物理化學(xué)課件緒論

1、 什么是物理化學(xué)什么是物理化學(xué) 物理化學(xué)的目的和內(nèi)容物理化學(xué)的目的和內(nèi)容 物理化學(xué)的建立和發(fā)展物理化學(xué)的建立和發(fā)展 物理化學(xué)的學(xué)習(xí)方法物理化學(xué)的學(xué)習(xí)方法 教學(xué)課時安排教學(xué)課時安排 考核方式和參考書考核方式和參考書緒論緒論2022-6-5什么是物理化學(xué) 物理化學(xué)是從物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象的聯(lián)系入手來探求化學(xué)變化及相關(guān)的物理變化基本規(guī)律的一門科學(xué)。 -付獻(xiàn)彩付獻(xiàn)彩- 以物理的原理和實驗技術(shù)為基礎(chǔ)，研究化學(xué)體系的性質(zhì)和行為，發(fā)現(xiàn)并建立化學(xué)體系的特殊規(guī)律的學(xué)科。 -中國大百科全書（唐有祺）中國大百科全書（唐有祺）- 物理化學(xué)是研究化學(xué)學(xué)科中的原理和方法,研究化學(xué)體系行為最一般規(guī)律和理論的學(xué)科,是化學(xué)

2、的理論基礎(chǔ)。 -自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報告自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報告-用物理的理論,實驗方法和數(shù)學(xué)知識揭示本質(zhì)與規(guī)律物理現(xiàn)象化學(xué)現(xiàn)象物理化學(xué)的建立與發(fā)展物理化學(xué)的建立與發(fā)展十八世紀(jì)開始萌芽：從燃素說到能量守恒與轉(zhuǎn)化定律。俄國科學(xué)家羅蒙諾索夫最早使用“物理化學(xué)”這一術(shù)語。十九世紀(jì)中葉形成：1887年俄國科學(xué)家W.Ostwald18531932）和荷蘭科學(xué)家J.H.vant Hoff （18521911）合辦了第一本“物理化學(xué)雜志”（德文）。二十世紀(jì)迅速發(fā)展：新測試手段和新的數(shù)據(jù)處理方法不斷涌現(xiàn)，形成了許多新的分支學(xué)科，如：熱化學(xué)，化學(xué)熱力學(xué)，電化學(xué)，溶液化學(xué)，膠體化學(xué)，表面化學(xué)，化學(xué)動力學(xué)，

3、催化作用，量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)等。物理化學(xué)的目的和內(nèi)容物理化學(xué)的目的和內(nèi)容目的 物理化學(xué)主要是為了解決生產(chǎn)實際和科學(xué)實驗中向化學(xué)提出的理論問題，揭示化學(xué)變化的本質(zhì)，更好地駕馭化學(xué)，使之為生產(chǎn)實際服務(wù)。研究內(nèi)容：(1) 化學(xué)變化的方向和限度問題化學(xué)熱力學(xué)(2) 化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理問題化學(xué)動力學(xué)(3) 統(tǒng)計熱力學(xué) (4) 物質(zhì)的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系問題量子化學(xué) 6 如有機(jī)化學(xué)家應(yīng)用動力學(xué)探索反應(yīng)機(jī)理，應(yīng)用結(jié)構(gòu)如有機(jī)化學(xué)家應(yīng)用動力學(xué)探索反應(yīng)機(jī)理，應(yīng)用結(jié)構(gòu)化學(xué)知識研究反應(yīng)中間體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；無機(jī)化化學(xué)知識研究反應(yīng)中間體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性；無機(jī)化學(xué)家應(yīng)用熱力學(xué)原理研究無機(jī)材料的性質(zhì)及穩(wěn)定性；學(xué)家應(yīng)用熱力

4、學(xué)原理研究無機(jī)材料的性質(zhì)及穩(wěn)定性；分析化學(xué)家應(yīng)用光譜分析確定未知樣品的組成。分析化學(xué)家應(yīng)用光譜分析確定未知樣品的組成。7 生物化學(xué)家應(yīng)用動力學(xué)研究酶反應(yīng)生物化學(xué)家應(yīng)用動力學(xué)研究酶反應(yīng), ,應(yīng)用熱力學(xué)原理應(yīng)用熱力學(xué)原理研究生物能、滲透作用、膜平衡及確定生物大分子的研究生物能、滲透作用、膜平衡及確定生物大分子的分子量。分子量。材料科學(xué)家利用熱力學(xué)原理去判斷各種材料材料科學(xué)家利用熱力學(xué)原理去判斷各種材料的穩(wěn)定性及合成某種新材料的可能性，應(yīng)用光譜方法的穩(wěn)定性及合成某種新材料的可能性，應(yīng)用光譜方法確定材料的結(jié)構(gòu)和性能，應(yīng)用動力學(xué)、統(tǒng)計熱力學(xué)原確定材料的結(jié)構(gòu)和性能，應(yīng)用動力學(xué)、統(tǒng)計熱力學(xué)原理去研究新的材料

5、合成反應(yīng)等。理去研究新的材料合成反應(yīng)等。2022-6-5物理化學(xué)的發(fā)展趨勢和特點(1)從研究宏觀到微觀(2)從研究體相到表相(3)從研究定性到定量(4)從研究線性到非線性(5)從研究平衡態(tài)到研究非平衡態(tài)(6)從研究靜態(tài)到動態(tài)物理化學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法物理化學(xué)課程的學(xué)習(xí)方法(2)重視重點知識點記憶,如概念定律公式,注意各個章節(jié)融會貫通(3)多做習(xí)題，學(xué)會解題方法。很多東西只有通過解題才能學(xué)到，不會解題，就不可能掌握物理化學(xué)。(1)課前自學(xué)，課后復(fù)習(xí)，勤于思考。美國著名物理化學(xué)教授賴文曾說過：美國著名物理化學(xué)教授賴文曾說過：如果試圖只通如果試圖只通過閱讀教科書而不做習(xí)題的辦法來學(xué)習(xí)物理化學(xué)，過閱讀教科

6、書而不做習(xí)題的辦法來學(xué)習(xí)物理化學(xué)，其效果就如同為了改善體質(zhì)只閱讀一本身體保健的其效果就如同為了改善體質(zhì)只閱讀一本身體保健的書，而不做所建議的體育鍛煉一樣。書，而不做所建議的體育鍛煉一樣。諾貝爾獲得者西儂曾說：諾貝爾獲得者西儂曾說：優(yōu)秀的學(xué)生優(yōu)秀的學(xué)生做完一道做完一道題后返回去問：為什么我做了這么長時間？我最后題后返回去問：為什么我做了這么長時間？我最后發(fā)現(xiàn)的通向正確道路的線索是什么？以后再遇到同發(fā)現(xiàn)的通向正確道路的線索是什么？以后再遇到同類的問題怎樣才能盡快的解出？這樣就學(xué)會了解題類的問題怎樣才能盡快的解出？這樣就學(xué)會了解題的方法。因此，很多東西是通過解題之后才學(xué)到的。的方法。因此，很多東西是

7、通過解題之后才學(xué)到的。教學(xué)課時安排教學(xué)課時安排考核方式和參考書考核方式和參考書1、物理化學(xué)物理化學(xué)（上、下）南京大學(xué)，（上、下）南京大學(xué)， 傅獻(xiàn)彩等傅獻(xiàn)彩等 編編2、物理化學(xué)物理化學(xué)上、下冊上、下冊 天津大學(xué)（第四版）天津大學(xué)（第四版）3、 物理化學(xué)解題指導(dǎo)物理化學(xué)解題指導(dǎo)南京大學(xué)，南京大學(xué)， 孫德坤等編孫德坤等編4、 物理化學(xué)物理化學(xué)-概念辨析概念辨析 解題方法解題方法中國科學(xué)技術(shù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，大學(xué)， 范崇正等編范崇正等編考核方式考核方式采用閉卷考試，綜合平時成績采用閉卷考試，綜合平時成績（包括（包括實驗實驗、平時紀(jì)、平時紀(jì)律、作業(yè)，律、作業(yè)，40%40%）和和期末期末考試成績考試成績（

8、60%60%）給出總評給出總評成績。成績。參考書參考書第一章 氣體低壓氣體的p-V-T關(guān)系理想氣體的狀態(tài)方程與微觀模型中高壓氣體的p-V-T關(guān)系氣體的液化及臨界狀態(tài)氣體氣體理想氣體理想氣體實際氣體實際氣體狀態(tài)方程狀態(tài)方程分壓及分體積定律分壓及分體積定律狀態(tài)方程狀態(tài)方程液化及臨界現(xiàn)象液化及臨界現(xiàn)象2022-6-52022-6-5 壓力：由于分子熱運動壓力：由于分子熱運動, ,氣體分子與容器壁碰撞氣體分子與容器壁碰撞, ,對對器壁產(chǎn)生作用力。單位器壁面積所受的力稱為壓力器壁產(chǎn)生作用力。單位器壁面積所受的力稱為壓力.p,.p,單單位位 帕斯卡帕斯卡(Pa)(Pa) 溫度溫度：溫度是定量反映氣體冷熱程

9、度的物理量溫度是定量反映氣體冷熱程度的物理量。T,T,單位單位 開爾文開爾文(K)(K(K)(K氏溫度與攝氏溫度換算氏溫度與攝氏溫度換算) ) 氣體體積氣體體積：氣體所占空間的大小氣體所占空間的大小。V,V,單位單位 立方米立方米(m(m3 3) )2022-6-5理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 pV = nRT pVm = RT 單位：單位：p p Pa Pa V V m m3 3 T T K K n n mol mol R R J J mol mol-1 -1 K K-1 -1 R 摩爾氣體常數(shù)摩爾氣體常數(shù)R R 8.314510 8.314510 J J mol mol-1 -1 K

10、K-1-1 00-7-2200-7-221717 理想氣體的定義及其微觀模型理想氣體的定義及其微觀模型理想氣體理想氣體: : 凡在任何溫度凡在任何溫度, , 壓力下均服從理壓力下均服從理想氣體狀態(tài)方程的氣體稱為理想氣體想氣體狀態(tài)方程的氣體稱為理想氣體. .理想氣體的兩個特征理想氣體的兩個特征: : (1) (1)分子本身不占有體積分子本身不占有體積; ; (2) (2)分子間無相互作用分子間無相互作用. .理想氣體狀態(tài)方程近似適用于低壓實際理想氣體狀態(tài)方程近似適用于低壓實際氣體氣體. . 易液化氣體的適用壓力范圍較窄易液化氣體的適用壓力范圍較窄, , 難難液化氣體則相對較寬液化氣體則相對較寬.

11、 . 實際氣體實際氣體實際氣體實際氣體實際氣體：實際氣體：分子之間有相互作用力，分子本身具分子之間有相互作用力，分子本身具有體積的氣體有體積的氣體壓縮因子壓縮因子 引入來定量描述真實氣體的行為與理想氣引入來定量描述真實氣體的行為與理想氣體的偏離程度體的偏離程度： 壓縮因子的定義為壓縮因子的定義為：RTpVnRTpVZm 理想氣體狀態(tài)方程式僅在足夠低的壓力下適合于理想氣體狀態(tài)方程式僅在足夠低的壓力下適合于真實氣體。描述實際氣體真實氣體。描述實際氣體pVTpVT關(guān)系的狀態(tài)方程近關(guān)系的狀態(tài)方程近200200種，大致分為兩類種，大致分為兩類（1 1）考慮了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出的方程）考慮了物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，推

12、導(dǎo)出的方程（2 2）經(jīng)驗、半經(jīng)驗的狀態(tài)方程）經(jīng)驗、半經(jīng)驗的狀態(tài)方程共同特點共同特點（1）p0 ，均可還原為理想氣體狀態(tài)方程，均可還原為理想氣體狀態(tài)方程 （2）方程中均含有若干個反映各氣體不同性質(zhì)的特）方程中均含有若干個反映各氣體不同性質(zhì)的特 性參數(shù)性參數(shù)中高壓氣體中高壓氣體p-V-T關(guān)系的處理方法關(guān)系的處理方法2022-6-5范德華方程 理想氣體狀態(tài)方程 pVm=RT 實質(zhì)為：（分子間無相互作用力時氣體的壓力）（1 mol 氣體分子的自由活動空間）RT.因此，可以從這兩個方面進(jìn)行修正，得到范德華方程 (1)體積修正體積修正 實際氣體摩爾體積因分子本身體積的存在，可壓縮實際氣體摩爾體積因分子本身

13、體積的存在，可壓縮空間減小。空間減小。1mol氣體的可壓縮空間以氣體的可壓縮空間以 (Vm - b)表示。表示。 b為一范氏常數(shù)，恒為正值，其大小與氣體性質(zhì)決定。 一般情況下，氣體本身體積越大，b值也越大。對體積修正后，對體積修正后，p(Vm - b)=RT。2022-6-5（2) 壓力修正壓力修正器壁器壁內(nèi)部分子內(nèi)部分子靠近器壁的分子靠近器壁的分子分子間相互作用減弱了分子對器壁的碰撞，分子間相互作用減弱了分子對器壁的碰撞，所以：所以： p= p理理p內(nèi)內(nèi) p內(nèi)內(nèi)= a / Vm2 p理理= p + p內(nèi)內(nèi)= p + a / Vm22022-6-5a為范氏常數(shù)，其值與各氣體性質(zhì)有關(guān)，均為正值。

14、為范氏常數(shù)，其值與各氣體性質(zhì)有關(guān)，均為正值。一般情況下，分子間作用力越大，一般情況下，分子間作用力越大， a值越大。值越大。 將修正后的壓力和體積項引入理想氣體狀態(tài)方程：將修正后的壓力和體積項引入理想氣體狀態(tài)方程：RTbVVapmm2范德華方程范德華方程a , b 見附表見附表 （1-1）b：1 mol 分子自身所占體積分子自身所占體積,數(shù)值上粗略等于該氣數(shù)值上粗略等于該氣體物質(zhì)的液體摩爾體積體物質(zhì)的液體摩爾體積.2022-6-5幾點說明幾點說明1) ) a a、b b為范氏常數(shù)，恒為正值，其值由實驗測得。為范氏常數(shù)，恒為正值，其值由實驗測得。2)2) 范氏方程是半經(jīng)驗、半理論方程，因其考慮了

15、范氏方程是半經(jīng)驗、半理論方程，因其考慮了實際氣體與理想氣體的本質(zhì)區(qū)別，其精度優(yōu)于理實際氣體與理想氣體的本質(zhì)區(qū)別，其精度優(yōu)于理想氣體方程想氣體方程 pV = nRTpV = nRT。3) ) 是一種實際氣體是一種實際氣體pVTpVT行為的數(shù)學(xué)模型，而實際情行為的數(shù)學(xué)模型，而實際情況遠(yuǎn)比范德華所考慮情況復(fù)雜多。況遠(yuǎn)比范德華所考慮情況復(fù)雜多。 一般情況下，范氏方程只能滿足幾十標(biāo)準(zhǔn)壓力一般情況下，范氏方程只能滿足幾十標(biāo)準(zhǔn)壓力下氣體的下氣體的PVTPVT性質(zhì)的描述。性質(zhì)的描述。 壓縮因子法壓縮因子法由由Z的定義式可知的定義式可知,pV=ZnRT維里方程維里方程pVm=RT(1+B/Vm+C/Vm2+D/

16、Vm3+)00-7-2225實際氣體分子間存在吸引力實際氣體分子間存在吸引力, , 從而能發(fā)生一種從而能發(fā)生一種理想氣體不可能發(fā)生的變化理想氣體不可能發(fā)生的變化液化液化. .任何氣體都會在一定溫度任何氣體都會在一定溫度時液化時液化. 液氮的沸點是液氮的沸點是196 Br2(g)冷卻發(fā)生液化冷卻發(fā)生液化. 液液化現(xiàn)象表明化現(xiàn)象表明 Br2分子在分子在氣相時就不具有零體積氣相時就不具有零體積.氣體的液化與液體的飽和蒸汽壓氣體的液化與液體的飽和蒸汽壓00-7-2226氣體的液化一般需要降溫和加壓氣體的液化一般需要降溫和加壓. . 降溫可減小分子熱運動降溫可減小分子熱運動產(chǎn)生的離散傾向產(chǎn)生的離散傾向,

17、 , 加壓則可以縮小分子間距從而增大分子間引加壓則可以縮小分子間距從而增大分子間引力力. .由于加壓增大分子間引力是有一定限度的由于加壓增大分子間引力是有一定限度的( (超過一定程度超過一定程度分子間排斥力將起主導(dǎo)作用分子間排斥力將起主導(dǎo)作用), ), 故液化的發(fā)生要求分子熱運動故液化的發(fā)生要求分子熱運動的離散傾向也不能超過一定限度的離散傾向也不能超過一定限度, , 即對氣體的溫度有最高限定即對氣體的溫度有最高限定. .臨界溫度臨界溫度T Tc c: : 氣體加壓液化所允許的最高溫度氣體加壓液化所允許的最高溫度. .臨界壓力臨界壓力p pc c: : 氣體在臨界溫度下液化所需要的最小壓力氣體在

18、臨界溫度下液化所需要的最小壓力. .臨界體積臨界體積V Vc c: : 物質(zhì)在臨界溫度物質(zhì)在臨界溫度, , 臨界壓力下的摩爾體積臨界壓力下的摩爾體積. .T Tc c, , p pc c, , V Vc c總稱為氣體的總稱為氣體的臨界參數(shù)臨界參數(shù), , 是物質(zhì)的一種特性參數(shù)是物質(zhì)的一種特性參數(shù). . 超臨界流體超臨界流體, ,它既不屬于氣體它既不屬于氣體, ,也不屬于液體也不屬于液體, ,氣液界面消失氣液界面消失, ,它的密度可以在氣體和液體密度之它的密度可以在氣體和液體密度之間任意調(diào)變間任意調(diào)變, ,并且在臨界點附近并且在臨界點附近, ,壓力的微小變化壓力的微小變化就能夠?qū)е旅芏鹊木薮笞兓湍軌驅(qū)е旅芏鹊木薮笞兓? .它它的許多物理化學(xué)性的許多物理化學(xué)性質(zhì)介于氣體和液體之間，并具有兩者的優(yōu)點，如質(zhì)介于氣體和液體之間，并具有兩者的優(yōu)點，如具有與液體相近的溶解能力和傳熱系數(shù)，具有與具有與液體相近的溶解能力和傳熱系數(shù)，具有與氣體相近的黏度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。超臨界流體氣體相近的黏度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。超臨界流體廣廣泛用于萃取和藥物的合成分析等方面泛用于萃取和藥物的合成分析等方面. .2022-6-52022-6-5h h 水蒸氣壓力很低，容器內(nèi)充滿水蒸氣水蒸氣壓力很低，容器內(nèi)充滿水蒸氣i i 逐漸增加活塞上的壓力，氣體被壓縮，體積減小，壓逐漸增加活塞上的壓力，氣體被壓縮，體積減小，壓力