第二章--化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院普通化學(xué)教案第二章 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)（8學(xué)時）課 題第二章 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)課次第一講（2學(xué)時）教學(xué)目的（1）理解狀態(tài)函數(shù)的概念及其特點(2)理解過程和途徑的區(qū)別（3）理解熱和功的概念及其符號規(guī)定.重點難點狀態(tài)函數(shù)的基本特點熱和功的符號規(guī)定及計算教學(xué)過程2-1 熱力學(xué)的一些基本概念教學(xué)方法講授課的類型基礎(chǔ)課21 熱力學(xué)的一些基本概念一系統(tǒng)和環(huán)境 系統(tǒng)是被人為地劃定的作為研究對象的物質(zhì)(又叫體系或物系)。除系統(tǒng)外的物質(zhì)世界就是環(huán)境。體系分類：孤立系統(tǒng)：與環(huán)境既無物質(zhì)交換又無能量交換。 開放系統(tǒng)：與環(huán)境既有物質(zhì)交換又有能量交換。 封閉系統(tǒng)： 與環(huán)境無物質(zhì)交換而有能量交換。 二狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)在熱力學(xué)中，為了描述一個系統(tǒng)，必須確定它的一系列性質(zhì)，即物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，如溫度、壓力、體積、密度、組成等。當(dāng)系統(tǒng)的所有物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都有確定的值，則稱這個系統(tǒng)處于一定的狀態(tài)。所以系統(tǒng)的狀態(tài)是由一系列表征系統(tǒng)性質(zhì)的物理量所確定下來的系統(tǒng)的存在形式，是其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的綜合表現(xiàn)。系統(tǒng)的狀態(tài)是由許多宏觀的物理量來描述和確定的。例如，氣體的溫度、壓力、體積以及物質(zhì)的量等宏觀物理量確定了，則該氣體系統(tǒng)的狀態(tài)也就確定了。只要其中一個物理量改變，則體系的狀態(tài)就會發(fā)生變化，變化前的狀態(tài)叫始態(tài)，變化后的狀態(tài)叫終態(tài)。系統(tǒng)的每一狀態(tài)都具有許多物理和化學(xué)性質(zhì)，狀態(tài)一定，系統(tǒng)的性質(zhì)也就一定，狀態(tài)改變，系統(tǒng)的性質(zhì)也隨之變化。在熱力學(xué)中把用來說明、確定系統(tǒng)所處狀態(tài)的系統(tǒng)性質(zhì)叫做狀態(tài)函數(shù)。例如p、V、T及后面要介紹的非常重要的熱力學(xué)能U、焓H、熵S和吉布斯自由能G等均是狀態(tài)函數(shù)。狀態(tài)函數(shù)的特點：一是當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)確定后，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)即狀態(tài)函數(shù)就有確定的數(shù)值，亦即系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)是狀態(tài)的單值函數(shù)；二是狀態(tài)函數(shù)的變化值只決定于系統(tǒng)的始態(tài)和終態(tài)，而與狀態(tài)發(fā)生變化時所經(jīng)歷的具體途徑無關(guān)。無論經(jīng)歷多么復(fù)雜的變化，只要系統(tǒng)恢復(fù)原狀，則狀態(tài)函數(shù)也恢復(fù)原狀。狀態(tài)函數(shù)按其性質(zhì)可分為兩大類：（1）廣度性質(zhì)：又稱容量性質(zhì)，當(dāng)將系統(tǒng)分割成若干部分時，系統(tǒng)的某性質(zhì)等于各部分該性質(zhì)之和，即廣度性質(zhì)的值與系統(tǒng)中物質(zhì)的量成正比，具有加和性。體積、質(zhì)量、熱力學(xué)能、熵、焓、吉布斯自由能等均是廣度性質(zhì)。（2）強度性質(zhì)：此類性質(zhì)不具有加和性，其值與系統(tǒng)中物質(zhì)的量多少無關(guān)，僅決定于系統(tǒng)本身的特性。例如，兩杯298K的水混合，水溫仍是298K，而不是596K。溫度、壓力、密度、粘度等均是強度性質(zhì)。應(yīng)當(dāng)指出，兩個廣度性質(zhì)的比值，是一個新的強度性質(zhì)。如摩爾體積、摩爾質(zhì)量、密度、濃度等就是強度性質(zhì)。強度性質(zhì)不必指定物質(zhì)的量就可以確定。三過程和途徑當(dāng)系統(tǒng)與環(huán)境之間發(fā)生物質(zhì)交換和能量交換時，系統(tǒng)的狀態(tài)就會發(fā)生變化，人們把狀態(tài)變化的經(jīng)過稱為過程，而把完成變化的具體步驟稱為途徑。一個過程可以由多種不同的途徑來實現(xiàn)，而每一途徑常由幾個步驟組成。例如，在101.325kPa下，將25水加熱到75的過程，可以通過多種途徑達到。如途徑，直接加熱升溫到75；途徑，先把水加熱到90，然后再冷卻到75。熱力學(xué)常見的過程有：（1）定溫過程：系統(tǒng)的狀態(tài)變化是在系統(tǒng)的始態(tài)溫度、終態(tài)溫度及環(huán)境溫度均相等的條件下發(fā)生的過程。即T始=T終=T環(huán)=T。（2）定壓過程：系統(tǒng)的狀態(tài)變化是在系統(tǒng)的始態(tài)壓力、終態(tài)壓力及環(huán)境壓力均相等的條件下發(fā)生的過程。即p始=p終=p環(huán)=p。（3）定容過程：系統(tǒng)的狀態(tài)變化時系統(tǒng)的體積不發(fā)生變化的過程。即V始=V終。（4）絕熱過程：在狀態(tài)變化時，系統(tǒng)與環(huán)境之間無熱量交換的過程。（5）循環(huán)過程：系統(tǒng)從一狀態(tài)出發(fā)經(jīng)過一系列的變化又回到原始狀態(tài)的過程。 熱（Q）：是體系與環(huán)境間溫度差而引起的能量交換形式。 功（W）：除熱之外，系統(tǒng)與環(huán)境間其他形式傳遞的能量。它們具有相同的量綱采用相同的單位： J, kJ 1 熱和功的符號：熱力學(xué)中規(guī)定：體系從環(huán)境吸熱：Q為“+” 體系從環(huán)境放熱：Q為“” 體系對環(huán)境做功：W為“” 環(huán)境對體系做功：W為“+”功的種類有很多種，如體積功、電功、表面功、機械功等等。在熱力學(xué)中將功分為體積功和非體積功兩大類。體積功是系統(tǒng)體積變化時所做的功。除體積功外其它各種形式的功統(tǒng)稱為非體積功，也稱有用功，常用符號W表示。由于W與過程和途徑有關(guān)，所以不同的過程必然不同：（1）定容過程： （2）定壓過程： （3）定溫定壓過程： （對于理想氣體）作業(yè)、討論題、思考題：P65 2.1(1) (2) (4)課后小結(jié)：本節(jié)要求掌握1、熱和功的符號規(guī)定及計算2、狀態(tài)函數(shù)的基本特點參考資料：1 阿娟、普通化學(xué)、北京、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社、20052浙江大學(xué)普通化學(xué)教研室、普通化學(xué)（第五版）、北京、高等教育出版社、20033楊桂梧、普通化學(xué)、大連、遼寧民族出版社、1996 4大連理工大學(xué)無機教研室、無機化學(xué)、北京、高等教育出版社、20025 趙士鐸、普通化學(xué)、北京、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社、2005課 題第二章 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)課次第二講（2學(xué)時）教學(xué)目的（1）理解熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)能的概念（2）掌握化學(xué)反應(yīng)的定容熱,定壓熱及其相互關(guān)系,以及與反應(yīng)的摩爾熱力學(xué)能變,摩爾焓變的關(guān)系.重點難點熱力學(xué)第一定律及定容熱、定壓熱的含義及計算教學(xué)過程2-2 熱力學(xué)第一定律及焓教學(xué)方法講授課的類型基礎(chǔ)課2.2 熱力學(xué)第一定律及焓一熱力學(xué)內(nèi)能U 定義：體系內(nèi)部能量的總和。 因為U是容量性質(zhì)，所以其具有加合性。二熱力學(xué)第一定律： 封閉體系中，體系內(nèi)部能量的變化等于體系從環(huán)境中吸收的熱加上環(huán)境對體系所做的功：三焓H1.根據(jù)熱力學(xué)第一定律有： 移項整理得到: 于是熱力學(xué)定義一個新的狀態(tài)函數(shù)稱為焓,用符號H表示: 說明：H是容量性質(zhì)，且是狀態(tài)函數(shù)。 定容熱: 在定容過程中體系吸收或放出的熱. 定義: 在定壓過程中體系吸收或放出的熱. 上式常用于想變中的有關(guān)計算. 注: (1) 只有熔沸點想變才是定溫定壓過程(2) 是氣體的物質(zhì)的量變化,與固體和液體無關(guān).四熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：指溫度為T，壓力為=100kPa,濃度為1molL-1時的狀態(tài).五. 熱化學(xué) 研究化學(xué)反應(yīng)過程中能量變化的科學(xué).而化學(xué)反應(yīng)過程中能量的變化正是反應(yīng)熱，因化學(xué)反應(yīng)通常在定壓下進行，故其反應(yīng)熱指的是定壓熱。 化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熱力學(xué)能變。 r: reaction， 表示反應(yīng)的熱力學(xué)能變。 m：表示反應(yīng)進度變化為1mol 表示化學(xué)反應(yīng)與其熱效應(yīng)關(guān)系的化學(xué)方程式。 例如： =-285.84KJmol作業(yè)、討論題、思考題：P66 2.2(1)課后小結(jié)：本節(jié)要求掌握1、熱力學(xué)第一定律及定容熱、定壓熱的含義及計算參考資料：1 阿娟、普通化學(xué)、北京、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社、20052浙江大學(xué)普通化學(xué)教研室、普通化學(xué)（第五版）、北京、高等教育出版社、20033楊桂梧、普通化學(xué)、大連、遼寧民族出版社、1996 4大連理工大學(xué)無機教研室、無機化學(xué)、北京、高等教育出版社、20025 趙士鐸、普通化學(xué)、北京、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社、2005課 題第二章 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)課次第三講（2學(xué)時）教學(xué)目的（1）理解并熟練應(yīng)用蓋斯定律;（2）掌握標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的概念并熟練應(yīng)用它計算反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變;(3)了解自發(fā)過程的兩個趨勢.重點難點（1）重點掌握并熟練應(yīng)用蓋斯定律。（2）掌握化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性的特點及熵的概念。教學(xué)過程2.3蓋斯定律及反應(yīng)熱的計算;2.4化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性及熵教學(xué)方法講授課的類型基礎(chǔ)課2.3蓋斯定律及反應(yīng)熱的計算一.蓋斯定律 內(nèi)容：在定容或定壓條件下,一個化學(xué)反應(yīng), 不管是一步完成或分幾步完成，總反應(yīng)的熱效應(yīng)等于各步反應(yīng)的熱效應(yīng)之和。 借助蓋斯定律可以計算難于測定和不能直接測定的一些化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)。通過某些已知準(zhǔn)確測定的反應(yīng)熱數(shù)據(jù)，就可以得到實際上難以測定的反應(yīng)熱.例如: 已知（1）C(s) +O2(g) CO2(g) =-393.5 kJmol-1 （2） =-283 kJmol-1求： （3） C(s) + O2(g) = CO(g) =？ 由蓋斯定律：反應(yīng)（3）=反應(yīng)（1）反應(yīng)（2）所以 =-393.5 kJmol-1-（-283 kJmol-1）=676.5 kJmol-1二. 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓 定義: 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1mol純物質(zhì)B時的焓變. = B (B,相態(tài))2.4 化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性及熵一.自發(fā)過程的趨勢 3.自發(fā)反應(yīng)的特點：1）有一定方向；2）有對外作的能力；3）有一定限度；4）是不可逆的. G=H-TS1. G是體系的狀態(tài)函數(shù) G 0, 正向反應(yīng)非自發(fā)在等溫定壓下,任何自發(fā)反應(yīng)的自由能G總是在減少.三.熵及熵變 1.熵的定義: 熵是反映體系內(nèi)部質(zhì)點運動的混亂程度的物理量.用S表示.1）有序無序 ，其2）在等溫定壓下，一個導(dǎo)致氣體分?jǐn)?shù)增加的過程是熵增加的過程。熱力學(xué)第三定律在絕對零度時，任何純物質(zhì)的完美晶體的熵等于0，即作業(yè)、討論題、思考題：P65 2.2(2),2.6,課后小結(jié)：本節(jié)要求掌握（1）重點掌握并熟練應(yīng)用蓋斯定律。（2）掌握化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性的特點及熵的概念。參考資料：1 阿娟、普通化學(xué)、北京、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社、20052浙江大學(xué)普通化學(xué)教研室、普通化學(xué)（第五版）、北京、高等教育出版社、20033楊桂梧、普通化學(xué)、大連、遼寧民族出版社、1996 4大連理工大學(xué)無機教研室、無機化學(xué)、北京、高等教育出版社、20025 趙士鐸、普通化學(xué)、北京、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社、2005課 題第二章 化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)課次第四講（2學(xué)時）教學(xué)目的（1）會用標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能計算反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變;（2）掌握吉布斯亥姆霍茲（Gibbs-HelmholTz）方程及簡單應(yīng)用;(3)會判斷化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)方向.重點難點（1）重點掌握并熟練應(yīng)用吉布斯亥姆霍茲（Gibbs-HelmholTz）方程（2）會判斷化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)方向.教學(xué)過程2.5吉布斯自由能及反應(yīng)方向的判據(jù)教學(xué)方法講授課的類型基礎(chǔ)課25 吉布斯自由能及反應(yīng)方向的判據(jù) 1標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能判據(jù)（等溫等壓）吉布斯自由能的重要作用是作為反應(yīng)自發(fā)性的判據(jù)，判斷反應(yīng)進行的方向和限度。可用于判斷標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時反應(yīng)的方向。0 反應(yīng)能自發(fā)進行； 0 反應(yīng)不能自發(fā)進行。 0注：標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時的判據(jù)；是任意態(tài)時的判據(jù) 二標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能與焓相似，物質(zhì)的吉布斯自由能的絕對值難以確定。熱力學(xué)規(guī)定：在指定溫度及標(biāo)準(zhǔn)壓力下，由穩(wěn)定單質(zhì)生成1mol某物質(zhì)時的吉布斯自由能變叫做該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能，用符號（T）表示， 298.15K時溫度T可以省略。由標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能的定義可知，任何一種穩(wěn)定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能都等于零。對于有不同晶態(tài)的固體單質(zhì)來說，只有穩(wěn)定態(tài)單質(zhì)的（T）才等于零。例如， (石墨) =0，而 (金剛石) =2.9 kJmol-1。對水合態(tài)離子，熱力學(xué)規(guī)定水合氫離子H+ (aq)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能為零，一些物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成自由能數(shù)據(jù)fGqm（298.15K）見附錄三。 G=HTS 在等溫過程中，吉布斯自由能變?yōu)椋篏=HTS 式（3-15）稱為吉布斯亥姆霍茲（Gibbs-HelmholTz）方程。將此式應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)，得到：=T 若反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進行，則：= T 和分別稱為化學(xué)反應(yīng)的摩爾吉布斯自由能（變）和標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能（變），兩者的值均與反應(yīng)式的寫法有關(guān)，SI單位為Jmol-1或kJmol-1。四反應(yīng)方向的判斷 反應(yīng)自發(fā)性的幾種類型類型H SG=HTS反應(yīng)的自發(fā)性例子1+任何溫度下反應(yīng)均自發(fā)2H2O2(g)=2H2O(g)+O2(g)2+任何溫度下反應(yīng)均非自發(fā)2CO(g)=2C(s)+O2(g)3低溫為高溫為+低溫時反應(yīng)為自發(fā)，高溫時反應(yīng)為非自發(fā)HCl(g)+NH3(g)=NH4Cl(s)4+低溫為+高溫為低溫時反應(yīng)為非自發(fā)，高溫時反應(yīng)為自發(fā)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2