熱化學(xué)學(xué)習(xí)課件

熱化學(xué)學(xué)習(xí)課件第1頁/共96頁1.1化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)及體積功1.2焓及焓變1.3赫斯定律1.4標(biāo)準生成焓及反應(yīng)的標(biāo)準焓變選讀材料I能源本章小結(jié)2第2頁/共96頁學(xué)習(xí)要求：理解等壓熱效應(yīng)與反應(yīng)焓變的關(guān)系、等容熱效應(yīng)與熱力學(xué)能變的關(guān)系。掌握標(biāo)準摩爾反應(yīng)焓變的近似計算。了解能源的概況，燃料的熱值和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

掌握狀態(tài)函數(shù)、反應(yīng)進度、標(biāo)準狀態(tài)的概念和熱化學(xué)定律。3第3頁/共96頁是化學(xué)熱力學(xué)的一個分支。中學(xué)化學(xué)中用“化學(xué)反應(yīng)中的能量變化”來簡單地介紹該內(nèi)容。熱化學(xué)它用各種量熱方法準確測量物理的、化學(xué)的以及生物過程的熱效應(yīng)，從而根據(jù)熱效應(yīng)來研究有關(guān)現(xiàn)象及規(guī)律性。主要回答諸如化學(xué)反應(yīng)過程中吸收或放出的熱量、化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性(即兩種物質(zhì)之間能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng))以及化學(xué)反應(yīng)的限度(反應(yīng)完成之后反應(yīng)物的量與產(chǎn)物的量之間的關(guān)系)等化學(xué)家十分關(guān)注的一類基本問題。4第4頁/共96頁系統(tǒng)：作為研究對象的那一部分物質(zhì)和空間。環(huán)境：系統(tǒng)之外，與系統(tǒng)密切聯(lián)系的其它物質(zhì)和空間。1.1.1系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)的分類：開放系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、隔離系統(tǒng)開放系統(tǒng)

有物質(zhì)和能量交換封閉系統(tǒng)

只有能量交換隔離系統(tǒng)

無物質(zhì)和能量交換Zn5第5頁/共96頁

例考察一個汽缸中待燃燒的氫氣和氧氣的混合物，氫氣和氧氣即為系統(tǒng)，氣缸、活塞以及其他相關(guān)部分則為環(huán)境2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)+熱量

雖然系統(tǒng)中氫原子和氧原子的化學(xué)形態(tài)發(fā)生了變化，但系統(tǒng)與環(huán)境間并沒有發(fā)生物質(zhì)交換，但卻與環(huán)境以熱和功的形式交換了能量。

H2和O2在密閉的金屬氣缸中燃燒構(gòu)成封閉系統(tǒng)6第6頁/共96頁1.1.2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)的物理量X稱狀態(tài)函數(shù)，如氣體的壓力p、體積V、溫度T等。狀態(tài)

為系統(tǒng)一切性質(zhì)的總和(有平衡和非平衡態(tài)之分)。如系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)(體積、壓力、質(zhì)量、密度等)都處于定值，則系統(tǒng)為平衡態(tài)。

狀態(tài)變化時，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)也必然發(fā)生部分或全部變化。7第7頁/共96頁狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)

狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時，狀態(tài)函數(shù)的變化量只與系統(tǒng)的始態(tài)和末態(tài)有關(guān)，而與變化的實際途徑無關(guān)。

狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)系統(tǒng)壓力從3po變?yōu)閜°始態(tài)末態(tài)8第8頁/共96頁狀態(tài)函數(shù)可分為兩類：廣度性質(zhì)：其量值具有加和性，如體積、質(zhì)量等。強度性質(zhì)：其量值不具加和性，如溫度、壓力等。思考：力和面積是什么性質(zhì)的物理量？它們的商即壓強(熱力學(xué)中稱為壓力)是強度性質(zhì)的物理量。由此可以得出什么結(jié)論？推論：摩爾體積(體積除以物質(zhì)的量)是什么性質(zhì)的物理量？

力和面積都是廣度性質(zhì)的物理量。結(jié)論是兩個廣度性質(zhì)的物理量的商是一個強度性質(zhì)的物理量。9第9頁/共96頁1.1.3過程與途徑系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何的變化稱為過程可逆過程

體系經(jīng)過某一過程，由狀態(tài)Ⅰ變到狀態(tài)Ⅱ之后，如果通過逆過程能使體系和環(huán)境都完全復(fù)原，這樣的過程稱為可逆過程。它是在一系列無限接近平衡條件下進行的過程。實現(xiàn)一個過程的具體步驟稱途徑思考：過程與途徑的區(qū)別。

設(shè)想如果你要把20°C的水燒開，要完成“水燒開”這個過程，你可以有多種具體的“途徑”：如可以在水壺中常壓燒；也可以在高壓鍋中加壓燒。10第10頁/共96頁1.1.4熱力學(xué)第一定律能量守恒定律（principleofconservationofenergy）:

能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，但可以從一種形式轉(zhuǎn)變成另一種形式。系統(tǒng)失去的能量必定被環(huán)境所得到，反之亦然。11第11頁/共96頁1.1.5內(nèi)能

系統(tǒng)內(nèi)部運動能量的總和。內(nèi)部運動包括分子的平動、轉(zhuǎn)動、振動以及電子運動和核運動。思考：同樣的物質(zhì)，在相同的溫度和壓力下，前者放在10000m高空，以400m/s飛行的飛機上，后者靜止在地面上。兩者的內(nèi)能相同嗎？（Y）內(nèi)能的特征：狀態(tài)函數(shù)：系統(tǒng)的內(nèi)能由它的狀態(tài)決定無絕對數(shù)值：不能測得系統(tǒng)微粒擁有的能量的準確值，但能測出系統(tǒng)發(fā)生化學(xué)和物理變化前后的改變量。廣度性質(zhì)：其值與系統(tǒng)中物質(zhì)的總質(zhì)量成正比

符號：U

，單位：kJ。對于一個給定的系統(tǒng)，其內(nèi)能有一個固定的值。12第12頁/共96頁內(nèi)能改變量（?U）

系統(tǒng)在終態(tài)與始態(tài)之間的內(nèi)能差

?U=U終-U始

數(shù)字和單位表明變化量；正負表明能量轉(zhuǎn)移的方向；當(dāng)U終>U始，

?U為正，表示系統(tǒng)從環(huán)境中得到能量當(dāng)U終>U始，?U為負，表示系統(tǒng)失去能量并傳遞給環(huán)境始態(tài)和終態(tài)分別表示反應(yīng)物和產(chǎn)物所處的狀態(tài)。13第13頁/共96頁14系統(tǒng)與環(huán)境狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)過程與途徑熱力學(xué)第一定律內(nèi)能第14頁/共96頁封閉系統(tǒng)與環(huán)境之間以功（W）和熱（Q）的方式交換能量。熱力學(xué)第一定律的代數(shù)式：?U

=

Q

+

W

系統(tǒng)內(nèi)能的改變量等于系統(tǒng)吸收或放出的熱量加上環(huán)境對系統(tǒng)所做的功或系統(tǒng)對環(huán)境所做的功。1.1.6內(nèi)能的改變量與熱和功的關(guān)系15第15頁/共96頁放熱過程(exthothermiccourse):過程中向環(huán)境中釋放熱量。

熱:

在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境存在溫度差而交換的能量稱為熱。符號：Q

單位：kJ；

非狀態(tài)函數(shù)：取決于過程變化的途徑；系統(tǒng)吸熱為正Q>0

，系統(tǒng)放熱為負Q<0;吸熱過程(endothermiccourse):過程中從環(huán)境中吸收熱量。如：冰融化、固體NH4SCN與Ba(OH)2·8H2O

在室溫下混合16第16頁/共96頁

符號：w

； 單位：kJ。

w不是狀態(tài)函數(shù)，取決于過程變化的途徑；分類：體積功（機械功或膨脹功）非體積功(電功，本章不講)

系統(tǒng)對環(huán)境作功:w<0（為負）；環(huán)境對系統(tǒng)作功:w>0（為正）。只講恒壓體積功：體積功=w=-p(環(huán))

ΔV=-

p(V2-V1)

p是系統(tǒng)內(nèi)壓，p=p(環(huán))=常數(shù)對理想氣體滿足理氣方程：PV=nRT功：在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境除熱以外的方式交換的能量都稱為功。17第17頁/共96頁思考：1mol理想氣體，密閉在1)氣球中，2)鋼瓶中；將理想氣體的溫度提高20oC時，是否做了體積功？1)做體積功，2)未做體積功。18第18頁/共96頁例點燃圖中所示汽缸中的氫氣和氧氣。系統(tǒng)放出1.15kJ熱。由于氣體受熱膨脹，引起了活塞上升，膨脹氣體對環(huán)境做了0.48kJ的功，系統(tǒng)內(nèi)能的變化量是多少？解

已知熱由系統(tǒng)傳給環(huán)境，且系統(tǒng)對環(huán)境做功。因此Q和W都是負值：

Q＝－1.15kJ，W＝－0.48kJ。根據(jù)方程式ΔU=Q+W，體系內(nèi)能的變化量ΔU為

即系統(tǒng)傳遞給環(huán)境的能量為1.63kJ系統(tǒng)吸收熱和環(huán)境對系統(tǒng)做功都能增加系統(tǒng)的內(nèi)能。19第19頁/共96頁體積功w體的計算等外壓膨脹過程中，系統(tǒng)對環(huán)境做體積功w體=–p

外(V2–V1)=–p外ΔV

pp外

=F/Al

w體=–F·lF為外界環(huán)境作用在活塞上的力p外

=F/A，l=ΔV/A2，因此，體積功w體=–(p外·

A)·(ΔV/A)

=–p外

ΔV系統(tǒng)膨脹做功示意圖活塞移動方向20第20頁/共96頁理想氣體的體積功理想氣體的定義：

氣體分子不占有體積，氣體分子之間的作用力為0的氣態(tài)系統(tǒng)被稱為理想氣體。理想氣體的狀態(tài)方程：例

1mol理想氣體從始態(tài)100kPa,22.4dm3經(jīng)等溫恒外壓p2=50kPa膨脹到平衡，求系統(tǒng)所做的功。解

終態(tài)平衡時的體積為：負值表示系統(tǒng)對外做功。n：物質(zhì)的量mol;R：摩爾氣體常數(shù)8.314J·k-1·mol-1T：溫度k21第21頁/共96頁熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達式ΔU=U2-U1

=q+w某封閉系統(tǒng)，熱力學(xué)能U1，從環(huán)境得到熱q，從環(huán)境得功W，變到狀態(tài)2，熱力學(xué)能U2，則有：qw2U21U122第22頁/共96頁1.2.1化學(xué)計量數(shù)一般用化學(xué)反應(yīng)計量方程式表示化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒關(guān)系，通式為：B稱為B的化學(xué)計量數(shù)。符號規(guī)定：反應(yīng)物：B為負；產(chǎn)物：B為正。例

應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)通式形式表示下列合成氨的化學(xué)反應(yīng)計量方程式：N2+3H2==2NH3解用化學(xué)反應(yīng)通式表示為：0=-N2-3H2+2NH31.2.焓及焓變23第23頁/共96頁1.2.2反應(yīng)進度思考：反應(yīng)進度與化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫有關(guān)嗎？有關(guān)。如對于反應(yīng)：0=–N2–3H2+2NH3

，當(dāng)有1molNH3生成時，反應(yīng)進度為0.5mol。若將反應(yīng)寫成則反應(yīng)進度為1mol。反應(yīng)進度ξ

的定義：

反應(yīng)進度的單位是摩爾（mol），它與化學(xué)計量數(shù)的選配有關(guān)。nB

為物質(zhì)B的物質(zhì)的量，dnB表示微小的變化量。或定義24第24頁/共96頁

化學(xué)反應(yīng)時，系統(tǒng)吸收或放出的熱量叫做反應(yīng)的熱效應(yīng)，簡稱反應(yīng)熱。根據(jù)反應(yīng)條件的不同，反應(yīng)熱又可分為：

恒容反應(yīng)熱恒壓反應(yīng)熱1.2.3焓及焓變25第25頁/共96頁恒容反應(yīng)熱恒容過程，體積功w體

=0，不做非體積功w′=0時，所以，w=w體+

w′=0

，ΔU

=QV+w=

QV恒壓反應(yīng)熱恒壓過程，不做非體積功時，w體=–

p(V2–V1)，所以

ΔU=Qp+w=

Qp

–p(V2–V1)

Qp=ΔU+p(V2–V1)26第26頁/共96頁∵QP

=△U+p(V2–

V1)=(U2-U1)+p(V2–

V1)=(U2+p

2V2)–(U1+p1V1)令

H

=

U+p

V

則Qp

=H2–

H1=ΔHH稱為焓，是一個重要的熱力學(xué)函數(shù)。單位：kJ狀態(tài)函數(shù)無絕對數(shù)值27第27頁/共96頁公式Qp

=ΔH的意義：表明在恒壓和不做非體積功的過程中，封閉系統(tǒng)從環(huán)境中所吸收的熱量等于系統(tǒng)焓的增加。所以可以通過ΔH的計算求出QP

的值。QP=H2

–

H1=ΔHΔH為焓變ΔH<0QP<0

恒壓反應(yīng)系統(tǒng)放熱;ΔH>0QP>0

恒壓反應(yīng)系統(tǒng)吸熱。28第28頁/共96頁化學(xué)反應(yīng)熱的測量一般在彈式量熱計中進行。29第29頁/共96頁1.2.4恒容反應(yīng)熱與恒壓反應(yīng)熱的關(guān)系已知 恒容反應(yīng)熱：QV=ΔUV； 恒壓反應(yīng)熱：Qp=ΔUp+p(V2–V1)Qp–

QV=n2(g)RT–n1(g)RT=Δn(g)RT根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，有：對于理想氣體，內(nèi)能是溫度的函數(shù)，等溫過程，ΔUpΔUV，則：Qp–QV=p(V2–V1)=p?V

Qp–

QV

=ΔUp+p(V2–V1)-ΔU30第30頁/共96頁思考：若反應(yīng)C(石墨)+O2(g)→CO2(g)的Qp,m為–393.5kJ·mol–1，則該反應(yīng)的QV,m為多少？對于有凝聚相參與的理想氣體反應(yīng)，由于凝聚相相對氣相來說，體積可以忽略，因此在Qp-Qv=?n(g)RT中，只需考慮氣體的物質(zhì)的量。該反應(yīng)的Δn(g)=0，QV=Qp所以 對于沒有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)或Δn(g)=0的反應(yīng)，QVQp

對于有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)，且Δn(g)0的反應(yīng)，QVQp31第31頁/共96頁1.2.5熱化學(xué)方程式

表示化學(xué)反應(yīng)及其反應(yīng)熱（標(biāo)準摩爾焓變）關(guān)系的化學(xué)反應(yīng)方程式

2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)

一個化學(xué)反應(yīng)的焓變稱作為反應(yīng)焓或反應(yīng)熱，通常用ΔH表示

ΔH=H(產(chǎn)物)-H(反應(yīng)物)32第32頁/共96頁聚集狀態(tài)不同時，?Hm

不同。

2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)，?Hm=-571.66kJ·mol-1

2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)，?Hm=-483.62kJ·mol-1書寫熱化學(xué)方程式時應(yīng)注意：標(biāo)明反應(yīng)溫度、壓力及反應(yīng)物、生成物的量和狀態(tài)；33第33頁/共96頁反應(yīng)熱與反應(yīng)式的化學(xué)計量數(shù)有關(guān)；化學(xué)計量數(shù)不同時,?Hm不同。

H2(g)+1/2O2(g)→H2O(g)，?Hm=-241.82kJ·mol-1

2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)，?Hm=-483.62kJ·mol-1

一般標(biāo)注的是等壓熱效應(yīng)Qp。如果沒有特別注明，通常假定反應(yīng)物和產(chǎn)物處在大氣壓環(huán)境和298.15K（25℃）的條件下。

34第34頁/共96頁CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)?Hm=-802kJ·mol-1反應(yīng)溫度與壓力的標(biāo)注位置。物質(zhì)聚集狀態(tài)的標(biāo)注（s,l,g,aq）方程的化學(xué)計量數(shù)：熱化學(xué)方程式中化學(xué)計量數(shù)表示參加反應(yīng)的各物質(zhì)的物質(zhì)的量，不具有表示分子個數(shù)的意義,因此，?H的單位為kJ·mol-1或者J·mol-125?C1.0x105

Pa35第35頁/共96頁例:下列關(guān)于H2(g)＋Cl2(g)＝2HCl(g)；△H＝－184.6

kJ/mol的敘述正確的是（）

A.1molH2(g)完全反應(yīng)，生成2molHCl，放出熱量184.6kJB.1分子H2(g)和Cl2反應(yīng)，放出熱量184.6kJC.101kPa,298K下1molH2(g)和Cl2(g)完全反應(yīng)，生成2molHCl(g)，

放出熱量184.6kJD.101kPa,25℃下1molH2(g)和Cl2(g)反應(yīng)，生成2molHCl，吸收熱

量184.6kJC36第36頁/共96頁例

在常壓系統(tǒng)中燃燒4.5g甲烷，放出多少熱？正逆反應(yīng)焓變示意圖

解常壓下1molCH4燃燒放出802kJ的熱量。由于1molCH4

的質(zhì)量為16.0g，所以系統(tǒng)放出的熱量負號表示系統(tǒng)釋放給環(huán)境226kJ的熱量。

37第37頁/共96頁

練習(xí)1：已知充分燃燒a

g乙炔氣體時生成1mol二氧化碳氣體和液態(tài)水，并放出熱量bkJ,則乙炔燃燒的熱化學(xué)方程式是：（A）38第38頁/共96頁1.2.6熱化學(xué)方程式表示的意義（1）反應(yīng)物與生成物的種類與聚集狀態(tài)。（2）反應(yīng)中各物質(zhì)的物質(zhì)的量與質(zhì)量比。（3）反應(yīng)中吸收或放出的熱量：反應(yīng)放熱，?H為“-”；反應(yīng)吸熱，?H為“+”。CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)?Hm=-802kJ·mol-1物質(zhì)變化能量變化化學(xué)反應(yīng)的過程，可以看作是能量“貯存”或者“釋放”的過程。39第39頁/共96頁(4)系統(tǒng)的焓變可衡量系統(tǒng)存儲了多少熱量。2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)?Hm=-483.6kJ·mol-1

氫氣燃燒是強放熱反應(yīng)，表明反應(yīng)物焓值較低，且反應(yīng)能產(chǎn)生很強的爆炸力。(5)焓變的大小可以初步判斷化學(xué)反應(yīng)的方向。

絕大多數(shù)的反應(yīng)是放熱的，且?Hm越負反應(yīng)越容易進行。一般來說，系統(tǒng)內(nèi)能減少，以熱量形式傳遞給環(huán)境，對反應(yīng)有利。40第40頁/共96頁

少量的吸熱反應(yīng)額能在沒有外力的作用下自發(fā)進行。如冰的融化過程：H2O(s)→H2O(l)?Hm=6.01kJ·mol-1

這種在一定條件下，不需要借助任何外力可以自動進行的過程被稱為自發(fā)過程（spontaneouscourse）。 粗略估計，?Hm<

-100kJ·mol-1的反應(yīng)，在任何條件下均能自發(fā)進行。41第41頁/共96頁思考：需要加熱的反應(yīng)都是吸熱反應(yīng)嗎？反應(yīng)的能量差異是反應(yīng)物與生成物之間存在能量差異,任何化學(xué)反應(yīng)過程均會產(chǎn)生熱效應(yīng)。反應(yīng)中舊化學(xué)鍵的斷裂需要吸收的能量與新化學(xué)鍵的形成需要釋放的能量不同。反應(yīng)需要加熱，可能是反應(yīng)需要能量引發(fā)，如鋁熱反應(yīng)過程。2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe

（不全部是）42第42頁/共96頁熱容和比熱容

熱容分為等壓熱容Cp和等容熱容CV。1mol物質(zhì)的熱容叫做摩爾熱容。1g物質(zhì)的熱容叫做比熱容，其單位是J·g-1·K-1。1.2.7反應(yīng)熱的實驗測量系統(tǒng)吸熱放熱時，伴隨著溫度的改變。測量溫度變化，即可算出化學(xué)反應(yīng)的熱量。物質(zhì)溫度每升高1K所需吸收的熱量叫做該物質(zhì)的熱容。熱容符號為C，單位是J·K-1。43第43頁/共96頁物質(zhì)的熱容與溫度的關(guān)系隨物質(zhì)、聚集態(tài)、溫度的不同而異。常用兩種經(jīng)驗式：Cp,m=a+bT+cT2+...Cp,m=a+bT+c’T-2+...a,

b,c以及c’都是經(jīng)驗常數(shù)，由各物質(zhì)本身的特性決定。44第44頁/共96頁45彈式量熱計設(shè)有nmol物質(zhì)完全反應(yīng)，所放出的熱量使彈式量熱計與恒溫水浴的溫度從T1上升到T2，彈式量熱計與恒溫水浴的熱容為Cs(J·K-1)，比熱容為cs(J·K-1g-1)，則：

q=

-csms(T2-T1)=-CsΔT由于完全反應(yīng)，因此摩爾反應(yīng)熱：

qm=q/n第45頁/共96頁焓變的基本特點：某反應(yīng)的與其逆反應(yīng)的數(shù)值相等，符號相反。即:始態(tài)和終態(tài)確定之后，一步反應(yīng)的焓變等于多步反應(yīng)的焓變之和。即1.3赫斯定律46第46頁/共96頁1840年GermainHenriHess通過實驗總結(jié)出一條規(guī)律:

在恒壓或恒容條件下，化學(xué)反應(yīng)不管是一步完成還是分幾步完成，其總反應(yīng)放出或吸收的熱總是相同的。始態(tài)終態(tài)中間態(tài)x、y為系數(shù)即熱化學(xué)方程式可像代數(shù)式那樣進行加減運算。47第47頁/共96頁

化學(xué)反應(yīng)的恒壓或恒容反應(yīng)熱只與物質(zhì)的始態(tài)或終態(tài)有關(guān)而與變化的途徑無關(guān)。始態(tài)

C(石墨)+O2(g)終態(tài)

CO2(g)中間態(tài)

CO(g)+?O2(g)原因：Qp=△H,QV=△U,而U,H是狀態(tài)函數(shù)48第48頁/共96頁赫斯定律用處：由已知的熱化學(xué)方程式(反應(yīng)熱)

進行四則運算，求出未知的熱化學(xué)方程式（反應(yīng)

熱）。使用赫斯定律注意：參加四則運算的反應(yīng)要求在相同的條件(溫度，壓力，體積等)下進行。作為運算結(jié)果的反應(yīng)也在此條件下進行。參加四則運算的幾個反應(yīng)中的同一種物質(zhì)要求具有相同的聚集狀態(tài)，作為運算結(jié)果的反應(yīng)中的同一種物質(zhì)也具有此聚集狀態(tài)。各步反應(yīng)均不做非體積功。49第49頁/共96頁由赫斯定律知：若化學(xué)反應(yīng)可以加和，則其反應(yīng)熱也可以加和。例

已知反應(yīng)和的反應(yīng)焓，計算的反應(yīng)焓，解(1)(2)50第50頁/共96頁習(xí)題1，已知25?C時2C(石墨)+

O2(g)=2CO(g)?rHθm,1=-221kJ

mol-13Fe(s)+

2O2(g)=Fe3O4(s)?rHθm,2=-1118kJ

mol-1求：Fe3O4(s)+

4C(石墨)=3Fe(s)+4CO(g)

?rHθm,3

解：(1)x2(4)4C(石墨)+

2O2(g)=4CO(g)?rHθm,4=2?rHθm,1

(4)-(2)4C(石墨)-3Fe(s)=4CO(g)-Fe3O4(s)

移項即得所求方程?rHθm,3

=

?rHθm,4

-

?rHθm,2

=

2?rHθm,1

-

?rHθm,2

=

[2x(-221)-(-1118)]kJ

mol-1=676kJ

mol-151第51頁/共96頁1.4.1標(biāo)準生成焓1.標(biāo)準狀態(tài)

標(biāo)準狀態(tài)(標(biāo)準態(tài))：為物質(zhì)的狀態(tài)定義一個基線。

按照GB3102·8-93中的規(guī)定，標(biāo)準狀態(tài)時的壓力pθ=100kpa，右上角標(biāo)“θ”是表示標(biāo)準狀態(tài)的符號。標(biāo)準狀態(tài)并沒有指定具體溫度！1.4標(biāo)準生成焓及反應(yīng)的標(biāo)準焓52第52頁/共96頁標(biāo)準狀態(tài)的規(guī)定

氣體:T,p=100KPa（pθ）下，表現(xiàn)出理想氣體特性的

氣體純物質(zhì)的狀態(tài)液，固體:T,

p?下純物質(zhì)的狀態(tài)溶液中溶劑A:Pθ下，液體純物質(zhì)A的狀態(tài)溶液中溶質(zhì)B：pθ時，質(zhì)量摩爾濃度

bθ=1mol·Kg-1，并表現(xiàn)出無限稀溶液中溶質(zhì)的狀態(tài);本書采用近似

cθ=1mol·dm-353第53頁/共96頁2.標(biāo)準摩爾生成焓

定義：在溫度T下,

由參考狀態(tài)單質(zhì)生成物質(zhì)B(νB=+1)反應(yīng)的標(biāo)準摩爾焓變單位：kJ·mol-1

參考狀態(tài)單質(zhì)：一般是指在所討論的溫度T及標(biāo)準壓力pθ時最穩(wěn)定狀態(tài)的單質(zhì)。通常稱為指定單質(zhì)。

如：O2(g),H2(g),Br2(l),I2(s),

石墨，白磷P4(s)

物質(zhì)B(νB=+1)：1mol物質(zhì)B。即反應(yīng)進度為1mol。

顯然，標(biāo)準態(tài)指定單質(zhì)的標(biāo)準生成焓為0。生成焓的負值越大，表明該物質(zhì)鍵能越大，對熱越穩(wěn)定。54第54頁/共96頁注意事項：

是物質(zhì)的生成反應(yīng)的標(biāo)準摩爾焓變，書寫B(tài)的生成反應(yīng)計量式時，要使B的化學(xué)反應(yīng)計量數(shù)νB=

+1。即化學(xué)反應(yīng)進度為一。亦即生成1mol的物質(zhì)B。思考：以下哪些反應(yīng)的恒壓反應(yīng)熱不是生成焓(反應(yīng)物和生成物都是標(biāo)準態(tài))?(1)(3)(2)55第55頁/共96頁標(biāo)準摩爾焓變及測定測定原理：由于qp=ΔH所以可以通過在標(biāo)準狀態(tài)下測定恒溫恒壓條件下的反應(yīng)熱得到反應(yīng)標(biāo)準摩爾焓變.標(biāo)準狀態(tài)下,反應(yīng)進度ξ=1mol的焓變稱為反應(yīng)的標(biāo)準摩爾焓變:記作3.反應(yīng)的標(biāo)準焓變56第56頁/共96頁4反應(yīng)的標(biāo)準摩爾焓變的計算穩(wěn)定單質(zhì)反應(yīng)物

標(biāo)準狀態(tài)生成物

標(biāo)準狀態(tài)rHmfHm(p)fHm(r)計算的一般公式表示總和,n和m分別表示產(chǎn)物和反應(yīng)物的化學(xué)計量系數(shù)根據(jù)赫斯定律可以由已知的所有反應(yīng)物和產(chǎn)物的值計算過程的標(biāo)準焓。57第57頁/共96頁也可寫成：表示總和,vB表示產(chǎn)物和反應(yīng)物的化學(xué)計量數(shù)公式58第58頁/共96頁：稱為反應(yīng)標(biāo)準摩爾焓變：稱為反應(yīng)摩爾焓變：稱為標(biāo)準摩爾生成焓：稱為反應(yīng)焓變幾個表示焓變的符號59第59頁/共96頁解從手冊查得298.15K時Fe2O3和Al2O3的標(biāo)準摩爾生成焓分別為–824.2和–1675.7kJ·mol-1。例

試計算鋁熱劑點火反應(yīng)的反應(yīng)計量式為：60第60頁/共96頁注意事項物質(zhì)的聚集狀態(tài)，查表時仔細應(yīng)用物質(zhì)的標(biāo)準摩爾生成焓計算反應(yīng)標(biāo)準摩爾焓時需要注意公式中化學(xué)計量數(shù)與反應(yīng)方程式相符數(shù)值與化學(xué)計量數(shù)的選配有關(guān)；溫度的影響通常情況下隨溫度變化很少。61第61頁/共96頁621.熱力學(xué)第一定律數(shù)學(xué)表達式ΔU=U2-U1

=q+w(w=–p外

ΔV)2.反應(yīng)進度(與化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫有關(guān))3.恒容、恒壓反應(yīng)熱QV=ΔUV；Qp=ΔH;Qp–QV=p(V2–V1)=p?V=Δn(g)RT4.熱化學(xué)方程式CH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(g)?Hm=-802kJ·mol-1物質(zhì)變化能量變化5.赫斯定律第62頁/共96頁63

在恒壓或恒容條件下，化學(xué)反應(yīng)不管是一步完成還是分幾步完成，其總反應(yīng)放出或吸收的熱總是相同的。x、y為系數(shù)6.標(biāo)準狀態(tài):

并沒有指定具體溫度.7.標(biāo)準摩爾生成焓:

在溫度T下,

由參考狀態(tài)單質(zhì)生成物質(zhì)B(νB=+1)反應(yīng)的標(biāo)準摩爾焓變.8.反應(yīng)的標(biāo)準摩爾焓變的計算第63頁/共96頁例

設(shè)反應(yīng)物和生成物均處于標(biāo)準狀態(tài)，計算1mol乙炔完全燃燒放出的能量。解從手冊查得298.15K時，各物質(zhì)的標(biāo)準摩爾生成焓如下。226.730-393.509-285.8364第64頁/共96頁例（a）計算1mol苯[C6H6(l)]燃燒生成CO2(g)和H2O(l)的標(biāo)準焓變；（b）比較由1.00g丙烷和1.00g苯燃燒所產(chǎn)生的熱量。解（a）第一步寫出1molC6H6(l)燃燒的平衡反應(yīng)方程式

第二步計算反應(yīng)的標(biāo)準焓變65第65頁/共96頁（b）同理可求出1mol丙烷燃燒的ΔrHmθ＝－2220kJ?mol-1。因此根據(jù)C3H8(g)和C6H6(l)的摩爾質(zhì)量可以求出它們每克物質(zhì)的燃燒熱C3H8(g)：（－2220kJ·mol-1）×（1mol/44.0g）=－50.5kJ?g-1C6H6(l)：（－3267kJ·mol-1）×（1mol/78.0g）=－41.9kJ?g-1

碳氫化合物的燃燒熱有一條重要的規(guī)律，即每克碳氫化合物燃燒所得到的能量在40~50kJ之間。66第66頁/共96頁1.5能源思考：能源利用為什么這么重要？工廠廢棄如果世界能源消耗殆盡？交通癱瘓糧食減產(chǎn)城市廢墟67第67頁/共96頁

能源是自然界中為人類提供能量的物質(zhì)資源。

能源是當(dāng)今社會的三大支柱（材料、能源、信息）

之一。

能源是我們賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。68第68頁/共96頁一次能源二次能源常規(guī)

能源燃料能源煤炭、石油、天然氣、生物質(zhì)能煤氣、焦碳、成品燃油、液化氣、酒精非燃料能源水能電力、蒸汽、熱水新能源燃料能源核能人工沼氣、氫能非燃料能源太陽能、地?zé)?、風(fēng)能、海洋能激光利用

狀況使用

性質(zhì)形成條件1.5.1世界能源的結(jié)構(gòu)與能源危機1.能源的分類69第69頁/共96頁2世界能源的結(jié)構(gòu)和消耗195019601970198019902010102030405060能源結(jié)構(gòu)比例(%)年代世界消耗的一次能源結(jié)構(gòu)煤炭

石油

天然氣

水電及其它70第70頁/共96頁3能量消耗前六名的國家美國中國俄羅斯日本德國印度51015202530能源結(jié)構(gòu)比例(占世界%)

國家煤炭

石油

天然氣

核能

水電25.410.47.26.04.12.9世界六國消耗的一次能源比例及總比例（占世界）趨勢（比例）：石油和天然氣下降；煤炭上升；核電上升。71第71頁/共96頁4能源危機本質(zhì)：能量總量不變，質(zhì)量衰退了，有序能下降。1.5.2煤炭與潔煤技術(shù)我國能源結(jié)構(gòu)的特點:我國的能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占據(jù)重要地位：占總能量的70%以上。此外，我國也是世界上煤炭儲量最大的國家，因此，如何高效、科學(xué)、清潔地利用煤炭資源是我國能源科學(xué)和研究中的重要課題。我國煤炭的一個特點是煤炭中含硫量較高，煤炭中的硫在燃燒時生成二氧化硫。大氣中的二氧化硫是造成酸雨的主要原因。72第72頁/共96頁1煤炭的成分與熱值煤炭的主要成分：碳、氫、氧；少量氮、硫、磷等。煤炭的熱值：單位質(zhì)量或體積的燃料完全燃燒放出的熱量。標(biāo)準煤的熱值為29.3MJ·kg-1。無煙煤：低硫，較好；煙煤：高硫，燃燒環(huán)境污染；褐煤：儲量大，但熱值低。煤炭的分類：73第73頁/共96頁2潔凈煤技術(shù)

潔凈煤技術(shù)于1986年由美國率先提出，現(xiàn)已成為解決環(huán)境和能源問題的主導(dǎo)技術(shù)之一。煤甲醇合成汽油液體燃料(新型液態(tài)燃料)74第74頁/共96頁1.5.3石油和天然氣

石油

石油是多種烴類的混合物，其中含有鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和少量含氧、含硫的有機物。思考：世界原油儲量最大的地區(qū)在哪兒？我國的原油產(chǎn)地在哪兒？

世界原油儲量最大的地區(qū)是中東。我國的原油產(chǎn)地在東北、西北和山東（黑龍江省的大慶油田、新疆的克拉瑪依油田和山東省的勝利油田是中國三大油田）。75第75頁/共96頁石油經(jīng)過分餾和裂解等加工過程后可得到石油氣、汽油、煤油、柴油、潤滑油和瀝青等產(chǎn)品。思考：以上產(chǎn)品中最重要的是什么？汽油。95%的汽油用于驅(qū)動汽車。衡量汽油質(zhì)量的一個重要指標(biāo)是辛烷值。直餾汽油的辛烷值約為55-72之間，在汽油中加入少量四乙基鉛可以將辛烷值提高到79-88，為了防止鉛在汽缸中沉積，加入少量二溴乙烷，使生成揮發(fā)性的溴化鉛，與尾氣一同排入大氣。思考：汽車尾氣污染物是什么？如何解決？主要污染物：NO、CO、HC和含鉛化物等。解決方法：采用無鉛汽油，對汽車尾氣進行催化凈化。1石油燃料產(chǎn)品76第76頁/共96頁2天然氣天然氣是低級烷烴的混合物，主要成分是甲烷，常與石油伴生。其熱值約為55.6MJ?kg-1。天然氣的優(yōu)點：

可直接應(yīng)用

易于管道輸送

污染少思考：西氣東送具有哪些重要意義？77第77頁/共96頁3沼氣和生物質(zhì)能

植物殘體在隔絕空氣的情況下發(fā)生自然分解時產(chǎn)生的氣體稱為沼氣。沼氣約含60%的甲烷，其余為二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。思考：可用哪些原料制備沼氣？如果你來自農(nóng)村，你家使用過沼氣嗎？農(nóng)村一般用人畜糞便、雜草等制取沼氣。生物質(zhì)能的現(xiàn)代利用是將植物枝桿等在汽化爐中加壓汽化制成可燃氣體。78第78頁/共96頁4可燃冰—未來的新能源天然氣被包進水分子中，在深海的低溫高壓下形成的透明結(jié)晶，外形似冰，用火柴一點就著，故稱“可燃冰”。CH4·xH2O(s)。形成條件：低溫高壓如0℃，76MPa。儲量：數(shù)據(jù)相差較大?？偭肯喈?dāng)于161萬億噸煤，可用100萬年；是地球上煤、石油和天然氣能量總和的2-3倍。分布：深水大陸架和陸地永久凍土帶。我國東海、南海有大量可燃冰，約相當(dāng)于全國石油儲量的一半。開采難，儲量豐富。79第79頁/共96頁1.5.4煤氣和液化氣煤氣煤的合成氣及煉焦氣都是城市煤氣。來源于石油，主要成分為丙烷、丁烷等，煉油廠的副產(chǎn)品。液化氣煤氣的組成H2：50%；CO：15%；CH4：15%，熱值約16MJ?M-3思考：與煤氣相比，液化氣有哪些優(yōu)點？無毒、低污染、熱值高于煤氣。液化氣作動力→綠色汽車←燃料電池（各國競爭發(fā)展）。80第80頁/共96頁1.6清潔能源與可持續(xù)發(fā)展思考1：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是無限的(不考慮太陽的壽命)？思考2：你認為伊拉克戰(zhàn)爭的深層次原因是什么？1：礦物能源（煤炭和石油）是有限的，來自宇宙的能源（如太陽能）和核能是無限的。2：開放性的結(jié)論1992年，聯(lián)合國環(huán)境于發(fā)展大會上提出了社會、經(jīng)濟、人口、資源和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的口號。能源作為最緊缺的資源對人類社會的可持續(xù)發(fā)展起著關(guān)鍵的作用。81第81頁/共96頁我國能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比重太小。必須合理開發(fā)及進一步開發(fā)新能源，才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。圖治理前的熱電廠最有希望的清潔能源是氫能、太陽能以及核能和生物質(zhì)能等。可持續(xù)發(fā)展三原則：公平性、共同性和持續(xù)性。1.6.1能源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展82第82頁/共96頁1.6.2氫能氫能是一種理想的二次清潔能源。氫能的優(yōu)點熱值高，其數(shù)值為142.9MJ?kg-1。燃燒反應(yīng)速率快，功率高原料是水，取之不盡產(chǎn)物是水，不污染環(huán)境思考：用氫作能源目前還存在一些問題，你認為是哪些方面的問題？經(jīng)濟的制備方法，安全高效的儲運方法和有效地利用。83第83頁/共96頁1氫氣的制取

太陽能光解

電解作為氯堿工業(yè)的副產(chǎn)品，是目前工業(yè)氫氣的制備方法。2NaCl+2H2OCl2+H2+2NaOH電解思考：用電解的方法大規(guī)模制取用作能源的氫氣可行嗎？從經(jīng)濟上考慮是不可行的。利用太陽光的能量催化分解水得到氫氣，最有前途的制氫方法。是研究的熱點。84第84頁/共96頁2氫氣的儲運

氫氣的密度小，且極難加壓液化，因此氫氣的儲存和運輸是一個比較困難的問題。合金貯氫法原理：氫可以與某些合金在較高的壓力下生成化合物，這些化合物在合適的條件下可以釋放出氫氣。如鑭鎳合金：

開發(fā)研究貯氫合金材料是當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門分支。LaNi5+3H2LaNi5H6300kPa加熱85第85頁/共96頁1.6.3太陽能

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的天然核聚變能。太陽能的利用不會引起環(huán)境污染，不會破壞自然生態(tài)。因此是人類最可靠、最有前景的能源形式。