2.1熱化學(xué)基本概念

1、1.反應(yīng)的方向 (rGm 0 ?) 指定條件下，正反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行；,2.反應(yīng)的限度如果能，正反應(yīng)能否進(jìn)行到底 (K 大小)；,3.反應(yīng)過程的能量轉(zhuǎn)換放熱？吸熱？（ rHm0, 放 熱; rHm0,吸熱）,4.反應(yīng)機(jī)理反應(yīng)是如何進(jìn)行的？,5.反應(yīng)速率反應(yīng)多快？,第二章：化學(xué)反應(yīng)的基本原理,發(fā)電廠的生產(chǎn)流程和能量轉(zhuǎn)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(xiàn)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(dǎo)致酸雨形成和制造所謂的“溫室”氣體會導(dǎo)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(yán)格比例）,Question 2,Solution,作為當(dāng)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(dāng)今的主要能源。它們是由數(shù)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(zhuǎn)化為碳水化合物。,纖維素是復(fù)雜的碳水化合物, 它是植物的主要結(jié)構(gòu)物質(zhì)。在隔絕空氣的條件下細(xì)菌將植物分解使其逐步失去O原子和H原子, 導(dǎo)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(jī)巖石, 其中還含有少量的氮、硫和燃燒后變成灰的礦

3、物質(zhì)。,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(xué)” 熱力學(xué)是研究熱和其他形式的能量互相轉(zhuǎn)變所遵循的規(guī)律的一門科學(xué)。 （二）什么叫“化學(xué)熱力學(xué)” 應(yīng)用熱力學(xué)原理，研究化學(xué)反應(yīng)過程及伴隨這些過程的物理現(xiàn)象，就形成了“化學(xué)熱力學(xué)”。,(三）熱力學(xué)方法的特點(diǎn) 1.研究體系的 性質(zhì) 即大量質(zhì)點(diǎn)的平均行為，所得結(jié)論具有統(tǒng)計意義；不涉及個別質(zhì)點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)及個體行為，不依據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識。 2. 概念 例：H2 (g) + O2(g) = H2O(l) rGm = - 237.19 kJ/mol 0 正反應(yīng)自發(fā) 無機(jī)及分析化學(xué)課的“化學(xué)熱力

4、學(xué)初步”，著重應(yīng)用熱力學(xué)的一些結(jié)論，去解釋一些無機(jī)化學(xué)現(xiàn)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(zhì)結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)基礎(chǔ) 極大地豐富熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫 應(yīng)用領(lǐng)域廣闊,熱化學(xué)的作用,熱力學(xué)不涉入時間，當(dāng)然不涉及反應(yīng)速率，也不涉及反應(yīng)機(jī)理。 （四）速率和機(jī)理是化學(xué)動力學(xué)研究的核心問題。 反應(yīng)速度因不同的反應(yīng)而異: 火藥爆炸瞬間 中和反應(yīng)幾秒 高溫固相合成無機(jī)材料、有機(jī)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(xué)基本概念 2熱化學(xué) 3化學(xué)反應(yīng)的方向 4化學(xué)平衡及其移動 5化學(xué)反應(yīng)速率,1理解熱化學(xué)的一些基本概念；會寫熱化學(xué)方程式；,2初步了解焓的概念

5、，知道焓變是化學(xué)反應(yīng)自發(fā)過程的一種驅(qū)動力；,3會進(jìn)行有關(guān)熱化學(xué)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(xué)反應(yīng)的自發(fā)過程的另一種驅(qū)動力；,5初步了解熱力學(xué)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(xué)會用其判據(jù)化學(xué)反應(yīng)的自發(fā)性；,7掌握化學(xué)平衡狀態(tài)及標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)概念，會進(jìn)行簡單的化學(xué)平衡移動判斷及有關(guān)計算。,移項(xiàng)后可寫成：0= -aA-bB+gG+dD 即0=BB B ：表示參與反應(yīng)的各物質(zhì)。B：各物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)。其中反應(yīng)物為負(fù)值，產(chǎn)物的為正值。 用物質(zhì)的變化量來表示：=nB/B 單位為mol 用不同物質(zhì)表示時： =nA/A=nB/B=n

6、G/G=nD/D,反應(yīng)進(jìn)度：對任意化學(xué)反應(yīng)：aA+bB gG+dD,2.1.1 反應(yīng)進(jìn)度,化學(xué)反應(yīng)通式表述了化學(xué)反應(yīng)的兩個特征： 1） 質(zhì)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(xué)反應(yīng)式，其具有相同的數(shù)值。即與選用何種物質(zhì)表示無關(guān)。在化學(xué)反應(yīng)中，如果物質(zhì)的量的改變量恰好等于反應(yīng)式中該物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)時，該反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)度為1mol。反應(yīng)進(jìn)度與反應(yīng)式的書寫形式有關(guān)。,體系人為選取一定種類，一定數(shù)量的物質(zhì) 作為研究的對象，這一部分物質(zhì)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(lián)系的一部分 物質(zhì)或空間。

7、（物質(zhì)交換和能量交換）,物質(zhì)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(guān)系（有無物質(zhì)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(jīng)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(jīng)歷的具體步驟。,通常用體系的宏觀可測性質(zhì)（V、p、T、密度）來描述體系的熱力學(xué)狀態(tài)。,狀態(tài)（state）指體系總的宏觀性質(zhì)。 例如：氣體

8、的狀態(tài)，可用宏觀性質(zhì)中p、V、T 和n（物質(zhì)的量）來描述。 pV = nRT （理想氣體狀態(tài)方程） 狀態(tài)函數(shù)（state function）即確定體系熱力學(xué)狀態(tài)的物理量。如：p，V，T，n，（密度），U（熱力學(xué)能或內(nèi)能），H（焓），S（熵），G（自由能）等。,2.1.4 狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù),當(dāng)體系的宏觀性質(zhì)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(zhì)即狀態(tài)函數(shù)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(zhì)（狀態(tài)函數(shù)）都改變。,狀態(tài)函數(shù)的特征： （1）狀態(tài)一定，狀態(tài)函數(shù)的值一定： 一個體系的某個狀態(tài)函數(shù)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(shù) 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(jīng)1 ， 途經(jīng)2 ） 途經(jīng)1 和 途經(jīng)2： T = T2 - T1 = 350 K 298 K = 52 K 狀態(tài)函數(shù)的變化取決于始態(tài)和終態(tài)，而與途經(jīng)無關(guān),狀態(tài)函數(shù)的這一特性，使研究得以簡化。可不考慮其復(fù)雜的中間過程，直接求出狀態(tài)函數(shù)的變化量。,（3）周而復(fù)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(shù)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(shù)”，否則就不是狀態(tài)函數(shù)。,（4）體系的性質(zhì)之間有一定的聯(lián)系。,例如：氣體的狀態(tài)，可用宏觀性質(zhì)中p、V、T 和n（物質(zhì)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(dú)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(zhì)就可以了,2.1.5 廣度（容量）性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì),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(zhì)；（具加和性） nT = ni “物質(zhì)的量” 也是廣度性質(zhì)。 但： TT T1 + T2 “溫度”是強(qiáng)度性質(zhì)。,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(zhì)的量”無關(guān)，是“強(qiáng)度性質(zhì)”。 強(qiáng)度性質(zhì)：與“物質(zhì)的量” 無關(guān)，不具加和性 狀態(tài)函數(shù) 廣度性質(zhì): 與“物質(zhì)的量”有關(guān)，具加和性,小結(jié)：常見的狀態(tài)函數(shù) 廣度性質(zhì)：V、n、U、H、S、G 強(qiáng)度性質(zhì)：p、T、（密度）、電 導(dǎo)率、粘度,

12、2.1.6 熱力學(xué)能（內(nèi)能）U,體系內(nèi)所含各種物質(zhì)的分子和原子的動能（平動、轉(zhuǎn)動、振動）、勢能（各質(zhì)點(diǎn)互相吸引和排斥）、電子和核的能量的總和，稱為“熱力學(xué)能”。也稱“內(nèi)能”。 熱力學(xué)能是物質(zhì)的一種屬性，由物質(zhì)所處的狀態(tài)決定。 熱力學(xué)能是狀態(tài)函數(shù)，屬廣度性質(zhì)。,熱力學(xué)能是狀態(tài)函數(shù)，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(shù)值是不可求的，只能測出反應(yīng)前后U的變化值U。 U=U終U始 U為廣度性質(zhì)，具有加合性，采用能量單位：J或kJ。,熱力學(xué)能（內(nèi)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