无机化学—第一章热化学
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7
理想气体状态方程
pV = nRT
p——气体的压力，单位为帕(Pa) V——体积，单位为立方米(m3) n——物质的量，单位为摩(mol) T——热力学温度，单位为“开”(K) R——摩尔气体常数 (8.314 J∙mol-1∙K-1)
从微观上看，理想气体的分子有质量，无体积，是质点；每个分子在
气体中的运动是独立的，与其他分子无相互作用，碰到容器器壁之前
rHm = [4 fHm(NO,g) + 6 fHm(H2O,g)] - [4 fHm(NH3,g) + 5 fHm(O2,g)]
={[4(90.25)+6(-241.82)]-[4(-46.11)]}kJ·mol-1 = -905.48kJ·mol-1
※ 计算时,注意系数和正负号
27
例
反应
rHm/kJ·mol-1 序号
2Cu2O(s)+O2(g) → 4CuO(s)
-292
1
CuO(s)+Cu(s) → Cu2O(s)
-11.3
2
计算 fHm (CuO,s)
解：(2)式×2，得： 2CuO(s)+2Cu(s)→2Cu2O(s) 3
(3)式+ (1)式，得： 2Cu(s)+O2(g)→2CuO(s) 4
(rHm)3=2(rHm)2=-22.6 kJ·mol-1
6
1.1 几个基本概念
❖ 状态：是指用来描述系统压力 p,体积 V, 质量 m和 组成等各种宏观性质的综合表现；
❖ 状态函数：是用来描述系统状态的物理量，如 p,V T,以及内能 U,焓 H,熵 S ；
状态一定,状态函数确定 状态函数之间的关系称为状态方程;
状态函数的性质分为两类: (1) 广度性质:具有加和性与物质的量有关 (2) 强度性质;如温度,压力,密度等
22
2.2 化学反应的反应热与焓
❖ 盖斯(Hess)定律
一个化学反应如果分几步完成，则总反应的反应 热等于各步反应的反应热之和。 即化学反应的焓变只取决于反应的始态和终态， 而与变化过程的具体途径无关。
C(s) + O2(g) rHm CO2(g)
H1
CO(g)
+
1 2
O2(g)
H2
rHm= H1+ H2
“在任何过程中，能量既不能创造，也不能消 灭， 只能从一种形式转化为另一种形式。”
基本概念：
❖ 状态和状态函数 ❖ 热力学能 ❖热 ❖功
16
2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
❖ 状态与状态函数
状态确定 其值确定
殊途同归 值变相等
周而复始 值变为零
状态函数的基本特征
理想气体 T=300K
理想气体 T=280K
量。
❖ 定容反应热 qV
V2 =V1 △V =0 ∵ △U =q +w
❖ 定压反应热 qP
p2 =p1 =p ∵ △U =q -p△V
∴ △U =q -p△V =qV
∴ qp =△U +p△V
21
2.2 反应热与焓
❖ 定压反应热 qp 与焓
qp =△U +p△V
qp=（U2-U1）+ p（V2-V1） 即： qp=（U2+ p2V2）-（U1+ p1V1） 令： H = U + pV 称：焓 则：qp =H2-H1=ΔH ΔH <0 qp <0 恒压反应系统放热; ΔH >0 qp >0 恒压反应系统吸热。
30
3.1 能源
• 常规能源
煤炭、石油、天然气、生物质能、 水能等
• 新能源 核能、氢能、太阳能、风能、地热能、 海洋能等
31
3.2 能源开发
❖ 氢能 一种理想的最有前途的二次能源，特点是热值高 （为煤的6倍左右）；原料是水，资源用之不尽； 无污染。
最理想的制取氢气的方法是用太阳能分解水，核 心是寻找适合紫外光分解水的催化剂，21世纪可 能会有重大突破。目前用过渡金属化合物储氢， 寻找更有效的储氢方法是氢能成功利用的重要课 题。
第一章 热化学与能源
基本要求
❖ 理解热力学相关概念；状态函数、标准状态的概 念和热化学定律的意义。
❖ 理解等压热效应(qp)与反应中的焓变的关系，了解 等容热效应qv与热力学能变的关系；
❖ 初步掌握化学反应的标准摩尔焓变的近似计算。
2
主要内容
❖ 热化学
1. 几个基本概念 2. 热效应及其测量
❖ 反应热与焓
❖ 反应进度(了解）
化学进度（ξ）:表示化学反应进行的程度，mol
dξ =dnB /νB
任一化学反应各反应物及产物的改变量(△nB)均与 反应进度(ξ)及各自的计量系数(νB)有关。
nB =νBξ
化学计量数和反应进度与反应方程式的书写有关 10
1.2 热效应及其测量 ❖ 热效应（p8）
反应热：化学反应引起吸收或放出的热量。 原子重新排列组合的过程：键断裂和生成
(rHm)4=(rHm)3+(rHm)1 =-314.6 kJ·mol-1
fHm(CuO,s)=
(rHm)4 2
=
-314.6 kJ·mol-1 2
=-157.3kJ·mol-1
28
§1-3 能源及其有效与清洁利用
29
3.1 能源
能源是指能提供能量的源泉或资源。人类的文明 始于火的使用，燃烧现象是人类最早的化学实践 之一，燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人 类巧妙地利用化学变化过程中所伴随的能量变化， 创造了五光十色的物质文明。
33
3.2 能源开发
❖ 其他新能源
核能、地热能、生物能、潮汐能、风能等也 是目前清洁的新能源开发研究领域。
太阳能光解制氢及高性能储氢合金的研究 是目前的焦点与热点。
34
小结
基本概念：系统、环境、状态、状态函数、反应 热、功、化学计量数、反应进度等
盖斯定律 热力学第一定律： ΔU = q + w 标准摩尔生成焓（ fHm）
△T=350K-300K=50K
理想气体 T=350K
17
2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
❖ 热力学能 即内能—系统内部能量的总和。
符号：U ， 单位：kJmol-1。 U 是状态函数；
无绝对数值； 其值与n 成正比。
包括分子平动能、 分子振动能、分子 转动能、电子运 动能、核能等
18
2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
19
2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
❖ 热力学第一定律的表达式
ΔU = U2 - U1 = q + w
一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q， 对环境做功w，变到状态2, 热力学能U2， 则有：
q> 0
w<0
20
2.2 反应热与焓
❖ 化学反应热
指等温过程热，即当系统发生变化后，反应产物的 温度恢复到始态的温度时，体系所吸收或放出的热
25
2.2 反应标准摩尔焓变
❖ 反应的标准摩尔焓变（ rHm ）
化学反应的标准摩尔反应焓变等于生成物的 标准摩尔生成焓的总和减去反应物的标准摩 尔生成焓的总和。
例 化学反应： cC + dD = yY + zZ
rHm = [yfHm(Y) + zfHm(Z)] - [cfHm(C) + dfHm(D)]
表示化学反应与热效应关系的方程式。
如
H2(g) +
1 2
O2(g)
298.15K 100kPa
H2O(g)
rHm = -241.82 kJ·mol-1
注意：
1. 注明反应的温度、压力等。
2. 注明各物质的聚集状态。
3. 同一反应,反应式系数不同, 反应热不同 。
14
§1-2 反应热与焓
15
2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
标准摩尔反应焓（ rHm） rHm =ifHm (生成物)+ifHm (反应物)
注意系数及正负号
1．热力学第一定律 2．反应热与焓 3．反应标准摩尔焓变
❖ 能源的合理利用
3
§1-1 热化学
4
1.1 几个基本概念
❖ 系统：作为研究对象的那一部分物质 ❖ 环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质。
物质
系统 能量 环境
敞开系统
封闭系统
隔离系统
5
1.1 几个基本概念
❖ 相：系统中任何物理和化学性质完全相同的部分； 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。
等容 热效应
qV
等压 热效应
qp
11
1.2 热效应及其测量 ❖ 热效应的测量
计算公式： q＝－csms(T2-T1)＝－csms△T =－CS△T cs 比热容，Cs 称为热容
热效应的数值大小与具体途径有关
12
1.2 反应热的测量
❖ 测量装置——氧弹式量热计（了解）
13
1.2 反应热的测量
❖ 热化学方程式
24
2.3 反应标准摩尔焓变
❖ 标准摩尔生成焓（ fHm ）
标准态下，由指定单质生成单位物质的量的 纯物质时反应的焓变(即等压反应热)。
单位: kJ·mol-1
例 C(s)+O2(g)→CO2(g)
ΔfHm(CO2,g,T)=-393.51 kJ·mol-1
生成焓的负值越大，表明该物质键能越
大，对热越稳定。
32
3.2 能源开发
❖ 太阳能
太阳能是指太阳辐射能，是地球上最根本、最丰富的能 源。煤、石油中的化学能是由太阳能转化而成的，风能、 生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳能是非常 巨大的。太阳能利用的难题是能量密度较低，太阳能的
收集与转换是关键课题。 。
目前利用方式有三种：
光转变为热能（通过集热器进行光热转换）； 光转变为电能（通过太阳能电池进行光电转换）； 光转变为化学能（光解制氢与氧）。
rHm =ifHm (生成物) +ifHm (反应物)
※ 计算时,注意系数和正负号
26
例 计算等压反应:
4NH3(g)+5O2(g) → 4NO(g)+6H2O(g)的rHm
解：
4NH3(g)+5O2 → 4NO+6H2O(g)
fHm/kJ·mol-1 -46.11 0 90.25 -241.82
B 称化学计量数，B为各反应物和产ห้องสมุดไป่ตู้的质量
B的符号： a、c为负；g、d为正
例 N2 + 3H2 = 2NH3 0 = - N2 - 3H2 + 2NH3
= (N2)N2 + (H2)H2 + (NH3)NH3
(N2) = -1, (H2) = -3, (NH3) = 2
9
1.1 几个基本概念
❖ 热和功 热力学中将能量交换形式分为热和功。
热q ：是系统与环境因温度不同而传递的能量。
单位：kJ；q不是状态函数； 无序能 系统吸热：q > 0 ；系统放热：q < 0
功w 分为：体积功 w (w=-PΔV)；非体积功 w′。 单位：kJ；w 不是状态函数；（有序能）
系统对环境作功: w <0；环境对系统作功: w>0。
作匀速直线运动；理想气体分子只与器壁发生碰撞，碰撞过程中气体
分子在单位时间里施加于器壁单位面积冲量的统计平均值，宏观上表
现为气体的压强。
从宏观上看.理想气体是一种无限稀薄的气体
8
1.1 几个基本概念
❖ 化学计量数和反应进度
对于一般的反应： aA+cC==gG+dD
其化学反应计量方程为： 0=B BB
通式：
rH= ∑i△rHi
23
2.3 反应标准摩尔焓变
❖ 热力学标准状态
物质
气体
液体 固体
溶液中的 溶质
标准态
标准压力(p =100kPa)下纯气体 标准压力(p =100kPa)下 纯液体、纯固体、
标准压力(p )下质量摩尔浓度为 1mol·kg-1(近似为1mol·L-1)
无温度限定，一般选T = 298.15 K
理想气体状态方程
pV = nRT
p——气体的压力，单位为帕(Pa) V——体积，单位为立方米(m3) n——物质的量，单位为摩(mol) T——热力学温度，单位为“开”(K) R——摩尔气体常数 (8.314 J∙mol-1∙K-1)
从微观上看，理想气体的分子有质量，无体积，是质点；每个分子在
气体中的运动是独立的，与其他分子无相互作用，碰到容器器壁之前
rHm = [4 fHm(NO,g) + 6 fHm(H2O,g)] - [4 fHm(NH3,g) + 5 fHm(O2,g)]
={[4(90.25)+6(-241.82)]-[4(-46.11)]}kJ·mol-1 = -905.48kJ·mol-1
※ 计算时,注意系数和正负号
27
例
反应
rHm/kJ·mol-1 序号
2Cu2O(s)+O2(g) → 4CuO(s)
-292
1
CuO(s)+Cu(s) → Cu2O(s)
-11.3
2
计算 fHm (CuO,s)
解：(2)式×2，得： 2CuO(s)+2Cu(s)→2Cu2O(s) 3
(3)式+ (1)式，得： 2Cu(s)+O2(g)→2CuO(s) 4
(rHm)3=2(rHm)2=-22.6 kJ·mol-1
6
1.1 几个基本概念
❖ 状态：是指用来描述系统压力 p,体积 V, 质量 m和 组成等各种宏观性质的综合表现；
❖ 状态函数：是用来描述系统状态的物理量，如 p,V T,以及内能 U,焓 H,熵 S ；
状态一定,状态函数确定 状态函数之间的关系称为状态方程;
状态函数的性质分为两类: (1) 广度性质:具有加和性与物质的量有关 (2) 强度性质;如温度,压力,密度等
22
2.2 化学反应的反应热与焓
❖ 盖斯(Hess)定律
一个化学反应如果分几步完成，则总反应的反应 热等于各步反应的反应热之和。 即化学反应的焓变只取决于反应的始态和终态， 而与变化过程的具体途径无关。
C(s) + O2(g) rHm CO2(g)
H1
CO(g)
+
1 2
O2(g)
H2
rHm= H1+ H2
“在任何过程中，能量既不能创造，也不能消 灭， 只能从一种形式转化为另一种形式。”
基本概念：
❖ 状态和状态函数 ❖ 热力学能 ❖热 ❖功
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2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
❖ 状态与状态函数
状态确定 其值确定
殊途同归 值变相等
周而复始 值变为零
状态函数的基本特征
理想气体 T=300K
理想气体 T=280K
量。
❖ 定容反应热 qV
V2 =V1 △V =0 ∵ △U =q +w
❖ 定压反应热 qP
p2 =p1 =p ∵ △U =q -p△V
∴ △U =q -p△V =qV
∴ qp =△U +p△V
21
2.2 反应热与焓
❖ 定压反应热 qp 与焓
qp =△U +p△V
qp=（U2-U1）+ p（V2-V1） 即： qp=（U2+ p2V2）-（U1+ p1V1） 令： H = U + pV 称：焓 则：qp =H2-H1=ΔH ΔH <0 qp <0 恒压反应系统放热; ΔH >0 qp >0 恒压反应系统吸热。
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3.1 能源
• 常规能源
煤炭、石油、天然气、生物质能、 水能等
• 新能源 核能、氢能、太阳能、风能、地热能、 海洋能等
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3.2 能源开发
❖ 氢能 一种理想的最有前途的二次能源，特点是热值高 （为煤的6倍左右）；原料是水，资源用之不尽； 无污染。
最理想的制取氢气的方法是用太阳能分解水，核 心是寻找适合紫外光分解水的催化剂，21世纪可 能会有重大突破。目前用过渡金属化合物储氢， 寻找更有效的储氢方法是氢能成功利用的重要课 题。
第一章 热化学与能源
基本要求
❖ 理解热力学相关概念；状态函数、标准状态的概 念和热化学定律的意义。
❖ 理解等压热效应(qp)与反应中的焓变的关系，了解 等容热效应qv与热力学能变的关系；
❖ 初步掌握化学反应的标准摩尔焓变的近似计算。
2
主要内容
❖ 热化学
1. 几个基本概念 2. 热效应及其测量
❖ 反应热与焓
❖ 反应进度(了解）
化学进度（ξ）:表示化学反应进行的程度，mol
dξ =dnB /νB
任一化学反应各反应物及产物的改变量(△nB)均与 反应进度(ξ)及各自的计量系数(νB)有关。
nB =νBξ
化学计量数和反应进度与反应方程式的书写有关 10
1.2 热效应及其测量 ❖ 热效应（p8）
反应热：化学反应引起吸收或放出的热量。 原子重新排列组合的过程：键断裂和生成
(rHm)4=(rHm)3+(rHm)1 =-314.6 kJ·mol-1
fHm(CuO,s)=
(rHm)4 2
=
-314.6 kJ·mol-1 2
=-157.3kJ·mol-1
28
§1-3 能源及其有效与清洁利用
29
3.1 能源
能源是指能提供能量的源泉或资源。人类的文明 始于火的使用，燃烧现象是人类最早的化学实践 之一，燃烧把化学与能源紧密地联系在一起。人 类巧妙地利用化学变化过程中所伴随的能量变化， 创造了五光十色的物质文明。
33
3.2 能源开发
❖ 其他新能源
核能、地热能、生物能、潮汐能、风能等也 是目前清洁的新能源开发研究领域。
太阳能光解制氢及高性能储氢合金的研究 是目前的焦点与热点。
34
小结
基本概念：系统、环境、状态、状态函数、反应 热、功、化学计量数、反应进度等
盖斯定律 热力学第一定律： ΔU = q + w 标准摩尔生成焓（ fHm）
△T=350K-300K=50K
理想气体 T=350K
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2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
❖ 热力学能 即内能—系统内部能量的总和。
符号：U ， 单位：kJmol-1。 U 是状态函数；
无绝对数值； 其值与n 成正比。
包括分子平动能、 分子振动能、分子 转动能、电子运 动能、核能等
18
2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
19
2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
❖ 热力学第一定律的表达式
ΔU = U2 - U1 = q + w
一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q， 对环境做功w，变到状态2, 热力学能U2， 则有：
q> 0
w<0
20
2.2 反应热与焓
❖ 化学反应热
指等温过程热，即当系统发生变化后，反应产物的 温度恢复到始态的温度时，体系所吸收或放出的热
25
2.2 反应标准摩尔焓变
❖ 反应的标准摩尔焓变（ rHm ）
化学反应的标准摩尔反应焓变等于生成物的 标准摩尔生成焓的总和减去反应物的标准摩 尔生成焓的总和。
例 化学反应： cC + dD = yY + zZ
rHm = [yfHm(Y) + zfHm(Z)] - [cfHm(C) + dfHm(D)]
表示化学反应与热效应关系的方程式。
如
H2(g) +
1 2
O2(g)
298.15K 100kPa
H2O(g)
rHm = -241.82 kJ·mol-1
注意：
1. 注明反应的温度、压力等。
2. 注明各物质的聚集状态。
3. 同一反应,反应式系数不同, 反应热不同 。
14
§1-2 反应热与焓
15
2.1 热力学第一定律（能量守恒定律）
标准摩尔反应焓（ rHm） rHm =ifHm (生成物)+ifHm (反应物)
注意系数及正负号
1．热力学第一定律 2．反应热与焓 3．反应标准摩尔焓变
❖ 能源的合理利用
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§1-1 热化学
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1.1 几个基本概念
❖ 系统：作为研究对象的那一部分物质 ❖ 环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质。
物质
系统 能量 环境
敞开系统
封闭系统
隔离系统
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1.1 几个基本概念
❖ 相：系统中任何物理和化学性质完全相同的部分； 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。
等容 热效应
qV
等压 热效应
qp
11
1.2 热效应及其测量 ❖ 热效应的测量
计算公式： q＝－csms(T2-T1)＝－csms△T =－CS△T cs 比热容，Cs 称为热容
热效应的数值大小与具体途径有关
12
1.2 反应热的测量
❖ 测量装置——氧弹式量热计（了解）
13
1.2 反应热的测量
❖ 热化学方程式
24
2.3 反应标准摩尔焓变
❖ 标准摩尔生成焓（ fHm ）
标准态下，由指定单质生成单位物质的量的 纯物质时反应的焓变(即等压反应热)。
单位: kJ·mol-1
例 C(s)+O2(g)→CO2(g)
ΔfHm(CO2,g,T)=-393.51 kJ·mol-1
生成焓的负值越大，表明该物质键能越
大，对热越稳定。
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3.2 能源开发
❖ 太阳能
太阳能是指太阳辐射能，是地球上最根本、最丰富的能 源。煤、石油中的化学能是由太阳能转化而成的，风能、 生物能、海洋能等其实也都来自太阳能。太阳能是非常 巨大的。太阳能利用的难题是能量密度较低，太阳能的
收集与转换是关键课题。 。
目前利用方式有三种：
光转变为热能（通过集热器进行光热转换）； 光转变为电能（通过太阳能电池进行光电转换）； 光转变为化学能（光解制氢与氧）。
rHm =ifHm (生成物) +ifHm (反应物)
※ 计算时,注意系数和正负号
26
例 计算等压反应:
4NH3(g)+5O2(g) → 4NO(g)+6H2O(g)的rHm
解：
4NH3(g)+5O2 → 4NO+6H2O(g)
fHm/kJ·mol-1 -46.11 0 90.25 -241.82
B 称化学计量数，B为各反应物和产ห้องสมุดไป่ตู้的质量
B的符号： a、c为负；g、d为正
例 N2 + 3H2 = 2NH3 0 = - N2 - 3H2 + 2NH3
= (N2)N2 + (H2)H2 + (NH3)NH3
(N2) = -1, (H2) = -3, (NH3) = 2
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1.1 几个基本概念
❖ 热和功 热力学中将能量交换形式分为热和功。
热q ：是系统与环境因温度不同而传递的能量。
单位：kJ；q不是状态函数； 无序能 系统吸热：q > 0 ；系统放热：q < 0
功w 分为：体积功 w (w=-PΔV)；非体积功 w′。 单位：kJ；w 不是状态函数；（有序能）
系统对环境作功: w <0；环境对系统作功: w>0。
作匀速直线运动；理想气体分子只与器壁发生碰撞，碰撞过程中气体
分子在单位时间里施加于器壁单位面积冲量的统计平均值，宏观上表
现为气体的压强。
从宏观上看.理想气体是一种无限稀薄的气体
8
1.1 几个基本概念
❖ 化学计量数和反应进度
对于一般的反应： aA+cC==gG+dD
其化学反应计量方程为： 0=B BB
通式：
rH= ∑i△rHi
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2.3 反应标准摩尔焓变
❖ 热力学标准状态
物质
气体
液体 固体
溶液中的 溶质
标准态
标准压力(p =100kPa)下纯气体 标准压力(p =100kPa)下 纯液体、纯固体、
标准压力(p )下质量摩尔浓度为 1mol·kg-1(近似为1mol·L-1)
无温度限定，一般选T = 298.15 K