第二章化学反应的基本原理

1第二章化学反应的一般原理1.化学反应中能量是如何转化的?（第二章2.1）（热力学）2.该反应能否自发进行?（物理化学中学习））（热力学）3.实现这种转化需多少时间?（第二章2.2反应速率）（动力学）4.在给定条件下有多少反应物能最大限度地转化为生成物？（第二章2.3化学平衡）（热力学）研究化学反应必须研究的四个问题化学反应过程必然伴随有能量变化，研究化学变化中伴随的能量传递和能量转换规律的科学领域叫化学热力学(chemicalthermodynamics)(简称热力学)。4本章学习要求第二章化学热力学初步基本要求：1、能应用物质的△fHmθ计算△rHmθ（任何反应）；2、掌握质量作用定律，并能应用活化分子和活化能的概念解释浓度、温度、催化剂对反应速率的影响;3、掌握化学平衡及其移动的计算。系统（体系）(system)是指被研究的对象；环境(surrounding)是指系统以外的周围物质。例如，研究结晶硫酸铜的溶解过程时，可将结晶硫酸铜和水溶液作为系统，环境就是三角瓶及瓶外的周围物质，如图所示。敞开体系：系统与环境间既有物质交换，也有能量交换。封闭体系：系统与环境间仅有能量交换，没有物质交换。孤立体系（又称封闭且绝热系统）：系统与环境间既无物质交换开放系统有物质和能量交换封闭系统只有能量交换隔离系统无物质和能量交换7热力学中常见的过程：等温过程：体系的始态温度与终态温度相同，并等于环境的温度；（T1＝T2＝T环）等压过程：始态、终态的压力与环境相同（p1＝p2＝p环）等容过程：体系的体积不发生变化（V1＝V2）绝热过程：体系与环境之间无热量交换（Q＝0）循环过程：过程进行后，系统重新回到初始状态。可逆过程*：它是一种在无限接近于平衡，并且没有摩擦力条件下进行的理想过程。自发过程：一定条件下，不需要给定能量就能够自动进行的过程。第二章化学热力学初步8功和热（workandheat)(1)热力学中把体系与环境之间因温差而变化的或传递的能量形式称热，以Q表示。(2)除热以外的能量交换形式都称为功，以w表示。(3)热力学中功的分类：体系反抗外压所做的膨胀功或称体积功；除“膨胀功”以外的“其它功”或称之为有用功、非体积功。第二章化学热力学初步热力学上规定：恒压反应热等于体系的焓变。QP=H通常化学反应是在恒压条件下进行的，如果体系不做非体积功，终态温度等于始态温度，这过程的反应热称为恒压反应热QP。二化学反应热与焓变化学反应热——化学反应时，若体系不做非体积功，且反应终态的温度恢复到反应始态的温度时，体系吸收或放出的热量。如：恒压（298.15K）下2H2(g)+O2（g）→2H2O（g）QP=-483.64kJ·mol-1=H体系的焓值减小（），表明此反应为放热反应。恒压（298.15K）下N2（g）+2O2(g)→2NO2（g）QP=66.36kJ·mol-1=H体系的焓值增加（），表明此反应为吸热反应。0H0H三热化学反应方程式表示化学反应与热效应（反应热）关系的方程式，称为热化学反应方程式。2H2(g)+O2(g)2H2O（g）QP==-483.64kJ·mol-1此式表示：在298.15K，100kPa下，当化学反应式按1mol进行时，放出483.64kJ的热量。称摩尔反应焓变。298.15100KkParmHrmH书写热化学方程式应注意以下几点：（1）要注明反应的温度和压力，如果是100kPa，298.15K可略去不写。（2）必须标明物质的聚集状态，气g(gas)，液l（liguid），固s（solid），若上式中H2O为l，则Qp=-571.66kJ·mol-12H2（g）+O2(g)2H2O（l）=Qp=-571.66kJ·mol-1298.15100KkParmH（3）同一反应，化学计量方程式不同，QP也不同，例如H2(g)+0.5O2→H2O(g)•Qp=(4)正逆反应的Qp绝对值相同，但符号相反。1241.82rmHkJmol14四化学反应热的计算1热力学标准态：气体物质的标准态：标准压力p下表现出理想气体性质的纯气体状态溶液中溶质B的标准态是:标准压力p下，质量摩尔浓度为b(1.0mol.kg-1),并表现出无限稀溶液中溶质的状态;本书采用近似c=1.0mol.dm-3)液体或固体的标准态是:标准压力p下的纯液体或纯固体。2赫斯定律：定压或定容条件下，总反应的热效应只与反应的始态和终态有关，而与变化的途径无关。例如在101.325kPa和298.15K下，1molC(石墨)与O2(g)完全燃烧生成CO2(g)有如下两条途径：途径之一是：C(石墨)直接完全燃烧生成CO2(g)；途径之二是：C(石墨)在缺氧条件下不完全燃烧生成CO(g)，然后再由CO(g)完全燃烧生成CO2(g)。根据盖斯定律，这两条途径的始、终态相同，而且是在定压条件下，所以这两条途径的热效应应该相等。qp1(298.15K)=qp2(298.15K)+qp3(298.15K)qp2(298.15K)=qp1(298.15K)-qp3(298.15K)=-393.5kJ·mol-1-(-283.0kJ·mol-1)=-110.5kJ·mol-1。即：C(石墨)+1/2O2(g)=CO(g)qp=-110.5kJ·mol-1。即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。3标准摩尔生成焓指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l)等。但P为白磷(s)，即P（s，白）。298.15K时的数据可以从手册上查到。标准状态时由指定单质生成单位物质的量的纯物质B时反应的焓变称为标准摩尔生成焓，记作。显然，标准态指定单质的标准生成焓为0。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。同种元素有多种单质时（同素异性体）以最稳定的纯态单质的=0,如C中的石墨，C（石墨）→C(金刚石)=1.895kJ·mol-1(金刚石)=1.895kJ·mol-1rmHfmHfmHfmHfmH184、利用计算化学反应的标准摩尔反应焓变等于所有生成物的标准生成焓的总和减去所有反应物的标准摩尔生成焓的总和。对一般的化学反应cC+dD→yY+zZ各物均处于温度为T（通常用298.15K）标准状态下，则=[y·(Y)+z·(Z)]-[c·(C)+d·(D)]（重要公式！）rmHfmHfmHfmHfmHfmH用化学计量数表示简化为=Σ(生成物)+Σ(反应物）=rmHifmHifmH.()BfmBvHB19例：计算恒压反应4NH3(g)+5O2(g)→4NO(g)+6H2O(g)的，判断它是吸热还是放热反应？rmH解：==[4×(NO,g)+6×(H2O,g)]+[(-4)×(NH3，g)+(-5)×(O2,g)]=(4×90.25+6×(-241.8)-4×(-46.11)=-905.48kJ.mol－1因0，可判断此反应是放热反应。rmH.()BfmBvHBfmHfmHfmHfmHrmH20例：已知下列反应(1）2Cu2O(s)+O2(g)→4CuO(g);()1=-292kJ·mol－1（2）CuO(s)+Cu(s)→Cu2O（s）;()2=-11.3kJ·mol－1不查数据表，计算CuO(s)的=?fmHfmH解：（2)式×2=(3)式2CuO(s)+2Cu(s)→2Cu2O(s)（)3=2()2=－22.6kJ.mol－1（3）式+(1)式=(4)式：2Cu(s)+O2(g)→2CuO(s)()4=()3+()1=－314.6kJ·mol－1∴(CuO，s)=14()314.6157.322rmHkJmolrmHrmHrmHrmHrmHrmHrmHfmH