浙江大學普通化學(第六版)第一章課件-熱化學與能源市公開課獲獎課件

1、教材：普通化學 (第六版)浙江大學普通化學教研組編徐端鈞 方文軍 聶晶晶 沈宏修訂高等教育出版社，北京出版年：6月1第1頁第1頁緒論化學是一門既古老又年輕科學?；瘜W是研究和創(chuàng)造物質(zhì)科學，同工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防當代化，同人民生活和人類社會等都有非常密切關系?；瘜W是一門中心性、實用和創(chuàng)造性科學，主要是研究物質(zhì)分子轉(zhuǎn)變規(guī)律科學?；瘜W與物理一起屬于自然科學基礎學科。 化學分支比較多。研究現(xiàn)實狀況()化合物萬種時間分辨率：1 fs (飛秒（femtosecond）1 飛秒 為千萬億分之一秒 )空間分辨率：0.1nm分析所需最小量：10-13 g。2第2頁第2頁1 化學地位和作用 化學仍是處理食物短缺問題主要

2、學科之一 （農(nóng)作物豐產(chǎn)，雜交水稻） 化學繼續(xù)推動材料科學發(fā)展 （高分子復合材料研發(fā)） 化學是提升人類生存質(zhì)量和生存安全有效保障 （提倡綠色化學，有機食品等） 化學在能源和資源合理開發(fā)和高效安全利用中起關鍵作用 化學是生命科學主要支柱3第3頁第3頁2 學習目的、內(nèi)容和要求學習目的理解當代化學學科概貌用化學觀點分析、結識生活和工作中化學問題,以實現(xiàn)對學生高素質(zhì)化學通才教育。學習內(nèi)容 理論化學：兩條“主線” 【宏觀（1-4）和微觀結構及物質(zhì)性 質(zhì)（5-8）】應用化學： 化合物知識；化學在相關學科中應用 試驗化學學習要求 辨證思維 發(fā)展眼光 實踐辦法4第4頁第4頁1.課前預習，瀏覽一遍今天老師要講什么

3、，在心理上有個準備；2.課堂上，準備一筆記本，注意聽記，這是提升聽課效率確保不走神，能跟上講課思緒最佳辦法；其二，筆記內(nèi)容為課后復習以及期末復習主要依據(jù)；3.下學時，請靜坐1分鐘時間，回顧一下本節(jié)課講了什么；4.課后復習總結，包括做習題作業(yè)、看參考書等，希望對每一章以自己辦法、思緒能總結一下，期末時只要看自己總結就能復習全書。課程要求5第5頁第5頁詳細課程要求安排： 40 + 8 理論學習：認真聽課、做好筆記；及時消化、完畢作業(yè) 實踐學習：試驗前寫好預習匯報，試驗后及時完畢試驗匯報。課程考核：理論考試占80%左右 試驗占15%左右 平時占5%左右6第6頁第6頁熱化學與能源第1章7第7頁第7頁目

4、錄1.1 熱化學1.2 反應熱與焓1.3 能源合理利用選讀材料 核能. 核燃料和核能起源. 核電優(yōu)勢與發(fā)展趨勢本章小結8第8頁第8頁1 .1 熱化學系統(tǒng)：作為研究對象那一部分物質(zhì)和空間。環(huán)境：系統(tǒng)之外，與系統(tǒng)密切聯(lián)系其它物質(zhì)和 空間。開放系統(tǒng)有物質(zhì)和能量互換封閉系統(tǒng)只有能量互換1.1.1 幾種基本概念1 系統(tǒng)與環(huán)境圖1.1 系統(tǒng)分類隔離系統(tǒng)無物質(zhì)和能量互換9第9頁第9頁2 相系統(tǒng)中任何物理和化學性質(zhì)完全相同、均勻部分稱為相。依據(jù)相概念，系統(tǒng)可分為：單相（均勻）系統(tǒng)多相（不均勻）系統(tǒng) 相與相之間有明確界面。思考：1) 101.325kPa，273.15K(0C)下，H2O(l), H2O(g)和

5、H2O(s)同時共存時系統(tǒng)中相數(shù)為多少。2) CaCO3(s)分解為CaO (s)和CO2(g)并達到平衡系統(tǒng)中相數(shù)。10第10頁第10頁3 狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)用于表示系統(tǒng)性質(zhì)物理量X 稱狀態(tài)函數(shù)，如氣體壓力p、體積V、溫度T 等。狀態(tài)就是系統(tǒng)一切性質(zhì)總和。有平衡和非平衡態(tài)之分。如系統(tǒng)宏觀性質(zhì)都處于定值，則系統(tǒng)為平衡態(tài)。狀態(tài)改變時，系統(tǒng)宏觀性質(zhì)也必定發(fā)生部分或所有改變。11第11頁第11頁狀態(tài)函數(shù)性質(zhì) 狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)單值函數(shù)。 當系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變時，狀態(tài)函數(shù)改變量只與系統(tǒng)始、末態(tài)相關，而與改變實際路徑無關。（特點）圖1.2 狀態(tài)函數(shù)性質(zhì)下列例子闡明：當系統(tǒng)由始態(tài)變到終態(tài)時，系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)壓力

6、p和體積V改變量與路徑無關。系統(tǒng)壓力從3p變?yōu)閜12第12頁第12頁廣度性質(zhì)和強度性質(zhì)狀態(tài)函數(shù)可分為兩類：廣度性質(zhì)：其量值含有加和性，如體積、質(zhì)量等。強度性質(zhì)：其量值不含有加和性，如溫度、壓力等。特點：狀態(tài)一定,狀態(tài)函數(shù)一定。 狀態(tài)改變,狀態(tài)函數(shù)也隨之而變,且 狀態(tài)函數(shù)改變值只與始態(tài)、終態(tài) 相關,而與改變路徑無關。注意：摩爾體積(體積除以物質(zhì)量)是什么性質(zhì)物理量？13第13頁第13頁4 過程與路徑 系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何改變稱為過程；可逆過程體系通過某一過程，由狀態(tài)變到狀態(tài)之后，假如通過逆過程能使體系和環(huán)境都完全復原，這樣過程稱為可逆過程。它是在一系列無限靠近平衡條件下進行過程。 實現(xiàn)一個過程詳細環(huán)

7、節(jié)稱路徑。思考：過程與路徑區(qū)別。設想假如你要把20 C水燒開，要完畢“水燒開”這個過程，你能夠有各種詳細“路徑”：如能夠在水壺中常壓燒；也能夠在高壓鍋中加壓燒。14第14頁第14頁5 化學計量數(shù)普通用化學反應計量方程表示化學反應中質(zhì)量守恒關系， 通式為：B 稱為B 化學計量數(shù)。符號要求：反應物： B為負；產(chǎn)物：B為正。 沒有量綱純數(shù)附例1.1 應用化學反應統(tǒng)通式形式表示下列合成氨化學反應計量方程式： N2 + 3H2 = 2NH3解：用化學反應通式表示為： 0= - N2 - 3H2 + 2NH315第15頁第15頁6 反應進度反應進度 定義：反應進度單位是摩爾（mol），它與化學計量數(shù)選配相

8、關。nB 為物質(zhì)B物質(zhì)量，d nB表示微小改變量?；蚨x思考：反應進度與化學反應方程式書寫相關嗎？相關。如對于反應： 0 = N2 3H2 + 2NH3 ，當有1mol NH3生成時，反應進度為0.5mol。若將反應寫成則反應進度為1 mol。16第16頁第16頁1.1.2 熱效應及其測量反應熱指化學反應過程中系統(tǒng)放出或吸取熱量。熱化學要求：系統(tǒng)放熱為負，系統(tǒng)吸熱為正。摩爾反應熱指當反應進度為1 mol時系統(tǒng)放出或吸取熱量。思考：反應熱有定容反應熱和定壓反應熱之分。前者反應條件是恒容，后者反應條件是恒壓。用彈式量熱計測量反應熱是定容反應熱還是定壓反應熱？答：定容反應熱（等容）反應熱可在彈式量熱

9、計中準確地測量。測量反應熱是熱化學主要研究內(nèi)容。17第17頁第17頁1 反應熱試驗測量辦法設有n mol物質(zhì)完全反應，所放出熱量使彈式量熱計與恒溫水浴溫度從T1上升到T2，彈式量熱計與恒溫水浴熱容為Cs(JK-1)， 比熱容為cs(JK-1kg-1 )，則：由于完全反應， = n因此摩爾反應熱：圖1.3 彈式量熱計18第18頁第18頁示例 例1.1 聯(lián)氨燃燒反應：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：解：燃燒0.5g聯(lián)氨放熱為19第19頁第19頁2 熱化學方程式 表示化學反應與熱效應關系方程式稱為熱化學方程式。其原則寫法是：先寫出反應方程，再寫出相應反應熱，兩者之

10、間用分號或逗號隔開。比如： 標明反應溫度、壓力及反應物、生成物 量和狀態(tài)；書寫熱化學方程式時應注意：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)； 2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； 若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。20第20頁第20頁 反應熱與反應式化學計量數(shù)相關； 普通標注是等壓熱效應qp。思考：qp與qv相同嗎？。不相同2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； H2(g)+1/2O2(g)=H2O (l)； qp,m=-285 kJmol-121第21頁第21頁1.2 反應熱與焓 并不是所有反應熱都能夠試驗測定。比如反應：

11、2C(s) + O2(g) = 2CO(g)為何上述反應反應熱無法試驗測定？試驗過程中無法控制生成產(chǎn)物完全是CO。因此，只能用理論辦法來計算反應熱。22第22頁第22頁1.2.1 熱力學第一定律封閉系統(tǒng)，不做非體積功時，若系統(tǒng)從環(huán)境吸取熱q，從環(huán)境得功w，則系統(tǒng)內(nèi)能增長U (U2 U1)為：U = q + w熱力學第一定律實質(zhì)是能量守恒定律在熱力學中應用。其中，內(nèi)能現(xiàn)稱為熱力學能。23第23頁第23頁1 熱力學能系統(tǒng)內(nèi)部運動能量總和。內(nèi)部運動包括分子平動、轉(zhuǎn)動、振動以及電子運動和核運動。思考：同樣物質(zhì)，在相同溫度和壓力下，前者放在10000m高空，以400m/s飛行飛機上，后者靜止在地面上。兩

12、者內(nèi)能相同嗎？相同。內(nèi)能特性： 狀態(tài)函數(shù) 無絕對數(shù)值 廣度性質(zhì)由于分子內(nèi)部運動互相作用十分復雜，因此當前尚無法測定內(nèi)能絕對數(shù)值。24第24頁第24頁2 熱在物理或化學改變過程中，系統(tǒng)與環(huán)境存在溫度差而互換能量稱為熱。熱符號要求： 系統(tǒng)吸熱為正，系統(tǒng)放熱為負。熱量q不是狀態(tài)函數(shù)25第25頁第25頁3 功與體積功在物理或化學改變過程中，系統(tǒng)與環(huán)境除熱以外方式互換能量都稱為功。功符號要求： （注意功符號要求尚不統(tǒng)一）系統(tǒng)得功為正，系統(tǒng)作功為負。由于系統(tǒng)體積發(fā)生改變而與環(huán)境所互換功稱為體積功w體。所有其它功統(tǒng)稱為非體積功w 。功w也不是狀態(tài)函數(shù)思考：1mol抱負氣體，密閉在1)氣球中，2) 鋼瓶中；將

13、抱負氣體溫度提升20C時，是否做了體積功？1)做體積功，2)未做體積功。w= w體+ w 26第26頁第26頁一封閉系統(tǒng)，熱力學能U1，從環(huán)境吸取熱q ，得功w，變到狀態(tài)2，熱力學能U2，則有：U1U2q 0w 0U = q +w27第27頁第27頁4 體積功w體計算等外壓過程中，體積功w體= p 外(V2 V1) = p外V pp外 = F / Al p外 = F / A，l = V / A，因此，體積功w體= F l = (p外 A) (V/A) = p外 V 圖1.4 體積功示意圖28第28頁第28頁5 抱負氣體體積功依據(jù)抱負氣體狀態(tài)方程：附例1.2 1 mol抱負氣體從始態(tài)100kPa

14、, 22.4dm3經(jīng)等溫恒外壓p2 = 50kPa膨脹到平衡，求系統(tǒng)所做功。解：終態(tài)平衡時體積為：負值表示系統(tǒng)對外做功。29第29頁第29頁1. 2. 2 化學反應反應熱與焓通常把反應物和生成物含有相同溫度時，系統(tǒng)吸取或放出熱量叫做反應熱。依據(jù)反應條件不同，反應熱又可分為： 定容反應熱恒容過程，體積功w體 = 0，不做非體積功 w =0時，因此， w= w體+ w =0 ，qV = U 定壓反應熱恒壓過程，不做非體積功時， w體= p(V2V1)，因此qp = U + p(V2V1)這就說明了qp與qv不同，二者間差一相體積功。30第30頁第30頁1 焓 qP =U + p(V2 V1) =

15、(U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1)公式qp =H 意義：等壓熱效應即為焓增量，因此能夠通過H計算求出qP 值。令 H U + p V則qp =H2 H1=HH 稱為焓，是一個主要熱力學函數(shù)。思考：焓是狀態(tài)函數(shù)嗎？能否知道它絕對數(shù)值？是狀態(tài)函數(shù)，但不能知道它絕對數(shù)值。31第31頁第31頁2 定容反應熱與定壓反應熱關系已知定容反應熱：qV = U；定壓反應熱：qp = Up + p(V2 V1)等溫過程， Up UV，則：qp qV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT對于抱負氣體反應，有：對于有凝聚相參與抱負氣體反應，由

16、于凝聚相相對氣相來說，體積能夠忽略，因此在上式中，只需考慮氣體物質(zhì)量。H U = qp qV = p(V2 V1)思考：若反應 C(石墨) + O2(g) CO2(g) qp,m為393.5kJmol 1，則該反應qV,m 為多少？該反應n(g) = 0， qV = qp 因此對于沒有氣態(tài)物質(zhì)參與反應或n(g) 0反應，qV qp對于有氣態(tài)物質(zhì)參與反應，且n(g)0反應，qV qp32第32頁第32頁3 蓋斯定律 化學反應恒壓或恒容反應熱只與物質(zhì)始態(tài)或終態(tài)相關而與改變路徑無關。始態(tài)C(石墨) + O2(g)終態(tài)CO2(g)中間態(tài)CO(g) + O2(g)即熱化學方程式可像代數(shù)式那樣進行加減運算

17、。33第33頁第33頁蓋斯定律示例由蓋斯定律知：若化學反應能夠加和，則其反應熱也能夠加和。附例1.3 已知反應和反應焓，計算反應焓，解：34第34頁第34頁1.2.3 反應原則摩爾焓變1 熱力學原則態(tài)：氣體物質(zhì)原則態(tài)：原則壓力p 下表現(xiàn)出抱負氣體性質(zhì)純氣體狀態(tài)溶液中溶質(zhì)B原則態(tài)是:原則壓力p 下，質(zhì)量摩爾濃度為b (1.0mol.kg-1),并表現(xiàn)出無限稀溶液中溶質(zhì)狀態(tài); 本書采用近似c =1.0 mol.dm-3)液體或固體原則態(tài)是:原則壓力p 下純液體或純固體。35第35頁第35頁2 原則摩爾生成焓指定單質(zhì)通常指原則壓力和該溫度下最穩(wěn)定單質(zhì)。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l) 等。但P為白

18、磷(s)，即P（s，白）。298.15K時數(shù)據(jù)能夠從手冊上查到。（附錄3 p357）思考：下列哪些反應恒壓反應熱不是生成焓(反應物和生成物都是原則態(tài))?(1)(2)(3)要求：原則態(tài)指定單質(zhì)原則生成焓為0。生成焓負值越大，表明該物質(zhì)鍵能越大，對熱越穩(wěn)定。原則狀態(tài)時由指定單質(zhì)生成單位物質(zhì)量純物質(zhì)B時反應焓變稱為原則摩爾生成焓，記作 。36第36頁第36頁3 原則摩爾焓變及測定測定原理：由于qp =H因此能夠通過在原則狀態(tài)下測定恒溫恒壓條件下反應熱得到反應原則摩爾焓變.原則狀態(tài)下,反應進度 = 1mol焓變稱為反應原則摩爾焓變:記作37第37頁第37頁4 反應原則摩爾焓變計算穩(wěn)定單質(zhì)可從手冊數(shù)據(jù)計

19、算298.15K時原則摩爾反應焓.反應物原則狀態(tài)生成物原則狀態(tài)r Hmf Hm (p)f Hm (r)由蓋斯定律，得：= 產(chǎn) 反 即：38第38頁第38頁原則摩爾反應焓變計算示例解：從手冊查得298.15K時Fe2O3和Al2O3原則摩爾生成焓分別為824.2和1675.7kJmol-1。例1.4 試計算鋁熱劑點火反應反應計量式為：39第39頁第39頁注意事項 物質(zhì)匯集狀態(tài)，查表時仔細應用物質(zhì)原則摩爾生成焓計算原則摩爾反應焓時需要注意 公式中化學計量數(shù)與反應方程式相符 數(shù)值與化學計量數(shù)選配相關； 溫度影響40第40頁第40頁附例1.4 設反應物和生成物均處于原則狀態(tài)，計算1mol乙炔完全燃燒放出能量。解：從手冊查得298.15K時，各物質(zhì)原則摩爾生成焓下列。226.73 0 -393.509 -285.8341第41頁第41頁1.3 能源合理利用 能源是自然界中為人類提供能量物質(zhì)資源。 能源是當今社會三大支柱（材料、能源、信息）之一。 能源是我們賴以生存主要物質(zhì)基礎。42第42頁第42頁1.3.1 煤炭與潔煤技術注意：我國能源結構特點：我國能源結構中，煤炭占據(jù)主要地位：占總能量70%以上。另外，我國也是世界上煤炭儲量最大國家，因此，如何高效、科學、清潔地利用煤炭資源是我國能源科學和研究中主要課題。我國