大學《物理化學》化學熱力學基礎1contents目錄熱力學基本概念與定律熱力學在化學反應中的應用熱化學與熱力學數(shù)據(jù)相平衡與相圖化學平衡與沉淀溶解平衡電化學基礎與應用熱力學在環(huán)境科學中的應用201熱力學基本概念與定律3指某一由周圍界限所限制的空間內的所有物質。根據(jù)系統(tǒng)與外界之間有無物質交換可分為開口系統(tǒng)和閉口系統(tǒng)。與系統(tǒng)發(fā)生相互作用但不屬于系統(tǒng)的所有物質的總稱。系統(tǒng)與環(huán)境的分界線稱為邊界。熱力學系統(tǒng)與環(huán)境環(huán)境熱力學系統(tǒng)4狀態(tài)函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量，其值僅取決于系統(tǒng)的狀態(tài)，而與系統(tǒng)狀態(tài)變化的過程無關。例如內能、焓、熵等。過程函數(shù)描述系統(tǒng)狀態(tài)變化過程的物理量，其值不僅取決于系統(tǒng)的初、終態(tài)，還與系統(tǒng)狀態(tài)變化的過程有關。例如熱量、功等。狀態(tài)函數(shù)與過程函數(shù)5熱力學第一定律內容熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機械能或其他能量互相轉換，但是在轉換過程中，能量的總值保持不變。表達式ΔU=Q+W，其中ΔU為系統(tǒng)內能的增量，Q為系統(tǒng)吸收的熱量，W為外界對系統(tǒng)所做的功。6熱力學第二定律不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響，或不可能從單一熱源取熱使之完全轉換為有用的功而不產生其他影響，或不可逆熱力過程中熵的微增量總是大于零。內容對于可逆過程，有dS=(δQ/T)；對于不可逆過程，有dS>(δQ/T)。其中S為熵，T為熱力學溫度。表達式702熱力學在化學反應中的應用8123化學反應在恒壓或恒容條件下吸收或放出的熱量。反應熱表示化學反應中物質變化和熱量變化的化學方程式。熱化學方程式生成熱是穩(wěn)定單質生成1mol化合物的反應熱；燃燒熱是1mol物質完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物時放出的熱量。生成熱與燃燒熱化學反應的熱效應9化學反應的熱效應只與始態(tài)和終態(tài)有關，與變化途徑無關。蓋斯定律利用蓋斯定律可以計算難以測定的反應熱，也可以比較不同反應的熱效應大小。應用蓋斯定律及應用10化學反應的方向自發(fā)反應總是向著體系能量降低、混亂度增大的方向進行?；瘜W反應的限度可逆反應達到平衡時，正逆反應速率相等，各組分濃度不再改變。平衡常數(shù)表示了反應進行的程度，平衡常數(shù)越大，反應進行得越完全?；瘜W反應的方向與限度1103熱化學與熱力學數(shù)據(jù)12表示化學反應中物質變化和能量變化關系的化學方程式。熱化學方程式的定義反應物和生成物的聚集狀態(tài)、化學計量數(shù)、反應熱等。熱化學方程式的書寫規(guī)則可用于計算反應熱、預測反應方向、判斷反應是否自發(fā)進行等。熱化學方程式的意義熱化學方程式1303生成焓與燃燒焓的關系對于同一元素的不同化合物，其生成焓與燃燒焓之和等于該元素單質的生成焓。01生成焓的定義在一定溫度下，由最穩(wěn)定單質生成1mol某化合物的反應熱為該化合物的生成焓。02燃燒焓的定義在一定溫度下，1mol某物質完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物時所放出的熱量為該物質的燃燒焓。生成焓與燃燒焓14斷開1mol氣態(tài)基態(tài)原子形成的氣態(tài)鍵所吸收的能量或形成1mol氣態(tài)鍵所放出的能量。鍵能的概念反應焓變等于反應物鍵能總和與生成物鍵能總和之差。鍵能與反應焓變的關系可用于預測化學反應的熱效應、解釋化學反應的機理等。鍵能的應用鍵能與反應焓變的關系1504相平衡與相圖16VS在恒溫恒壓下，當多相系統(tǒng)中各相的性質和數(shù)量均不隨時間變化時，稱系統(tǒng)處于相平衡狀態(tài)。此時，各相的溫度、壓力相等，且各相中組分的化學勢也相等。相律相律是描述相平衡系統(tǒng)中相數(shù)、組分數(shù)和自由度數(shù)之間關系的定律。對于只含一個組分的系統(tǒng)，相數(shù)最多為3；對于含有兩個組分的系統(tǒng)，相數(shù)最多為4。相平衡條件相平衡條件與相律17水的相圖是最典型的單組分系統(tǒng)相圖，包括冰、水和水蒸氣三相。隨著溫度和壓力的變化，水可以在三相之間轉化。除了水之外，其他單組分系統(tǒng)如金屬、陶瓷等也有相應的相圖，用于描述其在不同溫度和壓力下的相變行為。水的相圖其他單組分系統(tǒng)相圖單組分系統(tǒng)相圖18二組分系統(tǒng)相圖的類型二組分系統(tǒng)相圖包括簡單共晶相圖、簡單共析相圖和復雜共晶共析相圖等類型。這些相圖描述了兩組分在不同溫度和濃度下的相互作用和相變行為。二組分系統(tǒng)相圖的應用二組分系統(tǒng)相圖在材料科學、冶金、化工等領域有廣泛應用。例如，在合金制備中，可以通過調整合金成分和工藝參數(shù)，獲得具有特定組織和性能的合金材料；在化工生產中，可以利用二組分系統(tǒng)相圖指導分離和提純過程，提高產品質量和產率。二組分系統(tǒng)相圖及應用1905化學平衡與沉淀溶解平衡20溶度積常數(shù)（Ksp）在一定溫度下，難溶電解質的飽和溶液中各離子濃度的冪之積為一常數(shù)，稱為溶度積常數(shù)。沉淀的生成與溶解當Qc（離子積）>Ksp時，生成沉淀；當Qc<Ksp時，沉淀溶解。沉淀溶解平衡的建立在一定條件下，難溶電解質的溶解速率與溶液中相應離子重新結合成沉淀的速率相等，形成動態(tài)平衡。沉淀溶解平衡原理21通過測定難溶電解質飽和溶液的離子濃度，計算得到溶度積常數(shù)。溶度積常數(shù)的測定用于判斷難溶電解質的溶解度大小、預測沉淀的生成與溶解以及指導工業(yè)生產中的除雜和提純等。溶度積常數(shù)的應用溶度積常數(shù)及其應用22影響沉淀溶解平衡的因素溫度：升高溫度，多數(shù)難溶電解質的溶解度增大，Ksp增大；降低溫度，溶解度減小，Ksp減小。酸度：酸度對難溶電解質的溶解度有影響，如氫氧化物、碳酸鹽等。在強酸性溶液中，這些難溶電解質的溶解度會增大。配合作用：某些難溶電解質可與溶液中的某些離子形成配合物，從而降低其溶解度。例如，AgCl在含有NH3的溶液中溶解度增大，因為Ag+與NH3形成了穩(wěn)定的[Ag(NH3)2]+配合離子。同離子效應：在難溶電解質的飽和溶液中加入含有與該電解質具有相同離子的易溶強電解質，從而使難溶電解質的溶解度降低的現(xiàn)象稱為同離子效應。例如，在AgCl的飽和溶液中加入NaCl，會使AgCl的溶解度降低。2306電化學基礎與應用24原電池是將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置，由電解質溶液、兩個電極和連接兩電極的導線組成。原電池定義及組成電極電勢是描述電極上氧化-還原反應進行程度的一個物理量，用符號φ表示，單位為伏特(V)。電極電勢概念通過測量原電池的電動勢，可以求得電極電勢。常用的測量方法有對消法和電位差計法。電極電勢的測定原電池與電極電勢25影響因素電極電勢受溫度、壓力、電解質濃度和電極材料等因素影響。Nernst方程及應用Nernst方程是描述電極電勢與電解質濃度、溫度之間關系的公式。通過Nernst方程可以預測不同條件下的電極電勢，進而應用于化學電源、電鍍、電解和電化學分析等領域。電極電勢的應用電極電勢在判斷氧化劑和還原劑的相對強弱、確定元素的標準電極電勢以及計算原電池的電動勢等方面有重要應用。電極電勢的影響因素及應用26電解過程分析在電解過程中，陽極發(fā)生氧化反應，陰極發(fā)生還原反應。通過分析電解產物的性質和數(shù)量，可以了解電解過程的機理和影響因素。電解池定義及組成電解池是將電能轉變?yōu)榛瘜W能的裝置，由電解質溶液、兩個電極和連接兩電極的導線組成。電解的應用電解在冶金、化工、電鍍和電化學合成等領域有廣泛應用。例如，利用電解法可以制備純金屬、合成氨和制備各種有機化合物等。電解池與電解過程分析2707熱力學在環(huán)境科學中的應用28二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）等溫室氣體溫室氣體吸收和發(fā)射紅外輻射，導致地球表面溫度升高溫室效應原理溫室效應引起的全球氣候變暖、極端天氣事件增多等問題全球氣候變化溫室效應與全球氣候變化29酸雨成因化石燃料燃燒產生的硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）在大氣中轉化為硫酸和硝酸，隨降水回到地面危害酸雨對土壤、水體、植物、建筑物等造成損害，破壞生態(tài)系統(tǒng)平衡防治措施減少硫氧化物和氮氧化物排放，發(fā)展清潔能源，提高環(huán)