化学反应中的能量变化与化
厘清ΔG判据的适用边界,掌握温压对平衡位置的调控规律
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化学反应中的能量变化与化
厘清ΔG判据的适用边界,掌握温压对平衡位置的调控规律
化学反应中的能量变化-化
你冬天搓手会发热,汽油燃烧推动活塞——这些「热」从哪来、又流到哪里去?热力学就是量化这些能量收支的工具。
燃气(化学能)进去,热水与废气(热能+做功)出来;进出之差就是 ΔH,能量本身没消失
化学反应中的能量变化-化
上一页我们谈了反应吸放热,但仅靠 ΔH 判断反应能否自发并不可靠——有些吸热反应自发(如 NH₄NO₃ 溶解),有些放热反应却难以发生。本页引入更完整的热力学工具。
水位差决定水流方向;ΔG 决定反应方向,ΔG=0 时水位齐平、体系平衡。
化学反应中的能量变化-热
你们可能早就听过「能量既不会凭空产生,也不会凭空消失」——这其实就是热力学第一定律的核心。化学家要做的,是把这句话变成可以计算的等式。
存款=Q/W 进入体系,取款=-Q/-W 离开体系;余额对应 U;增量只由进出总账决定,与次序无关
化学反应中的能量变化-恒
上一节我们讲了反应热有吸热放热之分,但'热多少'还取决于实验条件。最常见的两个边界是恒温恒压与恒温恒容——它们对应的热效应并不相等。
水蒸气推开大气膨胀要多带走一份能量;盖紧锅盖则把体积锁住
化学反应中的能量变化-恒
上一节我们区分了 Qp 与 Qv 两个热效应,但它们各自对应哪个状态函数?这一页把热效应钉到 U 与 H 上,给热化学计算铺路。
内能是手头现金,pV 是已承诺支出;H 是二者之和
化学反应中的能量变化-反
上一节我们谈了反应焓与反应熵,但描述能量变化时该挂什么变量还没解决。直接说「消耗了多少 A」不严谨——化学计量比不同,不同物质的变化幅度天然有别。我们需要一把统一的「进度尺」。
不管看油耗、耗时还是海拔变化,同一段旅程只有一个里程数;ξ 对所有组分也只给出一个值
化学反应中的能量变化-热
前面我们知道了 ΔH 代表反应前后的焓变。现在问题来了:一个具体反应,比如 CH₄ 燃烧,到底该怎样把能量变化写进方程式里?这就要用到热化学方程式,以及处理复杂反应热的盖斯定律。
无论选陡路还是缓路,海拔差固定不变;ΔH 也只取决于始末状态
化学反应中的能量变化-热
上页我们写出带状态、带ΔH的热化学方程式。但真到实验室你会发现,很多反应热根本测不到——比如石墨要直接变金刚石,需要高温高压,量热计塞不进去。这时候怎么办?
走陡坡、缓坡或盘山路,海拔变化只由起终点决定,与选哪条路无关
化学反应中的能量变化-标
前面学了标准摩尔生成热,是固定参考点。任意一个化学方程对应的'标准摩尔反应热'要严谨定义,必须先分清一对容易混的概念——反应进度ξ与化学计量数ν。
套餐整体价格对应方程整体进度1mol的热效应;换搭配等于换方程,价格要重算
化学反应中的能量变化-标
化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二):定义、要点与
化学平衡-可逆反应与平衡
前面用 ΔG 只能判断「能不能发生」,却回答不了「走多远」。工业合成氨转化率卡在 30% 就停住——因为很多反应不是一条单行道,而是双向的。
上下人流相等时,两层人数不变,但人还在不停地互相流动
化学平衡-化学平衡的规则
上一页我们聊到可逆反应——正反两个方向都能跑。但放进密闭容器后,反应会不会一直来回拉锯?什么时候会「安静下来」?化学平衡,就是给这种拉锯画一条规则线。
进水和放水速率相等时,水位看似不变,水却一直在流动交换
本节要点
- ✓反应能量看断键与成键之差,单键强度无法预言总效果
- ✓盖斯定律让 ΔH 像数字一样可加减,路径无关
- ✓标准生成焓是相对零点的标度,便于比较物质相对能量
- ✓化学平衡是动态的,正逆速率相等但反应并未停止
- ✓平衡常数 K 只随温度改变,温度是真正的控制变量
课后思考
三个问题分别对应回顾、应用与迁移。建议先独立思考,再对照参考答案。
参考答案正逆反应并未停止,而是以相同速率持续进行。反应物不断变产物,产物也不断变反应物;只是两方向速率相等,宏观浓度看似不变。「动态」二字的本质是速率相当。
参考答案转化率与反应速率相互制约。低温时转化率高但反应慢;高温时反应快但转化率低。工业生产需在「最适宜温度」上折中——这正是化学工程师区别于纯化学家的核心思维。
参考答案不能。勒夏特列原理只描述已达平衡体系在外界变化下的响应方向,无法判断非平衡体系反应自发与否。判据是 ΔG:ΔG<0 反应自发进行,这与勒夏特列原理的适用对象完全不同。