第一章 物质及其变化 第二节 化学反应中的质量 关系和能量关系

本节基本要求 1、了解热力学和热化学的有关知识，理解反应的热效应、焓变。 2、掌握热化学方程式的书写及生成热，热力学定律。 重点： 质量守恒定律与能量守恒和转化定律 难点： 焓变、热化学方程式 本节基本要求

一、质量守恒定律 质量守恒是化学反应的一个基本定律，指参加化学反应的各物质的总质量等于反应后全部生成物的总质量。 化学反应的本质特征：分子、原子、离子或原子团的重新组合。 化学反应中，分子内的化学键将发生重组。既有旧键的断裂，也有新键的生成，断键吸收能量，成键放出能量。故化学变化过程中必然伴随着能量的变化。

二、热力学基础知识 热力学是研究能量转化过程中所遵循规律的一门科学，基础内容是“热力学三大定律”，即热力学第一定律、热力学第二定律、热力学第三定律。 把热力学的基本原理用来研究化学现象以及和化学现象有关的物理现象，称为化学热力学。 应用热力学第一定律研究各种能量的转化和守恒；利用热力学第二定律预测化学反应在一定条件下进行的方向和限度，解决化学平衡问题；

热力学第三定律主要是研究低温下物质的运动状态并为各种物质的热力学函数的计算提供科学方法，进一步解决了化学平衡的计算问题。 1.热力学标准态 压力为100 kPa 和温度为T的状态规定为热力学标准态，即每一个温度下都有一个标准态，用符号“Θ ”表示。 2.标准摩尔燃烧焓

在100kPa和指定温度下，1mol某种物质被完全燃烧或完全氧化时的恒压反应热，称为该物质的标准摩尔燃烧焓。 单位为KJ/mol。是一种相对焓。 3.标准摩尔生成焓（又称生成热） 由标准态(25℃)的单质，反应生成该标准态下1mol化合物的反应焓变。

一种化合物的标准摩尔生成焓可定义为: rB：为生成化合物的反应式中对应物质的化学计量系数，反应物的为负，生成物则为正。SI单位为KJ/mol。 由于Hm的绝对值无法求得，所以规定在100kPa和25℃时： 注意：碳的稳定单质有石墨和金刚石，当指定石墨的标准摩尔生成焓为零，那么金刚石则不为零。

4.体系与环境 热力学中把作为研究对象的物质称为体系，体系以外并与体系密切相关的其它部分称为环境。 开放体系 密闭体系 隔离体系 有质量和能量交换 只有能量交换 无质量和能量交换

三、热力学第一定律——能量守恒定律 1. 热力学能（也叫内能） 自然界一切物质都具有能量，其形式各种不同，能够从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一物体，在转化和传递中能量的总数不变。 1. 热力学能（也叫内能） 体系内部所有质点具有的各种形式能量的总和，用符号U表示。U = f (n，T，P) ，单位焦耳(J)。 注：热力学能包括分子的平动能、转动能、振动能、分子之间的作用势能、电子运动的能量以及原子核内的能量等。

内能是一个特别适合于恒容条件的状态函数，对于一定量的纯气体，U = f (T，P)。 U – (Q + W ) = 0 或 U = Q + W W = pV + W （非体积功） Q 、w非系统状态函数，与途径（或过程）有关。 Q > 0，系统向环境吸热；Q < 0，系统对环境放热；W > 0，系统接受环境作功；W < 0，系统对环境作出功。

2. 反应热效应 化学反应过程中，系统不作非体积功（电功、机械功、声功等），若反应起始与终了时温度相同，系统吸收或放出的热量称为反应的热效应。 　 在化工生产或化学实验室中进行的化学反应，一般在恒容或恒压下进行，其反应热效应分别为恒容热效应Q v 或恒压热效应Q p 。 恒压过程中压强 p 不变，体积 V 可以变化 ，由热力学第一定律得： U = Q + W。

U = Qp + (pV) Qp = U + (p2V2  p1V1) = (U2 + p2V2)  (U1 + p1V1) 说明：恒压过程中系统热量 Qp 的变化等于终态和始态的 (U + pV ) 值之差。 在热力学中将系统的状态函数(U+PV )定义为焓，符号为H，即H = U + pV 。 焓在系统状态变化过程中的变化值是H，热力学中称焓变，即 H = H2 H1

(1) 恒压热效应 焓的变化 H 在数值上等于等压过程中吸收或放出的热量，即 H＞0，表示系统吸热，H＜0，表示系统放热。 Qp = H生成物－H反应物 =△H，故当△V = 0 时，即转化为恒容，此时体系的 △U = △H 。 H N2+3H2 H △H 2NH3

四、热化学方程式 (2) 恒容热效应： Qv = U2 －U1 = △U 表示化学反应及其热效应的化学方程式。 书写注意： 1.注明反应的温度和压力条件。 2.反应的焓变(ΔrHΘ )值与反应式中化学计量数有关。 3.注明物质聚集状态。 4.正、逆反应的热效应，数值相同而符号相反。

五、热化学定律 化学反应的反应热（恒压或恒容下）只与物质的始态或终态有关而与变化的途径无关。 ΔrHΘ H2(g)+1/2O2 (g) H2O(l) ΔrH3Θ ΔrH1Θ ΔrH2Θ 2H(g) +O(g) H2O(g) ΔrHΘ = ΔrH1Θ + ΔrH2Θ + ΔrH3Θ

反应热效应： △rHΘ =∑rB△f HmΘ 产物 - ∑rB△f HmΘ 反应物 盖斯定律的应用: 从一些已知反应热数据求出另外的热反应数据。 (1) C(石墨)+O2(g)=CO2(g) ΔrH1Θ = -393.5 kJ/mol (2) CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g) ΔrH2Θ= -283kJ/mol (3)=(1) - (2) C(石墨)+1/2O2(g) = CO(g) ΔrH3Θ=ΔrH1Θ-ΔrH2Θ = -393.5 + 283 = -110.5 kJ/mol

六、化学反应与生成焓的关系 对于反应 a A + b B = y Y + z Z 的反应热效应： 【例1 】计算298K下：4NH3(g)+5O2(g)→4NO(g)+6H2O (g)的热效应。 已知： △fHm⊖ ( NH3 ,g) = - 46.11kJ/mol △fHm⊖( NO ,g) = 90.25kJ/mol △fHm⊖( H2O ,g) = -241.82kJ/mol

解：因为 △fHm⊖ (O2 ,g) = 0 4NH3(g)+5O2(g)→4NO(g)+6H2O (g) 的△H ⊖： △H ⊖ = 6 △fHm⊖ (H2O,g)+ 4△fHm⊖ (NO,g) - 4△fHm⊖(NH3,g) - 5△fHm⊖(O2,g) = -905.48kJ/mol 【例2】 计算恒压反应：2Al(s)+Fe2O3(s) →Al2O3(s)+2Fe(s)的标准反应热,并判断此反应是吸热还是放热反应？

解：查表： 2Al(s) + Fe2O3(s)→Al2O3(s) + 2Fe(s) △fHm⊖(KJ/mol)： 0 -824.2 -1675.7 0 △rHm⊖ = [△fHm⊖(Al2O3,s) + 2△fHm⊖(Fe,s)] -[2△fHm⊖(Al,s) + △fHm⊖(Fe2O3,s)] = - 851.5kJ/mol △rHm⊖ < 0，此反应为放热反应。