2.1熱化學基本概念

1、1.反應的方向 (rGm 0 ?) 指定條件下，正反應能否自發(fā)進行；,2.反應的限度如果能，正反應能否進行到底 (K 大小)；,3.反應過程的能量轉換放熱？吸熱？（ rHm0, 放 熱; rHm0,吸熱）,4.反應機理反應是如何進行的？,5.反應速率反應多快？,第二章：化學反應的基本原理,發(fā)電廠的生產流程和能量轉變,首先是新化石燃料的形成(如果仍在形成的話)肯定趕不上現有化石燃料的消耗速度, 化石燃料基本上是一種不可再生的能源。它們將在不久的將來被耗盡。第二是它造成的環(huán)境問題。導致酸雨形成和制造所謂的“溫室”氣體會導致地球變暖。,Question 1,Solution,人類使用化石燃料面臨哪些

2、重大問題?,（不按嚴格比例）,Question 2,Solution,作為當今主要能源的化石燃料是怎樣形成的?,石油、天然氣和煤這些化石燃料提供了當今的主要能源。它們是由數百萬年前的動植物演化而來的。固定在這類燃料中的能量最原始的來源是太陽能。在葉綠素(催化劑)存在的條件下, 陽光通過光合作用將CO2和H2O轉化為碳水化合物。,纖維素是復雜的碳水化合物, 它是植物的主要結構物質。在隔絕空氣的條件下細菌將植物分解使其逐步失去O原子和H原子, 導致殘留物中碳含量逐漸增高。由植物演變到無煙煤大約需要3億年。煤是由碳、氫和氧為主要成分的一種可以燃燒的有機巖石, 其中還含有少量的氮、硫和燃燒后變成灰的礦

3、物質。,泥煤 褐煤(32% C) 次煙煤(40% C) 煙煤(60% C) 無煙煤(80% C),（一）什么叫“熱力學” 熱力學是研究熱和其他形式的能量互相轉變所遵循的規(guī)律的一門科學。 （二）什么叫“化學熱力學” 應用熱力學原理，研究化學反應過程及伴隨這些過程的物理現象，就形成了“化學熱力學”。,(三）熱力學方法的特點 1.研究體系的 性質 即大量質點的平均行為，所得結論具有統(tǒng)計意義；不涉及個別質點的微觀結構及個體行為，不依據物質結構的知識。 2. 概念 例：H2 (g) + O2(g) = H2O(l) rGm = - 237.19 kJ/mol 0 正反應自發(fā) 無機及分析化學課的“化學熱力

4、學初步”，著重應用熱力學的一些結論，去解釋一些無機化學現象。,宏觀,不涉及時間,高能燃料,“新地平線”發(fā)射升空,“神7”真棒！, 研究物質結構的熱力學基礎 極大地豐富熱力學數據庫 應用領域廣闊,熱化學的作用,熱力學不涉入時間，當然不涉及反應速率，也不涉及反應機理。 （四）速率和機理是化學動力學研究的核心問題。 反應速度因不同的反應而異: 火藥爆炸瞬間 中和反應幾秒 高溫固相合成無機材料、有機合成、高分子合成小時 橡膠老化年 石油，煤的形成幾百萬年,1熱力學基本概念 2熱化學 3化學反應的方向 4化學平衡及其移動 5化學反應速率,1理解熱化學的一些基本概念；會寫熱化學方程式；,2初步了解焓的概念

5、，知道焓變是化學反應自發(fā)過程的一種驅動力；,3會進行有關熱化學的一般計算；,4初步了解熵、熵變和絕對熵的概念，知道熵變是化學反應的自發(fā)過程的另一種驅動力；,5初步了解熱力學第一、第二、第三定律的概念；,6初步了解吉布斯自由能及吉布斯-亥姆霍茲方程，初步學會用其判據化學反應的自發(fā)性；,7掌握化學平衡狀態(tài)及標準平衡常數概念，會進行簡單的化學平衡移動判斷及有關計算。,移項后可寫成：0= -aA-bB+gG+dD 即0=BB B ：表示參與反應的各物質。B：各物質的化學計量數。其中反應物為負值，產物的為正值。 用物質的變化量來表示：=nB/B 單位為mol 用不同物質表示時： =nA/A=nB/B=n

6、G/G=nD/D,反應進度：對任意化學反應：aA+bB gG+dD,2.1.1 反應進度,化學反應通式表述了化學反應的兩個特征： 1） 質量守恒 2）能量變化,2.1 基本概念,Question 1,Solution,1,1.5,對一個確定的化學反應式，其具有相同的數值。即與選用何種物質表示無關。在化學反應中，如果物質的量的改變量恰好等于反應式中該物質的化學計量數時，該反應的反應進度為1mol。反應進度與反應式的書寫形式有關。,體系人為選取一定種類，一定數量的物質 作為研究的對象，這一部分物質或空 間叫做體系或系統(tǒng)。,2.1.2 體系和環(huán)境,環(huán)境體系之外，與體系有密切聯系的一部分 物質或空間。

7、（物質交換和能量交換）,物質交換 能量交換 敞開體系 (open system) 有 有 封閉體系 (closed system) 無 有 孤立體系 (isolated system） 無 無,體系分類： 按體系與環(huán)境的關系（有無物質交換和/或能量交換）劃分 :,2.1.3 過程與途徑,1.過程（process） 體系的狀態(tài)發(fā)生了變化，狀態(tài)變化的經過就稱為“過程”。 “過程”的分類： 恒溫過程、恒壓過程、恒容過程、 絕熱過程、 2途徑（path） 發(fā)生過程所經歷的具體步驟。,通常用體系的宏觀可測性質（V、p、T、密度）來描述體系的熱力學狀態(tài)。,狀態(tài)（state）指體系總的宏觀性質。 例如：氣體

8、的狀態(tài)，可用宏觀性質中p、V、T 和n（物質的量）來描述。 pV = nRT （理想氣體狀態(tài)方程） 狀態(tài)函數（state function）即確定體系熱力學狀態(tài)的物理量。如：p，V，T，n，（密度），U（熱力學能或內能），H（焓），S（熵），G（自由能）等。,2.1.4 狀態(tài)和狀態(tài)函數,當體系的宏觀性質都有確定值時，我們稱其處于一定的狀態(tài)。體系的任何一個性質即狀態(tài)函數發(fā)生變化時，體系的狀態(tài)即改變。但狀態(tài)改變時，不一定所有的性質（狀態(tài)函數）都改變。,狀態(tài)函數的特征： （1）狀態(tài)一定，狀態(tài)函數的值一定： 一個體系的某個狀態(tài)函數的值改變，該體系的狀態(tài)就改變了。 例： 狀態(tài)1 狀態(tài)2 p = 101.

9、325 kPa 320.5 kPa 斜體 正體 正體 物理量 = 純數 量綱,（2）殊途同變化 例：始態(tài) T1 298 K 350 K T2 終態(tài) 520 K 410 K （ 途經1 ， 途經2 ） 途經1 和 途經2： T = T2 - T1 = 350 K 298 K = 52 K 狀態(tài)函數的變化取決于始態(tài)和終態(tài)，而與途經無關,狀態(tài)函數的這一特性，使研究得以簡化?？刹豢紤]其復雜的中間過程，直接求出狀態(tài)函數的變化量。,（3）周而復始變化零 （循環(huán)過程X = 0） 始態(tài)T1、終態(tài) T2 :298 K 350 K 520 K 410 K T = T2 - T1 = 298 K 298 K = 0

10、 K 對于任意循環(huán)過程（始態(tài)與終態(tài)相同），任何一個狀態(tài)函數的變化均為零。 一個物理量，若同時具備以上3個特征，它就是“狀態(tài)函數”，否則就不是狀態(tài)函數。,（4）體系的性質之間有一定的聯系。,例如：氣體的狀態(tài)，可用宏觀性質中p、V、T 和n（物質的量）來描述。 pV = nRT （理想氣體狀態(tài)方程） 顯然，這4個物理量中，只有3個是獨立的。,所以描述體系狀態(tài)時，選擇必要的能確定體系狀態(tài)的幾個性質就可以了,2.1.5 廣度（容量）性質和強度性質,例1: 氣體體積 pV = nRT (理想氣體,恒定T、p ) 22.4 dm3 O2(g) + 44.8 dm3 O2(g) 67.2 dm3 O2(g)

11、 V1 V2 VT (T : total) n1 n2 nT T1 T2 TT VT = Vi “體積”屬廣度性質；（具加和性） nT = ni “物質的量” 也是廣度性質。 但： TT T1 + T2 “溫度”是強度性質。,例2：密度 277 K，1 mol H2O（l）密度= 1 gcm-3 277 K, 5 mol H2O（l）密度= 1 gcm-3 可見，與“物質的量”無關，是“強度性質”。 強度性質：與“物質的量” 無關，不具加和性 狀態(tài)函數 廣度性質: 與“物質的量”有關，具加和性,小結：常見的狀態(tài)函數 廣度性質：V、n、U、H、S、G 強度性質：p、T、（密度）、電 導率、粘度,

12、2.1.6 熱力學能（內能）U,體系內所含各種物質的分子和原子的動能（平動、轉動、振動）、勢能（各質點互相吸引和排斥）、電子和核的能量的總和，稱為“熱力學能”。也稱“內能”。 熱力學能是物質的一種屬性，由物質所處的狀態(tài)決定。 熱力學能是狀態(tài)函數，屬廣度性質。,熱力學能是狀態(tài)函數，一定的狀態(tài)下有一定的U值，同一體系、同一狀態(tài)時，不可能有不同的U值。而不同體系或同一體系不同狀態(tài)時則可能有相同的U值。 U的絕對數值是不可求的，只能測出反應前后U的變化值U。 U=U終U始 U為廣度性質，具有加合性，采用能量單位：J或kJ。,熱力學能（內能）U 的特征：,2.1.7 熱和功,熱（heat）由于溫度不同而在體系和環(huán)境之