化學(xué)熱力學(xué)與相平衡課件

化學(xué)熱力學(xué)與相平衡本課程將深入探討化學(xué)熱力學(xué)和相平衡的基本原理，并通過實(shí)際案例講解其在化學(xué)、材料、環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用。課程簡介與目標(biāo)課程目標(biāo)1.掌握化學(xué)熱力學(xué)的基本概念、定律和應(yīng)用。2.了解相平衡的基本原理和應(yīng)用。3.能夠運(yùn)用熱力學(xué)原理解決實(shí)際問題。課程內(nèi)容1.熱力學(xué)基礎(chǔ)知識2.化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)3.相平衡4.溶液熱力學(xué)5.多組分相圖熱力學(xué)第一定律：基本概念1能量守恒定律：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。2系統(tǒng)與環(huán)境：熱力學(xué)研究的對象是系統(tǒng)，系統(tǒng)以外的為環(huán)境，兩者之間可以發(fā)生能量和物質(zhì)交換。3狀態(tài)函數(shù)：系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，例如內(nèi)能、焓、熵等，只與系統(tǒng)的狀態(tài)有關(guān)，與過程無關(guān)。4過程函數(shù)：系統(tǒng)的過程函數(shù)，例如熱量、功等，與過程有關(guān)，與系統(tǒng)的狀態(tài)無關(guān)。能量、內(nèi)能與焓能量能量是物質(zhì)運(yùn)動的屬性，可以表現(xiàn)為熱能、機(jī)械能、化學(xué)能等多種形式。內(nèi)能內(nèi)能是指系統(tǒng)內(nèi)所有粒子的動能和勢能的總和，表示系統(tǒng)中所有形式的能量總和。焓焓是系統(tǒng)內(nèi)能與壓強(qiáng)和體積的乘積之和，它表示系統(tǒng)在恒壓條件下所能吸收或放出的熱量。熱容與溫度的關(guān)系熱容熱容是指物質(zhì)溫度升高1度所需的熱量，它反映了物質(zhì)儲存熱量的能力。比熱容比熱容是指單位質(zhì)量物質(zhì)溫度升高1度所需的熱量，它反映了單位質(zhì)量物質(zhì)儲存熱量的能力。摩爾熱容摩爾熱容是指1摩爾物質(zhì)溫度升高1度所需的熱量，它反映了1摩爾物質(zhì)儲存熱量的能力。熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用定容熱效應(yīng)定壓熱效應(yīng)化學(xué)反應(yīng)焓變的計算理想氣體的可逆過程1可逆過程是指系統(tǒng)變化過程中始終處于平衡狀態(tài)，可以沿原路返回。2理想氣體的可逆過程是指理想氣體在可逆條件下發(fā)生的物理變化。3理想氣體可逆過程的計算：可以使用熱力學(xué)第一定律、理想氣體狀態(tài)方程等進(jìn)行計算。不可逆過程的特點(diǎn)不可逆過程是指系統(tǒng)變化過程中不處于平衡狀態(tài)，無法沿原路返回。不可逆過程的特點(diǎn)：-過程不可逆-熵增-過程有方向性不可逆過程的例子：熱量從高溫物體流向低溫物體、氣體自由膨脹等。熱力學(xué)第二定律：熵的概念熵熵是系統(tǒng)混亂程度的度量，它表示系統(tǒng)的無序性。1熵增熱力學(xué)第二定律指出，一個孤立系統(tǒng)的熵永遠(yuǎn)不會減少，它只會保持不變或增加。2熵減非孤立系統(tǒng)可以通過與環(huán)境交換能量或物質(zhì)來降低熵，但整個系統(tǒng)的熵總是增加的。3克勞修斯不等式1克勞修斯不等式用于判斷一個過程是否為可逆過程，如果過程是可逆過程，則克勞修斯不等式等號成立；如果過程是不可逆過程，則克勞修斯不等式等號不成立。2應(yīng)用克勞修斯不等式可以用來計算熱量和熵變之間的關(guān)系，并判斷過程的方向性。熵增原理1熵增原理孤立系統(tǒng)的熵總是增大的，這是熱力學(xué)第二定律的另一種表述方式。2應(yīng)用熵增原理可以用來解釋自然界中許多現(xiàn)象，例如熱量從高溫物體流向低溫物體，氣體自由膨脹等。3意義熵增原理表明，自然界中的一切過程都是朝著混亂程度增加的方向發(fā)展。熵的統(tǒng)計意義統(tǒng)計意義從統(tǒng)計學(xué)角度來看，熵與系統(tǒng)微觀狀態(tài)的數(shù)量有關(guān)，微觀狀態(tài)越多，熵值越大，系統(tǒng)越混亂。玻爾茲曼公式熵與微觀狀態(tài)數(shù)量之間的關(guān)系可以用玻爾茲曼公式表示：S=klnW，其中k是玻爾茲曼常數(shù)，W是微觀狀態(tài)數(shù)量。熵的計算方法熱力學(xué)數(shù)據(jù)法使用標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵和熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算熵變。統(tǒng)計熱力學(xué)方法利用系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)量計算熵值。積分法根據(jù)過程的溫度變化和熱容計算熵變。吉布斯自由能與亥姆霍茲自由能吉布斯自由能亥姆霍茲自由能化學(xué)反應(yīng)自由能變的計算自由能判據(jù)1吉布斯自由能判據(jù)：在恒溫恒壓條件下，自發(fā)過程的吉布斯自由能變化總是負(fù)值。2亥姆霍茲自由能判據(jù)：在恒溫恒容條件下，自發(fā)過程的亥姆霍茲自由能變化總是負(fù)值。3應(yīng)用：這兩個判據(jù)可以用來判斷反應(yīng)的方向性、平衡狀態(tài)等。熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)第三定律指出，當(dāng)溫度趨近于絕對零度時，任何純凈的晶體的熵值趨近于零。應(yīng)用：熱力學(xué)第三定律可以用來確定物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵。意義：熱力學(xué)第三定律表明，絕對零度是不可達(dá)到的。標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵1標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1摩爾純物質(zhì)的熵值。2標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)定義為：-溫度為298.15K(25℃)-壓力為101.325kPa(1atm)3標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵的值是固定的，可以通過查閱熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊得到?；瘜W(xué)反應(yīng)的焓變焓變焓變是指化學(xué)反應(yīng)過程中焓的變化量，它反映了反應(yīng)中熱量的變化。放熱反應(yīng)放熱反應(yīng)的焓變?yōu)樨?fù)值，反應(yīng)體系向環(huán)境放熱。吸熱反應(yīng)吸熱反應(yīng)的焓變?yōu)檎?，反?yīng)體系從環(huán)境吸收熱量。蓋斯定律蓋斯定律指出，一個化學(xué)反應(yīng)的焓變只與反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)的途徑無關(guān)。應(yīng)用：蓋斯定律可以用來計算一些難以直接測定的反應(yīng)的焓變?；瘜W(xué)反應(yīng)的熵變1熵變是指化學(xué)反應(yīng)過程中熵的變化量，它反映了反應(yīng)中混亂程度的變化。2熵增反應(yīng)：熵變?yōu)檎?，反?yīng)體系的混亂程度增加。3熵減反應(yīng)：熵變?yōu)樨?fù)值，反應(yīng)體系的混亂程度降低。化學(xué)反應(yīng)的自由能變自由能變是指化學(xué)反應(yīng)過程中自由能的變化量，它反映了反應(yīng)的自發(fā)性。自由能變?yōu)樨?fù)值，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。自由能變?yōu)檎?，反?yīng)非自發(fā)進(jìn)行?；瘜W(xué)平衡的概念化學(xué)平衡化學(xué)平衡是指在一個可逆反應(yīng)中，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)體系的組成保持不變的狀態(tài)。1動態(tài)平衡化學(xué)平衡是一個動態(tài)平衡，反應(yīng)體系中正逆反應(yīng)仍在不斷進(jìn)行，只是反應(yīng)速率相等，體系組成保持不變。2可逆反應(yīng)化學(xué)平衡只存在于可逆反應(yīng)中，不可逆反應(yīng)不具有平衡狀態(tài)。3平衡常數(shù)的定義1平衡常數(shù)平衡常數(shù)是指在一定溫度下，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，反應(yīng)物和生成物濃度（或分壓）的比值。2意義平衡常數(shù)可以用來判斷反應(yīng)進(jìn)行的程度，平衡常數(shù)越大，反應(yīng)進(jìn)行的程度越大。平衡常數(shù)的表示方法1濃度平衡常數(shù)KcKc是用反應(yīng)物和生成物的平衡濃度表示的平衡常數(shù)。2分壓平衡常數(shù)KpKp是用反應(yīng)物和生成物的平衡分壓表示的平衡常數(shù)。3標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)K°K°是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（溫度為298.15K，壓力為101.325kPa）的平衡常數(shù)。溫度對平衡常數(shù)的影響溫度的影響溫度對平衡常數(shù)的影響與反應(yīng)的焓變有關(guān)。吸熱反應(yīng)溫度升高，平衡常數(shù)增大，有利于正反應(yīng)進(jìn)行。放熱反應(yīng)溫度升高，平衡常數(shù)減小，有利于逆反應(yīng)進(jìn)行。范特霍夫方程范特霍夫方程范特霍夫方程描述了平衡常數(shù)隨溫度變化的關(guān)系，可以用來預(yù)測溫度變化對平衡的影響。應(yīng)用利用范特霍夫方程，可以計算不同溫度下的平衡常數(shù)。壓力對平衡的影響壓力對平衡的影響與反應(yīng)體系中氣體分子數(shù)的變化有關(guān)。氣體分子數(shù)增大的反應(yīng)，壓力升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動。氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，壓力升高，平衡向正反應(yīng)方向移動。惰性氣體的影響1惰性氣體是指不參與反應(yīng)的氣體，例如氮?dú)?、氦氣等?惰性氣體對平衡的影響：-惰性氣體的加入會改變體系的總壓，但不會影響平衡常數(shù)。-惰性氣體對平衡的影響與壓力的影響相同。相的概念相相是指在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)上均一致的物質(zhì)部分，例如固體、液體和氣體。1相平衡相平衡是指在一個體系中，不同相之間處于平衡狀態(tài)，體系的組成和性質(zhì)不再隨時間變化。2相變相變是指物質(zhì)從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的過程，例如熔化、凝固、汽化、液化等。3相律的推導(dǎo)1相律相律描述了多相體系中自由度（F）、組分?jǐn)?shù)（C）和相數(shù)（P）之間的關(guān)系：F=C-P+2。2自由度自由度是指可以獨(dú)立改變而不影響體系平衡的變量數(shù)量。3應(yīng)用相律可以用來預(yù)測多相體系的平衡狀態(tài)。單組分系統(tǒng)的相圖1單組分系統(tǒng)單組分系統(tǒng)是指僅含有一種物質(zhì)的體系。2相圖相圖是表示物質(zhì)在不同溫度和壓力下存在不同相的圖形。3應(yīng)用相圖可以用來預(yù)測物質(zhì)在不同條件下的狀態(tài)。水的相圖固相冰的相圖，包括多種晶體結(jié)構(gòu)。液相液態(tài)水，在一定溫度和壓力下存在。氣相水蒸氣，在一定溫度和壓力下存在。二氧化碳的相圖固相干冰的相圖，包括多種晶體結(jié)構(gòu)。液相液態(tài)二氧化碳，在一定溫度和壓力下存在。氣相二氧化碳?xì)怏w，在一定溫度和壓力下存在。凝聚相體系液體固體氣體克拉佩龍方程1克拉佩龍方程描述了相變過程中壓強(qiáng)隨溫度變化的關(guān)系。2應(yīng)用：克拉佩龍方程可以用來計算相變溫度和壓力。3局限性：克拉佩龍方程只適用于純物質(zhì)的單相變化?？藙谛匏?克拉佩龍方程克勞修斯-克拉佩龍方程是克拉佩龍方程的一個特殊形式，它描述了液態(tài)和氣態(tài)之間的相變過程。應(yīng)用：克勞修斯-克拉佩龍方程可以用來計算物質(zhì)的飽和蒸氣壓。意義：克勞修斯-克拉佩龍方程解釋了物質(zhì)的沸點(diǎn)隨壓力的變化規(guī)律。溶液的概念溶液溶液是指兩種或多種物質(zhì)均勻混合而成的體系，其中溶解的物質(zhì)稱為溶質(zhì)，溶解的介質(zhì)稱為溶劑。1溶解度溶解度是指在一定溫度下，某溶質(zhì)在一定量溶劑中所能溶解的最大量。2飽和溶液飽和溶液是指在一定溫度下，溶質(zhì)的濃度已經(jīng)達(dá)到溶解度的最大值，溶液中溶質(zhì)不再繼續(xù)溶解的溶液。3溶液的濃度表示方法1質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶質(zhì)質(zhì)量與溶液質(zhì)量之比。2體積分?jǐn)?shù)溶質(zhì)體積與溶液體積之比。3摩爾分?jǐn)?shù)溶質(zhì)摩爾數(shù)與溶液總摩爾數(shù)之比。4摩爾濃度單位體積溶液中溶質(zhì)的摩爾數(shù)。5質(zhì)量濃度單位體積溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量。理想溶液1理想溶液理想溶液是指溶質(zhì)和溶劑之間不存在相互作用力，溶液的性質(zhì)可以用溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)來表示。2條件理想溶液的條件：-溶質(zhì)和溶劑之間的分子間作用力相似。-溶液的濃度很稀。3例子理想溶液的例子：苯和甲苯的混合物等。理想溶液的性質(zhì)拉烏爾定律理想溶液中，溶劑的蒸氣壓等于純?nèi)軇┱魵鈮撼艘匀軇┑哪柗謹(jǐn)?shù)。亨利定律理想溶液中，溶質(zhì)的分壓等于溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)乘以溶質(zhì)在該溶劑中的亨利常數(shù)。拉烏爾定律拉烏爾定律拉烏爾定律描述了理想溶液中溶劑蒸氣壓與溶劑摩爾分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。應(yīng)用拉烏爾定律可以用來計算溶液的蒸氣壓、沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)等。亨利定律亨利定律描述了在一定溫度下，氣體在液體中的溶解度與氣體的分壓之間的關(guān)系。應(yīng)用：亨利定律可以用來計算氣體在液體中的溶解度。非理想溶液1非理想溶液是指溶質(zhì)和溶劑之間存在相互作用力，溶液的性質(zhì)不能用溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)來表示。2非理想溶液的特點(diǎn)：-溶質(zhì)和溶劑之間的分子間作用力不同。-溶液的濃度較高。3例子：乙醇和水的混合物等?；疃群突疃认禂?shù)活度是指溶質(zhì)在溶液中的有效濃度，它反映了溶質(zhì)的實(shí)際活性?；疃认禂?shù)是指活度與濃度的比值，它反映了溶液的非理想程度。應(yīng)用：活度和活度系數(shù)可以用來修正非理想溶液的性質(zhì)。稀溶液的依數(shù)性依數(shù)性依數(shù)性是指溶液的某些性質(zhì)只取決于溶質(zhì)的濃度，而與溶質(zhì)的種類無關(guān)。1類型常見的依數(shù)性包括：-蒸氣壓下降-沸點(diǎn)升高-凝固點(diǎn)降低-滲透壓2應(yīng)用依數(shù)性可以用來測定溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量。3蒸氣壓下降1蒸氣壓下降是指溶液的蒸氣壓低于純?nèi)軇┑恼魵鈮?，這是因?yàn)槿苜|(zhì)的存在降低了溶劑的表面活性。2應(yīng)用蒸氣壓下降可以用來計算溶液的沸點(diǎn)升高。沸點(diǎn)升高1沸點(diǎn)升高是指溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)，這是因?yàn)槿苜|(zhì)的存在降低了溶劑的蒸氣壓，需要更高的溫度才能使溶液沸騰。2應(yīng)用沸點(diǎn)升高可以用來測定溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量。3公式ΔTb=Kb·m，其中ΔTb是沸點(diǎn)升高，Kb是沸點(diǎn)升高常數(shù)，m是溶液的質(zhì)量摩爾濃度。凝固點(diǎn)降低凝固點(diǎn)降低是指溶液的凝固點(diǎn)低于純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)，這是因?yàn)槿苜|(zhì)的存在降低了溶劑的蒸氣壓，需要更低的溫度才能使溶液凝固。應(yīng)用凝固點(diǎn)降低可以用來測定溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量。公式ΔTf=Kf·m，其中ΔTf是凝固點(diǎn)降低，Kf是凝固點(diǎn)降低常數(shù)，m是溶液的質(zhì)量摩爾濃度。滲透壓滲透壓是指阻止溶劑透過半透膜進(jìn)入溶液所需的壓力，它反映了溶液的濃度。應(yīng)用滲透壓可以用來測定溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量。公式π=iMRT，其中π是滲透壓，i是范霍夫因子，M是溶液的摩爾濃度，R是理想氣體常數(shù)，T是絕對溫度?；旌衔锏姆蛛x方法精餾萃取過濾結(jié)晶精餾1精餾是指利用不同物質(zhì)沸點(diǎn)差異，通過加熱和蒸餾，分離混合物的過程。2原理：-沸點(diǎn)低的物質(zhì)更容易汽化。-不同沸點(diǎn)物質(zhì)的蒸氣壓不同。3應(yīng)用：-分離石油中的各種烴類。-分離酒精和水的混合物。萃取萃取是指利用溶質(zhì)在兩種互不相溶的溶劑中溶解度不同，將溶質(zhì)從一種溶劑中轉(zhuǎn)移到另一種溶劑中的過程。原理：-溶質(zhì)在不同溶劑中的溶解度不同。-溶質(zhì)在兩種溶劑之間形成平衡。應(yīng)用：-從植物中提取有效成分。-分離金屬離子。溶解度溶解度溶解度是指在一定溫度下，某溶質(zhì)在一定量溶劑中所能溶解的最大量。1影響因素溶解度受溫度、壓力、溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)等因素影響。2