医用基础化学5热力学.ppt
《医用基础化学5热力学.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《医用基础化学5热力学.ppt(84页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、第5章 化学热力学基础,Chemical Thermodynamics,第5章 化学热力学基础,指定条件下能否发生反应?反应可以进行到什么程度?反应中能量变化如何?,化学热力学是应用热力学的基本原理研究化学反应的物质转变规律和能量转变规律的一门科学,化学热力学的研究内容,5.1 基本概念和术语,5.1.1 体系和环境体系:研究的对象。环境:体系以外并且与体系密切相关的部分。热力学体系分类:,5.1 基本概念和术语,二、状态、状态函数和过程1.状态:即体系的存在形式,或体系的样子。体系的状态是体系全部性质(物理性质和化学性质)的综合体现。2.状态函数:要知道体系处于什么状态,就需要用一些宏观物理
2、量如体积V、温度T、压力p、质量m、物质的量n 等对体系的状态进行描述和规定。这些宏观物理量称为体系的状态函数,又称为状态性质。这些性质都是宏观的物理量。当这些函数都具有确定的量值而且不随时间而变化时,体系就处在一定的状态。,5.1 基本概念和术语,当体系的状态发生了变化时,则体系必定有某些状态函数的值发生了改变。同样,只要体系有某个状态函数发生了改变,则体系的状态必然发生了变化。体系的各种状态函数之间是相互联系的,即相互之间存在函数关系。例如 理想气体的p、V、n、T之间就存在关系式pV=nRT 因此在描述体系的状态时,并不需要将体系所有状态函数的值均列出来。,5.1 基本概念和术语,3.过
3、程体系从一种状态变化到另一种状态的经历称为过程。始态 过程的起始状态。终态 过程的终止状态。(1)等温过程(恒温过程):T=0 T始态=T终态=T环境 T环境在过程中恒定不变(2)等压过程:p=0 p始态=p终态=p环境 p环境在过程中恒定不变(3)等容过程:V=0 V始态=V终态 V在过程中恒定不变,过程进行的具体方式是多种多样的。每一种具体方式称为一种途径。,5.1 基本概念和术语,始态状态1T1,P1,终态状态2T2,P2,途径二先变压,后变温,途径一先变温,后变压,从一个状态变化到另一状态有多种途径,5.1 基本概念和术语,状态函数的特性:体系的状态一定,状态函数的量值就一定。体系的状
4、态改变,状态函数的量值可能改变,但状态函数的变化值只取决于始态和终态,而与变化过程无关。TT2 T1,5.1 基本概念和术语,热和功是体系在发生某一过程时与环境之间交换能量的两种不同形式。5.1.3 热与功热(Q):体系和环境之间由于温度差而交换的能量形式。功(W):体系和环境之间除了热以外的一切能量交换形式。,5.1 基本概念和术语,3.热力学规定:体系向环境放热,Q 0;体系对环境作功,W 0(环境对体系作功)要点:使体系能量升高为正,5.1 基本概念和术语,4.体积功和非体积功W总=W体+WW体:体积功或膨胀功,W:非体积功,体积功计算:W 体=-Fl=-p外Al=-p外V,5.Q,W
5、均不是状态函数。,5.1 基本概念和术语,化学反应式 d D+e E=g G+h H,0=d D e E+g G+h H,或,5.1.4 反应进度 1.化学计量数,式中,d,e,g,h即B称为所给化学反应式中各物质的化学计量数,5.1 基本概念和术语,2.反应进度:化学反应 d D+e E=g G+h H反应过程中,从反应开始到某一时刻,各物质的变化量nB 之间的关系为,称为化学反应进度,单位 mol。简称反应进度。,5.1 基本概念和术语,例5-1 10.0molH2和5.0molN2在合成塔中混合后经过一定时间,反应生成2.0molNH3,反应式可写成如下两种形式:(1)N2+3H2=2N
6、H3(2)1/2 N2+3/2 H2=NH3 分别按(1)和(2)两种方程式求算此反应的。,5.1 基本概念和术语,解:反应在不同时刻各物质的量(mol)为:n(N2)n(H2)n(NH3)t=0=0 时 5.0 10.0 0 t=t=时 4.0 7.0 2.0 按方程式(1)N2+3H2=2NH3求:,5.1 基本概念和术语,按方程式(2)1/2 N2+3/2 H2=NH3求:,5.1 基本概念和术语,结论:对于同一反 应方程式,的值与选择何种物质来求算无关。反应式写法不同,或者说化学反应的基本单元定义不同,反应进度也不同。注意:计算 时必须写出具体的反应方程式。,5.2 化学反应热,5.2
7、.1 热力学能和焓1.热力学能:(内能U)体系内部能量的总和。包括:平动能;振动能;转动能;势能;核能等。单位是J或kJ特点:内能是状态函数:状态一定,U一定。因微观粒子运动复杂性,内能的绝对值无法确定。体系从状态1变化到状态2的热力学能的变化量U=U 2 U 1 U 称为热力学能变,很容易测定。,5.2 化学反应热,5.2.1 热力学能和焓2.焓定义 H=U+pV H称作焓,单位J、kJ。焓H是由几个状态函数组合而成的,因此焓H也是一个状态函数。焓的绝对值也无法测定。体系从状态1变化到状态2的焓的变化量H=H 2 H 1 H 称为焓变,可以测定。,5.2 化学反应热,根据焓的定义,有H=H
8、2 H 1=(U+pV)2(U+pV)1=(U 2 U 1)+(p2V2 p1V1)=U+(pV)对于等压过程,有H=U+pV对于指定的始终态,U和H是定值,与过程的具体途径无关。,5.2 化学反应热,5.2.2 热力学第一定律 1.热力学第一定律:自然界的一切物质都具有能量,能量有各种不同的形式,并可以从一种形式转化为另一种形式,在转化过程中,能量的总值是恒定不变的。U=U2-U1=Q+WU是状态函数,Q、W不是状态函数只要始态和终态一定,不同过程的Q或 W的数值可以不同,但 QW,与U一样。,5.2 化学反应热,2.等容热:若等容过程(即V=0),体系不做非体积功,则U=QV+W=QV-p
9、V=QvQv表示等容反应热。即等容反应热等于体系的内能变化。体系内能的绝对值无法确定,但它的改变量可以用等容反应热来量度。,5.2 化学反应热,3.等压热等压、不做非体积功条件下U=Qp+W=Qp p外V 或 Qp=U+p外V式中,Qp 表示等压反应热。因为等压过程 p1=p2=p外,Qp=U+pV所以 H=QpH 0 表示反应是吸热反应;H 0 表示反应是放热反应,5.2 化学反应热,5.2.3 化学反应热1.反应热:在不作非体积功的等温等压或等温等容条件下,体系在化学反应过程中与环境交换的热称为化学反应热,简称反应热。其中在等压条件下的反应热称为等压反应热;在等容条件下的反应热称为等容反应
10、热。,5.2 化学反应热,2.等压反应热rH=QprH称为反应的焓变,又称反应焓。体系在反应过程中状态函数的改变值通常用rZ来表示,下标“r”表示化学反应。H 0 表示反应是吸热反应;H 0 表示反应是放热反应。3.等容反应热rU=QvrU称为反应热力学能变,或反应内能变。,5.2 化学反应热,说明:因为化学反应通常在等温等压下,封闭体系中进行,又不做非体积功。一般rH=Qp因此,用得最多的是等压反应热,通常反应热就指的是等压反应热。,5.2 化学反应热,5.2.4 热化学方程式 表示化学反应与反应热关系的方程式。,5.2 化学反应热,的含义 H:等压反应热(或焓变),r:表示反应(react
11、ion);m:表示反应进度为1mol的反应热;与方程式写法有关;T:反应温度;温度为298.15K时可省略;:表示标准态,即此反应热是在标准状态下的数值,物质所处的状态不同,反应热效应的大小也不同。,5.2 化学反应热,标准态:在温度T和标准压力p(100kPa)下物质的状态。气体:压力(分压)为标准压力的理想气体;纯液体(或纯固体):标准压力下的纯液体(或纯固体)。溶液:标准压力下,溶质浓度为1molL-1 或 质量摩尔浓度为1molkg-1的理想稀溶液。标准态未指定温度。IUPAC推荐298.15K为参考温度。,5.2 化学反应热,热化学方程式的正确书写:必须写出完整的化学反应计量方程式。
12、要标明参与反应的各种物质的状态,用g,l和s分别表示气态、液态和固态,用aq表示水溶液(aqueous solution)。如固体有不同晶型,还要指明是什么晶型。要标明温度和压力。298.15K下进行的反应可不标明温度。标态下要用上标“”。要标明相应的反应热。,5.2 化学反应热,5.2.5 Hess定律 1.Hess定律:化学反应热只决定于体系的始态和终态,与反应是一步还是分几步完成无关。意义:预言尚不能实现的化学反应的反应热。计算实验测量有困难的化学反应的反应热。,5.2 化学反应热,2.由已知的热化学方程式计算反应热例 已知在298.15K下,下列反应的标准摩尔焓变C(gra)+O2(g
13、)=CO2(g)CO(g)+O2(g)=CO2(g)求:(3)C(gra)+O2(g)=CO(g)的。,5.2 化学反应热,解:C(gra)+O2(g)CO2(g),=(-393.5)-(-282.99)=-110.51 kJmol-1,CO(g)+O2(g),(3),(2),(1),5.2 化学反应热,Hess定律可以看成是“热化学方程式的代数加减法”:反应方程式相加减,则反应热相加减。C(gra)+O2(g)=CO2(g)CO(g)+O2(g)=CO2(g)C(gra)+O2(g)=CO(g)反应(3)反应(1)-反应(2),5.2 化学反应热,“同类项”(即物质和它的状态均相同)可以合并
14、、消去。移项后要改变相应物质的化学计量系数的符号。若反应式乘以系数,则反应热也要乘以相应的系数。即反应式之间存在关系a(1)+b(2)=c(3),则反应热存在关系为,5.2 化学反应热,例 在金属冶炼中CO常常被用来使金属氧化物还原,从而得到金属单质。如下反应:(l)Fe2O3+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)=-26.7 kJmol-1 己知(2)CO(g)+1/2 O2(g)=CO2(g)=-283.0 kJmol-1求(3)2Fe(s)+3/2O2(g)=Fe2O3(s)的=?解 考察各热化学方程式知:3(2)-(1)即可得热化学方程式(3),所以=3-=-822.3 kJmo
15、l-1,5.2 化学反应热,5.2.6 标准摩尔生成焓1.物质B的标准摩尔生成焓:标准状态下由稳定单质生成1mol物质B时的焓变。符号:f Hm 单位:kJ mol-1规定:稳定单质的f Hm为零。如碳的稳定单质指定是石墨而不是金刚石。例:Ag(s)+1/2Cl2(g)AgCl(s),rHm=-127 kJmol-1f Hm(AgCl(s)=rHm=-127 kJmol-1,5.2 化学反应热,2.由标准摩尔生成焓计算反应热化学反应 d D+e E=g G+h H,反应物,产物,最稳定单质,5.2 化学反应热,5.2 化学反应热,例:试用标准摩尔生成焓计算其标准摩尔反应热 C6H12O6(s)
16、+6O2(g)6CO2(g)+6H2O(l)解:查表得:f HmC6H12O6(s)=-1274.5 kJmol-1 f HmCO2(g)=-393.51kJmol-1 f HmH2O(l)=-285.83 kJmol-1 rHm=6 f HmCO2(g)+6f HmH2O(l)-f HmC6H12O6(s)-6f HmO2(g)=-2801.6 KJmol-1,5.3 化学反应的方向和限度,自发过程1.自发过程(spontaneous process):不需要任何外力推动就能自动进行的过程。如为化学反应过程则称为自发反应。非自发过程:需要外力才能进行的过程。如果环境不对体系作非体积功,非自发
17、过程是不可能进行的。,5.3 化学反应的方向和限度,状态2,状态1,自发过程,非自发过程,d D+e E g G+h H,自发反应,非自发反应,2.基本特征:1)单向性:自动地向一个方向进行,不会自动地逆向进行。,5.3 化学反应的方向和限度,高处水,低处水,高温物体,低温物体,高压气体,低压气体,Zn+CuSO4,Cu+ZnSO4,自发流动,抽水机,自发传热,致冷机,自发流动,压缩机,自发反应,电解,5.3 化学反应的方向和限度,高处水,低处水,高温物体,低温物体,高压气体,低压气体,Zn+CuSO4,Cu+ZnSO4,自发流动,推动水轮机做功,自发传热,推动热机做功,自发流动,推动风车做功
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 医用 基础 化学 热力学
链接地址:https://www.31ppt.com/p-6222075.html