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1、应用热化学反应方程式和物质的标准摩尔生成焓应用热化学反应方程式和物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓变计算标准摩尔反应焓变 掌握阐明化学中的质量和掌握阐明化学中的质量和能量关系能量关系的有关重要概念的有关重要概念 (化学计量数化学计量数; 反应进度反应进度; 状态函数状态函数; 标准态标准态; 反应焓变反应焓变) 复习巩固复习巩固“化学中的计量化学中的计量”概念概念第第1 1章章 化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系 和能量关系和能量关系1.2 1.2 化学中的计量化学中的计量化学工作中常常遇到一些化学工作中常常遇到一些物理量物理量的计量的计量 (计算与测量计算与测量), eg. 质量质
2、量; 物质的量物质的量; 浓度浓度; 体积体积; 温度温度; 压力压力; 时间时间1.2.1 相对原子质量和相对分子质量相对原子质量和相对分子质量1.2.2 物质的量及其单位物质的量及其单位1.2.3 摩尔质量和摩尔体积摩尔质量和摩尔体积1.2.4 物质的量浓度物质的量浓度1.1 1.1 自学自学回忆回忆1. 理想气体状态方程理想气体状态方程理想气体:理想气体:分子本身不占有体积,分子之间没有作用力,实分子本身不占有体积,分子之间没有作用力,实际不存在的假想气体际不存在的假想气体(一种假设的理想状态)(一种假设的理想状态)。当温度不太低、压力不太高,或没有其他特殊条当温度不太低、压力不太高,或
3、没有其他特殊条件时,件时,一般气体均可视为理想气体一般气体均可视为理想气体。 1.2.5 气体的计量气体的计量2. 理想气体分压定律理想气体分压定律1. 理想气体状态方程理想气体状态方程 PVnRT P : 压力(压力(Pa) V : 体积(体积(m3) n : 物质的量(物质的量(mol) T : 温度(温度(K) 开氏温度开氏温度 T = 273.15 + t 0C 摄氏温度摄氏温度 R : 摩尔气体常数(摩尔气体常数(= 8.3144 Jmol-1K-1)(备注:常数(备注:常数R的取值与的取值与P、V的单位有关)的单位有关) eg. 常数常数R的取值与的取值与P、V的单位有关的单位有关
4、:P V RPa m3 8.314 J mol-1 K-1 (8.314 Pa m3 mol-1 K-1)Pa L 8314.3 Pa L mol-1 K-1 atm L 0.082 atm L mol-1 K-1 (1 L = 1立方分米,即1 m3 =1000 L)(1 atm = 1.013 105 Pa) 单位单位单位单位单位单位实际计算时常用该组单位实际计算时常用该组单位理想气体状态方程的应用:理想气体状态方程的应用:根据根据 PVnRT ,即可计算即可计算 p,V,T,n 四个物理量之一;四个物理量之一;再结合其他公式再结合其他公式也可计算也可计算m,M, 等等等等(To look
5、 P6的例的例1.2)。Mmn Vm2. 理想气体分压定律理想气体分压定律一定温度下,两种气体一定温度下,两种气体 1 和和 2 混合(不发生反应)混合(不发生反应)+气体气体1气体气体2混合气体混合气体P1 V1 n1P2 V2 n2P总总 V总总 n总总问题:问题:混合后,两种气体混合后,两种气体1和和2所产生的压力和所占的所产生的压力和所占的体积如何?体积如何?与混合容器中混合气体与混合容器中混合气体产生的总压力产生的总压力P总总的关系的关系又是怎样的?又是怎样的?气体的分压气体的分压 (PB ):):即即气体混合物中气体混合物中某某一组分气体(一组分气体(B)对器壁所对器壁所施加的压力
6、施加的压力;分压分压PB 等于相同温度下,该气体单独占有与等于相同温度下,该气体单独占有与 混合气混合气体相同体积时所产生的压力体相同体积时所产生的压力。分压分压总压总压两者之间有什么关系呢?两者之间有什么关系呢?1801年,英国物理学家、化学家年,英国物理学家、化学家道尔顿道尔顿经过经过大量的实验观察发现:大量的实验观察发现:气体混合物的总压等于各气体分压的总和气体混合物的总压等于各气体分压的总和这就是道尔顿的这就是道尔顿的气体分压定律气体分压定律,写成数学式是:写成数学式是:P总总= P1 P2 P3 或或 PP BB总若组分气体若组分气体B和混合气体和混合气体的的物质的量分别为物质的量分
7、别为nB和和n总总。混合气体混合气体的的体积为体积为V,则它们的压则它们的压力分别为力分别为: (1) (2)(1)式式 (2)式式 得得: VRTnPBBVRTnP总总总总PnnPBB总总nnPPBB或或(即同温同容下,压强比等于物质的量之比)(即同温同容下,压强比等于物质的量之比) nnVV 总B总B同理,根据同理,根据 PV = nRT同温同压下,则有同温同压下,则有 nnVV 总B总B nnPP 总B总B VVPP 总B总B(混合气体中混合气体中组分组分B的体积的体积 分数分数等于等于B的摩尔分数的摩尔分数)1.3 1.3 化学反应中的质量关系化学反应中的质量关系1.3.1 应用化学反
8、应方程式的计算应用化学反应方程式的计算 (自学)(自学)1.3.2 化学计量数和反应进度化学计量数和反应进度任一化学反应:任一化学反应: c C + d D = y Y + z Z移项移项得:得: 设设 则有:则有: 可可写为写为化学计量式的通式:化学计量式的通式: B 表示反应物和生成物;表示反应物和生成物; B 为数字为数字或或简分数简分数, 称为称为物质物质B 的化学计量数的化学计量数 (即即B前面的系数前面的系数)1. 化学计量数化学计量数BBB 00 = -c C -d D + y Y + z Z c =C 、 d =D 、 y =Y 、 z =Z 0 =C C +D D +Y Y
9、+Z Z vB 表示了相应物质在反应中变化的量;表示了相应物质在反应中变化的量; 规定:规定:反应物反应物的的化学计量数化学计量数 vB为为负负 生成物生成物为为化学计量数化学计量数 vB为为正正 同一化学反应,方程式写法不同,化学计量同一化学反应,方程式写法不同,化学计量 数数vB即即不同不同,vB 即为物质即为物质B前面的配平系数前面的配平系数 (注意考虑正负号)。(注意考虑正负号)。关于关于化学计量数化学计量数 vB :2. 反应反应进度进度 反应进度反应进度是表示是表示化学反应进行程度化学反应进行程度的物理量的物理量 符号:符号: (克赛)(克赛) 单位:单位:mol 某时刻的反应进度
10、(某时刻的反应进度( )为:)为: 等于等于某物质的改变量(某物质的改变量(nB)与其与其计量数计量数vB的之比的之比BBn注意:注意:nB 等于反应物或产物的等于反应物或产物的“最终值最终值-起始值起始值”, 即反应物的改变量为负,而产物的改变量为正即反应物的改变量为负,而产物的改变量为正例如:例如: N2 + 3H2 = 2NH3 反应开始反应开始时时 nB/mol 3 10 0 0 t时时刻时刻时 nB/mo1 2 7 2 则则 nB/mol -1 -3 2 1 molvnNN11122molvnHH13322molvnNHNH12233由此可得出结论:由此可得出结论:(1 1)反应进度
11、(反应进度( )值与选用方程式中何种物质的量)值与选用方程式中何种物质的量 的变化进行计算无关,但与方程式书写有关。的变化进行计算无关,但与方程式书写有关。1(2) 如果同一反应的如果同一反应的方程式书写不同(即计量数方程式书写不同(即计量数vB 不同),不同),则在则在相同物质的量变化相同物质的量变化情况下情况下(即(即nB 相同),相同),反应进度(反应进度( )值不同)值不同;(3) 如果同一反应的如果同一反应的方程式书写不同方程式书写不同,则当反应进,则当反应进 度(度( )相同时,不同方程式对应各)相同时,不同方程式对应各物质的变物质的变 化量不同。化量不同。BBn1.4 1.4 化
12、学反应中的能量关系化学反应中的能量关系化学反应是反应物中旧键的断裂与产物新键化学反应是反应物中旧键的断裂与产物新键形成的过程,在这过程中伴随着质量、形成的过程,在这过程中伴随着质量、能量能量的变化(吸、放热)的变化(吸、放热)。专门研究能量相互转换规律的科学专门研究能量相互转换规律的科学热力学热力学利用热力学的基本原理研究化学反应的学科利用热力学的基本原理研究化学反应的学科化学热力学。化学热力学。1.4.1 1.4.1 基本概念和术语基本概念和术语 1. 体系和环境体系和环境 2. 状态和状态函数状态和状态函数 3. 热和功热和功 4. 热力学能热力学能 5. 能量守恒能量守恒 1. 体系和环
13、境体系和环境 eg. AgNO3与与NaCl在溶液中的反应:在溶液中的反应: 含有这两种物质的水溶液就是体系;含有这两种物质的水溶液就是体系; 而溶液之外的一切东西而溶液之外的一切东西(烧杯、玻璃棒、溶液上方的空气烧杯、玻璃棒、溶液上方的空气 等等)都是环境。都是环境。 体系:被研究的对象体系:被研究的对象 环境:体系之外,与其密切相关的部分环境:体系之外,与其密切相关的部分体系体系环境环境边界线边界线敞开体系:体系与环境之间有物质交换和能量交换敞开体系:体系与环境之间有物质交换和能量交换封闭体系:体系与环境之间无物质交换,有能量交换封闭体系:体系与环境之间无物质交换,有能量交换孤立体系:体系
14、与环境之间无物质交换和能量交换孤立体系:体系与环境之间无物质交换和能量交换敞开体系敞开体系 封闭体系封闭体系 孤立体系孤立体系 瓶中装水瓶中装水 2. 状态和状态函数状态和状态函数 理想气体理想气体T1 300KP1 1atmV1 2L 状态状态1 理想气体理想气体T2 300KP2 2atmV2 1L 状态状态2状态:是指体系总的性质。状态:是指体系总的性质。v一个体系的状态可由压力、体积、温度及体系内各一个体系的状态可由压力、体积、温度及体系内各组分的物质的量等物理量来决定;组分的物质的量等物理量来决定;这些物理量称为这些物理量称为体系的性质。体系的性质。 因此,体系的状态就是这些性质的综
15、合表现。因此,体系的状态就是这些性质的综合表现。 状态函数的特征:状态函数的特征:(1) 状态一定,状态函数值一定状态一定,状态函数值一定(2) 同一体系的状态函数之间往往有一定的联系同一体系的状态函数之间往往有一定的联系 (PV=nRT) (3) 体系状态变化时,状态函数的变化量只与体系的起体系状态变化时,状态函数的变化量只与体系的起 始和最终状态有关始和最终状态有关, 与变化的具体途经无关与变化的具体途经无关 ,如:,如: 如果体系中某种或几种性质发生变化,则体系状态如果体系中某种或几种性质发生变化,则体系状态 也就发生了变化。也就发生了变化。这种能够表征体系特征的每个个别的宏观性质,这种
16、能够表征体系特征的每个个别的宏观性质,称为体系的状态函数称为体系的状态函数 ( (如如P P、T T、V V、n n等等) )。 理想气体T1300K理想气体T1200K理想气体T2350K直接加热直接加热 途径途径 1先冷却先冷却 再加热再加热途径途径 2KTTT5030035012(殊途同归殊途同归) 始态始态终态终态 3. 热和功热和功热和功热和功是体系状态发生变化时与环境交换或传递能量是体系状态发生变化时与环境交换或传递能量的两种不同形式。的两种不同形式。热:体系与环境间因温度不同热:体系与环境间因温度不同(即存在温差)(即存在温差)而而 交换或传递的能量。交换或传递的能量。 用符号用
17、符号 Q 表示;单位:表示;单位:kJ功:除热以外,其它各种形式被传递的能量。功:除热以外,其它各种形式被传递的能量。 用符号用符号 W 表示;单位:表示;单位: kJ 功有多种形式,如机械手作的机械功,电能作的电功,功有多种形式,如机械手作的机械功,电能作的电功, 化学反应作体积功等等。化学反应作体积功等等。 有关有关“热和功热和功”概念的注意点:概念的注意点:(1) 符号规定符号规定(以体系得失能量为标准)(以体系得失能量为标准) 热热(Q): + 体系吸热体系吸热(Q0) 体系放热体系放热(Q0、压缩、压缩) (W 0 吸热反应吸热反应 H 0 Q 0 (正号正号)放热反应:放热反应:
18、H 0 Q 0 (负号负号) 总结总结 2. 热化学方程式热化学方程式 表示化学反应与其热效应关系的化学方程式表示化学反应与其热效应关系的化学方程式书写方法:书写方法:H2(g) + O2(g) H2O(g) Qp= rHm = -241.82 kJmol-1 rHm :表示反应进度变化为表示反应进度变化为1 mol时时, 该反应的热效应。该反应的热效应。 rHm称为称为摩尔反应焓变摩尔反应焓变。r-反应反应m-摩尔摩尔 应注明反应应注明反应温度和压力温度和压力,298.15K和和100kPa可省略可省略 注明各物质的注明各物质的聚集状态聚集状态(g,l,s) H2(g) + O2(g) H2
19、O(l) Qp = rHm = -285.8 kJmol-1 H2(g) + O2(g) H2O(g) Qp = rHm = -241.8 kJmol-1 同一反应,反应方程式系数不同,反应热不同;同一反应,反应方程式系数不同,反应热不同; 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) Qp = rHm = -571.6 kJmol-1 H2(g) + O2(g) H2O(l) Qp = rHm = -285.8 kJmol-1 正、逆反应的反应热绝对值相等,符号相反。正、逆反应的反应热绝对值相等,符号相反。 HgO(s) Hg(l) + O2(g) Qp = rHm = +90.83 kJm
20、ol-1 Hg(l)+ O2(g) HgO(s) Qp = rHm = -90.83 kJmol-1 书写热化学方程式应注意:书写热化学方程式应注意:1840年年 Hess在总结了大量实验结果的基础上,提出在总结了大量实验结果的基础上,提出一条规律:一条规律:在恒压或恒容条件下,一个化学反应不论在恒压或恒容条件下,一个化学反应不论是一步完成或分几步完成,其热效应总是相同的。是一步完成或分几步完成,其热效应总是相同的。如:如: H2(g)+ O2(g)H2O(l) rHm = -285.8 kJmol-1若分步若分步: H2(g)2H(g) H1 = +431.8 kJmol-1 O2(g)O(
21、g) H2 = +244.3 kJmol-1 2H(g) + O(g)H2O(g) H3 = -917.9 kJmol-1 H2O(g)H2O(l) H4 = -44.0 kJmol-1 3. Hess定律(赫斯或盖斯定律)定律(赫斯或盖斯定律)+总总: H2(g)+ O2(g)H2O(l) rHm总总 = -285.8 kJmol-1可实验测知:可实验测知:将将1mol C(石墨)直接完全燃烧成石墨)直接完全燃烧成CO2,其反应热为其反应热为 rHm = -393.51 kJmol-1;1mol CO完全燃烧成完全燃烧成CO2,其反其反应热为应热为 H3= -282.98 kJmol-1不按
22、照途径不按照途径(1)进行反应,而采取分步反应,即依次通过反应进行反应,而采取分步反应,即依次通过反应(2)、(3),其反应热分别为,其反应热分别为 H2(难以直接测知)和难以直接测知)和 H3(已(已测知测知 H3 = -282.98)。)。 于是可根据于是可根据Hess定律求出定律求出 H2Hess定律应用定律应用 CO 的生成热的计算的生成热的计算(2)(3)(1) rHm H2 H3由由Hess定理知:定理知: rHm H2 H3 H2 rHm H3 (-393.51) - - (-282.98) -110.53 kJmol-1 Hess定律应用定律应用 CO 的生成热的计算的生成热的
23、计算重要推论重要推论: : 可用加加减减的方法处理化学反应的方程式可用加加减减的方法处理化学反应的方程式及其焓变,以计算未知的或难以由实验测定的反应焓变。及其焓变,以计算未知的或难以由实验测定的反应焓变。-393.51 kJmol-1-282.98 kJmol-1(2)(3)(1) rHm H2 H3 若某化学反应是在等压下一步完成的,在若某化学反应是在等压下一步完成的,在 分步完成时,各分步也要在等压下进行;分步完成时,各分步也要在等压下进行; 在应用在应用Hess定律进行计算过程中,要消去定律进行计算过程中,要消去 某同一物质时,不仅要求该物质的种类相某同一物质时,不仅要求该物质的种类相
24、同,而且其同,而且其聚集状态聚集状态也要相同。也要相同。应用应用Hess定律时注意:定律时注意:1.4.3 1.4.3 应用标准摩尔生成焓计算应用标准摩尔生成焓计算 标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变1. 标准标准状态状态2. 标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓3. 标准摩尔反应焓变的计算标准摩尔反应焓变的计算1. 标准状标准状态(标准态)态(标准态) 对于对于气体气体:处于标准压力:处于标准压力( (P P=100kPa=100kPa) )下纯气体的状态;下纯气体的状态; 对于对于液体液体:处于标准压力:处于标准压力( (P P) )下最稳定的纯液体的状态;下最稳定的纯液体的状态; 对于对于固体固体
25、:处于标准压力:处于标准压力( (P P) )下最稳定的纯固体的状态;下最稳定的纯固体的状态; 对于溶液中的对于溶液中的溶质溶质:处于标准压力:处于标准压力( (P P) )下下质量摩尔浓度为质量摩尔浓度为 1molkg-1(常近似于常近似于1 molL-1 )时的状态。时的状态。上述各上述各物质物质的的标准态标准态没有对没有对温度的规定温度的规定!- 称为称为摩尔反应焓变摩尔反应焓变 称为称为标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变mrHmrH在标准态下,由在标准态下,由最稳定的纯态单质最稳定的纯态单质生成生成单位物质的量单位物质的量(1 mol)的的某物质时的焓变某物质时的焓变(或恒压反应热或恒压
26、反应热 Qp), 称为该物质的标准摩称为该物质的标准摩尔生成焓。尔生成焓。单位单位kJmol-1,温度,温度常为常为298.15K 2. 标准标准摩尔生成焓摩尔生成焓( )mfH如:如: CO的标准摩尔生成焓是的标准摩尔生成焓是2C+O2=2CO的恒压反应热(焓变)的恒压反应热(焓变)再如:再如:C(石墨石墨, s)+O2(g)CO2(g) Qp= rHm= - -393.51 kJmol-1 , 则根据定义则根据定义CO2的标准摩尔生成焓的标准摩尔生成焓 = - -393.51kJmol-1 mfH物质的标准摩尔生成焓数据物质的标准摩尔生成焓数据 可查询已知的标准热力可查询已知的标准热力学数
27、据表学数据表(P535附录附录4)?mfH观察附录观察附录4 4的热力学数据的热力学数据 可得到那些结论?可得到那些结论?mfH注意注意标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变 和和标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓 的区别!的区别!mrHmfH根据根据 的定义,的定义,规定了规定了最稳定最稳定单质的单质的 =0=0mfHmfH存在存在多种同素异性体多种同素异性体的元素,的元素, 可通过查可通过查热力学数据表热力学数据表知道知道最最稳定的稳定的单质是单质是哪哪一种,如一种,如P有白磷、红磷等单质,查表有白磷、红磷等单质,查表 而而 ,可知白磷是可知白磷是磷的最稳定的单质。磷的最稳定的单质。 0)(mf白磷H
28、1mfmolkJ6 .17)(红磷H除了除了NO、NO2、C2H2(g)等少数物质以外,绝大多数常等少数物质以外,绝大多数常见化合物的标准摩尔生成焓都是负值。这反映一个事见化合物的标准摩尔生成焓都是负值。这反映一个事实,即由单质生成化合物时一般都是放热的。实,即由单质生成化合物时一般都是放热的。 观察附录观察附录4 4的热力学数据的热力学数据 可得到那些结论?可得到那些结论?mfHC的同素异性体的同素异性体中中石墨石墨是最稳定,则是最稳定,则例:例:C(石墨石墨) C(金刚石金刚石)则有:则有:0)(mf石墨H-1mrmolkJ895. 1 H1mfmrmfmolkJ895. 10895. 1
29、)()(石墨金刚石HHH同类型化合物同类型化合物CaOCuO-635.09kJmol-1-157.3kJmol-1 稳定性稳定性加热不分解加热不分解高温时分解为高温时分解为Cu2O和和O2mfH所以,所以, 代数值越小,该化合物越稳定。代数值越小,该化合物越稳定。mfHmrmfmfHHH)()(石墨金刚石根据根据 的数值的数值可计算可计算 ,反之亦可。反之亦可。 还还可用于可用于判断同类型化合物的相对稳定性。判断同类型化合物的相对稳定性。mfHmrHmfH注意:注意: 规定:规定:最稳定单质最稳定单质的的标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓 只有只有最稳定单质的标准摩尔生成焓最稳定单质的标准摩尔生成焓
30、为零为零。 例如:例如: 同一物质在不同聚集状态下,同一物质在不同聚集状态下, 不同。不同。 例如:例如:0mfHmfH118 .285)(8 .241)(molkJl O,HmolkJg O,H2mf2mfHH1)(0)(mol1.895kJmfmf金刚石石墨HH3. 标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变 的计算的计算通过通过标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓 计算计算mrHmfH化学反应的化学反应的标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变等于所有等于所有 生成物的标准生成物的标准摩尔摩尔生成焓的总和生成焓的总和减去减去所有所有反应物的标准摩尔生成焓的总和反应物的标准摩尔生成焓的总和。任一反应:任一反应:c
31、C + d D = y Y + z Z 的的标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变 为:为:(D)d(C)c(Z)z(Y)ymfmfmfmfmrHHHHHmrH查询物质的查询物质的标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓的已知数据,利用公的已知数据,利用公式即可计算出反应的式即可计算出反应的标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变 mrH(反应物)(生成物)mfmfmrHHHii也可写为也可写为vi为物质为物质i的化学计量数的化学计量数, 反应物为负反应物为负, 生成物为正生成物为正 例:计算恒压反应例:计算恒压反应 4NH3(g)+5O2(g)4NO(g)+6H2O(g) 的的标准摩尔反应焓变标准摩尔反应焓变 ,并,
32、并判断它是吸热还判断它是吸热还 是放热反应?是放热反应? 解:解:mrH-12mf3mf2mfmfmrmolkJ 905.48 05(-46.1)4-(-241.8)690.254 g),(O5g),(NH4 g)O,(H6g)(NO,4HHHHH该反应为放热反应。 0 molkJ 905.48-1mr H查附录查附录4 4得数据得数据(D)d(C)c(Z)z(Y)ymfmfmfmfmrHHHHH根据公式根据公式 mrHmfH当已知当已知 时时, , 也可计算其中某种物质的也可计算其中某种物质的 例如:例如:已知下列反应已知下列反应: :(1(1) )2 2CuCu2 2O(s)+OO(s)+
33、O2 2(g)4CuO(s); ( )(g)4CuO(s); ( )1 1 = -292 = -292 k kJmolJmol1 1(2)CuO(s)+Cu(s)Cu(2)CuO(s)+Cu(s)Cu2 2O(s); ( )O(s); ( )2 2 = -11.3kJmol= -11.3kJmol1 1不查不查 数据表,计算数据表,计算CuO(sCuO(s) )的的 = = ? ?mrHmrHmfHmfH解解:(2)2)式式2=(3)2=(3)式式 2 2CuO(s)+2Cu(s)2CuCuO(s)+2Cu(s)2Cu2 2O(s)O(s)( ) )3 3= 2( )= 2( )2 2 = -22.6kJ.mol= -22.6kJ.mol1 1mrHmrH(3)(3)式式+(1)+(1)式式=(4)=(4)式式2 2Cu(s)+OCu(s)+O2 2(g)2CuO(s)(g)2CuO(s)( )( )4 4=( )=( )3 3+( )+( )1 1= -314.6 = -314.6 kJmolkJmol1 1mrHmrHmrH ( (CuOCuO,s)=s)=mfH1molkJ 3 .15726 .3142)(4mrH
限制150内