化学反应一般原理精.ppt

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1、化学反应一般原理第1页，本讲稿共70页 2.1 基本概念和术语基本概念和术语 2.2 热化学热化学 2.3 化学反应的方向化学反应的方向 2.4 化学平衡及其移动化学平衡及其移动 2.5 化学反应速率化学反应速率目录第2页，本讲稿共70页2.1 基本概念和术语基本概念和术语一、体系和环境一、体系和环境二、状态和状态函数二、状态和状态函数三、过程和途径三、过程和途径四、热和功四、热和功五、热力学能和热力学第一定律五、热力学能和热力学第一定律第3页，本讲稿共70页一、体系和环境1、体系与环境概念、体系与环境概念体系：体系：研究对象，又称为系统研究对象，又称为系统环境：环境：体系以外的其他物质和空间

2、体系以外的其他物质和空间2、体系分类、体系分类敞开体系：敞开体系：物质交换物质交换，能量交换，能量交换封闭（密闭）体系：封闭（密闭）体系：物质交换物质交换，能量交换，能量交换孤立（隔离）体系：孤立（隔离）体系：物质交换物质交换，能量交换，能量交换第4页，本讲稿共70页二、状态和状态函数1、状态：由一系列物理量所确定的体系的存在形式、状态：由一系列物理量所确定的体系的存在形式2、状态函数：决定状态的各种物理量、状态函数：决定状态的各种物理量3、状态函数分类、状态函数分类广度性质（容量性质）广度性质（容量性质）状态函数状态函数：具加和性具加和性，如体，如体积、质量、热力学能、焓等积、质量、热力学能

3、、焓等强度性质强度性质状态函数状态函数：无加和性无加和性，如温度，压力，密，如温度，压力，密度，粘度等度，粘度等状 态 状态函数决 定描 述第5页，本讲稿共70页例：例：例：例：某理想气体的状态如何决定？某理想气体的状态如何决定？某理想气体的状态如何决定？某理想气体的状态如何决定？P,V,n,TP,V,n,T注意点：注意点：v 状态一定状态一定(改变改变)，状态函数一定状态函数一定(改变改变)v 状态函数的变量与状态变化的过程无关，只与体系变状态函数的变量与状态变化的过程无关，只与体系变化的始态和终态有关。即只说明系统当时所处的状态，化的始态和终态有关。即只说明系统当时所处的状态，而不说明以前

4、的状态而不说明以前的状态v 体系内的状态函数之间是相互关联的体系内的状态函数之间是相互关联的根据根据PV=nRT，由其中三个，可确定另一个由其中三个，可确定另一个第6页，本讲稿共70页三、过程和途径1、过程：状态的变化，从状态、过程：状态的变化，从状态1到状态到状态22、途径：完成过程的具体步骤、途径：完成过程的具体步骤状态函数改变：仅取决于体系状态函数改变：仅取决于体系始态始态和和终态终态，与，与途径无关途径无关 “状态一定值一定状态一定值一定 殊途同归变化等殊途同归变化等 周而复始变化零周而复始变化零”状态1状态2123第7页，本讲稿共70页v 等温过程：等温过程：T=0v 等压过程：等压

5、过程：P=0v 等容过程：等容过程：V=0T1，P1 T1，P2 T2，P1 T2，P2等温过程等压过程等压过程等温过程aba 途径：途径：先等温后等压先等温后等压b 途径：途径：先等压后等温先等压后等温常见的变化过程常见的变化过程“状态一定值一状态一定值一定定 殊途同归变化等殊途同归变化等 周而复始变化零周而复始变化零”第8页，本讲稿共70页四、热和功1、热：由于温差引起的能量传递、热：由于温差引起的能量传递体系吸热体系吸热Q，体系放热体系放热Q2、功：除热外，其他形式的能量传递、功：除热外，其他形式的能量传递系统对环境做功系统对环境做功W，环境对系统做功环境对系统做功Wv 体积功v 其他功

6、:如电功注意点：注意点：v热和功：体系与环境交换能量的两种形式，热和功：体系与环境交换能量的两种形式，不是状态函数不是状态函数v热和功的数值与途径有关热和功的数值与途径有关，但它们的，但它们的代数和代数和（内能）（内能）与途径无关与途径无关第9页，本讲稿共70页五、热力学能(U)1、热力学能：、热力学能：体系内物质所具有的各种能量的总和，体系内物质所具有的各种能量的总和，又叫内能，以又叫内能，以U表示。表示。注意点：注意点：v 内能的绝对值无法测定，但内能的绝对值无法测定，但U可测定可测定v 内能是体系的状态函数内能是体系的状态函数，其变化值只取决于体系的始态和，其变化值只取决于体系的始态和终

7、态，与变化途径无关终态，与变化途径无关？是强度性质还是容量性质（广度性质）？是强度性质还是容量性质（广度性质）？容量性质（广度性质）容量性质（广度性质）v 一个状态只有一个内能，但并不排除不同状态可能有相同一个状态只有一个内能，但并不排除不同状态可能有相同的内能值的内能值第10页，本讲稿共70页2、热力学第一定律 状态1 U1状态2 U2吸热Q做功W热力学第一定律热力学第一定律文字表述：文字表述：体系热力学能的改变量等于体系体系热力学能的改变量等于体系从环境中吸收的能量减去体系对环境做的功从环境中吸收的能量减去体系对环境做的功能量守恒能量守恒热力学第一定律热力学第一定律数学表达式：数学表达式：

8、第11页，本讲稿共70页例例：给一封闭体系加热给一封闭体系加热500 J，体系内理想气体膨胀做体系内理想气体膨胀做功，外压恒为功，外压恒为101.325 kPa,气体体积胀大了气体体积胀大了1.0升，则升，则体系内能变化多少？体系内能变化多少？解：已知解：已知 Q=500J P=101.325kPa V=1.0dm3 W=p V=101.325103 1.0 10-3 =101.325 J 则则 U=Q W =500 101.325 =398.675 J 第12页，本讲稿共70页2.2 热化学热化学 一、等容反应热、等压反应热和焓一、等容反应热、等压反应热和焓二、热化学方程式二、热化学方程式三

9、、盖斯定律三、盖斯定律四、生成焓四、生成焓第13页，本讲稿共70页一、等容反应热、等压反应热和焓反应物 产物Q反应热定义：反应热定义：化学反应在等温且只做膨胀功时，体化学反应在等温且只做膨胀功时，体系吸收或放出的热量称为化学系吸收或放出的热量称为化学反应热反应热Qp：等压热效应，等压热效应，等温等压等温等压条件下进行反应的反应热条件下进行反应的反应热Qv：等容热效应，等容热效应，等温等容等温等容条件下进行反应的反应热条件下进行反应的反应热第14页，本讲稿共70页1、等容反应热吸热反应放热反应注意点：注意点：u只取决于系统的始态和终态，所以定容反应只取决于系统的始态和终态，所以定容反应热热Qv也

10、取决于系统的始态和终态也取决于系统的始态和终态第15页，本讲稿共70页2、等压反应热H：焓，状态函数焓，状态函数第16页，本讲稿共70页v 固液反应固液反应:V很小很小v 气体反应气体反应:eE(g)+f F(g)gG(g)+rR(g)p V p(V产物产物 V反应物反应物）(n产物产物 n反应物反应物)RT nRT 3、等压过程中、等压过程中H与与U的关系的关系第17页，本讲稿共70页二、热化学方程式1、反应进度反应进度 注意点：注意点：v反应进度反应进度：描述和表征化学反应进行程度的物理量，单位为描述和表征化学反应进行程度的物理量，单位为mol，i:对反应物为负，对产物为正对反应物为负，对

11、产物为正 v 选择的始态反应进度不为选择的始态反应进度不为0，则以反应进度变化，则以反应进度变化 来表示来表示第18页，本讲稿共70页注意点：注意点：v 同一方程式中同一方程式中:各物质的各物质的相等相等v 同一反应，方程式书写不同同一反应，方程式书写不同:不等不等第19页，本讲稿共70页2、热化学方程式注意点：注意点：l方程式后写反应热，等压过程方程式后写反应热，等压过程Qp Hl 注明物态，气态（注明物态，气态（g），），液态（液态（l），），固态（固态（s）l 对于溶液中进行的反应，则须注明溶剂的类型和浓度，对于溶液中进行的反应，则须注明溶剂的类型和浓度，aq代表水溶液，代表水溶液，代表

12、无限稀释。代表无限稀释。标准状态Reaction，反应反应温度T=1 mol标准焓变第20页，本讲稿共70页标准态：标准态：l溶液中的溶质：浓度溶液中的溶质：浓度1mol/L的理想溶液，以的理想溶液，以c表示表示v气体：分压为标准压力（气体：分压为标准压力（p）的理想气体的理想气体v液体和固体的标准态：标准压力（液体和固体的标准态：标准压力（p）下的纯液下的纯液体或纯固体体或纯固体v温度可以任意选择，一般为温度可以任意选择，一般为298.15K第21页，本讲稿共70页例例1：在在298 K和和100 kPa下，下，1 mol H2和和0.5 mol O2反反应应,生成生成1 mol液态水液态水

13、,放热放热286 kJ，其热化学方程式为其热化学方程式为:例例2：NaOH(aq,)+HCl(aq,)=NaCl(aq,)+H 2O(l)第22页，本讲稿共70页三、盖斯定律(1)(2)(3)盖斯定律：盖斯定律：化学反应不论是一步完成，还是分步完化学反应不论是一步完成，还是分步完成其热效应相同，本质为热力学第一定律成其热效应相同，本质为热力学第一定律第23页，本讲稿共70页四、生成焓说明：说明：v 稳定单质的标准生成焓为稳定单质的标准生成焓为0，标准生成焓可查，标准生成焓可查P441表表v 可由标准生成焓求算反应标准焓变可由标准生成焓求算反应标准焓变标准状态Formation，生成=1 mol

14、生成焓：生成焓：由元素稳定单质生成由元素稳定单质生成1 mol某物质时的热效应某物质时的热效应标准生成焓：标准生成焓：在标准态和指定温度下，由元素稳定单质在标准态和指定温度下，由元素稳定单质生成生成1 mol某物质时的热效应某物质时的热效应第24页，本讲稿共70页 化学反应：第25页，本讲稿共70页例：第26页，本讲稿共70页2.3 化学反应的方向化学反应的方向 一、化学反应的自发性一、化学反应的自发性二、熵二、熵体系的混乱度体系的混乱度三、热力学第二定律三、热力学第二定律四、吉布斯自由能四、吉布斯自由能二、标准吉布斯自由能二、标准吉布斯自由能三、三、G与温度的关系与温度的关系第27页，本讲稿

15、共70页一、化学反应的自发性1、自发过程：、自发过程：不需要外力帮助而自动发生的变化不需要外力帮助而自动发生的变化v 能量趋于最低，能量趋于最低，例：放热反应例：放热反应v 混乱度增加混乱度增加（低概率状态趋向于高概率状态，（低概率状态趋向于高概率状态，有序趋向于无序状态），例：溶解过程有序趋向于无序状态），例：溶解过程能量：高 低 焓H混乱度：有序 无序 熵S反应的自发性2、化学反应自发性、化学反应自发性第28页，本讲稿共70页二、熵二、熵S体系的混乱度体系的混乱度有关规律：有关规律：v 同一物质：同一物质：S气气S液液S固固v 同一聚集态：同一聚集态：S复杂复杂S简单简单v 结构相似：分子

16、量大的熵大结构相似：分子量大的熵大v 分子量相同：构型复杂的熵大分子量相同：构型复杂的熵大1、熵、熵S：描述体系混乱度的状态函数描述体系混乱度的状态函数 混乱度越大，熵值越大混乱度越大，熵值越大，S与途径无关与途径无关第29页，本讲稿共70页2、标准摩尔熵：标准态下：标准态下1 mol物质的熵值，单位物质的熵值，单位:Jmol-1k-1热力学第三定律：热力学第三定律：0K时纯物质完整晶体熵等于时纯物质完整晶体熵等于0与 的不同：绝对值：相对值如何测？第30页，本讲稿共70页 化学反应：3、化学反应的标准摩尔熵变 等温条件：可逆过程的热效应4、熵和热效应的关系、熵和热效应的关系第31页，本讲稿共

17、70页三、热力学第二定律1、所有自发过程所有自发过程热力学第二定律：（克劳修斯不等式）2、孤立体系孤立体系 实际中：孤立体系敞开实际中：孤立体系敞开(封闭封闭)体系环境体系环境 S体系体系+S环境环境 0 自发过程自发过程 S体系体系+S环境环境 0 可逆过程可逆过程 S体系体系+S环境环境 0 不能发生不能发生第32页，本讲稿共70页四、吉布斯(Gibbs)自由能热力学第二定律，对于自发反应:只做体积功，不做其他功的等温等压反应：结论：在等温等压反应中，若系统只做体积功，不做结论：在等温等压反应中，若系统只做体积功，不做其他功，若其他功，若 H-T S0，那么该过程可自发进行。那么该过程可自

18、发进行。定义：G，吉布斯自由能，状态函数吉布斯自由能，状态函数第33页，本讲稿共70页有关规律：有关规律：v H0，G0,S0v H0,S0，G由由T决定，决定，T高对反应有利高对反应有利v H0,S0的反应，有的反应，有无催化剂都一样不能反应无催化剂都一样不能反应v 催化剂通过改变反应途径，改变决速步骤的活化催化剂通过改变反应途径，改变决速步骤的活化能使反应速度改变能使反应速度改变1、催化剂定义：、催化剂定义：能改变化学反应速率本身质量和能改变化学反应速率本身质量和组成保持不变，有组成保持不变，有正催化剂正催化剂和负催化剂两种。和负催化剂两种。五、催化剂对反应速率的影响第70页，本讲稿共70页