 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
首页
上一页
下一页
末页
15
示例
例1.1 联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知： ：
m(N2H4 ) = 0.5000g
燃烧0.5g联氨放热为 解：燃烧 联氨放热为
m(H2O) =1210g
cb = 848J K1 T = 293.18K T2 = 294.82K 1
q = [q(H2O) + qb ] = [c(H2O) m(H2O)T + cbT] = (4.18×1210 +848) ×(294.82 293.18)J = 9690J = 9.69kJ
实验过程中无法控制生成产物完全是CO。 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。
首页
上一页
下一页
末页
19
四、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 封闭系统，不做非体积功时， 收热q 从环境得功w，则系统内能的增加U 收热 ，从环境得功 ，则系统内能的增加 (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 学中的的应用。
首页 上一页 下一页 末页
13
二、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。 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。 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 摩尔反应热指当反应进度为 时系统放出或吸 收的热量。 收的热量。
热量q不是状态函数 热量 不是状态函数
首页
上一页
下一页
末页
22
3
功与体积功
在物理或化学变化的过程中， 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。 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） 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。 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 所有其它的功统称为非体积功w 。 积功 体。所有其它的功统称为非体积功 ′。 w= w体+w ′
首页
上一页
下一页
末页
8
3
状态与状态函数
状态就是系统一切性质的总和。 状态就是系统一切性质的总和。有平衡和非平衡 态之分。 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， 状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或 全部变化。 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， 用于表示系统性质的物理量 称状态函数，如气体的 压力p、体积V、温度T 压力 、体积 、温度 等。
qp,m = 570kJ m 1 ol 2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；
若不注明T, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。 若不注明 p, 皆指在 ， 下 书写热化学方程式时应注意： 书写热化学方程式时应注意： 标明反应温度、压力及反应物、 标明反应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态； 量和状态；
首页
上一页
下一页
末页
9
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， 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。 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。
首页 上一页 下一页 末页
12
6
反应进度
dξ = dnB
的定义： 反应进度ξ 的定义：
νB
nB 为物质B的物质的量，d nB表示微小的变化量。或定义
ξ = [nB(ξ )- nB(0)]/vB
反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选择有关。
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。
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。 相同。
首页 上一页 下一页 末页
21
2
热
在物理或化学变化的过程中， 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。 存在温度差而交换的能量称为热。 热的符号规定： 热的符号规定： 系统吸热为正，系统放热为负。 系统吸热为正，系统放热为负。
ξ = (0 0.5)g / 32.0g m 1 /(1) = 0.0156m ol ol
qV,m = q / ξ = 9.69kJ / 0.0156m = 621.2kJ m 1 ol ol
首页
上一页
下一页
末页
16Байду номын сангаас
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， 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： 应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如： qV,m = 620kJ m 1 ol N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)；
其中，内能现称为热力学能。
首页
上一页
下一页
末页
20
1 热力学能
系统内部运动能量的总和。 系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平 转动、振动以及电子运动和核运动。 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： 内能的特征： 状态函数 无绝对数值 思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在
首页 上一页 下一页 末页
4
第 章 化学反应与能源
1
首页
上一页
下一页
末页
5
学习要求： 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。 。
学习目的
了解当代化学学科的概貌 用化学的观点分析、 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
理论化学：化学热力学、动力学， 理论化学：化学热力学、动力学，原子结构 应用化学： 化合物知识； 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
首页 上一页 下一页 末页
1
1 化学的定义与分支学科 定义： 定义：
化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、 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
化学的分支学科
无机化学： 无机化学：无机物 有机化学： 有机化学：碳氢化合物及衍生物 分析化学： 分析化学：测量和表征 物理化学： 物理化学：所有物质系统 高分子化学： 高分子化学：高分子化合物 若干新分支：环境化学、 若干新分支：环境化学、核化学等等
可逆过程 体系经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ之后， 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， 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。 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。 平衡条件下进行的过程。
首页 上一页 下一页 末页