化學反應(yīng)里的能量變化課件

化學反應(yīng)中的能量變化化學反應(yīng)伴隨著能量變化，例如放熱反應(yīng)釋放熱量，吸熱反應(yīng)吸收熱量。能量的定義能量的定義能量是物體做功的能力，它是物質(zhì)運動的屬性。能量的屬性能量可以轉(zhuǎn)化，但不能憑空產(chǎn)生或消失，即能量守恒。能量的形式能量存在多種形式，例如動能、勢能、熱能、化學能、電能等。能量的形式光能太陽輻射出的光能，是自然界最主要的能量來源。熱能物體內(nèi)部粒子的無規(guī)則運動產(chǎn)生的能量，可通過傳導、對流和輻射傳遞。機械能物體由于運動或位置而具有的能量，包括動能和勢能?；瘜W能物質(zhì)內(nèi)部原子和分子鍵合狀態(tài)改變時釋放或吸收的能量。能量的轉(zhuǎn)化能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但能量總量保持不變。例如，水壩中的水勢能轉(zhuǎn)化為水流的動能，進而轉(zhuǎn)化為發(fā)電機的電能。1機械能運動物體具有的能量2熱能物體內(nèi)部粒子運動的能量3化學能物質(zhì)內(nèi)部儲存的能量4電能電流所具有的能量能量轉(zhuǎn)化是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，它在化學反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，比如光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，而燃燒則是將化學能轉(zhuǎn)化為熱能。熵的概念1無序程度熵是用來衡量一個體系的無序程度，體系越混亂，熵值越大。2自發(fā)過程熵增原理表明，一個孤立體系的自發(fā)過程總是朝著熵增加的方向進行。3熱力學第二定律熱力學第二定律指出，任何孤立體系的熵總是隨著時間的推移而增加。4應(yīng)用熵的概念被廣泛應(yīng)用于化學、物理學、生物學等領(lǐng)域。內(nèi)能和焓內(nèi)能內(nèi)能是一個系統(tǒng)中所有能量的總和，包括物質(zhì)內(nèi)部的動能和勢能。內(nèi)能是一個狀態(tài)函數(shù)，只與系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，與過程無關(guān)。焓焓是一個熱力學狀態(tài)函數(shù)，表示系統(tǒng)在恒壓條件下所具有的能量。焓變是指焓的變化，它反映了化學反應(yīng)或物理過程中的熱量變化。吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)是指反應(yīng)過程中吸收熱量，使體系溫度降低的反應(yīng)。放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)是指反應(yīng)過程中釋放熱量，使體系溫度升高的反應(yīng)。常見的吸熱反應(yīng)例如：冰融化成水，水蒸發(fā)成水蒸氣。常見的放熱反應(yīng)例如：燃燒，中和反應(yīng)，金屬與酸反應(yīng)。反應(yīng)熱和生成熱反應(yīng)熱生成熱在特定條件下，反應(yīng)進行到完成時所吸收或放出的熱量在標準狀態(tài)下，由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1摩爾物質(zhì)時的熱量變化與反應(yīng)物的計量數(shù)有關(guān)與物質(zhì)的化學組成有關(guān)可正負值，正值吸熱，負值放熱常溫常壓下，生成熱是負值的反應(yīng)更容易進行反應(yīng)熱和生成熱是化學反應(yīng)中重要的能量指標。激活能和反應(yīng)途徑1反應(yīng)途徑反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的具體步驟。2過渡態(tài)反應(yīng)過程中能量最高的中間狀態(tài)。3活化能反應(yīng)物達到過渡態(tài)所需的最低能量。活化能越高，反應(yīng)越難進行。催化劑可以通過降低活化能來加快反應(yīng)速率。反應(yīng)熱與反應(yīng)進程1反應(yīng)熱與焓變反應(yīng)熱是化學反應(yīng)過程中放出或吸收的熱量，它可以反映反應(yīng)的能量變化。2反應(yīng)進程與能量變化反應(yīng)進程是指反應(yīng)從起始狀態(tài)到最終狀態(tài)的變化過程，反應(yīng)熱與反應(yīng)進程密切相關(guān)，反應(yīng)進程可以影響反應(yīng)熱的大小。3焓變與反應(yīng)熱焓變是反應(yīng)體系焓值的改變量，它可以用來衡量反應(yīng)熱，反應(yīng)熱與焓變的符號相同，但大小不一定相等。反應(yīng)熱的測量量熱計量熱計是一種專門用于測量反應(yīng)熱或熱效應(yīng)的設(shè)備。實驗方法通過測量反應(yīng)前后體系的溫度變化，并結(jié)合已知的熱容量，計算反應(yīng)熱。計算方法利用熱化學方程式和熱化學定律進行計算，得出反應(yīng)熱值。熱化學方程式1化學反應(yīng)的能量變化熱化學方程式用化學式表示化學反應(yīng)，并用符號表示反應(yīng)熱。反應(yīng)熱是反應(yīng)在標準狀態(tài)下進行時，反應(yīng)體系吸收或放出的熱量。2反應(yīng)熱符號反應(yīng)熱用ΔH表示，ΔH為正值，表示吸熱反應(yīng)，ΔH為負值，表示放熱反應(yīng)。3舉例例如，氫氣燃燒生成水的反應(yīng)，其熱化學方程式為：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)；ΔH=-285.8kJ/mol。熱化學定律蓋斯定律化學反應(yīng)的焓變只與反應(yīng)物的起始狀態(tài)和生成物的最終狀態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)途徑無關(guān)。赫斯定律一個反應(yīng)的焓變等于該反應(yīng)各步反應(yīng)的焓變之和，不論反應(yīng)是一步完成還是分步完成?；鶢柣舴蚨煞磻?yīng)的焓變隨溫度變化，溫度每升高10K，焓變變化約為4J/mol。用熱化學定律解決問題理解反應(yīng)熱反應(yīng)熱是化學反應(yīng)中能量變化的度量。可以使用熱化學方程式和熱化學定律來計算反應(yīng)熱。運用蓋斯定律蓋斯定律指出，化學反應(yīng)的總熱效應(yīng)與反應(yīng)的途徑無關(guān)，只與反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)。計算未知熱效應(yīng)利用已知反應(yīng)熱和蓋斯定律，可以計算未知反應(yīng)的熱效應(yīng)，幫助預測反應(yīng)的方向和可能性。解決實際問題例如，預測化學反應(yīng)是否會自發(fā)進行，判斷反應(yīng)的能量變化是否會導致爆炸，等等。熱效應(yīng)與生活燃燒燃燒過程釋放熱能，為我們提供熱量和光，滿足生活需求。烹飪烹飪過程中，能量的吸收和釋放使食物熟透，為我們提供營養(yǎng)。電池電池利用化學反應(yīng)的能量變化來提供電力，為電子設(shè)備供能?；瘜W反應(yīng)能量變化的應(yīng)用化學反應(yīng)能量變化廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。例如，燃燒反應(yīng)釋放能量，為人類社會提供熱能和電力。化學反應(yīng)能量變化也應(yīng)用于合成新材料，例如合成橡膠、塑料等，這些材料在現(xiàn)代生活中扮演著重要角色。生物體內(nèi)的許多生命活動也與能量變化密切相關(guān)，例如光合作用和呼吸作用。燃料電池的工作原理氫氣進入負極氫氣在負極催化劑的作用下被氧化成氫離子(H+)和電子(e-)。電子通過外部電路電子通過外部電路到達正極，提供電流。氧氣進入正極氧氣在正極催化劑的作用下與氫離子結(jié)合，生成水(H2O)。化學反應(yīng)整個反應(yīng)過程是氫氣和氧氣在催化劑的作用下反應(yīng)生成水，并釋放能量，這些能量被轉(zhuǎn)化為電能。光合作用的能量轉(zhuǎn)化光合作用是地球上最重要的能量轉(zhuǎn)化過程之一。它利用太陽能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成葡萄糖和氧氣，為生命提供能量。1光能太陽光提供能量2化學能轉(zhuǎn)化為葡萄糖中的化學能3生物量植物生長、呼吸和光合作用4環(huán)境能量氧氣釋放到大氣中光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學能，儲存在葡萄糖中。這些化學能可以被植物利用，也可以通過食物鏈傳遞給其他生物。光合作用還釋放氧氣到大氣中，為地球上的生命提供呼吸所需的氧氣。熱量與工作的關(guān)系熱量轉(zhuǎn)化為功熱量可以轉(zhuǎn)化為功，例如蒸汽機利用熱量推動活塞做功，內(nèi)燃機利用熱量驅(qū)動發(fā)動機做功。熱量轉(zhuǎn)化為功的效率取決于熱機的效率，例如卡諾循環(huán)描述了熱機效率的理論極限。功轉(zhuǎn)化為熱量功也可以轉(zhuǎn)化為熱量，例如摩擦生熱，壓縮氣體升溫，以及電阻發(fā)熱。功轉(zhuǎn)化為熱量的效率為100%，但熱量轉(zhuǎn)化為功的效率則小于100%，這是熱力學第二定律的體現(xiàn)。熱機的效率熱機將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，效率表示熱能轉(zhuǎn)化為機械能的比例。熱機效率無法達到100%，因為一部分熱能會損失，無法轉(zhuǎn)化為機械能。30%熱機效率熱機效率通常小于30%，意味著超過70%的熱能損失掉。100%理想熱機理論上，理想熱機效率可達100%，但實際上不可能實現(xiàn)。20%汽油機汽油機效率約為20%，燃氣輪機效率可達35%左右。50%未來展望未來，開發(fā)更高效率的熱機是重要的研究方向。熱力學第一定律能量守恒定律描述了能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只會從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。該定律指出，在一個封閉的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總能量是恒定的，即能量不會損失或增加。熱力學第一定律是物理學的基本定律之一，它廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如化學、物理學、工程學和生物學等。熱力學第二定律1能量守恒熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，不會自發(fā)逆轉(zhuǎn)。2熵增原理一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會減少，只會增加或保持不變。3熱力學效率能量轉(zhuǎn)化過程中，總有部分能量以熱的形式散失，無法完全利用。4自發(fā)過程熵增加的過程是自發(fā)的，而熵減少的過程需要外界做功。自發(fā)過程和非自發(fā)過程自發(fā)過程不需要外界能量輸入即可發(fā)生的反應(yīng)，例如冰融化成水。自發(fā)過程通常伴隨著熵增加，這意味著系統(tǒng)的混亂程度增加。非自發(fā)過程需要外界能量輸入才能發(fā)生的反應(yīng)，例如水結(jié)冰成冰。非自發(fā)過程通常伴隨著熵減少，這意味著系統(tǒng)的混亂程度降低。焓變和吉布斯自由能焓變焓變是指化學反應(yīng)過程中焓的變化，是衡量化學反應(yīng)能量變化的重要指標。吉布斯自由能吉布斯自由能是衡量化學反應(yīng)自發(fā)性的重要指標，其變化值可以預測反應(yīng)進行的方向。兩者關(guān)系焓變和吉布斯自由能密切相關(guān)，吉布斯自由能的變化不僅與焓變有關(guān)，還與溫度和熵變有關(guān)。相變時的能量變化1熔化和凝固固體熔化成液體需要吸收能量，稱為熔化熱。液體凝固成固體釋放能量，稱為凝固熱。熔化熱和凝固熱數(shù)值相等，但符號相反。2汽化和液化液體汽化成氣體需要吸收能量，稱為汽化熱。氣體液化成液體釋放能量，稱為液化熱。汽化熱和液化熱數(shù)值相等，但符號相反。3升華和凝華固體直接變成氣體稱為升華，需要吸收能量，稱為升華熱。氣體直接變成固體稱為凝華，釋放能量，稱為凝華熱。升華熱和凝華熱數(shù)值相等，但符號相反。相圖及其應(yīng)用相圖是在特定條件下，物質(zhì)的不同相態(tài)之間的關(guān)系圖。相圖可以用來預測物質(zhì)在不同溫度和壓強下的相態(tài)。例如，水的三相點在0.01℃和611.73Pa時，水的三相（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）共存。相圖在化學、材料科學和地球科學等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用?；瘜W平衡和反應(yīng)速率可逆反應(yīng)化學反應(yīng)可逆，正逆反應(yīng)同時進行，達到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等。平衡常數(shù)平衡常數(shù)K表示平衡狀態(tài)下反應(yīng)物和生成物的濃度之比，反映反應(yīng)進行的程度。速率常數(shù)速率常數(shù)k反映反應(yīng)進行的快慢，不受外界條件影響，但受溫度影響。影響因素溫度、濃度、壓強、催化劑等因素都會影響反應(yīng)速率和平衡狀態(tài)。影響反應(yīng)速率的因素11.溫度溫度升高，反應(yīng)速率加快，分子運動更劇烈，碰撞頻率增加。22.濃度反應(yīng)物濃度越大，反應(yīng)速率越快，單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子數(shù)更多。33.表面積固體反應(yīng)物的表面積越大，反應(yīng)速率越快，接觸面積更大，碰撞機會增加。44.催化劑催化劑可以改變反應(yīng)途徑，降低活化能，加速反應(yīng)速率。催化劑的作用降低活化能催化劑可以提供一個新的反應(yīng)路徑，降低活化能，使反應(yīng)更容易發(fā)生。加快反應(yīng)速率催化劑可