内蒙古科技大学：《普通化学》课程授课教案（讲义）第一章 热化学与能源

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 王震平普通T化学讲义 第一章热化学与能源 1.1、 反应热的测量 1.1.1、几个基本概念 1.1.11、 系统与环境 令系统：研究的对象称为系统，是根据研究目的人为划分的，也称体系 环境： 系统以外与系统有关的部分称为环境 举例 水和水杯作为系统的话，与其接触的空气可称作环境： 水杯为研究系统的话，水和空气可看作环境 图1一 令系统的分类：根据系统和环境是否有物质和能量交换，可分为： 开系，系与环培之间斯有物质换 又有能最传递 封闭系统：系统与环境之何没有物质交换， 只有能量传递 區离系统：系统与环境之间没有物质交换，也没有能量传递，又称孤立系统 B 图1-2 1.1.12、 相 令定义：系统中物理性质及化学性质完全均匀一致的部分称为相 ◇根据系统所含相的数目，系统可分为： 单相系统（均相系统 多相系统（非均相系统） 令特点：多相系统中，相与相之间有明显界面，越过界面时有一些宏观性质（如密度、 折射率和组成等)会发生突变 气体混合物为一相 液体可 相（纯水 水+乙)， 两相 (水+苯)或三相（复杂） 固体有几种组成就有几相，特例：固溶体（如合金）为一相：而同一种固体的不同颗粒 仍属同一相，因为尽管颗粒之间有界面，但体相的性质是相同的（如玻璃？）。 固溶体：即固体溶液，固体以分子或原子状态均匀地分散到另一种固体的晶格中，形成 性质均匀的固体容液。 思考：()101325Pa,273.15K下，H0 0,HOg同时存在时，系统中有几相？ (2)CaC0s一Ca0s+C0g?三相系纷 1113、 状态上与状态函数 令状态：就是系统一切性质的总和：有平衡态和非平衡态之分，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。 女状态函数：用来表示系统性质的物理量，如p,T,V等

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 王震平 普通化学讲义 1 第一章 热化学与能源 1.1、 反应热的测量 1.1.1、 几个基本概念 1.1.1.1、 系统与环境：  系统：研究的对象称为系统，是根据研究目的人为划分的，也称体系 环境：系统以外与系统有关的部分称为环境 举例： 水和水杯作为系统的话，与其接触的空气可称作环境； 水杯为研究系统的话，水和空气可看作环境  系统的分类：根据系统和环境是否有物质和能量交换，可分为： 敞开系统：系统与环境之间既有物质交换，又有能量传递 封闭系统：系统与环境之间没有物质交换，只有能量传递 隔离系统：系统与环境之间没有物质交换，也没有能量传递，又称孤立系统 A B C 图1-2 1.1.1.2、 相  定义：系统中物理性质及化学性质完全均匀一致的部分称为相  根据系统所含相的数目，系统可分为： 单相系统（均相系统） 多相系统（非均相系统）  特点：多相系统中，相与相之间有明显界面，越过界面时有一些宏观性质（如密度、 折射率和组成等）会发生突变 气体混合物为一相 液体可有一相（纯水，水+乙醇），两相（水+苯）或三相（复杂） 固体有几种组成就有几相，特例：固溶体（如合金）为一相；而同一种固体的不同颗粒 仍属同一相，因为尽管颗粒之间有界面，但体相的性质是相同的（如玻璃？）。 固溶体：即固体溶液，固体以分子或原子状态均匀地分散到另一种固体的晶格中，形成 性质均匀的固体溶液。 思考：(1)、101325Pa，273.15K 下，H2O(s)，H2O(l)，H2O(g)同时存在时，系统中有几相？ (2)、 ? CaCO3(S )  CaO(S ) CO2( g ) 三相系统 1.1.1.3、 状态与状态函数  状态：就是系统一切性质的总和；有平衡态和非平衡态之分，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。  状态函数：用来表示系统性质的物理量，如 p，T，V 等 图1-1

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 玉意平普通T化学拼义 令状态函数分类： 广度性质状态函数：其量值具有加和性，如：V,m等 强度性质状态函数 其量值不具有加和性， p等 力和面积是广度性质的物理量，而压强是强度性质的物理量，可以得出：某些广度性质 物理量相除可得到一个强度性质物理量，也就是说，确定系统状态有一部分状态函数就 够了。 女状态函数的特点 a) 状本 定状态函数就有定值 b)、 知热 杯20℃的水 →500 先冷却到0℃，再加热 如： 图1-3 女这些性质可用全微分式表达： 是状态数当：=心小则有：止-（假，血 dx c以、 系统若恢复原状，则状态函数也恢复原状 1.14 过程：系统状态发生的任何变化称为过程 途径：实现一个过程的具体步骤称为途径 如图1-3：实现20℃-50℃这一个过程可以有多种具体的途径 令可逆过程：系统经过一过程，由状态【变到状态Ⅱ 后，如果通过逆过程能使系统和环境都完全复原，这样 的过程称为可逆过程，它是在 ·系列无限接近平衡条件 下进行的过程。 例：把气体从V,压缩到V,的过程有如下途径，过程中 T不变，计算环境对系统做体积功W a、 若在相当于P1的恒外压下将气体压缩 b)、 经过两次以上恒压压缩过程（外压逐级提高） W、=-D'(V"-V,)-D.(V-V) c小 如果外压始终比内压大一个无限小的即 W;=-["p dv =-["(p+dp)dv =-["pdv 可以得到：W>W>W,即等温条件下，无摩擦的 准静态时程中环培对系统做功最小 可以得到 相同过程的不同途径 环境与系统传递的功 值不同，所以，功不是状态函数 111.5 化学计量数 一般用化学反应计量方程来表示化学反应中质量 2

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 王震平 普通化学讲义 2  状态函数分类： 广度性质状态函数：其量值具有加和性，如：V，m 等 强度性质状态函数：其量值不具有加和性，如：T，p 等 力和面积是广度性质的物理量，而压强是强度性质的物理量，可以得出：某些广度性质 物理量相除可得到一个强度性质物理量，也就是说，确定系统状态有一部分状态函数就 够了。  状态函数的特点 a)、 状态一定状态函数就有定值 b)、 状态改变，状态函数也改变，它的改变量与过程无关，只与始终态有关 如： 一杯20℃的水 50℃ 先加热到100℃，再冷却 先冷却到0℃，再加热 加热 图1-3  这些性质可用全微分式表达： 若 Z 是状态函数，当 z  f x, y，则有： dy y z dx x z dz y x                     c)、 系统若恢复原状，则状态函数也恢复原状 1.1.1.4、 过程与途径  过程：系统状态发生的任何变化称为过程 途径：实现一个过程的具体步骤称为途径 如图 1-3：实现 20℃-50℃这一个过程可以有多种具体的途径  可逆过程：系统经过一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ 后，如果通过逆过程能使系统和环境都完全复原，这样 的过程称为可逆过程，它是在一系列无限接近平衡条件 下进行的过程。 例：把气体从 V2压缩到 V1的过程有如下途径，过程中 T 不变，计算环境对系统做体积功 W a)、 若在相当于 p1 的恒外压下将气体压缩 ( ) W1   p1 V1 V2 b)、 经过两次以上恒压压缩过程（外压逐级提高） ( ) ( ) W2   p V V2  p1 V1 V c)、 如果外压始终比内压大一个无限小的 dp           1 2 1 2 1 2 ( ) 3 V V V V V V su W p dV p dp dV pdV 可以得到： W1  W2  W3 ，即等温条件下，无摩擦的 准静态过程中环境对系统做功最小； 可以得到：相同过程的不同途径，环境与系统传递的功 值不同，所以，功不是状态函数 1.1.1.5、 化学计量数 一般用化学反应计量方程来表示化学反应中质量

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 王震平普通化学讲义 守恒关系，通式为： 0=∑B VB(钮)称为B的化学计量数：反应物中VB为负，产物中VB为正，例： 对于N2+3H=2NH,用化学反应通式表示为：0=-N2-3H2+2NH, 1.1.1.6 反应进度 反应进度的ξ（克西）定义： d=dn=”5-n10 n。为物质B的物质的量，dn。表示微小的变化量 反应进度的单位是摩尔(mo),它的大小与化学计量数有关，即与化学方程式的书写有 如：对于N2+3H2=2NH,当有1molH生成，反应进度为0.5mol,若将反应写成： N,+H,=NH,则反应进度为1mol 11.2、 反应热的测量 ◆反应热：指化学反应过程中反应物、生成物温度相同时，系统吸收或放出的热量， 或指化学反应中的热效应。用g表示。系统吸热，q>0,系统放热，q<0:还可 分为q和gp 令热效应：系统在物理或化学的等温过程中，所吸收或放出的热量。 令摩尔反应热：指当反应进度ξ=1mol时，系统吸收或放出的热量。用g表示 注意：摩尔反应热随反应方程式书写改变而改变。 1.1.2.1 反应热的实验测量方法 现在常用的量热设备是弹式热量计（氧弹式热量计）， 火电线 如图1-5 -温度 注：在一些参考书中，也称量热计 实验步骤： 绝热外套 a】、 将以精确称量的反应物放入钢弹中，密闭钢弹： b以 将钢弹放入钢质容器，向容器加入己知质量的吸热 介质水，将钢弹淹没。密闭钢质容器使其与外间绝 (如有需要充入氧气) 图1-5弹式热量计意 c以 搅拌一段时间，待温度计读数不变时，读起始温度 T1: d、 用电火花引发系统反应，系统（反应物）反应放出 热使环境（钢弹、水和金属容器）的温度升高，待温度计 读数最高时读出终态温度T2: 数据处理系统传给环境的热分为两部分 部分热量是介质水吸收的： 小C表示吸热物质的比热容(1kg物质温度升高1【K所需要吸 收的热量称为该物质的比热容)单位： Jkg.K或Jg.K

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 王震平 普通化学讲义 3 守恒关系，通式为： B B 0  B νB（钮）称为 B 的化学计量数；反应物中νB 为负，产物中νB 为正，例： 对于 N2  3H2  2NH3 ，用化学反应通式表示为：0  N2 3H2  2NH3 1.1.1.6、 反应进度 反应进度的ξ（克西）定义： B B B B B dn n ( ) n ( ) d      0   nB 为物质 B 的物质的量，dnB 表示微小的变化量 反应进度的单位是摩尔（mol），它的大小与化学计量数有关，即与化学方程式的书写有 关 如：对于 N2  3H2  2NH3 ，当有 1mol NH3 生成，反应进度为 0.5mol，若将反应写成： 2 2 3 2 3 2 1 N  H  NH ，则反应进度为 1mol 1.1.2、 反应热的测量  反应热：指化学反应过程中反应物、生成物温度相同时，系统吸收或放出的热量， 或指化学反应中的热效应。用q 表示。系统吸热，q  0 ，系统放热， q  0 ；还可 分为 v p q 和q  热效应：系统在物理或化学的等温过程中，所吸收或放出的热量。  摩尔反应热：指当反应进度ξ=1mol 时，系统吸收或放出的热量。用qm表示 注意：摩尔反应热随反应方程式书写改变而改变。 1.1.2.1、 反应热的实验测量方法 现在常用的量热设备是弹式热量计（氧弹式热量计）， 如图 1-5 注：在一些参考书中，也称量热计 实验步骤： a)、 将以精确称量的反应物放入钢弹中，密闭钢弹； b)、 将钢弹放入钢质容器，向容器加入已知质量的吸热 介质水，将钢弹淹没。密闭钢质容器使其与外间绝 热；（如有需要充入氧气） c)、 搅拌一段时间，待温度计读数不变时，读起始温度 T1； d)、 用电火花引发系统反应，系统（反应物）反应放出 热使环境（钢弹、水和金属容器）的温度升高，待温度计 读数最高时读出终态温度 T2； e)、 数据处理系统传给环境的热分为两部分： 第 一 部 分 热 量 是 介 质 水 吸 收 的 ： q(H O)  c(H O) m(H O) T  C(H O) T 2 2 2 2 小 C 表示吸热物质的比热容（1kg 物质温度升高 1K 所需要吸 收 的 热 量 称 为 该 物 质 的 比 热 容 ） 单 位 ： 1 1 1 1 J  kg K 或J  g K

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 王震平普通化学讲义 茶整院膏件我南不公G,种C是实数 故系统的反应热为：9=(gH,0+9)=(CH,0AT+C。·△T)=-∑C△T 例1-l:联氨燃烧反应：N,H)+Og)=Ng+2H,0 m,H,=0.5000g.mm,0=1210g.C。=848J.K 已知：T,=293.18KT,=294.82KcH0=4.18Jg.K- 求燃烧1mol联氨放热量 q=-(qmo+9s)=-(CoAT+CAT) 解： =-4.18×1210+848×(294.82-293.18 =-9690J (0-0.58 =9%=-9690/2100156ma ξ= 32.0g·mo1 0.0156mol=-621.2kJ.mo1 1.1.2.2 热化学方程式 是表示化学反应与热效应关系的方程式：与反应方程式不同的是：热化学方程式要 注明物态，温度，压力，组成及反应热 注意：当T=298.15K,p=100KPa=p°，习惯上可不注明T,p 如：N2H4(I)+02(g=N2(g+2H,01):q.m=-620kJ·mol 2H,(8)/+0,(8)=2H,0):9pn=-570Jmol- 注意：q.中“m”是摩尔进度 ∴H2(g)+50,(g)=H,0(1)的gpm=？ 结论：反应热与反应式的化学计量数有关 思考：9，与9，相同吗？用△U=9+1w定性理解

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 王震平 普通化学讲义 4 大 C 表示物质的热容，单位： 1 J K 第二部分热量是钢弹组件吸收的：qb  Cb T ，其中Cb 是实验装置提供的 故系统的反应热为： q  (q(H O)  qb )  (C(H O) T Cb T)  C T 2 2 例 1-1：联氨燃烧反应： N2H4( l ) O2( g ) N2( g ) H2O( l )    2 ， 已知： 1 1 1 2 H O 1 (N H ) (H O) b T 293.18 K,T 294.82K,c 4.18 J g K m 0.5000 g,m 1210 g,C 848 J K , 2 2 4 2             求燃烧 1mol 联氨放热量 解： 9690 J (4.18 1210 848) (294.82 293.18) q (q q ) (C ΔT C ΔT) (H2O) b (H2O) b                 ξ= . mol . g mol ( . )g 0 0156 1 32 0 0 0 5 1      1 621 2 0 0156 9690        . kJ mol . mol q J qm  1.1.2.2、 热化学方程式 是表示化学反应与热效应关系的方程式；与反应方程式不同的是：热化学方程式要 注明物态，温度，压力，组成及反应热 注意：当  T  298.15K, p  100KPa  p ，习惯上可不注明 T，p 如： N H (l ) O ( g ) N ( g ) H O(l ) 2 4  2  2  2 2 ； 1 620  q   kJ  mol v ,m H ( g ) O ( g ) H O(l ) 2 2  2  2 2 ； 1 570  q   kJ  mol p,m 注意：qm 中“m”是摩尔进度  H ( g ) O ( g ) H O(l ) 2 2 2 2 1   的qp,m  ？ 结论：反应热与反应式的化学计量数有关 思考：qp与qv相同吗？用U  q  w定性理解

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 王震平普通T化学讲义 1.2、 反应热的理论计算 人们发现并不是所有的反应热都可以通过实验测定，例如反应： 2C(s)+02(g)=2C0(g) 同时，所测得的反应热效应是q,而不是q。但化学反应通常是在常压下进行的，则 等压热效应可如何求得？ 有些反应热只能通过理论计算得到 1.2.1、热力学第一定律 令定义：第一类永动机不能制成。 令实质：是能量守恒定律在热力学中的应用。（能量守恒定律：能量不会自生自灭， 只能从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变) 令数学表达：封闭系统，不做非体积功时， 若系统从环境吸收热q,从环境得到功， 则系统的热力学能（内能）的增加△U为： AU=U,-U=q+w 12.11、 儿个概念 a)、 热力学能（又叫内能）：系统内分子的平动能、转动能、振动能，分子间势能， 原子间键能， 电子运动能，核内基本粒子间核能等能量的总和 由于分子内部运动的相互作用非常复杂，因此目前无法测定热力学能的绝对值 热力学能的特点：是广度性质的状态函数，无绝对数值：在理想气体状态下，U只 是T的函数 b 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， q不是状态函数 c)、 功与体积功 功：在物理或化学变化过程中，系统与环境以除热交换以外的方式传递的能量称为 工功 一般规定：系统得功为正，系统作功为负（有的文献中相反） ,体积功：由于系统体积发生变化而与环境交换的功 【非体积功：除体积功以外的其它功 思考：1ol理想气体（忽略分子体积，分子间相互作用）分别密闭在气球中和钢瓶 中后升温20℃，问是否做体积功？ 结论：功w也不是状态函数 d、 体积功（Ψ体）的计算 一般情况下，体积发生改变，内压发生改变，外压可认为不变 ·W体=-卫V 以 功和热的区别（微观角度）： 品味不同 热是大量质点以无序运动而传递的能量（通过分子的碰撞），称为无序能 功是大量质点以有序运动而传递的能量（如电子有序运动作电功），称为有序能 包括电能化学能机械能都是有序能。 能量不仅有多少，还有品味高低之分：品位高的比品味低的可利用程度更高 规律：有序能比无序能的品味高，这在热力学第二定律中有体现 5

内蒙古科技大学生物与化学工程学院 王震平 普通化学讲义 5 1.2、 反应热的理论计算 人们发现并不是所有的反应热都可以通过实验测定，例如反应： 2C(s) O ( g ) 2CO( g )  2  同时，所测得的反应热效应是qv 而不是 p q 。但化学反应通常是在常压下进行的，则 等压热效应可如何求得？ 有些反应热只能通过理论计算得到 1.2.1、 热力学第一定律  定义：第一类永动机不能制成。  实质：是能量守恒定律在热力学中的应用。（能量守恒定律：能量不会自生自灭， 只能从一种形式转化为另一种形式，在转化过程中能量的总值不变）  数学表达：封闭系统，不做非体积功时，若系统从环境吸收热q，从环境得到功 w， 则系统的热力学能（内能）的增加U 为： ΔU  U2  U1  q w 1.2.1.1、 几个概念 a)、 热力学能（又叫内能）：系统内分子的平动能、转动能、振动能，分子间势能， 原子间键能，电子运动能，核内基本粒子间核能等能量的总和。 由于分子内部运动的相互作用非常复杂，因此目前无法测定热力学能的绝对值。 热力学能的特点：是广度性质的状态函数，无绝对数值；在理想气体状态下，U 只 是 T 的函数 b)、 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， q不是状态函数 c)、 功与体积功 功：在物理或化学变化过程中，系统与环境以除热交换以外的方式传递的能量称为 功 一般规定：系统得功为正，系统作功为负（有的文献中相反） 功 体积功：由于系统体积发生变化而与环境交换的功 非体积功：除体积功以外的其它功 思考：1mol 理想气体（忽略分子体积，分子间相互作用）分别密闭在气球中和钢瓶 中后升温 20℃，问是否做体积功？ 结论：功 w也不是状态函数 d)、 体积功（ w体 ）的计算 一般情况下，体积发生改变，内压发生改变，外压可认为不变  w体   p外ΔV e)、 功和热的区别（微观角度）：品味不同 热是大量质点以无序运动而传递的能量（通过分子的碰撞），称为无序能 功是大量质点以有序运动而传递的能量（如电子有序运动作电功），称为有序能 包括电能化学能机械能都是有序能。 能量不仅有多少，还有品味高低之分；品位高的比品味低的可利用程度更高； 规律：有序能比无序能的品味高，这在热力学第二定律中有体现；