第一章熱化學和能源

教材：《普通化學》

(第五版)教師:何敏1、教學方式：理論以多媒體授課為主（32學時），盡量采用啟發(fā)、討論式教學方法。2、學習要求：看三遍書：預習、細讀、精讀。培養(yǎng)學生的自學能力，要求學生學會聽課，盡快適應大學的教學方法。3、課堂要求：遵守課堂紀律，隨時檢查課堂筆記，不遲到，不早退。4、作業(yè)：基本每次課布置一次作業(yè)，每周一交。。一、本課程的教與學二、成績評定方法：

理論課期末考試（統(tǒng)考、閉卷）

（約占70%）

①上課考勤、提問

平時成績

（約占30%）②作業(yè)

1、普通化學解決所解決的問題？2、化學的發(fā)展和作用？3、學習的內(nèi)容、目的和要求？緒論1、普通化學解決所解決的問題？

研究物質(zhì)的形成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)和變化的科學

核心與特征：合成新物質(zhì)(Synthesis)

物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)(WhathaveIgot?)

物質(zhì)的性質(zhì)與變化(Howdidthattransformationhappen?)

為什么是這種結(jié)構(gòu)，為何發(fā)生這種變化(Whythatchangeorstructure,ratherthanothers?)中學化學：宏觀層面初步了解現(xiàn)象

大學化學：宏觀及微觀層面

——初步了解本質(zhì)和量化C——石墨？金剛石？合成氨？氨分解？條件、產(chǎn)率？MnO2與濃鹽酸反應，與稀鹽酸不反應；將馬路上撒了鹽（或融雪劑）的雪堆在樹下？出問題利用中學的化學知識不能解決的問題

＊能否利用反應：NO+CO=1/2N2+CO2

來消除大氣污染物NO和CO呢？

＊能源危機日益嚴重，那么水變油是否可行呢？

——化學熱力學、化學動力學和物質(zhì)結(jié)構(gòu)化學發(fā)展史——

四次革命2、化學的發(fā)展和作用波義耳1661年發(fā)表了“懷疑派化學家”(TheScepticalChymist)，指出:“化學不是為了煉金，也不是為了治病，它應當從煉金術(shù)和醫(yī)學中分離出來，成為一門獨立的科學”。波義耳極為崇尚實驗，指出，“空談毫無用途，一切來自實驗”。他把嚴密的實驗方法引入化學研究，使化學成為一門實驗科學。

恩格斯的評價：“把化學確立為科學”被譽為“化學之父”（墓碑語）。法國化學家拉瓦錫1783年出版名著“關(guān)于燃素的回顧”，提出燃燒的氧化學說。拉瓦錫1789年出版了“初等化學概論”，首次給元素下了一個科學和清晰的定義：“元素是用任何方法都不能再分解的簡單物質(zhì)”。以科學元素說取代了傳統(tǒng)思辨的舊元素論。揭開了困惑人類幾千年的燃燒之謎，以批判統(tǒng)治化學界近百年的“燃素說”為標志，發(fā)動了第二次化學革命，被譽為“化學中的牛頓”。

英國化學家道爾頓創(chuàng)立科學原子論(化學原子論)，揭示了各種化學定律、化學現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，成為說明化學現(xiàn)象的統(tǒng)一理論，完成了化學領域內(nèi)一次極為重大的理論綜合。有人稱為近代化學史上的第三次化學革命。

1930年，美國化學家鮑林（L.Pauling，1901－1994）把量子力學處理氫分子的成果推廣到多原子分子體系，建立了價鍵理論（VBT）。闡明了共價鍵的方向性和飽和性，指出了由于原子軌道重疊方式不同而形成的σ鍵和π鍵這兩種基本共價鍵類型。

學習要求：了解定容熱效應(qv)的測量原理。熟悉qv的實驗計算方法。了解狀態(tài)函數(shù)、反應進度、標準狀態(tài)的概念和熱化學定律。理解等壓熱效應與反應焓變的關(guān)系、等容熱效應與熱力學能變的關(guān)系。掌握標準摩爾反應焓變的近似計算。了解能源的概況，燃料的熱值和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略?；瘜W與其它學科相互滲透

化學

計算與信息科學物理學數(shù)學天文學

地質(zhì)與環(huán)境科學

工程科學

生命科學材料科學★化學是理論與應用并重的科學

化學

醫(yī)藥衛(wèi)生軍事國防衣、食、住、行資源利用，環(huán)境保護新能源冶金

信息電子

新材料生物技術(shù)3

學習的目的、內(nèi)容和要求學習目的了解當代化學學科的概貌用化學的觀點分析、認識生活和工作中的化學問題學習內(nèi)容理論化學：兩條“主線”應用化學：化合物知識；化學在相關(guān)學科中的應用實驗化學學習要求辨證的思維發(fā)展的眼光實踐的方法緒論教學安排

第一章熱化學能源6學時第二章化學反應基本原理6學時第三章溶液與離子平衡6學時第四章電化學與金屬腐蝕4學時

第五章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎4學時

第六章元素化學與無機材料1學時第七章高分子化合物與材料1學時習題討論課4學時

16第1章熱化學與能源熱化學與能源ThermochemistryandEnergySources第1章17目錄1.1反應熱的測量1.2反應熱的理論計算1.3常見能源及其有效與清潔利用1.4清潔能源與可持續(xù)發(fā)展選讀材料核能Ⅰ.核燃料和核能的來源Ⅱ.核電的優(yōu)勢與發(fā)展趨勢本章小結(jié)18教學目標：了解定容熱效應(qv)的測量原理。熟悉qv的實驗計算方法。了解狀態(tài)函數(shù)、反應進度、標準狀態(tài)的概念和熱化學定律。理解等壓熱效應與反應焓變的關(guān)系、等容熱效應與熱力學能變的關(guān)系。掌握標準摩爾反應焓變的近似計算。了解能源的概況、燃料的熱值和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

Lecture119重點:(1)熱化學基本概念：狀態(tài)函數(shù)，可逆過程，化學計量數(shù)，反應進度，反應熱和焓。(2)定容熱效應的測量原理和方法。(3)熱力學第一定律和蓋斯定律及其應用。(4)定壓熱效應(qp)與反應焓變的關(guān)系、定容熱效應(qv)與熱力學能變的關(guān)系。(5)化學反應的標準摩爾焓變的計算。20難點:(1)狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)。(2)qp與反應焓變的關(guān)系、qV與熱力學能變的關(guān)系。21化學反應發(fā)生時，伴隨有能量的變化，通常多以熱的形式放出或吸收。燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量和化學反應中所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換和利用都是能源的重要課題。熱化學？研究化學反應中熱與其它能量變化的定量關(guān)系的學科。1.1反應熱的測量22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。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1.1.1幾個基本概念1.系統(tǒng)與環(huán)境圖1.1

系統(tǒng)的分類隔離系統(tǒng)

無物質(zhì)和能量交換23注意以下幾點:(1)系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系主要是物質(zhì)和能量交換.系統(tǒng)的邊界有多種多樣。可以是實際的，也可以是假想的。如剛性壁，活動壁，絕熱壁，透熱壁，半透壁。(2)

不同系統(tǒng)有不同的環(huán)境，常用熱源這一概念描述。242.相(phase):

系統(tǒng)中任何化學組成均勻，物理和化學組成都相同，且可用機械方法分離出來的部分，稱為相。所謂均勻是指其分散度達到分子或離子大小的數(shù)量級。根據(jù)相的概念，系統(tǒng)可分為：單相（均勻）系統(tǒng)多相（不均勻）系統(tǒng)

特點：

不同相之間有明顯的界面。超過此相界面一定有某些宏觀性質(zhì)（如密度、折射率、組成等）發(fā)生突變。常見的聚集狀態(tài)有：固態(tài)(solid)、液態(tài)(liquid)、氣態(tài)(gas)。25氣體物質(zhì)及其混合物：單相。液體物質(zhì)：如相互溶解，則形成一個相（如酒精與水）；如互不相溶，混合時，則形成有明顯界面分開的兩個液相（如四氯化碳和水）。

固態(tài)物質(zhì)：較為復雜，它有晶態(tài)和非晶態(tài)之分，晶態(tài)中又有多種結(jié)構(gòu)，分屬不同的相。26思考：

(1)101.325kPa，273.15K(0℃)下，H2O(l),H2O(g)和H2O(s)同時共存時系統(tǒng)中的相數(shù)為多少？

(2)CaCO3(s)分解為CaO(s)和CO2(g)并達到平衡的系統(tǒng)中的相數(shù)為多少？答案:(1)在此條件下，存在3相（氣、液、固各一相)。(2)3相（氣體1相，固體2相）。27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)是系統(tǒng)一切性質(zhì)的總和。有平衡態(tài)和非平衡態(tài)之分。如系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)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。3.狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)(stateandstatefunction)28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、終態(tài)有關(guān)，而與變化的實際途徑無關(guān)。圖1.2

狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)以下例子說明：當系統(tǒng)由始態(tài)變到終態(tài)時，系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)壓力p和體積V的變化量與途徑無關(guān)。外壓從3po變?yōu)閜°V

T3po29狀態(tài)函數(shù)的三個特點：①狀態(tài)一定，其值一定；②殊途同歸，值變相等；③周而復始，值變?yōu)榱恪?0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)：具有加和性，如體積、質(zhì)量等。強度性質(zhì)：不具有加和性，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？答：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。314.過程與途徑

系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何的變化稱為過程。

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。設想如果你要把20℃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開再降至常壓?？赡娣磻?在同一條件下，既能向正反應方向進行，同時又能向逆反應的方向進行的反應，叫做可逆反應。絕大部分的反應都存在可逆性，一些反應在一般條件下并非可逆反應，而改變條件（如將反應物至于密閉環(huán)境中、高溫反應等等）在學習可逆反應之前我們所接觸的許多的反應都是可逆的，只不過可逆程度小而將其忽略了而已?？赡孢^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。335.化學計量數(shù)一般用化學反應計量方程表示化學反應中質(zhì)量守恒關(guān)系，通式為：

B稱為B的化學計量數(shù)。符號規(guī)定：反應物：

B為負；產(chǎn)物：

B為正。例：應用化學反應通式形式表示下列合成氨的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+2NH334對于同一個化學反應，化學計量數(shù)與化學反應方程式的寫法有關(guān)。

例：N2(g)+3H2(g)＝2NH3(g)

v(N2)＝-1，v(H2)＝-3，v(NH3)＝2

1/2N2(g)+3/2H2(g)＝NH3(g)

v(N2)＝-1/2，v(H2)＝-3/2，v(NH3)＝1356.反應進度反應進度ξ

的定義：ξ的單位是摩爾(mol)，它與化學計量數(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。思考：反應進度與化學反應方程式的書寫有關(guān)嗎？答：有關(guān)。如對于反應N2

+3H2=2NH3

，當有1molNH3生成時，反應進度為0.5mol。則反應進度為1

mol。若將反應寫成36反應進度ξ的值為正值。反應進度只與化學反應方程式的寫法有關(guān)，而與選擇系統(tǒng)中何種物質(zhì)來表達無關(guān)。

換句話說，引入反應進度這個量的最大優(yōu)點是在反應進行到任意時刻時，可用任一反應物或產(chǎn)物來表示反應進行的程度，所得的值總是相等的。

37例：

N2(g)＋3H2(g)

＝2NH3(g)

反應前物質(zhì)的量n1/mol10300

反應某時刻物質(zhì)的量n2/mol8244

ξ＝[n2(N2)－n1(N2)]/v(N2)＝(8－10)mol/(－1)＝2mol或ξ＝[n2(H2)－n1(H2)]/v(H2)＝(24－30)mol/(－3)＝2mol或ξ＝[n2(NH3)－n1(NH3)]/v(NH3)＝(4－0)mol/2＝2mol38對于同一反應，反應式寫法不同，vB就不同，因而ξ值不同。例：

1/2N2(g)＋3/2H2(g)

＝NH3(g)

反應前物質(zhì)的量n1/mol10300

反應某時刻物質(zhì)的量n2/mol8244

ξ＝[n2(N2)－n1(N2)]/v(N2)＝(8－10)mol/(－1/2)＝4mol當涉及到反應進度時，必須指明化學反應方程式。當ξ＝1mol時，表示進行了1mol化學反應，或簡稱摩爾反應。39反應熱:

化學反應過程中系統(tǒng)放出或吸收的熱量。熱化學規(guī)定：系統(tǒng)放熱為負，系統(tǒng)吸熱為正。摩爾反應熱:

當反應進度為1mol時系統(tǒng)放出或吸收的熱量。(等容)反應熱可在彈式量熱計中精確地測量。測量反應熱是熱化學的重要研究內(nèi)容。圖1.3彈式量熱計1.1.2反應熱的測量401.反應熱的實驗測量方法

設有nmol物質(zhì)完全反應，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-1kg-1

)，則：由于完全反應，ξ=n

因此摩爾反應熱：

q為一定量反應物在給定條件下的反應熱效應；

cs表示溶液的比熱容；

ms為溶液的質(zhì)量；

Cs為溶液的熱容，Cs＝cs·ms

對于反應熱q，負號表示放熱，正號表示吸熱。41思考：反應熱有定容反應熱和定壓反應熱之分。前者的反應條件是恒容，后者的反應條件是恒壓。用彈式量熱計測量的反應熱是定容反應熱還是定壓反應熱？答：定容反應熱42彈式量熱計所吸收的熱分為兩個部分：

(1)加入的水所吸收的熱；

q(H2O)=c(H2O)·m(H2O)·△T

＝C(H2O)·△T

圖1.3彈式量熱計(2)鋼彈及內(nèi)部物質(zhì)和金屬容器(簡稱鋼彈組件)等所吸收的熱。

qb＝Cb·△T43

反應所放出的熱等于水所吸收的熱和鋼彈組件所吸收的熱之和：

q＝-｛q(H2O)+qb}

＝-｛C(H2O)·△T＋Cb·△T｝＝-ΣC·△T44例：

聯(lián)氨燃燒反應：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)

+2H2O(l)已知：解：燃燒0.500g聯(lián)氨放熱為452.熱化學方程式

表示化學反應與熱效應關(guān)系的方程式。其標準寫法是：先寫出反應方程，再寫出相應反應熱，兩者之間用分號或逗號隔開。例如：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)

+2H2O(l)；

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；若不注明T,p,皆指在T=298.15K，p=100kPa下。46

反應熱與反應式的化學計量數(shù)有關(guān)；

一般標注的是等壓熱效應qp

。思考：qp與qv相同嗎？答案：不相同。書寫熱化學方程式時應注意：

標明反應溫度、壓力及反應物、生成物的量和狀態(tài)；471.2反應熱的理論計算

并不是所有的反應熱都可以實驗測定。例如反應：2C(s)+O2(g)=2CO(g)思考：為什么上述反應的反應熱無法實驗測定？答案：實驗過程中無法控制生成產(chǎn)物完全是CO。只能用理論方法來計算該反應的反應熱。481.2.1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)境吸收熱q，從環(huán)境得功w，則系統(tǒng)熱力學能的增加ΔU(U2–U1)為：ΔU

=q+w熱力學第一定律：實質(zhì)是能量守恒定律在熱力學中的的應用?！暗谝活愑绖訖C不可能制成”是熱力學第一定律的另一種表述。其中，熱力學能從前稱為內(nèi)能。49

1.熱力學能(U)定義：系統(tǒng)由其內(nèi)部狀態(tài)所決定的能量，即系統(tǒng)內(nèi)所有粒子除整體勢能及整體動能外的全部能量的總和。（研究宏觀靜止系統(tǒng)）內(nèi)能的特征：

(1)體系處于某一狀態(tài)時其絕對值不知道，只能求出熱力學能的變化量ΔU；

(2)ΔU只取決于體系變化的初終態(tài)，而與變化的途徑無關(guān)，故U是狀態(tài)函數(shù)；

(3)熱力學能U是一種廣度性質(zhì)，與體系的物質(zhì)的量成正比。由于分子內(nèi)部運動的相互作用十分復雜，因此目前尚無法測定內(nèi)能的絕對數(shù)值。U1U2QWU1——反應物始態(tài)的內(nèi)能。U2——始態(tài)產(chǎn)物（終態(tài)）的內(nèi)能。Q——反應過程中系統(tǒng)與環(huán)境交換的熱量（吸熱為正）。W——反應過程中系統(tǒng)對環(huán)境做的功（體積功=-P△V）。內(nèi)能（U）：系統(tǒng)內(nèi)分子的平動能、轉(zhuǎn)動能、振動能，分子間勢能，原子間鍵能，電子運動能，核內(nèi)基本離子間核能等能量的總和。是狀態(tài)函數(shù)。答案：相同。

思考1：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？答案：70KJ

思考2：某一過程中，體系從環(huán)境吸收100kJ的熱，體系對環(huán)境做了30kJ的功，則體系內(nèi)能變化為多少?

522.熱(q)在物理或化學變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境存在溫度差而交換的能量稱為熱。熱量q不是狀態(tài)函數(shù)533.功與體積功功：在物理或化學變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境除熱以外的方式交換的能量都稱為功。功的符號規(guī)定：（注意功符號的規(guī)定尚不統(tǒng)一）

系統(tǒng)得功為正；系統(tǒng)作功為負。體積功：由于系統(tǒng)體積發(fā)生變化而與環(huán)境所交換的功稱為體積功w體。所有其它的功統(tǒng)稱為非體積功w′。功w不是狀態(tài)函數(shù)。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？答：1)做體積功；2)未做體積功。w=w體+

w′54熱是由于系統(tǒng)間的溫差，功則是因系統(tǒng)間的力差而引起的能量傳遞。熱和功有兩點是相同的：(1)熱和功都是能量；(2)熱和功都不是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)。功是有序能，而熱是無序能。因此，功能夠完全轉(zhuǎn)化為熱，而熱卻不能完全轉(zhuǎn)換為功。功分為體積功和非體積功。無論是壓縮還是膨脹，體積功都為：

－p△V

＝－p(V2—V1)熱與功的比較：551.2.2化學反應的反應熱與焓通常把反應物和生成物具有相同溫度時，系統(tǒng)吸收或放出的熱量叫做反應熱。根據(jù)反應條件的不同，反應熱又可分為兩種：

定容反應熱恒容過程：體積功w體

=0，不做非體積功（w′=0）時，

w=w體+

w′=0，qV=ΔU

定壓反應熱恒壓過程：不做非體積功時，w體=–

p(V2–V1)，

qp=ΔU+p(V2–V1)561.焓

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函數(shù)?！鱄叫焓變。思考：焓是狀態(tài)函數(shù)嗎？能否知道它的絕對數(shù)值？答：H是U和p、V的一種組合形式，因此也是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，但不能知道它的絕對數(shù)值。57公式qp

=ΔH的意義：

1）等壓熱效應即為焓的增量，故qP也只決定于始終態(tài)，而與途徑無關(guān)。

2）可以通過ΔH的計算,求出化學反應的qP值。582.定容反應熱與定壓反應熱的關(guān)系已知 定容反應熱：qV=ΔU；

定壓反應熱：qp=ΔUp+p(V2–V1)

等溫過程，ΔUp

ΔUVqp–

qV

=n2(g)RT–n1(g)RT=Δn(g)RT對于理想氣體反應，有：對于有凝聚相參與的理想氣體反應，由于凝聚相相對氣相來說，體積可以忽略，因此在上式中，只需考慮氣體的物質(zhì)的量。則：

ΔH–ΔU=qp–

qV=p(V2–V1)59思考：若反應C(石墨)+O2(g)→CO2(g)

的qp,m為–393.5kJ·mol–1，則該反應的qV,m

為多少？答：該反應的Δn(g)=0，qV

=qp小結(jié)： 1)對于沒有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應或Δn(g)=0的反應，qV

qp2)對于有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應，且Δn(g)0時，qV

qp60

因為

pV

＝nRT

若任一氣體的物質(zhì)的量變化為△n(Bg)，則例：aA(g)+bB(g)＝gG(g)+dD(g)化學反應的摩爾熱力學能變△rUm和摩爾焓變△rHm的基本單位均為kJ·mol-161例：在100℃和101.325kPa下，由1molH2O(l)汽化變成1molH2O(g)。在汽化過程中△H

和△U

是否相等？若△H

等于40.63kJ·mol-1，則△U為多少？解：

H2O(l)＝H2O(g)(1)水汽化，有體積功。所以△H

≠△U

(2)△U＝△H－△ν·RT

＝40.63－(1－0)×(8.314/1000)×(273.15+100)

＝40.63－3.10＝37.53kJ·mol-162在通常情況下，反應或過程的體積功的絕對值小于5kJ·mol-1。

若△H數(shù)值較大，則△H≈△U

633.蓋斯定律(Hess’sLaw）

問題的提出：

1)測得的熱效應常是qv，而不是qp；

2)有些反應熱效應，難以直接用實驗測定。641840年，G.H.Hess總結(jié)出的反應熱總值一定.蓋斯定律：化學反應的恒壓或恒容反應熱只與物質(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)即熱化學方程式可像代數(shù)式那樣進行加減運算。65

蓋斯定律的應用：蓋斯定律適用于恒壓或恒容條件。應用蓋斯定律，可以計算一些很難直接用或尚未用實驗方法測定的反應熱。66蓋斯定律示例：由蓋斯定律知：若化學反應可以加和，則其反應熱也可以加和。例：

已知反應和的反應焓，計算的反應焓。解：67化學熱力學中規(guī)定：

標準壓力：p?＝100kPa。

標準濃度：m?

＝1.0mol.kg-1)；

c?＝1mol·dm-3。

“?”表示“標準”，可讀作“標準”。1.2.3反應標準摩爾焓變的計算1.熱力學標準狀態(tài)

Lecture368氣體物質(zhì)的標準態(tài)：在標準壓力p

?

下表現(xiàn)出理想氣體性質(zhì)的純氣體狀態(tài)。溶液中溶質(zhì)B的標準態(tài):在標準壓力p

?

下，質(zhì)量摩爾濃度為m

?

(1.0mol.kg-1),并表現(xiàn)出無限稀溶液中溶質(zhì)的狀態(tài);近似采用c

?=1.0mol.dm-3。液體或固體的標準態(tài):在標準壓力p

?

下的純液體或純固體。69標準條件：標準壓力及標準濃度。標準狀態(tài)：某物質(zhì)在標準條件下的狀態(tài)。標準摩爾生成焓：在標準狀態(tài)時，由指定的單質(zhì)生成單位物質(zhì)的量的純物質(zhì)時反應的焓變叫做該物質(zhì)的標準摩爾生成焓，記作△fHm?。

規(guī)定：任何指定的單質(zhì)的標準摩爾生成焓為零。(實際上是指定單質(zhì)的相對焓值為零)“指定單質(zhì)”：一般為最穩(wěn)定的單質(zhì)，如H2(g),N2(g),Cl2(g),Br2(l),C(石墨)，S(正交)，Na(s)等。但是磷較為特殊，指定為P(白磷)，而不是熱力學上更穩(wěn)定的紅磷。2.標準摩爾生成焓70298.15K時的數(shù)據(jù)可以從教材的附錄3（或其它手冊）中查到;符號：△fHm?(298.15K)，習慣簡寫為：△fH?(298.15K)生成焓的負值越大，表示該物質(zhì)的鍵能越大，對熱越穩(wěn)定。H2(g)+?O2(g)＝H2O(l)△fH?(298.15K)＝－285.8kJ·mol-1△fH?(H2O,l,298.15K)＝－285.8kJ·mol-1

71水合離子的相對焓值：

水合氫離子：H3O+H+(aq)

規(guī)定：水合氫離子的標準摩爾生成焓為零。△fH?(H+,aq,298.15K)＝0

72思考：以下哪些反應的恒壓反應熱不是生成焓(反應物和生成物都是標準態(tài))?(1)(2)(3)答：（2）不是733.反應的標準摩爾焓變的計算在標準條件下反應的摩爾焓變叫做反應的標準摩爾焓變。以△rHm?表示，簡寫為△H?74

aA(l)+bB(aq)=gG(s)+dD(g)△H?(298.15K)＝g△fH?(G,s,298.15K)＋d△fH?(D,g,298.15K)

－a△fH?(A,l,298.15K)－b

△fH?(B,aq,298.15K)注意：

△H?

的數(shù)值與反應方程式的寫法有關(guān)。75

△H?(298.15K)＝－1117.1kJ·mol-1表明：在298.15K和標準條件下，按上述化學反應方程式進行1mol反應：放出1117.1kJ的熱量。76反應式兩側(cè)同乘3/4△H?(298.15K)＝－1117.1×(3/4)

＝－837.8kJ·mol-177表明在298.15K和標準條件下，1mol反應：放出837.8kJ的熱量。78反應式兩側(cè)同乘3/2△H?(298.15K)＝－1117.1×(3/2)

＝－1675.7kJ·mol-179表明在298.15K和標準條件下，1mol反應：放出1675.7kJ的熱量。因此，在寫△H?(298.15K)的數(shù)值時，應指明與之相應的反應方程式。80溫度對△rH

?的值有影響，但一般變化不大。例：SO2(g)+?O2(g)＝SO3(g)△H?(298.15K)＝－98.9kJ·mol-1△H?(873.15K)＝－96.9kJ·mol-1

在近似估算中，可把△H?(298.15K)作為其它溫度T時的△H?(T)，即

△H?(T)≈△H?(298.15K)81注意事項：

查表時要注意物質(zhì)的聚集狀態(tài)；

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)的選配有關(guān)；

△fH?(298.15K)的數(shù)值有正、有負；

反應的焓變基本不隨溫度而變。82思考：正反應與逆反應的反應熱的數(shù)值相等，符號相反。對嗎？答：對。這也是熱化學定律的重要內(nèi)容。83例：

設反應物和生成物均處于標準狀態(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)的標準摩爾生成焓如下。226.730-393.509-285.83標準摩爾反應焓變計算示例84解：

Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)△fH?(298.15K)/(kJ·mol-1)064.77-153.890△H?(298.15K)

＝△fH?(Zn2+,aq,298.15K)＋△fH?(Cu,s,298.15K)

－△fH?(Zn,s,298.15K)－△fH?(Cu2+,aq,298.15K)

＝(－153.89)+0－0－64.77

＝－218.66kJ·mol-1例：計算反應：Zn(s)+Cu2+(aq)=Zn2+(aq)+Cu(s)的標準焓變△H?(298.15K),并簡單說明其意義。意義：該氧化還原反應能放出相當大的能量，在電池反應中這部分能量與反應的電功之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。851.3常見能源及其有效與清潔利用

能源是自然界中為人類提供能量的物質(zhì)資源。

能源是當今社會的三大支柱（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。861.3.1世界能源的結(jié)構(gòu)與能源危機1.能源的分類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、地熱、風能、海洋能激光利用

狀況使用

性質(zhì)形成條件表1.2能源的分類872.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883.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。894.能源危機本質(zhì)：能量總量不變，質(zhì)量衰退了，有序能下降。可利用之“有效能”減少了，于是產(chǎn)生了能源危機。901.3.2煤炭與潔凈煤技術(shù)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。SO2和粉塵是煤燃燒的主要一次污染物，其中的SO2是造成酸雨的主要原因。所以，煤炭的開采和燃燒都會引起環(huán)境污染。思考：我國能源的現(xiàn)狀有何特點？答：1）能源總量豐富，但人均不足；

2）能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比例太小 煤炭占一次能源的76%，天然氣消耗只有世界平均的76%，石油消耗只占世界平均的1/3。

3）能源利用率低，能耗高浪費嚴重。911.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。標準煤的熱值為29.3MJ·kg-1

(或29.3kJ·g-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：氧、硫、磷是煤中的有害成分。922.潔凈煤技術(shù)CO40%,H25%,其余N2、CO2等

40%H2、15%CO、15%CH4、

30%CO2

931.3.3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？答：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）。941.石油燃料產(chǎn)品石油經(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。以上產(chǎn)品中最重要的是什么？答案：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。乙醇汽油？95汽油中最有代表性組分是辛烷(C8H18)。

C8H18(l)+25/2O2(g)＝8CO2(g)+9H2O(l)

△H?

(298.15K

)＝-5440kJ·mol-1或：△H?

(298.15K

)＝-47.7kJ·g-1962.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：

可直接應用

易于管道輸送

污染少思考：西氣東送具有哪些重要意義？973.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？答：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。984.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：尚難正確估計，各文發(fā)表的數(shù)據(jù)相差較大。預測總量相當于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，約相當于全國石油儲量的一半。開發(fā)利用：開采難。991.3.4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-3100思考：與煤氣相比，液化氣有哪些優(yōu)點？答：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）。1011.4清潔能源與可持續(xù)發(fā)展思考：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)？答：礦物能源（煤炭和石油