大学物理化学电子教案课件.pptx

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1、上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11教 科 书天津大学物理化学教研室编物理化学(上,下).第四版.高等教育出版社上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11目 录绪 论 第一章 气体的PVT关系第二章 热力学第一定律第三章 热力学第二定律第四章 多组分系统热力学第五章 化学平衡第六章 相平衡 上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11目录第七章 电化学第八章 量子力学第九章 统计热力学第十章 表面现象第十一章 动力学基础第十二章 胶体化学上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11绪 论0.5 物理量的表示及运算0.4 物理化学课程的学习方法0.3 物理化学课程的内容

2、0.2 物理化学的建立与发展0.1 何谓物理化学上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/110.1 何谓物理化学物理化学 从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，进而探求化学变化中具有普遍性的基本规律的一门科学。在化学变化中常伴随有声、光、电、磁、温度、压力等物理现象的出现，反过来这些物理性质又会影响化学变化的发生、发展和快慢。所以通过对上述一些性质的研究，可以找到化学变化的规律。在实验方法上主要采用物理学中的方法。简单的说物理化学是用物理学的方法研究化学问题的一门科学。值得一提的是数学是研究物理化学问题的重要工具。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/110.2 物理化学的建立

3、与发展十八世纪开始萌芽：十九世纪中叶形成：1887年德国科学家W.Ostwald（18531932）开设物理化学讲座，并和荷兰科学家J.H.vant Hoff(18521911)合办了第一本“物理化学杂志”(德文)。俄国科学家罗蒙诺索夫最早使用“物理化学”这一术语。二十世纪迅速发展：形成许多新的分支学科，如：热化学，化学热力学，电化学，溶液化学，胶体化学，表面化学，化学动力学，催化作用，量子化学和结构化学等。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/110.3 物理化学课程的内容 物理化学采用物理学的理论及实验方法来研究化学的一般理论问题,所以也叫理论化学。相变化和化学变化。(1)变化的可能

4、性(2)变化的速率和机理问题变化的方向和限度问题研究内容 两个基本问题：研究对象：物理化学变化上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/110.3 物理化学课程的内容 化学热力学 研究物质变化的方向、限度 和能量转换问题。化学动力学 研究变化的速率和机理问题。物质内部结构与其性质之间 的关系。结构化学课程主要内容：上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/110.3 物理化学课程的内容主要理论支柱：热 力 学量子力学统计力学以两个经典热力学定律为基础，研究宏观性质间的关系。用量子力学的基本方程研究微观粒子运动的规律，从而指示物性与结构之间的关系。用概率规律研究微观运动的平均结果，计算一些热

5、力学宏观性质。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/110.4 物理化学课程的学习方法科学研究的方法：实验结果理论模型理论方程解决实际问题(1)注意逻辑推理的思维方法，反复体会感性认识和理性认识的相互关系。(2)注意掌握各章节的基本原理和公式，理解其含义及适用范围。对重点公式，自己动手推导。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/110.4 物理化学课程的学习方法(5)重视实验。可加深对理论的理解，提高动手能力。(4)多做习题，学会解题方法。很多东西只有通过解题才能学到，不会解题就不可能掌握物理化学。(3)注意课前自学，课上要记笔记，课后复习，勤于思考，培养自学和独立工作的能力。上一

6、内容下一内容回主目录O返回2023/1/110.5 物理量的表示与运算 物理化学中将涉及到许多物理量。如压力、温度、体积、热力学能、焓和熵等。因此物理量的正确表示及运算就构成本课程的重要组成部分。(1)物理量的表示(2)对数中的物理量(3)量值计算上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11(1)物理量的表示物理量=数值单位 若物理量用A表示，数值用A表示，单位用A表示，则物理量A可表为 A=AA 这里要注意把量的单位与量纲两个概念区分开。量的单位是人为选定用来确定量的大小的名称。而量纲则表示一个量是由哪些基本量导出的和如何导出的式子（这里没考虑数字因数），它表示了量的属性。如压力的单位为

7、Pa（帕斯卡），其量纲则为L-1MT-2，其中L是长度，M是质量，T是时间，它们是构成压力的基本量。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11(1)物理量的表示量的数值在图表中的表示方法 目前，在科学技术文献的各类图表中，图坐标的标注或表头的标注都以纯数表示，即量除以它的单位：A=A/A例如，乙醇的蒸气压p与温度T的关系可用表0.1中的数据表示。T/K103T-1/K-1 P/kPaln(p/kPa)1606.500.20-1.612005.0012.52.532404.1768.64.232803.573355.813003.336236.44表0.1 乙醇的蒸气压p与温度T的关系上一

8、内容下一内容回主目录O返回2023/1/11(1)物理量的表示 当用作图法表示乙醇的蒸气压与温度的关系时，可用表0.1中第2、4列数据作图如图0.1。图中纵、横坐标轴的刻度应当是量的数值，其标注应当是用下式 A=A/A表示的式子。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11(2)对数中的物理量 对数计算应是纯数值计算，故对数中的物理量也应符合公式A=A/A，即以ln(A/A)表示。但有时也使用简化式lnA表示，这时应予以说明。同样，指数式、三角函数式中的物理量也均以纯数值的形式表示。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11(3)量值计算 在科学技术中的方程式可分为量方程式和数值方程

9、式。一般给出的均是量方程式。在物理化学运算中也采用量方程式计算。例：计算在25，100kPa下理想气体的摩尔体积Vm。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11(3)量值计算 对于复杂运算为了简便起见，不列出每一个物理量的单位，而直接给出最后单位。如上式也可写为上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11参 考 书 目付献彩.物理化学(上,下).南京大学.印永嘉.物理化学简明教程(上,下).山东大学.朱传征.物理化学.科学出版社.物理化学解题指南.天津大学.物理化学解题指导.自编.上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11物理化学电子教案物理化学电子教案第一章第一章气体的pVT

10、关系上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11第一章 气体的PVT关系1.1 理想气体状态方程1.2 理想气体混合物1.3 气体的液化和临界性质1.4 真实气体状态方程1.5 对应状态原理及普遍化压缩因子图上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111.1 理想气体状态方程理想气体状态方程一 理想气体(perfect gas)状态方程二 理想气体模型上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11一一 理想气体状态方程理想气体状态方程1719世纪三个著名的低压气体经验定律：波义尔定律(R.Boyle,1662):pV=常数 (T,n 一定)盖.吕萨克定律(J.Gay-Lussac,1

11、808)：V/T 常数 (n,p 一定)阿伏加德罗定律（A.Avogadro,1811)V/n 常数 (T,p 一定)上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11一一 理想气体状态方程理想气体状态方程将以上三式归纳整理，得到理想气体状态方程：pV=nRT单位：p PaR J mol-1 K-1n molT KV m3上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11一一 理想气体状态方程理想气体状态方程由三个经验定律导出理想气体状态方程的过程：设 V=V(T，p，n)则有由盖.吕萨克定律由波义尔定律由阿伏加德罗定律上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11一一 理想气体状态方程理想气体

12、状态方程代入得整理得或写成积分C是积分常数，通常用R表示，去掉对数得上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11一一 理想气体状态方程理想气体状态方程p/MPapVm/Jmol-1N2HeCH4p0时：pVm=2494.35 JmolR=pVm/T=8.3145 JmolK-1例：300 K时，测定N2、He、CH4 pVm p 关系，作图上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11一一 理想气体状态方程理想气体状态方程只有在压力趋于零的极限条件下，各种气体的PVT行为才准确服从理想气体状态方程。此时摩尔气体常数RR 是通过实验测定确定出来的。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1

13、/11一一 理想气体状态方程理想气体状态方程以此可相互计算 p,V,T,n,m,M,(=m/V)理想气体状态方程也可写为：上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11二二 理想气体模型理想气体模型1 理想气体定义：任何温度、压力下均服从理想气体状态方程的气体，称为理想气体。2 理想气体的特征(或条件)：分子本身无体积：分子间无相互作用力：意味着：分子是质点(有质量无体积)，若p，则Vm 0。由p=nRT/V，温度恒定时，pn/V，与分子间距离无关，所以分子间无相互作用力。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11二二 理想气体模型理想气体模型3 理想气体微观模型：理想气体是一种分子本

14、身没有体积，分子间无相互作用力的气体。理想气体是一个理想模型，在客观上是不存在的，它只是真实气体在p0时的极限情况。4 建立理想气体模型的意义：建立了一种简化的模型：理想气体不考虑气体的体积及相互作用力，使问题大大简化，为研究实际气体奠定了基础。低压下的实际气体可近似按理想气体对待。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111.2 理想气体混合物理想气体混合物1 混合物的组成2 理想气体混合物状态方程3 道尔顿定律4 阿马加定律上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111 混合物的组成混合物的组成 摩尔分数x或y：质量分数显然或 体积分数上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/

15、112 理想气体混合物状态方程理想气体混合物状态方程理想气体混合物状态方程为：上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/113道尔顿定律与分压力道尔顿定律与分压力 道尔顿定律：混合气体的总压力等于各组分单独存在于混合气体的温度、体积条件下所产生压力的总和。见下页图适用于理想气体和低压气体。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11道尔顿定律示意图道尔顿定律示意图 ：组分A ：组分B 上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/113 道尔顿定律道尔顿定律它适用于理想气体、低压气体及非理想气体。分压力 在总压为p的混合气体中，任一组分B的分压力pB是它的摩尔分数yB与混合气体总压力p的乘

16、积。道尔顿定律与分压力的比较上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/113 道尔顿定律道尔顿定律此时，分压力与道尔顿定律相同，均可适用。对理想气体或低压气体：对非理想气体：对非理想气体道尔顿定律不再适用，而分压力可适用。此时分压力可通过实验测定或计算。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/113道尔顿定律道尔顿定律例：某温度下 初始0 0T时刻上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/114阿马加定律阿马加定律阿马加定律：理想气体混合物的总体积V等于各组分分体积之和。即：为理想气体混合物中任一组分 B 的分体积，即纯 B 单独存在于混合气体的温度、总压力条件下所占有的体积。其数学式

17、：综合道尔顿定律和阿马加定律可得：上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11 1.3 气体的液化及临界性质气体的液化及临界性质真实气体就会表现出非理想性：在温度足够低、压力足够大时会变成液体；其PVT性质偏离理想气体状态方程。物质无论以何种状态存在，其内部分子之间都存在着相互作用分子间力相互作用包括：吸引力排斥力上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111液体的饱和蒸气压液体的饱和蒸气压气液p*在一定温度下，某物质的气体与液体共存并达到平衡的状态称为气液平衡。气液平衡时：气体称为 饱和蒸气；液体称为饱和液体；压力称为饱和蒸气压。饱和蒸汽压是描述物质气液平衡关系的一种性质，是指一定条

18、件下能与液体平衡共存的蒸汽的压力。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111 液体的饱和蒸气压表1.3.1 水、乙醇和苯在不同温度下的饱和蒸气压饱和蒸气压外压时的温度称为沸点饱和蒸气压1个大气压时的温度称为正常沸点饱和蒸气压是温度的函数上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111 液体的饱和蒸气压液体的饱和蒸气压相对湿度的概念：相对湿度一定温度下体系不同压力时发生的变化：pB pB*，B气体凝结为液体至pBpB*（此规律不受其它气体存在的影响）上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/112临界参数临界参数Tc 临界温度：使气体能够液化所允许的最高温度 显然，当TTc 时，不再

19、有液体存在。pc临界压力：临界温度 Tc 时的饱和蒸气压 Vm,c临界摩尔体积：在Tc、pc下物质的摩尔体积临界压力是气体在TC时发生液化所需的最低压力 p*=f(T)曲线终止于临界温度，加压不再能使气体液化。Tc、pc、Vc 统称为物质的临界参数上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/113真实气体的真实气体的p Vm图及气体的液化图及气体的液化T4T3TcT2T1T1T2TcT3 Tc T Tc 一般，同一温度下压力越高，偏离越大，同一压力时，温度越低，偏离越大。pVm等温线为一光滑曲线。无论加多大压力，气态不会变为液体，只是偏离理想行为的程度不同。上一内容下一内容回主目录O返回202

20、3/1/113 真实气体的真实气体的p Vm图及气体的液化图及气体的液化g1l1g2l2Vm/Vmp/p2)T Tcg1:饱和蒸气Vm(g)l1:饱和液体Vm(l)g1l1线上，气液共存T=Tc时，l-g线变为拐点CC上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/113 真实气体的真实气体的p Vm图及气体的液化图及气体的液化 临界点处气、液两相摩尔体积及其它性质完全相同，气态、液态无法区分，此时：进一步分析：3)T=Tc上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/113 真实气体的真实气体的p Vm图及气体的液化图及气体的液化T4T3TcT2T1T1T2TcT3T4g1g2g1g2l1l2l1

21、l2Vm/Vmp/pClcg虚线内：l-g两相共存区中 间：气、液态连续lcg虚线外：单相区左下方：液相区右下方：气相区上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111.4 真实气体状态方程真实气体状态方程 1 真实气体的pVmp图及波义尔温度 2 范德华方程 3 维里方程 上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111 真实气体的真实气体的pVmp 图及波义尔温度图及波义尔温度T TB:p ,pVm先下降，后增加气体在不同温度下的 pVmp 图T TBp/p pVm/pVm T TB:p ，pVm T=TB:p ,pVm开始不变，然后增加上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11

22、1 真实气体的真实气体的pVmp 图及波义尔温度图及波义尔温度TB:波义尔温度，定义为：每种气体有自己的波义尔温度：TB 一般为Tc 的2 22.52.5 倍；T TB 时，气体在几百 kPa 的压力范围内符合理想气体状态方程上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/112范德华方程范德华方程（分子间无相互作用力时气体的压力）（1 mol 气体分子的自由活动空间）RT 范德华方程范德华从实际气体与理想气体的区别提出范氏模型。理想气体状态方程 pVm=RT 实质为：上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/112 范德华方程范德华方程范德华的硬球模型：气体分子是具有确定体积的刚性硬球；由这两

23、点，范德华在方程中引入了压力和体积两个修正项。分子间存在范德华力（相互吸引力）上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/112范德华方程范德华方程器壁内部分子靠近器壁的分子分子间相互作用减弱了分子对器壁的碰撞，所以：p=p理理p内内 p内内=a/Vm2 p理理=p+p内内=p+a/Vm2分子间有相互作用力压力修正项上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/112 范德华方程范德华方程 分子本身占有体积体积修正项 将修正后的压力和体积项引入理想气体状态方程：范德华方程范德华方程1 mol 真实气体分子自由活动的空间(Vmb)若1 mol 分子自身所占体积为b上一内容下一内容回主目录O返回20

24、23/1/112范德华方程范德华方程由P309附录七表中数据可看出：物质不同，其a、b值不同(a、b为特性参数)非极性物质分子间作用力较小，a值较小；而 极性物质分子间作用力较大，其a值较大 分子越大，b值越大 a、b值可由其临界参数得到。见P20上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/112 范德华方程范德华方程讨论：当p0，Vm ，则a 0，b 0，范德华方程还原为理想气体状态方程；范德华方程是一个半理论半经验的真实气体状态方程，在中压范围内精度较好，但在高压下与实际气体偏差较大。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/113 维里方程维里方程卡莫林卡莫林-昂尼斯昂尼斯于二十世纪初

25、提出的纯经验式：于二十世纪初提出的纯经验式：式中：B，C，D B，C，D 分别为第二、第三、第四分别为第二、第三、第四维里维里系数系数 第二维里系数：反映了二分子间的相互作用对气体pVT关系的影响。第三维里系数：反映了三分子间的相互作用对气体pVT关系的影响。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111.5 对应状态原理及普遍化压缩因子图对应状态原理及普遍化压缩因子图1 压缩因子2 对应状态原理3 普遍化压缩因子图上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111 压缩因子压缩因子 引入压缩因子来修正理想气体状态方程，描述实际气体的 pVT 性质：压缩因子的定义为压缩因子的定义为：Z的单

26、位为的单位为1Z 的大小反映了真实气体对理想气体的偏差程度上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/111 压缩因子压缩因子真实气体真实气体 Z 1：比理想气体难压缩比理想气体难压缩理想气体理想气体 Z1临界点时临界点时的 Zc:多数物质的 Zc：0.26 0.29上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/112 对应状态原理对应状态原理定义：pr 对比压力对比压力Vr 对比体积对比体积Tr 对比温度对比温度对比参数，单位为对比参数，单位为1对比参数反映了气体所处状态偏离临界点的倍数对比参数反映了气体所处状态偏离临界点的倍数不同的气体，只要有两个对比参数相同，则第三个对比参数也相同，这就是

27、对应状态原理。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/113 普遍化压缩因子图普遍化压缩因子图将对比参数引入压缩因子，有将对比参数引入压缩因子，有：Zc 近似为常数（近似为常数（Zc 0.270.29)当当pr,Vr,Tr 相同时，相同时，Z大致相同，大致相同，Z=f(Tr,pr)适用于所有真实气体适用于所有真实气体,用图来表示用图来表示压缩因子图压缩因子图上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11 2 普遍化压缩因子图Z0.21.03.0p pr r10.110Tr=1.01.031.051.42.0150.90.80.7152.01.41.051.031.0上一内容下一内容回主目

28、录O返回2023/1/11普遍化压缩因子图普遍化压缩因子图 pr 0，Z1，符合符合理想气体模型；理想气体模型；Tr 1时，等温线都很短，时，等温线都很短，加压可液化加压可液化 Tr 1时，时，随随pr，Z先先，后，后，反映出气体低反映出气体低压易压缩，高压难压缩压易压缩，高压难压缩 Tr=1 且且pr=1时，时，Z偏离最远，偏离最远，TC 时气体偏时气体偏离理想气体最大。离理想气体最大。由图可看出：上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11 3 压缩因子图的应用（1）已知已知 T、p,求求 Z 和和 Vm（P P习题习题）T,p求求Vm1计算计算T Tr r,p pr rZ23查图查图

29、计算计算(pVm=ZRT)上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11 3 压缩因子图的应用需在压缩因子图上作辅助线需在压缩因子图上作辅助线式中式中 pcVm/RT 为常数，为常数，Z pr为直线关系，为直线关系，该直线与所求该直线与所求Tr线交点对应的线交点对应的Z 和和pr即即为所求值为所求值。（2）已知已知T、Vm，求求 Z 和和pr（P习题）习题）上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11本章基本要求本章基本要求 掌握理想气体状态方程、分压力、分体积的 概念，会计算；掌握范德华方程的形式和特点；理解真实气体与理想气体的偏差及原因；了解真实气体的临界性质、饱和蒸气压、对 比参数、对比状态原理，会用压缩因子图进 行简单计算。上一内容下一内容回主目录O返回2023/1/11约翰.道尔顿（John Dalton)约翰道尔顿（John Dalton 17661844）近代原子学说的奠基人，被誉为近代化学之父。他把古代模糊的原子假说发展为科学的原子论，并列出了世界上第一张相对原子质量表。道尔顿仅在农村小学里读了几年书，从12岁起，就开始教书、种田。道尔顿是从观测气象开始，进而研究空气的组成，由此总结出气体的分压定律，推论出空气是由不同的颗粒组成的，再由此出发进行实验，逐步建立起科学的原子论。