化学反应能量关系
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无机化学
第三节化学反应中的能量关系
第一章 化学反应中的 质量关系和能量关系
第三节
化学反应中的能量关系
2007-5-27
化学反应是反应物分子中旧
键的削弱、断裂和产物分子新键
形成的过程。前者需要吸收能量,
后者则会释放能量。 因此，化学反应过程往往伴
随有能量的吸收或释放。
2007-5-27
如：煤燃烧时放热； 碳酸钙分解要吸热； 原电池反应可产生电能； 电解食盐水要消耗电能； 镁条燃烧时会放出耀眼的光； 叶绿素在光作用下使二氧化碳 和水转化为糖类
2007-5-27
热力学能(以往称内能) 热力学能(U)——体系内部能量的总和 包括体系内分子的内动能、分子间相互 作用能、分子内部能量，但不包括体系 整体运动的动能和在外力场中的位能。 由于体系内部质点的运动及相互作用很 复杂，所以体系热力学能的绝对值无法 测知。 是状态函数 U = U(终态) - U(始态) 单位——J、kJ
2007-5-27
1-3-1 基本概念和术语
体系和环境 1-3-1基本概念和术语 体系: 所需研究的那部分物质或空间。 环境: 体系之外与体系有一定联系的 其它物质或空间。 体系 物质 能量
环境
2007-5-27
敞开体系 体系 封闭体系 孤立体系
状态和状态函数 状态函数 能表征体系特性的宏观性质称为状态函数 如：物质的量、压力、体积、温度等。 状态函数的特点 (1)体系的状态一确定，各状态函数均有确 定值。 (2)体系状态发生变化时，各状态函数的改 变量，只与始态和终态有关，与变化的 途径无关。
赫斯(Hess)定律 在恒温恒压或恒温恒容条件下，体系不做 应用赫斯定律可以计算难以测定或无法 非体积功，则反应热只取决于反应的始态 用实验测定的反应热。 和终态，而与变化过程的具体途径无关。 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。 rHm C(s) + O2(g) CO2(g) H1 H2 1 CO(g) + 2 O2(g) rHm= H1+ H2 H1 = rHm-H2=[(-393.51)-(282.98)]kJ· -1 mol =-110.53 kJ· -1 mol
2007-5-27
反应焓变 U = Qp + W = Qp - pV U2-U1=Qp - p (V2-V1) Qp=(U2+pV2) – (U1+ pV1) 焓: H = U + PV 说明：（1）H 无明确物理意义 p（2）H2 1 是状态函数 （3）单位J、kJ （4）绝对值无法测知
2007-5-27
例2
反应
rHm/kJ· -1 序号 mol -292 -11.3 １ ２
计算fHm(CuO,s) 解:(2)式×2=3式:2CuO(s)+2Cu(s)→2Cu2O(s) (rHm)3=2(rHm)2=-22.6 kJ· -1 mol (3)式+(1)式=4式: 2Cu(s)+O2(g)→2CuO(s) (rHm)4=(rHm)3+(rHm)1 =-314.6 kJ· -1 mol (rHm)4 -314.6 kJ· -1 mol fHm(CuO,s)= = 2 2 =-157.3kJ· -1 mol
2007-5-27
状态和状态函数 △T1=350K-300K=50K 理想气体 理想气体 T=300K T=350K 理想气体 T=280K 状态函数的特点 (1)体系的状态一确定，各状态函数均有确 △T2=(350-280)K+(280-3000)K=50K 定值 (2)体系状态发生变化时，各状态函数的改 变量，只与始态和终态有关，与变化的 途径无关 (3)描述体系所处状态的各状态函数之间是 有联系的
2007-5-27
能量守恒定律——热力学第一定律 在任何变化过程中，能量不会自生自灭， 只能从一种形式转化为另一种形式，能量 总值不变。 封闭体系：始态(1) → 终态(2) U = U2 - U1 = Q + W
热力学能的变化等于体系从环境吸收的热 量加上环境对体系所做的功。
2007-5-27
2007-5-27
Hale Waihona Puke Baidu
298.15K H2O(g) 100kPa
rHm = -241.82 kJ· -1 mol 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, rHm不同 4.正、逆反应的Qp的绝对值相同, 符号相反
热化学方程式 如 H2(g) + 1 O2(g) 298.15K H2O(g) 2 100kPa
1-3-2 反应热和反应焓变
化学反应时，如果体系不做非体积功，当反 1-3-2 反应热和反应焓变 应终态的温度恢复到始态的温度时，体系所 吸收或放出的热量，称为该反应的反应热。 通常,反应热的数值为反应进度 =1mol(即发 生1mol反应) 时的反应热。 如： 2H2(g)+O2(g)→2H2O(l) Qp=-571.66kJ· -1 mol
rHm = [4fHm(NO,g) + 6fHm(H2O,g)] - [4fHm(NH3,g) + 5fHm(O2,g)] ={[4(90.25)+6(-241.82)]-[4(-46.11)]}kJ· -1 mol = -905.48kJ· -1 mol 计算时, 注意系数和正负号
2007-5-27
2007-5-27
热化学方程式 表示化学反应与热效应关系的方程式
如: H2(g) +
1 2 O2(g)
rHm = -241.82 kJ· -1 mol 表示在298.15K、101kPa下，当反应进度 1 =1mol时(1mol H2(g)与 2 mol O2(g)反应， 生成1mol H2O(g)时), 放出241.82kJ热量。 rHm——摩尔反应焓变
H2(g)+
1 2 O2(g)→H2O(l)
Qp=-285.83kJ· -1 mol
2007-5-27
恒压反应热和反应焓变 恒压反应热: 化学反应在恒温恒压条件下 进行，如果体系不做非体积功，此时的反 应热称为该反应的恒压反应热。 有气体参与的反应： 反应始态(1)→反应终态(2) U = Qp + W = Qp - pV 恒压反应热不等于体系热力学能的变化
2007-5-27
1-3-3标准摩尔反应焓变的计算
1-3-3应用标准摩尔生成焓计算标准 标准(状)态 摩尔反应焓变 物质 标准态 气体 液体 固体 溶液中 的溶质
2007-5-27
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· -1(近似为1mol· -1) kg L
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) rHm = -483.64 kJ· -1 mol
1 HgO(s) →Hg(l) + 2 O2(g) rHm = 90.83 kJ· mol 1 1 Hg(l) + 2 O2(g) →HgO(s) rHm = -90.83 kJ· -1 mol 2007-5-27
2007-5-27
2Cu2O(s)+O2(g) → 4CuO(s) CuO(s)+Cu(s) → Cu2O(s)
燃 烧 热
• 燃烧热∶２５oC、101kPa时，１mol纯物 质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的 热量，叫做该物质的燃烧热。单位为 KJ/mol。 如常温常压下，１mol甲烷完全燃烧放出 890.31KJ的热量，就是甲烷的燃烧热∶ CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l） △H=－890.31KJ/mol
Q = H - H = H
反应焓变 化学反应在封闭体系中、恒压条件下 进行，如果体系不做非体积功： H = H2 - H1 = Qp 化学反应的焓变等于恒压反应热 吸热反应：Qp > 0, H > 0 放热反应：Qp < 0, H < 0 如：2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) H＝Qp=-571.66kJ· -1 mol 1 H2(g) + 2 O2(g) → H2O(l) H＝ Qp=-285.83kJ· -1 mol
2007-5-27
标准摩尔反应焓变的计算 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。 化学反应： cC + dD = yY + zZ (任一物质均处于温度T 的标准态) rHm = [yfHm(Y) + zfHm(Z)] - [cfHm(C) + dfHm(D)]
标准摩尔生成焓 定义：标准态下，由最稳定的纯态单质生 成单位物质的量的某物质的焓变。 fHm/(kJ· -1 mol 物质 (即恒压反应热)) 稳定性 CaO(s) fHm -635.09 加热不分解 符号： 单位： mol-1 CuO(s) kJ· -157.3 高温时分解 注意： 1.最稳定纯态单质fHm=0, 如fHm(石墨)=0 2. fHm代数值越小, 化合物越稳定 3.必须注明温度，若为298.15K时可省略
2007-5-27
功和热 功和热是体系的状态发生变化时，体系与 环境之间传递或交换能量的两种形式。 环境对体系做功，W为正值； 热(Q)：体系和环境之间因温度不同而传 体系对环境做功，W为负值。 递或交换的能量的形式。 体系吸热，Q为正值；体系放热，Q为负值 功(W)：除了热之外，体系与环境之间其 [注意] 单位均为J、kJ 它的传递或交换能量的形式。 功和热不是状态函数 体积功:体系体积变化反抗外力所做的功 功 非体积功: 除体积功外的功，如电功
rHm=νi fHm(生成物)-νi fHm(反应物)
计算时,注意系数和正负号
2007-5-27
fHm/kJ· -1 -46.11 mol
例1 计算恒压反应: 4NH3(g)+5O2(g) → 4NO(g)+6H2O(g)的rHm 解： 4NH3(g)+5O2 → 4NO+6H2O(g) 0 90.25 -241.82
第三节化学反应中的能量关系
第一章 化学反应中的 质量关系和能量关系
第三节
化学反应中的能量关系
2007-5-27
化学反应是反应物分子中旧
键的削弱、断裂和产物分子新键
形成的过程。前者需要吸收能量,
后者则会释放能量。 因此，化学反应过程往往伴
随有能量的吸收或释放。
2007-5-27
如：煤燃烧时放热； 碳酸钙分解要吸热； 原电池反应可产生电能； 电解食盐水要消耗电能； 镁条燃烧时会放出耀眼的光； 叶绿素在光作用下使二氧化碳 和水转化为糖类
2007-5-27
热力学能(以往称内能) 热力学能(U)——体系内部能量的总和 包括体系内分子的内动能、分子间相互 作用能、分子内部能量，但不包括体系 整体运动的动能和在外力场中的位能。 由于体系内部质点的运动及相互作用很 复杂，所以体系热力学能的绝对值无法 测知。 是状态函数 U = U(终态) - U(始态) 单位——J、kJ
2007-5-27
1-3-1 基本概念和术语
体系和环境 1-3-1基本概念和术语 体系: 所需研究的那部分物质或空间。 环境: 体系之外与体系有一定联系的 其它物质或空间。 体系 物质 能量
环境
2007-5-27
敞开体系 体系 封闭体系 孤立体系
状态和状态函数 状态函数 能表征体系特性的宏观性质称为状态函数 如：物质的量、压力、体积、温度等。 状态函数的特点 (1)体系的状态一确定，各状态函数均有确 定值。 (2)体系状态发生变化时，各状态函数的改 变量，只与始态和终态有关，与变化的 途径无关。
赫斯(Hess)定律 在恒温恒压或恒温恒容条件下，体系不做 应用赫斯定律可以计算难以测定或无法 非体积功，则反应热只取决于反应的始态 用实验测定的反应热。 和终态，而与变化过程的具体途径无关。 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。 rHm C(s) + O2(g) CO2(g) H1 H2 1 CO(g) + 2 O2(g) rHm= H1+ H2 H1 = rHm-H2=[(-393.51)-(282.98)]kJ· -1 mol =-110.53 kJ· -1 mol
2007-5-27
反应焓变 U = Qp + W = Qp - pV U2-U1=Qp - p (V2-V1) Qp=(U2+pV2) – (U1+ pV1) 焓: H = U + PV 说明：（1）H 无明确物理意义 p（2）H2 1 是状态函数 （3）单位J、kJ （4）绝对值无法测知
2007-5-27
例2
反应
rHm/kJ· -1 序号 mol -292 -11.3 １ ２
计算fHm(CuO,s) 解:(2)式×2=3式:2CuO(s)+2Cu(s)→2Cu2O(s) (rHm)3=2(rHm)2=-22.6 kJ· -1 mol (3)式+(1)式=4式: 2Cu(s)+O2(g)→2CuO(s) (rHm)4=(rHm)3+(rHm)1 =-314.6 kJ· -1 mol (rHm)4 -314.6 kJ· -1 mol fHm(CuO,s)= = 2 2 =-157.3kJ· -1 mol
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状态和状态函数 △T1=350K-300K=50K 理想气体 理想气体 T=300K T=350K 理想气体 T=280K 状态函数的特点 (1)体系的状态一确定，各状态函数均有确 △T2=(350-280)K+(280-3000)K=50K 定值 (2)体系状态发生变化时，各状态函数的改 变量，只与始态和终态有关，与变化的 途径无关 (3)描述体系所处状态的各状态函数之间是 有联系的
2007-5-27
能量守恒定律——热力学第一定律 在任何变化过程中，能量不会自生自灭， 只能从一种形式转化为另一种形式，能量 总值不变。 封闭体系：始态(1) → 终态(2) U = U2 - U1 = Q + W
热力学能的变化等于体系从环境吸收的热 量加上环境对体系所做的功。
2007-5-27
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Hale Waihona Puke Baidu
298.15K H2O(g) 100kPa
rHm = -241.82 kJ· -1 mol 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, rHm不同 4.正、逆反应的Qp的绝对值相同, 符号相反
热化学方程式 如 H2(g) + 1 O2(g) 298.15K H2O(g) 2 100kPa
1-3-2 反应热和反应焓变
化学反应时，如果体系不做非体积功，当反 1-3-2 反应热和反应焓变 应终态的温度恢复到始态的温度时，体系所 吸收或放出的热量，称为该反应的反应热。 通常,反应热的数值为反应进度 =1mol(即发 生1mol反应) 时的反应热。 如： 2H2(g)+O2(g)→2H2O(l) Qp=-571.66kJ· -1 mol
rHm = [4fHm(NO,g) + 6fHm(H2O,g)] - [4fHm(NH3,g) + 5fHm(O2,g)] ={[4(90.25)+6(-241.82)]-[4(-46.11)]}kJ· -1 mol = -905.48kJ· -1 mol 计算时, 注意系数和正负号
2007-5-27
2007-5-27
热化学方程式 表示化学反应与热效应关系的方程式
如: H2(g) +
1 2 O2(g)
rHm = -241.82 kJ· -1 mol 表示在298.15K、101kPa下，当反应进度 1 =1mol时(1mol H2(g)与 2 mol O2(g)反应， 生成1mol H2O(g)时), 放出241.82kJ热量。 rHm——摩尔反应焓变
H2(g)+
1 2 O2(g)→H2O(l)
Qp=-285.83kJ· -1 mol
2007-5-27
恒压反应热和反应焓变 恒压反应热: 化学反应在恒温恒压条件下 进行，如果体系不做非体积功，此时的反 应热称为该反应的恒压反应热。 有气体参与的反应： 反应始态(1)→反应终态(2) U = Qp + W = Qp - pV 恒压反应热不等于体系热力学能的变化
2007-5-27
1-3-3标准摩尔反应焓变的计算
1-3-3应用标准摩尔生成焓计算标准 标准(状)态 摩尔反应焓变 物质 标准态 气体 液体 固体 溶液中 的溶质
2007-5-27
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· -1(近似为1mol· -1) kg L
2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g) rHm = -483.64 kJ· -1 mol
1 HgO(s) →Hg(l) + 2 O2(g) rHm = 90.83 kJ· mol 1 1 Hg(l) + 2 O2(g) →HgO(s) rHm = -90.83 kJ· -1 mol 2007-5-27
2007-5-27
2Cu2O(s)+O2(g) → 4CuO(s) CuO(s)+Cu(s) → Cu2O(s)
燃 烧 热
• 燃烧热∶２５oC、101kPa时，１mol纯物 质完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的 热量，叫做该物质的燃烧热。单位为 KJ/mol。 如常温常压下，１mol甲烷完全燃烧放出 890.31KJ的热量，就是甲烷的燃烧热∶ CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l） △H=－890.31KJ/mol
Q = H - H = H
反应焓变 化学反应在封闭体系中、恒压条件下 进行，如果体系不做非体积功： H = H2 - H1 = Qp 化学反应的焓变等于恒压反应热 吸热反应：Qp > 0, H > 0 放热反应：Qp < 0, H < 0 如：2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) H＝Qp=-571.66kJ· -1 mol 1 H2(g) + 2 O2(g) → H2O(l) H＝ Qp=-285.83kJ· -1 mol
2007-5-27
标准摩尔反应焓变的计算 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。 化学反应： cC + dD = yY + zZ (任一物质均处于温度T 的标准态) rHm = [yfHm(Y) + zfHm(Z)] - [cfHm(C) + dfHm(D)]
标准摩尔生成焓 定义：标准态下，由最稳定的纯态单质生 成单位物质的量的某物质的焓变。 fHm/(kJ· -1 mol 物质 (即恒压反应热)) 稳定性 CaO(s) fHm -635.09 加热不分解 符号： 单位： mol-1 CuO(s) kJ· -157.3 高温时分解 注意： 1.最稳定纯态单质fHm=0, 如fHm(石墨)=0 2. fHm代数值越小, 化合物越稳定 3.必须注明温度，若为298.15K时可省略
2007-5-27
功和热 功和热是体系的状态发生变化时，体系与 环境之间传递或交换能量的两种形式。 环境对体系做功，W为正值； 热(Q)：体系和环境之间因温度不同而传 体系对环境做功，W为负值。 递或交换的能量的形式。 体系吸热，Q为正值；体系放热，Q为负值 功(W)：除了热之外，体系与环境之间其 [注意] 单位均为J、kJ 它的传递或交换能量的形式。 功和热不是状态函数 体积功:体系体积变化反抗外力所做的功 功 非体积功: 除体积功外的功，如电功
rHm=νi fHm(生成物)-νi fHm(反应物)
计算时,注意系数和正负号
2007-5-27
fHm/kJ· -1 -46.11 mol
例1 计算恒压反应: 4NH3(g)+5O2(g) → 4NO(g)+6H2O(g)的rHm 解： 4NH3(g)+5O2 → 4NO+6H2O(g) 0 90.25 -241.82