02 post+2+thermochemistry.pptx

第1页：化学热力学章节封面

Thermochemistry（化学热力学）：Chapter 6，研究化学反应中的能量变化。

第2页：什么是能量

能量是做功的能力，以多种形式存在：没有人知道其绝对值的大小。

• 热能 Thermal energy：分子的无规则运动
• 化学能 Chemical energy：物质化学键中的能量
• 核能 Nuclear energy：原子核内中子与质子的结合能
• 电能 Electrical energy：电子的流动
• 势能 Potential energy：由物体位置决定

热力学只处理伴随化学反应发生的能量变化。

第3页：系统与环境

系统 System

宇宙中被研究的那一部分。

环境 Surroundings

系统之外与系统相关联的部分。

第4页：热与温度

热 Heat

系统与环境之间因温度不同而传递的能量。

温度 Temperature

热能的量度；温度越高，热能越大。

我们能测量的只是能量的变化量，而非能量的绝对值。例如 90 ℃ 的物体比 40 ℃ 的物体具有更大的热能。

第5页：功与体积功

功 Work：与热一样，是系统与环境之间传递的能量。

w = 力 F × 距离 h = P × A × h = PΔV（压力—体积功）

第6页：状态函数

状态函数：只由系统状态决定，与达到该状态的途径（历史）无关。

• 能量变化：ΔE = E_终 − E_初
• ΔP = P_终 − P_初；ΔV = V_终 − V_初；ΔT = T_终 − T_初

意义：使推理与计算大大简化。登山者1与登山者2的势能相同，与所走路线无关。

第7页：热力学第一定律

热力学第一定律：宇宙的能量可以由一种形式转化为另一种形式，但不能被创造或消灭。

ΔE_系统 + ΔE_环境 = 0，ΔE = E_终 − E_初

ΔE = q + w

• q：与环境交换的热量
• w：对系统做功或系统对外做功，“+”为系统得，“−”为系统失

注意：E 是状态函数，而 q 与 w 只与具体过程有关，不是状态函数。

第8页：放热与吸热过程

放热过程 Exothermic

向环境放出热量，如 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(l) + 能量；H₂O(g) → H₂O(l) + 能量。

吸热过程 Endothermic

从环境吸收热量，如 能量 + 2HgO(s) → 2Hg(l) + O₂(g)。

第9页：氮气膨胀做功计算

1.6 L 氮气在恒温下膨胀至 5.4 L，求做功（a）向真空膨胀（b）对抗 3.7 atm 恒压。

w = −PΔV，ΔV = 5.4 L − 1.6 L = 3.8 L

• (a) P = 0 atm：w = −0 atm × 3.8 L = 0 L·atm = 0 J
• (b) P = 3.7 atm：w = −3.7 atm × 3.8 L = −14 L·atm

−14 L·atm × 101.3 J/(1 L·atm) = −1400 J

第10页：定容过程的内能变化

定容条件：ΔV = 0，故 w = 0，则 ΔE = qᵥ。

定容时系统吸收或放出的热量，全部用于增加或减少系统的内能。

第11页：定压过程与焓

定压条件：w = −PΔV，ΔE = qₚ − PΔV

E₂ − E₁ = qₚ − P(V₂ − V₁)

qₚ = (E₂ + PV₂) − (E₁ + PV₁) = H₂ − H₁ = ΔH

定义焓 H = E + PV；H 是状态函数，但它不是系统能量，只是系统能量的一种量度。

定压下吸收或放出的热量，全部用于增加或减少系统的焓。

第12页：ΔH与ΔE的比较

2Na(s) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g)，ΔH = −367.5 kJ/mol

ΔE = ΔH − PΔV；25 ℃、1 atm 下 1 mol H₂ 占 24.5 L

PΔV = 1 atm × 24.5 L = 2.5 kJ

ΔE = −367.5 kJ/mol − 2.5 kJ/mol = −370.0 kJ/mol

第13页：焓与焓变

焓 H：描述恒压过程中热量流动的物理量。

焓变 ΔH = H(产物) − H(反应物)

• H_产物 < H_反应物：ΔH < 0，放热
• H_产物 > H_反应物：ΔH > 0，吸热

第14页：热化学方程式

热化学方程式：H₂O(s) → H₂O(l)，ΔH = 6.01 kJ

系统吸热，属吸热过程，ΔH > 0。含义：在 0 ℃ 与 1 atm 下，1 mol 冰熔化吸收 6.01 kJ 热量。

第15页：热化学方程式的规则

热化学方程式的三条规则

• 方程式逆转，ΔH 符号改变：H₂O(l) → H₂O(s)，ΔH = −6.01 kJ
• 两边同乘 n，ΔH 也乘 n：2H₂O(s) → 2H₂O(l)，ΔH = 2 × 6.01 = 12.0 kJ
• 必须标明物质状态：H₂O(l) → H₂O(g)，ΔH = 44.0 kJ

第16页：白磷燃烧放热计算

266 g 白磷（P₄）在空气中燃烧放出多少热？

P₄(s) + 5O₂(g) → P₄O₁₀(s)，ΔH = −3013 kJ

266 g P₄ × (1 mol P₄ / 123.9 g P₄) × (3013 kJ / 1 mol P₄) = 6470 kJ

第17页：

第18页：标准生成焓

焓的绝对值无法测量，需建立参考点：任何元素在其最稳定形态下 ΔH_f° = 0。

标准生成焓：在 1 atm 下，由最稳定形态的元素生成 1 mol 化合物时的热变化。例如 C(石墨) + O₂(g) = CO₂(g)，ΔH°_rxn = −393.5 kJ，故 ΔH_f°(CO₂, g) = −393.5 kJ/mol。

第19页：碳酸钙分解的反应焓路径

CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) 的焓变路径：

• ΔH_a° = H₄ − H₁；ΔH_b° = (H₅ + H₆) − H₄；ΔH_c° = H₂ − H₅；ΔH_d° = H₃ − H₆
• ΔH°_rxn = ΔH_a° + ΔH_b° + ΔH_c° + ΔH_d° = (H₂ + H₃) − H₁

即 ΔH°_rxn = [ΔH_f°(CaO, s) + ΔH_f°(CO₂, g)] − ΔH_f°(CaCO₃, s)（1 atm）

第20页：

第21页：标准反应焓计算

标准反应焓（1 atm）：aA + bB → cC + dD

ΔH°_rxn = [cΔH_f°(C) + dΔH_f°(D)] − [aΔH_f°(A) + bΔH_f°(B)]

苯 C₆H₆ 燃烧：2C₆H₆(l) + 15O₂(g) → 12CO₂(g) + 6H₂O(l)，ΔH_f°(C₆H₆) = 49.04 kJ/mol

= [12 × (−393.5) + 6 × (−187.6)] − [2 × 49.04 + 0] = −5946 kJ

−5946 kJ / 2 mol = −2973 kJ/mol C₆H₆

第22页：盖斯定律

盖斯定律：反应物转化为产物时，无论一步完成还是分多步完成，焓变相同。

求 CS₂(l) 的 ΔH_f°：

• C(石墨) + O₂(g) → CO₂(g)，ΔH° = −393.5 kJ
• S(斜方) + O₂(g) → SO₂(g)，ΔH° = −296.1 kJ
• CS₂(l) + 3O₂(g) → CO₂(g) + 2SO₂(g)，ΔH° = −1072 kJ

目标：C(石墨) + 2S(斜方) → CS₂(l)

ΔH° = −393.5 + (2 × −296.1) + 1072 = 86.3 kJ

第23页：氯化钠的溶解焓

NaCl 的溶解过程：ΔH_soln = 步骤1 + 步骤2

• 步骤1：克服晶格能（Lattice energy）788 kJ/mol
• 步骤2：离子水合（hydration）−784 kJ/mol

ΔH_soln = 788 − 784 = 4 kJ/mol

第24页：溶解焓的应用思考

思考

• 哪些物质可用于融化冰雪？（放热溶解）
• 哪些物质可用于制作冷敷袋？（吸热溶解）

第25页：第6章习题

习题：6.19、6.54、6.80、6.104、6.113