第二炮兵工程学院503教研室《大学化学 课前复习: 第二章从微观角度介绍物质的结构,进而,在对物质微观认识的基础上,学习了材 料的形成原因,即原子如何结合为分子、分子如何结合成为材料尤其高分子材料、复合 材料。具体来讲,第一节内容介绍原子结构以及核外电子运动的状态;第二节内容则详 细介绍这个物质世界存在的原子种类即化学元素及其变化规律(元素周期律),并在元 素这一层次上来认识金属材料,同时,着重学习各种原子的能级跃迁现象和光谱特性, 以便在实际中测量痕量元素、分子的存在;第三节内容学习化学键、分子间力,并从这 角度来了解高分子材料的形成、特点。 引言 教学目的 从本章开始,我们就要学习化学反应及其在工程实际中的一些应用问开 题。由于化学反应设计的基础概念和基础应用较多,为了便于讨论清楚,明义,使学 将分为三章分别进行学习。 员对所学 本章侧重于和能源开发利用有关的概念及其应用,为本课程重点核心内容有 内容,应该引起足够的重视。前两章内容是关于无机化学、有机化学和生总体认识 物化学的基本知识,以无机化学为主,其中:高分子化合物、石油、表面心中了然 活性剂、高分子材料以及一些复合材料属于有机化学的内容:生物大分子有的放矢 则属于生物化学的范畴;其他内容全部属于无机化学的课程。本章则是物的进行学 理化学应用最广、最为基本的内容,两者的关联不大。物理化学是物理学习,并对与 和化学两门学科相互渗透、相互影响而形成的一门学科,理解起来也是比前面内容 较困难,需要俱备物理学和化学的知识。之所以将这部分作为最为重点的的联系有 内容来讲解,是因为在化学学科里这部分知识应用最普遍、最深入。简单一简单认 地说,这部分内容就是应用物理学的原理和方法,来学习化学变化(化学识。 热力学、化学动力学和电化学)的规律 本章主要内容包括化学热力学、化学动力学和电化学。具体来讲,第 二节是化学热力学内容,主要研究热力学的基本概念,讨论化学反应 的方向和限度;第三节是化学动力学内容,研究反应速率和反应的具体步 骤(即反应机理或历程);第四节电化学只不过是化学热力学、动力学和 统计力学的具体应用
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 1 - 课前复习： 第二章从微观角度介绍物质的结构，进而，在对物质微观认识的基础上，学习了材 料的形成原因，即原子如何结合为分子、分子如何结合成为材料尤其高分子材料、复合 材料。具体来讲，第一节内容介绍原子结构以及核外电子运动的状态；第二节内容则详 细介绍这个物质世界存在的原子种类即化学元素及其变化规律（元素周期律），并在元 素这一层次上来认识金属材料，同时，着重学习各种原子的能级跃迁现象和光谱特性， 以便在实际中测量痕量元素、分子的存在；第三节内容学习化学键、分子间力，并从这 一角度来了解高分子材料的形成、特点。 引言 教学目的 从本章开始，我们就要学习化学反应及其在工程实际中的一些应用问 题。由于化学反应设计的基础概念和基础应用较多，为了便于讨论清楚， 将分为三章分别进行学习。 本章侧重于和能源开发利用有关的概念及其应用，为本课程重点核心 内容，应该引起足够的重视。前两章内容是关于无机化学、有机化学和生 物化学的基本知识，以无机化学为主，其中：高分子化合物、石油、表面 活性剂、高分子材料以及一些复合材料属于有机化学的内容；生物大分子 则属于生物化学的范畴；其他内容全部属于无机化学的课程。本章则是物 理化学应用最广、最为基本的内容，两者的关联不大。物理化学是物理学 和化学两门学科相互渗透、相互影响而形成的一门学科，理解起来也是比 较困难，需要俱备物理学和化学的知识。之所以将这部分作为最为重点的 内容来讲解，是因为在化学学科里这部分知识应用最普遍、最深入。简单 地说，这部分内容就是应用物理学的原理和方法，来学习化学变化（化学 热力学、化学动力学和电化学）的规律。 本章主要内容包括化学热力学、化学动力学和电化学。具体来讲，第 一、二节是化学热力学内容，主要研究热力学的基本概念，讨论化学反应 的方向和限度；第三节是化学动力学内容，研究反应速率和反应的具体步 骤（即反应机理或历程）；第四节电化学只不过是化学热力学、动力学和 统计力学的具体应用。 开 宗 明义，使学 员对所学 内容有一 总体认识， 心中了然。 有的放矢 的进行学 习，并对与 前 面内容 的联系有 一简单认 识
第二炮兵工程学院503教研室《大学化学》教 化学热力学和动力学是研究化学反应规律的两个方面,概括地说,前 者是研究反应的可能性,后者研究其现实性。从本质上讲,对于化学反应 无论是热力学问题还是动力学问题都取决于分子或原子的性质以及它们 的相互作用与影响。要取得根本问题解决,都必须要有物质结构的知识, 在结合统计力学的方法,就可以从微观角度解决热力学和动力学问题。 本章内容的研究方法有热力学方法、统计力学方法和量子力学方法。 热力学方法也叫宏观方法,它以大量质点所构成的体系为研究对象,从经 验所得的热力学三大定律出发,严密推理,无需知道变化的中间过程和细 节,这种方法简单,结论可靠,应用广泛,也是我们重点学习的原因;统 计力学方法是从微观粒子的运动规律,通过统计的方法来推断体系宏观性 质的方法,这种方法较为深刻,把微观性质和宏观性质联系起来了,只是 计算复杂,很难实现;量子力学方法主要用来研究物质结构和化学键等问 题, 在学习前两章内容的基础上,结合物质结构理论,我们就采用热力学 方法来探讨化学热力学和动力学的问题。 2
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 2 - 化学热力学和动力学是研究化学反应规律的两个方面，概括地说，前 者是研究反应的可能性，后者研究其现实性。从本质上讲，对于化学反应， 无论是热力学问题还是动力学问题都取决于分子或原子的性质以及它们 的相互作用与影响。要取得根本问题解决，都必须要有物质结构的知识， 在结合统计力学的方法，就可以从微观角度解决热力学和动力学问题。 本章内容的研究方法有热力学方法、统计力学方法和量子力学方法。 热力学方法也叫宏观方法，它以大量质点所构成的体系为研究对象，从经 验所得的热力学三大定律出发，严密推理，无需知道变化的中间过程和细 节，这种方法简单，结论可靠，应用广泛，也是我们重点学习的原因；统 计力学方法是从微观粒子的运动规律，通过统计的方法来推断体系宏观性 质的方法，这种方法较为深刻，把微观性质和宏观性质联系起来了，只是 计算复杂，很难实现；量子力学方法主要用来研究物质结构和化学键等问 题。 在学习前两章内容的基础上，结合物质结构理论，我们就采用热力学 方法来探讨化学热力学和动力学的问题
第二炮兵工程学院503教研室《大学化学》教 ★§31热化学与能量转化 首先来讲解热力学。热力学是研究热和机械功互相转化问题而产生和发展的一门科 学,主要基础是热力学第一、第二定律,是人类长期实践经验的总结,有牢固的实验基 础。化学热力学的主要内容是利用热力学第一定律来计算相变和化学反应热效应等能量 转化问题,利用热力学第二定律解决反应及相变过程的方向和限度问题,这些问题在科 学研究和实际生产中都是十分重要的,热力学第三定律主要解决物质的绝对熵问题,对 化学平衡的计算有很大意义。 本节学习热力学的基本概念和热力学第一定律的内容 、热力学能的变化 教学提示 化学反应的实质是分子中的原子重新组合变成另外分子的过程。在原阐明 子新组合的过程中,由于原子实可视为基本不变,所以可以认为,实际变各符号的 化的是电子的运动状态,或者说是核外电子的能量状态。在宏观上,电子物理意义 的能量变化通过其所依附的原子、分子及由它们组成的宏观系统——气及相互之 体、液体、固体等变化表现出来。能量是对物质运动的最一般的度量。每间的关系 种运动状态对应着一个能量值。用数学语言来说,能量是状态的单值函数 能量有多种形式,可以互相转换和传递,但不能消灭也不能创生。热力学 第一定律定量地表示为: AU=U-U,=O+w U1,U2分别表示系统变化前后两个状态的热力学能(即内能)。热 力学能是系统内部各种能量的总称。△U则为热力学能变化,Q和W分 别表示变化过程中系统与环境传递或交换的热量和功。△U和Q,W均从 系统来观察,增加的为正值,减少的为负值。 二、热效应和焓变 教学提示 无论是物理变化还是化学变化(化学反应)都伴随着能量的变化,并 常以热量Q表现出来。同一个化学反应,在不同条件下,它放出或吸收的 热量是不同的。在热力学中,常把反应前后(即反应物和生成物)温度相 同,且在反应过程中系统只反抗外压作膨胀功(体积功)时所吸收或放出 3
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 3 - ★§3.1 热化学与能量转化 首先来讲解热力学。热力学是研究热和机械功互相转化问题而产生和发展的一门科 学，主要基础是热力学第一、第二定律，是人类长期实践经验的总结，有牢固的实验基 础。化学热力学的主要内容是利用热力学第一定律来计算相变和化学反应热效应等能量 转化问题，利用热力学第二定律解决反应及相变过程的方向和限度问题，这些问题在科 学研究和实际生产中都是十分重要的，热力学第三定律主要解决物质的绝对熵问题，对 化学平衡的计算有很大意义。 本节学习热力学的基本概念和热力学第一定律的内容。 一、热力学能的变化 教学提示 化学反应的实质是分子中的原子重新组合变成另外分子的过程。在原 子新组合的过程中，由于原子实可视为基本不变，所以可以认为，实际变 化的是电子的运动状态，或者说是核外电子的能量状态。在宏观上，电子 的能量变化通过其所依附的原子、分子及由它们组成的宏观系统——气 体、液体、固体等变化表现出来。能量是对物质运动的最一般的度量。每 种运动状态对应着一个能量值。用数学语言来说，能量是状态的单值函数。 能量有多种形式，可以互相转换和传递，但不能消灭也不能创生。热力学 第一定律定量地表示为： = − = + U U U Q W 2 1 U1，U2 分别表示系统变化前后两个状态的热力学能（即内能）。热 力学能是系统内部各种能量的总称。ΔU 则为热力学能变化，Q 和 W 分 别表示变化过程中系统与环境传递或交换的热量和功。ΔU 和 Q，W 均从 系统来观察，增加的为正值，减少的为负值。 阐 明 各符号的 物理意义 及相互之 间的关系 二、热效应和焓变 教学提示 无论是物理变化还是化学变化（化学反应）都伴随着能量的变化，并 常以热量 Q 表现出来。同一个化学反应，在不同条件下，它放出或吸收的 热量是不同的。在热力学中，常把反应前后（即反应物和生成物）温度相 同，且在反应过程中系统只反抗外压作膨胀功（体积功）时所吸收或放出
第二炮兵工程学院503教研室《大学化学》教 的热量称为热效应,又称反应热。它包括了物理变化过程中的 热量变化,例如,水蒸气、水、冰互相转化或一定的压力下气体体积 变化时的热量变化。化学反应与热量Q的关系可用热化学方程式表示。 在29815K,100kPa下CO和O2反应生成CO2,同时放出2830kJ·mol 热量的热化学方程式可写成 co(g)t-02(g)=Co2(g): Q=-283. 0kJ mol-I 上述化学反应系统在发生化学变化的过程中,还可同时发生物理变 化,它们不但可以放出热量,同时还可以作功。如果系统处于某一具有热 力学能U;的状态,从环境吸收一定热量Q并对环境作功W,进而转变 为处于热力学能U2的状态,根据热力学第一定律,此时有 U2=U,+(0+W)0o=U2-U-w 由于工程技术上碰到的大部分化学反应通常是在常压下进行的,对有 气体参加或产生的反应都会引起很大的体积变化,即从V1变为V2。因此 可以认为反应系统对环境作的体积功W=-P(V2-V1)。恒压下的热量变化 通常以符号Qp表了。这样,便有 Q=(U2-U1)+p(V2-V1)=(U2+pV2)-(U1+p1) 令H=U+pV,称为焓,则有 Qp=H2-H1=△H=△U+p△ 式中,焓的变化ΔH称为焓变,焓变在数值上等于等压过程中吸收或 放出的热量Q2。工程上涉及的化学反应多为敞开系统,敞开系统的压力 可视为大气产生的压力,使用焓变概念是非常方便的。 若化学反应是在一个固定体积的密闭容器中进行的(如在弹式量热计 中进行的反应)此时体积恒定(△V=0),为等容反应。等容过程中的热 量变化记为Qv。即 Q,=△U 等容过程中的热量变化Qv在数值上等于该系统在变化过程中的热力
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 4 - 的热量称为热效应，又称反应热。它包括了物理变化过程中的 热量变化，例如，水蒸气、水、冰互相转化或一定的压力下气体体积 变化时的热量变化。化学反应与热量 Q 的关系可用热化学方程式表示。 在 298.15K，100kPa 下 CO 和 O2 反应生成 CO2，同时放出 283.0kJ·mol -1 热量的热化学方程式可写成： CO（g）＋ 1 2 O2（g）= CO2（g）； Q＝-283.0kJ·mol-1 上述化学反应系统在发生化学变化的过程中，还可同时发生物理变 化，它们不但可以放出热量，同时还可以作功。如果系统处于某一具有热 力学能 U；的状态，从环境吸收一定热量 Q 并对环境作功 W，进而转变 为处于热力学能 U2 的状态，根据热力学第一定律，此时有： 2 1 U U Q W = + + ( ) 或 Q U U W = − − 2 1 由于工程技术上碰到的大部分化学反应通常是在常压下进行的，对有 气体参加或产生的反应都会引起很大的体积变化，即从 V1 变为 V2 。因此 可以认为反应系统对环境作的体积功 2 1 W p V V = − − ( ) 。恒压下的热量变化 通常以符号 Qp 表了。这样，便有 2 1 2 1 2 2 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) Q U U p V V U pV U pV P = − + − = + − + 令 H U pV = + ，称为焓，则有 Q H H H U p V P = − = = + 2 1 式中，焓的变化 H 称为焓变，焓变在数值上等于等压过程中吸收或 放出的热量 QP 。工程上涉及的化学反应多为敞开系统，敞开系统的压力 可视为大气产生的压力，使用焓变概念是非常方便的。 若化学反应是在一个固定体积的密闭容器中进行的（如在弹式量热计 中进行的反应）此时体积恒定（ΔV=0），为等容反应。等容过程中的热 量变化记为 Qv。即 Q U v = 等容过程中的热量变化 QV 在数值上等于该系统在变化过程中的热力
第二炮兵工程学院503教研室《大学化学 学能变化△U。 三、等容过程中的热量测量 教学提示 热量的测量首先需要温度的测量。热力学温度用T表示,它的单位符 号用K表示。 T与摄氏温度t的关系是:T=7o十t,To定义为273.15K 热量的测量还会碰到热容这个概念。当一系统由于加给一微小的热量 dQ而温度升高dT时,dQdT这个量即为热容,符号记为C。这个量是不 确定的,与过程有关,即有等压热容与等容热容之分。气体的等压热容总 比等容热容大,因为气体在压力不变的条件下升高温度时,一定要对外膨 胀作功,所以除升高气体的温度需要热量外,还要吸收一部分热量以补偿 气体系统对外作功。而固体或液体的等压热容和等客热容几乎相等。热容 除以物质的量即为摩尔热容,符号Cm(Cm=Ch)。等压摩尔热容记为 Cpm=Cp/n;等容摩尔热容记为Cvm=Cv。热容除以质量即为质量热容, 符号Cw(Cw=C/w),旧称比热。可以认为,温度对同一聚集状态、同 组成相的物质来说,一般影响不大。 精确测量热量可以在弹式量热计内进行。弹式量热计由钢弹(内有样 品盘和点火线)及钢质容器、绝热外套、温度计、搅拌器等组成。测量时, 首先将已称重的反应物试样装入样品盘,然后密封钢弹,并在钢质容器中 加入已知质量的水浸没钢弹。精确测定起始温度,反应放出的热量被钢弹 和周围的水所吸收。根据温度计的最终读数(指反应最终、温度达最高的 读数)及水和钢弹的热容就可以计算出反应热。这样测得的反应热就是等 容过程中的热量变化: Q=C(H2O)m(H2O)△T+Cs△T 式中C(H2O)为水的质量热容,m(HO)为水的质量,Cs为钢弹 及内部物质和金属容器组成的物质系统的总热容,ΔT为测量过程中温度 计的最终读数与起始读数之差。实际测量中往往是用苯甲酸作为标准热量 物质的。由于Qⅴ的测量较为精确,常用以换算成恒压热效应。 四、标准摩尔焓变 教学提示 5
第二炮兵工程学院 503 教研室《大学化学》教案 - 5 - 学能变化ΔU。 三、等容过程中的热量测量 教学提示 热量的测量首先需要温度的测量。热力学温度用 T 表示，它的单位符 号用 K 表示。 T 与摄氏温度 t 的关系是：T=T0 十 t，T0 定义为 273.15K。 热量的测量还会碰到热容这个概念。当一系统由于加给一微小的热量 dQ 而温度升高 dT 时，dQ/dT 这个量即为热容，符号记为 C。这个量是不 确定的，与过程有关，即有等压热容与等容热容之分。气体的等压热容总 比等容热容大，因为气体在压力不变的条件下升高温度时，一定要对外膨 胀作功，所以除升高气体的温度需要热量外，还要吸收一部分热量以补偿 气体系统对外作功。而固体或液体的等压热容和等客热容几乎相等。热容 除以物质的量即为摩尔热容，符号 Cm（Cm=C/n）。等压摩尔热容记为 Cp,m=Cp/n；等容摩尔热容记为 Cv,m＝CV/n。热容除以质量即为质量热容， 符号 CW（CW=C/W），旧称比热。可以认为，温度对同一聚集状态、同 一组成相的物质来说，一般影响不大。 精确测量热量可以在弹式量热计内进行。弹式量热计由钢弹（内有样 品盘和点火线）及钢质容器、绝热外套、温度计、搅拌器等组成。测量时， 首先将已称重的反应物试样装入样品盘，然后密封钢弹，并在钢质容器中 加入已知质量的水浸没钢弹。精确测定起始温度，反应放出的热量被钢弹 和周围的水所吸收。根据温度计的最终读数（指反应最终、温度达最高的 读数）及水和钢弹的热容就可以计算出反应热。这样测得的反应热就是等 容过程中的热量变化： 2 2 ( ) ( ) Q C H O m H O T C T V S = + 式中 C（H2O）为水的质量热容，m（H2O）为水的质量，Cs 为钢弹 及内部物质和金属容器组成的物质系统的总热容，ΔT 为测量过程中温度 计的最终读数与起始读数之差。实际测量中往往是用苯甲酸作为标准热量 物质的。由于 Qv 的测量较为精确，常用以换算成恒压热效应。 四、标准摩尔焓变 教学提示