醫(yī)用基礎(chǔ)化學(xué)課件：化學(xué)反應(yīng)熱、反應(yīng)的方向限度

2024/1/18第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)中的能量關(guān)系化學(xué)反應(yīng)熱、反應(yīng)的方向限度2024/1/181.兩種物質(zhì)放在一起，能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？2.若不能發(fā)生反應(yīng)，需改變什么條件才能進(jìn)行？3.若能發(fā)生，反應(yīng)過程中能量變化如何？反應(yīng)能進(jìn)行到什么程度（最大限度）？

2024/1/18基本概念和術(shù)語

體系：被研究的對象

環(huán)境：與系統(tǒng)密切相關(guān)的其它部分

體系與環(huán)境2024/1/18狀態(tài)：由一系列表征系統(tǒng)性質(zhì)的物理量所確定下來的體系的存在形式。狀態(tài)函數(shù)：描述體系狀態(tài)的物理量。T、V等狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)2024/1/18狀態(tài)一定，則體系的狀態(tài)函數(shù)一定。體系的一個(gè)或幾個(gè)狀態(tài)函數(shù)發(fā)生變化，則體系的狀態(tài)發(fā)生變化。體系的始態(tài)和終態(tài)一定，則狀態(tài)函數(shù)的改變量是一定的。例：N2+3H2=2NH3N2、H2、NH3的化學(xué)計(jì)量數(shù)：ν(N2)=-1、ν(H2)=-3、ν(NH3)=2表明反應(yīng)中每消耗1molN2和3molH2

生成2molNH3化學(xué)計(jì)量數(shù)與反應(yīng)進(jìn)度2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

反應(yīng)進(jìn)度2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

反應(yīng)進(jìn)度：2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

反應(yīng)進(jìn)度：

(1)1/2N2+3/2H2=NH3ξ=1mol表示1/2

mol的N2與3/2mol的H2

完全反應(yīng),生成

1mol的NH3

(2)N2+3H2=2NH3ξ=1mol表示1

mol的N2

與3

mol的H2

完全反應(yīng),生成2mol的NH3

2024/1/18功和熱熱(Q)：體系和環(huán)境之間因溫度不同而傳遞或交換的能量的形式。體系吸熱，Q為正值；體系放熱，Q為負(fù)值功(W)：除了熱之外，體系與環(huán)境之間其它的傳遞或交換能量的形式。環(huán)境對體系做功，W為正值體系對環(huán)境做功，W為負(fù)值[注意]單位均為J、kJ功和熱不是狀態(tài)函數(shù)

熱力學(xué)能（內(nèi)能）

熱力學(xué)能(U)——體系內(nèi)部能量的總和由于體系內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)及相互作用很復(fù)雜，所以體系熱力學(xué)能的絕對值無法測知。是狀態(tài)函數(shù)

U=U(終態(tài))-U(始態(tài))單位——J、kJ熱力學(xué)第一定律2024/1/18例:某封閉體系在某一過程中從環(huán)境中吸收了50kJ的熱量，對環(huán)境做了30kJ的功，則體系的熱力學(xué)能改變量是多少？

U體系=Q+W=(+50kJ)+(30kJ)=20kJ

反應(yīng)熱1.反應(yīng)熱如何表示？2.反應(yīng)熱如何計(jì)算？

反應(yīng)熱如：2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)

H

=-571.66kJ·mol-1H2(g)+O2(g)→H2O(l)

H

=

-285.83kJ·mol-112焓:H=U+PV

Qp=

H2024/1/18

rHm——摩爾反應(yīng)焓變（反應(yīng)熱）熱化學(xué)方程式：C6H12O6(s)+6O2(g)=6CO2(g)+6H2O(l)

rHm

(298K)=

akJ

mol–1

rHm?(298K)=

2803kJ

mol–12024/1/18

標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)氣體標(biāo)準(zhǔn)壓力(p=100kPa)下純氣體液體固體標(biāo)準(zhǔn)壓力(p=100kPa)下純液體、純固體溶液中的溶質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)壓力(p)下質(zhì)量摩爾濃度為1mol·kg-1(近似為1mol·L-1)

反應(yīng)熱1.反應(yīng)熱如何表示？2.反應(yīng)熱如何計(jì)算？2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

Hess,俄文名字為

ecc,奧地利籍俄羅斯人。1836年,Hess提出定律:方法1：Hess定律（

ecc定律）一個(gè)化學(xué)反應(yīng)如果分幾步完成，則總反應(yīng)的反應(yīng)熱等于各分步反應(yīng)的反應(yīng)熱之和。Hess2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

rHm2?

=

rHm1?

rHm3?

rHm1?

=

rHm2?

+

rHm3?2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

rHm2?

=

rHm1?

rHm3?三個(gè)反應(yīng)式的關(guān)系:(1)=(2)+(3)

(2)=(1)-(3)赫斯定律適用于所有的狀態(tài)函數(shù)2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

例：

已知反應(yīng)N2(g)+3H2(g)==2NH3(g)的ΔrHm?

(1)

和反應(yīng)2H2(g)+O2(g)==2H2O(g)的ΔrHm?

(2)

求反應(yīng)4NH3(g)+3O2(g)==2N2(g)+6H2O(g)的ΔrHm?

(3)

方法2：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓計(jì)算定義：標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下，由最穩(wěn)定的純態(tài)單質(zhì)生成1mol某物質(zhì)的焓變即為該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓。C(石墨)+O2(g)=CO2(g)

rHm?=

fHm?

(CO2,g

)=

393.5kJ

mol–1符號：fHm?

單位：kJ

mol–12024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)

rHm?

=fHm?(H2O,g)

=

241.8kJ·mol–1H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)

rHm?

=fHm?(H2O,l)

=

285.8kJ·mol–1

fHm?(H2,g)=0kJ·mol–1

fHm?(O2,g)=0kJ·mol–1

fHm?(C,石墨)=0kJ·mol–12024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

常見物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓見P294

附錄四2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

反應(yīng)焓變計(jì)算:2024/1/18

計(jì)算時(shí),注意系數(shù)和正負(fù)號

計(jì)算等壓反應(yīng):4NH3(g)+5O2(g)

→4NO(g)+6H2O(g)的

rHm?

例解：4NH3(g)+5O2→4NO+6H2O(g)

fHm?/kJ·mol-1-46.11

090.25-241.82

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-12024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

1.表示CO2的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓的反應(yīng)是（）

A.CO(g)+1/2O2(g)?CO2(g)

ΔrHm

=-283.0kJ·mol-1

B.C(金剛石)+O2(g)?CO2(g)

ΔrHm

=-395.8kJ·mol-1

C.2C(石墨)+2O2(g)?2CO2(g)

ΔrHm

=-787.0kJ·mol-1

D.C(石墨)+O2(g)?CO2(g)

ΔrHm

=-393.5kJ·mol-1

2.在298K、100kPa條件下，測得下列反應(yīng)

H2(g)+1/2O2(g)?H2O(g)

反應(yīng)進(jìn)度為1mol的反應(yīng)放出的熱量為285.83kJ，下列哪一個(gè)等式正確（）

A.ΔrHm

(H2O，g)=-285.83kJ·mol-1

B.ΔrHm(H2O，g)=-285.83kJ·mol-1

C.ΔfHm

(H2O，g)=-285.83kJ·mol-1

D.ΔfHm

(H2O，g)=+285.83kJ·mol-1

E.ΔfHm

(H2O)=-285.83kJ·mol-1

2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

3.已知：

4NH3(g)+5O2(g)

=4NO(g)+6H2O

(l)

ΔrHm

=-1170kJ·mol-1

4NH3(g)+3O2(g)=2N2(g)

+6H2O

(l)

ΔrHm

=-1530kJ·mol-1

ΔfHm

(NO，g)為（）。4．下列物質(zhì)的不等于零的是（）A．Cl2(l)B．Ne(g)C．Fe(s)D．C(石墨)E．H2（g）

2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

反應(yīng)方向1.什么自發(fā)過程，自發(fā)過程有什么特征？2.自發(fā)反應(yīng)的推動(dòng)因素有哪些？3.怎么判斷反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的方向？2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

自發(fā)過程一定條件下不需外力就能進(jìn)行的過程稱自發(fā)過程。如水往低處流，鐵的生銹，氣體的擴(kuò)散等等自發(fā)反應(yīng)自發(fā)地向正反應(yīng)方向進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)稱自發(fā)反應(yīng)。WatericeCH4(g)+2O2(g)→CO2(g)+2H2O(l)

2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

自發(fā)過程（反應(yīng)）特征★單向性★具有作功的能力★有一定的限度2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

反應(yīng)方向1.什么自發(fā)過程，自發(fā)過程有什么特征？2.自發(fā)反應(yīng)的推動(dòng)因素有哪些？3.怎么判斷反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的方向？2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

1878年，法國化學(xué)家M.Berthelot和丹麥化學(xué)家J.Thomsen提出：自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)趨向于使系統(tǒng)放出最多的能量?！爸挥蟹艧岱磻?yīng)才能自發(fā)進(jìn)行”。推動(dòng)因素1：能量最低原理（焓變判據(jù)）

Na(s)+H2O(l)

NaOH(aq)+1/2H2(g)

rHm

=-184kJ

mol-1CH4(g)+2O2(g)

CO2(g)+2H2O(g)

rHm

=-802kJ

mol-12024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

（1）KNO3溶于水的過程既吸熱又自發(fā)。（2）碳酸鈣的分解反應(yīng)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)，在高溫（大約840℃以上）是自發(fā)進(jìn)行的，也是吸熱反應(yīng)。

結(jié)論：能量下降的趨勢并不是推動(dòng)化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的唯一因素。2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

上述具有共同的特征：即過程或反應(yīng)發(fā)生后體系的混亂程度增大。推動(dòng)因素2：過程或反應(yīng)的混亂度增大的趨勢（1）KNO3溶于水的過程既吸熱又自發(fā)。（2）碳酸鈣的分解反應(yīng)CaCO3(s)=CaO(s)+CO2(g)，在高溫（大約840℃以上）是自發(fā)進(jìn)行的，也是吸熱反應(yīng)。

2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

混亂度和熵混亂度：體系內(nèi)組成物質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)的混亂程度熵：描述物質(zhì)混亂度大小的物理量（狀態(tài)函數(shù)）符號：S

單位：J

K-1（溫度升高,體系或物質(zhì)的熵值增大）

2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵:1mol純物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下的熵值稱為標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵。符號：Sm?單位：J·mol-1·K-1常見物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵見P294附錄四2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

純物質(zhì)完整有序晶體在0K時(shí)的熵值為零。S*（完整晶體，0K）=0

2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

例：求反應(yīng)2HCl(g)=H2(g)+Cl2(g)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵變。

HCl(g)H2(g)Cl2(g)Sm?

(J·K-1·mol-1)186.6130223ΔrSm?=130+223–2

186.6=-20.2（J·K-1·mol-1）化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵變

rSm?計(jì)算：

rSm?=

iSm?(生成物)-iSm?(反應(yīng)物)2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

反應(yīng)方向1.什么自發(fā)過程，自發(fā)過程有什么特征？2.自發(fā)反應(yīng)的推動(dòng)因素有哪些？3.怎么判斷反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的方向？2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

吉布斯（Gibbs）公式：

rGm

＝

rHm–T

rSm

rGm：摩爾吉布斯自由能變量(簡稱自由能變)單位：kJ·mol-12024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

~化學(xué)家史話

~吉布斯（J.W.Gibbs，1839-1903），美國物理學(xué)家，1858年畢業(yè)于耶魯大學(xué)，1863年獲博士學(xué)位，1871年起任耶魯大學(xué)數(shù)學(xué)物理教授。1881年獲美國最高科學(xué)獎(jiǎng)—冉福特獎(jiǎng)。“從內(nèi)容到形式賦予物理化學(xué)整整一百年”“其重要性可以和拉瓦錫所建立的功勛媲美”逝世47年后，被選入紐約大學(xué)的美國名人館。

吉布斯Gibbs

——

物理化學(xué)之父2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

rGm<0自發(fā)過程,化學(xué)反應(yīng)自發(fā)正向進(jìn)行

rGm=0平衡狀態(tài)

rGm>0非自發(fā)過程，化學(xué)反應(yīng)逆向進(jìn)行

rGm──熱化學(xué)反應(yīng)方向的判據(jù)

rGm

＝

rHm–T

rSm2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

rGm

＝

rHm–T

rSm2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變△rGm?

的計(jì)算(1)△fGm

?(298K)任一化學(xué)反應(yīng)：aA+dD=eE+fF

△rGm?

(298K)=[e△fG?

(E)+f△fG?

(F)]產(chǎn)物

–[a△fG?

(A)+d△fG?

(D)]反應(yīng)物

(2)任一溫度T

△rGm?

(T)=△rHm

?

(T)–T△rSm?

(T)

≈△rHm

?(298K)–T△rSm

?

(298K)2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

例：試判斷在298.15K、標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下，反應(yīng)CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g)能否自發(fā)進(jìn)行？1000K？在溫度高于多少時(shí)反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行？2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

1.在298.15K，反應(yīng)是自發(fā)的，但在高溫時(shí)，逆反應(yīng)變?yōu)樽园l(fā)，這意味著（）A.ΔrHm

>0，ΔrSm

>0B.ΔrHm

>0，ΔrSm

<0C.ΔrHm

<0，ΔrSm

<0D.ΔrHm

<0，ΔrSm

>02.在298.15K和標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時(shí)，下列反應(yīng)均為非自發(fā)反應(yīng)，其中在高溫時(shí)仍為非自發(fā)反應(yīng)的是（）A.Ag2O(s)=1/2O2(g)+2Ag(s)B.N2O4(g)=2NO2(g)C.Fe2O3(s)+3/2C(s)=3/2CO2(g)+2Fe(s)D.6C(s)+6H2O

(g)=C6H12O6(s)2024/1/181-3-2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變

3.一定溫度下，下列反應(yīng)中，ΔrSm

值最大的是（）

A.CaSO4(s)+2H2O(l)=CaSO4·2H2O(s)B.N