放出的能量或热量/(kJ·g-l) 煤完全燃烧 辛烷完全燃烧 086 6 甲烷完全燃烧 氢气完全燃烧 143 U-235核裂 8.2×1 2.7 氘与氚核聚变 3.4×108 由此可知,1g燃料核聚变所产生的能量约为核裂变相应能量的4倍。除 了这一明显的优点外,核聚变产物不是放射性的,所以由聚变反应堆所产生 的公害可以大为减少 聚变所需的主要燃料是氘,可以从重水中取得。在普通海水中含有摩尔 分数约为0.015%的重水。有人估计地球上海水的总质量约为1.3×1027g 只需海水中约2×10-13%的重水所获得的氘的聚变所产生的能量就可满足目 前全世界1年的需用 核聚变反应的发生需要有异常高的温度(例如几千万度以上)。氫弹爆炸 (核聚变反应)所需要的这种高温是藉核裂变反应触发核聚变而产生的。但欲 将核聚变用于发电,就需要提供一种设备,能使这异常高的温度维持足够长 的时间(例如1秒以上)以导致聚变反应的进行。目前这方面的研究工作已向 较低温度核聚变反应发展。 l太阳能 光谱分析表明,在太阳的气氛中有大量氢和氦存在。对于太阳释放惊人 的能量起主要作用的总反应,有人认为可用下列反应方程式表示之 4H→4He+20n 式中?e表示正电子。 有人估计地球接受来自太阳的巨大能量每年总共有2×1021kJ只要能利 用它的万分之一就可满足目前世界上所需的能量。 对太阳能的利用有光热转换和光-电转换等方法。 光-热转换法通常是用聚光器或集热器将太阳辐射能直接转换成热能。太 阳灶是目前我国利用较多的太阳能设备,但材料技术还待改进。 光-电转换法通常是用太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的。但太 阳能电池所需半导体材料的成本还偏高。 本章小结 重要的基本概念: 系统与环境;热容();等容热效应(q)与等压热效应(qn);状态函数; 内能变(△U;热(q)与功(w);焓(H与焓变(ΔH);298.15K时,物质的标准 摩尔生成焓[ΔrH"(298.15K)]与反应的标准摩尔焓变[Δ,H(29815K)]; 高发热值与低发热值。 注意:化学热力学中规定了物质的标准状态。要熟记物质在不同情况时
反应 放出的能量或热量/(kJ · g -1 ) 相应比值 煤完全燃烧 30 1 辛烷完全燃烧 48 1.6 甲烷完全燃烧 56 1.9 氢气完全燃烧 143 4.8 U-235 核裂变 8.2 × 10 7 2.7 × 10 6 氘与氚核聚变 3.4 × 10 8 1.1 × 10 7 由此可知，1g 燃料核聚变所产生的能量约为核裂变相应能量的 4 倍。除 了这一明显的优点外，核聚变产物不是放射性的，所以由聚变反应堆所产生 的公害可以大为减少。 聚变所需的主要燃料是氘，可以从重水中取得。在普通海水中含有摩尔 分数约为 0.015％的重水。有人估计地球上海水的总质量约为 1.3×1027g， 只需海水中约 2×10-13％的重水所获得的氘的聚变所产生的能量就可满足目 前全世界 1 年的需用。 核聚变反应的发生需要有异常高的温度(例如几千万度以上)。氢弹爆炸 (核聚变反应)所需要的这种高温是藉核裂变反应触发核聚变而产生的。但欲 将核聚变用于发电，就需要提供一种设备，能使这异常高的温度维持足够长 的时间(例如 1 秒以上)以导致聚变反应的进行。目前这方面的研究工作已向 较低温度核聚变反应发展。 Ⅱ.太阳能 光谱分析表明，在太阳的气氛中有大量氢和氦存在。对于太阳释放惊人 的能量起主要作用的总反应，有人认为可用下列反应方程式表示之： 1 4 2 4 1 0 H ® He + 2 n 式中1 0 e 表示正电子。 有人估计地球接受来自太阳的巨大能量每年总共有 2×1021kJ。只要能利 用它的万分之一就可满足目前世界上所需的能量。 对太阳能的利用有光-热转换和光-电转换等方法。 光-热转换法通常是用聚光器或集热器将太阳辐射能直接转换成热能。太 阳灶是目前我国利用较多的太阳能设备，但材料技术还待改进。 光-电转换法通常是用太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的。但太 阳能电池所需半导体材料的成本还偏高。 本章小结 重要的基本概念： 系统与环境；热容(C)；等容热效应(qv)与等压热效应(qp)；状态函数； 内能变(ΔU)；热(q)与功(w)；焓(H)与焓变(ΔH)；298.15K 时，物质的标准 摩尔生成焓[ Δf H (298.15K) m q ]与反应的标准摩尔焓变[ ΔrH (298.15K) m q ]； 高发热值与低发热值。 注意：化学热力学中规定了物质的标准状态。要熟记物质在不同情况时
标准状态的定义和符号。 1.1反应热效应的测量 可用弹式热量计来测量反应的热效应 q-{c(H20)△T+c△T}=-ΣC△T(1.2) 如果反应中没有气态物质参加或生成,或者反应前后气体分子总数没有 发生改变,则测得的反应热效应可认为既是等容热效应(q),也是等压热效 应(q)。如果反应前后气体分子总数发生改变,则测定的是等容热效应(q)。 通常所谓的反应热效应若不特别说明,都是指等压热效应。 2反应热效应的理论计算 1.2.1盖斯定律 1.2.2能量守恒定律 △U=q+W (1.4) 1.定容或定压下只做体积功的一般反应 (1)定容过程△U=q (1.5) (2)定压过程 △H= *2定温定压下和只作体积功的反应 p△Vn=-△v·RT △U=△H-p△Vn=△H△v·RT(1.8) 式中,R=8.314J·mo|-1·K-1。 1.2.3标准摩尔生成焓和反应的标准摩尔焓变 根据盖斯定律,在2981K时反应的标准摩尔焓变△,H(2985K)可由 生成物和反应物的标准摩尔生成焓ΔH°(2981K)求得。 △,H(298.15K)=Σ{△H(298.1K)}生成物 ∑{△H°(298.15K)}反应物(1.10) 或△rH(29815K)=g△H°(G,29815K)+d△H(D,29815K)} a△H(A,29815K)+b△H(B,2981K)}(1.11) 反应的ΔH随温度而有些改变,但一般变化不大,在近似计算中,往 往将ΔH°(29815K)作为其他温度T时的△,H(T)。 1.3能源 能源中燃料完全燃烧的反应及其热效应(高发热值)主要如下 煤炭 c(s)+02(g)=c02(g) 辛烷(汽油中代表性组分) C8H13(1)+O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) 甲烷(天然气中主要组分) CH4(g)+202(g)=c02(g)+2H20(1) 氢气H2(g)+1/202(g)=H20(1)
标准状态的定义和符号。 1.1 反应热效应的测量 可用弹式热量计来测量反应的热效应： q=－｛C(H2O)△T＋Cb△T｝=－ΣC△T (1.2) 如果反应中没有气态物质参加或生成，或者反应前后气体分子总数没有 发生改变，则测得的反应热效应可认为既是等容热效应(qv)，也是等压热效 应(qq)。如果反应前后气体分子总数发生改变，则测定的是等容热效应(qv)。 通常所谓的反应热效应若不特别说明，都是指等压热效应。 1.2 反应热效应的理论计算 1.2.1 盖斯定律 1.2.2 能量守恒定律 ΔU=q+w (1.4) 1.定容或定压下只做体积功的一般反应 (1)定容过程 ΔU=qv (1.5) (2)定压过程 ΔH=qp (1.6) *2.定温定压下和只作体积功的反应 w′=－p△Vm=－△v·RT (1.7) △U=△H－p△Vm=△H-△v·RT (1.8) 式中，R=8.314J·mol-1·K -1。 1.2.3 标准摩尔生成焓和反应的标准摩尔焓变 根据盖斯定律，在 298.15K 时反应的标准摩尔焓变 ΔrH (298.15K) m q 可由 生成物和反应物的标准摩尔生成焓 Δf H (298.15K) m q 求得。 ΔrH (298.15K) m q =Σ｛ ΔfH (298.15K) m q ｝生成物 －Σ｛ ΔfH (298.15K) m q ｝反应物 (1.10) 或 ΔrH m (298.15K) q =｛g Δf H (G,298.15K) m q ＋d Δf H (D,298.15K) m q ｝ －｛a Δf H (A,298.15K) m q ＋b ΔfH (B,298.15K) m q ｝(1.11) 反应的 ΔrHm q 随温度而有些改变，但一般变化不大，在近似计算中，往 往将 ΔrH (298.15K) m q 作为其他温度 T 时的 ΔrH (T) m q )。 1.3 能源 能源中燃料完全燃烧的反应及其热效应(高发热值)主要如下： 煤炭 C(s)+O2(g)=CO2(g) 辛烷(汽油中代表性组分) C H (1) O (g) = 8CO (g) 9H O(1) 8 18 ＋ 2 2 ＋ 2 25 2 甲烷(天然气中主要组分) CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) 氢气 H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l)
高发热值(kJ·g-l) 相应比值 煤完全燃烧 辛烷完全燃烧 甲烷完全燃烧 氢气完全燃烧 143 复习思考题 1.区别下列概念: (1)系统与环境 (2)比热容与热容; (3)等容反应热与等压反应热 (4)反应热效应与焓变 (5)标准摩尔生成焓与反应的标准摩尔焓变。 (6)高发热值与低发热值; *(7)一次能源与二次能源。 2.用弹式热量计测量反应热效应的原理如何?对于一般反应来说,用弹 式热量计所测得的热量是否就等于反应的热效应?为什么? 3.热化学方程式与一般的化学反应方程式有何异同?书写热化学方程式 时有哪些应注意之处? 4.什么叫做状态函数?q、W、H是否是状态函数?为什么? 5.说明下列符号的意义 q,qn,U,H,ΔH°,△H°(298.15K 6.q、H、U之间,p、V、U、H之间存在哪些重要关系?试用公式表示之。 7.能否用弹式热量计测知反应的ΔH?举例说明。 8.理想气体方程式中R的数值是多少?单位是什么? 9化学热力学中所说的“标准状态”意指什么?对于单质、化合物和水 合离子所规定的标准摩尔生成焓有何区别? 10.试根据标准摩尔生成焓的定义,说明在该条件下指定单质的标准摩尔 生成焓必须为零。 11.如何应用盖斯定律来计算反应的焓变? 12如何利用物质的ΔHm(29815K)的数据,计算燃烧反应与中和反应 的Δ,H°(298.15K)?举例说明。 13.煤炭中通常含有哪些元素?用作燃料时,哪些是有益的?哪些是有害 的?为什么? 14.煤的主要组分碳、汽油中代表性组分辛烷、天然气中主要组分甲烷以 及氢气各自的高发热值可如何进行计算,并进行比较? 习题 1.是非题(对的在括号内填“+”号,错的填“-”号) (1)已知下列过程的热化学方程式为
反应 高发热值(kJ · g -1 ) 相应比值 煤完全燃烧 30 1 辛烷完全燃烧 48 1.6 甲烷完全燃烧 56 1.9 氢气完全燃烧 143 4.8 复习思考题 1.区别下列概念： (1)系统与环境； (2)比热容与热容； (3)等容反应热与等压反应热； (4)反应热效应与焓变； (5)标准摩尔生成焓与反应的标准摩尔焓变。 (6)高发热值与低发热值； *(7)一次能源与二次能源。 2.用弹式热量计测量反应热效应的原理如何？对于一般反应来说，用弹 式热量计所测得的热量是否就等于反应的热效应？为什么？ 3.热化学方程式与一般的化学反应方程式有何异同？书写热化学方程式 时有哪些应注意之处？ 4.什么叫做状态函数？q、w、H 是否是状态函数？为什么？ 5.说明下列符号的意义： q，qp，U，H， ΔrHm q ， ΔfH m q (298.15K) 6.q、H、U 之间，p、V、U、H 之间存在哪些重要关系？试用公式表示之。 7.能否用弹式热量计测知反应的ΔH？举例说明。 8.理想气体方程式中 R 的数值是多少？单位是什么？ 9.化学热力学中所说的“标准状态”意指什么？对于单质、化合物和水 合离子所规定的标准摩尔生成焓有何区别？ 10.试根据标准摩尔生成焓的定义，说明在该条件下指定单质的标准摩尔 生成焓必须为零。 11.如何应用盖斯定律来计算反应的焓变？ 12.如何利用物质的 ΔfH m q (298.15K)的数据，计算燃烧反应与中和反应 的 ΔrHm q (298.15K)？举例说明。 13.煤炭中通常含有哪些元素？用作燃料时，哪些是有益的？哪些是有害 的？为什么？ 14.煤的主要组分碳、汽油中代表性组分辛烷、天然气中主要组分甲烷以 及氢气各自的高发热值可如何进行计算，并进行比较？ 习 题 1.是非题(对的在括号内填“+”号，错的填“-”号) (1)已知下列过程的热化学方程式为
UF6(1)=UF6(g);△,H=30.1kJ·mo-1 则此温度时蒸发1moUF6(1),会放出热30.1kJ (2)在定温定压条件下,下列两化学方程式所表达的反应放出的热量是 相同的值。 H2(g)+O2(g)=H2O(1) 2H2(g)+O2(g)=2H2O(1) (3)反应的△H就是反应的热效应。 2.选择题(将所有正确答案的标号填入空格内) (1)在下列反应中,反应所放出的热量最大。 (a)CH4(1)+202(g)=002(g)+2H20(g) (b)cH4(g)+202(g)=c02(g)+2H20(g (c)cH4(g)+202(g)=c02(g)+2H20(1) (d)CH4(g)+=O2(g)=CO(g)+2H2O(1) (2)通常,反应热效应的精确的实验数据是通过测定反应或过程的 而获得的。 a)△H(b)p△V(c)q(d)q 3.填空题 使可燃样品(质量为1.000g)在弹式热量计内完全燃烧,以测定其反应 热,必须知道: 2) *4.钢弹的总热容C可藉一已知反应热效应的数值的样品而求得。设将 0.500g苯甲酸(cH5C00在盛有1209g水的弹式热量计的钢弹内(通入氧气) 完全燃烧尽,系统的温度由296.35K上升到298.59K。已知在此条件下苯甲 酸完全燃烧的反应热效应为-3226kJ·mo-1。试计算该钢弹的总热容。 5.葡萄糖CH1206完全燃烧的热化学反应方程式为 CH12o6(s)+602(g)=6c02(g)+6H20();q=2820kJ·mo 当葡萄糖在人体内氧化时,上述反应热效应的热量约30%可用作肌肉的活动 能力。试估计一食匙葡萄糖(3.8g)在人体内氧化时,可获得的肌肉活动的能 6.已知下列热化学方程式 Fe203(s)+3c0(g)=2Fe(s)+3c02(g);qn=-27.6kJ·mol|-1 3Fe203(s)+c0(g)=2Fe304(s)+CO2(g);q=-58.6kJ·mol Fe204(s)+c0(g)=3Fe0(s)+c02(g);q2=38.1kJ·mo 不用查表,计算下列反应的q Fe0(s)+c0(g)=Fe(s)+002(g) [提示:根据盖斯定律利用已知反应方程式,设计一循环,使消去Fe203 和Fe3O4,而得到所需反应方程式。若以(1),(2),(3),(4)依次表示所给出
UF6(1)=UF6(g)； ΔrHm q =30.1kJ·mol-1 则此温度时蒸发 1molUF6(l)，会放出热 30.1kJ。 ( ) (2)在定温定压条件下，下列两化学方程式所表达的反应放出的热量是一 相同的值。 ( ) H (g) O (g) = H O (1) 2H (g) O (g) = 2H O (1) 2 2 2 2 2 2 ＋ ＋ 1 2 (3)反应的ΔH 就是反应的热效应。 ( ) 2.选择题(将所有正确答案的标号填入空格内) (1)在下列反应中，反应______所放出的热量最大。 (a)CH4(l)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) (b)CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) (c)CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) (d)CH (g) + O (g) = CO(g) + 2H O(l) 4 2 2 3 2 (2)通常，反应热效应的精确的实验数据是通过测定反应或过程的______ 而获得的。 (a)ΔH (b)pΔV (c)qp (d)qv 3.填空题 使可燃样品(质量为 1.000g)在弹式热量计内完全燃烧，以测定其反应 热，必须知道： (1)_______________________ (2)_______________________ (3)_______________________ *4.钢弹的总热容 Cb 可藉一已知反应热效应的数值的样品而求得。设将 0.500g 苯甲酸(C6H5COOH)在盛有 1209g 水的弹式热量计的钢弹内(通入氧气) 完全燃烧尽，系统的温度由 296.35K 上升到 298.59K。已知在此条件下苯甲 酸完全燃烧的反应热效应为-3226kJ·mol-1。试计算该钢弹的总热容。 5.葡萄糖 C6H12O6完全燃烧的热化学反应方程式为 C6H12O6(s)+6O2(g)=6CO2(g)+6H2O(l)；qp=-2820kJ·mol-1 当葡萄糖在人体内氧化时，上述反应热效应的热量约 30％可用作肌肉的活动 能力。试估计一食匙葡萄糖(3.8g)在人体内氧化时，可获得的肌肉活动的能 量。 6.已知下列热化学方程式： Fe2O3(s)+3CO(g)=2Fe(s)+3CO2(g)；qp=-27.6kJ·mol-1 3Fe2O3(s)+CO(g)=2Fe3O4(s)+CO2(g)；qp=-58.6kJ·mol-1 Fe3O4(s)+CO(g)=3FeO(s)+CO2(g)；qp=38.1kJ·mol-1 不用查表，计算下列反应的 qp。 FeO(s)+CO(g)=Fe(s)+CO2(g) [提示：根据盖斯定律利用已知反应方程式，设计一循环，使消去 Fe2O3 和 Fe3O4，而得到所需反应方程式。若以(1)，(2)，(3)，(4)依次表示所给出
的反应方程式,则可得64=31-q02-2a3 *7.已知乙醇(C2H40H在351K和101.325kPa时的蒸发热为 9.2kJ·mo-1。试估算1moc2H50H(1)在该蒸发过程中的w(体积功)和△U。 8在下列反应或过程中,q与q有区别吗?简单说明 (1)NH, HS(s)-25C NH ( g)+H,s(g) (2)H2(g)+C2(g) 2Hcl (g) (3)c02(s) 78℃ (4)AgNO, ( ag)+NaCl(aq)->AgCl(s)+ NaNO, (ag *9.根据第8题中所列的化学方程式,试计算下列反应或过程中△U与△ H之间的能量差值。 (1)2.00 mo I NH, HS(s)的分解 (2)生成1.00moHC|(g) (3)5.00mC2(s)(干冰)的升华; (4)沉淀出2.00mo|Agc|(s)。 10.计算下列反应的△,H°(298.15K)。 (1)4NH3(g)+302(g)=2N2(g)+6H20(1) (2)C2H2(g)+2(g)=C2H4(g (3)NH3(g)+稀盐酸 (4)Fe(s)+CuSO, (ag) 11.计算下列反应的(1)△,H(298.15K);*(2)Δ,U°(298.15K)和 *(3)298.15K时的体积功w′。 CH4(g)+4Cl2(g)=CCl4(1)+4HC|(g) 12.近298.15K时在弹式热量计内使1.000g正辛烷(cH1g,)完全燃 烧,测得此反应热效应为-47.79%kJ(对于1.0000c048液体而言)。试根据实 验的测定,估算正辛烷(cH18,1完全燃烧的(1)qv;*(2)Δ,H°(298.15K)。 13利用Ca03、Ca0和cO2的△H(29815K)的数据,估算煅烧100kg 石灰石(以纯cac03计)成为生石灰所需热量。又在理论上要消耗多少燃料煤 (以通常煤完全燃烧所放出的高发热值估算)?14.设反应物和生成物均处于 标准状态,试通过计算说明298.15K时究竟是乙炔(C2H2)还是乙烯(CH4)完全 燃烧会放出更多热量:(1)均以kJ·mo-1表示;(2)均以kJ·g-1表示
的反应方程式，则可得 6qp,4=3qp,1－qp,2－2qp,3］ *7. 已知乙醇 (C2H5OH) 在 351K 和 101.325kPa 时的蒸发热为 39.2kJ·mol-1。试估算 1molC2H5OH(l)在该蒸发过程中的 w′(体积功)和ΔU。 8.在下列反应或过程中，qv与 qp有区别吗？简单说明。 (1)NH4HS(s) 25℃ ¾¾ ®NH3(g)＋H2S(g) (2)H2(g)＋Cl2(g) 25℃ ¾¾ ®2HCl(g) (3)CO2(s) 78℃ ¾¾ ®CO2(g) (4)AgNO3(aq)＋NaCl(aq) 25℃ ¾¾ ®AgCl(s)＋ NaNO3(aq) *9.根据第 8 题中所列的化学方程式，试计算下列反应或过程中ΔU 与Δ H 之间的能量差值。 (1)2.00molNH4HS(s)的分解； (2)生成 1.00molHCl(g)； (3)5.00molCO2(s)(干冰)的升华； (4)沉淀出 2.00molAgCl(s)。 10.计算下列反应的 ΔrHm q (298.15K)。 (1)4NH3(g)+3O2(g)=2N2(g)+6H2O(l) (2)C2H2(g)+H2(g)=C2H4(g) (3)NH3(g)+稀盐酸 (4)Fe(s)+CuSO4(aq) 11.计算下列反应的(1) ΔrHm q (298.15K) ； *(2) ΔrUm q (298.15K) 和 *(3)298.15K 时的体积功 w′。 CH4(g)+4Cl2(g)=CCl4(l)+4HCl(g) 12.近 298.15K 时在弹式热量计内使 1.0000g 正辛烷(C8H18，l)完全燃 烧，测得此反应热效应为-47.79kJ(对于 1.0000Gc8H18液体而言)。试根据实 验的测定，估算正辛烷(C8H18，l)完全燃烧的(1)qv；*(2) ΔrHm q (298.15K)。 13.利用 CaCO3、CaO 和 CO2的 ΔfH m q (298.15K)的数据，估算煅烧 1000kg 石灰石(以纯 CaCO3 计)成为生石灰所需热量。又在理论上要消耗多少燃料煤 (以通常煤完全燃烧所放出的高发热值估算)？14.设反应物和生成物均处于 标准状态，试通过计算说明 298.15K 时究竟是乙炔(C2H2)还是乙烯(C2H4)完全 燃烧会放出更多热量：(1)均以 kJ·mol-1表示；(2)均以 kJ·g -1表示