化学热力学与化学动力学基础.ppt

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1、第二篇 化学热力学与化学动力学基础无机化学精品课程第五章第五章 化学热力学基础化学热力学基础2006年11月21日，星期二第十三次课 20062007学年第一学期化学系2006级本科精品课程无机化学教学内容：教学内容：1 1、5 51 1 化学热力学的研究对象化学热力学的研究对象 2 2、5 52 2 基本概念（一）基本概念（一）教学重点：教学重点：1 1、化学热力学第一定律和第二定律、化学热力学第一定律和第二定律 2 2、5 52 2 基本概念（一）基本概念（一）教学难点：教学难点：分压定律。分压定律。内容提要内容提要 化学热力学讨论的是化学反应方向和限度的问题，化学化学热力学讨论的是化学反

2、应方向和限度的问题，化学动力学讨论的是化学反应速度的问题。作为化学专业的学生，动力学讨论的是化学反应速度的问题。作为化学专业的学生，必须学好化学反应热力学和化学反应动力学。必须学好化学反应热力学和化学反应动力学。化学反应热力学和化学反应动力学是物理化学的内容，化学反应热力学和化学反应动力学是物理化学的内容，我们在无机化学课程中只是作初步的学习，目的是为无机化我们在无机化学课程中只是作初步的学习，目的是为无机化学、有机化学的学习提供理论基础，所以学习的是较低层次学、有机化学的学习提供理论基础，所以学习的是较低层次的知识。的知识。具体地说，只讨论理想气体和理想溶液，不讨论实际气具体地说，只讨论理想

3、气体和理想溶液，不讨论实际气体和实际溶液；只讨论化学反应的热力学，不讨论相平衡，体和实际溶液；只讨论化学反应的热力学，不讨论相平衡，所有的计算均不使用高等数学。所有的计算均不使用高等数学。精品课程无机化学 1.1.学习第一节应着重在把握热力学的概况，对热力学第学习第一节应着重在把握热力学的概况，对热力学第三定律，只需初步的概括了解。三定律，只需初步的概括了解。2.2.第二节系统地建立与化学热力学有关的第二节系统地建立与化学热力学有关的1010个基本概念。个基本概念。其中有的基本概念是中学有关概念的扩展。其中有的基本概念是中学有关概念的扩展。3.3.第三节介绍了化学热力学四个最重要的状态函数第三

4、节介绍了化学热力学四个最重要的状态函数热力学能、焓、吉布斯自由能和熵，同时建立了标准摩尔反热力学能、焓、吉布斯自由能和熵，同时建立了标准摩尔反应焓、应焓、标准摩尔反应自由能和标准熵以及标准摩尔反应熵的标准摩尔反应自由能和标准熵以及标准摩尔反应熵的概念，初步讨论了化学反应的方向和限度概念，初步讨论了化学反应的方向和限度。4.4.第四节介绍了化学热力学的主要应用。第四节介绍了化学热力学的主要应用。精品课程无机化学学习要点：学习要点：5.1 5.1 化学化学热力学的研究力学的研究对象象 热力学热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科。：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科。研究宏观过程的

5、能量变化、过程的方向与限度的规律。研究宏观过程的能量变化、过程的方向与限度的规律。精品课程无机化学1 1、热力学及热力学三大定律、热力学及热力学三大定律化学热力学化学热力学：热力学在化学中的应用。：热力学在化学中的应用。用用热力学的定律、原理和方法热力学的定律、原理和方法研究化学过程的能量变化、研究化学过程的能量变化、过程的方向与限度。过程的方向与限度。涉及化学反应的热效应、化学反应的方向与限度、化学涉及化学反应的热效应、化学反应的方向与限度、化学平衡、溶液与相平衡、电化学热力学、表面与界面化学热力平衡、溶液与相平衡、电化学热力学、表面与界面化学热力学等内容。学等内容。热力学第一定律热力学第一

6、定律 18241824年，卡诺提出了年，卡诺提出了“热力学热力学”一词，并设计了卡诺循一词，并设计了卡诺循环（循环热机模型）。环（循环热机模型）。卡诺循环的中心思想：燃料（在高温热源）燃烧产生的卡诺循环的中心思想：燃料（在高温热源）燃烧产生的热不可能百分之百地转化为推动蒸汽机的机械功，总有一部热不可能百分之百地转化为推动蒸汽机的机械功，总有一部分热得不到利用，向低温热源散发。分热得不到利用，向低温热源散发。精品课程无机化学 18501850年左右科学家们归纳出了热力学第一定律和第二定年左右科学家们归纳出了热力学第一定律和第二定律。律。热力学第一定律热力学第一定律（即（即能量守恒定律能量守恒定律

7、）：能量不可能无中）：能量不可能无中生有也不可能无影无踪地消失，只能从一种形式转化为另一生有也不可能无影无踪地消失，只能从一种形式转化为另一种形式。种形式。另另一一种种表表述述：热热能能可可以以从从一一个个物物体体传传递递给给另另一一个个物物体体,也也可可以以与与机机械械能能或或其其他他能能量量相相互互转转换换,在在传传递递和和转转换换过过程程中中,能能量的总值不变。量的总值不变。精品课程无机化学 热力学第一定律有时也表述为第一类永动机是不可能制热力学第一定律有时也表述为第一类永动机是不可能制造的。造的。第一类永动机：不消耗任何能量就能永远作功的机器。第一类永动机：不消耗任何能量就能永远作功的

8、机器。艾舍尔描艾舍尔描绘的第一绘的第一类永动机类永动机精品课程无机化学 热力学第二定律热力学第二定律：它讨论宏观过程的它讨论宏观过程的方向方向和和限度限度。热力学第二定律的热力学第二定律的三种表述三种表述：a a、热量总是从高温物体传到低温物体，不能作相反的传热量总是从高温物体传到低温物体，不能作相反的传递而不带其他变化；递而不带其他变化；b b、在不引起其他任何变化的条件下，热不能全部转化为在不引起其他任何变化的条件下，热不能全部转化为功（即无法制造第二类永动机）。功（即无法制造第二类永动机）。c c、在孤立系统内实际发生的过程，总使整个系统的熵的在孤立系统内实际发生的过程，总使整个系统的熵

9、的数值增大，这定律也称为数值增大，这定律也称为熵增加原理熵增加原理。精品课程无机化学2、学习本章的作用、学习本章的作用 通过热力学计算化学反应的热效应；通过热力学计算化学反应的热效应；预言给定条件下一个反应能否发生；预言给定条件下一个反应能否发生；预言反应条件对反应转化率和方向的影响。预言反应条件对反应转化率和方向的影响。精品课程无机化学3 3、化学热力学的、化学热力学的局限性局限性 能预测反应能否发生，但不能预测反应能预测反应能否发生，但不能预测反应进行的速度。进行的速度。反应速率和催化剂不是化学热力学问题，而反应速率和催化剂不是化学热力学问题，而是是化学动力学化学动力学问题。问题。能描述反

10、应系统的宏观行为，但不能预能描述反应系统的宏观行为，但不能预言化学反应的微观机理。言化学反应的微观机理。化学反应的微观机理是化学反应的微观机理是动力学动力学的研究范畴。的研究范畴。精品课程无机化学5 52 2 基本概念基本概念 5 52 21 1 系系统和和环境境 系系统：被人：被人为地划定的作地划定的作为研究研究对象的物象的物质叫系叫系统(又叫又叫体系体系或或物系物系)。环境环境：系统以外的物质世界叫做环境。：系统以外的物质世界叫做环境。孤立系孤立系统：与：与环境既无物境既无物质交交换又无能量交又无能量交换。开放系开放系统：与：与环境既有物境既有物质交交换又有能量交又有能量交换。封封闭系系统

11、：与：与环境无物境无物质交交换而有能量交而有能量交换。精品课程无机化学 理论上，环境是除划定为研究系统而外的整个物质世界，理论上，环境是除划定为研究系统而外的整个物质世界，所以它的温度和压力可以认为是恒定不变的，通常规定环境条所以它的温度和压力可以认为是恒定不变的，通常规定环境条件如下：件如下：环境条件：环境条件：环境温度环境温度298.15K298.15K；环境压力为标准大气压环境压力为标准大气压。标准大气压标准大气压 p p=760 mmHg=760 mmHg（毫米汞柱）（毫米汞柱）=760=760 torrtorr（乇）（乇）=1=1 atmatm（大气压）（大气压）=1.01325=1

12、.01325105 Pa105 Pa（帕斯卡）（帕斯卡）注意注意：环境压力与热力学标准压力的区别。环境压力与热力学标准压力的区别。国际规定，物理量符号为斜体字母，单位符号为正体国际规定，物理量符号为斜体字母，单位符号为正体字母。字母。凡是热力学物理量符号上标凡是热力学物理量符号上标“”的都是指在热力学的都是指在热力学标准态下的。标准态下的。通常所说的标准状态是指通常所说的标准状态是指 101 325 Pa101 325 Pa，而不是指热，而不是指热力学标准态。力学标准态。精品课程无机化学5 52 22 2 物物质的量的量 摩摩尔是一系是一系统的物的物质的量的量,该系系统中所包含的基本中所包含的

13、基本单元数元数与与0.012kg0.012kg碳碳-12-12的原子数目相等。的原子数目相等。SISI制制单位符号是：位符号是：mol mol 表示物表示物质的量的量时,应先指明基本先指明基本单元。物元。物质的基本的基本单元可元可以是各种任意指定的微粒如以是各种任意指定的微粒如:原子、分子、离子光子、原子、分子、离子光子、电子或子或特定特定组合合。精品课程无机化学 “物质的量物质的量”是一个基本物理量，符号为是一个基本物理量，符号为 n n，单位为摩，单位为摩尔（简称摩），符号尔（简称摩），符号molmol。0.012kg0.012kg碳碳1212的原子数目为阿伏加德罗常数。的原子数目为阿伏加

14、德罗常数。精品课程无机化学2 2、摩尔体积摩尔体积 1mol1mol物质的体积称为物质的体积称为“摩尔体积摩尔体积”，符号，符号V V m m，单位单位m m3 3molmol1 1或或L Lmolmol1 1。3 3、摩尔质量摩尔质量 1mol1mol物质的质量称为该物质的物质的质量称为该物质的“摩尔质量摩尔质量”，符号符号M M，单位，单位kgkgmolmol1 1。摩摩尔反反应内涵内涵举例：例：2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）H2（g）+1/2 O2（g）=H2O（g）精品课程无机化学4 4、摩尔反应摩尔反应 摩尔反应摩尔反应：对于一个特定的化学方程式，反应物按方程：对于一个特定

15、的化学方程式，反应物按方程式的计量系数完全转化为生成物，就发生了式的计量系数完全转化为生成物，就发生了1mol1mol反应。反应。方程式不同的同一反应，方程式不同的同一反应，1mol1mol的的内涵内涵不同。不同。注意：注意：化学热力学中的化学方程式里的物质以摩尔计，而且化学热力学中的化学方程式里的物质以摩尔计，而且必须标注物态。必须标注物态。混合物的组成用混合物的组成用“摩尔分数摩尔分数”表达。表达。5 52 23 3 浓度度 广义的浓度广义的浓度概念指一定量溶液或溶剂中概念指一定量溶液或溶剂中溶质的量溶质的量。狭义的浓度狭义的浓度是是“物质的量浓度物质的量浓度”的简称，指：每升溶液的简称，

16、指：每升溶液中溶质中溶质 B B 的的“物质的量物质的量”，符号为，符号为c c，单位为，单位为molmolL L1 1或或molmoldmdm3 3。c cB B n nB B/V V 质量摩尔浓度：每质量摩尔浓度：每1kg1kg溶剂中溶质的溶剂中溶质的“物质的量物质的量”，符号，符号m m，单位，单位molmolkgkg1 1。精品课程无机化学5 52 24 4 气体气体气体的最基本特征：气体的最基本特征：具有具有可压缩性可压缩性和和扩散性扩散性。人人们将符合理想气体状将符合理想气体状态方程式的气体，方程式的气体，称称为理想气体理想气体。理想气体分子之理想气体分子之间没有相互吸引和排斥，分

17、子没有相互吸引和排斥，分子本身的体本身的体积相相对于气体所占有体于气体所占有体积完全可以忽略完全可以忽略。精品课程无机化学 我们可以将我们可以将压力不高压力不高、温度不低温度不低的实际气体看的实际气体看着是理想气体。着是理想气体。pV=nRT R 摩尔气体常量 在STP下，p=101.325kPa,T=273.15K n=1.0 mol时,Vm=22.414L=22.41410-3m3R=8.314 kPaLK-1mol-11、理想气体状态方程式：精品课程无机化学(1)计算p，V，T，n四个物理量之一。(2)气体摩尔质量的计算M=Mr gmol-1 理想气体状理想气体状态方程式的方程式的应用用

18、 用于温度不太低，压力不太高的真实气体。pV=nRT精品课程无机化学=m/V(3)气体密度的计算精品课程无机化学组分气体：理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。分压：在相同温度下，组分气体B占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压。2.2.分分压定律定律 精品课程无机化学分分压定律：定律：混合气体的混合气体的总压等于混合气体中各等于混合气体中各组分气体分分气体分压之和。之和。p=p1+p2+或 p=pB n=n1+n2+精品课程无机化学x B B的摩尔分数精品课程无机化学V =V1 +V2 +p nRT=称为B的体积分数例例5-8：p204 例例5-9：p204精品课程无机化学精品课程无机化学作业：P.239 54；56；58。