工程化学PPT全套课件.pptx
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工科化学工科化学（EngineeringChemistry）授课教师：
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合肥工业大学校级精品课程合肥工业大学校级精品课程合肥工业大学化工学院应用化学系合肥工业大学化工学院应用化学系2化学的地位及其研究对象化学的地位及其研究对象l化学是一门中心学科，是研究和创造物质的科学。
l化学是在原子和分子水平上研究物质的组成、性质、变化及其规律的学科。
l化学可分为无机化学、有机化学、分析化学、物理化学（俗称“四大化学”），随着学科的发展，有时也将高分子化学纳入到化学的基本分支中。
l化学与其它学科交叉渗透，形成一系列的分支或边缘学科，如环境化学、海洋化学、石油化学、材料化学、生物化学等等。
绪论绪论3化学很有趣化学很有趣l化学牵涉到物质的状态、颜色等变化，因此，会产生很多奇妙的现象。
l什么液体如此厉害？
l神灵附体？
l梦幻反应？
（精彩在后头）4化学在各领域发挥的重要作用化学在各领域发挥的重要作用-1l化学与材料化学与材料生产力基本要素之一生产工具就是材料最直接的体现，从历史发展看，每一种新的生产工具的出现，都可能引起生产关系发生变化，甚至产生社会变革。
与我们生产生活密切相关的，都是一些形形色色、功能各异的材料，如钢铁、橡胶、塑料、陶瓷、涂料等等。
绪论绪论5化学在各领域发挥的重要作用化学在各领域发挥的重要作用-2l化学与能源化学与能源能源为人类提供动力和热量，其中煤、石油、天然气等直接以化学反应形式提供能量。
新型能源如氢能、太阳能（光敏染料电池）等需要依靠化学方法解决一系列的问题。
绪论绪论6化学在各领域发挥的重要作用化学在各领域发挥的重要作用-3l化学与生命化学与生命化学是研究生命现象的强有力工具。
构成生命体的所有化学元素都可以在地球上找到它的踪迹。
原则上各项生命活动都有其相应的化学原理。
人工合成蛋白质、各种新药的研发等都离不开化学。
绪论绪论7化学在各领域发挥的重要作用化学在各领域发挥的重要作用-4l化学与环境化学与环境环境问题中80%以上是由于化学引起的。
一方面，人类不断享受到化学的发展为他们带来的便利，另一方面，人们又谈“化学”色变。
目前化学要解决的是：
根据环境中各种物质的相互作用、行为效应，研究控制和消除污染的方法；从源头上避免或减少污染。
绪论绪论8本课程通用概念本课程通用概念l物理量、单位和量纲物理量、单位和量纲物理量是量度物体属性或描述物体运动状态及其变化过程的量。
如：
质量2kg、加速度9.8m/s2，频率50Hz量纲：
由基本的国际单位制单位乘方之积确定的物理量的单位。
如：
力的单位N（牛顿），其量纲是：
kgm/s2绪论绪论9本课程通用概念本课程通用概念l国际单位制基本单位（国际单位制基本单位（7个）个）绪论绪论物理量单位名称单位符号长度米m质量千克kg时间秒s电流安培A热力学温度开尔文K物质的量摩尔mol发光强度坎德拉cd1967年，第十三届国际计量大会定义秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。
1790年5月由法国科学家组成的特别委员会，建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位米1960年第十一届国际计量大会对米的定义作了如下更改：
“米的长度等于氪86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的165076373倍”。
1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会上又通过了米的新定义：
“米是1299792458秒即0.000000003335640952秒的时间间隔内光在真空中行程的长度”。
10本课程通用概念本课程通用概念常见国际单位制导出单位（部分）常见国际单位制导出单位（部分）绪论绪论物理量单位名称单位符号量纲力牛顿Nkgms-2压强帕斯卡Pakgm-1s-2频率赫兹Hzs-1热、功、能量焦耳Jkgm2s-2电压伏特Vkgm2s-3A-1电阻欧姆kgm2s-3A-2其他诸如：
特（斯拉）韦（伯）亨（利）库（仑）法（拉）还记得它们都是什么物理量的单位吗？
能否导出其量纲？
11本课程通用概念本课程通用概念l国际单位制词头国际单位制词头绪论绪论0.000000001m1000000W1nm1MW常用的单位词头可参考书后附录常用的单位词头可参考书后附录1.12本课程通用概念本课程通用概念除了一些国际单位制单位，在你印象里除了一些国际单位制单位，在你印象里有那些非国际单位制单位在使用？
有那些非国际单位制单位在使用？
质量：
克拉、镑等体积：
加仑长度：
埃、尺、英尺等功：
卡力：
千克力、达因功率：
马力速率：
马赫绪论绪论13物理量运算规则及约定物理量运算规则及约定l物理量的数值和单位之间是相乘关系，只有量纲相同的物理量（即同一物理量）才能进行加减运算。
例如：
1t+10kg+5克拉、100N-20Jl运算时将单位带入一并运算，可减少出错。
例如：
计算298.15K，200kPa下0.4mol理想气体的体积。
绪论绪论工科化学（EngineeringChemistry）授课教师：
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所在单位：
合肥工业大学化工学院应用化学系合肥工业大学校级精品课程第1章化学反应的基本原理化学热力学ChemicalThermodynamics化学动力学ChemicalKinetics反应能不能发生反应能不能发生反应能不能发生反应能不能发生反应的吸热放热情况反应的吸热放热情况反应的吸热放热情况反应的吸热放热情况反应能够进行的程度反应能够进行的程度反应能够进行的程度反应能够进行的程度反应的快慢反应的快慢反应的快慢反应的快慢反应的机理反应的机理反应的机理反应的机理1.系统与环境系统（system）:
在化学热力学中被研究的对象;环境（surroundings）:
指系统之外，与系统密切相关、影响所能及的部分。
1.1热化学与能量变化1.1.1基本概念（基本概念（Basicconcepts）物质交换物质交换能量交换能量交换敞开系统敞开系统（opensystem）封闭系统封闭系统（closedsystem）隔离系统隔离系统（isolatedsystem）112233所谓均匀是指其分散度达到分子或离子大小的数量级。
相与相之间有明确的界面，超过此相界面，一定有某些宏观性质（如密度、组成等）发生突变。
2.相相（phase）是系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分。
系统中相的数目称为相数，有单相系统和多相系统之分。
相的分类相的分类气相系统气相系统气相系统气相系统：
任何气体共混，每一种气体都可无限充满容器，：
任何气体共混，每一种气体都可无限充满容器，：
任何气体共混，每一种气体都可无限充满容器，：
任何气体共混，每一种气体都可无限充满容器，为单相系统为单相系统为单相系统为单相系统如：
如：
如：
如：
HH22+N+N22混合混合混合混合液相系统液相系统液相系统液相系统：
具体问题，具体分析。
：
具体问题，具体分析。
：
具体问题，具体分析。
：
具体问题，具体分析。
如：
水与乙醇混合如：
水与乙醇混合如：
水与乙醇混合如：
水与乙醇混合水与水与水与水与CClCCl44混合混合混合混合水与水与水与水与CClCCl44、苯混合、苯混合、苯混合、苯混合固相系统固相系统固相系统固相系统：
有几种固体物质，就有几个相。
：
有几种固体物质，就有几个相。
：
有几种固体物质，就有几个相。
：
有几种固体物质，就有几个相。
如：
如：
如：
如：
MgMg块与块与块与块与AlAl块块块块MgMg粉与铝粉均匀混合粉与铝粉均匀混合粉与铝粉均匀混合粉与铝粉均匀混合MgMg粉和铝粉加热熔化均匀混合冷却后粉和铝粉加热熔化均匀混合冷却后粉和铝粉加热熔化均匀混合冷却后粉和铝粉加热熔化均匀混合冷却后广度性质（extensiveproperties）:
有些状态函数，如物质的量、质量等具有加和性的性质。
强度性质（intensiveproperties）:
另一些状态函数，如温度、密度等不具有加和性的性质。
3.状态与状态函数状态与状态函数由一系列表征系统性质的物理量所确定下来的系统的存在由一系列表征系统性质的物理量所确定下来的系统的存在形式称为系统的形式称为系统的状态状态（state）。
用来表征系统状态的物理量称。
用来表征系统状态的物理量称为为状态函数状态函数（statefunction）。
状态函数的变化量只与变化的始终态有关，与变化过程无关。
状态函数的数学组合仍是状态函数。
系统各状态函数之间密切关联、相互影响。
一个过程可以由多种不同的途径来实现。
而状态函数的改变量只取决于过程的始态和终态，与采取哪种途径来完成这个过程无关。
即过程的着眼点是始态和终态，而途径则是具体方式。
4.过程和途径系统的状态发生变化，从始态变到终态，我们就说系统经历了一个热力学过程，简称为过程（process）。
实现这个过程可以采取许多种不同的具体步骤，我们就把这每一种具体步骤称为一种途径（pathway）。
5.反应进度（theextentofreaction）对于一般的化学反应方程式：
式中，R表示反应中任一物质的化学式，R是R的化学计量数，是量纲为1的量（旧称无量纲的纯数），对反应物取负值，对产物取正值。
=nR/R917210200反应进度必须对应具体的反应方程式！
反应进度举例反应进度举例反应进度举例反应进度举例9172102001.1.2热力学第一定律（firstlawofthermodynamics）1.热热（heat）F定义：
热是由于系统和环境之间存在温度差异而引起定义：
热是由于系统和环境之间存在温度差异而引起的能量传递（以的能量传递（以Q表示）。
表示）。
F方向性：
高温物体方向性：
高温物体低温物体。
低温物体。
F热（热（Q）与途径有关，不是状态函数。
）与途径有关，不是状态函数。
热力学第零定律如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡（温度相同），则它们彼此也必定处于热平衡。
热力学第零定律是进行体系测量的基本依据。
2.功功（work）F定义：
以定义：
以W表示。
表示。
F功（功（W）与途径有关，不是状态函数）与途径有关，不是状态函数热和功符号的规定本书规定，凡是使系统能量增加的为正，反之为负。
系统吸热，Q取“+”；系统放热，Q取“”环境对系统做功，W取“+”；系统对环境做功，W取“”体积功的推导体积功的推导体积功的推导体积功的推导体积功：
指由于系统体积发生变化而与环境之间所做的功。
体积功：
指由于系统体积发生变化而与环境之间所做的功。
体积功：
指由于系统体积发生变化而与环境之间所做的功。
体积功：
指由于系统体积发生变化而与环境之间所做的功。
IIIPl用活塞将气体密封在截面积为用活塞将气体密封在截面积为S的圆的圆柱形筒内，以柱形筒内，以p代表外压，在恒压下代表外压，在恒压下的膨胀过程中，气体将活塞从的膨胀过程中，气体将活塞从II位置推到位置推到IIII位置，位移为位置，位移为ll。
W=Fl;F=pS则：
则：
则：
则：
W=pSll=p（V11-V22）=-）=-pV恒压过程（isobaricprocess）气体膨胀时，气体膨胀时，气体膨胀时，气体膨胀时，V00，则，则，则，则W00（系统对环境做功，（系统对环境做功，（系统对环境做功，（系统对环境做功，W00）气体压缩时，气体压缩时，气体压缩时，气体压缩时，V000（环境对系统做功，（环境对系统做功，（环境对系统做功，（环境对系统做功，W00）F定义：
指系统内一切能量的总和，（以U表示）。
FU是状态函数，热力学能变化只与始态、终态有关，与变化途径无关。
至今尚无法直接测定，只能测定到U。
FU=U2U13.热力学能热力学能（thermodynamicenergy）系统与环境之间的能量交换有两种方式，一种是热传递，另一种是做功。
在化学中的功有体积功、电功和表面功等，本章所研究的仅是体积功，不考虑非体积功。
U=U2U1=Q+W4.4.热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律热力学第一定律（firstlawofthermodynamics）（firstlawofthermodynamics）若封闭系统由状态若封闭系统由状态若封闭系统由状态若封闭系统由状态II变化到状态变化到状态变化到状态变化到状态IIII，且在这一过程中系统从，且在这一过程中系统从，且在这一过程中系统从，且在这一过程中系统从环境中吸热环境中吸热环境中吸热环境中吸热QQ，环境对系统做功，环境对系统做功，环境对系统做功，环境对系统做功WW，则系统热力学能的变化量，则系统热力学能的变化量，则系统热力学能的变化量，则系统热力学能的变化量为：
为：
为：
为：
能量守恒能量守恒能量守恒能量守恒1.化学反应的热效应（heateffect）定义：
是指当生成物与反应物的温度相同时，化学反应过程中所吸收或放出的热量。
化学反应的热效应一般称为反应热，通常有等容反应热和等压反应热两种。
1.1.3化学反应的热效应和焓化学反应的热效应和焓在恒容、不做非体积功的条件下在恒容、不做非体积功的条件下：
V=0，W=-pV=0，Q=QV（等容反应热）（等容反应热）U=U2U1=QV在恒压、不做非体积功的条件下：
在恒压、不做非体积功的条件下：
W=-pV=-p（V2V1），Q=QP（等压反应热）（等压反应热）U=U2U1=QP-p（V2V1）Qp与与Qv的关系的关系：
U=QV，QV=QPpV由于由于pV=nRT则：
则：
Qp=QV+nRT【例1.1】298.15K时，向刚性密闭反应器中冲入1molH2和0.5molO2，完全反应生成1mol液态H2O时放出热量282.1kJ。
试计算该温度下生成2mol液态H2O时的恒压反应热。
由于由于H是状态函数是状态函数U、p、V的组合，所以焓的组合，所以焓H也是状态函数。
也是状态函数。
焓变焓变H：
吸热反应（吸热反应（endothermic），），H0放热反应（放热反应（exothermic），），H002.焓（enthalpy）与焓变由由由由U=U2U1=QP-p（V2V1）整理可得：
整理可得：
QP=（U2+pV2）（U1+pV1）令令HU+pV，这里，这里H即为焓，焓的变化简称即为焓，焓的变化简称“焓变焓变”（H）显然有：
显然有：
H=H2H1=QP焓变（enthalpychange）定义为化学或物理过程中吸收或放出的热量,即过程完成之后的终态物质的焓与过程发生之前的始态物质的焓之差。
3.盖斯定律（Hessslaw）始态终态中间态HH1H2定律：
化学反应不管是一步完成还是分几步完成，其反应热（焓变）总是相同的。
H=H1+H2对于气相系统，每种气态物质的压力均处于标准压力p的状态称为标准态；对于液体或固体，其标准态是指处于标准压力p下的纯液体或纯固体；对于理想溶液，其标准态是指处于标准压力p下，浓度为标准浓度c时的状态，即为该溶液的标准态。
1.1.4化学反应的标准摩尔焓变国家标准规定：
标准压力p=100kPa；标准浓度c=1moldm-3；参考温度T=298.15K（标准态没有规定温度）。
1热力学标准态（standardstate）的规定2反应的标准摩尔焓变（standardmolarenthalpychangeofreaction）如果参加反应的各物质都处于标准态，则此时反应的摩尔如果参加反应的各物质都处于标准态，则此时反应的摩尔焓变就称为焓变就称为反应的标准摩尔焓变反应的标准摩尔焓变。
以符号。
以符号来表示，单位来表示，单位kJmol-1。
符号中的下标。
符号中的下标r表示反应，上标表示反应，上标代表标准状态，下标代表标准状态，下标m表示此反应的反应进度表示此反应的反应进度=1mol。
该反应标准摩尔焓变的意义就是：
标准状态下，由2molH2（g）和1molO2（g）反应生成2molH2O（l）时的焓变。
3.物质的标准摩尔生成焓（standardmolarenthalpyofformation）对于单质和化合物的相对焓值，规定在标准状态时，由指定单质生成单位物质的量的纯物质时反应的焓变，叫做该物质的标准摩尔生成焓，以符号fHm（298.15K）来表示，单位为kJmol-1。
符号中的下标f表示生成反应，上标代表标准状态，下标m表示此生成反应的产物必定是单位物质的量（即1mol），298.15K为参考温度。
指定单质通常是温度为298.15K和标准压力p时的最稳定单质。
如氢是H2（g），氧是O2（g），溴是Br2（l），碳是石墨，磷例外，指定单质为白磷，而不是热力学上更稳定的红磷。
对于水合离子的相对焓值，规定以水合氢离子的标准摩尔生成焓为零，参考温度通常也选定为298.15K，据此，可以获得其他水合离子在298.15K时的标准摩尔生成焓。
对于一般的化学反应方程式：
在298.15K时反应的标准摩尔焓变的计算公式为：
rHm（298.15K）fHm,R（298.15K）即298.15K下反应的标准摩尔焓变等于同温度下此反应中各物质的标准摩尔生成焓与其化学计量数乘积之和。
4.反应的标准摩尔焓变的计算书写反应方程式时一般要注明物质的状态，比如g（气态）、l（液态）、s（固态）、aq（水合）等。
反应方程式中的化学计量数，对反应物取负值，对产物取正值。
换句话说，是反应中所有产物的标准摩尔生成焓减去所有反应物的标准摩尔生成焓，同时所有的化学计量数也不能遗漏。
若系统的温度不是298.15K，反应的焓变会随温度而有所改变，但如果无相变发生，则反应的焓变随温度变化一般不大，为了简便起见，本书中不考虑温度对反应焓变的影响。
即：
rHm（T）rHm（298.15K）注意：
【例1.2】某公司已根据下列反应制成化学贮能装置。
Na2S（s）+9H2O（g）=Na2S9H2O（s）已知Na2S（s）和Na2S9H2O（s）在298.15K时的标准摩尔生成焓分别为-372.86kJmol-1和-3079.41kJmol-1，试求1mol干燥的Na2S（s）吸收水蒸气变成Na2S9H2O（s）时所放出的热量。
例1.2计算298.15K时下列反应的标准摩尔焓变。
CaO（s）+H2O（l）=Ca2+（aq）+2OH-（aq）解：
查附录4中各物质的标准摩尔生成焓。
CaO（s）+H2O（l）=Ca2+（aq）+2OH-（aq）fHm（298.15K）/（kJmol-1）-635.09-285.83-542.83-229.991.2化学反应进行的方向和吉布斯函数变化学反应进行的方向和吉布斯函数变1.自然界中的自发过程（spontaneousprocess）水从高处流向低处热从高温物体传向低温物体铁在潮湿的空气中锈蚀锌置换硫酸铜溶液反应Wateralwaysflowsdownhill！
Zn（s）+Cu2+（aq）Zn2+（aq）+Cu（s）Gasesalwaysexpandfromhighpressuretolowpressure!
Heatalwaysflowsfromhightemperaturetolowtemperature！
自然界中能看到不少自发进行的过程，如水从高处流向低处，表明系统倾向于取得最低的势能，还有许多自发反应也是放热反应（HSm（l）Sm（s）。
2.同一物质在相同的聚集状态时，Sm（高温）Sm（低温）。
例如,CS2（l）在161K和298K时的Sm值分别为103Jmol-1K-1和150Jmol-1K-1。
3.在温度和聚集状态相同时，Sm（复杂分子）Sm（简单分子）。
例如乙醇和它的同分异构体二甲醚的Sm值分别为283Jmol-1K-1和267Jmol-1K-1，这是因为前者的对称性较低。
4.通常，Sm（混合物）Sm（纯物质）。
5.反应的标准摩尔熵变的计算对于一般的化学反应方程式：
在标准状态和温度为298.15K下，反应进度=1mol时的标准摩尔熵变的计算公式为：
rSm（298.15K）Sm,B（298.15K）本书中，本书中，rSm（TK）rSm（298.15K）7.吉布斯函数吉布斯函数（G）与吉布斯函数变与吉布斯函数变（G）FG=HTS（G是状态函数是状态函数）F在等温等压下：
G=HTS（Gibbs-Helmholtzequation）1875年，美国物理化学家J.W.Gibbs提出吉布斯函数（Gibbsfunction）的概念！
JosiahWillardGibbs（1839-1903）吉布斯是美国物理化学家。
1839年2月11日生于康涅狄格州的纽黑文。
1854-1858年在耶鲁学院学习。
学习期间，拉丁语和数学成绩优异因此多次获奖。
24岁获耶鲁学院哲学博士学位后，留校任助教。
1866-1868年留学法国和德国。
1869年回国后继续任教。
1870年后任耶鲁学院的数学物理教授。
获过伦敦皇家学会的科普勒奖章。
1903年4月28日在纽黑文逝世。
主要著作有：
“图解方法在流体热力学中的应用”、“论多相物质的平衡”、“统计力学的基本原理”等。
吉布斯治学严谨，成绩显著。
逝世47年后，他被选入纽约大学的美国名人馆，并立半身像。
8.反应自发性的判断FG0非自发反应（逆向进行）在等温、等压、不作非体积功的条件下，反应自发性的判断：
G的应用9.在恒压条件下，温度对于反应自发性的影响在恒压条件下，温度对于反应自发性的影响种类种类HSG=HTS反应的自发性反应的自发性举例举例1+自发自发（任何温度任何温度）2H2O2（g）=2H2O（g）+O2（g）2+非自发非自发（任何温度任何温度）2CO（g）=2C（s）+O2（g）3+低温低温+高温高温反应在高温下反应在高温下能自发进行能自发进行CaCO3（s）=CaO（s）+CO2（g）4低温低温高温高温+反应在低温下反应在低温下能自发进行能自发进行NO（g）+O2（g）=NO2（g）转变温度转变温度：
T=H/S10.转变温度对于G=HTS，在G=0时，反应处于平衡状态！
注意：
G、H、S的单位：
G：
kJmol-1H：
kJmol-1S：
Jmol-1K-1规定在标准状态时，由指定单质生成单位物质的量的纯物质时反应的吉布斯函数变，叫做该物质的标准摩尔生成吉布斯函数（standardmolarGibbsfunctionofformation），以符号fGm（298.15K）来表示。
11.标准摩尔生成吉布斯函数fGm（H+,aq,298.15K）=0fGm（指定单指,298.15K）=0单位：
kJmol-112.反应的吉布斯函数变反应的吉布斯函数变（G）计算计算1）rGm（298.15K）=RfGm（298.15K）2）rGm（298.15K）=rHm（298.15K）298.15KrSm（298.15K）标准状态下，T=298.15K时：
rGm（T/K）=rHm（TK）TrSm（TK）rHm（298.15K）TrSm（298.15K）标准状态下，在任意温度T时：
在非标准状态时：
对于非标准态的任一气体反应：
rGm（T）=rGm（T）RTlnQ=rGm（T）2.303RTlgQ其中，Q为反应商（reactionquotient），aA（g）+bB（g）+=xX（g）+yyY（g）+利用上述公式计算摩尔吉布斯函数变时应注意：
rGm（T）rHm（298.15K）-TrSm（298.15K），如果温度不是298.15K，则rGm（T）rGm（298.15K）。
rGm（T）的常用单位为kJmol-1，RTlnQ的常用单位为Jmol-1，要注意单位的统一。
书写Q的表达式时，对于反应式中的固态、液态纯物质或稀溶液中的溶剂（如水），不列入Q的表达式中；对于气体，用其分压列入Q的表达式，且以反应式中的化学计量数为指数；对于溶质中的水合离子，用其浓度列入Q的表达式，且以反应式中的化学计量数为指数。
例例题题
（1）计算石灰石计算石灰石（CaCO3）在标准状况下热分解反应的在标准状况下热分解反应的rGm（298.15K）以及rGm（1273K）；
（2）计算反应的分解温度；计算反应的分解温度；（3）若若CO2的分压为的分压为30Pa，则该反应的，则该反应的rGm（298.15K）以及rGm（1273K）。
1.3化学反应进行的程度和化学平衡化学反应进行的程度和化学平衡1.1.不可逆反应与可逆反应不可逆反应与可逆反应
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