大學基礎化學化學反應的能量變化公開課一等獎優(yōu)質課大賽微課獲獎課件

1、醫(yī)用基礎化學化學教研室吳海珊(1020403)第六章 化學反應熱及化學反應方向和程度1第1頁預習提要：1. 怎樣計算化學反應熱？2. 怎樣判斷化學反應方向？3. 怎樣衡量化學反應程度？2第2頁作業(yè)：P.118 1、2、4、5、6、7、 10、12預習：自學： P.100 (三) P .103 (二) P .111-115 四、五不要求：P .92 (二) P .94 (三)3第3頁第六章 化學反應能量改變、 方向和程度C6H12O6(s)+6O2(g)6CO2(g)+6H2O(l)放出熱量：2802.5 (kJ/mol)自發(fā)反應方向：反應程度：很大4第4頁主要內容：熱力學幾個慣用術語能量守恒和

2、化學反應熱 (重點)化學反應方向和推進力(重點)化學反應程度和平衡常數(shù)5第5頁第一節(jié) 熱力學幾個慣用術語一、狀態(tài)函數(shù)state function1.狀態(tài)指系統(tǒng)中全部性質及條件均確定不變平衡狀態(tài)。6第6頁例：理想氣體T1=298.2KP1=100kPaV1=2 m3T2=298.2KP2=200kPaV2=1 m3Pep1始態(tài)終態(tài)7第7頁性質確定，狀態(tài)就確定。狀態(tài)改變，性質就改變。2. 狀態(tài)函數(shù)描述和要求狀態(tài)宏觀性質。廣度性質：與系統(tǒng)中物質數(shù)量相關，含有加合性。n、m、V、U(內能)、H(焓)、S(熵)、G強度性質：與系統(tǒng)中物質數(shù)量無關，不含有加合性。T、P、M8第8頁問：冰：1g+1g=2g2

3、杯30水混合，混合后T=30 3. 狀態(tài)函數(shù)特征系統(tǒng)狀態(tài)一定，狀態(tài)函數(shù)值就一定。狀態(tài)函數(shù)改變值僅取決于始態(tài)和終態(tài)，而與改變詳細路徑無關。9第9頁問：水從10變到20 , T=?始態(tài)：T1= 10終態(tài)：T2= 20T=25 T=10 T=15 T=5 T2T110第10頁狀態(tài)函數(shù)有特征，狀態(tài)一定值一定，殊途同歸改變等，周而復始改變零。11第11頁二、heat and work1. 熱Q 放環(huán)境間交換或傳遞能量。(J， KJ)因為溫度不一樣，而在系統(tǒng)與系統(tǒng)熱， Q0.2. 功W除熱以外，系統(tǒng)和環(huán)境間進行傳遞和交換其它各種形式能量。12第12頁W=Fedz=peAdz=pedVW當恒外壓時：W13第

4、13頁體積功: P外V非體積功：電功等 作系統(tǒng)向環(huán)境功，W0.符號：系統(tǒng)W:W: +Q: +Q: 從系統(tǒng)角度使系統(tǒng)能量升高為正，反之為負。（恒外壓）14第14頁問：熱和功是否狀態(tài)函數(shù)？與路徑是否相關？Q1=？Q2=？系統(tǒng)熱 吸解：始態(tài)：T1= 10終態(tài)：T2= 20T=10 15第15頁熱和功不是狀態(tài)函數(shù)。熱和功是過程物理量，其大小與路徑相關。例：練習題16第16頁第二節(jié) 能量守恒和化學反應熱一、內能U和熱力學第一定律1. internal energy系統(tǒng)內部能量總和。問：內能是否狀態(tài)函數(shù)？U=？能否測出U值？17第17頁2. the first law of thermodynamics

5、自然界一切物質都含有能量，能量有各種不一樣形式，而且能夠從一個形式轉化為另一個形式，在轉化中，能量總值不變。18第18頁始終U1U2從環(huán)境吸熱Q=10J系統(tǒng)對環(huán)境作功W=-5JU2=U1+Q +WU= U2U1=Q +W練習題=5J宏觀上靜止且無外力場存在封閉體系：熱力學第一定律19第19頁封閉系統(tǒng)在恒P，不做非體積功時：U=Q W=QPP外VQP= U+ P外V=U2U1+ P外VP外=P1=P2二、系統(tǒng)焓和等壓反應熱20第20頁QP=U2U1+ P外(V2V1)=( U2+P2 V2) ( U1+P1V1)=H2H1=HH是否狀態(tài)函數(shù)？恒壓過程反應熱等于系統(tǒng)焓變令 HU+P Vdef以后用

6、焓變表示等壓反應熱21第21頁三、熱化學方程式1. 化學反應熱效應rHm當體系發(fā)生反應之后，使產物溫度回到反應前始態(tài)時溫度，體系放出或吸收熱量。T(反應物) T(產物)22第22頁2H2(g)+1O2 (g)H2O (l)298.15K同時標明熱效應值及物質狀態(tài)化學方程式2. 熱化學方程式標準態(tài)化學反應單位反應進度rHm,298.15O=285.8 kJ/molH2O (g)?23第23頁3. 標準態(tài)氣體：純液體：純固體：溶質：P分=100 kPa, T , 理想氣體P外=100 kPa, TP外=100 kPa, T，最穩(wěn)定晶體P外=100 kPa, T，C=1mol/L在T和 p(100k

7、Pa)下該物質狀態(tài)。24第24頁4. 反應進度extent of reactiona A + d Dg G + h Ht=0t=tnA,0nD,0nG,0nH,0nAnDnGnH化學計量數(shù)反應進度：單位：mol25第25頁301006217N2 + 3H2 2NH3例：t=0, =0t=t, = （1）=n(NH3) (NH3)= 60 2=3(mol)=n(N2) (N2)=7101=3(mol)26第26頁 用任一反應物或產物所表示反應進度都是相等。=n(NH3) (NH3)=601=6(mol)+NH3N2H2 3212（2）化學反應式寫法不一樣， 也不一樣。27第27頁單位反應進度：=

8、1mol此時：nBB301002279N2 + 3H2 2NH3例：t=0, =0t=t, = （1）=n(NH3) (NH3)= 20 2=1(mol)=1mol是指按反應式進行28第28頁N2 + 3H2 2NH3rHm,298.15O=92.22 kJ/mol（1）+NH3N2H2 3212rHm,298.15O=（2）46.11 kJ/mol要將化學反應式與rHmO值同時寫出才有意義29第29頁四、Hess定律和反應熱計算Hess定律：一個化學反應不論是一步完成或是分幾步完成，他反應熱都是相同。為何？30第30頁反應物生成物H H1H2H3H= H1+ H2+ H3恒T 、 P，不做非

9、體積功：H= QP31第31頁1. 由已知熱化學方程式組合求反應熱例：試利用以下各熱化學方程式求生成CO(g)反應熱C(石墨)+O2(g)CO2(g)rHm,1OCO(g)+12O2(g)CO2(g)rHm,2OC(石墨)+12O2(g)CO(g)rHm,3O?32第32頁方法一：C(石墨)CO2(g)rHm,1OCO(g)rHm,3OrHm,2OrHm,1O=rHm,3O+rHm,2OrHm,3O=rHm,1OrHm,2O？33第33頁 方法二；依據反應物和產物判斷C(石墨)+O2(g)CO2(g)rHm,1OCO(g)+12O2(g)CO2(g)rHm,2OC(石墨)+12O2(g)CO(

10、g)rHm,3OrHm,3O=rHm,1OrHm,2O?34第34頁乙酸(l)+2O2(g)2CO2(g)H2(g)+O2(g)CO2(g)C(石墨)+12O2(g)+2H2O(l)H2O(l)2C(石墨)+2H2(g)+O2(g)乙酸(l)?解:rHm,4O=+2rHm,2O2rHm,3OrHm,1O35第35頁2. 由標準摩爾生成焓求標準反應熱 標準摩爾生成焓fHm (B)O在標準態(tài)下，由穩(wěn)定單質生成1mol該物質 B 焓變。KJ/mol例：=227.4(KJ/mol)fHm,298.15O(C2H2,g)36第36頁2H2(g)+C2H2(g)生成反應穩(wěn)定單質=227.4(KJ/mol)

11、rHmO=fHm,298.15O(C2H2,g)C(石墨)C2H2(g)37第37頁問：fHmO(H2, g)為多少？H2(g)H2(g)穩(wěn)定單質標準摩爾生成焓等于零問：請判斷哪種物質是穩(wěn)定單質？ C(石墨)、C（金剛石）、C（無定形） O2（g）、 O2（l）、 O2（s）I2（g）、 I2（s）38第38頁 計算標準反應熱rHmO最穩(wěn)定單質(反應物)(產物)產物反應物39第39頁例：用標準摩爾生成焓計算標準反應熱4NH3(g)+5O2 (g)4NO (g)+6H2O(l)45.991.3285.8解：rHm,298O=491.3+6（285.8） 4（45.9）=1166（KJ/mol)重

12、點40第40頁第三節(jié) 化學反應方向和推進力一、自發(fā)過程及其特征從高到低推進力自發(fā)判據水流hh0TT0傳熱h=0T=0達平衡時化學反應GG0G=041第41頁自發(fā)非平衡態(tài)平衡態(tài)非自發(fā)體系中存在不平衡原因就會造成自發(fā)自發(fā)42第42頁1. 自發(fā)過程不依靠外力而能自動進行過程。非自發(fā)過程在外力作用下進行過程。43第43頁2. 自發(fā)過程特征 自動、單向。 （蘊）含有作 功能力。44第44頁 有判據 0二、對自發(fā)反應認識 常溫常壓下，放熱反應都是自發(fā)（ H0） 有一定程度平衡態(tài),=045第45頁NH3Ba(OH)28H2ONH4SCNH2O冰木板有些吸熱反應也是自發(fā)46第46頁自發(fā)反應推進力放熱混亂增加問

13、：一滴墨水溶于水，是自發(fā)進行嗎？解：墨水+H2O溶液自發(fā)非自發(fā)混亂度低混亂度最大47第47頁三、系統(tǒng)熵S1. 反應體系混亂度狀態(tài)函數(shù)。單位：J K-1 mol -1 混亂度愈大， S愈大。熵entropyS=k ln 混亂度48第48頁 2. 影響S原因：聚集態(tài)、組成、結構、溫度、壓力及物質量。問：S （冰）S （水）S （氣）S（O）S （O2）S （O3）S（CH3CH2CH2CH3）S（CH3CHCH3）CH349第49頁 外壓P ，氣體S同一物質，n ，S同一物質， T ，S熱力學第三定律：熱力學溫度0K時，任何純物質完整晶體熵值為零。熵值以T=0K時，S=0為比較標準而求算出。要求熵

14、50第50頁3. 化學反應rSmO計算在標準態(tài)下， 1mol物質 B要求熵值。J K-1 mol-1問：SmO(H2,g)是否為零？穩(wěn)定單質標準摩爾熵不等于零標準摩爾熵SmO(B)51第51頁反應物產物rSmOSmO197.7210.8213.8191.6CO(g)+NO(g)CO2(g)N2(g)+12例：98.9 (J K-1 mol-1 )rSm,298.15O=練習題重點52第52頁四、化學反應自發(fā)性判據G1. Gibbs自由能 G表征物質體系作非體積功效力物理量。 (化學勢能) G是狀態(tài)函數(shù)？GHTSdefG物理含義：在等溫等壓過程中，除體積改變所做功以外，系統(tǒng)對外界所做功只能等于或

15、者小于吉布斯自由能減小。 53第53頁勢能高勢能低G大G小反應物生成物WfWf水水54第54頁反應物P1=P2， T1=T2對環(huán)境作功G1=50JG2=20JWfG0Wf,maxG=30J等溫等壓，Wf=0:可逆過程：不可逆過程：Wf25J生成物55第55頁Cu2+ + ZnCu + Zn2+問：為何原電池作功效力會降低？Cu片CuSO4Zn片ZnSO4鹽橋e正極(電位高)負極(電位低)56第56頁rGm,298.15212.6（kJ/mol）OrGm=G(產物) G(反應物)0Cu2+2eCuZn-2eZn2+正極:負極:Cu2+ + ZnCu + Zn2+伴隨反應進行：57第57頁G(產物

16、)G(反應物)tGG到達平衡58第58頁H2(g)+12O2(g)H2O(l)熱機：140kJ電功：237kJrGm=237.18kJ 物質在自發(fā)改變時都可作功。并隨過程進行其作功效力降至零。59第59頁2. 自由能降低原理等溫等壓下，自由能降低反應必自發(fā)等溫等壓下，不作非體積功：rGm0，rGm=0， 正反應自發(fā)進行逆反應自發(fā)進行反應達平衡60第60頁(H2T2S2) (H1T1S1) =rG=G2 G1=H T S 等T、PGibbs方程式Gibbs方程式61第61頁GHTS自由能是熵和焓綜合表達自發(fā)反應推進力放熱rHm0=H T S rGm+討論：62第62頁3. 溫度對反應方向影響溫度

17、T對物質H影響對物質S影響對物質G影響大，對rHm影響小大，對rSm影響小不確定，對rGm影響大反應物生成物rHm,TOrHm,298.15O63第63頁rSm,TOrSm,298.15OrGm,TOrGm,298.15OrGm,TO=rSm ,298.15rHm,298.15OOT任何溫度 64第64頁rG=H T S ，rG0條件，+，+，+，+，任何溫度不存在低溫高溫練習題65第65頁4. 自由能變計算標準態(tài)下rGmO計算在標準態(tài)下，由穩(wěn)定單質生成1mol物質 B 時自由能變。KJ/molfGm (B)O 利用Gibbs方程式由標準摩爾生成自由能計算66第66頁問：fGmO(H2 ,g)

18、為多少？穩(wěn)定單質標準摩爾生成自由能等于零例：用兩種方法判斷以下反應在298.15K 100kPa 下能否自發(fā)進行。重點67第67頁2NO(g)N 2(g)+O2 (g)fGmOfHmOSmO若要此反應自發(fā)進行，最少要到達多少溫度(K)？87.691.3191.6205.2210.8000068第68頁解： 計算rGm,298.15O方法一：rGm,298.15O=287.6175.2(kJ/mol)=方法二：rHm,298.15O=291.3182.6(kJ/mol)=69第69頁rSm,298.15O=2210.8191.6205.2=24.8(J K-1 mol-1 )rGm,298.15

19、O= 182.6298.1524.8=175.2 (kJ/mol)正向反應在298.15K 100kPa下不能自發(fā)進行。10-370第70頁即rHm,TOTrSm,TOrHm,TOrSm,TO=182.624.810-3=7363(K) 若要反應自發(fā)，必須rGm,TO0rHm,298.15OrSm,298.15O71第71頁rGm,TO=rSm ,298.15rHm,298.15OOT小結：298.15K任何溫度 72第72頁 非標準態(tài)下rGm計算aA+bBdD+eErGm,T=rGm,TO+RTQQ=(CD/C )dO (CE/C )eO(CA/C )a (CB/C )bOO單位？等溫非標:

20、化學反應等溫式反應商73第73頁OC標準濃度：=1mol/L氣體時改為PA/PO100kPa當CA=CB=CD=CE=1mol/LrGm,T=rGm,TO標準態(tài)只是一個特例74第74頁例：CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)已知rHm,298.15O=178.5(kJ/mol)rSm,298.15O=159.0(JK-1 mol-1 )若使CO2分壓為0.010 kPa，試計算此反應自發(fā)進行所需最低溫度？75第75頁rGm,T=rGm,TO+RTP(CO2)100=(178.5T159.010-3)+8.31410-3T 0.0101000解：T759(K)76第76頁狀態(tài)函數(shù)HSG定義

21、H=U+PV衡量混亂度G=HTS性質都是狀態(tài)函數(shù)，含有穩(wěn)定單質常態(tài)SmfGm溫度對改變值影響顯著影響顯著影響顯著影響幾個狀態(tài)函數(shù)對比fHmOOO=0=00加合性無無有77第77頁應用: P.112 耦聯(lián)反應A+BC+DG=3kJ/molA+B+ED+F+HG=2kJ/mol熱力學上一個不利反應能夠被熱力學上一個有利反應所推進C+EF+HG=5kJ/mol目標產物78第78頁第四節(jié) 化學反應程度和標準平衡常數(shù)一、試驗平衡常數(shù)和標準平衡常數(shù)可逆反應：aA+bBdD+eE正=k 正 C(A)aC(B)b逆=k 逆 C(D)dC(E)e反應達平衡時：正= 逆79第79頁k 正 AaBb=k 逆 DdE

22、eDdEeAaBb=k 正k 逆=KcPDdPEePAaPBb=Kp試驗平衡常數(shù)K愈大，反應程度愈大。80第80頁標準平衡常數(shù)：(D/C ) d=KOO(E/C )eO(A/C ) aO(B/C )bO是否有單位？C =1mol/LOK與溫度相關，與濃度無關81第81頁二、自由能和化學平衡rGm,T=rGm,TO+RTQ平衡狀態(tài)時：rGm,T= 0愈大愈大rGm,TO+RTK= 0OrGm,TO=RTKOrGm,TO愈負，K，反應程度OQ=KO82第82頁總結：一、基本概念熱、功：與路徑相關狀態(tài)函數(shù)改變量與路徑無關二、計算rHm,TO83第83頁1. 熱力學第一定律：U= Q +W2. 恒T、P，不作其它功： H= QP3. 計算rHm,298.15O(Hess定律) 由 用fHm,298.15O計算已知熱化學方程式組合計算84第84頁三、判斷自發(fā)反應方向等溫等壓下，rGmrGm= 正反應自發(fā)進行逆反