工科大学化学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

工科大学化学n n主编：徐崇泉主编：徐崇泉 强亮生强亮生海洋学院基础化学学部海洋学院基础化学学部潘建新潘建新5687037(办办)(E楼楼404)n1.笔试笔试 70分分n2.实验实验 20分分注：实验共六个实验注：实验共六个实验,要求在实验前写好预习要求在实验前写好预习报告，实验后作好实验报告，实验课不可报告，实验后作好实验报告，实验课不可缺席，缺一个实验在总成绩上扣缺席，缺一个实验在总成绩上扣 20 分。分。n3.课堂出勤与作业课堂出勤与作业 10分分本课程的考查办法本课程的考查办法绪 论n n化学的研究对象化学的研究对象 化学是研究化学反应的学科。化学是研究化学反应的学科。化学是研究化学反应的学科。化学是研究化学反应的学科。要研究化学反应，必须在原子，分子水平上研要研究化学反应，必须在原子，分子水平上研要研究化学反应，必须在原子，分子水平上研要研究化学反应，必须在原子，分子水平上研究参与反应的物质的组成，结构，性能，变化规究参与反应的物质的组成，结构，性能，变化规究参与反应的物质的组成，结构，性能，变化规究参与反应的物质的组成，结构，性能，变化规律，以及变化过程中的能量关系等。律，以及变化过程中的能量关系等。律，以及变化过程中的能量关系等。律，以及变化过程中的能量关系等。绪 论n n化学研究的主要内容化学研究的主要内容n n基础理论部分：主要包括化学热力学、基础理论部分：主要包括化学热力学、基础理论部分：主要包括化学热力学、基础理论部分：主要包括化学热力学、动力学和动力学和动力学和动力学和物质结构。物质结构。物质结构。物质结构。l l化学反应的方向和限度及变化中的能量效应；化学反应的方向和限度及变化中的能量效应；化学反应的方向和限度及变化中的能量效应；化学反应的方向和限度及变化中的能量效应；l l化学反应进行的速度和机理问题；化学反应进行的速度和机理问题；化学反应进行的速度和机理问题；化学反应进行的速度和机理问题；l l物质的性质与其结构之间的关系问题。物质的性质与其结构之间的关系问题。物质的性质与其结构之间的关系问题。物质的性质与其结构之间的关系问题。n n应用部分：主要包括元素、化合物以及化学与能应用部分：主要包括元素、化合物以及化学与能应用部分：主要包括元素、化合物以及化学与能应用部分：主要包括元素、化合物以及化学与能源、材料、生命、环境和信息等。源、材料、生命、环境和信息等。源、材料、生命、环境和信息等。源、材料、生命、环境和信息等。n n实验部分：主要包括验证、合成、分析检测等。实验部分：主要包括验证、合成、分析检测等。实验部分：主要包括验证、合成、分析检测等。实验部分：主要包括验证、合成、分析检测等。化学与社会进步和现代高科技的发展n n化学与生活n n化学与材料n n化学与能源n n化学与信息n n化学与生命n n化学与环境THEMOSTIMPORTANTPROGRESSESMADEINSCIENCEANDTECHNOLOGYDURINGTHE20THCENTENARYpLaser technologyLaser technology（激光技术）（激光技术）pSemiconductorSemiconductor（半导体）（半导体）pComputerComputer（计算机）（计算机）pBiotechnologyBiotechnology（生物技术）（生物技术）pNuclear technologyNuclear technology（核技术）（核技术）pAerospace technologyAerospace technology（航空航天技术）（航空航天技术）The scientific The scientific ICONSICONS of the twentieth of the twentieth century were the atomic bomb and the century were the atomic bomb and the genetic codegenetic code2020世纪科学发展的标志是世纪科学发展的标志是原子弹原子弹的发现和的发现和遗传遗传密码密码的破解的破解实际上，六大重大进展中缺少任何一项，人实际上，六大重大进展中缺少任何一项，人类照样能够生存。但如果缺少了化学合成技类照样能够生存。但如果缺少了化学合成技术术（Chemical Synthetic TechnologyChemical Synthetic Technology），人类的生存和发展将是难以想象的。人类的生存和发展将是难以想象的。昔日昔日的饥的饥饿与饿与今天今天的丰的丰收景收景象形象形成鲜成鲜明的明的对照对照2005年世界粮食计划署总干事莫里斯提醒人们：截止到世界粮食日（年世界粮食计划署总干事莫里斯提醒人们：截止到世界粮食日（10月月16日）日），全世界今年已有，全世界今年已有6,241,512人死于饥饿和饥饿引起的疾病。在近几十年的进步人死于饥饿和饥饿引起的疾病。在近几十年的进步之后，长期处于饥饿状态之中的人口总数又在攀升了。之后，长期处于饥饿状态之中的人口总数又在攀升了。当今世界上有当今世界上有1/31/3的粮食产量直接来源于施用化学肥料所导致的粮食产量直接来源于施用化学肥料所导致的增产。这意味着，如果没有化肥工业，在的增产。这意味着，如果没有化肥工业，在2020世纪，全世界有世纪，全世界有2020亿人会因饥饿而丧生！亿人会因饥饿而丧生！1909190919091909年，德国化学家哈伯成年，德国化学家哈伯成年，德国化学家哈伯成年，德国化学家哈伯成功地建立了每小时能产生功地建立了每小时能产生功地建立了每小时能产生功地建立了每小时能产生80808080克氨的装置，他也因此获得克氨的装置，他也因此获得克氨的装置，他也因此获得克氨的装置，他也因此获得了了了了1918191819181918年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。科学天才科学天才与与战争魔鬼战争魔鬼-弗里茨弗里茨哈伯哈伯现代化学战的现代化学战的始作俑者始作俑者”化化学学农农药药在在防防治治病病虫虫害害，保保护护人类生存环境中发挥重要作用。人类生存环境中发挥重要作用。化学纤维化学纤维化学合成药物的发展，使得许多不治之症得以治愈，使人化学合成药物的发展，使得许多不治之症得以治愈，使人们的寿命延长了将近们的寿命延长了将近1倍，并大大改善了人类的生存质量。倍，并大大改善了人类的生存质量。很显然：在过去的很显然：在过去的100多年里，化学，特别是多年里，化学，特别是合成化学的发展为人类的生存、生存质量的改合成化学的发展为人类的生存、生存质量的改善做出了其它六大科学技术进步所无法比拟的善做出了其它六大科学技术进步所无法比拟的贡献。贡献。由此可见，化学合成技术的发展和完善是化学由此可见，化学合成技术的发展和完善是化学科学工作者在科学工作者在20世纪对人类做出的最大贡献，世纪对人类做出的最大贡献，也是在也是在20世纪最伟大的科学技术进展。世纪最伟大的科学技术进展。化学学化学学科的声誉在恶化科的声誉在恶化p 恐怖威胁p 环境污染p 化学武器第一章 化学反应热 Chemicalreactionheat 1.1 1.1 基本概念基本概念1.1.1系统和环境系统和环境系统系统(system)(system)：被研究的对象。被研究的对象。被研究的对象。被研究的对象。系系系系统统统统可可可可以以以以是是是是具具具具体体体体的的的的，也也也也可可可可是是是是假假假假想想想想的的的的；可可可可以以以以是是是是具具具具有有有有边界的，也可以是不具有边界的。边界的，也可以是不具有边界的。边界的，也可以是不具有边界的。边界的，也可以是不具有边界的。环境环境(surroundings)(surroundings)：系统以外与其密切相关的部分。系统以外与其密切相关的部分。系统以外与其密切相关的部分。系统以外与其密切相关的部分。按按按按系统和环境之间系统和环境之间系统和环境之间系统和环境之间物质和能量的交换情况物质和能量的交换情况物质和能量的交换情况物质和能量的交换情况 （1 1）敞开系统敞开系统(opensystem)(opensystem)既有物质又有能量交换既有物质又有能量交换既有物质又有能量交换既有物质又有能量交换 （2 2）封封闭闭系系统统(closed(closedsystem)system)：无无无无物物物物质质质质交交交交换换换换，但但但但可可可可有有有有能量交换能量交换能量交换能量交换（3 3）孤孤立立系系统统(isolated(isolatedsystem)system)：无无无无物物物物质质质质交交交交换换换换，无无无无能能能能量交换量交换量交换量交换 图 1.系统与环境示意图1.1.2 1.1.2 状态与状态函数状态与状态函数（state function)n n系统的状态系统的状态(state)(state)：系统宏观性质（例如：系统宏观性质（例如：压力、温度、体积、能量、密度、组成等）的压力、温度、体积、能量、密度、组成等）的综合表现。系统某宏观性质变化，系统的状态综合表现。系统某宏观性质变化，系统的状态也发生变化。也发生变化。n n状态函数状态函数：用来描述系统状态的物理量，称用来描述系统状态的物理量，称为系统的性质。是状态的单值函数，又称为状为系统的性质。是状态的单值函数，又称为状态函数。态函数。1.1.2 1.1.2 状态与状态函数状态与状态函数（state function)n n状态函数的特点状态函数的特点：(1)状态一定，状态函数的值一定。状态一定，状态函数的值一定。(2)它的变化值只与系统的它的变化值只与系统的始态始态和和终态终态有关，有关，与与变化途径无关。变化途径无关。1.2 1.2 热力学第一定律热力学第一定律n n能能量量守守恒恒定定律律：在在在在任任任任何何何何过过过过程程程程中中中中能能能能量量量量不不不不会会会会自自自自生生生生自自自自灭灭灭灭，只只只只能能能能从从从从一一一一种种种种形形形形式式式式转转转转化化化化为为为为另另另另一一一一种种种种形形形形式式式式，且且且且转转转转化化化化过过过过程中能量的总值不变。程中能量的总值不变。程中能量的总值不变。程中能量的总值不变。n n内内能能：系系系系统统统统内内内内部部部部能能能能量量量量的的的的总总总总称称称称（分分分分子子子子的的的的平平平平动动动动能能能能、转转转转动动动动能能能能、振振振振动动动动能能能能、电电电电子子子子运运运运动动动动能能能能及及及及原原原原子子子子核核核核内内内内的的的的能能能能量量量量以以以以及及及及系统内部分子与分子间的相互作用能等）。系统内部分子与分子间的相互作用能等）。系统内部分子与分子间的相互作用能等）。系统内部分子与分子间的相互作用能等）。n n内内能能是是状状态态函函数数：其其其其绝绝绝绝对对对对值值值值难难难难以以以以测测测测定定定定，但但但但系系系系统统统统内能的变化可以通过系统与环境间的热和功确定。内能的变化可以通过系统与环境间的热和功确定。内能的变化可以通过系统与环境间的热和功确定。内能的变化可以通过系统与环境间的热和功确定。系统发生状态变化系统发生状态变化 InternalenergyU1InternalenergyU2state1state2Heat(Q)Work(W)热力学第一定律热力学第一定律（Firstlawofthermodynamics）U=U2-U1=Q+WU=U2-U1=Q+W几点说明几点说明：（1 1）U U 是状态函数，与变化途径无关。是状态函数，与变化途径无关。是状态函数，与变化途径无关。是状态函数，与变化途径无关。Q Q、WW不是状态函数，与变化途径有关。不是状态函数，与变化途径有关。不是状态函数，与变化途径有关。不是状态函数，与变化途径有关。（2 2）热）热）热）热QQ，系统吸热时为正，系统放热时为负。，系统吸热时为正，系统放热时为负。，系统吸热时为正，系统放热时为负。，系统吸热时为正，系统放热时为负。（3 3）功功功功WW，环环环环境境境境向向向向系系系系统统统统做做做做功功功功为为为为正正正正，系系系系统统统统向向向向环环环环境境境境做做做做功功功功为为为为负。负。负。负。（4 4）热热热热力力力力学学学学功功功功有有有有体体体体积积积积功功功功（膨膨膨膨胀胀胀胀功功功功）和和和和非非非非体体体体积积积积功功功功（有有有有用用用用功）式，此处只功）式，此处只功）式，此处只功）式，此处只 讨论讨论讨论讨论体积功体积功体积功体积功。W体体=-pe V (5)(5)热和功是系统和环境能量交换的两种不同形式热和功是系统和环境能量交换的两种不同形式热和功是系统和环境能量交换的两种不同形式热和功是系统和环境能量交换的两种不同形式。化。化。化。化学反应一般都伴有反应热。学反应一般都伴有反应热。学反应一般都伴有反应热。学反应一般都伴有反应热。1.3 化学反应的热效应化学反应的热效应化学反应热化学反应热：是指系统不做非体积功（只做是指系统不做非体积功（只做体积功即膨胀功时）的条件下，当生成物与体积功即膨胀功时）的条件下，当生成物与反应物温度相同时，化学反应过程中吸收或反应物温度相同时，化学反应过程中吸收或放出的热量。放出的热量。n n分为分为等容反应热等容反应热和和等压反应热等压反应热。1.3.1 等容反应热等容反应热 QVW=W体体+W有有等容，等容，V=0，W体体=0而而 W有有=0 则则 U=Qv系统内能的变化在数值上等于等容反应热。系统内能的变化在数值上等于等容反应热。U=U2-U1=Q+W1.3.2 等压反应热等压反应热 Qpn nHH 系统的系统的系统的系统的焓焓(Enthalpy)(Enthalpy)，状态函数，状态函数，状态函数，状态函数n nHH反应过程中系统的反应过程中系统的反应过程中系统的反应过程中系统的焓的变化焓的变化焓的变化焓的变化，其值与，其值与，其值与，其值与 等压反应热等压反应热等压反应热等压反应热相同相同相同相同 令令U=U2-U1=Qp+W=Qp-p(V2-V1)则则 Qp=(U2+pV2)-(U1+pV1)则则1.3.3 赫斯定律赫斯定律 (HesssLaw)n n赫斯定律赫斯定律：总反应的热效应只与反应的始态和总反应的热效应只与反应的始态和 终态有关，等终态有关，等于其所有分步反应热效应的总和。于其所有分步反应热效应的总和。n n说明说明：（1）使用条件：）使用条件：等压或等容条件下的化学反应，等压或等容条件下的化学反应，因为因为H=Qp，U=QV，所以可见赫斯定律所以可见赫斯定律实际上是实际上是“内能和焓是状态函数内能和焓是状态函数”这一结论这一结论的的体现。体现。（2）可利用赫斯定律来设计不同的途径来求算）可利用赫斯定律来设计不同的途径来求算需要的热效应。需要的热效应。l例例1.在在恒恒定定温温度度T及及压压力力P及及无无非非体体积积功功的的条条件件下下，C燃燃烧烧生生成成CO2和和CO，求求C(s)+O2(g)生成生成CO(g)的反应热。的反应热。l(1)C(s)+O2(g)CO2(g)rHm,1=393.51kJ mol1l(2)CO(g)+1/2O2(g)CO2(g)rHm,2=282.98kJ mol 1l(3)C(s)+1/2O2(g)CO(g)rHm,3=？InitialstateC(s)+O2(g)FinalstateCO2(g)CO(g)+1/2O2(g)rHm,1=rHm,2rHm,3rHm,3=rHm,1rHm,2（3）始态）始态和终态：要说明系统所处的和终态：要说明系统所处的T和和P，反应物和生成物的量及聚集状态等。反应物和生成物的量及聚集状态等。1.3.4 热力学标准态热力学标准态 (standardstate)n某一温度下，化学反应中各物质处于标某一温度下，化学反应中各物质处于标准态时的摩尔焓变，称为准态时的摩尔焓变，称为标准摩尔反应焓标准摩尔反应焓变变。rHm2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)rHm(298.15K)=571.66 kJmol1标准状态标准状态：气体：气体：T、p=p=100kPa 的纯理想气体；的纯理想气体；液、固体：液、固体：T、p下的纯物质；下的纯物质；溶液：溶液：T、c=c=1molL-1rHm与反应式的写法有关，还与参与反应的各物质的聚集状态有关。1.3.5 化学反应标准摩尔焓变化学反应标准摩尔焓变1 1.标准摩尔生成焓标准摩尔生成焓 ：在一定温度和：在一定温度和标准状态下，由标准状态下，由最稳定单质最稳定单质生成单位物质的量生成单位物质的量（1mol物质）的纯物质时的反应的焓变。物质）的纯物质时的反应的焓变。注意注意注意注意：各物质的：各物质的：各物质的：各物质的聚集状态聚集状态聚集状态聚集状态水合离子的标准生成焓：水合离子的标准生成焓：定义定义298.15K时，时，1molL-1水合水合H离子离子的标准生成焓值等于零，可确定其他离子的的标准生成焓值等于零，可确定其他离子的相对生成焓。相对生成焓。n n最稳定单质的最稳定单质的 =0n n最稳定单质：最稳定单质：H:H2(g)N:N2(g)C:石墨石墨Br:Br2(l)P:白磷白磷Hg:Hg(l)O:O2(g)S:斜方硫斜方硫2.化学反应标准摩尔焓变的计算化学反应标准摩尔焓变的计算Reaction:reaction:a A+f F=g G+d DvB：为相应的化学计量数，反应物取为相应的化学计量数，反应物取，生成物取，生成物取。例例1.4，1.5，1.6见教材见教材P14-15反应热的测量反应热的测量实验测定实验测定计算化学反应热时应注意：计算化学反应热时应注意：（1）必须注明参与反应物质的状态（必须注明参与反应物质的状态（必须注明参与反应物质的状态（必须注明参与反应物质的状态（g,l,s,aqg,l,s,aq）和）和）和）和晶型。晶型。晶型。晶型。（2 2）焓（）焓（）焓（）焓（HH）与物质的量成正比，所以必须注意反）与物质的量成正比，所以必须注意反）与物质的量成正比，所以必须注意反）与物质的量成正比，所以必须注意反应式中的应式中的应式中的应式中的化学计量数化学计量数化学计量数化学计量数 g,d,a,bg,d,a,b的配平。的配平。的配平。的配平。（3 3）有的生成热是）有的生成热是）有的生成热是）有的生成热是吸热，有的是放热，正负号不可吸热，有的是放热，正负号不可吸热，有的是放热，正负号不可吸热，有的是放热，正负号不可忽略。忽略。忽略。忽略。r rHHmm(正向反应正向反应正向反应正向反应)=)=r rHHmm(逆向反应逆向反应逆向反应逆向反应)（4 4）其它温度时，可用）其它温度时，可用）其它温度时，可用）其它温度时，可用298.15K298.15K的近似计算。的近似计算。的近似计算。的近似计算。1.3.6 反应进度反应进度a A+f F=g G+d D上式可写成以下通式：上式可写成以下通式：0=BvBB，lBB表示包含在反应中的分子、原子或离子表示包含在反应中的分子、原子或离子lv vB B相应的化学计量数，反应物取相应的化学计量数，反应物取-，生成物取，生成物取+对上述反应，定义反应进度对上述反应，定义反应进度式中：式中：nBB的物质的量的物质的量单位单位mol反应进度，量度化学反应进行的程度。反应进度，量度化学反应进行的程度。单位与单位与nB一致一致，为mol当当=1mol时，时，nB=vB，反应：，反应：2H2(g)+O2(g)=2H2O(g)标准摩尔焓变为：标准摩尔焓变为：483.6kJ.mol-1则：则：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(g)的标准摩尔焓变的标准摩尔焓变为：为：241.8kJmol-1注意：标准摩尔焓变是指反应进度注意：标准摩尔焓变是指反应进度=1mol；反应进度对应一定的化学反应式。反应进度对应一定的化学反应式。问题：问题：由由Hess定律设计反应途径求反应热定律设计反应途径求反应热rHm，是，是不是唯一的计算方法？不是唯一的计算方法？