化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量和能量關(guān)系

2010.9

無(wú)機(jī)化學(xué)

2010.9

緒言化學(xué)的分支學(xué)科簡(jiǎn)介一級(jí)學(xué)科二級(jí)學(xué)科三、四級(jí)學(xué)科

無(wú)機(jī)化學(xué)→無(wú)機(jī)材料化學(xué)→半導(dǎo)體化學(xué)

有機(jī)化學(xué)無(wú)機(jī)元素化學(xué)感光材料

分析化學(xué)生物無(wú)機(jī)化學(xué)陶瓷材料

化學(xué)→物理化學(xué)無(wú)機(jī)配位化學(xué)儲(chǔ)能材料

結(jié)構(gòu)化學(xué)無(wú)機(jī)固體化學(xué)永磁材料

生物化學(xué)金屬有機(jī)化學(xué)超導(dǎo)材料

稀土化學(xué)納米材料

2010.9《無(wú)機(jī)化學(xué)》課程的主要內(nèi)容物質(zhì)的變化規(guī)律物質(zhì)的制備與性質(zhì)物質(zhì)的形態(tài)與結(jié)構(gòu)氣液固體原子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)酸堿平衡沉淀平衡氧化還原絡(luò)合平衡元素通論s,ds區(qū)元素p區(qū)元素d區(qū)元素f區(qū)元素定性分析2010.91學(xué)習(xí)態(tài)度社會(huì)需要與個(gè)人志向相結(jié)合，求實(shí)創(chuàng)新。2學(xué)習(xí)方法培養(yǎng)良好學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高課堂聽(tīng)課效率。3做到三習(xí)課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)，適當(dāng)練習(xí)。4課堂筆記教材為主，教參為輔，廣泛閱讀期刊。5重視實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)基本功訓(xùn)練。不懷疑不見(jiàn)真理。6多多交流大學(xué)的學(xué)習(xí)不單純是理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)習(xí)方法2010.9第一章化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量和能量關(guān)系一、理想氣體狀態(tài)方程和分壓定律二、化學(xué)計(jì)量數(shù)與反應(yīng)進(jìn)度三、化學(xué)反應(yīng)中的能量關(guān)系主要內(nèi)容：2010.91.1物質(zhì)的聚集態(tài)和層次第一章化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量和能量關(guān)系1物質(zhì)三態(tài)1.1.1物質(zhì)的聚集態(tài)2010.92等離子態(tài)2010.91.1.2物質(zhì)的層次2010.91.2化學(xué)中的計(jì)量1.2.1相對(duì)原子質(zhì)量和相對(duì)分子質(zhì)量第一章化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量和能量關(guān)系1相對(duì)原子質(zhì)量（原子量）元素：具有相同質(zhì)子數(shù)的一類單核粒子的總稱。同位素：質(zhì)子數(shù)相等而中子數(shù)不等的同一元素不同原子互稱為同位素。例如：氧元素有三種同位素：16O、17O、18O碳元素有兩種同位素：12C、13C。在周期表上占有同一位置，化學(xué)行為幾乎相同，但原子質(zhì)量不同，從而其質(zhì)譜行為、放射性轉(zhuǎn)變和物理性質(zhì)(例如在氣態(tài)下的擴(kuò)散本領(lǐng))有所差異。2010.9相對(duì)原子質(zhì)量（Ar)：元素原子的平均質(zhì)量與核素12C原子質(zhì)量的

1/12之比。2相對(duì)分子質(zhì)量（Mr）（分子量）分子或特定單元的平均質(zhì)量與核素12C原子質(zhì)量的1/12之比。一個(gè)分子的相對(duì)分子質(zhì)量等于分子內(nèi)所有原子的相對(duì)質(zhì)量之和。1.2.2物質(zhì)的量（n）及其單位1單位：mol1mol=6.022×1023(NA)個(gè)2物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（摩爾分?jǐn)?shù)Xi）混合物中，某組分i的物質(zhì)的量與混合物的物質(zhì)的量之比。2010.91.2.3摩爾質(zhì)量（M）和摩爾體積（Vm）M=物質(zhì)的質(zhì)量（m）物質(zhì)的量（mol）單位：kg·mol-1或g·mol-1Vm=體積（V）物質(zhì)的量（mol）1.2.4物質(zhì)的量濃度（Cn）Cn=niV單位：mol·L-1單位：m3·mol-1或L·mol-11、摩爾質(zhì)量2、摩爾體積2010.91理想氣體狀態(tài)方程式PV=nRTP：Pa；V：m3；n：mol；T：K；R：8.314J·mol-1·K-1理想氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況P=101325Pa，T=273.15K，n=1mol，V=22.414×10-3m31.2.5氣體的計(jì)量2010.92理想氣體分壓定律分壓強(qiáng)(Pi)：在相同溫度下，組分氣體單獨(dú)占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。分體積(Vi)：組分氣體與混合氣體具有相同的溫度、壓強(qiáng)時(shí)所占有的體積。Dalton分壓定律：混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體的分壓之和。2010.9nin總叫做i組分氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。適用條件：1、理想氣體；

2、組分氣體必須處于混合氣體相同的環(huán)境中。表達(dá)式：P總=P1+P2+P3+?+Pi=ΣPi①Pi=nin總P總Pi=ViV總②③P總2010.9

分壓定律的應(yīng)用2010.9例1：A，B兩種氣體在一容器中混和，下面表達(dá)式哪些是正確的？

1．PAVA=nART2．PV=nART3．PVA=nART4．PAV=nART5．PA(VA+VB)=nART6．(PA+PB)VA=nARTP總V分=P分V總=n分RT2010.9例2：某容器的容積為2.0L，其中裝有O2、H2、Ar，各氣體的物質(zhì)的量分別為：n

O2

=0.2molnH2=0.5molnAr=0.1mol，溫度保持在300K，求混合氣體總壓與各組分氣體的分壓。解：PV=nRTP=nRT/V2.0ⅹ10-3m3PO2

=V==249kPanO2RT0.2molⅹ8.314J·mol-1·K-1ⅹ300K2.0ⅹ10-3m3PH2

=nH2RTV=0.5molⅹ8.314J·mol-1·K-1ⅹ300K=624kPa2.0ⅹ10-3m3PAr=nArRTV=0.1molⅹ8.314J·mol-1·K-1ⅹ300K=125kPaP總=PO2

+PH2

+PAr=249kPa+624kPa+125kPa=998kPa2010.9例題3

氧是人類維持生命的必需氣體，缺氧生命就會(huì)死亡，過(guò)剩的氧會(huì)使人致病，只有在氧氣的分壓維持21kPa才能使人體維持正常代謝過(guò)程。在潛水員自身攜帶的水下呼吸器中充有氧氣和氦氣（He在血液中溶解度很小，N2的溶解度大，可使人得氣栓?。?010.9

某潛水員潛至海水30m處作業(yè)，海水的密度為1.03gcm-3，溫度為20℃。在這種條件下，若維持O2、He混合氣中p(O2)=21kPa氧氣的體積分?jǐn)?shù)為多少？以1.000L混合氣體為基準(zhǔn)，計(jì)算氧氣的分體積和氮的質(zhì)量。（重力加速度取9.807m/s2）解：T=（273+20）K=293K海水深30m處的壓力是由30m高的海水和海面的大氣共同產(chǎn)生。海面上的空氣壓力為760mmHg，則p=ghw+2010.9=9.807m/s2

1.03103kgcm-330m+101kPa=3.03103kgcm-1s-2+101kPa=303kPa+101kPa=404kPa2010.9若混合氣體體積為1.000L時(shí)，2010.91.2.6化學(xué)計(jì)量化合物化學(xué)計(jì)量化合物（整比化合物）：具有確定組成且各元素原子互成簡(jiǎn)單正數(shù)比的化合物。非化學(xué)計(jì)量化合物（非整比化合物）：組成不固定且各元素原子不成簡(jiǎn)單正數(shù)比的化合物例如：FeO的組成：Fe0.84～0.95OFeS：Fe0.90～0.93

S超導(dǎo)材料：YBaCu3O7-x，x≤0.12010.91.3化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系

質(zhì)量守恒定律：反應(yīng)前后各元素的原子總數(shù)相等。1.3.2化學(xué)計(jì)量數(shù)（ν）與反應(yīng)進(jìn)度對(duì)于任意的化學(xué)反應(yīng)：aA+bB=cC+dDνA=-aνB=-bνC=cνD=d0=νA

A+νB

B+νc

C+νDD0=∑νiI（化學(xué)計(jì)量式）1.3.1應(yīng)用化學(xué)方程式的計(jì)算1化學(xué)計(jì)量數(shù)2010.92反應(yīng)進(jìn)度（ξ）定義：反應(yīng)進(jìn)度（ξ

）是用來(lái)表示反應(yīng)進(jìn)行的程度。對(duì)于任意化學(xué)反應(yīng)：dξ=dniνidni=νidξ積分得到：?ni=νiξ例如：H2(g)+I2(g)?2HI(g)ξ=1mol單位：molξ=?niνi2010.92.07.02.011.55.53.01.53.010.000反應(yīng)進(jìn)度必須對(duì)應(yīng)具體的反應(yīng)方程式！反應(yīng)進(jìn)度舉例2010.9白磷的燃燒鉀與水鉀的燃燒1.4

化學(xué)反應(yīng)中的能量關(guān)系2010.91.體系與環(huán)境體系：被研究對(duì)象敞開(kāi)體系封閉體系孤立體系環(huán)境：系統(tǒng)外與其密切相關(guān)的部分既有物質(zhì)交換又有能量交換只有能量交換既無(wú)物質(zhì)交換，也無(wú)能量交換1.4.1基本概念和術(shù)語(yǔ)2010.9敞開(kāi)體系封閉體系隔離體系2010.92體系的性質(zhì)、狀態(tài)和狀態(tài)函數(shù)（1）體系的性質(zhì)N2T=273.15KP=101325PaV=22.4Ln=1mol容量性質(zhì)強(qiáng)度性質(zhì)TP、V、n具有加和性不具有加和性2010.9（2）體系的狀態(tài)體系的狀態(tài)確定，體系的性質(zhì)亦確定。（3）體系的狀態(tài)函數(shù)當(dāng)體系的所有性質(zhì)都有確定值時(shí)，體系處一定狀態(tài)。用來(lái)表征體系特性的宏觀性質(zhì)，叫做體系的狀態(tài)函數(shù)PVnT均為狀態(tài)函數(shù)

特點(diǎn)：

（1）是單值函數(shù)，一個(gè)狀態(tài)由一組確定的狀態(tài)函數(shù)表述；（2）其改變量只與始、終態(tài)有關(guān)，與途徑無(wú)關(guān)；（3）狀態(tài)函數(shù)的集合（和、差、積、商）也為狀態(tài)函數(shù)。2010.91molN2

T=273.15KP=101325PaV=22.4L恒溫加壓1molN2

T=273.15KP=202650PaV=11.2L（Ⅰ）P=50662.5PaV=44.8LP=405300PaV=5.6L恒溫減壓恒溫加壓恒溫加壓恒溫減壓（Ⅱ）（Ⅲ）△P=101325Pa△V=-11.2L（始態(tài)）（終態(tài)）2010.93.熱和功熱（Q）：體系和環(huán)境之間因溫差而傳遞的能量。功（W）：除了熱以外，其它各種形式被傳遞的能量。體積功非體積功符號(hào)規(guī)定：體系由環(huán)境吸熱Q為+；體系向環(huán)境放熱Q為-。環(huán)境對(duì)體系作功W為+；體系對(duì)環(huán)境作功W為-。注意：功和熱與變化的路徑有關(guān)，不是狀態(tài)函數(shù)。2010.94.熱力學(xué)能（內(nèi)能，U）說(shuō)明：內(nèi)能(U)是狀態(tài)函數(shù)，是體系的容量性質(zhì)，具有加合性。其絕對(duì)值無(wú)法測(cè)定，可測(cè)定其變化值。5.熱力學(xué)第一定律（能量守恒定律）在任何過(guò)程中，能量是不會(huì)自生自滅的，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量的總值不變。數(shù)學(xué)表達(dá)式：?U=Q+W內(nèi)能是體系內(nèi)一切能量的總和，包括體系內(nèi)各種物質(zhì)的分子或原子的位能、振動(dòng)能、轉(zhuǎn)動(dòng)能、平動(dòng)能、電子的動(dòng)能以及核能等等。2010.9環(huán)境體系反應(yīng)物環(huán)境體系產(chǎn)物放熱反應(yīng)過(guò)程的能量變化環(huán)境反應(yīng)物體系吸熱反應(yīng)過(guò)程的能量變化環(huán)境體系產(chǎn)物2010.9例2某體系開(kāi)始的內(nèi)能為U1，(1)它從環(huán)境吸收600J的熱量，并對(duì)環(huán)境作功450J；(2)它從環(huán)境吸收100J的熱量，環(huán)境對(duì)它作功50J。求內(nèi)能的變化值?U及終態(tài)內(nèi)能U2。解：(1)?U=Q+W=600J+(-450J)=150J

?U=U2-U1U2=U1+150J(2)?U=Q+W=100J+50J=150J?U=U2-U1U2=U1+150J說(shuō)明：體系的始態(tài)、終態(tài)相同，內(nèi)能的變化量相同，內(nèi)能是狀態(tài)函數(shù)；而熱和功的變化與具體路徑有關(guān)，所以熱和功不是狀態(tài)函數(shù)。2010.91.4.2反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變定義：H=U+PVQP=H2-H1=?HH稱為焓，?H稱為焓變。P恒定，并且體系不作非體積功，此時(shí)的反應(yīng)熱稱為恒壓反應(yīng)熱，用Qp表示:Qp=?U-W=?U+P?V=(U2-U1)+P(V2-V1)=(U2-U1)+(PV2-PV1)=(U2+PV2)-(U1+PV1)1.等壓反應(yīng)熱和反應(yīng)焓變2010.9說(shuō)明：(1)恒壓反應(yīng)熱Qp=?H(2)符號(hào)規(guī)定：放熱反應(yīng)：?H<0；吸熱反應(yīng)：?H>0。(3)H是狀態(tài)函數(shù)。即焓變?H只取決于體系的始態(tài)和終態(tài)，與過(guò)程無(wú)關(guān)。H和U一樣不能確定其絕對(duì)值，只能確定其變化值。(5)對(duì)于反應(yīng)物和生成物均為固體或液體的化學(xué)反應(yīng)，

?V很小，可近似認(rèn)為：?H≈?U。2010.9例5已知化學(xué)反應(yīng)：NH3(g)+HCl(g)→NH4Cl(s)298.15K,101325Pa下，?H=-175.3KJ.mol-1，求該反應(yīng)的內(nèi)能變化。Qp和Qv的關(guān)系同一反應(yīng)的恒壓反應(yīng)熱和恒容反應(yīng)熱不同，它們的關(guān)系為：Qp=Qv+nRT；H=U+nRT解：?U=?H-?nRT=-175.3kJ.mol-1-1.K-1

298.15K-12010.92.

熱化學(xué)方程式(1)2H2(g)+O2(g)→2H2O(g)Qp=△rHm-1

(2)H2(g)+1/2O2(g)→H2O(g)Qp=△rHm=-1(3)2H2(g)+O2(g)→2H2O(l)Qp=△rHm-1書寫熱化學(xué)方程式應(yīng)注意問(wèn)題：（1）標(biāo)明物質(zhì)的聚集狀態(tài)。g-氣態(tài)；l-液態(tài)；s-固態(tài)。（2）反應(yīng)物、產(chǎn)物要配平（3）反應(yīng)的焓變（熱變化），是指“1mol反應(yīng)”，與反應(yīng)式的寫法有關(guān)。（4）正、逆反應(yīng)焓變的絕對(duì)值相等，符號(hào)相反。因此：2H2O(l)→2H2(g)+O2(g)

△H☉=-12010.9rHm(3)+H2O(g) H2(g)+1/2O2(g)H2O(l)rHm(4)rHm(1)2H(g)rHm(2)O(g)rHm總反應(yīng)的

rHm=?rHm(1)+?rHm(2)+?rHm(3)Гесс定律:若一個(gè)化學(xué)反應(yīng)分幾步進(jìn)行，則反應(yīng)總過(guò)程的焓變等于各步焓變之和。?H=?H1+?H2+?H3+…2010.9氧彈量熱計(jì)2010.91.4.3應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變

對(duì)于氣相系統(tǒng)，每種氣態(tài)物質(zhì)的壓力均處于標(biāo)準(zhǔn)壓力p?的狀態(tài)稱為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)；對(duì)于液體或固體，其標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是指處于標(biāo)準(zhǔn)壓力p?下的純液體或純固體；對(duì)于理想溶液，其標(biāo)準(zhǔn)態(tài)是指處于標(biāo)準(zhǔn)壓力p?下，濃度為標(biāo)準(zhǔn)濃度c?時(shí)的狀態(tài)，即為該溶液的標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。1.熱力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(standardstate)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)壓力

p?=100kPa；標(biāo)準(zhǔn)濃度

c?=1mol·dm-3；參考溫度

T=298.15K（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)沒(méi)有規(guī)定溫度）。2010.92.標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓定義：一定溫度，標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下，由最穩(wěn)定的純態(tài)單質(zhì)生成1mol某物質(zhì)時(shí)的熱效應(yīng)，稱為該物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓。符號(hào)：△fHm?

單位：kJ.mol-1熱力學(xué)上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的規(guī)定：氣態(tài)：P=P?

=100kPa下純氣體液態(tài)、固態(tài)：P=P?下的純液體、固體溶液：P=P?

，C=C?

=1mol.L-1說(shuō)明：1?表示標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。2△fHm?

(最穩(wěn)定單質(zhì))=0△fHm?(石墨,s)=0△fHm?(H2,g)=02010.9

Na2OAg2OCaOHgO△fHm?(kJ.mol-1)-414.2-31.1-635.13-90.83穩(wěn)定性加熱不分解T>300℃分解加熱不分解T>500℃分解3.△fHm?多為負(fù)值。且對(duì)于同一類型物質(zhì)，可通過(guò)△fHm?判斷其相對(duì)穩(wěn)定性。△fHm?越負(fù)，其越穩(wěn)定。2010.9rHm(II)rHm(III)=ifHm(生)單質(zhì)反應(yīng)物生成物IIIIIIrHm(I)=ifHm(反)3.標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓變(△r