無機與分析化學(xué)第二章化學(xué)反應(yīng)的能量和方向ppt課件

1、 教學(xué)要點：教學(xué)要點：第二章 化學(xué)反應(yīng)的能量和方向 1.理解 U、H、S、G 四個熱力學(xué)函數(shù)的意義及相互關(guān)系。 2.理解系統(tǒng)、環(huán)境、狀態(tài)、狀態(tài)函數(shù)、定容熱、定壓熱 等概念。 3.理解熱力學(xué)第一定律和蓋斯定律，掌握有關(guān)的計算。 5.掌握吉布斯一亥姆霍茲方程及其應(yīng)用。 4. 掌握有關(guān)熱力學(xué)函數(shù)的計算，根據(jù)熱力學(xué)函數(shù)進行反 應(yīng)自發(fā)性的判斷?；瘜W(xué)熱力學(xué)： 應(yīng)用熱力學(xué)的基本原理研究化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。應(yīng)用熱力學(xué)的基本原理研究化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化規(guī)律。 主要解決化學(xué)反應(yīng)中的三個問題：主要解決化學(xué)反應(yīng)中的三個問題： 化學(xué)反應(yīng)中能量的轉(zhuǎn)化化學(xué)反應(yīng)中能量的轉(zhuǎn)化 化學(xué)反應(yīng)的方向性化學(xué)反應(yīng)的方向性 反應(yīng)進行的程度

2、反應(yīng)進行的程度2-1 熱力學(xué)基礎(chǔ)知識 一、系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng):被人為地劃分出來作為研究對象的那部分物質(zhì)或空 間稱為系統(tǒng)(或體系)。環(huán)境:系統(tǒng)之外但又與系統(tǒng)有關(guān)系的部分叫做環(huán)境。 按照系統(tǒng)和環(huán)境之間的物質(zhì)及能量的交換關(guān)系，可以將系統(tǒng)分為三類： （1） 敞開系統(tǒng) 既有能量交換，又有物質(zhì)交換；（2） 封閉系統(tǒng) 有能量交換，無物質(zhì)交換；（ 3孤立系統(tǒng) 既無物質(zhì)交換，又無能量交換。 二、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù) 狀態(tài) 由一系列表征體系性質(zhì)的物理量所確定下來的 體系的一種存在形式，稱為體系的狀態(tài)。 狀態(tài)函數(shù) 確定體系狀態(tài)的物理量，稱為狀態(tài)函數(shù)。 例如某理想氣體體系 n = 2 mol， p = 1.013 10 5 P

3、a， V = 44.8 dm 3 ，T = 273 K 這就是一種狀態(tài)。是由 n、p、V、T 所確定下來的體系的一種存在形式 。 因而 n、p、V、T 都是體系的狀態(tài)函數(shù)。 狀態(tài)一定，則體系的狀態(tài)函數(shù)一定。體系的一個或幾個狀態(tài)函數(shù)發(fā)生了變化，則體系的狀態(tài)發(fā)生變化。狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)的關(guān)系： 狀態(tài)函數(shù)的改變量只取決于體系的始態(tài)與終態(tài),而與變化途徑無關(guān)。狀態(tài)函數(shù)的特性:例如，溫度的改變量用 T 表示，那么 T = T終 T始 三、過程和途徑 過程 體系的狀態(tài)發(fā)生變化，從始態(tài)到終態(tài)，則稱體系經(jīng)歷了一個熱力學(xué)過程，簡稱過程。 若體系在恒溫條件下發(fā)生了狀態(tài)變化，我們說體系的變化為 “恒溫過程”；同樣理解 “

4、恒壓過程”，“恒容過程”。若體系變化時與環(huán)境之間無熱量交換，則稱之為“絕熱過程 ”。 途徑 狀態(tài)變化所經(jīng)歷的具體步驟稱為途徑。 體系與環(huán)境之間由于存在溫差而傳遞的能量體系與環(huán)境之間由于存在溫差而傳遞的能量. 熱不是狀態(tài)函數(shù)熱不是狀態(tài)函數(shù) 體系吸熱體系吸熱: Q 0 體系放熱體系放熱: Q 0 熱熱Q） 四、熱和功四、熱和功 體系與環(huán)境之間除熱之外以其它體系與環(huán)境之間除熱之外以其它形式傳遞的能量形式傳遞的能量. 功不是狀態(tài)函數(shù)功不是狀態(tài)函數(shù). 體系對環(huán)境做功，體系對環(huán)境做功，W0體積功：體積功：VpVVplAplFWexexexex21非體積功非體積功: 體積功以外的所有其它形式的功體積功以外的

5、所有其它形式的功 功功 ( W )熱力學(xué)能(U): 體系內(nèi)所有微觀粒子的全部能量之和，舊稱內(nèi)能， U是狀態(tài)函數(shù)，熱力學(xué)能變化只與始態(tài)、終態(tài)有關(guān)，與變化途徑無關(guān). 至今尚無法直接測定，只能測定到 U.UUU12五、 熱力學(xué)能WQU對于封閉體系熱力學(xué)第一定律為：對于封閉體系熱力學(xué)第一定律為：WQUU12WQUU122Q 1UU吸熱得功得功W熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律的實質(zhì)是能量守恒與轉(zhuǎn)化定律 六、過程的熱 1. 定容熱對于只作體積功的定容過程, V = 0 ， 故 W = - p V = 0 則有 U = Qv + W = Qv 即 U = Qv 可見，對于只作體積功的定容過程, 定容熱等于系統(tǒng)

6、內(nèi)能的改變。 當(dāng) U 0 時，Qv 0，是吸熱反應(yīng)， U 0 時，Qv 0 時，Qp 0 ， 是吸熱反應(yīng) ； H 0 時，Qp SL Ss 。(2)溫度: 對于同一物質(zhì),溫度越高,熵值越大。(3)壓力: 對于同一物質(zhì),壓力越大,熵值越小。(4)分子體積:對于同類物質(zhì), 分子體積(摩爾質(zhì)量)越大, 熵值越大。(5)化學(xué)反應(yīng):由較少分子變?yōu)檩^多分子的反應(yīng)熵值增加,由固體變?yōu)橐后w或氣體的反應(yīng)熵值增加。2.標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,1mol純物質(zhì)的熵值叫該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵。表示為Sm ,單位:J/moL K。 3.化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵變一般地，對于反應(yīng)：m A + n B x C + y DrSm S

7、,(生成物) - S,(反應(yīng)物) x S,C + y S,D m S,A + n S,B4.熵判據(jù) 孤立系統(tǒng)中,自發(fā)過程總是向著熵增加的方向進行。(熱力學(xué)第二定律的表述形式之一)即： rSm 0， 反應(yīng)自發(fā)進行； rSm 0， 逆反應(yīng)自發(fā)進行； rSm = 0， 反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。 三、吉布斯自由能 1. 吉布斯自由能的定義 1876年美國科學(xué)家Gibbs對當(dāng)時世界各國關(guān)于熱力學(xué)研究方面的成果進行了總結(jié)，提出了自由能G的概念，并定義： G = H T S關(guān)于自由能的概念，應(yīng)把握幾點: (1) 吉布斯自由能是一個狀態(tài)函數(shù)。(2) 吉布斯自由能的絕對值無法測定。(3) 吉布斯自由能可理解為系統(tǒng)能做

8、最大有用功的本 領(lǐng)(在等溫定壓的可逆過程中, 吉布斯自由能的減少值等于系統(tǒng)所做的最大有用功。） 2.標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1mol純化合物時的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變,叫該化合物的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能。并規(guī)定最穩(wěn)定單質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成吉布斯自由能為零。用符號 f Gm 表示。單位為 kJ mol 1 。3.化學(xué)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變一般地，對于反應(yīng)：m A + n B x C + y DrGm f Gm (生成物) - f Gm (反應(yīng)物) x f Gm ,C + y f Gm ,D m f Gm ,A + n f Gm ,B4.吉布斯自由能判據(jù) 在等

9、溫定壓且系統(tǒng)只作體積功的條件下,自發(fā)過程總是向著吉布斯自由能減小的方向進行。(熱力學(xué)第二定律的表述形式之二)即： rGm 0， 反應(yīng)逆向自發(fā)進行； rGm = 0， 反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。若反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進行，那么： rG m 0 ，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反應(yīng)逆向自發(fā)；rG m = 0， 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下反應(yīng)處于平衡狀態(tài)。四、吉布斯亥姆霍茲方程G = H TSG = H TS應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)，則有 rGm=rHmTrSm rGm=rHmTrSm標(biāo)態(tài)下的反應(yīng)）吉布斯-亥姆霍茲方程的應(yīng)用 ：(1)由反應(yīng)的焓變、熵變及溫度來判斷反應(yīng)的方向。 定壓下反應(yīng)自發(fā)性的幾種類型 rHmrSm r G m = r H m TrSm反

10、應(yīng)的自發(fā)性低溫高溫1任何溫度下正向反應(yīng)均為自發(fā)2低溫時正向反應(yīng)自發(fā)，高溫時正向反應(yīng)非自發(fā)3任何溫度下正向反應(yīng)均為非自發(fā)4低溫時正向反應(yīng)非自發(fā)，高溫時正向反應(yīng)自發(fā) fG m(298) fH m(298)S m(298) (生生) (反反) rG m(298) (生生) (反反) rH m(298) (生生) (反反) rS m(298) rH m(T) rS m(T) rG m(298) = rH m(298)298 rS m(298) 查查 表表 rG m(T) = rH m(298) T rS m(298)(2)求某反應(yīng)在任一溫度下的標(biāo)準(zhǔn)摩爾吉布斯自由能變。 (3)求某反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下自發(fā)進行的最低溫度。 例 討論溫度對下列反應(yīng)的方向性影響解： CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)fHm /kJmol-1 -1206.9 -635.1 -393.5Sm /Jmol-1K-1 92.9 39.7 213.6fGm /kJmol-1 -1128.8 -604.2 -394.4298K時：rGm 394.4 - 604.2 + 1128.8 = 130.2 kJ