化學(xué)反應(yīng)里的能量變化課件

化學(xué)反應(yīng)中的能量變化化學(xué)反應(yīng)伴隨著能量變化，例如放熱反應(yīng)釋放熱量，吸熱反應(yīng)吸收熱量。能量的定義能量的定義能量是物體做功的能力，它是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的屬性。能量的屬性能量可以轉(zhuǎn)化，但不能憑空產(chǎn)生或消失，即能量守恒。能量的形式能量存在多種形式，例如動(dòng)能、勢(shì)能、熱能、化學(xué)能、電能等。能量的形式光能太陽(yáng)輻射出的光能，是自然界最主要的能量來(lái)源。熱能物體內(nèi)部粒子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量，可通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳遞。機(jī)械能物體由于運(yùn)動(dòng)或位置而具有的能量，包括動(dòng)能和勢(shì)能。化學(xué)能物質(zhì)內(nèi)部原子和分子鍵合狀態(tài)改變時(shí)釋放或吸收的能量。能量的轉(zhuǎn)化能量可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，但能量總量保持不變。例如，水壩中的水勢(shì)能轉(zhuǎn)化為水流的動(dòng)能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的電能。1機(jī)械能運(yùn)動(dòng)物體具有的能量2熱能物體內(nèi)部粒子運(yùn)動(dòng)的能量3化學(xué)能物質(zhì)內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量4電能電流所具有的能量能量轉(zhuǎn)化是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，它在化學(xué)反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，比如光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，而燃燒則是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。熵的概念1無(wú)序程度熵是用來(lái)衡量一個(gè)體系的無(wú)序程度，體系越混亂，熵值越大。2自發(fā)過(guò)程熵增原理表明，一個(gè)孤立體系的自發(fā)過(guò)程總是朝著熵增加的方向進(jìn)行。3熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律指出，任何孤立體系的熵總是隨著時(shí)間的推移而增加。4應(yīng)用熵的概念被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域。內(nèi)能和焓內(nèi)能內(nèi)能是一個(gè)系統(tǒng)中所有能量的總和，包括物質(zhì)內(nèi)部的動(dòng)能和勢(shì)能。內(nèi)能是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，只與系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，與過(guò)程無(wú)關(guān)。焓焓是一個(gè)熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)，表示系統(tǒng)在恒壓條件下所具有的能量。焓變是指焓的變化，它反映了化學(xué)反應(yīng)或物理過(guò)程中的熱量變化。吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)是指反應(yīng)過(guò)程中吸收熱量，使體系溫度降低的反應(yīng)。放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)是指反應(yīng)過(guò)程中釋放熱量，使體系溫度升高的反應(yīng)。常見(jiàn)的吸熱反應(yīng)例如：冰融化成水，水蒸發(fā)成水蒸氣。常見(jiàn)的放熱反應(yīng)例如：燃燒，中和反應(yīng)，金屬與酸反應(yīng)。反應(yīng)熱和生成熱反應(yīng)熱生成熱在特定條件下，反應(yīng)進(jìn)行到完成時(shí)所吸收或放出的熱量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1摩爾物質(zhì)時(shí)的熱量變化與反應(yīng)物的計(jì)量數(shù)有關(guān)與物質(zhì)的化學(xué)組成有關(guān)可正負(fù)值，正值吸熱，負(fù)值放熱常溫常壓下，生成熱是負(fù)值的反應(yīng)更容易進(jìn)行反應(yīng)熱和生成熱是化學(xué)反應(yīng)中重要的能量指標(biāo)。激活能和反應(yīng)途徑1反應(yīng)途徑反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的具體步驟。2過(guò)渡態(tài)反應(yīng)過(guò)程中能量最高的中間狀態(tài)。3活化能反應(yīng)物達(dá)到過(guò)渡態(tài)所需的最低能量?；罨茉礁?，反應(yīng)越難進(jìn)行。催化劑可以通過(guò)降低活化能來(lái)加快反應(yīng)速率。反應(yīng)熱與反應(yīng)進(jìn)程1反應(yīng)熱與焓變反應(yīng)熱是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中放出或吸收的熱量，它可以反映反應(yīng)的能量變化。2反應(yīng)進(jìn)程與能量變化反應(yīng)進(jìn)程是指反應(yīng)從起始狀態(tài)到最終狀態(tài)的變化過(guò)程，反應(yīng)熱與反應(yīng)進(jìn)程密切相關(guān)，反應(yīng)進(jìn)程可以影響反應(yīng)熱的大小。3焓變與反應(yīng)熱焓變是反應(yīng)體系焓值的改變量，它可以用來(lái)衡量反應(yīng)熱，反應(yīng)熱與焓變的符號(hào)相同，但大小不一定相等。反應(yīng)熱的測(cè)量量熱計(jì)量熱計(jì)是一種專門用于測(cè)量反應(yīng)熱或熱效應(yīng)的設(shè)備。實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)測(cè)量反應(yīng)前后體系的溫度變化，并結(jié)合已知的熱容量，計(jì)算反應(yīng)熱。計(jì)算方法利用熱化學(xué)方程式和熱化學(xué)定律進(jìn)行計(jì)算，得出反應(yīng)熱值。熱化學(xué)方程式1化學(xué)反應(yīng)的能量變化熱化學(xué)方程式用化學(xué)式表示化學(xué)反應(yīng)，并用符號(hào)表示反應(yīng)熱。反應(yīng)熱是反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行時(shí)，反應(yīng)體系吸收或放出的熱量。2反應(yīng)熱符號(hào)反應(yīng)熱用ΔH表示，ΔH為正值，表示吸熱反應(yīng)，ΔH為負(fù)值，表示放熱反應(yīng)。3舉例例如，氫氣燃燒生成水的反應(yīng)，其熱化學(xué)方程式為：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)；ΔH=-285.8kJ/mol。熱化學(xué)定律蓋斯定律化學(xué)反應(yīng)的焓變只與反應(yīng)物的起始狀態(tài)和生成物的最終狀態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)途徑無(wú)關(guān)。赫斯定律一個(gè)反應(yīng)的焓變等于該反應(yīng)各步反應(yīng)的焓變之和，不論反應(yīng)是一步完成還是分步完成?；鶢柣舴蚨煞磻?yīng)的焓變隨溫度變化，溫度每升高10K，焓變變化約為4J/mol。用熱化學(xué)定律解決問(wèn)題理解反應(yīng)熱反應(yīng)熱是化學(xué)反應(yīng)中能量變化的度量。可以使用熱化學(xué)方程式和熱化學(xué)定律來(lái)計(jì)算反應(yīng)熱。運(yùn)用蓋斯定律蓋斯定律指出，化學(xué)反應(yīng)的總熱效應(yīng)與反應(yīng)的途徑無(wú)關(guān)，只與反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)。計(jì)算未知熱效應(yīng)利用已知反應(yīng)熱和蓋斯定律，可以計(jì)算未知反應(yīng)的熱效應(yīng)，幫助預(yù)測(cè)反應(yīng)的方向和可能性。解決實(shí)際問(wèn)題例如，預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)是否會(huì)自發(fā)進(jìn)行，判斷反應(yīng)的能量變化是否會(huì)導(dǎo)致爆炸，等等。熱效應(yīng)與生活燃燒燃燒過(guò)程釋放熱能，為我們提供熱量和光，滿足生活需求。烹飪烹飪過(guò)程中，能量的吸收和釋放使食物熟透，為我們提供營(yíng)養(yǎng)。電池電池利用化學(xué)反應(yīng)的能量變化來(lái)提供電力，為電子設(shè)備供能?；瘜W(xué)反應(yīng)能量變化的應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)能量變化廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。例如，燃燒反應(yīng)釋放能量，為人類社會(huì)提供熱能和電力。化學(xué)反應(yīng)能量變化也應(yīng)用于合成新材料，例如合成橡膠、塑料等，這些材料在現(xiàn)代生活中扮演著重要角色。生物體內(nèi)的許多生命活動(dòng)也與能量變化密切相關(guān)，例如光合作用和呼吸作用。燃料電池的工作原理氫氣進(jìn)入負(fù)極氫氣在負(fù)極催化劑的作用下被氧化成氫離子(H+)和電子(e-)。電子通過(guò)外部電路電子通過(guò)外部電路到達(dá)正極，提供電流。氧氣進(jìn)入正極氧氣在正極催化劑的作用下與氫離子結(jié)合，生成水(H2O)?；瘜W(xué)反應(yīng)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程是氫氣和氧氣在催化劑的作用下反應(yīng)生成水，并釋放能量，這些能量被轉(zhuǎn)化為電能。光合作用的能量轉(zhuǎn)化光合作用是地球上最重要的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程之一。它利用太陽(yáng)能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成葡萄糖和氧氣，為生命提供能量。1光能太陽(yáng)光提供能量2化學(xué)能轉(zhuǎn)化為葡萄糖中的化學(xué)能3生物量植物生長(zhǎng)、呼吸和光合作用4環(huán)境能量氧氣釋放到大氣中光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲(chǔ)存在葡萄糖中。這些化學(xué)能可以被植物利用，也可以通過(guò)食物鏈傳遞給其他生物。光合作用還釋放氧氣到大氣中，為地球上的生命提供呼吸所需的氧氣。熱量與工作的關(guān)系熱量轉(zhuǎn)化為功熱量可以轉(zhuǎn)化為功，例如蒸汽機(jī)利用熱量推動(dòng)活塞做功，內(nèi)燃機(jī)利用熱量驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)做功。熱量轉(zhuǎn)化為功的效率取決于熱機(jī)的效率，例如卡諾循環(huán)描述了熱機(jī)效率的理論極限。功轉(zhuǎn)化為熱量功也可以轉(zhuǎn)化為熱量，例如摩擦生熱，壓縮氣體升溫，以及電阻發(fā)熱。功轉(zhuǎn)化為熱量的效率為100%，但熱量轉(zhuǎn)化為功的效率則小于100%，這是熱力學(xué)第二定律的體現(xiàn)。熱機(jī)的效率熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，效率表示熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的比例。熱機(jī)效率無(wú)法達(dá)到100%，因?yàn)橐徊糠譄崮軙?huì)損失，無(wú)法轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。30%熱機(jī)效率熱機(jī)效率通常小于30%，意味著超過(guò)70%的熱能損失掉。100%理想熱機(jī)理論上，理想熱機(jī)效率可達(dá)100%，但實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)。20%汽油機(jī)汽油機(jī)效率約為20%，燃?xì)廨啓C(jī)效率可達(dá)35%左右。50%未來(lái)展望未來(lái)，開(kāi)發(fā)更高效率的熱機(jī)是重要的研究方向。熱力學(xué)第一定律能量守恒定律描述了能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。該定律指出，在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總能量是恒定的，即能量不會(huì)損失或增加。熱力學(xué)第一定律是物理學(xué)的基本定律之一，它廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如化學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)和生物學(xué)等。熱力學(xué)第二定律1能量守恒熱量從高溫物體傳遞到低溫物體，不會(huì)自發(fā)逆轉(zhuǎn)。2熵增原理一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會(huì)減少，只會(huì)增加或保持不變。3熱力學(xué)效率能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，總有部分能量以熱的形式散失，無(wú)法完全利用。4自發(fā)過(guò)程熵增加的過(guò)程是自發(fā)的，而熵減少的過(guò)程需要外界做功。自發(fā)過(guò)程和非自發(fā)過(guò)程自發(fā)過(guò)程不需要外界能量輸入即可發(fā)生的反應(yīng)，例如冰融化成水。自發(fā)過(guò)程通常伴隨著熵增加，這意味著系統(tǒng)的混亂程度增加。非自發(fā)過(guò)程需要外界能量輸入才能發(fā)生的反應(yīng)，例如水結(jié)冰成冰。非自發(fā)過(guò)程通常伴隨著熵減少，這意味著系統(tǒng)的混亂程度降低。焓變和吉布斯自由能焓變焓變是指化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中焓的變化，是衡量化學(xué)反應(yīng)能量變化的重要指標(biāo)。吉布斯自由能吉布斯自由能是衡量化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性的重要指標(biāo)，其變化值可以預(yù)測(cè)反應(yīng)進(jìn)行的方向。兩者關(guān)系焓變和吉布斯自由能密切相關(guān)，吉布斯自由能的變化不僅與焓變有關(guān)，還與溫度和熵變有關(guān)。相變時(shí)的能量變化1熔化和凝固固體熔化成液體需要吸收能量，稱為熔化熱。液體凝固成固體釋放能量，稱為凝固熱。熔化熱和凝固熱數(shù)值相等，但符號(hào)相反。2汽化和液化液體汽化成氣體需要吸收能量，稱為汽化熱。氣體液化成液體釋放能量，稱為液化熱。汽化熱和液化熱數(shù)值相等，但符號(hào)相反。3升華和凝華固體直接變成氣體稱為升華，需要吸收能量，稱為升華熱。氣體直接變成固體稱為凝華，釋放能量，稱為凝華熱。升華熱和凝華熱數(shù)值相等，但符號(hào)相反。相圖及其應(yīng)用相圖是在特定條件下，物質(zhì)的不同相態(tài)之間的關(guān)系圖。相圖可以用來(lái)預(yù)測(cè)物質(zhì)在不同溫度和壓強(qiáng)下的相態(tài)。例如，水的三相點(diǎn)在0.01℃和611.73Pa時(shí)，水的三相（固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)）共存。相圖在化學(xué)、材料科學(xué)和地球科學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用?；瘜W(xué)平衡和反應(yīng)速率可逆反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)可逆，正逆反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等。平衡常數(shù)平衡常數(shù)K表示平衡狀態(tài)下反應(yīng)物和生成物的濃度之比，反映反應(yīng)進(jìn)行的程度。速率常數(shù)速率常數(shù)k反映反應(yīng)進(jìn)行的快慢，不受外界條件影響，但受溫度影響。影響因素溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等因素都會(huì)影響反應(yīng)速率和平衡狀態(tài)。影響反應(yīng)速率的因素11.溫度溫度升高，反應(yīng)速率加快，分子運(yùn)動(dòng)更劇烈，碰撞頻率增加。22.濃度反應(yīng)物濃度越大，反應(yīng)速率越快，單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子數(shù)更多。33.表面積固體反應(yīng)物的表面積越大，反應(yīng)速率越快，接觸面積更大，碰撞機(jī)會(huì)增加。44.催化劑催化劑可以改變反應(yīng)途徑，降低活化能，加速反應(yīng)速率。催化劑的作用降低活化能催化劑可以提供一個(gè)新的反應(yīng)路徑，降低活化能，使反應(yīng)更容易發(fā)生。加快反應(yīng)速率催化劑可