化学-第1章-物质变化过程中的能量关系.

第一章物质变化过程中的能量关系第一节理想气体状态方程物质存在的状态固体（Solid）液体（Liquid）气体（Gas）三种物态之间可随温度或压强变化而互相转化物质的聚集状态（物质的三态）第四态：等离子体（Plasma）当温度足够高，外界提供的能量打破了气体分子中的原子核和电子的结合，气体就电离成由自由电子和正离子组成的电离气体，即等离子体。等离子体的意思是指其中粒子所带的正、负电量是相等的。液体的特性分子间距离；分子间作用力无一定的形状具有流动性可压缩性小液体的气化：蒸发与沸腾•蒸发:液体表面的气化现象叫蒸发（evaporation)。ab吸热过程动能比较红色：大黑色：中蓝色：低蒸发冷凝“动态平衡”•蒸发:密闭容器恒温分子的动能：红色：大黑色：中蓝色：低ab饱和蒸气压：与液相处于动态平衡的这种气体叫饱和蒸气，它的压力叫饱和蒸气压，简称蒸气压。饱和蒸气压的特点：1.温度恒定时，为定值；2.气液共存时，不受量的变化；3.不同的物质有不同的数值。•沸腾:带活塞容器，活塞压力为P沸点与外界压力有关。外界压力等于101kPa(1atm)时的沸点为正常沸点，简称沸点。当温度升高到蒸气压与外界气压相等时，液体就沸腾，这个温度就是沸点热源沸腾是在液体的表面和内部同时气化。abP•蒸气压曲线:曲线为气液共存平衡线；曲线左侧为液相区；右侧为气相区。蒸气压温度正常沸点固体的特性分子间距离；分子间作用力具有一定的形状、体积、刚性难被压缩固体的分类1、晶体：2、非晶体晶体又分单晶和多晶两种。单个晶体颗粒是单晶体，具有规则的几何形状；具有各向异性。许多单晶体杂乱组合成多晶体，无规则几何形状；具有各向同性。无固定形状及确定熔点，各向同性无论单晶还是多晶都具有一定的熔点，这是晶体与非晶体的主要区别。晶体在不同方向上的物理性质不同，称为晶体的各向异性。而非晶体不具有这一性质（各向同性）。晶体：食盐的晶体是立方体；石英的晶体中间是六面棱柱，两端是六面棱锥；明矾晶体是八面体。还有：云母、硫酸铜、蔗糖、味精等非晶体：玻璃、塑料、蜂蜡、松香、沥青、橡胶等。金属都是多晶体。云母明矾水的多种晶体形状气体的特性分子间距离；分子间作用力具有可扩散性和可压缩性无固定形状密度很小可以以任何比例混合理想气体假定：分子不占有体积(忽略尺寸)分子间作用力忽略不计PV=nRT（理想气体状态方程）压力体积温度气体常数摩尔数适用于：温度较高或压力较低时的稀薄气体在标准状态下：p=101.325kPa,T=273.15K，n=1.0mol时,Vm=22.414L=22.414×10-3m3nTpVRK15.2731.0molm1022.414Pa1013253311KmolJ314.8理想气体方程的应用•计算相对分子量（摩尔质量）MPV=(m/M)RT(n=m/M)•计算气体密度（r)r=m/VP(m/r)=nRTr=P(m/n)/(RT)M=m/nr=(PM)/(RT)例题：计算气体物质的量在实验室中，由金属钠与氢气在较高温度（＞300℃）下制取氢化钠时，反应前必须将实验装置用无水无氧的氮气置换。氮气是由钢瓶提供的，容积为50.0L，温度为25℃，压力为15.2MPa。（1）计算钢瓶中氮气的物质的量n和质量m。（2）若将实验装置用氮气置换五次后，钢瓶压力下降至13.8MPa，计算在25℃，0.100MPa下，平均每次消耗的氮气体积V平均。例题：计算气体物质的量在实验室中，由金属钠与氢气在较高温度（＞300℃）下制取氢化钠时，反应前必须将实验装置用无水无氧的氮气置换。氮气是由钢瓶提供的，容积为50.0L，温度为25℃，压力为15.2MPa。（1）计算钢瓶中氮气的物质的量n和质量m。（2）若将实验装置用氮气置换五次后，钢瓶压力下降至13.8MPa，计算在25℃，0.100MPa下，平均每次消耗的氮气体积V平均。解：n=307molm=8.6kgV平均=140L例题：计算摩尔质量惰性气体氙能和氟形成多种氟化物XeFX。实验测定在80oC，15.6kPa时，某气态氟化氙试样的密度为0.899（g·dm-3)，试确定这种氟化氙的分子式。解：求出摩尔质量，即可确定分子式。设氟化氙摩尔质量为M，密度为r（g·dm-3)，质量为m(g)，R应选用8.314（kPa·dm3·mol-1·K-1）。∵PV=nRT=(m/M)RT∴M=(m/V)(RT/P)=r(RT/P)=(0.899×8.314×353)/15.6=169(g•mol-1)已知原子量Xe131,F19,XeFx∴131+19x=169x=2∴这种氟化氙的分子式为：XeF2例题：教室的容积是100m3，在温度是7℃，大气压强为1.0×105Pa时，室内空气的质量是130kg，当温度升高到27℃时大气压强为1.2×105Pa时，教室内空气质量是多少？解：初态：P1=1.0×105pa，V1=100m3，T1=273+7=280K末态：P2=1.2×105Pa，V2=？，T2=300K根据理想气体状态方程：222111TVPTVP31122123.89mVTPTPV12VV说明有气体流入房间kgmVVm6.1451303.891001212例题：贮气筒的容积为100L，贮有温度为27℃，压强为3MPa的氢气。经过使用，气体温度降为20℃，压强降为2MPa。求用掉的氢气的质量是多少？例题：贮气筒的容积为100L，贮有温度为27℃，压强为3MPa的氢气。经过使用，气体温度降为20℃，压强降为2MPa。求用掉的氢气的质量是多少？答案：87.5g第二节理想气体分压定律▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲●●●●●●●●●●●●●●●●●●道尔顿容器●=1▲=2气体混合气体分压定律T、V一定Ｔ、Ｖ一定，气体Ａ：nA,PA=nA(RT/V)气体B：nB,PB=nB(RT/V)Ｐ总=PA+PB=(nA+nB)(RT/V)∵PA/Ｐ总=nA/(nA+nB)=nA/n总∴PA=（nA/n总）Ｐ总理想气体Ａ、Ｂ的混合(A与B不反应)TVPAPBnBnAP总混合后课本P9例1-3混合气体分体积定律●●●●●●▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲●●●●●●▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲●●●●●●+●=1▲=2P、TP、TP、TＴ、P一定，气体Ａ：nA,VA=nA(RT/P)气体B：nB,VB=nB(RT/P)V总=VA+VB=(nA+nB)(RT/P)VA/V总=nA/(nA+nB)=nA/n总∴VA=(nA/n总)V总又∵PA/Ｐ总=nA/n总∴VA=V总(PA/Ｐ总)TPVAVBnA理想气体Ａ、Ｂ的混合nBV总P总=PVAVB混合后第三节热力学基本概念可以看得到的化学反应看不见的化学反应酸碱中和Ca2++EDTA=Ca-EDTA有的反应式可以写出来，却不知能否发生？Al2O3+3CO=2Al+3CO2Na2O2+CO=Na2CO3A+B?C+D1)反应能否自发进行？2)反应可以进行到什么程度？3)反应过程的热效应如何？4)反应进行的速率？（快慢）5)反应是如何进行的？（机理）为什么研究化学热力学热力学简介☼什么叫“热力学”•热力学是研究热和其他形式的能量互相转变所遵循的规律的一门科学。☼什么叫“化学热力学”•应用热力学原理，研究化学反应过程及伴随这些过程的物理现象，就形成了“化学热力学”。爱因斯坦“对于一个理论而言，它的前提越简单，所关联的不同事物越多，应用的领域越广泛，它给人留下的印象就越深刻。因此，经典热力学给我留下了深刻的印象。它是唯一具有普遍性的物理理论。这使我相信，在经典热力学的应用领域之内，它永远也不会被抛弃。”常用的热力学术语一、体系（system）与环境（surroundings）热力学中，将研究的对象称为体系。热力学体系是大量微观粒子构成的宏观体系。体系之外与体系密切相关的周围部分称作环境。体系与环境之间可以有明显的界面，也可以是想象的界面。根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（1）敞开体系（opensystem）体系与环境之间既有物质交换，又有能量交换。根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（2）封闭体系（closedsystem）体系与环境之间没有物质交换，但有能量交换。根据体系与环境之间的关系，把体系分为三类：（3）孤立体系（isolatedsystem）体系与环境之间既无物质交换，也无能量交换。敞开体系封闭体系孤立体系物质交换能量交换•敞开体系有有•(opensystem)•封闭体系无有•(closedsystem)•孤立体系无无（isolatedsystem）三种体系的对比•通常用体系的宏观可测性质（V、p、T、ρ密度……）来描述体系的热力学状态。•1.状态（state）——指体系总的宏观性质。•例如：气体的状态，可用宏观性质中p、V、T和n（物质的量）来描述。•pV=nRT（理想气体状态方程）•显然，这4个物理量中，只有3个是独立的。•2.状态函数（statefunction）—即确定体系热力学状态的物理量。如：p，V，T，n，ρ（密度），U（热力学能或内能），H（焓），S（熵），G（自由能）等。二、状态和状态函数（1）状态一定，状态函数的值一定：一个体系的某个状态函数的值改变，该体系的状态就改变了。例：状态1状态2p=101.325kPap=320.5kPa斜体正体正体物理量=纯数量纲状态函数的特征始态终态（Ⅰ）（Ⅱ）（2）状态函数的变化值只与始态、终态有关，而与变化途径无关。（3）若体系恢复原状，状态函数也恢复原值。异途同归，值变相等；周而复始，数值还原。例：始态T1298K→350KT2终态↓↑520K→410K（→途经1，→途经2）途经1和途经2：△T=T2-T1=350K–298K=52K途径I0.5×105Pa4dm32105Pa1dm31×105Pa2dm3途径II4105Pa0.5dm3p=p终－p始=2105-1105=1105(Pa)V=V终－V始=1-2=-1(dm3)体系状态函数的性质2）强度性质：这种性质的数值与体系物质的量无关，无加和性。如T、p、ρ（密度）等等。1）广度性质：体系这种性质的数值与体系物质的量成正比，具有加和性。如V、m、S等。例:气体体积pV=nRT(理想气体，恒定T、p)22.4LO2(g)+44.8LO2(g)→67.2LO2(g)V1V2VTn1n2nTT1T2TTVT=∑Vi“体积”属广度性质（具加和性）nT=∑ni“物质的量”也是广度性质。但：T1=T2=TT“温度”是强度性质（不具加和性）。•例：密度ρ277K，1molH2O（l）密度ρ=1g·cm-3277K,5molH2O（l）密度ρ=1g·cm-3可见，ρ与“物质的量”无关，是“强度性质”。•常见的状态函数•广度性质：V、n、m、U、H、S、G……•强度性质：T、P、ρ（密度）、σ电导率、粘度……三、过程和途径途径1途径1途径1途径2途径2过程当体系的状态发生变化时，从始态到终态的变化称为过程。过程所经历的具体步骤称为途径。P3=303.9kPaT3=473KV3=0.845m3p1=101.3kPaT1=373KV1=2m3p1=202.6kPaT1=373KV1=1m3加压过程加压升温过程减压降温过程始态终态途径（2）途径（1）过程常见的简单过程3）等容过程：在变化过程中，体系的容积始终保持不变。V始=V终。2）等压过程：在变化过程中，体系的始态压力与终态压力相同。P始=P终。1）等温过程：在变化过程中，体系的始态温度与终态温度相同。T始=T终。对那些变化极快的过程，如爆炸，快速燃烧，体系与环境来不及发生热交换，那个瞬间可近似作为绝热过程处理。4）绝热过程：在变化过程中，体系与环境不发生热交换。一般系统的总能量（E）由三部分组成：*系统整体运动的动能*系统在外场中的势能*内能（U）动能势能内能化学热力学中，EK=0EP=0所以E=U，内能是系统的能量总和。UEEE++PK系统的总能量E四、热力学能、热、功1.热力学能(U)•热力学能：旧称内