浙江大学普通化学(第六版)第一章课件-热化学与能源.ppt

1,欢迎大家共同学习普通化学课程！,教材：普通化学 (第六版)浙江大学普通化学教研组编徐端钧 方文军 聂晶晶 沈宏修订高等教育出版社，北京出版年：2011年6月,2,绪论,化学是一门既古老又年轻的科学。,化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学，主要是研究物质的分子转变规律的科学。化学与物理一起属于自然科学的基础学科。 化学的分支比较多。,研究现状(2000年)化合物2000万种时间分辨率：1 fs (飞秒（femtosecond）1 飞秒 为千万亿分之一秒 )空间分辨率：0.1nm分析所需最小量：10-13 g。,3,1 化学的地位和作用,化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一 （农作物丰产，杂交水稻）,化学继续推动材料科学发展 （高分子复合材料的研发）,化学是提高人类生存质量和生存安全的有效保障 （提倡绿色化学，有机食品等）,化学在能源和资源的合理开发和高效安全利用中起关键作用,化学是生命科学的重要支柱,4,2 学习的目的、内容和要求,5,1.课前预习，浏览一遍今天老师要讲什么，在心理上有个准备；2.课堂上，准备一笔记本，注意听记，这是提高听课效率确保不走神，能跟上讲课思路的最佳方法；其二，笔记内容为课后复习以及期末的复习重要依据；3.下课时，请静坐1分钟时间，回顾一下本节课讲了什么；4.课后复习总结，包括做习题作业、看参考书等，希望对每一章以自己的方法、思路能总结一下，期末时只要看自己的总结就能复习全书。,课程要求,6,7,热化学与能源,第1章,8,目录,1.1 热化学1.2 反应热与焓1.3 能源的合理利用选读材料 核能. 核燃料和核能的来源. 核电的优势与发展趋势本章小结,9,1 .1 热化学,系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和 空间。,开放系统有物质和能量交换,封闭系统只有能量交换,1.1.1 几个基本概念,1 系统与环境,图1.1 系统的分类,隔离系统无物质和能量交换,10,2 相,系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分称为相。根据相的概念，系统可分为：,单相（均匀）系统多相（不均匀）系统,相与相之间有明确的界面。,思考：1) 101.325kPa，273.15K(0C)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少。2) CaCO3(s)分解为CaO (s)和CO2(g)并达到平衡的系统中的相数。,11,3 状态与状态函数,状态就是系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之分。,如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部变化。,12,状态函数的性质,状态函数是状态的单值函数。 当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。（特点）,图1.2 状态函数的性质,以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数压力p和体积V的变化量与途径无关。,13,广度性质和强度性质,状态函数可分为两类：,广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等。,强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力等。,特点：状态一定,状态函数一定。 状态变化,状态函数也随之而变,且 状态函数的变化值只与始态、终态 有关,而与变化途径无关。,注意：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的物理量？,14,4 过程与途径,系统状态发生任何的变化称为过程；,实现一个过程的具体步骤称途径。,思考：过程与途径的区别。,设想如果你要把20 C的水烧开，要完成“水烧开”这个过程，你可以有多种具体的“途径”：如可以在水壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧。,15,5 化学计量数,一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒关系， 通式为：,B 称为B 的化学计量数。符号规定：反应物： B为负；产物：B为正。 没有量纲的纯数,附例1.1 应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反应计量方程式： N2 + 3H2 = 2NH3,解：用化学反应通式表示为： 0= - N2 - 3H2 + 2NH3,16,6 反应进度,反应进度 的定义：,反应进度的单位是摩尔（mol），它与化学计量数的选配有关。,nB 为物质B的物质的量，d nB表示微小的变化量。或定义,思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？,17,1.1.2 热效应及其测量,反应热指化学反应过程中系统放出或吸收的热量。热化学规定：系统放热为负，系统吸热为正。,摩尔反应热指当反应进度为1 mol时系统放出或吸收的热量。,思考：反应热有定容反应热和定压反应热之分。前者的反应条件是恒容，后者的反应条件是恒压。用弹式量热计测量的反应热是定容反应热还是定压反应热？,答：定容反应热,（等容）反应热可在弹式量热计中精确地测量。测量反应热是热化学的重要研究内容。,18,1 反应热的实验测量方法,设有n mol物质完全反应，所放出的热量使弹式量热计与恒温水浴的温度从T1上升到T2，弹式量热计与恒温水浴的热容为Cs(JK-1)， 比热容为cs(JK-1kg-1 )，则：,由于完全反应， = n因此摩尔反应热：,图1.3 弹式量热计,19,示例,例1.1 联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：,解：燃烧0.5g联氨放热为,20,2 热化学方程式,表示化学反应与热效应关系的方程式称为热化学方程式。其标准写法是：先写出反应方程，再写出相应反应热，两者之间用分号或逗号隔开。例如：,标明反应温度、压力及反应物、生成物的 量和状态；,书写热化学方程式时应注意：,N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l)；,2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；,若不注明T, p, 皆指在T=298.15 K，p=100kPa下。,21,反应热与反应式的化学计量数有关；,一般标注的是等压热效应qp。,思考：qp与qv相同吗？。,不相同,2H2(g)+O2(g)=2H2O (l)；,H2(g)+1/2O2(g)=H2O (l)；,qp,m=-285 kJmol-1,22,1.2 反应热与焓,并不是所有的反应热都可以实验测定。例如反应：,2C(s) + O2(g) = 2CO(g),为什么上述反应的反应热无法实验测定？,实验过程中无法控制生成产物完全是CO。,因此，只能用理论方法来计算反应热。,23,1.2.1 热力学第一定律,封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热q，从环境得功w，则系统内能的增加U (U2 U1)为：,U = q + w,热力学第一定律的实质是能量守恒定律在热力学中的的应用。,其中，内能现称为热力学能。,24,1 热力学能,系统内部运动能量的总和。内部运动包括分子的平动、转动、振动以及电子运动和核运动。,思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在10000m高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上。两者的内能相同吗？,相同。,内能的特征： 状态函数 无绝对数值 广度性质,由于分子内部运动的相互作用十分复杂，因此目前尚无法测定内能的绝对数值。,25,2 热,在物理或化学变化的过程中，系统与环境存在温度差而交换的能量称为热。,热的符号规定： 系统吸热为正，系统放热为负。,热量q不是状态函数,26,3 功与体积功,在物理或化学变化的过程中，系统与环境除热以外的方式交换的能量都称为功。,功的符号规定： （注意功符号的规定尚不统一）系统得功为正，系统作功为负。,由于系统体积发生变化而与环境所交换的功称为体积功w体。所有其它的功统称为非体积功w 。,功w也不是状态函数,思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2) 钢瓶中；将理想气体的温度提高20C时，是否做了体积功？,1)做体积功，2)未做体积功。,w= w体+ w ,27,一封闭系统，热力学能U1，从环境吸收热q ，得功w，变到状态2，热力学能U2，则有：,U1,U2,q 0,w 0,28,4 体积功w体的计算,等外压过程中，体积功w体= p 外(V2 V1) = p外V,外 = F / A，l = V / A，因此，体积功w体= F l = (p外 A) (V/A) = p外 V,图1.4 体积功示意图,29,5 理想气体的体积功,根据理想气体的状态方程：,附例1.2 1 mol理想气体从始态100kPa, 22.4dm3经等温恒外压p2 = 50kPa膨胀到平衡，求系统所做的功。,解：终态平衡时的体积为：,负值表示系统对外做功。,30,1. 2. 2 化学反应的反应热与焓,通常把反应物和生成物具有相同温度时，系统吸收或放出的热量叫做反应热。,根据反应条件的不同，反应热又可分为：,定容反应热恒容过程，体积功w体 = 0，不做非体积功 w =0时，所以， w= w体+ w =0 ，qV = U,定压反应热恒压过程，不做非体积功时， w体= p(V2V1)，所以qp = U + p(V2V1),这就说明了qp与qv的不同，二者间差一相体积功。,31,1 焓, qP =U + p(V2 V1) = (U2 - U1)+ p(V2 V1) = (U2 + p 2V2) (U1 + p 1V1),公式qp =H 的意义：等压热效应即为焓的增量，所以可以通过H的计算求出qP 的值。,令 H U + p V则qp =H2 H1=H,H 称为焓，是一个重要的热力学函数。,思考：焓是状态函数吗？能否知道它的绝对数值？,是状态函数，但不能知道它的绝对数值。,32,2 定容反应热与定压反应热的关系,已知定容反应热：qV = U；定压反应热：qp = Up + p(V2 V1)等温过程， Up UV，则：,对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气相来说，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体的物质的量。,H U = qp qV = p(V2 V1),思考：若反应 C(石墨) + O2(g) CO2(g) 的qp,m为393.5kJmol 1，则该反应的qV,m 为多少？,该反应的n(g) = 0， qV = qp,所以对于没有气态物质参与的反应或n(g) 0的反应，qV qp对于有气态物质参与的反应，且n(g)0的反应，qV qp,33,3 盖斯定律,化学反应的恒压或恒容反应热只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。,始态C(石墨) + O2(g),终态CO2(g),中间态CO(g) + O2(g),即热化学方程式可像代数式那样进行加减运算。,34,盖斯定律示例,由盖斯定律知：若化学反应可以加和，则其反应热也可以加和。,解：,35,1.2.3 反应标准摩尔焓变,1 热力学标准态：,36,2 标准摩尔生成焓,指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l) 等。但P为白磷(s)，即P（s，白）。,298.15K时的数据可以从手册上查到。（附录3 p357）,思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓(反应物和生成物都是标准态)?,(1)(2)(3),规定：标准态指定单质的标准生成焓为0。生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。,37,3 标准摩尔焓变及测定,测定原理：由于qp =H所以可以通过在标准状态下测定恒温恒压条件下的反应热得到反应标准摩尔焓变.,标准状态下,反应进度 = 1mol的焓变称为反应的标准摩尔焓变:记作,38,4 反应的标准摩尔焓变的计算,稳定单质,可从手册数据计算298.15K时的标准摩尔反应焓.,39,标准摩尔反应焓变计算示例,解：从手册查得298.15K时Fe2O3和Al2O3的标准摩尔生成焓分别为824.2和1675.7kJmol-1。,40,注意事项,物质的聚集状态，查表时仔细,应用物质的标准摩尔生成焓计算标准摩尔反应焓时需要注意,公式中化学计量数与反应方程式相符,数值与化学计量数的选配有关；,41,附例1.4 设反应物和生成物均处于标准状态，计算1mol乙炔完全燃烧放出的能量。,解：从手册查得298.15K时，各物质的标准摩尔生成焓如下。,42,1.3 能源的合理利用,能源是自然界中为人类提供能量的物质资源。,能源是当今社会的三大支柱（材料、能源、信息）之一。,能源是我们赖以生存的重要物质基础。,43,1.3.1 煤炭与洁煤技术,注意：我国能源结构的特点：,我国的能源结构中，煤炭占据重要地位：占总能量的70%以上。此外，我国也是世界上煤炭储量最大的国家，因此，如何高效、科学、清洁地利用煤炭资源是我国能源科学和研究中的重要课题。,我国煤炭的一个特点是煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中的二氧化硫是造成酸雨的主要原因。,44,洁净煤技术,洁净煤技术于1986年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一。,合成汽油,(新型液态燃料),45,1.3.2 石油和天然气,石油,石油是多种烃类的混合物，其中含有链烷烃、环烷烃、芳香烃和少量含氧、含硫的有机物。,问题：世界原油储量最大的地区在哪儿？我国的原油产地在哪儿？,世界原油储量最大的地区是中东。我国的原油产地在东北、西北和山东（黑龙江省的大庆油田、新疆的克拉玛依油田和山东省的胜利油田是中国三大油田）。,46,天然气是低级烷烃的混合物，主要成分是甲烷，常与石油伴生。,天然气的优点：,可直接应用,易于管道输送,污染少,47,1.3.3 氢能和太阳能,太阳能：天然的核聚变能。,48,本章小结,了解若干热力学基本概念（如状态函数、热力学标准态、反应进度、焓等）和定容热效应q的测定;理解热化学定律及其应用；掌握反应的标准摩尔焓变的近似计算；了解能源的概况和我国能源的特征，及可持续发展战略。,49,学习要求： 了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验 计算 方法。 了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热效应与热力学能变的关系。掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。 了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。,