第1章热化学与能源.

首页上一页下一页末页1教材：《普通化学》(第五版)浙江大学普通化学教研组编王明华徐端钧周永秋张殊佳修订高等教育出版社，北京出版年：2002年7月主讲教师：王春晓13101567018首页上一页下一页末页2绪论化学是一门既古老又年轻的科学。（黑火药）化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学，主要是研究物质的分子转变规律的科学。化学与物理一起属于自然科学的基础学科。研究现状(2000年)化合物2000万种（特别是有机化合物以每年10多万种的速度增加）时间分辨率：1fs（飞秒）空间分辨率：0.1nm（纳米尺寸）分析所需最小量：10-13g。首页上一页下一页末页31化学的定义与分支学科化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学无机化学：无机物有机化学：碳氢化合物及衍生物分析化学：测量和表征物理化学：所有物质系统高分子化学：高分子化合物若干新分支：环境化学、核化学等等定义：(介绍化学变化、核裂变、核聚变)化学的分支学科首页上一页下一页末页4化学研究的对象原子atom分子molecules亚分子submolecule超分子supramolecule化学的定义：化学是研究分子层次以及以超分子为代表的分子以上层次的化学物质（化学物种）规律的科学。的组成、结构、性质和变化解释化学物种：一个化学物种就是一个核-电子体系首页上一页下一页末页52化学的地位和作用化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一化学继续推动材料科学发展化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用化学是生命科学的重要支柱首页上一页下一页末页63学习的目的、内容和要求学习目的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：两条“主线”既1～4章以化学热力学、化学动力学为主线；5～8章以物质结构基础为主线。6页下段应用化学：化合物知识；化学在相关学科中的应用实验化学九周的实验课每周三下午理工2号楼四楼左侧学习要求辨证的思维发展的眼光实践的方法首页上一页下一页末页7热化学与能源第1章首页上一页下一页末页8学习要求：了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验计算方法。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。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。首页上一页下一页末页9目录1.1反应热的测量1.2反应热的理论计算1.3常见能源及其有效与清洁利用1.4清洁能源与可持续发展选读材料核能Ⅰ.核燃料和核能的来源Ⅱ.核电的优势与发展趋势本章小结首页上一页下一页末页101.1反应热的测量系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和空间。开放系统有物质和能量交换封闭系统只有能量交换1.1.1几个基本概念1系统与环境P7页图1.1系统的分类隔离系统无物质和能量交换首页上一页下一页末页112相系统中任何物理性质和化学性质完全相同的、均匀部分称为相。根据相的概念，系统可分为：单相（均匀）系统多相（不均匀）系统相与相之间有明确的界面。见P8页※思考：1)101.325kPa，273.15K(0℃)下，H2O(l),H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少。2)CaCO3(s)分解为CaO(s)和CO2(g)并达到平衡的系统中的相数。见P8页下段3练习：P44-选择题第6小题首页上一页下一页末页123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。状态函数是描述体系状态的物理量。状态就是系统一切性质的总和。有平衡状态和非平衡态之分。（以理想气体为例讲）如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。首页上一页下一页末页13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始、末态有关，而与变化的实际途径无关。图1.2状态函数的性质以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数压力p和体积V的变化量与途径无关。系统压力从3pº变为p°首页上一页下一页末页14广度性质和强度性质状态函数可分为两类：广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等。强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力等。思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即压强(热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由此可以得出什么结论？推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？强度性质的物理量力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度性质的物理量的商是一个强度性质的物理量。首页上一页下一页末页154过程与途径系统状态发生任何的变化称为过程；可逆过程体系经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ之后，如果通过逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程。实现一个过程的具体步骤称途径。思考：过程与途径的区别。设想如果你要把20℃的水烧开，要完成“水烧开”这个过程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧。首页上一页下一页末页16AB注意：状态函数的变化量只与终态和始态两种状态有关，与如何从始态变到终态的具体路径是无关的。路径：体系变化的具体途径。首页上一页下一页末页175化学计量数见10页一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系，通式为：B0BBB称为B的化学计量数。符号规定：反应物：B为负；产物：B为正。附例1.1应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式：N2+3H2==2NH3解：用化学反应通式表示为：0=-N2-3H2+2NH3首页上一页下一页末页186反应进度见P11页合成氨的反应进度反应进度ξ的定义：BBdnd反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关。nB为物质B的物质的量，dnB表示微小的变化量。或定义BBB)0()(nn思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？有关。如对于反应：0=–N2–3H2+2NH3，当有1molNH3生成时，反应进度为0.5mol。若将反应写成322NHH23N21则反应进度为1mol见P11页。反应进度和方程式一一对应首页上一页下一页末页191.1.2反应热的测量反应热指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。热化学规定：系统放热为负，系统吸热为正。摩尔反应热指当反应进度为1mol时系统放出或吸收的热量。思考：反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者的反应条件是恒容，后者的反应条件是恒压。用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热？答：定容反应热（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。首页上一页下一页末页201反应热的实验测量方法见P12-13页结合书讲设有nmol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，弹式量热计与恒温水浴的热容为Cs(J·K-1)，比热容为cs(J·K-1kg-1)，则：TCTTmcqs12ss)(nqq/m由于完全反应，ξ=n因此摩尔反应热：图1.3弹式量热计水的比热容为4.18J/gk热容Cs（J/K）=比热容cs(J/gK)×质量首页上一页下一页末页21示例例1.1联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l)已知：TTcmmK82.294K18.293KJ848g1210O)(Hg5000.0)HN(211b242解：燃烧0.5g联氨放热为kJ69.9J9690J)18.29382.294()848121018.4(])OH()OH([])OH([b22b2TcTmcqqqmol0156.0)1/(molg0.32/g)5.00(11molkJ2.621mol0156.0/kJ69.9/qqV,m首页上一页下一页末页222热化学方程式表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如：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(l)；1molkJ620V,mq2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；1molkJ570p,mq若不注明T,p,皆指在T=298.15K，p=100kPa下。首页上一页下一页末页23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qp。思考：qp与qv相同吗？。不一定相同（对于气体参与的反应关前后不等的反应）首页上一页下一页末页24（1）当两个或更多的物质放在一起时，它们能发生反应吗？（2）如果它们发生反应，那么随之有多少能量发生改变呢？（3）如果此反应能进行，在什么条件下能达到平衡，对于给定反应物，由反应物转化为产物的最大转化率为多少？这就是化学热力学所要解决的问题，那么什么是化学热力学呢？要弄清此概念，必须先弄清何为热力学？首页上一页下一页末页25热力学(1).定义是专门研究能量互相转变过程中所遵循的法则的一门科学，即不需要知道物质的内部结构，只从能量观点得出一系列规律的科学用热力学的定律、原理、方法来研究化学过程以及伴随这些化学反应过程发生的物理变化，就形成化学热力学，能解释许多现象首页上一页下一页末页261.2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(g)==2CO(g)思考：为什么上述反应的反应热无法实验测定？实验过程中无法控制生成产物完全是CO。因此，只能用理论方法来计算反应热。首页上一页下一页末页271.2.1热力学第一定律（1）先讲能量守恒定律（2）热力学能（内能）（3）热力学第一定律封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热q，从环境得功w，则系统内能的增加ΔU(U2–U1)为：ΔU=q+w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。见P15其中，内能现称为热力学能。热力学能是状态函数：其变化量只决定其始态和终态。与具体途径无关。所以有三个特点：①状态一定，其值一定；②殊途同归，值变相等；③周而复始，值变为零。首页上一页下一页末页281热力学能系统内部运动能量的总和。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。内能的特征：状态函数无绝对数值广度性质由于分子内部运动的相互作用十分复杂，因此目前尚无法测定内能的绝对数值。首页上一页下一页末页292热在物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为热。热的符号规定：系统吸热为正，系统放热为负。热量q不是状态函数首页上一页下一页末页303功与体积功在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以外的方式交换的能量都称为功。功的符号规定：（注意功符号的规定尚不统一）系统得功为正，系统作功为负。由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体积功w体。所有其它的功统称为非体积功w′。功w也不是状态函数思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2)钢瓶中；将理想气体的温度提高20ºC时，是否做了体积功？1)做体积功，2)未做体积功。w=w体+w′首页上一页下一页末页31热—无序能；功—有序能；一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q，得功w，变到状态2,热力学能U2，则有：U1U2q0w0ΔU=q+w首页上一页下一页末页324体积功w体的计算等压过程中，体积功w体=–p外(V2–V1)=–p外ΔVpp外=F/Alp外=F/A，l=ΔV/A，因此，体积功w体=F·l=–(p外·A)·(ΔV/A)=–p外ΔV图1.4体积