高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座：第3讲《化学热力学基础》.doc

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1、优质文本高中化学奥林匹克竞赛辅导讲座 第3讲 化学热力学根底【竞赛要求】热力学能内能、焓、热容、自由能和熵的概念。生成焓、生成自由能、标准熵及有关计算。自由能变化与反响的方向性。吉布斯-亥姆霍兹方程极其应用。范特霍夫标准熵及其应用。热化学循环。【知识梳理】一、根本概念1、体系和环境 体系：我们研究的对象，称为体系。环境：体系以外的其它局部，称为环境。例如：我们研究杯子中的H2O，那么H2O是体系，水面上的空气，杯子皆为环境。当然，桌子、房屋、地球、太阳也皆为环境。但我们着眼于和体系密切相关的环境，即为空气和杯子等。又如：假设以N2和O2混合气体中的O2作为体系，那么N2是环境，容器也是环境。按

2、照体系和环境之间的物质、能量的交换关系，将体系分为三类：1敞开体系：既有物质交换，也有能量交换。2封闭体系：无物质交换，有能量交换。3孤立体系：既无物质交换，也无能量交换。例如：一个敞开瓶口，盛满热水的瓶子，水为体系，那么是敞开体系; 假设加上一个盖子，那么成为封闭体系; 假设将瓶子换成杜瓦瓶保温瓶，那么变成孤立体系。热力学上研究得多的是封闭体系。2、状态和状态函数状态：由一系列表征体系性质的物理量所确定下来的体系的一种存在形式，称为体系的状态。状态函数：确定体系状态的物理量，是状态函数。例：某理想气体体系n = 1 mol，p = 1.013105 Pa，V = 22.4 dm3，T = 2

3、73 K这就是一种存在状态我们称其处于一种标准状态。是由 n，p，V，T 所确定下来的体系的一种状态，因而 n，p，V，T 都是体系的状态函数。状态一定，那么体系的状态函数一定。体系的一个或几个状态函数发生了变化，那么体系的状态也要发生变化。始态和终态：体系变化前的状态为始态；变化后的状态为终态。状态函数的改变量：状态变化始态和终态一经确定，那么状态函数的改变量是一定的。 例如：温度的改变量用 T 表示， 那么 T = T T 同样理解 n， p， V等的意义。 3、过程和途径 过程：体系的状态发生变化，从始态到终态，我们说经历了一个热力学过程。简称过程。假设体系在恒温条件下发生了状态变化，我

4、们说体系的变化为“恒温过程，同样理解“恒压过程、“恒容过程。假设体系变化时和环境之间无热量交换，那么称为之“绝热过程。途径：完成一个热力学过程， 可以采取不同的方式。我们把每种具体的方式，称为一种途径。过程着重于始态和终态；而途径着重于具体方式。例如：某理想气体， 经历一个恒温过程：p =1105 PaV = 2 dm3p =2105 PaV = 1 dm3恒温过程可以有许多不同的途径：0.5105 Pa 4 dm32105 Pa 1 dm31105 Pa 2 dm34105 Pa 0.5 dm3途径II途径I状态函数改变量，取决于始终态，无论途径如何不同。如上述过程的两种途径中： p = p

5、p= 2105 Pa1105 Pa = 1105 PaV = VV= 1dm32dm3 = 1dm34、体积功化学反响过程中，经常发生体积变化。体系对抗外压改变体积，产生体积功。设：在一截面积为 S 的圆柱形筒内发生化学反响，体系对抗外压 p 膨胀，活塞从 I 位移动到 II 位。 这种 W = pV 称为体积功，以 W表示。假设体积变化 V = 0，那么 W= 0我们研究的体系与过程，假设不加以特别说明，可以认为只做体积功。即：W = W5、热力学能内能 体系内部所有能量之和，包括分子原子的动能，势能，核能，电子的动能， 以及一些尚未研究的能量，热力学上用符号 U 表示。虽然体系的内能尚不能

6、求得，但是体系的状态一定时，内能是一个固定值，因此，U 是体系的状态函数。体系的状态发生变化，始终态一定，那么内能变化U是一定值，U = U U 理想气体是最简单的体系， 可以认为理想气体的内能只是温度的函数， 温度一定， 那么 U 一定。即 T = 0，那么 U = 0。二、热力学第一定律1、热力学第一定律的表示 某体系由状态 I 变化到状态 II，在这一过程中体系吸热 Q，做功(体积功) W，体系的内能改变量用 U 表示，那么有：U = Q W 3-1体系的内能变化量等于体系从环境吸收的热量减去体系对环境所做的功。显然，热力学第一定律的实质是能量守恒例如：某过程中，体系吸热 100 J，对

7、环境做功20 J，求体系的内能改变量和环境的内能改变量。由第一定律表达式：U = Q W = 100 J 20 J = 80 J 从环境考虑，吸热 100 J，做功 20 J，所以：U= (100 J) (20 J) = 80 J 体系的内能增加了80 J，环境的内能减少了80 J。 2、功和热 1功和热的符号规定Q 是指体系吸收的热量。体系吸热为正；放热为负。W 是指体系对环境所做的功。体系对环境做功为正；环境对体系做功为负。2功和热与途径有关体系由同一始态经不同途径变化到同一终态时，不同途径作的功和热量变化不同，所以功和热不是状态函数。只提出过程的始终态，而不提出具体途径时，是不能计算功和

8、热的。3、理想气体向真空膨胀 理想气体的内能 法国盖吕萨克在1807年，英国焦耳在1834年做了此实验：连通器放在绝热水浴中，A 侧充满气体，B 侧抽成真空。实验时翻开中间的活塞，使理想气体向真空膨胀。 结果发现，膨胀完毕后，水浴的温度没有变化，T = 0，说明体系与环境之间无热交换， Q = 0。又因是向真空膨胀，p= 0，所以 W = pV = 0。根据热力学第一定律：U = QW = 00 = 0 三、热 化 学1、化学反响的热效应 当生成物的温度恢复到反响物的温度时，化学反响中所吸收或放出的热量，称为化学反响热效应，简称反响热无非体积功。1恒容反响热恒容反响中，V = 0，故 W =

9、pV = 0那么有：r U = Q - W = Q 即： r U = Q 3-2Q 是恒容反响中体系的热量，从 r U = Q 可见，在恒容反响中体系所吸收的热量， 全部用来改变体系的内能。当 r U 0 时， Q 0，是吸热反响r U 0 时，Q 0 时， Q 0，是吸热反响r H 0 时， Q 0纵上所述，化学反响(过程)，有两种趋势，一是放热，H 0。例如，一盒粉笔落地粉碎，是熵增加的趋势所导致的。当 H = 0 时， S 0 是过程自发的判据。当 S = 0 时， H 0由气体分子少变成气体分子多：S 0如：CaCO3(s) = CaO(s) + CO2(g) C(石墨) + 1/2O

10、2(g) = CO(g)r S均为正值，亦即 r S 0判断了S 的正负，再结合 H 符号，对判断反响方向极有意义。4、状态函数自由能 ( G ) 1自由能判据人们并不满足r H 和r S 分别加以考虑的判断反响方向的方法， 要寻找出更加好的判据， 用于判断反响(过程)自发进行的方向。某反响在等温等压下进行，且有非体积功，那么第一定律的表示式可写成：rU = Q W = Q (W + W) = Q W WQ = rU + W + W rU + pV + W即：Q = r H + W等温等压过程中，以可逆途径的 Q，即 Q 为最大，故有不等式：Qr H + W“=成立的条件：可逆。由于S = ，

11、所以Q= Tr S，故不等式变成：Tr S r H + WTr Sr H Wr HTr S WH2H1T2S2T1 S1 WH2T2S2H1T1 S1 W令： G = H TS G 状态函数，称自由能，有加合性，量度性质。单位是 J 那么有： G2G1 W 即：G W 在化学变化中，体系中所做非体积功的最大限度，是 G 的减少值。只有在可逆过程中，这种非体积功的最大值才得以实现。 故状态函数 G 可以理解为体系在等温等压条件下，可以用来做非体积功的能量。 这是 G 的物理意义。更重要的是，上式是等温等压过程反响进行方向的判据。 G W 自发进行G = W 可逆进行G W 非自发假设将过程复原到

12、恒温等压无非体积功，那么判据变为：G 0 自发进行G = 0 可逆进行G 0 非自发 即自由能减少的方向，是恒温等压下，无非体积功反响自发进行的方向。这是热力学第二定律的一种表达形式。2标准生成自由能热力学规定：某温度下，由处于标准态的各种元素的最稳定指定单质，生成 1mol 某物质的自由能改变量，叫做这种温度下该物质的标准摩尔生成自由能，简称生成自由能。 用符号 f G 表示， 单位 kJmol1。298 K时的f G有表可查。查表，利用公式可计算反响的自由能变r G：r G= 3-11于是，可利用r G判断化学反响进行的方向。f G 受温度影响很大，不能忽略温度的影响。3吉布斯(Gibbs

13、) 赫姆霍兹(Holmholtz)方程由定义式：G = H TS恒温恒压下有公式：r G= r HTr S 3-12这就是吉布斯 赫姆霍兹方程。可看出 r G综合了 r H和r S的双重影响，从而决定反响方向。【典型例题】例1、根据盖斯定律和以下数据，计算反响的Q值：C+ O2 = CO+ Q C+ O2= CO2+ 393.5 kJ CO+ O2 = CO2+ 283 kJ 分析：将C作为起始状态，CO2作为最终状态，那么由C生成CO2有以下两种途径：Q1Q3Q2CCO2ICOII根据盖斯定律，得：Q2 = Q1 + Q3解：根据盖斯定律， = + 故Q1 = 393.5 283 = +11

14、0.5 kJ即反响的反响热为110.5 kJ例2、：CH4+ 2O2= CO+ 2H2O+ Q1；2H2+ O2= 2H2O+ Q2；2H2+ O2= 2H2O+ Q3。常温下，取体积比为41的甲烷和氢气的混合气体11.2 L已折合成标准状态，经完全燃烧后恢复至常温，那么放出热量为多少？分析：根据热化学方程式的含义1 mol CH4，燃烧放出热量为Q1；1 mol H2燃烧生成气态水放出热量为Q2，生成液态水放出热量为Q3。根据甲烷和氢气的体积比可计算出甲烷和氢气的物质的量，应注意氢气燃烧放热要以生成液态水计算。解：CH4、H2混合气体的物质的量为： = 0.5 mol那么CH4为0.4 mo

15、l ，H2为0.1mol。混合气体完全燃烧恢复到常温时放出热量为：0.4 Q1 + 0.1Q3 = 0.4 Q1 + 0.05 Q3。例3、把温度为13，浓度为1.0 molL1的盐酸和1.1 molL1的碱溶液各50 mL混合溶液密度均为1 gmL1，轻轻搅动。测得酸碱混合液的温度变化数据如下：反响物起始温度t终了温度tHCl + NaOHHCl + NH3H2O131319.819.3试计算上述两组实验测出的中和热数值，并答复为什么碱液过量？两组实验结果相差的原因？分析：根据给出的酸和碱的物质的量，酸为0.050 mol，碱为0.055 mol，碱是过量的，应以酸计算，算出生成0.050

16、mol水放出的热量，进而算出生成1 mol水放出的热量，即可得出两组实验测出的中和热数值。解：HCl与NaOH反响的中和热Q1为：Q1： = 56.9 kJHCl与NH3H2O反响的中和热Q2为：Q2： = 52.7 kJ碱液过量是为了提高实验准确度，因NaOH溶液易吸收CO2而使NaOH浓度下降，NH3H2O那么易挥发也使NH3H2O浓度下降。NaOH是强碱，在水溶液中完全电离，跟HCl中和时放出热较多；NH3H2O是弱碱，只是少局部电离，中和时放热较少。例4、由N2和H2合成1 mol NH3时可放出46.2 kJ的热量。从手册上查出NN键的键能是948.9 kJmol1，HH键的键能是4

17、36.0 kJmol1，试计算NN键的键能是多少？分析：该反响的热化学方程式为：N2 + 3H2 2N H3+ 92.4 kJ这说明形成六个NH键放出的热量，比破坏一个NN键和三个HH键吸收的热量多92.4 kJ。根据的NN键、HH键的键能数据和能量守恒原理，就可算出NH键的键能。解：设NH键的键能为x，应存在如下关系：6x 948.9 + 436.03= 46.22x = 391.5 kJmol1因此NH键的键能为391.5 kJmol1。例5、2 mol H2和1 mol O2，在373K和101.3 kPa下反响生成2 mol 水蒸气，放出483.7 kJ的热量。求生成1 mol 水蒸气

18、时的H和U。分析：该反响是在恒压下进行的，恒压时H = Q。由于H = U + pV可得U = H pV，pV = pV2V1= n2RTn1RT = nRT。解：由于反响2H2(g) + O2(g) =2H2O(g)是在恒压下进行的，所以H = Q = = 241.9kJmol1设V1、n1分别为反响物的体积与物质的量。V2，n2分别为生成物的体积与物质的量。所有气体均为理想气体，那么pV1 = n1RT pV2 = n2RT在反响中完成的膨胀功pV可由下式求出：pV = pV2V1= n2RTn1RT = nRT。n = 2 3 = 1 mol，R = 8.314 JK-1mol-1pV

19、= 18.314373 = 3101 J = 3.1kJ对生成1 mol H2Og来说，pV= = 1.55 kJmol1又依，H = U + pV所以 U = HPV = 241.9 (1.55) = 240.35 kJmol1例6、由生成焓数据计算氨的氧化反响的H ，并指出此反响是吸热还是放热反响？分析：查出各物质的标准生成焓f H值，代入r H = (f H)(f H) 即可。解：该反响方程式为：4NH3(g) + 5O2(g) = 4NO(g) + 6H2O(g)查出各物质的f H值：f H= 46.19 kJmol1，f H= +90.37 kJmol1，f H= 241.83kJm

20、ol1。那么r H = (f H)(f H)= 490.37 + 6241.83 446.19+ 50.00= 904.74 kJmol1。r H0说明氨氧化反响是放热反响。例7、由燃烧焓数据，求反响CH3COOHl+ CH3OHlCH3COOCH3l+H2Ol的H分析：上述反响可以设计为如下过程：+(g)HCH3COOHl+ CH3OH1CH3COOH1+ CH3OH13CO2g+ 4H2O1+(g)+(g)根据盖斯定律：r H + (H)= (H)所以 r H = (H) (H)解：H= 874.5kJmol1， H= 726.5kJmol1 ， H= 1594.9kJmol1 代入得：H

21、 = (H) (H)= (874.5) + (726.5) (1594.9)+0 = 6.10 kJmol1例8、计算298K时，NaCl和AgCl溶解过程的G，并对其溶解性解释。：NaClAgClH/kJmol13.62065.50S/Jmol-1K142.7633.56分析：将H、S代入G=HTS计算。假设G0，那么该盐难溶；假设G0，那么该盐易溶。解：对NaCl(s) = Na+ (aq) + Cl(aq)G=HTS= 3.620298 = 9.122 kJmol-1对AgCl(s) = Ag+(aq) + Cl(aq)G=HTS= 65.50298= 55.50 kJmol-1以上两过

22、程中，S0，H0。NaCl的溶解过程，熵变项的奉献使得G为负，从而使溶解虽然吸热但为自发。在AgCl溶解过程中，熵变的奉献不能使G为负值，故难溶。此分析结果与事实符合。【知能训练】1、25，KNO3在水中的溶解度是6moldm-3，假设将1 mol固体KNO3置于水中，那么KNO3变成盐溶液过程的G的符号为_，S的符号为_。 2、以下反响 ：H2g= 2Hg H = +Q1 ；1/2O2g= Og H = +Q22Hg+ Og= H2Og H = Q3 ；H2Og= H2Ol H = Q4H2g+ 1/2O2g= H2Ol H = Q5试指出Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的关系 。3、假设反响H

23、2 (g)2 H (g) 的内能变化U与键能HH-H相等，HH-H为433.2 kJmol-1 ，那么键焓H是 kJmol-1 。4、298 K时，生成气态水的f G= -228.6 kJmol-1，rS= -44.4 Jmol-1K-1， 那么其f H为_。5、27时，将100g Zn溶于过量稀硫酸中，反响假设分别在开口烧杯和密封容器中进行，哪种情况放热较多？多出多少？6、以下反响的焓变为： H2 (g) +I2 (s) = HI (g) r H = 25.9 kJmol-1 H2 (g) = H (g) r H = 218 kJmol-1 I2 (g) = I (g) r H = 75.7

24、 kJmol-1 I2 (s) = I2 (g) r H = 62.3 kJmol-1 计算反响 H (g) + I (g) = HI (g) 的焓变r H。7、100 g铁粉在25溶于盐酸生成氯化亚铁FeCl2， (1) 这个反响在烧杯中发生；(2) 这个反响在密闭贮瓶中发生；两种情况相比， 哪个放热较多？ 简述理由。 8、：BaOs+ H2Ol= Ba(OH)2s H = 103 kJmol-1Ba(OH)2(s) + aq = Ba2aq+ 2OHaq H = 52 kJmol-1Ba(OH)28H2Os+ aq = Ba2aq+ 2OHaq+ 8H2O H = + 64 kJmol-1

25、请答复以下问题，假设能，给出答案；假设不能，简述原因。1能求得BaOs的溶解热吗？2能求得Ba(OH)2s转变成Ba(OH)28H2Os能量变化吗？3能求得“O2s+ H2Ol= 2OHs的能量变化吗？4能求得“O2s+ aq = 2OHs的能量变化吗？9、如果将10 g金属锂置于100 g 0的冰块上，试确定：100时，由溶液中沉淀的氢氧化锂的一水合物的质量。反响按下式进行：2 Li(s)+ 2 H2O(l) = 2 LiOH(s)+ H2(g)；H = 398.2 kJmol-1由于跟周围的介质交换，溶解时热效应为0，冰的熔化热为330 kJkg-1，水的比热为4.200 kJkg-1K-1，水的汽化热为2 300 kJkg-1，LiOH的比热为49.58 Jmol-1K-1，100时，一水合氢氧化锂的溶解度为19.1 g。10、反响H2(g) + N2(g) = NH3(g) 在298K、101 kPa下能否自发进行？：f G= 16.5 kJmol-111、通常中和热、溶解热等测定是在一种恒压绝热的量热计又叫杜瓦瓶中进行。：f H= 286 kJmol-1，f