普通化學(xué) 第1章 熱化學(xué)與能源

1、1,教學(xué)目標(biāo)：了解定容熱效應(yīng)(qv)的測量原理。熟悉qv的實驗計算方法。了解狀態(tài)函數(shù)、反應(yīng)進(jìn)度、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的概念和熱化學(xué)定律。理解等壓熱效應(yīng)與反應(yīng)焓變的關(guān)系、等容熱效應(yīng)與熱力學(xué)能變的關(guān)系。掌握標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變的近似計算。了解能源的概況、燃料的熱值和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。,Lecture 1,2,重點:(1)熱化學(xué)基本概念：狀態(tài)函數(shù)，可逆過程，化學(xué)計量數(shù)，反應(yīng)進(jìn)度，反應(yīng)熱和焓。(2) 定容熱效應(yīng)的測量原理和方法。(3)熱力學(xué)

2、第一定律和蓋斯定律及其應(yīng)用。(4)定壓熱效應(yīng)(qp)與反應(yīng)焓變的關(guān)系、定容熱效應(yīng)(qv)與熱力學(xué)能變的關(guān)系。(5)化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計算。,3,難點:(1)狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì)。(2)qp與反應(yīng)焓變的關(guān)系、qV與熱力學(xué)能變的關(guān)系。,4,化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時，伴隨有能量的變化，通常多以熱的形式放出或吸收。燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量和化學(xué)反應(yīng)中所發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換和利用都是能源的重要課題。熱化學(xué)？ 研究化學(xué)反應(yīng)中熱與其它能量變化的定量

3、關(guān)系的學(xué)科。,,,1.1 反應(yīng)熱的測量,5,系統(tǒng)：作為研究對象的那一部分物質(zhì)和空間。環(huán)境：系統(tǒng)之外，與系統(tǒng)密切聯(lián)系的其它物質(zhì)和 空間。,開放系統(tǒng)有物質(zhì)和能量交換,封閉系統(tǒng)只有能量交換,1.1.1 幾個基本概念,1. 系統(tǒng)與環(huán)境,圖1.1 系統(tǒng)的分類,隔離系統(tǒng)無物質(zhì)和能量交換,6,注意以下幾點:,(1) 系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系主要是物質(zhì)和能量交換。系統(tǒng)的邊界有多種多樣。 可以是實際的，也可以是假想的。如剛性

4、壁，活動壁，絕熱壁，透熱壁，半透壁。(3) 不同系統(tǒng)有不同的環(huán)境，常用熱源這一概念描述。,7,2. 相(phase),系統(tǒng)中任何物理和化學(xué)性質(zhì)完全相同的、均勻部分稱為相。根據(jù)相的概念，系統(tǒng)可分為：,單相（均勻）系統(tǒng)多相（不均勻）系統(tǒng),相與相之間有明確的界面。,,,8,氣體物質(zhì)及其混合物：單相。 液體物質(zhì)： 如相互溶解，則形成一個相（如酒精與水）；如互不相溶，混合時，則形成有明顯界面分開的兩個液相（如四氯化碳和水）。 固態(tài)物質(zhì)

5、： 較為復(fù)雜，它有晶態(tài)和非晶態(tài)之分，晶態(tài)中又有多種結(jié)構(gòu)，分屬不同的相。,9,思考： (1) 101.325kPa，273.15K(0℃)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同時共存時系統(tǒng)中的相數(shù)為多少？ (2) CaCO3(s)分解為CaO (s)和CO2(g)并達(dá)到平衡的系統(tǒng)中的相數(shù)為多少？,答案: (1)在此條件下，存在3相（氣、液、固各一相)。 (2)3相（氣體1相，固體2相）。,10,3. 狀

6、態(tài)與狀態(tài)函數(shù)(state and state function),狀態(tài)是系統(tǒng)一切性質(zhì)的總和。有平衡態(tài)和非平衡態(tài)之分。,如系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)都處于定值，則系統(tǒng)為平衡態(tài)。狀態(tài)變化時，系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)也必然發(fā)生部分或全部變化。,11,狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì),狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時，狀態(tài)函數(shù)的變化量只與系統(tǒng)的始、終態(tài)有關(guān)，而與變化的實際途徑無關(guān)。,圖1.2 狀態(tài)函數(shù)的性質(zhì),以下例子說明：當(dāng)系統(tǒng)由始態(tài)變到終態(tài)時，系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)壓力

7、p和體積V的變化量與途徑無關(guān)。,12,狀態(tài)函數(shù)的三個特點： ① 狀 態(tài)一定，其值一定； ② 殊途同歸，值變相等 ； ③ 周而復(fù)始，值變?yōu)榱恪?13,廣度性質(zhì)和強(qiáng)度性質(zhì),狀態(tài)函數(shù)可分為兩類：,廣度性質(zhì)：具有加和性，如體積、質(zhì)量等。,強(qiáng)度性質(zhì)：不具有加和性，如溫度、壓力等。,思考：力和面積是什么性質(zhì)的物理量？它們的商即壓強(qiáng)(熱力學(xué)中稱為壓力)是強(qiáng)度性質(zhì)的物理量。由此可以得出什么結(jié)論？,推論：摩爾體積(體積除以

8、物質(zhì)的量)是什么性質(zhì)的物理量？,答：力和面積都是廣度性質(zhì)的物理量。結(jié)論是兩個廣度性質(zhì)的物理量的商是一個強(qiáng)度性質(zhì)的物理量。,14,4. 過程與途徑,系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生任何的變化稱為過程。,實現(xiàn)一個過程的具體步驟稱途徑。,思考：過程與途徑的區(qū)別。,設(shè)想如果你要把20 ℃的水燒開，要完成“水燒開”這個過程，你可以有多種具體的“途徑”：如可以在水壺中常壓燒；也可以在高壓鍋中加壓燒開再降至常壓。,15,5. 化學(xué)計量數(shù),一般用化學(xué)反應(yīng)計量方程表示化學(xué)反

9、應(yīng)中質(zhì)量守恒關(guān)系， 通式為：,?B 稱為B 的化學(xué)計量數(shù)。符號規(guī)定：反應(yīng)物： ?B為負(fù)；產(chǎn)物：?B為正。,例：應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)通式形式表示下列合成氨的化學(xué)反應(yīng)計量方程式： N2 + 3H2 ＝2NH3,解：用化學(xué)反應(yīng)通式表示為： 0= - N2 - 3H2 + 2NH3,16,對于同一個化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)計量數(shù)與化學(xué)

10、反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)。 例： N2(g) + 3H2(g)＝2NH3(g) v(N2)＝-1， v(H2)＝-3， v(NH3)＝2 1/2N2(g) + 3/2H2(g)＝NH3(g) v(N2)＝-1/2， v(H2)＝-3/2， v(NH3)＝1,17,6. 反應(yīng)進(jìn)度,反應(yīng)進(jìn)度ξ 的定義：,ξ的單位是摩爾(mol)，它與化學(xué)計量數(shù)的選配有關(guān)

11、。,nB 為物質(zhì)B的物質(zhì)的量，d nB表示微小的變化量。,思考：反應(yīng)進(jìn)度與化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫有關(guān)嗎？,答：有關(guān)。如對于反應(yīng) N2 + 3H2 = 2NH3 ，當(dāng)有1mol NH3生成時，反應(yīng)進(jìn)度為0.5mol。,則反應(yīng)進(jìn)度為1 mol。,若將反應(yīng)寫成,18,反應(yīng)進(jìn)度ξ的值為正值。反應(yīng)進(jìn)度只與化學(xué)反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)，而與選擇系統(tǒng)中何種物質(zhì)來表達(dá)無關(guān)。 換句話說，引入反應(yīng)進(jìn)度這個量的最大優(yōu)點是在反應(yīng)進(jìn)行到任意時刻時

12、，可用任一反應(yīng)物或產(chǎn)物來表示反應(yīng)進(jìn)行的程度，所得的值總是相等的。,19,例：      N2(g)＋3H2 (g) ＝2NH3 (g)  反應(yīng)前物質(zhì)的量n1/mol 10 30 0 反應(yīng)某時刻物質(zhì)的量n2/mol

13、 8 24 4 ξ＝[n2(N2)－n1(N2)]/v(N2)＝(8－10) mol/(－1)＝2 mol或 ξ＝[n2(H2)－n1(H2)]/v(H2)＝(24－30) mol/(－3)＝2 mol或ξ＝[n2(NH3)－n1(NH3)]/v(NH3)＝(4－0) mol/2＝2 mol,20,對于同一反應(yīng)，反應(yīng)式寫法不同，vB就不同，因而ξ值不同

14、。例：      1/2N2 (g)＋3/2H2 (g) ＝NH3 (g)  反應(yīng)前物質(zhì)的量n1/mol 10 30 0 反應(yīng)某時刻物質(zhì)的量n2/mol 8 24

15、 4 ξ＝[n2(N2)－n1(N2)]/v(N2)＝(8－10) mol/(－1/2)＝4 mol當(dāng)涉及到反應(yīng)進(jìn)度時，必須指明化學(xué)反應(yīng)方程式。當(dāng)ξ＝1 mol時，表示進(jìn)行了1 mol化學(xué)反應(yīng)，或簡稱摩爾反應(yīng)。,21,1.1.2 反應(yīng)熱的測量,反應(yīng)熱: 化學(xué)反應(yīng)過程中系統(tǒng)放出或吸收的熱量。熱化學(xué)規(guī)定：系統(tǒng)放熱為負(fù)，系統(tǒng)吸熱為正。,摩爾反應(yīng)熱: 當(dāng)反應(yīng)進(jìn)度為1 mol時系統(tǒng)放出或吸收的熱量

16、。,(等容)反應(yīng)熱可在彈式量熱計中精確地測量。測量反應(yīng)熱是熱化學(xué)的重要研究內(nèi)容。,圖1.3 彈式量熱計,Lecture 2,22,1. 反應(yīng)熱的實驗測量方法,設(shè)有n mol物質(zhì)完全反應(yīng)，所放出的熱量使彈式量熱計與恒溫水浴的溫度從T1上升到T2，彈式量熱計與恒溫水浴的熱容為Cs(J·K-1)， 比熱容為cs(J·K-1kg-1 )，則：,由于完全反應(yīng)，ξ = n因此摩爾反應(yīng)熱：,q為一定量反應(yīng)物在給定條件下的反應(yīng)熱

17、效應(yīng)； cs表示溶液的比熱容； ms為溶液的質(zhì)量； Cs為溶液的熱容， Cs＝ cs·ms 對于反應(yīng)熱q，負(fù)號表示放熱，正號表示吸熱。,23,思考：反應(yīng)熱有定容反應(yīng)熱和定壓反應(yīng)熱之分。前者的反應(yīng)條件是恒容，后者的反應(yīng)條件是恒壓。用彈式量熱計測量的反應(yīng)熱是定容反應(yīng)熱還是定壓反應(yīng)熱？,答：定容反應(yīng)熱,24,彈式量熱計所吸收的熱分為兩個部分： (1) 加入的水所吸收的熱； q(H2O)=c(H2O)

18、83;m(H2O)· △T ＝C(H2O)·△T,圖1.3 彈式量熱計,(2) 鋼彈及內(nèi)部物質(zhì)和金屬容器(簡稱鋼彈組件)等所吸收的熱。 qb＝Cb· △T,25,,反應(yīng)所放出的熱等于水所吸收的熱和鋼彈組件所吸收的熱之和： q＝ -｛q(H2O)+ qb} ＝-｛C(H2O)·△T ＋Cb· △T｝

19、 ＝-ΣC · △T,26,例： 聯(lián)氨燃燒反應(yīng)：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：,解：燃燒0.500g聯(lián)氨放熱為,27,2. 熱化學(xué)方程式,表示化學(xué)反應(yīng)與熱效應(yīng)關(guān)系的方程式。其標(biāo)準(zhǔn)寫法是：先寫出反應(yīng)方程，再寫出相應(yīng)反應(yīng)熱，兩者之間用分號或逗號隔開。例如：,N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)；,2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；,若不注明T, p, 皆指

20、在T=298.15 K，p=100kPa下。,28,反應(yīng)熱與反應(yīng)式的化學(xué)計量數(shù)有關(guān)；,一般標(biāo)注的是等壓熱效應(yīng)qp 。,思考：qp與qv相同嗎？,答案：不相同。,書寫熱化學(xué)方程式時應(yīng)注意：,標(biāo)明反應(yīng)溫度、壓力及反應(yīng)物、生成物的量和狀態(tài)；,29,1.2 反應(yīng)熱的理論計算,并不是所有的反應(yīng)熱都可以實驗測定。例如反應(yīng)：,2C(s) + O2(g) = 2CO(g),思考：為什么上述反應(yīng)的反應(yīng)熱無法實驗測定？,答案：實驗過程中無法控制生成產(chǎn)物完全

21、是CO。,只能用理論方法來計算該反應(yīng)的反應(yīng)熱。,30,1.2.1 熱力學(xué)第一定律,封閉系統(tǒng)，不做非體積功時，若系統(tǒng)從環(huán)境吸收熱q，從環(huán)境得功w，則系統(tǒng)熱力學(xué)能的增加ΔU (U2 – U1)為：,ΔU = q + w,熱力學(xué)第一定律：實質(zhì)是能量守恒定律在熱力學(xué)中的的應(yīng)用?！暗谝活愑绖訖C(jī)不可能制成”是熱力學(xué)第一定律的另一種表述。,其中，熱力學(xué)能從前稱為內(nèi)能。,31,1. 熱力學(xué)能(U),系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)動能量的總和。內(nèi)部運(yùn)動包括分子的平動、轉(zhuǎn)動

22、、振動以及電子運(yùn)動和核運(yùn)動。,思考：同樣的物質(zhì)，在相同的溫度和壓力下，前者放在10000m高空，以400m/s飛行的飛機(jī)上，后者靜止在地面上，兩者的內(nèi)能相同嗎？,答：相同。,內(nèi)能的特征： 狀態(tài)函數(shù)； 無絕對數(shù)值； 廣度性質(zhì)。,由于分子內(nèi)部運(yùn)動的相互作用十分復(fù)雜，因此目前尚無法測定內(nèi)能的絕對數(shù)值。,32,2. 熱(q),在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境存在溫度差而交換的能量稱為熱。,熱量q不是狀態(tài)函數(shù),33,3. 功與體積功,功

23、：在物理或化學(xué)變化的過程中，系統(tǒng)與環(huán)境除熱以外的方式交換的能量都稱為功。,功的符號規(guī)定： （注意功符號的規(guī)定尚不統(tǒng)一） 系統(tǒng)得功為正；系統(tǒng)作功為負(fù)。,體積功：由于系統(tǒng)體積發(fā)生變化而與環(huán)境所交換的功稱為體積功w體。所有其它的功統(tǒng)稱為非體積功w ′。,功w不是狀態(tài)函數(shù)。,思考：1mol理想氣體，密閉在 1)氣球中，2) 鋼瓶中；將理想氣體的溫度提高20ºC時，是否做了體積功？,答：1)做體積功；2)未做體積功。,w =

24、 w體+ w ′,34,熱是由于系統(tǒng)間的溫差，功則是因系統(tǒng)間的力差而引起的能量傳遞。熱和功有兩點是相同的：(1)熱和功都是能量；(2)熱和功都不是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)。功是有序能，而熱是無序能。因此，功能夠完全轉(zhuǎn)化為熱，而熱卻不能完全轉(zhuǎn)換為功。功分為體積功和非體積功。無論是壓縮還是膨脹，體積功都為： －p△V ＝－p(V2 — V1),熱與功的比較：,35,1. 2. 2 化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱與焓

25、,通常把反應(yīng)物和生成物具有相同溫度時，系統(tǒng)吸收或放出的熱量叫做反應(yīng)熱。,根據(jù)反應(yīng)條件的不同，反應(yīng)熱又可分為兩種：,定容反應(yīng)熱恒容過程：體積功w體 = 0，不做非體積功（ w ′=0 ）時， w= w體+ w ′=0 ， qV = ΔU,定壓反應(yīng)熱恒壓過程：不做非體積功時， w體= – p(V2–V1)， qp = ΔU + p(V2–V1),3

26、6,1. 焓,qP =△U + p(V2 – V1) = (U2 - U1)+ p(V2 – V1) = (U2 + p 2V2) – (U1 + p 1V1),,令 H = U + p V則 qp =H2 – H1=ΔH,H 稱為焓，是一個重要的熱力學(xué)函數(shù)。△H 叫焓變。,思考：焓是狀態(tài)函數(shù)嗎？能否知道它的絕對數(shù)值？,答： H是U和p、V的一種組合形式，因

27、此也是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，但不能知道它的絕對數(shù)值。,37,公式qp =ΔH 的意義： 1）等壓熱效應(yīng)即為焓的增量，故qP也只決定于始終態(tài)，而與途徑無關(guān)。 2）可以通過ΔH的計算,求出化學(xué)反應(yīng)的qP值。,38,2. 定容反應(yīng)熱與定壓反應(yīng)熱的關(guān)系,已知定容反應(yīng)熱：qV = ΔU；定壓反應(yīng)熱：qp = ΔUp + p(V2 – V1)等溫過程， ΔUp? ΔUV,對于有凝聚相參與的理想氣體反應(yīng)，由于凝聚相相對氣相來說，體積可以

28、忽略，因此在上式中，只需考慮氣體的物質(zhì)的量。,則： ΔH – ΔU = qp – qV = p(V2 – V1),39,思考：若反應(yīng) C(石墨) + O2(g) →CO2(g) 的qp,m為–393.5kJ·mol –1，則該反應(yīng)的qV,m 為多少？,答：該反應(yīng)的Δn(g) = 0， qV = qp,小結(jié)：1)對于沒有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)或Δn(g) = 0的反應(yīng)，qV ? qp2)對于有氣態(tài)物質(zhì)參與的反應(yīng)，且Δn(g)

29、?0時，qV ? qp,40,因為 pV ＝ nRT 若任一氣體的物質(zhì)的量變化為△n(Bg)， 則,例： aA(g) + bB(g)＝gG(g) + dD(g),化學(xué)反應(yīng)的摩爾熱力學(xué)能變△rUm和摩爾焓變△rHm的基本單位均為kJ·mol-1,41,例： 在100℃和101.325 kPa下，由1mol H2O(l) 汽化變成1 mol H2O(g)。在汽化過程中△H 和 △U 是否相等？ 若△H 等于40.63k

30、J·mol-1，則△U為多少？解： H2O(l) ＝H2O(g) (1) 水汽化，有體積功。 所以 △H ≠ △U (2) △U＝ △H－ △ν·RT ＝40.63－(1－0)×(8.314/1000) ×(273.15+100) ＝40.63－3.10＝37.53kJ·

31、;mol-1,42,在通常情況下，反應(yīng)或過程的體積功的絕對值小于5 kJ·mol-1。 若△H數(shù)值較大，則 △H ≈△U,43,3. 蓋斯定律(Hess’s Law）,問題的提出： 1) 測得的熱效應(yīng)常是qv，而不是qp； 2)有些反應(yīng)熱效應(yīng)，難以直接用實驗測定。,44,1840年，G. H. Hess總結(jié)出的反應(yīng)熱總值一定定律。蓋斯定律： 化學(xué)反應(yīng)的恒壓或恒容反應(yīng)熱只與物質(zhì)的始態(tài)或終態(tài)有關(guān)而與變化的

32、途徑無關(guān)。,始態(tài)C(石墨) + O2(g),終態(tài)CO2(g),,中間態(tài)CO(g) + ½ O2(g),,,即熱化學(xué)方程式可像代數(shù)式那樣進(jìn)行加減運(yùn)算。,45,蓋斯定律的應(yīng)用：,蓋斯定律適用于恒壓或恒容條件。應(yīng)用蓋斯定律，可以計算一些很難直接用或尚未用實驗方法測定的反應(yīng)熱。,46,蓋斯定律示例：,,由蓋斯定律知：若化學(xué)反應(yīng)可以加和，則其反應(yīng)熱也可以加和。,解：,47,化學(xué)熱力學(xué)中規(guī)定： 標(biāo)準(zhǔn)壓力：p?＝100kP

33、a。 標(biāo)準(zhǔn)濃度：m ? ＝1.0mol.kg-1)； c?＝1mol·dm-3。 “?”表示“標(biāo)準(zhǔn)”，可讀作“標(biāo)準(zhǔn)”。,1.2.3 反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計算,1. 熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),Lecture 3,48,氣體物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)：在標(biāo)準(zhǔn)壓力p ? 下表現(xiàn)出理想氣體性質(zhì)的純氣體狀態(tài)。,溶液中溶質(zhì)B的標(biāo)準(zhǔn)態(tài): 在標(biāo)準(zhǔn)壓力 p ? 下，質(zhì)量摩爾濃度為m ? (1.0mol.kg-1),并表現(xiàn)出無限稀溶液中溶質(zhì)的狀態(tài);

34、 近似采用c ? =1.0 mol.dm-3。,液體或固體的標(biāo)準(zhǔn)態(tài): 在標(biāo)準(zhǔn)壓力 p ? 下的純液體或純固體。,49,標(biāo)準(zhǔn)條件：標(biāo)準(zhǔn)壓力及標(biāo)準(zhǔn)濃度。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：某物質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓： 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時，由指定的單質(zhì)生成單位物質(zhì)的量的純物質(zhì)時反應(yīng)的焓變叫做該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓 ，記作△fHm?。 規(guī)定：任何指定的單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為零。 (實際上是指定單質(zhì)的相對焓值為零)“指定單質(zhì)”： 一般為最

35、穩(wěn)定的單質(zhì)，如H2(g), N2(g), Cl2(g), Br2(l), C(石墨)，S(正交)，Na(s)等。但是磷較為特殊，指定為P(白磷)，而不是熱力學(xué)上更穩(wěn)定的紅磷。,2. 標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓,50,298.15K時的數(shù)據(jù)可以從教材的附錄3（或其它手冊）中查到。符號： △fHm?(298.15K)， 習(xí)慣簡寫為 ：△fH?(298.15K)生成焓的負(fù)值越大，表示該物質(zhì)的鍵能越大，對熱越穩(wěn)定。H2(g) + ½ O

36、2(g) ＝ H2O(l) △fH?(298.15K)＝－285.8kJ·mol-1 △fH?(H2O, l ,298.15K)＝－285.8kJ·mol-1,51,水合離子的相對焓值： 水合氫離子：H3O+ H+(aq) 規(guī)定： 水合氫離子的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓為零。 △fH

37、?(H+, aq, 298.15K)＝0,52,答： （2）不是,53,3. 反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變的計算,在標(biāo)準(zhǔn)條件下反應(yīng)的摩爾焓變叫做反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變。以△rHm?表示，簡寫為△H?,54,aA(l) + bB(aq) = gG(s) + dD(g)△H?(298.15K)＝g△fH?(G,s,298.15K) ＋d △fH ?(D,g,298.15K) － a△fH?(A,l,298.15K) － b △fH?(B,aq

38、,298.15K),注意： △H? 的數(shù)值與反應(yīng)方程式的寫法有關(guān)。,55,△H?(298.15K)＝－1117.1 kJ·mol-1,表明：在298.15K和標(biāo)準(zhǔn)條件下，按上述化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行1mol反應(yīng)：,放出1117.1 kJ的熱量。,56,,反應(yīng)式兩側(cè)同乘 3/4,△H?(298.15K)＝－1117.1 ×(3/4) ＝－837.8 kJ·mol-

39、1,57,表明在298.15K和標(biāo)準(zhǔn)條件下，1mol 反應(yīng)：,放出837.8 kJ的熱量。,58,,反應(yīng)式兩側(cè)同乘 3/2,△H?(298.15K)＝－1117.1 ×(3/2) ＝－1675.7 kJ·mol-1,59,表明在298.15K和標(biāo)準(zhǔn)條件下，1mol反應(yīng)：,放出1675.7 kJ 的熱量。,因此，在寫△H?(298.15K)的數(shù)值時，應(yīng)指明與之相應(yīng)的反應(yīng)

40、方程式。,60,溫度對△rH ?的值有影響，但一般變化不大。 例： SO2(g) + ½ O2(g) ＝ SO3(g) △ H?(298.15K)＝－98.9 kJ·mol-1 △ H?(873.15K)＝－96.9 kJ·mol-1,在近似估算中，可把△H?(298.15K)作為其它溫度T時的△H?(T)，即 △H?(T

41、)≈ △H?(298.15K),61,注意事項：,查表時要注意物質(zhì)的聚集狀態(tài)；,公式中化學(xué)計量數(shù)與反應(yīng)方程式相符；,數(shù)值與化學(xué)計量數(shù)的選配有關(guān)；,△f H?(298.15K)的數(shù)值有正、有負(fù)；,反應(yīng)的焓變基本不隨溫度而變。,62,思考：正反應(yīng)與逆反應(yīng)的反應(yīng)熱的數(shù)值相等，符號相反。對嗎？,答：對。這 也是熱化學(xué)定律的重要內(nèi)容。,63,例： 設(shè)反應(yīng)物和生成物均處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，計算1mol乙炔完全燃燒放出的能量。,解：從手冊查得298.15K時

42、，各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓如下。,標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變計算示例,64,解： Zn(s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq)+ Cu(s) △fH?(298.15K) /(kJ·mol-1) 0 64.77 -153.89 0△H?(298.15K) ＝△fH?(Zn2+ ,aq,298.15K) ＋ △fH?(C

43、u,s,298.15K) － △fH?(Zn,s,298.15K) － △fH?(Cu2+ ,aq,298.15K) ＝ (－153.89) + 0－0 － 64.77 ＝－218.66 kJ·mol-1,例：計算反應(yīng)：Zn(s) + Cu2+(aq) = Zn2+(aq)+ Cu(s) 的標(biāo)準(zhǔn)焓變△H?(298.15K) ,并簡單說明其意義。,意義： 該氧化還原反應(yīng)能放出相當(dāng)大的能量，在電池反應(yīng)中這部分

44、能量與反應(yīng)的電功之間存在著一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系。,65,1.3 常見能源及其有效與清潔利用,能源是自然界中為人類提供能量的物質(zhì)資源。,能源是當(dāng)今社會的三大支柱（材料、能源、信息）之一。,能源是我們賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。,66,1.3.1 世界能源的結(jié)構(gòu)與能源危機(jī),1.能源的分類,表1.2 能源的分類,67,2. 世界能源的結(jié)構(gòu)和消耗,世界消耗的一次能源結(jié)構(gòu),68,3. 能量消耗前六名的國家,世界六國消耗的一次能源比例及總比例（占世界）,趨勢

45、（比例）：石油和天然氣下降；煤炭上升；核電上升。,69,4. 能源危機(jī),本質(zhì)：能量總量不變，質(zhì)量衰退了，有序能下降?？衫弥坝行堋睖p少了，于是產(chǎn)生了能源危機(jī)。,70,1.3.2 煤炭與潔凈煤技術(shù),我國煤炭的一個特點是煤炭中含硫量較高，煤炭中的硫在燃燒時生成二氧化硫。SO2和粉塵是煤燃燒的主要一次污染物，其中的SO2是造成酸雨的主要原因。所以，煤炭的開采和燃燒都會引起環(huán)境污染。,思考：我國能源的現(xiàn)狀有何特點？,答：1）能

46、源總量豐富，但人均不足； 2）能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比例太小煤炭占一次能源的76%，天然氣消耗只有世界平均的76%，石油消耗只占世界平均的1/3。 3）能源利用率低，能耗高浪費(fèi)嚴(yán)重。,71,1. 煤炭的成分與熱值,煤炭的主要成分：,碳、氫、氧；少量氮、硫、磷等。,氧、硫、磷是煤中的有害成分。,72,2. 潔凈煤技術(shù),CO 40%, H2 5%, 其余N2、 CO2等,40%H2、15%CO、15

47、%CH4 、 30%CO2,73,1.3.3 石油和天然氣,石油:,石油是多種烴類的混合物，其中含有鏈烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴和少量含氧、含硫的有機(jī)物。,思考：世界原油儲量最大的地區(qū)在哪兒？我國的原油產(chǎn)地在哪兒？,答：世界原油儲量最大的地區(qū)是中東。我國的原油產(chǎn)地在東北、西北和山東（黑龍江省的大慶油田、新疆的克拉瑪依油田和山東省的勝利油田是中國三大油田）。,74,1. 石油燃料產(chǎn)品,石油經(jīng)過分餾和裂解等加工過程后可得到石油氣、汽油、煤油、柴油

48、、潤滑油和瀝青等產(chǎn)品。,以上產(chǎn)品中最重要的是什么？,答案：汽油。,95%的汽油用于驅(qū)動汽車。衡量汽油質(zhì)量的一個重要指標(biāo)是辛烷值。直餾汽油的辛烷值約為55~72之間，在汽油中加入少量四乙基鉛可以將辛烷值提高到79~88，為了防止鉛在汽缸中沉積，加入少量二溴乙烷，使生成揮發(fā)性的溴化鉛，與尾氣一同排入大氣。,乙醇汽油？,75,汽油中最有代表性組分是辛烷(C8H18)。 C8H18(l) + 25/2 O2 (g) ＝8CO2

49、(g) +9H2O(l) △H? (298.15K )＝-5440 kJ·mol-1或：△H? (298.15K )＝-47.7 kJ·g-1,76,2. 天然氣,天然氣是低級烷烴的混合物，主要成分是甲烷，常與石油伴生。其熱值約為55.6MJ ?kg-1。,天然氣的優(yōu)點：,可直接應(yīng)用,易于管道輸送,污染少,思考：西氣東送具有哪些重要意義？,77,3. 沼氣和生物質(zhì)能,植物殘體在隔絕空氣

50、的情況下發(fā)生自然分解時產(chǎn)生的氣體稱為沼氣。,沼氣約含60%的甲烷，其余為二氧化碳和少量的CO、H2、H2S等。,思考：可用哪些原料制備沼氣？如果你來自農(nóng)村，你家使用過沼氣嗎？,答：農(nóng)村一般用人畜糞便、雜草等制取沼氣。,生物質(zhì)能的現(xiàn)代利用是將植物枝桿等在汽化爐中加壓汽化制成可燃?xì)怏w。,78,4. 可燃冰—未來的新能源,天然氣被包進(jìn)水分子中，在深海的低溫高壓下形成的透明結(jié)晶，外形似冰，用火柴一點就著，故稱“可燃冰”。 CH4·x

51、H2O (s)。,形成條件：低溫高壓如0℃，76 MPa。儲量：尚難正確估計，各文發(fā)表的數(shù)據(jù)相差較大。預(yù)測總量相當(dāng)于161萬億噸煤，可用100萬年；是地球上煤、石油和天然氣能量總和的2~3倍。分布：深水大陸架和陸地永久凍土帶。我國東海、南海有大量可燃冰，約相當(dāng)于全國石油儲量的一半。開發(fā)利用：開采難。,79,1.3.4 煤氣和液化氣,80,思考：與煤氣相比，液化氣有哪些優(yōu)點？,答：無毒、低污染、熱值高于煤氣。,液化氣作動力→ 綠色汽

52、車← 燃料電池（各國競爭發(fā)展）。,81,1.4 清潔能源與可持續(xù)發(fā)展,思考：目前使用的能源中，哪些是有限的，哪些是無限的(不考慮太陽的壽命)？,答：礦物能源（煤炭和石油）是有限的，來自宇宙的能源（如太陽能）和核能是無限的。,1992年，聯(lián)合國環(huán)境于發(fā)展大會上提出了社會、經(jīng)濟(jì)、人口、資源和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的口號。能源作為最緊缺的資源對人類社會的可持續(xù)發(fā)展起著關(guān)鍵的作用。,82,1.4.1 能源開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展,我國能源結(jié)構(gòu)不合理，優(yōu)質(zhì)能源比

53、重太小。必須合理開發(fā)及進(jìn)一步開發(fā)新能源，才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。,治理前的熱電廠,最有希望的清潔能源是氫能、太陽能、核能和生物質(zhì)能等。,可持續(xù)發(fā)展三原則：公平性、共同性和持續(xù)性。,83,1.4.2 氫能,氫能是一種理想的二次清潔能源。,氫能的優(yōu)點: 熱值高，其數(shù)值為142.9MJ ?kg-1。 燃燒反應(yīng)速率快，功率高 原料是水，取之不盡 產(chǎn)物是水，不污染環(huán)境,思考：用氫作能源目前還存在一些問題，你認(rèn)為是哪些方面的問題？,經(jīng)濟(jì)的制

54、備方法、安全高效的儲運(yùn)方法和有效地利用。,84,1. 氫氣的制取,太陽能光解,電解,思考：用電解的方法大規(guī)模制取用作能源的氫氣可行嗎？,答：從經(jīng)濟(jì)上考慮是不可行的。,利用太陽光的能量催化分解水得到氫氣，最有前途的制氫方法，是研究的熱點。,85,2. 氫氣的儲運(yùn),氫氣的密度小，且極難加壓液化，因此氫氣的儲存和運(yùn)輸是一個比較困難的問題。,合金貯氫法：,原理：氫可以與某些合金在較高的壓力下生成化合物，這些化合物在合適的條件下可以釋放出氫

55、氣。如鑭鎳合金：,開發(fā)研究貯氫合金材料是當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門分支。,86,1.4.3 太陽能,太陽能是一種取之不盡、用之不竭的天然核聚變能。太陽能的利用不會引起環(huán)境污染，不會破壞自然生態(tài)，是人類最可靠、最有前景的能源形式。,思考：如何利用太陽能？,太陽能的利用方法是將太陽能轉(zhuǎn)換為更方便使用的能量形式，主要有以下三種：,轉(zhuǎn)換為熱能 轉(zhuǎn)換為電能 轉(zhuǎn)換為化學(xué)能,87,1. 轉(zhuǎn)換為熱能,太陽能熱水器的工作原理？,其原理是將太陽能轉(zhuǎn)換

56、為熱能，是目前直接利用太陽能的最主要方式。,將光能轉(zhuǎn)換為熱能的關(guān)鍵是吸收材料，一般選用黑色、表面粗糙的材料以減少反射，增加對光子的有效吸收。,思考：太陽光能的缺點是什么？,答：(1)能量密度低，因此設(shè)備的表面積必須很大。 (2) 對天氣的依賴性強(qiáng)。,88,2. 轉(zhuǎn)換為電能,光電池是人們最感興趣的將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種設(shè)備。 當(dāng)光照射到一些半導(dǎo)體材料上時，半導(dǎo)體材料中的電子就可以吸收光子而躍遷到導(dǎo)帶并產(chǎn)生電動勢。

57、,光電池在收音機(jī)、計算器、汽車、飛機(jī)、人造衛(wèi)星等航天器的儀表等方面已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。,89,3. 轉(zhuǎn)換為化學(xué)能,植物能夠從空氣中的二氧化碳和根部吸收的水，利用太陽能進(jìn)行光合作用合成碳水化合物而以化學(xué)能的形式儲存能量。,太陽能光解制氫是近幾年的熱門研究課題。這是將太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的一種最有效的方法。,模擬光合作用也是各國科學(xué)家感興趣的課題。,90,選讀材料 核能,核能的產(chǎn)生主要有兩種方式：核裂變和核聚變。釋放的能量用質(zhì)能方程計

58、算：,在中子的轟擊作用下，較重原子核分裂成輕原子核的反應(yīng)稱為核裂變反應(yīng)。,Ⅰ. 核燃料和核能的來源核裂變反應(yīng),91,該反應(yīng)損失質(zhì)量Δm = 0.2118g·mol-1，能量變化為：,此能量相當(dāng)于634.5噸標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒所釋放的能量。,核裂變是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，不加控制則可制造成原子彈；如加以控制，例如使用慢化劑—水、重水和石墨，則可建造成核電站。,92,圖 氫彈爆炸,太陽能就是氫的核聚變能，經(jīng)計算1mol 聚變放出

59、的能量為：,由于氫原子質(zhì)量小，如折合成每克 物質(zhì)反應(yīng)的熱量， 則氫聚變所釋放能量是相同質(zhì)量的鈾裂變能量的3倍多。,93,Ⅱ. 核電的優(yōu)勢與發(fā)展趨勢,發(fā)展核能是必由之路 由其優(yōu)勢決定：高密度、清潔、經(jīng)濟(jì)、安全的能源。,核電的發(fā)展趨勢熱堆的應(yīng)用。用廣泛但燃料利用率很低；完善、智能化。(2)快堆的應(yīng)用。核燃料利用充分，但工藝復(fù)雜，成本較高。加快研究和開發(fā)。(3)可控?zé)峋圩兌选Ｌ幱诨A(chǔ)研究階段，前景誘人。,94,作業(yè)：,Lect

60、ure 1,一、思考題（ p42） 2， 3,95,作業(yè)：,Lecture 2,一、思考題（ p42） 4 ～ 11二、習(xí)題（p43） 1. 2. 4.,96,作業(yè)：,Lecture 3,一、思考題( p42) 12 ～ 14二、習(xí)題（p43） 6. 8. 10,精品課件！,精品課件！,99,作業(yè)：,一、思考題（ p42） 1,