浙江大学普通化学(第六版)第一章课件 热化学与能源

首页上一页下一页末页1教材：《普通化学》(第六版)浙江大学普通化学教研组编徐端钧方文军聂晶晶沈宏修订高等教育出版社，北京出版年：2011年6月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。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。化学的分支比较多。研究现状(2000年)化合物2000万种时间分辨率：1fs(飞秒（femtosecond）1飞秒为千万亿分之一秒)空间分辨率：0.1nm分析所需最小量：10-13g。首页上一页下一页末页31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（农作物丰产，杂交水稻）化学继续推动材料科学发展（高分子复合材料的研发）化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障（提倡绿色化学，有机食品等）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42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,以实现对学生的高素质化学通才教育。学习内容理论化学：两条“主线”【宏观（1-4）和微观结构及物质性质（5-8）】应用化学：化合物知识；化学在相关学科中的应用实验化学学习要求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51.课前预习，浏览一遍今天老师要讲什么，在心理上有个准备；2.课堂上，准备一笔记本，注意听记，这是提高听课效率确保不走神，能跟上讲课思路的最佳方法；其二，笔记内容为课后复习以及期末的复习重要依据；3.下课时，请静坐1分钟时间，回顾一下本节课讲了什么；4.课后复习总结，包括做习题作业、看参考书等，希望对每一章以自己的方法、思路能总结一下，期末时只要看自己的总结就能复习全书。课程要求首页上一页下一页末页6具体课程要求安排：40+8理论学习：认真听课、做好笔记；及时消化、完成作业实践学习：实验前写好预习报告，实验后及时完成实验报告。课程考核：理论考试占80%左右实验占15%左右平时占5%左右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目录1.1热化学1.2反应热与焓1.3能源的合理利用选读材料核能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91.1热化学系统：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102相系统中任何物理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。思考：1)101.325kPa，273.15K(0°C)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。首页上一页下一页末页113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。状态就是系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之分。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12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。（特点）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13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。特点：①状态一定,状态函数一定。②状态变化,状态函数也随之而变,且状态函数的变化值只与始态、终态有关,而与变化途径无关。注意：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？首页上一页下一页末页144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°C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155化学计量数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。没有量纲的纯数附例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166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。首页上一页下一页末页171.1.2热效应及其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181反应热的实验测量方法设有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弹式量热计首页上一页下一页末页19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202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21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？。不相同2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)；1molkJ570p,mqH2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)；qp,m=-285kJ·mol-1首页上一页下一页末页221.2反应热与焓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)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231.2.1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。其中，内能现称为热力学能。首页上一页下一页末页241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。思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在10000m高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上。两者的内能相同吗？相同。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252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263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27一封闭系统，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284体积功w体的计算等外压过程中，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体积功示意图首页上一页下一页末页295理想气体的体积功根据理想气体的状态方程：nRTpV附例1.21mol理想气体从始态100kPa,22.4dm3经等温恒外压p2=50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。解：终态平衡时的体积为：3-33-32112m1044.8Pa50000/m1022.4Pa100000/pVpVJ1120m10)4.228.44(Pa5000033Vpw外体负值表示系统对外做功。首页上一页下一页末页301.2.2化学反应的反应热与焓通常把反应物和生成物具有相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做反应热。根据反应条件的不同，反应热又可分为：定容反应热恒容过程，体积功w体=0，不做非体积功w′=0时，所以，w=w体+w′=0，qV=ΔU定压反应热恒压过程，不做非体积功时，w体=–p(V2–V1)，所以qp=ΔU+p(V2–V1)这就说明了qp与qv的不同，二者间差一相体积功。首页上一页下一页末页311焓∵qP=△U+p(V2–V1)=(U2-U1)+p(V2–V1)=(U2+p2V2)–(U1+p1V1)公式qp=ΔH的意义：等压热效应即为焓的增量，所以可以通过ΔH的计算求出qP的值。令H≡U+pV则qp=H2–H1=ΔHH称为焓，是一个重要的热力学函数。思考：焓是状态函数吗？能否知道它的绝对数值？是状态函数，但不能知道它的绝对数值。首页上一页下一页末页322定容反应热与定压反应热的关系已知定容反应热：qV=ΔU；定压反应热：qp=ΔUp+p(V2–V1)等温过程，ΔUpΔUV，则：qp–qV=n2(g)RT–n1(g)RT=Δn(g)RT对于理想气体反应，有：对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相