清華大學(xué) 物理化學(xué)001

1、 物理化學(xué)()(PHYSIVAL CHAMISTRY) （1） .緒論1、什麼是物理化學(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- Physical chemistry is the branch of chemistry that establishes and develops the principles of the subjects. Its concepts are used to explain and interpret observations on the physical and chemical prop

2、erties of matter. Physical chemistry is also essential fordeveloping and interpreting the modern techniques used to determine the structure and properties of matter, such as new synthetic materials and biological macromolecules. -Atkins- 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)的理論基礎(chǔ)。 -自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研

3、報(bào)告- 以物理的原理和實(shí)驗(yàn)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（唐有棋）-2、物理化學(xué)的研究內(nèi)容：(1) 化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和能量效應(yīng) - 化學(xué)體系的平衡性質(zhì) (2) 化學(xué)反應(yīng)的速率和反應(yīng)機(jī)理- 化學(xué)體系的動(dòng)態(tài)性質(zhì) (3) 化學(xué)體系的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)化學(xué)熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)與量子化學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)動(dòng)力學(xué)與分子反應(yīng)動(dòng)態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)與分子譜學(xué)理論化學(xué)（化學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)、分子工程學(xué)、非線性物理化學(xué)）其他分支學(xué)科還包括：電化學(xué)、表面及膠體化學(xué)、光化學(xué)等將物理化學(xué)原理應(yīng)用于不同的體系，則產(chǎn)生了物理有機(jī)化學(xué)、生物物理化學(xué)、冶金物理化學(xué)等等。3、

4、物理化學(xué)的建立與發(fā)展第一階段：1887 - 1920 s化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率的唯象規(guī)律的建立19世紀(jì)中葉：熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律 的提出1850： Wilhelmy 第一次定量測定反應(yīng)速率1879： 質(zhì)量作用定律建立1889： Arrhenius 公式的建立和活化能概念的提出1887： 德文“物理化學(xué)”雜志創(chuàng)刊1906 - 1912： Nernst熱定理和熱力學(xué)第三定律的 建立第二階段：1920 s - 1960 s：結(jié)構(gòu)化學(xué)和量子化學(xué)的蓬勃發(fā)展和化學(xué)變化規(guī)律的微觀探索1926 量子力學(xué)建立1927 求解氫分子的薛定諤方程1931 價(jià)鍵理論建立1932 分子軌道理論建立1935 共振

5、理論建立1918 提出雙分子反應(yīng)的碰撞理論1935 建立過渡態(tài)理論1930 提出鏈反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)理論第三階段：1960 s - ：由于激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，物理化學(xué)各領(lǐng)域向更深度和廣度發(fā)展當(dāng)前的前沿領(lǐng)域：分子動(dòng)態(tài)學(xué)表面與界面物理化學(xué)非平衡非線性化學(xué)分子設(shè)計(jì)與分子工程學(xué)宏觀 微觀靜態(tài) 動(dòng)態(tài)體相 表相平衡態(tài) 非平衡態(tài)4、物理化學(xué)學(xué)科的戰(zhàn)略地位 (1) 物理化學(xué)是化學(xué)科學(xué)的理論基礎(chǔ) 及重要組成學(xué)科(2) 物理化學(xué)極大地?cái)U(kuò)充了化學(xué)研究 的領(lǐng)域 (3) 物理化學(xué)促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展 (4) 物理化學(xué)與國計(jì)民生密切相關(guān)(5) 物理化學(xué)是培養(yǎng)化學(xué)人才的必需5、如何學(xué)好物理化學(xué)注重概念、深入思考、及時(shí)總結(jié)、

6、聯(lián)系實(shí)際6、有關(guān)課程的幾點(diǎn)具體要求： （1）教材和參考書： 教材： 物理化學(xué) 朱文濤編 Physical Chemistry (sixth edition) Atkins 推薦參考書 物理化學(xué) 傅獻(xiàn)彩等編（南京大學(xué)) 物理化學(xué) 胡英主編（華東理工大學(xué)） Physical Chemistry Moore 物理化學(xué)習(xí)題解答（上、下冊(cè)） 王文清等編（北大） （2）作業(yè)：中、英文習(xí)題，每周交一次 （3）答疑：每周一次 時(shí)間：每周五晚7:30 9:00 地點(diǎn)：化學(xué)館226 可以通過網(wǎng)上答疑 E-mail 地址：xfy-（4）討論課：每章內(nèi)容講完之后，有一 次討論課（事先做好復(fù)習(xí)）（7）測驗(yàn)和期末考試：

7、每章習(xí)題課后，有一次一小時(shí)左右 有關(guān)本章內(nèi)容的的測驗(yàn)（開卷） （共四次） 期末考試（綜合內(nèi)容）（半開卷） 自第三次測驗(yàn)起，試題用英文（8）成績?cè)u(píng)定： 作業(yè)：10% 測驗(yàn)：12.5%4 = 50% 期末考試：40% 第一章 氣體的性質(zhì) （properties of gases）1-1 理想氣體（Ideal gas or perfect gas） 1. 理想氣體狀態(tài)方程（State equation of ideal gas) 2、分壓和道爾頓分壓定律 （Partial pressure and Doltons law of partial pressure)Define: 在氣體混合物中 pB

8、: 氣體B的分壓 p： 混合氣體的總壓xB: 氣體B在混合氣中的摩爾分?jǐn)?shù)此定義既適用于理想氣體也適用于實(shí)際氣體 在理想氣體混合物中，某一組分B的分壓即為該氣體在與混合氣同樣溫度下，單獨(dú)占有混合氣總體積時(shí)的壓力A(g) +B(g)T,V,p,xBB(g)T ,V ,pB3、 理想氣體的微觀模型2-2 實(shí)際氣體（Real gas)1、實(shí)際氣體的狀態(tài)方程（1）van der Waals equation(2) R - K equation (Redlich and kwong)(3) Virial equationBi : virial coefficient2、 壓縮因子和對(duì)比狀態(tài)原理p1（1）

9、壓縮因子（Compression factor)Define:T1T2T3（2） 臨界狀態(tài)與臨界參數(shù)（Critical state and critical parameters)pVmpcTccT1T2T3p2p1臨界壓縮因子(critical compression factor )物質(zhì) He Ar N2 O2 CO CO2 CH4 zc 0.299 0.291 0.289 0.294 0.288 0.274 0.289 3、對(duì)比狀態(tài)原理 Define : Tr= T/Tc reduced temperature pr= p/pc reduced pressure Vr= V/Vc red

10、uced volumeVan der Waals 對(duì)比方程：對(duì)比狀態(tài)原理（The principle of corresponding states) 任何氣體只要兩個(gè)對(duì)比參數(shù)相同，則第三個(gè)對(duì)比參數(shù)也必然相同，此時(shí)稱它們處于相同的對(duì)比狀態(tài)。 處于相同對(duì)比狀態(tài)下的氣體具有相近的熱力學(xué)性質(zhì)壓縮因子圖注意：(a) 對(duì)比狀態(tài)原理是近似的經(jīng)驗(yàn)定律(b) 將對(duì)比狀態(tài)原理用于H2 和He 時(shí)第二章 熱力學(xué)第一定律 （The first law of thermodynamics)2-1 熱力學(xué)概述 （Introduction of thermodynamics)1. 熱力學(xué)的研究內(nèi)容（1）平衡熱力學(xué)（經(jīng)典熱

11、力學(xué)）（2）非平衡熱力學(xué)2. 平衡熱力學(xué)的特點(diǎn)（1）研究對(duì)象：大量粒子組成的宏觀體系 （熱力學(xué)的結(jié)論不適用于微觀體系 中單獨(dú)粒子或少量粒子的行為）（2）研究方法：在經(jīng)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上，通過演繹的方法，得出一般性的規(guī)律。（高度的普適性和可靠性）（3）只考慮過程的初、末態(tài)，不考慮過程的細(xì)節(jié)。（知其然，不知其所以然）2-2. 熱力學(xué)基本概念 （Basic concepts of thermodynamics)1. 系統(tǒng)與環(huán)境 （system and surroundings)敞開（開放）系統(tǒng)（Open system）封閉（密閉）系統(tǒng)（Closed system） 隔離（孤立）系統(tǒng)（Isolated s

12、ystem） 2. 熱力學(xué)平衡狀態(tài) （equilibrium state of thermodynamics) 如果處在一定環(huán)境條件下的系統(tǒng),其所有的性質(zhì)均不隨時(shí)間而變化;而且當(dāng)此系統(tǒng)與環(huán)境隔離后,也不會(huì)引起系統(tǒng)任何性質(zhì)的變化,則稱該系統(tǒng)處于熱力學(xué)平衡狀態(tài).H2O(l)1000CH2O(g)1000C,101.325kPa恒溫?zé)嵩?100oC)H2O(l)1000CH2O(g)1000C,101,325kPa絕熱壁熱力學(xué)平衡狀態(tài)T1airT2TT1T2air (T)絕熱壁恒溫?zé)嵩捶€(wěn)態(tài)（stable state)非平衡態(tài)處于熱力學(xué)平衡的系統(tǒng)必須同時(shí)滿足下列平衡：（1）熱平衡（thermal eq

13、uilibrium): 如果沒有絕熱壁存在，系統(tǒng)內(nèi)各部分之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有溫度的差別熱力學(xué)第零定律 如果系統(tǒng)A與系統(tǒng)B成熱平衡，系統(tǒng)B與系統(tǒng)C成熱平衡，則系統(tǒng)A與系統(tǒng)C也必然成熱平衡。（2）力平衡（mechanical equilibrium) 如果沒有剛性壁存在，系統(tǒng)各部分之間，系統(tǒng)與環(huán)境之間沒有不平衡的力存在 在不考慮重力場與其它外場作用的情況下，系統(tǒng)內(nèi)部處處壓力相等（3）相平衡（phase equilibrium)相（phase) 系統(tǒng)內(nèi)物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì)完全均勻的一部分稱為一相。H2O(l)糖水糖水糖 均相系統(tǒng)（homogeneous system)多（復(fù)、非均）相系統(tǒng)hete

14、rogeneous system 相平衡 若在一個(gè)多相系統(tǒng)中，各相的組成及數(shù)量均不隨時(shí)間而變化，則稱該系統(tǒng)處于相平衡（4）化學(xué)平衡（chemical equilibrium) 若系統(tǒng)中各物質(zhì)之間存在化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)組成不隨時(shí)間而變化時(shí)，系統(tǒng)處于化學(xué)平衡。熱力學(xué)平衡熱平衡力平衡 相平衡物質(zhì)平衡 化學(xué)平衡3. 狀態(tài)函數(shù)（ state functions)(1) 定義： 描述（確定）系統(tǒng)狀態(tài)的系統(tǒng)的各宏觀物理性質(zhì)（如溫度、壓力、體積等）稱為系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)，又稱為狀態(tài)函數(shù)。（2）分類：廣度（廣延、容量）性質(zhì)（extensive property)強(qiáng)度性質(zhì)（intensive property)(a) 廣度性質(zhì)具有部分加和性，強(qiáng)度性質(zhì)無部分加和性。V總= V1 + V2 (b) 廣度性質(zhì)是系統(tǒng)所含的物質(zhì)的量的一次齊函數(shù)，強(qiáng)度性質(zhì)是零次齊函數(shù)。P總p1+ p