第二章 化学反应热效应

教材：《普通化学》 (第五版)浙江大学普通化学教研组编

王明华 徐端钧 周永秋 张殊佳 修订高等教育出版社，北京 出版年：2002年7月

绪 论化学是一门既古老又年轻的科学。

化学是研究和创造物质的科学，同工农业生产和 国防现代化，同人民生活和人类社会等都有非常密 切的关系。 化学是一门中心性的、实用的和创造性的科学， 主要是研究物质的分子转变规律的科学。 化学与物理一起属于自然科学的基础学科。研究现状(2000年) 化合物>2000万种 时间分辨率：1 fs 空间分辨率：0.1nm 分析所需最小量：10-13ug。2

化学的定义与分支学科定义：化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、结构 和性质及其变化规律和变化过程中能量关系的科学

化学的分支学科 无机化学：无机物 有机化学：碳氢化合物 及衍生物 分析化学：测量和表征 物理化学：所有物质系统 高分子化学：高分子化合 物 若干新分支：环境化学、 核化学等等3

COOH O C CH3 O2-(乙酰氧基)苯甲酸。 分子式：C9H8O4

阿司匹林 AspirinTablets

分子量：180.16

H2N N

N N NH 2

NH 2三聚氰胺 (Melamine)

三嗪类含氮杂环有机化合物，重要的氮杂环有机化工原料。 简称三胺，又叫2 ,4 ,6-三氨基-1,3,5-三嗪、蜜胺、氰 尿酰胺、三聚氰酰胺，分子式C3N6H6、C3N3(NH2)3,分子量 126.125

化学的地位和作用 化学仍是解决食物短缺问题的主要学科之一 化学继续推动材料科学发展 化学是提高人类生存质量和生存安全的有效 保障 化学在能源和资源的合理开发和高效安全利 用中起关键作用 化学是生命科学的重要支柱6

学习的目的、内容和要求学习目的 了解当代化学学科的概貌 用化学的观点分析、认识生活和工作中的化学问题 学习内容 理论化学：两条“主线” 应用化学： 化合物知识； 化学在相关学科中的应用 实验化学 学习要求

辨证的思维 发展的眼光 实践的方法7

第1章学习要求：

热化学与能源

了解定容热效应(qv)的测量原理。熟悉qv的实验 计

算 方法。

了解状态函数、反应进度、标准状态的概念和热化 学定律。理解等压热效应与反应焓变的关系、等容热 效应与热力学能变的关系。 掌握标准摩尔反应焓变的近似计算。 了解能源的概况，燃料的热值和可持续发展战略。8

目录

1.1 反应热的测量 1.2 反应热的理论计算 1.3 常见能源及其有效与清洁利用

1.4 清洁能源与可持续发展

选读材料

核能

Ⅰ. 核燃料和核能的来源 Ⅱ. 核电的优势与发展趋势本章小结9

1 .1 反应热的测量1.1.1 几个基本概

念1 系统与环境系统：作为研究对象的那一部分物质和空间。 环境：系统之外，与系统密切联系的其它物质和 空间。

开放系统 有物质和能量交换

封闭系统 只有能量交换 图1.1 系统的分类

隔离系统 无物质和能量交换10

2 相系统中任何物理和化学性质完全相同的、均匀部分 称为相。根据相的概念，系统可分为： 单相(均匀)系统 多相(不均匀)系统 相与相之间有明确的界面。 思考：1) 101.325kPa,273.15K(0°C)下，H2O(l), H2O(g)和H2O(s)同时共存时系统中的相数为多少 2) CaCO3(s)分解为CaO (s)和CO2(g)并达到平衡 的系统中的相数。11

3 状态与状态函数 状态:系统一切性质的总和。有平衡和非平衡态之分

如系统的宏观性质都处于定值，则系统为平衡态。 状态变化时，系统的宏观性质也必然发生部分或全部 变化。 状态函数 用于表示系统性质的物理量X 称状态函数，如气体的 压力p、体积V、温度T 等。12

状态函数是状态的单值函数。 当系统的状态发生变化时，状态函数的变化量只与系统 的始、末态有关，而与变化的实际途径无关。 以下例子说明：当系统由始态变到终态时，系统的状态函数 压力p和体积V的变化量与途径无关。系统压力从3pº 变为p°

状态函数 的性质

图1.2 状态函数的性质13

广度性质和强度性质状态函数可分为两类： 广度性质：其量值具有加和性，如体积、质量等 强度性质：其量值不具有加和性，如温度、压力等 思考：力和面积是什么性质的物理量？它们的商即 压强(热力学中称为压力)是强度性质的物理量。由 此可以得出什么结论？ 力和面积都是广度性质的物理量。结论是两个广度 性质的物理量的商是一个强度性质的物理量

推论：摩尔体积(体积除以物质的量)是什么性质的 物理量？

4 过程与途径 过程：系统状态发生任何的变化称为

途径：实现一个过程的具体步骤思考：过程与途径的区别。 设想如果你要把20 °C的水烧开，要完成“水烧开” 这个过程，你可以有多种具体的“途径”:如可以在 水壶中常压烧；也可以在高压锅中加压烧。 可逆过程 体系经过某一过程，由状态Ⅰ变到状态Ⅱ后，如果通过 逆过程能使体系和环境都完全复原，这样的过程称为可 逆过程。它是在一系列无限接近平衡条件下进行的过程15

5

化学计量数

一般用化学反应计量方程表示化学反应中质量守恒 关系， 通式为：

0

B

B

B

B 称为B 的化学计量数。符号规定： 反应物： B为负；产物： B为正。附例1.1 应用化学反应统通式形式表示下列合成氨的化学反 应计量方程式： N2 + 3H2 == 2NH3

解：用化学反应

通式表示为：0= - N2 - 3H2 + 2NH316

6 反应进度反应进度ξd dnB

B

或

nB ( ) nB (0)

B

nB 为物质B的物质的量 dnB表示微小的变化量

ξ的单位是摩尔(mol),它与化学计量数的选配有关思考：反应进度与化学反应方程式的书写有关吗？有关。如对于反应： 0 = –N2 – 3H2 + 2NH3 ,当有1mol NH3生成时，反应进度为0.5mol。若将反应写成 1 3 N 2 H 2 NH 3 2 2 则反应进度为1 mol。17

1.1.2反应热

反应热的测量

化学反应过程中系统放出或吸收的热量，热 化学规定，系统放热为负，系统吸热为正

摩尔 当反应进度为1 mol时系统放出或吸收的热量 反应热q cs ms (T2 T 1) Cs T

qm

——一定量反应物在给定条件下的反应热 —— 溶液的质量

TCs cs m

—— 溶液温度差

c s —— 吸热溶液比热容

Cs —— 溶液的热容

1

反应热的实验测量方法化学反应放出的热 = 水吸收的热 + 量热计吸收的热q q H 2O qb C H 2O T Cb T C T

Cb

由仪器供应商提供，使用时校验

思考：用弹式量热计测量的反应热 是定容反应热还是定压反应热？图1.3 弹式量热计

答：定容反应热19

示 例

例1.1 联氨燃烧反应：N2H4(l)+O2(g)=N2 (g) +2H2O (l) 已知：m(N 2 H 4 ) 0.5000g m(H2 O) 1210g Cb 848J K 1 T1 293.18K T2 294.82K

解：燃烧0.5g联氨放热为q [q(H 2 O) qb ] [c(H 2 O) m(H 2 O) T cb T ] (4.18 1210 848) (294.82 293.18)J 9690J 9.69kJ

(0 0.5)g / 32.0g mol 1 /( 1) 0.0156molqV,m q / 9.69kJ / 0.0156mol 620kJ mol 121

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