大学化学第一章(1)

CO能否想办法使其减少到几乎没有或使CO完全参与反应转化为生成物?Fe2O3+3CO=Fe+3CO2高温石墨金刚石需要在什么条件下实现，能量变化如何?研究化学反应必须研究的问题1.该反应能否进行?2.化学反应中能量是如何转化的?3.在一定条件下，有多少反应物能最大限度地转化为生成物？许多反应我们可以看得到，4Fe+3O2=2Fe2O3Pb(NO3)2+2KI=PbI2+2KNO3Mg+CO2=MgO+CO如：有的反应难以看得到：Pb2++EDTA=Pb-EDTA有的反应式可以写出来，却不知到能否Al2O3+3CO=2Al+3CO2这就需要了解化学反应的基本规律。热力学——研究化学变化和相变化过发生？其中最重要的是化学热力学。程中能量转换规律的科学。热力学来自于大量实践的归纳总结，化学热力学有三个定律，我们重点讨为此，我们先建立几个基本概念，系统、质量守恒、环境、相；能量守恒因此任何自然过程皆不违背热力学规律。论第一、第二定律。包括：作为研究对象的那一部分物质；系统之外，与系统密1.系统：2.环境：切联系的其它物质。研究对象：空气系统研究对象：H2系统环境环境系统和环境的划分是人为的，不是固定不变的，因讨论问题的重点而异。它的意义在于不但可以集中注意力研究最关心的事物，而且又能重视外界环境的影响。思考•取一个装有盐酸溶•液的烧杯，投入锌粒进•行锌与盐酸反应，哪一•部分是系统？哪一部分•是环境？若放有锌粒的盐酸溶液是系统，溶液上的空气和烧杯及外部空间，就是环境；也可以取烧杯以内的物质和空间作为系统，那么，烧杯以外的部分就是环境。（1）敞开系统(opensystem)系统与环境之间既有物质的交换又有能量(以热或功的形式)传递的系统。有三种热力学系统：（2）封闭系统(closedsystem)系统与环境之间没有物质交换,只有能量传递的系统。（3）孤立系统(isolatedsystem)系统与环境之间既没有物质交换,也没有能量传递的系统。系统中任何物理和化学性质完全相相与相之间有明确的界面。3.相：例如：H2OCCl4同的部分。水冰汽油-水界面亦如此。粉末颗粒间亦有界面。•一个相不一定是一种物质——单相系统或均匀系统；•相与态的区别——多相系统或不均匀系统；•同种物质可因聚集状态不同形成多相系统。化学反应中的质量守恒定律“在化学反应中，质量既不能创通常用化学反应计量方程表示这种系统。B称化学计量数。0=BBB式转变为另一种形式。”造，也不能毁灭。只能由一种形通式：以合成氨反应为例：N2+3H22NH3可写为：0=-N2-3H2+2NH3即：N2+3H2==2NH3对于一般的反应：aA+bB==gG+dD其化学反应计量方程为：0=BBB其中B的符号：a、b为负；g、d为正化学反应的能量守恒定律“在任何过程中，能量既不能创造，ΔU=Q+W此即热力学第一定律，通常表示为：也不能消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。”1.状态与状态函数系统的状态是指描述该系统的性质的综合。(1)对一系统，各种性质都有确定数表示系统性质的物理量X称状态函数。性质也必都有确定的值。当系统状态已确定时，该系统的各种值，该系统的状态便被确定；反之，(2)在系统状态变化时，状态函数的途径1途径2X=X2-X1即：过程无关。改变量只与系统的始、末态有关而与系统的性质广度性质(extensiveproperties)：强度性质(intensiveproperties)：如体积、质量、物质的量等，其数值与系统数量成正比，这种性质具有加和性。如温度、压力、密度等，其数值与系统的数量无关，只取决于系统自身的特性，这种性质不具有加和性。水的体积V=V1+V2+V3+…水的密度ρ=ρ1+ρ2+ρ3+…√×ρ=ρ1=ρ2=ρ3=…√广度性质强度性质2.热力学能即内能—系统内部能量的总和。符号：U，其值与n成正比。无绝对数值；U是状态函数；单位：kJ·mol-1。*热热力学中将能量交换形式分为热和功。热是系统与环境因温度不同而传递的符号：Q，系统放热：Q0系统吸热：Q0；Q不是状态函数；单位：kJ；能量。系统作功*功系统与环境交换能量的另一种形式—功★功分为：体积功W★单位：kJ。非体积功W′△hAFW=F△h=PA△h=P△V★W不是状态函数；★系统对环境作功:W0；★环境对系统作功:W0。F(W=-PΔV)变到状态2,热力Q0W0ΔU=Q+W热力学第一定律数学表达式从环境吸一封闭系统1，热力学能U1，对环境做功W，则有：ΔU=U2-U1收热Q，学能U2永动机的设想图化学反应系统与环境进行能量交换的主要形式是热称反应热或热效应。通常把只做体积功，且始态和终态具有根据反应条件的不同，反应热又可分为：化学反应的反应热反应热。相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做V2=V1△V=0∵△U=Q+W∴△U=Q-P△V=QV定容过程反应热QV1定压过程反应热QP2由于P2=P1=P∵△U=Q-P△V∴QP=△U+P△V上式可化为：QP=（U2-U1）+P（V2-V1）即：QP=（U2+P2V2）-（U1+P1V1）焓3此时，令：H=U+PV称：焓则：QP=H2-H1=ΔH根据Q符号的规定，有：ΔH0QP0恒压反应系统放热;ΔH0QP0恒压反应系统吸热。H是状态函数；单位：kJ·mol-1。其值与n成正比；无绝对数值；符号：H；化学反应热的计算化学反应的反应热（在恒压或恒容条件下）如：C+O2=CO2ΔrH1C+21O2=COΔrH2CO+21O2=CO2ΔrH3ΔrH1=△rH2+△rH3盖斯定律1有：无关。只与物质的始态或终态有关而与变化的途径将上式写成通式：根据盖斯定律，若化学反应可以加和，则其反应热也可推理：任一化学反应可以分解为若干最基本的反应，这些反应的反应热之和就是该反应的反应热。（生成反应）生成△rH=∑i△rHi以加和。A+B=ABΔH1;C+D=CDΔH2;A+C=ACΔH3;B+D=BDΔH4。即:△rH=∑i△rHi则：ΔH=ΔH4+ΔH3-ΔH1-ΔH2如：AB+CD==AC+BDΔH因为QP=ΔH，所以恒温恒压条件下的反应热可表示为反应的焓变:ΔrH(T);反应系统的nB确定为1mol时,反应热称为反应的摩尔焓变:ΔrHm(T)；标准摩尔焓变:ΔrHm(T)Ө标准摩尔焓变2在标准状态下的摩尔焓变称反应的热力学关于标准态的规定（1）气体物质的标准态是在标准压力(p⊖=100.00kPa)时的(假想的)理想气体状态;（2）溶液中溶质B的标准态是:在标准压力p⊖时的标准质量摩尔浓度b⊖=1.0mol.kg-1,并表现为无限稀薄溶液时溶质B(假想)的状态;（3）液体或固体的标准态是:在标准压力p⊖时的纯液体或纯固体。指定温度T时由参考态元素生成B时的标准摩尔焓变称标准摩尔生成焓。其中,C(石)为碳的参考态元素,O2(g)为氧的参考态元素,此反应是生成反应。所以此反应的焓变即是CO2（g）的生成焓：例如:C(石)+O2(g)→CO2(g)ΔrHm(T)⊖ΔrHm(T)=ΔfHm⊖(CO2,g,T)⊖标准摩尔生成焓3参考态元素通常指在所讨论的温度和压力下最稳定状态的单质。也有例外，如:石墨(C),白磷(P)。标准摩尔焓变的计算4以乙炔的完全燃烧反应为例:C2H2（g）+O2（g）→2CO2（g）+H2O（l）可将此反应分解为四个生成反应：通式：2C+H2（g）→C2H2（g)ΔrHm1(T)=ΔfHm(C2H2,T)ӨӨO2(g)→O2（g）ΔrHm2(T)=ΔfHm(O2,T)ӨӨC(S)+O2（g）→CO22ΔrHm3(T)=2ΔfHm(CO2,T)ӨӨH2(g)+O2(g)→H2O(l)ΔrHm4(T)=ΔfHm(H2O,l,T)ӨӨ有:ΔrHm=2ΔfHm3+ΔfHm4-ΔfHm1-ΔfHm2ӨӨӨӨӨ根据盖斯定律：ΔrHm(T）=ΣiΔfHmi(T）ӨӨΔrHm(T)=ΣBνBΔfHmBӨӨ(T)注意Ө(298.15K)是热力学基本数据，可查表。单位：kJ.mol-1ΔfHmB1ΔrHm(T)≈ΔrHm(298.15K)；ӨӨ2Ө如：ΔfHm(O2,g)=0C（石）、H2（g）、O2（g）皆为参考态元素。参考态单质的标准摩尔生成焓为零。3在进行计算时B的化学计量数νB不可忽略。由于ΔfHmB与nB成正比，Ө4例题：计算乙炔完全反应的标准摩尔焓变。C2H2（g）+O2（g）→2CO2（g）+H2O（l）解：ΔfHmB（T）Ө226.730－393.51－285.83ΔrHm(T)=ΣBνBΔfHmBӨ(T)Ө根据:ΔrHm(T)Ө={2×(-393.51)+(-285.83)kJ·mol-1}-(-226.73+0)kJ·mol-1=-1299.58kJ·mol-1