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化学反应热效应计算（1）备课教案
序号 周次
授课章节 名称 学习情境8 物质及变化 任务二 化学反应热效应计算（1）
教学目的 掌握热力学基本概念，热力学第一定律；掌握等容热、等压热及焓的概念及其计算
教学重点 热力学基本概念，热力学第一定律；等容热、等压热及焓的概念及其计算；化学反应进度、化学反应热效应、标准摩尔反应焓的概念 教学难点 对基本概念的理解，热力学第一定律的应用；等容热、等压热及焓的概念及其计算；化学反应进度、化学反应热效应、标准摩尔反应焓
课型 新授课 学时
教学条件 多媒体教室
教学过程 时间分配 能力培养
Ⅰ.组织教学 复习化学反应速率及其计算和测定 5分钟 理解 表达
Ⅱ.教学过程 一、热力学基本概念 1．系统和环境 ①隔离系统：系统与环境之间既无物质交换，也无能量交换。又称孤立系统。 ②封闭系统：系统与环境之间无物质交换，，但有能量交换。 ③敞开系统：系统与环境之间既有物质交换，也有能量交换。 描述系统的宏观物理量称为系统的宏观性质。如质量、体积、压力、温度、粘度、密度、组成等，也叫做系统的热力学性质，简称系统的性质。按其特性分为两类： ①广度性质：又叫容量性质。这类性质与系统中物质的数量成正比，例如：质量、体积、热力学能等，系统的质量等于组成该系统的各部分质量之和，系统的体积等于各部分体积之和。所以系统的广度性质在一定的条件下具有加和性。 ②强度性质 系统的这类性质是由系统的本性决定的，不具有加和性。例如： 温度、压力、粘度等。某些广度性除以其质量(或物质的量)会变为强度性质。例如：体积除以物质的量，Vm＝V/n，得到摩尔体积，变成强度性质了。 2．系统的状态与状态函数 在热力学中任何系统的状态都可以用系统的宏观性质来描述，如描述一容器内某气体的状态时，就要实验确定该气体的体积（V）、温度（T）、压力（p）及气体物质的量(n)等。一旦系统的宏观性质确定后，系统就处于确定的状态，系统的宏观性质中只要有一种发生变化，系统的状态也就随之而变。反之，系统的状态确定之后，系统的各种宏观性质也都有各自确定的数值，系统的状态发生变化，则其宏观性质也会随之改变。因此，热力学把能够表征系统状态的各种宏观性质称为系统的状态函数。例如，能够描述系统状态的物理量T、V、p等都是系统的状态函数。 系统的状态函数是相互联系的，描述系统的状态时只需要实验测定系统的部分宏观物理量，另一些就可通过它们之间的联系来确定。 3．过程与途径 （１）过程 系统状态发生的任何变化称为过程。例如：气体的压缩，冰的熔融、水升温、化学反应等等，都是不同的过程。过程前的状态称为初态或始态，过称后的状态称为终态或末态。 ① 等温过程 系统的初态与终态温度相同，并等于环境温度的过程。特点：T始＝T终＝T环 ② 等压过程 系统的初态与终态压力相同，并等于环境压力的过程。特点：p始＝p终＝p环(p环是不变的) ③ 等容过程 系统的体积不发生变化的过程。常见的等容过程有： A、在刚性容器（即封闭容器）中发生的过程； B、分子数不变的等温、等压反应； C、液相中的反应。 ④ 绝热过程 系统与环境没有热量交换。如 A、系统与环境之间有绝热壁隔开。 B、某些反应极快的反应，环境与系统之间不及交换热量。如爆炸反应，也认为是绝热的。 ⑤ 循环过程 如果一个系统由某一状态出发，经过一系列的变化，又回到原来的状态，这样的过程叫循环过程。循环过程所有状态函数的变化量等于零。 （2）途径 完成一个过程的具体步骤，叫途径。 过程与途径的关系如同过河与船、桥的关系。一个人从河的一边到河的另一边，这个变化叫过程。坐船过去是一种途径，从桥上走过去是一种途径，从水中游过去又是一种途径等。 4．热和功 热和功是系统状态发生变化时与环境交换能量的两种形式。系统状态发生变化时，与环境因温度不同而发生的能量交换形式称为热，在热力学中常用Q表示，单位为焦耳(J）或千焦(kJ）。热力学规定系统从环境吸热时Q为正值，系统放热给环境时Q为负值。热总是与系统状态变化的途径密切相关，热不是系统的状态函数。 功是指系统与环境除热以外的其它能量交换形式，用符号W来表示，单位为焦耳(J）或千焦(kJ）。热力学规定环境对系统做功W为正值，系统对环境做功W为负值。 对于等压过程， 一般来说，系统中只有气相存在、系统的体积功发生明显变化时才考虑体积功。而对于无气相存在的系统，通常不予考虑。 【例8-12】 将1mol压力为3.039×105Pa的理想气体置于气缸中，在300K下进行等温膨胀，且抗恒外压1.013×105Pa，一次膨胀至外压为1.013×105Pa。计算这一过程所做体积功。 二、 热力学第一定律及应用 ΔU = Q + W (8-24) 若系统发生无限小的变化，则上式可写成有 （8-25） 式子(8-24)和(8-25)是封闭系统热力学第一定律的数学表达式。 它表明封闭系统中发生任何变化过程，系统内能的变化值等于系统吸收的热量和环境对系统所做功的代数和。 等压过程的条件是压力不变，即P = P环 = 常数，理想气体服从 PV = nRT 的关系， （8-26） 根据式（8-26）得出后，只要知道和中的任何一个量，就可以求出另外一个量。 【例8 -13】气缸中总压力为101.3kPa的氢气和氧气混合物经点燃化合成液态水时，系统的体积在恒定外压101.3kPa下增加2.37dm3，同时向环境放热550J，试求系统经过此过程后内能的变化。 解：取气缸内的物质和空间为系统 =101.3kPa Q=-550 J =2.37dm3 =-101.3×103×2.37×10-3=-240 J ΔU = Q + W=-550-240=-790 J 【例8-14】 在p和373.2K下，当1mol H2O(l)变成H2O(g)时需吸热40.65J。若将H2O(g)作为理想气体，试求系统的ΔU。 解： Q＝40.65J 从环境吸热40.65kJ，用于两个方面，一方面增加内能37.55kJ，另外又以功的形式传给环境3.10kJ。 三、等容热、等压热及焓 1．摩尔热容 （1）等容摩尔热容 1mol物质在恒容而且非体积功为零的条件下，温度升高1K所需要的热量，称为等容摩尔热容。用符号CV.m表示，单位为J/Kmol，即 　　　 （8-31） （2）等压摩尔热容 1mol物质在等压而且非体积功为零的条件下，温度升高1K所需要的热量，称为等压摩尔热容。用符号Cp.m表示，单位为J/Kmol，即 　　 　 （8-32） （3）理想气体CV.m与Cp.m的关系 对于理想气体，有 Cp.m — CV.m =R 通常情况下，理想气体的CV.m与Cp.m可视为常数。单原子理想气体CV.m=1.5R，Cp.m=2.5R；双原子理想气体CV.m=2.5R，Cp.m=3.5R。若非特殊指明，均按上式计算。 2．等容热与等压热 （1）等容热 等容热是指封闭系统进行等容而且非体积功为零的过程时，与环境交换的热，用QV 表示。 （8-34） 若CV.m为常数，则由式（8-34）积分得 （8-35） （2）等压热 等压热是指封闭系统进行等压而且非体积功为零的过程时，与环境交换的热，用Qp表示。 Qp＝H2－H1＝ΔH （3）焓 热力学中为了方便地解决等压过程热的计算问题，需要引出一个重要的状态函数“焓”，用符号H表示。 H＝U＋pV （8-37） ΔH＝U＋Δ(pV) （8-38） 在等压而且非体积功为零的条件下，由式（8-32）和（8-36）得 （8-39） 焓是状态函数，具有广度性质，并具有能量量纲，其单位是J或kJ。由于内能的绝对值是无法测定的，因此焓的绝对值也是无法测定的，通常只能通过计算得到系统状态函数变化时焓的变化值ΔH。 若Cp.m为常数，则由式（8-39）积分得 （8-40） QV＝ΔU、Qp＝ΔH，仅是数值上相等，物理意义上无联系。虽然，在这两个特定条件下，QV 、Qp数值也与途径无关，由始、终态确定，但是，不能改变Q是途径函数的本质，不能定义为QV 、Qp也是状态函数。 运用公式（8-35）和（8-40）可以计算等容、等压而且变温过程的热。 【例8 -16】计算1mol理想气体由293K等压加热到473K时的Q、、与W。已知。 解：等压条件下： 练习教材“练一练” 五、化学反应热效应计算 1．化学反应进度(ξ) 定义式为 ： （8-45） 对同一化学反应方程式，采用哪一种物质表示反应进度均是相同的，所以反应进度适用于同一化学反应的任一物质。 化学反应进度是与化学反应方程式的写法对应的，所以在使用反应进度时，必须注明具体化学计量方程式。 当=1mol（）时，则表示各物质按化学计量方程式进行了完全反应。 2．化学反应热效应 （1）等压反应热 等压反应热也称为反应焓变，是指在等温等压且非体积功为零的条件下，化学反应吸收或放出的热，用Qp或ΔrH表示，即Qp=ΔrH。下标“r”表示化学反应。 （2）等容反应热 等容反应热也称为反应内能变，是指在等温等容且非体积功为零的条件下，化学反应吸收或放出的热，用QV或ΔrU表示，即QV=ΔrU。 （3）等压反应热与等容反应热的关系 由上述可知 （8-46） 若= 1mol，则 （8-47） 式（8-47）中为气体物质化学计量数的代数和；为反应前后气体物质的量的变化。 例8 -19】已知反应 ，求298K时，若上述反应在等压条件下进行，1mol反应进度的反应热。 解：由式（8-47）可推出 其中，故 （4）标准摩尔反应焓 ①气体物质的标准态定义为：在标准压力下及温度Ｔ时，纯气体或混合气体中分压为标准压力的气体。 ②液态和固态物质的标准态定义为：在标准压力下及温度Ｔ时的纯液体或纯固体。 根据国家标准和国际标准规定标准压力下＝101.325kPa，而按新的标比则规定＝100kPa，标准状态下温度不作规定。符号“θ”表示标准状态。 一个化学反应中若参与反应的所有物质处于温度Ｔ的标准状态下，其摩尔反应焓就成为标准摩尔反应焓，用表示。 30分钟 30分钟 30分钟 40分钟 思考 分析 理解 演绎 交流、 表达 推力 归纳 计算 理解 应用 思考 分析 理解 演绎 交流 表达 掌握
Ⅲ.小结、布置作业 教材“练一练”；课后练习1、2 5分钟 掌握、巩固
课后记 概念比较多，学生难以理解。应以讲述为主，多联系。对于热力学第一定律，功、热、内能的概念更模糊，强调其单位要一致，有利于理解这些能量之间的关系及其转变。加强练习是理解的重要途径。

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