大学化学02热化学与能源.ppt

1,第1章 热化学与能源,内容提要 化学反应的热效应实验测量方法 热力学第一定律与化学反应热 化学反应热的理论计算 能源，燃料，可持续发展,2,1.系统与环境,系统：作为研究对象的物质或空间,环境：系统外，与其密切相关的其他部分,开放系统有物质和能量交换,封闭系统只有能量交换,隔离系统无物质和能量交换,系统分类：,1.1 热化学,1.1.1 几个基本概念,3,2.相,相：系统中具有相同的物理和化学性质的 均匀部分,相的划分：,气体、液体、固体,根据相的概念，系统可分为：,单相（均匀）系统多相（不均匀）系统,4,3.状态与状态函数,状态：描述系统的各种宏观性质的综合表现,状态函数：用来描述系统状态的物理量,特点：1.状态一定，其值一定 2.殊途同归，值变相等 3.周而复始，值变为零,分类：1.广度性质（具有加和性）2.强度性质,5,4.过程和可逆过程,过程：系统状态发生任何的变化,途径：实现某个过程的具体步骤,恒温过程:T1=T2=Tex 恒压过程:p1=p2=pex 恒容过程:V1=V2,可逆过程:系统经过某过程由状态I变到状态II之后，当系统沿该过程的逆过程回到原来的状态时，若原来过程对环境产生的一切影响同时被消除（即环境也同时复原），这样的过程称为可逆过程,6,5.化学计量数与反应进度,B为物质B的化学计量数,设化学反应为：,7,反应进度,的单位是mol,对于化学计量方程式:,与计量方程的书写有关,可以反映反应进行的程度！,8,3.0 10.0 0 0,2.0 7.0 2.0 1.0,1.5 5.5 3.0 1.5,Example 1.1,注：反应进度必须对应具体的反应方程式,9,1.1.2 热效应及其测量,1.热效应,化学反应时所放出或吸收的热叫做反应的热效应，简称反应热。,研究化学反应中热量与其它能量变化的定量关系的学科叫做热化学。,10,2.热效应的测量,H2SO42NaOHNa2SO4H2Oq,1.1.2 热效应及其测量,c：溶液的比热容,qcm（T2T1）CT,C：溶液的热容,m：溶液的质量,Ccm,简单情况：,11,复杂情况：,普通型弹式热量计,弹式热量计,12,微电脑式弹式热量计,13,测量恒容反应热的装置弹式热量计,14,相关计算公式：,q-q(H2O)+qb-C(H2O)T+CbT-CT,15,将0.500gN2H4(l)在盛有1210gH2O的氧弹量热计的钢弹内（通入氧气）完全燃烧尽，吸热介质的温度由293.18K上升到294.82K,已知钢弹组件的总热容Cb为848J.K-1,水的比热容为4.18J.K-1.g-1，计算1mol联氨在此条件下完全燃烧时的热效应。,Example 1.2,解：,N2H4(l)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l),qV-C(H2O)+CbT,=-(4.181210+848)(294.82-293.18)J,=-9690J=-9.69kJ,16,N2H4的摩尔质量为32.0g.mol-1,0.5g N2H4相当于0.5/32.0=0.0156mol,反应进度为：,(0-0.0156)/-1=0.0156mol,qv.m=qV/=-9.69kJ/0.0156mol=-620kJ.mol-1,17,测量恒压反应热的装置,热量计1热量器 2绝缘架3金属外套、上有盖 4恒温水槽 5搅拌器 6水银温度计 7加热器,18,1.2 反应热与焓,1.热 q(heat),1.2.1 热力学第一定律,定义：系统与环境由于存在温度差别而交换的能量,单位：J，kJ,规定：系统吸收热,q0;系统放热，q0,注意：热不是系统的性质，与变化过程有关。,19,定义：系统与环境除热以外其它形式交换的能量,2.功 w(work),单位：J，kJ,规定:系统得功,w0;体系做功,w0.,分类：体积功和非体积功,20,体积功和非体积功,体积功：在环境压力一定条件下，由于系统体积变化与环境之间交换的那部分能量叫做体积功，用符号W表示，单位为J.,w=-pV,非体积功：除体积功以外的一切功 w,思考：1mol理想气体，密闭在1)气球中，2)钢瓶中；将理想气体的温度提高20C时，是否做了体积功？,答案：1)做体积功，2)未做体积功。,21,3.无序能和有序能,有序能：物质内部分子以有序运动而传递的能 量，如电能,无序能：物质内部分子杂乱无章的顺序运动而传 递的能量，如热,22,定义：系统内部微观粒子所具有的能量的总和。,4.热力学能U(thermal energy),单位：J，kJ,热力学能变U：,说明：体系自身的性质,决定于状态，是状态函数,热力学能只与始态、终态有关，与变化途径无关。其绝对值至今尚无法直接测定，只能测定到U。,思考：同样的物质，在相同的温度和压力下，前者放在10000m高空，以400m/s飞行的飞机上，后者静止在地面上。两者的内能相同吗？,答案：相同。,23,内容：在任何过程中能量不会自生自灭，只能从一种形式转化为另一种形式，在转化的过程中能量的总值不变。又称能量守恒定律,5.热力学第一定律,表述：U=U2U1=q w a.任何形式的能都不能凭 空产生也不能凭空消失，宇宙（环境+体系）的 能量是恒定的。b.第一类永动机是不可能制成的。,24,关于热力学第一定律说明：,a.热和功都不是状态函数，而是与途径有关的量,b.热和功的总和与热力学能变相等，是与过程的具体途径无关的量,c.热力学能是状态函数，是与变化途径无关的量,25,1.2.2 化学反应的反应热与焓,1.等容反应热qV与热力学能,在恒容、不做非体积功的条件下：,V=0，w=0，w=0,根据热力学第一定律：U=q+w,可得：U=qv,26,2.等压反应热qp与焓,令:U+pV=H（焓）,可得：qpH2H1 H（焓变）,在恒压、不做非体积功的条件下：,焓的定义式,27,焓的性质:,a.复合状态函数，U+pV,能量量纲,绝对值无法确定,b.物理意义不直观，仅在特定条件下(封闭体系、只做体积功、等压过程)才有qp=H 吸热(endothermic)，qp 0,H0 焓增(positive)放热(exothermic)，qp 0,H0 焓减(negative),c.广度性质，具有加和性,d.与聚集状态和温度有关:State:H(solid)H(lower),e.H是状态函数，H(正向)=-H(逆向),f.焓的设立是为了方便处理热力学问题，而非体系中所含的能量,28,已知定容反应热：qV=U；定压反应热：qp=Up+p(V2 V1)对于等温过程，Up UV，则：,对于有凝聚相参与的理想气体反应，由于凝聚相相对气相来说，体积可以忽略，因此在上式中，只需考虑气体的物质的量。,H U=qp qV=p(V2 V1),思考：若反应 C(石墨)+O2(g)CO2(g)的qp,m为393.5kJmol 1，则该反应的qV,m 为多少？,该反应的n(g)=0，qV=qp,所以对于没有气态物质参与的反应或n(g)0的反应，qV qp对于有气态物质参与的反应，且n(g)0的反应，qV qp,3.qp与qv的关系,29,液，固体 T，p，纯物质,一个非常重要的问题！,热力学中指的标准状态，与讨论气体时经常用到的标准状况是不一样的。,标准状态与温度无关！,4.热力学标准状态,气体 T，p=p=100kPa,溶液，溶质 B，bB=b=1mol kg-1,cB c=1mol L-1,30,在恒容或恒压条件下，化学反应不管是一步完成还是分几步完成，其反应热总是相同的.,5.盖斯定律,在恒容或恒压条件下，化学反应的反应热只与反应的始态和终态有关，与变化的途径无关。,31,(3)盖斯定律,盖斯（Gormain Henri Hess，18021850）俄国化学家，1802年8月7日1850年12月12日,盖斯 定律的 意义：,根据盖斯定律，可以将化学方程式象代数方程式一样进行加减运算，相应的热效应也作加减。,奠定了热化学计算的基础。,32,已知298.15K下,反应,计算298.15K下,反应的标准摩尔焓变.,Example 1.3,利用Hess定律可知：,解：,即 rHm(3)=rHm(1)rHm(2)=(-393.5)(-283.0)kJ.mol-1=-110.5 kJ.mol-1,33,1.2.3 反应的标准摩尔焓变的计算,定义：在标准状态时，由指定单质生成单位物质的量的纯物质时，反应的焓变叫做该物质的标准摩尔生成焓,1.物质的标准摩尔生成焓,规定：a.指定单质的标准摩尔生成焓为零,符号：,单位：,意义：生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定,b.水合氢离子的标准摩尔生成焓为零,指定单质通常指标准压力和该温度下最稳定的单质。如C：石墨(s)；Hg：Hg(l)等。但P为白磷(s)，即P（s，白）。,34,关于物质的标准摩尔生成焓的几点说明：,a.标准摩尔生成焓不是该化合物的绝对值，而是相对于生成它的参考态单质焓的相对值,b.任一单质的标准摩尔生成焓(298.15K)不一定为零,c.同一物质的不同聚集态的标准摩尔生成焓肯定不同,思考：以下哪些反应的恒压反应热不是生成焓(反应物和生成物都是标准态)?,(1)(2)(3),35,定义：在标准状态下反应的摩尔焓变,2.反应的标准摩尔焓变,符号：,单位：,计算：,应用此公式时应注意：,a.公式中应包括反应中所涉及的各种物质，并需考虑其聚集状态。,b.公式中应包括反应方程式中的化学计量数 g、d、a、b，不要遗漏。,d.rH 基本不随温度而变,c.rH 的数值与反应方程式的写法有关。,36,例：计算反应 Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S)的标准摩尔焓变。解：Zn(S)+Cu2+(aq)Zn2+(aq)+Cu(S),fHm/kJmol-1 0 64.77-153.89 0,(-153.89)+0-0-64.77kJ.mol-1-218.66 kJmol-1,课堂练习：p43 1.2,37,1.3 能源的合理利用,能源：自然界中为人类提供某种形式能量的物质资源,煤、石油、天然气，是埋在地下的动植物经过漫长地质年代而形成的化石能源。,我国能源结构的特点：,我国的能源结构中，煤炭占据总能量的70%以上。此外，我国也是世界上煤炭储量最大的国家。,煤炭中含硫量较高，煤炭中的硫在燃烧时生成二氧化硫。大气中的二氧化硫是造成酸雨的主要原因。,因此，如何高效、科学、清洁地利用煤炭资源是我国能源科学和研究中的重要课题。,38,1.烟煤(未成煤):高热量.高硫量2.褐煤(褐色):低热量.低硫量3.泥煤(软煤):高热量.高硫量.产量大4.无烟煤(硬煤):高热量.低硫量.产量小,1.3.1 煤炭与洁净煤技术,1.煤炭的热值,39,洁净煤技术于1986年由美国率先提出，现已成为解决环境和能源问题的主导技术之一。,合成汽油,(减少NOx和CO的排放),2.洁净煤技术,40,石油,全球原油存量大概尚有82.46亿桶1桶原油159公升现今全球消耗量:2亿桶/年82.46亿/2亿=41年,41,石油的分布,沙特阿拉伯:25.3%伊拉克:9.5%科威特:9.5%伊朗:9.0%聯合大公國:8.8%委內瑞拉:7.0%墨西哥:4.9%俄罗斯:4.7%美國:2.8%其他:18.5%,42,天然气,全球天然气的存量大概尚有1401012立方公尺现今全球消耗量为:21012 立方公尺/年1401012/21012=70年,43,煤气和液化气,煤气：煤的合成气及炼焦气。主要成分氢气、一氧化碳、甲烷,液化气：,即石油液化气，来源于石油。主要成分是丙烷和丁烷,44,1.4 清洁能源与可持续发展,能源问题一方面：面临着能源的日益短缺另一方面：对能源的需要不断增长，且要解决污染问题,解决方法开源：用再生资源和原子核能代替矿产能源节流：节约能源，特别重视节约矿物燃料提高利用率控制人口增长,45,氢能,太阳能,光-热转换光-电转换光-化学转换,1、普遍 2、清洁无污染 3、可长期持续利用4、能量巨大,46,生物质能（biomass energy）,包括：1.牲畜粪便 2.农作物残渣 3.薪柴 4.制糖作物 5.城市垃圾 6.城市污水 7.水生植物 8.能源作物,脂肪燃料快艇,生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。,47,核能,1.核裂变：用中子轰击较重原子核使之分裂 成较轻原子核的反应,目前正在运转的核电厂使用的都是235U，它是唯一天然存在能够裂变的核，它的裂变反应可表示为：,2.核聚变：使很轻的原子核在异 常高的温度下合成较 重的原子核的反应,以氘和氚为例：,核聚变,48,Two uranium pellets produce enough power to supply a medium-size four-people household for a month.Cylinder shaped,1 centimeter in length and diameter,Uranium,核能 And 放射性,Uranium Pellets,49,失控的能量转化,火灾,爆炸,50,无人教室里的长明灯,洗手池的长流水,被扔掉的白馒头,一摞摞浪费的纸,51,本章小结,相,系统,状态与状态函数,过程和可逆过程,化学计量数与反应进度,反应热,热、功、体积功、非体积功,热力学能,热力学第一定律,定容反应热,定压反应热,焓和焓变,热力学标准状态,盖斯定律,物质的标准摩尔生成焓,反应的标准摩尔焓变,