普通化学浙江大学-绪论、第一章热化学与能源

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1、首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 1 如 何 开 始 你 的大 学 生 活 ？ 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 2 一 、 明 确 目 标二 、 养 成 好 习 惯 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 3绪 论 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 4 1. 化 学 的 地 位 和 作 用一 、 为 什 么 学 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 5 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 6 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 7 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 8 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 9 2、 从 素 质 教 育 的 角 度美 国 大

2、 学 生 100学 时 /年 ;日 本 170学 时 /年俄 罗 斯 85-150学 时 /年1901-1974诺 贝 尔 化 学 奖 有 化 学 家 37位 ，1989-2004诺 贝 尔 化 学 奖 中 有 24名 。我 国 从 90年 代 未 开 始 在 化 学 远 源 专 业 开 设普 通 化 学 或 大 学 化 学 课 。 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 10 3、 从 专 业 角 度 讲钻 井 在 泥 浆 和 固 井 中 起 重 要 作 用开 采 提 高 采 收 率集 输一 采 即 自 喷 可 采 出 8-15%二 采 即 机 械 采 可 采 出 25-45%三 采 可 即

3、 化 学 采 油 采 出 45-70% 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 11 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 122.学 什 么 1.学 习 目 的按 照 国 家 教 委 制 定 的 教 学 大 纲 ： 要 求掌 握 基 础 知 识 ， 基 本 技 能 及 在 工 程 中的 应 用 ， 培 养 学 生 的 化 学 观 点 。二 .学 什 么 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 13 三 .怎 么 学 大 学 化 学 的 学 习 方 法 与 中 学 有 很大 的 不 同 。 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 14 四 、 参 考 书1. 化 学 与 现 代 文 明 王

4、明 华2. 大 学 化 学 重 庆 大 学3. 无 机 化 学 天 津 大 学4. 大 学 化 学 刘 国 园 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 15 就 化 学 反 应 而 言 ， 人 们 对 以 下 几个 问 题 比 较 关 心 ：1、 化 学 反 应 在 一 定 条 件 下 能 否 进 行 ？2、 化 学 反 应 过 程 中 的 能 量 如 何 转 换 ？4、 化 学 反 应 进 行 的 速 率 ？ 反 应 机 理 ？3、 反 应 进 行 的 程 度 ？ 化 学 热 力 学化 学 热 力 学化 学 热 力 学化 学 动 力 学 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 16 化 学

5、热 力 学 ： 研 究 化 学 反 应 中 热 与 其 他 形 式 能 量 相 互 转 换 的 科 学研 究 内 容 ： 1、 以 热 力 学 第 一 定 律 为 基 础 研 究 化 学 反 应 的 能 量 转 换 （ 即 热 化 学 2、 以 热 力 学 第 二 定 律 为 基 础 研 究 一 定 条 件 下 反 应 进 行 的 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 17研 究 对 象 ： 宏 观 物 体研 究 方 法 ： 热 力 学 以 三 大 定 律 为 基 础 ， 只 考 虑 始 态 和 末 态 ,不 考 虑 过 程 . 研 究 意 义 ： 1、 有 科 学 预 见 性 ， 为 实

6、践 作 指 导 2、 为 设 计 提 供 依 据 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 18第 一 章热 化 学 与 能 源 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 19 本 章 学 习 要 求 ： 了 解 状 态 函 数 、 反 应 进 度 、 标 准 状 态 的 概 念 和 热化 学 定 律 。 理 解 等 压 热 效 应 与 反 应 焓 变 的 关 系 、 等容 热 效 应 与 热 力 学 能 变 的 关 系 。了 解 定 容 热 效 应 (qv)的 测 量 原 理 。 熟 悉 qv的 实 验 计 算 方 法 。掌 握 标 准 摩 尔 反 应 焓 变 的 近 似 计 算 。 首 页 上

7、 一 页 下 一 页 末 页 20 1 .1几 个 基 本 概 念体 系 ： 作 为 研 究 对 象 的 那 一 部 分 物 质 和 空 间环 境 ： 体 系 之 外 ， 与 系 统 密 切 联 系 的 其 它 物 质 和 空 间分 类 :开 放 体 系 有 物 质 和 能 量 交 换 封 闭 体 系只 有 能 量 交 换1. 体 系 与 环 境 隔 离 体 系无 物 质 和 能 量 交 换 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 21 2. 体 系 的 性 质体 系 的 宏 观 性 质： 与 物 质 的 量 有 关 ,其 量 值 具 有 加 和性 ， 如 体 积 、 质 量 、 能 量 等

8、.： 与 物 质 的 量 无 关 ,其 量 值 不 具 有 加和 性 ， 如 温 度 、 压 力 等 。如 温 度 、 体 积 、 压 力 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 22 3. 状 态 与 状 态 函 数状 态 函 数 :用 于 表 示 系 统 性 质 的 物 理 量 X 称 状 态 函 数 ， 如 气 体 的 压 力 p、 体 积 V、 温 度 T 等 。状 态 :系 统 一 切 性 质 的 总 和 。状 态 函 数 的 性 质 ： 状 态 函 数 是 状 态 的 单 值 函 数 。当 系 统 的 状 态 发 生 变 化 时 ， 状 态 函 数 的 变 化 量 只 与系 统 的

9、 始 、 末 态 有 关 ， 而 与 变 化 的 实 际 途 径 无 关 。状 态 函 数 的 类 型 ： 广 度 性 质 (V)， 强 度 性 质 (P、 T， E)。 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 23 途 径 1 途 径 2 600C 500C 400C显 然 ： T1= T2， q2 q1 与 过 程 有 关放 半 小 时 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 24 4. 过 程 与 途 径 系 统 状 态 发 生 任 何 的 变 化 称 为 过 程 ； 实 现 一 个 过 程 的 具 体 步 骤 称 途 径 。恒 温 过 程 、 恒 压 过 程 、 恒 容 过 程 、 绝

10、 热 过 程 、 多变 过 程 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 25 5. 化 学 计 量 数 B BB0 ZYBA zyba若 化 学 反 应 计 量 式 为 物 质 B的 化 学 计 量 数 B zy ba Z Y BA 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 26 对 任 一 反 应 : aA+bB = dD+eE若 选 择 的 始 态 的 反 应 进 度 不 为 零 ， 则 该 过 程 的 反应 进 度 的 变 化 为 ： ii nnn 12 6. 反 应 进 度 (法 定 计 量 单 位 ) 反 应 进 度 的 单 位 是 摩 尔 （ mol） ， 与 化 学 计 量 数 的

11、 选 配 有 关B BBBB 0 )()( nnn 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 27 gNH2gH3gN 322 时时时210ttt mol/mol/mol/BBBnnn 3.0 10.0 0 0 2.0 7.0 2.0 1 1.5 5.5 3.0 2 mol5.1 mol0.12 mol)00.2(NHNH mol0.13 mol)0.100.7(HH mol0.11 mol)0.30.2(NN2 3 311 2 211 2 211 nnn 例 ： 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 28 热 效 应 ： 指 化 学 反 应 过 程 中 系 统 放 出 或 吸 收 的 热 量

12、 。研 究 纯 物 质 化 学 和 物 理 变 化 过 程 中 热 效 应 的 学 科 叫 热 化 学 。 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 29 （ 等 容 ） 反 应 热 可 在 弹式 量 热 计 中 精 确 地 测 量 。测 量 反 应 热 是 热 化 学 的重 要 研 究 内 容 。 图 1.3 弹 式 量 热 计1.2 反 应 热 的 测 量1 .反 应 热 的 实 验 测 量 方 法 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 30 设 有 n mol物 质 完 全 反 应 ， 所 放 出 的 热 量 使 弹 式量 热 计 与 恒 温 水 浴 的 温 度 从 T1上 升 到 T2

13、， 弹 式 量热 计 与 恒 温 水 浴 的 热 容 为 Cs(JK-1)， 比 热 容 为cs(JK-1kg-1 )， 则 ： TCTTmcq s12ss )( nqq / m 由 于 完 全 反 应 ， = n因 此 摩 尔 反 应 热 ：指 当 反 应 进 度 为 1 mol时 系 统 放 出 或 吸 收 的 热 量 。 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 31 2. 热 化 学 方 程 式 标 明 反 应 温 度 、 压 力 及 反 应 物 、 生 成 物 的 量 和 状 态 ；书 写 热 化 学 方 程 式 时 应 注 意 ：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O

14、(l)； 1mV, molkJ620 q2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)； 1molkJ570 p,mq若 不 注 明 T, p, 皆 指 在 T=298.15 K， p=100kPa下 。 反 应 热 与 反 应 式 的 化 学 计 量 数 有 关 ； 一 般 标 注 的 是 等 压 热 效 应 q p。 表 示 化 学 反 应 及 其 反 应 热 关 系 的 化 学 反 应 方 程 式 ： 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 32 1.3 反 应 热 的 理 论 计 算 并 不 是 所 有 的 反 应 热 都 可 以 实 验 测 定 。 例 如 反 应 ：2C(s) + O2

15、(g) = 2CO(g) 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 33 1.3.1 热 力 学 第 一 定 律热 力 学 第 一 定 律 的 实 质 是 能 量 守 恒 定 律 在 热 力 学 中 的的 应 用 。 WQUU 12 WQUU 12 21 UU Q 吸 热得 功 W WQU 对 于 封 闭 体 系 热 力学 第 一 定 律 为 ： 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 34 1.热 力 学 能 （ 内 能 U）定 义 :体 系 内 部 能 量 的 总 和 ， 内 部 运 动 包 括 分 子 的 平 动 、 转 动 、 振 动 以 及 电 子 运 动 和 核 运 动 。（1）U

16、是广度性质的状态函数（2）单位J、kJ（3）绝对值无法测知注意 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 35 2.热 q由 于 温 差 与 环 境 交 换 的 能 量 ，单 位 ： J， kJ规 定 :q0 吸 热 ， q0,则 体 系 对 外 做 功 ,W 0 体系从环境吸收热量，吸热反应； H 0 体系向环境放出热量，放热反应。H = H 2 - H 1 = Qp 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 42 2. 定 容 反 应 热 与 定 压 反 应 热 的 关 系已 知 定 容 反 应 热 ： qV = U定 压 反 应 热 ： qp = Up + p(V2 V1)等 温 过 程 ，

17、 Up UV， 则 ：对 于 有 凝 聚 相 参 与 的 理 想 气 体 反 应 ， 只 需 考 虑 气 体 的 物质 的 量 。 H U = qp qV = p(V2 V1)qp qV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT对 于 理 想 气 体 反 应 ， 有 ：qp,m qV,m = (g)RT 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 43 思 考 ： 若 反 应 C(石 墨 ) + O2(g) CO2(g) 的 qp,m为 393.5kJmol 1， 则 该 反 应 的 qV,m 为 多 少 ？答 ： 该 反 应 的 n(g) = 0， qV = qp 小 结 : 对 于

18、 没 有 气 态 物 质 参 与 的 反 应 或 n(g) = 0的 反 应 ，则 :qV qp 对 于 有 气 态 物 质 参 与 的 反 应 ， 且 n(g)0的 反 应 ，则 :q V qp大 多 数 反 应 在 等 压 下 进 行 ， 不 特 别 指 明 一 般 指 等 压 热效 应 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 44 例 3： 373.15K， 101.325kPa下 ， 2.0mol的 H2和1.0molO2反 应 ， 生 成 2.0mol的 水 蒸 汽 ， 共 放 出484KJ的 热 量 。 求 反 应 的 H、 U。解 ： 因 反 应 : 2H2(g)+O2(g)=2

19、H2O(g) 是 在 恒 压 下 进 行 H=qP=-484KJ； U = -484KJ-2-(2+1)(mol) 8.314 10 -3KJ/(Kmol) 373K = -481KJqp qV = n2(g)RT n1(g)RT = n(g)RT 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 45 1.3.3反 应 标 准 摩 尔 焓 变 的 计 算1. 热 力 学 标 准 态 ：气 体 物 质 的 标 准 态 ： 分 压 为 标 准 压 力 p0 下 表 现出 理 想 气 体 性 质 的 纯 气 体 状 态溶 液 中 溶 质 B的 标 准 态 是 :标 准 压 力 p0下 ， c0 =1.0 (

20、mol.dm-3)液 体 或 固 体 的 标 准 态 是 :标 准 压 力 p0下 的 纯 液 体 或纯 固 体 。注意热力学标态未限定温度 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 46或 )(mrmr iHH mrmrmr 21 HHH 在 恒 压 或 恒 容 下 ， 一 个 化 学 反 应 不 管 是一 步 完 成 还 是 分 几 步 完 成 ， 其 反 应 热 总是 相 同 的 。 mrH ,2mrH始 态 终 态中 间 态,1mrH则 2. 盖 斯 定 律 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 47(2)-(1) COO21C 2式式 1 12,1,3, molkJ5.100 mol

21、kJ)283(5.393 mrmr mr HHH由 盖 斯 定 律 知 ： 若 化 学 反 应 可 以 加 和 ， 则 其 反 应热 也 可 以 加 和 。 12, molkJ0.283 H mr COO21CO 22 COO21CO 22 例 4. 已 知 反 应 COOC 22 和 的 反 应 焓 ，计 算 COO21C 2 的 反 应 焓 。 COOC 22 解 ： 11, molkJ5.393 H mr 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 48 3. 标 准 摩 尔 生 成 焓推 论 :标 准 态 指 定 单 质 的 标 准 生 成 焓 为 0。 生 成 焓 的 负 值越 大 ，

22、表 明 该 物 质 键 能 越 大 ， 对 热 越 稳 定 。标 准 状 态 时 由 指 定 单 质 生 成 单 位 物 质 的 量 的 纯 物质 B时 反 应 的 焓 变 称 为 标 准 摩 尔 生 成 焓 ， 记 作 mfH0思 考 ： 以 下 哪 些 反 应 的 恒 压 反 应 热 不 是 生 成 焓 (反 应 物和 生 成 物 都 是 标 准 态 )?(g) CO)g(O)C( 22 石 墨 (g)CO)(O21CO(g) 22 g(1) (4) (g) CO2)g(O)2C( 2 石 墨 (2)(3)CO(g)(O21)C( 2 =+ g金 刚 石 首 页 上 一 页 下 一 页 末

23、 页 49 4. 反 应 的 标 准 摩 尔 焓 变 的 计 算参 考 态 单 质反 应 物标 准 状 态 生 成 物标 准 状 态r H m f H m (p)f H m (r)由 盖 斯 定 律 ， 得 ： Bm,fB Bmr HH 标 准 状 态 下 ,反 应 进 度 = 1mol的 焓 变 称 为 反 应 的标 准 摩 尔 焓 变 :记 作 )(m,r TH 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 50 解 ： 从 手 册 查 得 298.15K时 Fe2O3和 Al2O3的 标 准 摩尔 生 成 焓 分 别 为 824.2和 1675.7kJmol-1。例 5： 试 计 算 铝 热

24、剂 点 火 反 应 的反 应 计 量 式 为 ： )K15.298(0mr H )s(Fe2)s(OAl)s(OFe2Al(s) 3232 1 132mf 32mfmr molkJ5.851 molkJ)2.842()7.1675( )K15.298,OFe( )K15.298,OAl()K15.298( H HH 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 51 例 6:利 用 附 表 中 的 标 准 生 成 焓 数 据 标 准 计 算100gNH3(g)燃 烧 反 应 的 热 效 应 。解 ： 反 应 式 为 4NH3(g) + O2(g) = 4NO(g) + 6H2O(g) fHom (k

25、J/mol) -46.1 0 90.4 -241.8 molkJ /8.90405)1.46(4)8.241(6)4.90(4H mr 100gNH3(g)完 全 燃 烧 后 放 热 为 kJkJmolg g 133148.904)/(17 100 返 回 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 52 注 意 事 项 物 质 的 聚 集 状 态 ， 查 表 时 仔 细应 用 物 质 的 标 准 摩 尔 生 成 焓 计 算 标 准 摩 尔 反 应 焓 时需 要 注 意 公 式 中 化 学 计 量 数 与 反 应 方 程 式 相 符 数 值 与 化 学 计 量 数 的 选 配 有 关 ； 温 度

26、的 影 响 )K15.298()( mrmr HTH 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 53 例 7： 设 反 应 物 和 生 成 物 均 处 于 标 准 状 态 ， 计 算1mol乙 炔 完 全 燃 烧 放 出 的 能 量 。 )(OH)g(CO2)g(O25)g(HC 22222 l解 ： 从 手 册 查 得 298.15K时 ， 各 物 质 的 标 准 摩 尔 生 成焓 如 下 。 1 mf molkJ/)K298( H 226.73 0 -393.509 -285.83)1molkJ(58.1299 73.226250)83.285()509.3932 )15.298,B()15

27、.298( mfB Bmr K HKH 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 54 复 习热 热 效 应 定 义 及 分 类实 验 测 定 qv计 算 q p-qv= n(g)RTqp,mqV,m= (g)RT 盖 斯 定 律 fHm0依 据方 法 状 态 函 数 性 质盖 斯 定 律 等 温 条 件 下 的 反 应 热分 类 : qp、 qv，当 W =0时 ， qp= H， qv= U 过 程 量 非 体 系 性 质 计 算 复 杂 热 力 学 第 一 定 律 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 55 注 意 ：1、 反 应 热 不 一 定 等 于 热 效 应 ， 热 效 应 是 有

28、 条 件 的 。2、 注 意 几 个 符 号 的 区 别 和 意 义 ： H、 H0、 Hm0、 fHm03、 注 意 焓 这 广 度 性 质 的 状 态 函 数 ， 故 其 计 算 值 与 化 学计 量 数 有 关 ， 因 而 与 方 程 式 写 法 有 关 。4、 )K15.298()( mrmr HTH 5、 查 表 时 仔 细 物 质 的 聚 集 状 态6、 注 意 参 考 态 单 质 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 56 1、 U = q + W的 适 用 条 件 是 ： （ ）A. 封 闭 系 统 B. 封 闭 系 统 ， 不 做 非 体 积 功C. 封 闭 系 统 ， 不

29、 做 非 体 积 功 的 等 压 过 程D. 封 闭 系 统 ， 不 做 非 体 积 功 的 等 温 等 压 过 程2、 以 公 式 U = q pV表 示 的 热 力 学 第 一 定 律 ,其 适 用 条 件 是 （ ）A. 封 闭 系 统 B. 封 闭 系 统 ， 不 做 非 体 积 功C. 封 闭 系 统 ， 不 做 非 体 积 功 的 等 压 过 程D. 封 闭 系 统 ， 不 做 非 体 积 功 的 等 温 等 压 过 程思 考 题 AC 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 57 例 3:计 算 由 水 蒸 发 为 水 蒸 气 的 H m0(298.15K) ?在298.15k下

30、 ,2mol 的 水 蒸 发 成 同 温 同 压 下 的 水 蒸 气 , H 0(298.15k) ?吸 热 多 少 ?做 功 多 少 ?内 能 的 增 量U?(设 水 的 体 积 可 忽 略 )解 : H2O(l) H20(g)H m0(298.15K)= - 241.82 (-285.83) =44.01kj.mol-1fH m0(298.15K) -285.83 - 241.82 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 58 H0(298.15K) = 2mol 44.01kj.mol-1 =88.02kj吸 热 q = qP = H= 88.02kj做 功 W= -p v =-pv(g

31、) =-nRT =-2mol 8.314j.k-1.mol-1 298.15k =-4.958kj U=q+W =88.02kj+（ - 4.958kj） =83.06kj 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 59谢 谢 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 60 学 习 目 的了 解 当 代 化 学 学 科 的 概 貌用 化 学 的 观 点 分 析 、 认 识 生 活 和 工 作 中 的 化 学 问 题学 习 内 容 理 论 化 学 ： 化 学 热 力 学 、 动 力 学 和 物 质 结 构应 用 化 学 ： 化 合 物 知 识 ； 化 学 在 相 关 学 科 中 的 应 用 首 页

32、上 一 页 下 一 页 末 页 61 我 国 科 学 家 可 望 在 未 来 几年 里 研 制 和 开 发 出 多 种 新 型 催化 剂 ， 使 煤 、 天 然 气 、 煤 层 气综 合 利 用 ， 减 缓 我 国 能 源 紧 张和 环 境 的 压 力 。 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 62 2000年 日 本 化 学 家 研 究 出 导 电 性 相 当 于 铜 的聚 乙 烯 。一 各 新 材 料 “ 他 福 拉 ” 强 度 为 钢 的 6倍 ， 同时 可 使 机 身 重 量 减 少 。实 施 油 藏 渗 透 率 调 整 的 纳 米 逐 级 深 部 调 整 材料 ， 扩 大 水 相 的 波 及 系 数 ， 使 油 的 采 收 率 提高 16%。航 天 材 料 首 页 上 一 页 下 一 页 末 页 63原 理 实 物