北京大学：《普通化学》课程教学资源（讲义）第三章 化学热力学基础与化学平衡

第三章化学热力学基础与化学平衡 31什么是化学热力学? 32化学热力学常用术语 3.3热化学方程式和热化学定律 34生成焓和键焓 35熵 36Gib自由能 37化学反应的限度与化学平衡 38化学热力学前沿话题

第三章 化学热力学基础与化学平衡 化学热力学基础与化学平衡 3.1 什么是化学热力学？ 什么是化学热力学？ 3.2 化学热力学常用术语 化学热力学常用术语 3.3 热化学方程式和热化学定律 热化学方程式和热化学定律 3.4 生成焓和键焓 3.5 熵 3.6 Gibbs自由能 3.7 化学反应的限度与化学平衡 化学反应的限度与化学平衡 3.8 化学热力学前沿话题 化学热力学前沿话题

3什么是化学热力学 Fe,O3(S)+ Co(g)+2 Fe(0)+3 Co(g) i Ore limestone, ke 炉 为什么不能用同样的方法 500°C 炼 进行高炉炼鋁? 900°C 铁 1200C Hot air Molten iron

3.1 什么是化学热力学 什么是化学热力学 Fe2O3(s) + 3 CO(g) (s) + 3 CO(g) → 2 Fe(l) + 3 CO 2 Fe(l) + 3 CO2(g) 高 炉 炼 铁 为什么不能用同样的方法 为什么不能用同样的方法 进行高炉炼铝？ 进行高炉炼铝？

NO, CO SM ZV 3943 NO和CO是汽车尾气中的有毒成分, 它们能否相互反应生成无毒的N2和CO2 2NO(g+ 2C0(g)N2(g+ 2C0,(g

NO，CO NO和CO是汽车尾气中的有毒成分， 是汽车尾气中的有毒成分， 它们能否相互反应生成无毒的 它们能否相互反应生成无毒的N2和CO2？ 2NO (g) + 2CO(g) NO (g) + 2CO(g) → N2 (g) + 2CO (g) + 2CO2 (g)

金刚石 石 库里南1号 C(石墨)→C(金刚石)

石 墨 金 刚 石 C (石墨) → C (金刚石) 库里南1号 ？

化学热力学 用热力学原理研究物质体系中的化学现象和规律,根据物 质体系的宏观可测性质和热力学函数关系来判断体系的稳定 性、变化方向和变化的程度。它是物理化学中较早发展起来 的一个学科。 化学热力学的作用: 1)预测反应发生的可能性 2)判断反应进行的方向(判据) 3)判断反应进行的限度(平衡问题)

化学热力学： 用热力学原理研究物质体系中的化学现象和规律，根据物 用热力学原理研究物质体系中的化学现象和规律，根据物 质体系的宏观可测性质和热力学函数关系来判断体系的稳定 质体系的宏观可测性质和热力学函数关系来判断体系的稳定 性、变化方向和变化的程度。它是物理化学中较早发展起来 性、变化方向和变化的程度。它是物理化学中较早发展起来 的一个学科。 化学热力学的作用： 化学热力学的作用： 1) 预测反应发生的可能性 预测反应发生的可能性 2) 判断反应进行的方向 判断反应进行的方向 (判据) 3) 判断反应进行的限度 判断反应进行的限度 (平衡问题)

32化学热力学常用术语 Surroundings 环境 (一)体系和环境 ●体系( System) 指我们研究的对象,它包含一定 stem 种类和一定数量的物质。 体系 环境 Surrounding Energy能量 在体系之外又与体系密切相关的 The system is the sample or reaction mixture in which we are 部分,称为环境。 interested. Outside the system are the surroundings. The system plus its surroundings is sometimes called the universe

3.2 化学热力学常用术语 化学热力学常用术语 ● 体系 (System) System) 指我们研究的对象，它包含一定 指我们研究的对象，它包含一定 种类和一定数量的物质。 种类和一定数量的物质。 ● 环境 (Surrounding) Surrounding) 在体系之外又与体系密切相关的 在体系之外又与体系密切相关的 部分，称为环境。 部分，称为环境。 (一) 体系和环境 The system is the sample or The system is the sample or reaction mixture in which we are reaction mixture in which we are interested. Outside the system are interested. Outside the system are the surroundings. The system plus the surroundings. The system plus its surroundings is sometimes its surroundings is sometimes called the universe. called the universe. 体系 环境 能量

封闭体系 closed system) 孤立体系 体系和环境之间可以有能 對闭体系 量交换而没有物质交换的体 系 敞开体系 ●散开体系 open system) 体系和环境之间既有能量 交换也有物质交换的体系。 Matter (water vapor) ●孤立体系 isolated system) HeatOpen Closed Isolated 和环境既没有物质交换也 system system system 没有能量交换的体系 (b)

敞开体系 封闭体系 ● 封闭体系(closed system) closed system)： 孤立体系 体系和环境之间可以有能 体系和环境之间可以有能 量交换而没有物质交换的体 量交换而没有物质交换的体 系。 ● 敞开体系(open system) open system)： 体系和环境之间既有能量 体系和环境之间既有能量 交换也有物质交换的体系。 交换也有物质交换的体系。 ● 孤立体系(isolated system) isolated system)： 和环境既没有物质交换也 和环境既没有物质交换也 没有能量交换的体系。 没有能量交换的体系

(二)热和功 热(heat,Q:由于温差导致体系与环境交换能量的一种形式。体系 的吸热或放热会导致体系内能的改变。 Q的符号——体系吸热取正值,放热取负值。 ●功( work, M):体系对抗外力运动会作功。提起重物时克服重力作 功,气缸中的气体推动活塞作功,电池产生的电流会通过电机 作功。 Work=(Force)X Distance) 功可以分为机械功、电功、体积膨胀功等各种形式的功。许多 常见的化学变化或物理变化往往只做等压体积膨胀功(W而不 做其他类型的功(W) W的符号—体系对环境做功取正值,环境对体系做功取负值

(二) 热和功 ● 热 (heat, Q)：由于温差导致体系与环境交换能量的一种形式。体系 由于温差导致体系与环境交换能量的一种形式。体系 的吸热或放热会导致体系内能的改变。 的吸热或放热会导致体系内能的改变。 Q的符号 —— 体系吸热取正值，放热取负值。 体系吸热取正值，放热取负值。 ● 功 (work, W)：体系对抗外力运动会作功。提起重物时克服重力作 体系对抗外力运动会作功。提起重物时克服重力作 功，气缸中的气体推动活塞作功，电池产生的电流会通过电机 功，气缸中的气体推动活塞作功，电池产生的电流会通过电机 作功。 Work = (Force) Work = (Force) × (Distance) Distance) 功可以分为机械功、电功、 功可以分为机械功、电功、体积膨胀功等各种形式的功。许多 等各种形式的功。许多 常见的化学变化或物理变化往往只做等压体积膨胀功 常见的化学变化或物理变化往往只做等压体积膨胀功(We)而不 做其他类型的功 做其他类型的功(W’)。 W的符号 —— 体系对环境做功取正值，环境对体系做功取负值。 体系对环境做功取正值，环境对体系做功取负值

体积膨胀功: 许多常见的化学变化或物理变化往往只做等压体积膨胀功(W 而不做其他类型的功(W) Heat External No heat input pressure, P Vacuum Work done No work done (a) b The gas does work as it expands The gas does no work as it expands isothermally, but heat flows in to isothermally into a vacuum restore the energy lost as work

● 体积膨胀功： 许多常见的化学变化或物理变化往往只做等压体积膨胀功 许多常见的化学变化或物理变化往往只做等压体积膨胀功(We) 而不做其他类型的功 而不做其他类型的功(W’)。 The gas does work as it expands The gas does work as it expands isothermally, but heat flows in to isothermally, but heat flows in to restore the energy lost as work. restore the energy lost as work. The gas does no work as it expands The gas does no work as it expands isothermally into a vacuum. isothermally into a vacuum

体积膨胀功的计算 1. 30 atm 2. 40 atm h △V final A initial A W=F·d=(P·A)h P·△ W=Pt·△

体积膨胀功的计算 体积膨胀功的计算 W = F ⋅ d = (P ⋅ A) ⋅ h = P ⋅ ∆ V W = Pext ⋅ ∆ V