化學反應中的質量守恒

1、1第一章第二節(jié)化學反應中的質量守恒和能量守恒2一、化學反應的質量守恒定律一、化學反應的質量守恒定律 在化學反應中，物質的質量是守恒的。即參加反應的全部物質的質量總和等于反應后生成物的質量總和。BBB031、熱力學能（內能）熱力學能（內能）體系內部能量的總和。 構成：分子的平動能、轉動能，分子間勢能、電子運動能、核能等。 是一種熱力學狀態(tài)函數 無法知道他的絕對值，但過程中的變化值卻是可以測量的。二、二、 能量守恒能量守恒熱力學第一定律熱力學第一定律42、熱力學第一定律能量守恒定律 表述：能量只可能在不同形式之間轉換，但不能自生自滅。狀態(tài)1 （U1） 狀態(tài)2 （U2） 吸收熱量Q 對體系做功WU

2、= U2 - U1 = Q + W 熱力學第一定律有稱能量守恒定律。它是人們從生產實踐中歸納總結出的規(guī)律，是自然界中普遍存在的基本規(guī)律。51、恒容熱效應與熱力學能變 如果體系的變化是在恒容的條件下，且不做其他非膨脹功（W=0，則：W=We+W=0） 此時： U = Q+W = QV 即：熱力學能變等于恒容熱效應恒容熱效應?；蛘f：在恒容的條件下，體系的熱效應等于熱力學能的變化。 *在彈式量熱計中, 通過測定恒容反應熱的辦法，可獲得熱力學能變U的數值.三、三、 化學反應的熱效應化學反應的熱效應62、恒壓熱效應與焓變 在我們的實際生產中，很多的化學反應都是在大氣層中（一個大氣壓，103kpa）條件下

3、進行的，這是一個體積有變化，但壓力恒定的過程（恒壓過程）。為了方便地研究恒壓過程中的問題，我們需要引入另一個重要的熱力學狀態(tài)函數焓。7 焓變化學反應的恒壓熱效應現(xiàn)設體系的變化是在恒壓、只做膨脹功（不做其他功，如電功等）的條件下進行的 狀態(tài) 1 狀態(tài)2（T1, V1, U1, p） （T2, V2, U2, p）吸收熱量Q對外做功W在此恒壓過程中： *體系吸收的熱量記作 Qp *體系對環(huán)境所做的功 p (V) = p (V2-V1) 因此，環(huán)境對體系所做的功： W = -p (V) = - p (V2-V1)8于是根據熱力學第一定律，有如下的關系： U2 - U1 = U = Q + W = Q

4、p - p (V) = Qp - p ( V2 - V1) 所以： Qp = (U2 - U1) + p (V2 - V1) = (U2 + pV2) - (U1+ pV1) 定義熱力學狀態(tài)函數 焓，以H表示 H = U + pV 則： Qp = (U2 + pV2) - (U1+ pV1) = H2 - H1 = H9重點理解焓H是一種狀態(tài)函數，只與體系的起始狀態(tài)有關。與過程路徑無關。 焓變值H等于體系在恒壓過程中的熱效應Qp。在其他類型的變化過程中，焓變值H不等于熱效應，但并非說，焓變值H為零。 焓代表了恒壓條件下體系所包含的與熱有關的能量，具有能量量綱，單位是J 或 kJ。因為經常遇到的

5、化學反應都是在大氣層這樣一個恒壓環(huán)境中發(fā)生的，所以焓是一個極其重要的狀態(tài)函數。焓與與熱力學能一樣，其絕對值無法確定。但狀態(tài)變化時體系的焓變H卻是確定的，而且是可求的。焓是體系的廣度性質，它的量值與物質的量有關，具有加和性。10(1) 對于一定量的某物質而言，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)或液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)都必須吸熱，所以有: H(g) H(l) H(s)(2) 當某一過程或反應逆向進行時，其H要改變符號即： H（正）= -H（逆）(3) 對于任何化學反應而言，其恒壓反應熱Qp可由下式求出： Qp=H= H生成物-H反應物 （在化學反應中，可把反應物看作始態(tài)，而把生成物看作終態(tài)） H0為吸熱反應，H0為放熱反應。

6、由于大多數化學反應是在恒壓條件下進行的，其H=Qp，即為恒壓反應熱。所以焓變比熱力學能變更具有實用價值，用得更廣泛、更普遍。過程與焓113恒壓反應熱與恒容反應熱的關系由焓的定義： H = U+pV 則：H = U+(pV) i) 對于恒壓、只作體積功的化學反應，有： H = U+ pV 即： Qp = Qv+ pV ii) 對于固相和液相反應，由于反應前后體積變化不大， 故有： Qp Qv iii)對于氣相反應，如果將氣體作為理想氣體處理， 則有： Qp= Qv +n（RT） 式中n為生成物的量與反應物的量之差。12四、四、 蓋斯定律與反應熱的計算蓋斯定律與反應熱的計算 1反應進度和熱化學方程

7、式 i)什么是“化學反應的進度”？ 描述化學反應的進行程度的物理量。在反應的某一階段中，某反應物量（摩爾數）的改變值與其化學計量數的商。 單位：mol 用希臘字母表示。 13對于任一化學反應，有質量守恒定律：0BB， 例如下列給定反應：d D + e E = g G + h H 通式為： 式中nB()和nB(0)分別表示反應進度為和0時，B物質的量(mol)。注意：反應物的計量系數取負值，生成物的計量系數取正值。HHGGEEDDnnnn( )(0)BBBBBnnn14舉例說明：3H2 (g) + N2 (g) = 2NH3 (g)t = 0 s (mol) 3.0 1.0 0.0 t = 0.

8、1 s (mol) 1.5 0.5 1.0以H2計算反應進度 = nH2 / H2 = (1.5- 3.0) mol / -3 = 0.5 mol以N2計算反應進度 = nN2 / N2 = (0.5- 1.0) mol / -1 = 0.5 mol以NH3計算反應進度 = nNH3 / NH3 = (1.0- 0.0) mol / 2 = 0.5 mol15 ii) 熱力學標準態(tài) 對于以上所說的“焓變等于恒壓熱效應”， “恒壓”恒在什么壓力之下，其反應的熱效應是不一樣的，因為不同的壓力之下，體系所做的膨脹功不同，因而恒壓熱效應焓變值也有所不同。因此熱力學在處理化學反應體系時，必須選定某一狀態(tài)

9、作為“計算、比較的標準”，這一標準即稱做熱熱力學標準狀態(tài)力學標準狀態(tài)。16 IUPAC規(guī)定：100 kPa為標準壓力，以p表示之，處于標準壓力之下的體系，稱為體系的標準狀態(tài)。各種體系的標準狀態(tài)規(guī)定如下： 純固體、液體，當該物質處于外壓為標準壓力之下。 純氣體（理想氣體）：p = p = 100 kPa 混合氣體：pi = p = 100 kPa (pi 某組分氣體的分壓力) 理想溶液：p = p = 100 kPa， c = c = 1.0 mol/ dm3 (c標準濃度)17注意事項：上述標準狀態(tài)并未指定溫度，即： H2 （100 kpa, 298K ）是標準狀態(tài)， H2 （100 kpa,

10、 200K ）也是標準狀態(tài)。IUPAC推薦298.15K作為溫度的一般參比標準， 如不注明，則指的是298.15K，其他溫度則須指明，用（T）表示。18 iii) 化學反應的標準焓變、標準摩爾焓變 和熱化學方程式 在特定的溫度之下（如不特別指明，則為298K）如果參加化學反應的各物質（包括反應物和產物）都處于熱力學標準狀態(tài)（p=p = 100 kpa），此時在化學反應的過程中產生的焓變即稱作：標準焓變，以符號rH表示之。例如： 1.5 H2 (g) + 0.5 N2 (g) = NH3(g) rH = -46.11 kJ19 但是：化學反應的焓變，不僅與溫度、壓力等有關，還與反應中物質的量有關

11、。 規(guī)定：化學反應進度=1時化學反應的焓變?yōu)榛瘜W反應的標準摩爾焓變。以符號rHm表示之。標準摩爾焓變的意義是：單位化學反應進度化學反應的標準焓變。 rHm = rH /例如： 3 H2 + N2 = 2 NH3 (氣體) rHm = 92.22 KJ/ mol注意：如果將3 mol H2 和 1 mol N2反應時，其Qp是否是此數值？不是！20 熱化學方程式 表示出了化學反應過程中熱效應的 化學反應計量方程式稱為熱化學方程式(thermodynamic equation)。例如，在298.15K時有：1) H2 (g) + 1/2 O2 (g) = H2O (l) rHm = - 285.8

12、 kJmol-12) 2H2 (g) + O2 (g) = 2H2O (l) rHm = - 571.6 kJmol-13) C(石墨) + O2 (g) = CO2 (g) rHm = - 393.5 kJmol-1212、物質的標準摩爾生成焓定義：在標準狀態(tài)下，由最穩(wěn)定單質生成1mol 某種物質的反應的標準焓變，叫做該物質的標準摩爾生成焓，以符號rHm 表示之。 注意要點： 最穩(wěn)定單質的標準摩爾生成焓為零。 什么是最穩(wěn)定單質？ 舉例說明：C（石墨）、I2（固體） 是指生成1mol物質，不是生成反應的標準摩爾焓變。223、蓋斯定律 俄國化學家G.H.Hess對化學反應的數據進行總結（1840）指出：不管化學反應是一步完成，還是分幾步完成，其化學反應的熱效應是相同的。例如： C CO2 COO2 O2 O2 rH1rH2rHrH = rH1 + rH223 蓋斯定律是熱力學定律的必然結果 由于焓是狀態(tài)函數，所以只要始態(tài)和終態(tài)相同，焓變必然相同。今天我們看來非常簡單，但卻有重要的使用意義。因為可以用它來確定不易測量的一些化學反應的標準焓變 。244、化學反應熱的計算 參考單質（最穩(wěn)定態(tài)