物理化學幻燈片

1、物理化學物理化學胡澤偉胡澤偉 楊楊 靚靚 PHYSICAL CHEMISTRY物理化學是什么？物理化學是什么？物理化學是一門從物理學角度分析物質(zhì)體系化學行為的原理、規(guī)律和方法的學科，是近代化學的原理根基。物理化學家關注于分子如何形成結(jié)構、動態(tài)變化、分子光譜原理、平衡態(tài)等根本問題，涉及的物理學有靜力學、動力學、量子力學、統(tǒng)計力學等。大體而言，物理化學為化學諸分支中，最講求數(shù)值精確和理論解釋的學科。物理化學的形成物理化學的形成 物質(zhì)的化學運動形式和物理運動形式是相互聯(lián)系的。早期的物理學家和化學家并沒有十分明確的分工?；瘜W家波義耳在物理學上曾做出十分重要的貢獻；而物理學家牛頓在化學上雖然沒有取得什么

2、成就，但卻全盤接受了波義耳的化學思想，他用在煉金術和化學上的時間比用在物理學上的時間還多。既是物理學家又是化學家的羅蒙諾索夫就曾使用過“物理化學”這一術語，還提出了這門學科的性質(zhì)和研究范圍。 從I9世紀初開始，這種情況發(fā)生了很明顯的變化。道爾頓及其后繼者們力圖用唯象的質(zhì)量單元去理解物質(zhì)變化，而不像牛頓及其同時代人那樣企圖用物理學上的力去理解這樣的變化?；瘜W家們和物理學家們走上了不同的道路物理學家們使用化學物品只是為了概括出物理概念和定律，化學家們對物理學的成就則不甚關心。 但是，從18世紀中期到19世紀，以蒸汽機和電力的廣泛使用為標志的技術革命對自然科學產(chǎn)生了強烈的影響，物理學中逐步發(fā)現(xiàn)的與化

3、學現(xiàn)象相關的一些物理效應所遵循的規(guī)律，以及化學中形成的一些至今仍很重要的基本學說和發(fā)現(xiàn)的一些重要事實，客觀上促使兩門學科在新的基礎上逐步結(jié)合，終于導致19世紀下半葉形成了第一門邊緣學科物理化學。目錄目錄03、相律和溶液理論化學熱力學02、熱化學和熱力學基本定律物理化學的基礎01、動態(tài)平衡觀念與質(zhì)量作用定律早期物理化學思想04、電解定律和電離理論電化學05、化學反應指數(shù)定律和催化學說化學動力學第一部分第一部分動態(tài)平衡觀念動態(tài)平衡觀念與質(zhì)量作用定律與質(zhì)量作用定律瑞典化學家貝格曼 在1775年列出一個化學親和力表，已經(jīng)認識到試劑的數(shù)量對反應結(jié)果的影響。 瑞典的一個醫(yī)生文策爾1777年也列出一個化學親

4、和力表，指出金屬在酸中的溶解速度于酸的有效質(zhì)量成正比。 法國化學家貝托雷1798年隨拿破倫遠征埃及，發(fā)現(xiàn)當?shù)佧}湖沿岸有碳酸鈉，設想是氯化鈉和碳酸鈣作用的產(chǎn)物。 他猜測當產(chǎn)物過量時，化學變化會逆向進行。 經(jīng)過研究貝托雷比較全面的認識到化學反應中的質(zhì)量效應。大約在1850年，法國化學家威廉米用旋光測定計巧妙的研究了蔗糖在酸的作用下的水解速度。他發(fā)現(xiàn)了著名的反應變化量與反應時間關系的表達式同年，英國化學家威廉遜指出，化學平衡是正反應速度與逆反應速度相等的狀態(tài)。但化學家并沒有立即接受這種動態(tài)平衡的觀點真正認識到動態(tài)平衡概念意義重大的，是兩位挪威科學家 古德貝格和瓦格。1864年，他們在挪威文發(fā)表的一本

5、小冊 子中，總結(jié)了300個實驗數(shù)據(jù)，全面研究固液平衡體系， 提出了質(zhì)量作用定律。即 A + B C+DA和B作用生成C和D，同時C和D作用也成了A和B,生成C 和D的力等于kpq (pq為AB的活動質(zhì)量），生成A和B的力 為kpq。兩者的力相等，所以平衡的時候可求k與k之和。 煉金術士和早期的化學家把導致化學反應發(fā)生的力稱為親和力，后來，許多化學家在親和力上的研究方面出現(xiàn)了2個方向，一個是用反應速率來測定親和力，一個是用反應熱效應來度量親和力。前一個方向就導致質(zhì)量作用定律的發(fā)現(xiàn)，后一個導致動態(tài)平衡觀念的確立。瑞典化學家貝格曼于1775年列出化學親和力表 （認識到數(shù)量對反應結(jié)果的影響）法國化學家

6、貝托雷在1798年設想化學反應會逆向進行 （認識到化學反應中的質(zhì)量效應） 法國化學家威廉米于1850年提出 （第一個表示物質(zhì)濃度與反應速度關系的公式） 挪威數(shù)學家古德貝格和化學家瓦格A +B C+D （全面闡釋質(zhì)量作用定律）kMdtdM動態(tài)平衡與質(zhì)量作用定律的發(fā)展動態(tài)平衡與質(zhì)量作用定律的發(fā)展第二部分第二部分熱化學和熱化學和熱力學基本定律熱力學基本定律從熱質(zhì)說到熱化說從熱質(zhì)說到熱化說 什么是熱質(zhì)說 把熱視為一種運動著的微粒性的實在物質(zhì)1780年，拉普拉斯和拉瓦錫，在他們的論文中報道了他們關于化學熱反應的研究，由于受到 熱質(zhì)說的影響，這方面的研究后來中斷了50年。直到19世紀下葉熱力學理論基本奠定

7、后，熱質(zhì)說才逐漸被科學界擯棄。1836年，瑞士化學家黑斯在俄國測量了很多反應的熱效應，總結(jié)出一條規(guī)律：一個化學過程，無論經(jīng)過多少中間步驟完成，其熱效應總是相等的黑斯：出生于日內(nèi)瓦，在俄國長大并且接受了醫(yī)學教育，他在圣彼得堡發(fā)表了他的研究成果，并將其稱為總熱量守恒定律，后來被命名為黑斯定律，這是熱化學界發(fā)現(xiàn)的第一個定律。熱化熱化學界發(fā)現(xiàn)的第一個學界發(fā)現(xiàn)的第一個定律定律 黑斯定律黑斯定律最大功原理的提出最大功原理的提出19世紀五六十年代，貝特羅貝特羅和丹麥化學家湯姆生湯姆生，根據(jù)黑斯定律，又測定了許多反應的熱效應，提出吸熱和放熱的概念，把反應熱作為反應物化學親和力的量度，貝特羅提出了最大功原理：

8、凡無外部能量輸入的化學變化，都向產(chǎn)生更多熱量的物質(zhì)方向進行 能能術語的出現(xiàn)和接受術語的出現(xiàn)和接受1841年，德國醫(yī)生邁厄爾受病人血液顏色在熱帶和歐洲的差異及海水溫度和暴風雨關系的啟發(fā)，提出熱與機械運動之間相互轉(zhuǎn)化的思想。英國釀酒商焦耳，巧妙設計了大量實驗精確測定了電熱當量和熱功當量，論述了能量守恒的轉(zhuǎn)化定律。1847年，物理學家赫爾姆霍在論力的守恒里面全面論證了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。1853年，英國物理學家開爾文給出了熱力學第一定律的表達式，能這一術語被廣泛接受。熱力學第二定律的確立熱力學第二定律的確立1824年，法國工程師卡諾，通過對熱機的分析得出：熱機必須在兩個熱源之間工作，熱機的效率只取決

9、于兩個熱源的溫差。可逆熱機的工作效率最高。這就是卡諾原理。過了10年，法國工程師克拉珀龍用卡諾循環(huán)原理研究了氣液平衡，導出了克拉珀龍方程 PV =RT。1854年，德國物理學家克勞修斯給出了熱力學第二定律的數(shù)學表達式。物理化學的基礎物理化學的基礎在1780年拉瓦錫和拉普拉斯報道了他們關于熱力學的研究后，這方面的研究中斷了50年，直到19世紀60年代，才又開始慢慢發(fā)展。1836年瑞士化學家黑斯 （一個化學過程，無論經(jīng)過多少階段，其熱效應是相等的）19世紀五六十年代貝特羅和湯姆生提出最大功原理 凡無外部能量輸入的化學變化， 都向產(chǎn)生更多熱量的物質(zhì)方向進行 1842年德國醫(yī)生邁厄爾提出熱功轉(zhuǎn)化規(guī)律1

10、847年赫爾姆霍茲全面論證能量守恒和轉(zhuǎn)化定律 能這一術語被廣泛接受1853年英國開爾文給出了熱力學第一定律數(shù)學表達式1851年德國克勞修斯給出熱力學第二定律數(shù)學表達式 1877年奧地利波爾茲曼揭示熵的物理意義 第三部分第三部分相律和溶液理論相律和溶液理論稀溶液性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)稀溶液性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)18世紀，英國人華生和布拉格登注意到鹽溶于水會降低水的凝固點。19世紀中期，巴布和馬爾納注意到相對蒸汽壓降低與溫度無關，與不揮發(fā)溶質(zhì)濃度成正比。法國化學家拉烏爾做了大量實驗發(fā)現(xiàn)100克水中含有1克溶質(zhì)的溶液，其凝固點下降值與此溶液的分子量之乘積為一常數(shù)。滲透現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與稀溶液理論滲透現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與稀溶液理論1748

11、年，法國人諾勒用膀胱做半透膜發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象。1827年，法國人杜特羅夏也用膀胱做半透膜，定量測定了滲透壓。1867年，德國人特勞貝用亞鐵氰化銅做出很嚴格，承受力很大的半透膜。1877年，德國植物學家浦菲用這種半透膜發(fā)現(xiàn)了溶液的滲透壓和溶液的體積成反比，與絕對溫度成正比。即 PV = kT1886年，范霍夫發(fā)現(xiàn)PV=kT的k值等于理想氣體常數(shù)R。并建立起稀溶液理論。1887年，拉烏爾注意到鹽溶液的凝固點降低和蒸汽壓降低值比克分子濃度相同的有機化合物的溶液的高。，他在酸，堿，鹽溶液的滲透壓公式中引進一個校正系數(shù) PV = iRT（i1)后瑞典物理化學家阿累尼烏斯揭示了i的物理含義化學熱力學化學熱力學

12、 熱力學與化學結(jié)合，應用了熱力學的概念和原理，對溶液的依數(shù)性性質(zhì)進行理論分析，建立起非電解質(zhì)稀溶液理論18世紀華生和布拉格登注意到鹽溶于水會降低水的凝固點19世紀中紀巴布和馬爾納注意到相對蒸氣壓降低與溫度無關 初步發(fā)現(xiàn)1886年到1890年拉烏爾發(fā)現(xiàn)溶液蒸氣壓降低值等于溶液溶質(zhì)之克分子分數(shù)1748年法國人諾勒發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象1827年法國人杜特羅夏定量測定了滲透壓 進一步發(fā)展1877年德國浦菲弗發(fā)現(xiàn) PV = KT（K 為常數(shù)）1886年范霍夫建立起稀溶液理論 揭示出拉烏爾公式中常數(shù)的熱力學意義1887年拉烏爾在PV=iRT揭示i的物理含義第四部分第四部分電解定律電解定律和電離理論和電離理論電解定

13、律和電離理論電解定律和電離理論 18世紀，伽伐尼發(fā)現(xiàn)電流 1799年，伏打電池出現(xiàn) 1834年，法拉第電解定律發(fā)表 1857年，克勞修斯認為電解質(zhì)在溶液中不斷離解成基，這些基又不斷化合成電解質(zhì)分子，但溶液中大量存在的是分子，只有少量的基 1853至1885年，認識到不論是否有電流通過，電解質(zhì)在溶液中均以離子形態(tài)存在,組成鹽的正電基部分和負電基部分以簡單的混合狀態(tài)存在于溶液中 1887年，阿累尼烏斯提出電解質(zhì)稀溶液的電離理論關于電化學關于電化學一個伽凡尼電池，兩個電極用鹽橋連接以傳遞離子。外電路中產(chǎn)生電流?？茖W家的故事科學家的故事亞歷山德羅朱塞佩安東尼奧安納塔西歐伏打伯爵（意大利語：Count

14、Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta，17451827），意大利物理學家，在19世紀因發(fā)明電池而聞名。1800年，伏打用鋅片與銅片夾以鹽水浸濕的紙片疊成電堆產(chǎn)生了電流，這個裝置后來稱為伏打電堆，他還把鋅片和銅片放在盛有鹽水或稀酸的杯中，放多這樣的小杯子中聯(lián)起來，組成電池。他指出這種電池“具有取之不盡，用之不完的電”，“不預先充電也能給出電擊”。伏打電堆的發(fā)明，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源化學電源，使人們有可能從各個方面研究電流的各種效應。電學從此進入了一個飛速發(fā)展的時期電流和電磁效應的新時期。 直到現(xiàn)在，我們用的干電池就是經(jīng)過改裝后的伏打電池。干電

15、池中用氯化銨的糊狀物代替了鹽水，用石墨棒代替了銅板作為電池的正極，而外殼仍然用鋅皮作為電池的負極.科學家的故事科學家的故事邁克爾法拉第（Michael Faraday，1791日1867），英國物理學家，在電磁學及電化學領域做出許多重要貢獻，其中主要的貢獻為電磁感應、抗磁性、電解。1791年9月22日，邁克爾法拉第降生在英國薩里郡紐囚頓一個貧苦的鐵匠家庭。為了解決全家的溫飽，老法拉第帶著5歲的小法拉第遷到倫敦，希望改變貧窮的命運，不幸的是在小法拉九歲那年奪取了老法拉第的生命。迫于生計，幼小的法拉第承擔起生活重擔，去一家文具店充當學徒。四年以后，13歲的法拉第又到書店學徒。起初負責送報，后來充當

16、圖書裝訂工。難能可貴的是小法拉第不安于貧窮，不安于清苦，奮志好學。14歲時他跟一位裝書兼賣書師傅當學徒，利用此機會博覽群書。他在二十歲時聽了戴維先生講課，對此產(chǎn)生了濃厚的興趣。他給戴維寫信，終于得到了為戴維當助手的工作。在幾年之內(nèi)法拉第就做出了自己的重大發(fā)現(xiàn)。第五部分第五部分 化學反應指數(shù)定律化學反應指數(shù)定律和催化學說和催化學說化學反應指數(shù)定律和催化學說化學反應指數(shù)定律和催化學說 1884年，范霍夫把化學動力學和化學熱力學區(qū)分開 1889年，阿累尼烏斯公式提出 1835年，催化和催化劑的概念由貝采里烏斯提出 1894年，奧斯特瓦爾德提出催化劑的本質(zhì)在于它只改變反應速度而本身不發(fā)生變化，它在可逆反應中只加速平衡的到達而不能改變平衡常數(shù) 1887年，奧斯特瓦爾德和范霍夫創(chuàng)辦物理化學雜志，物理化學學科由此形成關于熱化學關于熱化學世界上第一個冰量熱計，用于測定在不同化學反應中的熱量；這些實驗標志著熱化學的開端。（1782年至1783年）范霍夫從小就聰明過人。他在中學讀書時，對化學實驗很感興趣。他經(jīng)常在放學以后，偷偷溜進學校，從地下室的窗戶鉆進實驗室里去做實驗，專門樂于選用那些易燃易爆和劇毒的危險藥品做實驗。學校的霍