浙大版普通化学考研真题答案复习重点笔记网课视频

第1章　 热化学与能源

1.1　 复习笔记

一、热化学

1．几个基本概念

（1）系统与环境

根据系统和环境之间有无物质和能量的交换，可将系统分为三类：

①敞开系统

敞开系统又称开放系统，是指与环境间既有物质交换，又有能量交换的系统。

②封闭系统

封闭系统是指与环境间无物质交换，只有能量交换的系统。

③隔离系统

隔离系统又称孤立系统，是指与环境间无物质交换，又无能量交换的系统。

（2）相

相是指系统中具有相同的物理和化学性质的均匀部分。相与相之间存在明确的界面，超过此界面，一定有某些宏观性质发生突变。

①固、液、气三相所具有的特点：

a．气体能够无限混合，故只含气体的系统内只会存在一个气相；

b．液相按照其互溶程度分为一相或两相共存；

c．固体达到分子尺度的均匀混合时只有一个相，即固溶体；否则固体数量与相的数量相同。

②按相的组成来分，系统可分为单相（均相）系统和多相（非均相）系统。

③273.16K和611.73Pa时，冰、水、水蒸气三相共存，被称为H2O的“三相点”。

（3）状态与状态函数

系统的状态是指描述系统的诸如压力p、体积V、温度T、物质的量n和组成等各种宏观性质的综合表现。状态函数是指描述系统状态的物理量。

①状态函数的特点

状态一定，其值一定；状态发生变化，其值也要发生变化；其变化值只取决于系统的始态和终态。而与如何实现这一变化的途径无关。它具有数学上全微分的特征。

②按性质的量值是否与物质的数量有关，状态函数可分为两类：

a．广度性质（又称容量性质）

广度性质的量值与系统中物质的量成正比，具有加和性。

b．强度性质

强度性质的量值与系统中物质的量多寡无关，不具有加和性。

③状态方程

状态函数p、V、T和n之间的定量关系式称为状态方程。

④理想气体状态方程

式中，R为摩尔气体常数，。

理想气体方程也可以写成

式中，Vm为摩尔体积。

（4）化学计量数和反应进度

①化学计量数

对于一般化学反应

式中，B表示反应中物质的化学式，vB为物质B的化学计量数。

a．化学计量数是量纲为一的量，对反应物取负值，对产物取正值；

b．对于同一个化学反应，化学计量数与化学反应方程式的写法有关；

c．化学计量数只表示当按计量反应式反应时各物质转化的比例数，并不是反应过程中各相应物质实际转化的量。

②反应进度

反应进度ξ定义为

式中，d为微分符号，表示微小变化；nB为物质B的物质的量；vB为B的化学计量数。

a．反应进度只与化学反应方程式有关，而与选择反应系统中何种物质来表示无关；

b．当涉及反应进度时，必须指明化学反应方程式；

c．反应进度实际上是以反应方程式整体作为特定组合单元来表示反应进行的程度。在反应进行到任意时刻时，可用任一反应物或产物来表示反应进行的程度，且所得的值总是相等的。

2．热效应及其测量

（1）热效应

化学反应热效应，是指化学反应引起吸收或放出的热量，包括反应热、相变热、溶解热和稀释热等。

（2）热效应的测量

①热化学中，等温、等容过程发生的热效应称为等容热效应；等温、等压过程发生的热效应称为等压热效应。

②当测定某个热化学过程所放出或吸收的热量时，可测定介质的温度改变，再利用下式求得：

式中，q表示一定量反应物在给定条件下的反应热；cs表示吸热介质的比热容；ms表示介质的质量；Cs表示介质的热容，；ΔT表示介质终态温度T2与始态温度T1之差。

③在实验室和工业上，用弹式热量计精确测定等容条件下固体、液体有机物的燃烧反应热效应qV。

④热化学方程式是表示化学反应与热效应的方程式。

a．写化学方程式时注明反应热的同时，还必须注明物态、温度、压力、组成等条件；

b．若没有特别注明，所说的“反应热”均指等温、等压反应热qp；

c．习惯上，对不注明温度和压力的反应，皆指在T＝298.15K，p＝100kpa下进行。

二、反应热与焓

1．热力学第一定律

（1）热力学第一定律

①定义

在热力学系统中，能量转化与守恒定律又称热力学第一定律，是指系统的热力学状态发生变化时系统的热力学能与过程的热和功之间的定量关系。

②表达式

封闭系统的热力学第一定律的数学表达式为：ΔU＝U2-U1＝q＋w。

③热力学能

热力学能U是指系统内分子的平动能、转动能、振动能、分子间势能，原子键能，电子运动能，核内基本粒子间核能等内部能量的总和。

热力学能的特征：

a．状态确定，其值确定；

b．殊途同归，值变相等；

c．周而复始，值变为零。

④体积功

体积功是指在一定外压p外作用下，系统的体积发生变化而与环境交换的功。体积功的定义式为

式中，δw表示微量功，dV表示系统体积的微小变化量。

（2）热力学能的组成部分

①平动能Ut

平动能是与质点在三维空间的平行移动有关的能量。

②转动能Ur

转动能是质点环绕质心转动所具有的能量。

③振动能Uv

振动能是与多原子分子或离子中的组成原子间相对的往复运动有关的能量。

④电子能Ue

电子能是带正电的原子核与带负电的电子之间的相互作用系统所具有的能量。

2．反应热与焓

化学反应热指等温过程热，即当系统发生了变化后，使反应产物的温度回到反应前始态的温度，系统放出或吸收的热量，主要有等容反应热和等压反应热两种。

（1）等容反应热与热力学能

在等容、不做非体积功条件下，dV＝0，w´＝0，所以

根据热力学第一定律，有

式中，qV表示等容反应热，下标V表示等容过程。

（2）等压反应热与焓

等压反应热的表达式为

式中，qp表示等压反应热，下标p表示等压过程。

a．该式表明，等压且不做非体积功的过程热在数值上等于系统的焓变；

b．ΔH＜0，表示系统放热，ΔH＞0，则为系统吸热。

（3）qV＝ΔU和qp＝ΔH的意义

①qV＝ΔU和qp＝ΔH表明，若反应过程的条件限制为等容或等压且不做非体积功，则不同途径的反应热与热力学能或焓的变化在数值上相等，只取决于始态和终态。

②盖斯定律

在等容或等压条件下，化学反应的反应热只与反应的始态和终态有关，而与反应的途径无关。

（4）qp与qV的关系

①等温等压和等温等容反应系统

②只有凝聚相（液态和固态）的系统

③有气态物质参与的系统

式中，为反应前后气态物质化学计量数的变化，对反应物v取负值，对产物v取正值。

（5）非等温反应

非等温反应是指在极端条件下，系统与环境之间绝热，反应放热必导致产物温度升高的反应。

①等压绝热燃烧反应，可达到最高火焰温度，计算温度的依据是；

②等容绝热反应可以达到最高爆炸温度和最高压力，计算的依据是。

3．反应的标准摩尔焓变

（1）热力学标准状态

标准压力为。

①气态物质的标准状态

任一温度T、标准压力pΘ下表现出理想气体性质的纯气体状态。

②液体、固体物质的标准状态

任一温度T、标准压力pΘ下的纯液体、纯固体的状态。

（2）标准摩尔生成焓

标准摩尔生成焓是指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，以符号ΔfHmΘ表示，单位为kJ·mol-1。

生成焓是说明物质性质的重要热化学数据，生成焓的负值越大，表明该物质键能越大，对热越稳定。

（3）反应的标准摩尔焓

标准摩尔焓变是指标准状态时化学反应的摩尔焓变，以ΔrHmΘ表示。

①298.15K时反应的标准摩尔焓变ΔrHmΘ（298.15K）的一般计算式为

②对同一反应，若计量方程式写法不同，ζ的含义不同，ΔrHmΘ的数值也就不同。

③如果温度变化范围不大，可认为反应的焓变基本不随温度而变。即

三、能源的合理利用

1．煤炭与洁净煤技术

（1）煤炭的热值

燃料的热值是指单位质量燃料完全燃烧所放出的热量。

（2）洁净煤技术

洁净煤技术包括煤炭的加工、转化、燃烧和污染控制等，比如煤的气化、液化和水煤浆燃料技术。

①水煤气

水煤气是将水蒸气通过装有灼热焦炭的气化炉内产生的：

②合成气

合成气是将纯氧气和水蒸气在加压下通过灼热的煤，生成一种气态燃料混合物，其体积分数约为40%H2、15%CO、15%CH4和30%CO2。

③煤的液化燃料

煤的液化燃料以合成气为原料，选用不同催化剂和合适条件可间接生产合成汽油或甲醇等液体燃料。

④水煤浆燃料

水煤浆燃料是由质量分数约为70%的煤粉、30%的水及少量添加剂混合而成。

2．石油和天然气

（1）石油与无铅汽油

①石油

石油是由链烷烃、环烷烃和芳香烃组成，还含有少量含氧、氮、硫的有机化合物，平均含碳（质量分数）84%～85%、氢12%～14%。

②汽油

石油产品中最重要的燃料之一是汽油，汽油中加入二溴乙烷使汽缸中的铅转换成易挥发的铅卤化物。

（2）天然气和沼气

①天然气

天然气是蕴藏在地层内的可燃性气体，主要组分为甲烷。

②沼气

沼气是由植物残体在隔绝空气的情况下自然分解而成的气体，约含60%（体积分数）的CH4，其余为CO2和少量的CO、H2、H2S等。

（3）煤气和液化石油气

①煤气

煤气的主要来源是煤的合成气及炼焦气，其主要可燃成分为H2（50%）、CO（15%）和CH4（15%）。

②液化石油气

液化石油气来源于石油，一种是采油时的气体产品称为油田气，另一种是炼油厂的气体产品称为炼厂气。其主要成分是丙烷和丁烷。

3．氢能和太阳能

（1）氢能

①氢能的优点

a．热值高。热值为142.9MJ·kg-1，约为汽油的3倍，煤炭的6倍。

b．点火容易，燃烧速率快。

c．如果能以水为原料制备，则原料充分。

d．燃烧产物是水，产物洁净。

②开发利用氢能需要解决的问题

a．廉价易行的制氢工艺。

b．方便、安全的贮运。

c．有效的利用。

③氢气的制取

目前认为最有前途的是太阳能光解水制氢法，关键在于寻找和研制合适的催化剂，以提高光解制氢的效率。

④氢气的贮存

储氢的方式有化学储氢和物理储氢两类。当前研究和开发十分活跃的是固态合金贮氢方法。

（2）太阳能

太阳能是天然核聚变能，直接利用太阳能的方法主要有三种：

①光转变为热能。

②光转变为电能。

③光转变为化学能。

1.2　 课后习题详解

（一）复习思考题

1．区别下列概念：

（1）系统与环境；

（2）比热容与热容；

（3）等容反应热与等压反应热；

（4）反应热效应与焓变；

（5）标准摩尔生成焓与标准摩尔焓变；

（6）有序能与无序能。

答:（1）系统是指有目的的将某一部分物质与其余物质分开而被划定的研究对象；而环境是指除系统之外，与系统密切相关、影响所能及的部分。系统和环境是一个整体的两个部分，按照互相之间有无物质和能量的交换，可将系统分为三类：敞开系统；封闭系统；隔离系统。

（2）比热容是指1g物质温度上升1℃时所需吸收的热量；而热容是指某物质温度上升1℃时所需吸收的热量。

（3）等容反应热是指在等容、不做非体积功条件下系统的反应热；而等压反应热是指在等压、不做非体积功条件下系统的焓变。在等温或等压条件下，化学反应的反应热只与反应的始态和终态有关，而于变化途径无关。

（4）反应热效应是指化学反应引起吸收或放出的热量；焓变是指化学反应引起的系统自由焓的变化。

（5）标准摩尔生成焓是指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；而标准摩尔焓变是指在标准状态时化学反应的摩尔焓变。一定温度下标准摩尔焓变等于同温度下各参加反应物质的标准摩尔生成焓与其化学计量数乘积的总和。

（6）有序能是指功，是大量质点以有序运动而传递的能量；而无序能是指热，是大量质点以无序运动（分子的碰撞）方式而传递的能量。

2．何为化学计量数？化学计量数与化学反应方程式的写法有何关系？

答：（1）化学计量数的定义