物理化學第二版第一、二章課件-PPT幻燈片

物理化學課使用的教材

參考書目1.《物理化學》肖衍繁（天津大學）2.《物理化學》傅獻彩（南開大學）3.《物理化學》韓德剛（北京大學）4.《物理化學解題指導》孫德坤、沈文霞5.《物理化學概念辨析》劉士榮、楊愛云6.《物理化學習題集》武漢大學等編7.《物理化學概念辨析解題方法》范崇正

緒論0.1物理化學課程的內(nèi)容0.2物理化學的研究方法0.4物理化學的學習方法0.5物理量的表示與運算0.3近代化學的發(fā)展趨勢0.6關(guān)于標準壓力

0.1物理化學課程的內(nèi)容物理現(xiàn)象化學現(xiàn)象用物理學的理論和實驗方法研究化學變化及其伴隨的物理變化的本質(zhì)與規(guī)律物理化學

0.1物理化學課程的內(nèi)容物理化學化學熱力學化學動力學結(jié)構(gòu)化學兩個基本定律化學平衡相平衡宏觀動力學微觀動力學電化學表面與膠體化學多組分系統(tǒng)

0.1物理化學課程的內(nèi)容物理化學研究的內(nèi)容:(1)化學變化的方向和限度問題(2)化學反應的速率和機理問題熱力學第一定律熱力學第二定律在多組分、化學平衡、相平衡中的應用三個判據(jù)溫度、壓力、催化劑等對速率的影響化學反應的機理，掌握反應的本質(zhì)化學反應的動力學理論

0.3近代化學的發(fā)展趨勢(1)介觀化學發(fā)展迅速(2)表面化學越來越引起人們的重視(3)學科交叉與滲透更加普遍

0.3近代化學的發(fā)展趨勢（1）介觀化學發(fā)展迅速粒子膜絲管納米宏觀(宏觀凝聚態(tài))微觀(原子、分子)介觀(納米材料)介觀材料在新材料、醫(yī)藥和生命科學中的各種用途

0.3近代化學的發(fā)展趨勢（2）表面化學越來越引起重視多相化學反應總是在表面上進行，了解表面反應的實際過程，推動表面化學和多相催化的發(fā)展。表面活性劑、表面膜的應用越來越廣泛

0.3近代化學的發(fā)展趨勢（2）表面化學越來越引起重視各種新型的催化劑各種表面活性劑各種結(jié)構(gòu)的表面膜分子篩各種納米材料潤濕劑洗滌劑起泡劑增溶劑乳化劑破乳劑消泡劑介孔材料滲透膜離子交換膜氣體分離膜電子器件膜

0.3近代化學的發(fā)展趨勢（3）學科的交叉和滲透更加普遍本專業(yè)之間相互滲透,無機化學和有機化學無明顯的界限生物藥學天文醫(yī)學化學計算材料計算化學生物化學藥物化學材料化學天體化學醫(yī)用化學與其他專業(yè)相互滲透

0.3近代化學的發(fā)展趨勢（3）學科的交叉和滲透更加普遍學科間相互滲透、相互結(jié)合，形成了許多極具生命力的邊緣學科化學與材料化學與環(huán)境化學與能源化學與生活化學與生命

0.4學習方法及要求(2)注意邏輯推理的思維方法，反復體會感性認識和理性認識之間的相互關(guān)系。(3)抓住重點，認真做習題，學會解題方法。很多東西只有通過解題才能學到，不會解題，就不可能掌握物理化學。(4)課前自學，課后復習，勤于思考，培養(yǎng)自學和自己獲取知識的能力。(1)培養(yǎng)能用物理化學的觀點和方法來看待和分析日常生活中所有與化學有關(guān)的現(xiàn)象。要求：考勤、作業(yè)。

0.5物理量的表示與運算0.5.1物理量的表示數(shù)值物理量單位數(shù)值單位其單位為1物理量物理量既可以用符號表示，也可以用數(shù)值與單位之積表示。例如，物理量可以表示為是單位是數(shù)值

0.5物理量的表示與運算單位的表示一般用小寫正體的拉丁字母表示。例如:米秒千克摩爾立方分米立方米KelvinJouleVoltPascal如果單位來自人名，則第一個字母用大寫。例如：

0.5物理量的表示與運算表格中的物理量表格中用純數(shù)表示，在表頭中用物理量與其單位的比值表示

實驗編號

110022.725045.4

0.5物理量的表示與運算坐標中的物理量坐標軸是數(shù)軸，坐標軸也要用物理量與其單位的比值表示V/dm3p/kPa5022.710045.4

0.5.2物理量的運算在運算物理量的方程時，必須代入完整的物理量有1mol理想氣體，在298K和100kPa時，要計算氣體所占有的體積。已知方程代表物理量之間的關(guān)系數(shù)值和單位都要運算

0.5.2物理量的運算在運算物理量的方程時，必須代入完整的物理量有1mol理想氣體，在298K和100kPa時，要計算氣體所占有的體積。已知方程代表物理量之間的關(guān)系全部用SI單位，運算式可以簡單一點

0.6關(guān)于標準壓力表示標準壓力1986年以前，1986年，GB3100-86規(guī)定：1993年，GB3100-93規(guī)定：第1章氣體第1章氣體1.1低壓氣體的經(jīng)驗定律1.2理想氣體及其狀態(tài)方程1.3理想氣體混合物1.4真實氣體的液化1.5真實氣體的狀態(tài)方程物質(zhì)的聚集狀態(tài)氣體液體固體V受T、p影響大聯(lián)系p、V、T

之間關(guān)系的方程稱為狀態(tài)方程物理化學中主要討論氣體的狀態(tài)方程氣體理想氣體實際氣體V受T、p影響小1.1低壓氣體的經(jīng)驗定律1.Boyle定律2.Charles-Gay-Lussac定律3.Avogadro定律1.2理想氣體及其狀態(tài)方程1.理想氣體的微觀模型2.理想氣體的狀態(tài)方程1.2.1理想氣體的微觀模型

理想氣體分子之間的相互作用可忽略不計

理想氣體分子的自身體積可忽略不計高溫和低壓下的氣體近似可看作理想氣體難液化的氣體適用的壓力范圍較寬例如,在較大的壓力范圍內(nèi)都可以作為理想氣體處理1.2.2.理想氣體的狀態(tài)方程理想氣體的狀態(tài)方程為摩爾氣體常量單位：pPaV

m3

T

Kn

mol

R

Jmol-1K-1

1.3理想氣體混合物1.混合物組成表示法2.Dalton分壓定律3.Amagat分體積定律1.3理想氣體混合物理想氣體混合物若干種理想氣體混合在一起，形成均勻的氣體混合物，每種氣體都符合狀態(tài)方程1.3.1混合物組成表示法1.B的摩爾分數(shù)稱為組分B的摩爾分數(shù)或物質(zhì)的量分數(shù)單位為1混合物中所有組分的物質(zhì)的量之和表示與液相平衡的氣相中B的摩爾分數(shù)1.3.1混合物組成表示法2.B的體積分數(shù)稱為組分B的體積分數(shù)（相同的T，p）單位為1混合前純B的摩爾體積混合前各純組分體積的加和1.3.1混合物組成表示法3.B的質(zhì)量分數(shù)稱為B的質(zhì)量分數(shù)單位為1B組分的質(zhì)量混合物中所有物質(zhì)的質(zhì)量之和1.3.2Dalton分壓定律B的分壓等于相同T，V下單獨存在時的壓力在相同T，V下，總壓等于各組分分壓之和原則上，該定律只適用于理想氣體1.3.3Amagat分體積定律在相同的溫度T和總壓力p的條件下

V，p是系統(tǒng)的總體積和壓力，Amagat分體積定律原則上只適用于理想氣體1.4真實氣體的液化1.液體的飽和蒸氣壓2.臨界狀態(tài)3.真實氣體的

圖1.4.1液體的飽和蒸氣壓在密閉容器內(nèi)和一定溫度下當蒸發(fā)與凝聚的速率相等時這時蒸氣的壓力稱為達到氣-液平衡該液體在該溫度時的飽和蒸氣壓理想氣體在任何T，p下都不能被液化真實氣體在降溫或加壓下，有可能被液化加熱密閉容器中的液體，不可能觀察到沸騰現(xiàn)象。1.4.1液體的飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓是物質(zhì)的性質(zhì)，隨溫度的上升而增加在敞口容器中加熱液體，當蒸氣的壓力等于外壓時，液體沸騰，這時的溫度稱為沸點。飽和蒸氣壓大的液體，其沸點較低常見液體在不同溫度下的飽和蒸氣壓可以查表。降低外壓，其沸點也隨之降低。1.4.2臨界狀態(tài)隨著溫度升高，飽和蒸氣壓變大，氣體的密度不斷變大這種狀態(tài)稱為臨界狀態(tài)這時氣-液界面消失，液體和氣體混為一體在該溫度之上無論用多大壓力，都無法使氣體液化隨著溫度升高，液體由于受熱膨脹，其密度不斷變小達到某溫度時，氣體的密度等于液體的密度溫度為臨界溫度1.4.2臨界狀態(tài)在臨界狀態(tài)時的參數(shù)稱為臨界參數(shù)，如高于臨界狀態(tài)的物系，既具有液體性質(zhì)，又具有氣體性質(zhì)，稱為超臨界流體超臨界流體超臨界流體具有液體一樣的溶解能力超臨界流體具有氣體一樣的擴散速度如超臨界流體在萃取和合成方面用途很廣1.液體的飽和蒸氣壓同種物質(zhì)在不同溫度下，飽和蒸氣壓不同不同物質(zhì)在相同溫度下，飽和蒸氣壓不同2.沸騰、沸點液體與大氣接觸，達到沸點－沸騰；外壓降低，沸點下降——高原煮飯——《相圖》臨界點密閉容器中，不會沸騰——《多組分系統(tǒng)》氣相、液相組成1.4真實氣體的液化1.5真實氣體的狀態(tài)方程1.vanderWaals方程2.vanderWaals方程的應用1.5.1vanderWaals方程因家境貧寒無法上學，在工作之余，刻苦鉆研，自學成才vanderWaals（1837—1923）荷蘭物理學家他的博士論文“論液態(tài)和氣態(tài)的連續(xù)性”引起了學術(shù)界關(guān)注1873年，他最先假設原子間和分子間存在某種吸引力，后來被稱為vanderWaals力。1881年，得出vanderWaals方程1910年，因研究氣態(tài)和液態(tài)方程成績顯著，獲諾貝爾物理學獎1.5.1vanderWaals方程vanderWaals對理想氣體的狀態(tài)方程作了兩項修正：（1）1mol分子自身占有的體積為b（2）1mol分子之間的作用力，即內(nèi)壓力為導出的vanderWaals方程為1.5.1vanderWaals方程或a，b

稱為vanderWaals常量，常見氣體的vanderWaals常量值可以查表。a的單位：b的單位：第2章熱力學第一定律有能量交換環(huán)境無物質(zhì)交換封閉系統(tǒng)第2章熱力學第一定律2.1熱力學概論2.2熱力學的一些基本概念2.3熱力學第一定律2.4焓和熱容2.5理想氣體的熱力學能和焓2.6幾種熱效應2.7化學反應的焓變第2章熱力學第一定律2.1熱力學概論2.2熱力學的一些基本概念2.3熱力學第一定律2.4焓和熱容2.5理想氣體的熱力學能和焓2.6幾種熱效應2.7化學反應的焓變2.1熱力學概論1.熱力學的研究對象2.熱力學的研究方法和局限性2.1.1熱力學的研究對象在發(fā)展初期,熱力學主要研究熱和機械功之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系Joule自1840年起，用各種不同方法研究熱和功的轉(zhuǎn)換關(guān)系，歷經(jīng)40余年，得出了熱與功的轉(zhuǎn)換關(guān)系，后來稱之為熱功當量

為能量守恒定律打下了基礎

能量有各種不同的形式，可以相互轉(zhuǎn)變，但能量的總值不變。2.1.1熱力學的研究對象Joule（1818—1889）英國物理學家1818年生于曼徹斯特，自幼沒受過正規(guī)教育，自認識Dalton后，激發(fā)了對化學和物理的興趣。他長期與湯姆孫合作，共同發(fā)現(xiàn)了焦耳-湯姆孫效應。人們?yōu)榱思o念他，把能量的單位定為J（焦耳）他用各種方法進行了四百多次的實驗，歷經(jīng)40多年，獲得了熱功當量的值。2.1.1熱力學的研究對象（2）判斷在某條件下，指定的熱力學過程變化的方向和可能達到的最大限度?；瘜W熱力學主要研究：(1)化學過程及其與化學密切相關(guān)的物理過程中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。2.1.2熱力學的研究方法和局限性熱力學的研究方法研究對象是大數(shù)量分子的集合體，研究其宏觀性質(zhì)，所得結(jié)論具有統(tǒng)計意義。只考慮變化前后的凈結(jié)果，不考慮變化的細節(jié)和物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。在一定條件下，能判斷變化能否發(fā)生以及進行到什么程度，但不考慮變化所需要的時間。2.1.2熱力學的研究方法和局限性熱力學研究的局限性對于反應熱力學研究認為正向反應的趨勢很大，反應基本可以進行到底，逆反應的趨勢極小無法說明：如何使反應發(fā)生，反應有多少種途徑，反應的速率是多少，歷程如何等熱力學研究是知其然而不知其所以然；只能判斷變化發(fā)生的可能性，而不講如何實現(xiàn)2.1.2熱力學的研究方法和局限性熱力學研究的必要性當合成一個新產(chǎn)品時，首先要用熱力學方法判斷一下，該反應能否進行，若熱力學認為不能進行，就不必去浪費精力熱力學研究對指導科學研究和生產(chǎn)實踐無疑有重要的意義熱力學給出的反應限度，是理論上的最高值，只能設法盡量接近它，而絕不可能逾越它2.2熱力學的一些基本概念1.系統(tǒng)和環(huán)境2.系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)3.熱力學平衡態(tài)4.狀態(tài)函數(shù)5.過程和途徑2.2.1系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)（system）在科學研究中，把要研究的對象與其余分開。分隔的界面可以是實際的，也可以是想象的。環(huán)境（surroundings）與系統(tǒng)密切相關(guān)、有相互作用或影響所能及的部分稱為環(huán)境。環(huán)境系統(tǒng)將水作為系統(tǒng)，其余就是環(huán)境這種被劃定的研究對象稱為系統(tǒng)，也稱為物系或體系。2.2.1系統(tǒng)和環(huán)境根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系，把系統(tǒng)分為三類：敞開系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)（1）敞開系統(tǒng)（opensystem）系統(tǒng)與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換。環(huán)境有物質(zhì)交換敞開系統(tǒng)有能量交換敞開系統(tǒng)不屬于經(jīng)典熱力學的研究范疇2.2.1系統(tǒng)和環(huán)境根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系，把系統(tǒng)分為三類：（2）封閉系統(tǒng)（closedsystem）系統(tǒng)與環(huán)境之間無物質(zhì)交換，但有能量交換。環(huán)境無物質(zhì)交換有能量交換封閉系統(tǒng)封閉系統(tǒng)是經(jīng)典熱力學的主要研究對象2.2.1系統(tǒng)和環(huán)境根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系，把系統(tǒng)分為三類：（3）孤立系統(tǒng)（isolatedsystem）系統(tǒng)與環(huán)境之間既無物質(zhì)交換，又無能量交換，故又稱為隔離系統(tǒng)。有時把封閉系統(tǒng)和系統(tǒng)影響所及的環(huán)境一起作為孤立系統(tǒng)來考慮。環(huán)境無物質(zhì)交換無能量交換孤立系統(tǒng)(1)大環(huán)境無物質(zhì)交換無能量交換孤立系統(tǒng)(2)系統(tǒng)2.2.2系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)廣延性質(zhì)（廣度性質(zhì)、容量性質(zhì)）強度性質(zhì)強度性質(zhì)與系統(tǒng)的數(shù)量無關(guān)。例如：廣延性質(zhì)與系統(tǒng)的數(shù)量成正比。例如：2.2.3熱力學平衡態(tài)（1）熱平衡（2）力平衡（3）相平衡（4）化學平衡各相組成和數(shù)量不隨時間而變宏觀上反應物和生成物的量不再隨時間而變同時滿足，缺一不可。2.2.4狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)特點：異途同歸，值變相等；周而復始，數(shù)值還原。當系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)的性質(zhì)也隨之改變改變的量只取決于始態(tài)和終態(tài)，而與變化途徑無關(guān)

無論經(jīng)歷多么復雜的變化，只要系統(tǒng)恢復原狀，所有的性質(zhì)也都復原熱力學中，把具有這種特性的物理量稱為狀態(tài)函數(shù)2.2.4狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)在數(shù)學上具有全微分的性質(zhì)當系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了一個無限小的變化狀態(tài)函數(shù)

Z的變化為狀態(tài)函數(shù)

Z的變化為當系統(tǒng)從狀態(tài)1變到狀態(tài)2，當狀態(tài)發(fā)生了一個環(huán)狀過程，最常用、可測量的狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)函數(shù)

Z的變化為2.2.5過程和途徑過程從始態(tài)到終態(tài)所具體經(jīng)歷的步驟稱為途徑。

在一定的環(huán)境條件下，系統(tǒng)發(fā)生了一個從始態(tài)到終態(tài)的變化，稱為系統(tǒng)發(fā)生了一個熱力學過程。(process)途徑(path)常見的過程有p，V，T過程，相變過程和化學變化過程。同一個變化過程，可以由不同的途徑來完成。狀態(tài)函數(shù)的變化量與具體的途徑無關(guān)。2.2.5過程和途徑（1）等溫過程（2）等壓過程（3）等容過程（4）絕熱過程（5）環(huán)狀過程常見的熱力學p，V，T過程有2.3熱力學第一定律1.熱2.功3.熱力學能4.熱力學第一定律5.可逆過程2.3.1熱熱的本質(zhì)是大量分子無規(guī)則運動的一種表現(xiàn)熱的定義由于溫差,系統(tǒng)與環(huán)境之間傳遞的能量熱的符號與單位符號單位熱的取號系統(tǒng)吸熱系統(tǒng)放熱熱的特點1.是系統(tǒng)與環(huán)境之間傳遞的能量3.不是狀態(tài)函數(shù),微小變化用表示熱的種類蒸發(fā)熱凝聚熱溶解熱反應熱升華熱相變熱稀釋熱2.與具體的變化途徑相聯(lián)系－（過程量）2.3.2功功的定義除熱外,系統(tǒng)與環(huán)境間傳遞的其他能量功的符號與單位符號單位功的取號系統(tǒng)得到功系統(tǒng)做功功的特點功的種類膨脹功非膨脹功電功表面功1.是系統(tǒng)與環(huán)境之間傳遞的能量3.不是狀態(tài)函數(shù),微小變化用表示2.與具體的變化途徑相聯(lián)系－（過程量）（體積功）（非體積功）2.3.2功功的數(shù)學表示式膨脹功膨脹功示意圖總功2.3.2功一次膨脹做功的示意圖陰影面積代表所做的功2.3.3熱力學能熱力學能的本質(zhì)在絕熱條件下,一定量物質(zhì)從相同的始態(tài)到達相同的終態(tài)，所耗各種形式功的數(shù)值相同。熱力學能的定義熱力學能的符號單位是系統(tǒng)內(nèi)所有微觀粒子的無序運動的動能(平動能、轉(zhuǎn)動能、振動能、電子和核運動的能量)以及所有粒子間相互作用的勢能等能量的總和。即2.3.3熱力學能（3）是狀態(tài)函數(shù)，它的變化值取決于始態(tài)和終態(tài)，與變化途徑無關(guān)。熱力學能的特點（1）其絕對值不可測量，只能測定它的變化值。（2）是系統(tǒng)的廣延性質(zhì)，摩爾熱力學能是強度性質(zhì)（4）熱力學能在數(shù)學上具有全微分的性質(zhì)摩爾熱力學能的單位是通常將熱力學能看作T，V的函數(shù)2.3.4熱力學第一定律Joule(1818—1889)

是熱力學第一定律的奠基人Mayer(1814—1878)

Helmholtz(1821—1894)

2.3.4熱力學第一定律熱力學能的變化值可以表示為（1）熱力學第一定律是能量轉(zhuǎn)換和守恒定律在熱現(xiàn)象領(lǐng)域內(nèi)所具有的特殊形式熱力學第一定律的文字表達（2）第一類永動機是不可能造成的1.等于絕熱過程的功交換2.或等于無功過程的熱交換2.3.4熱力學第一定律對微小量變化熱力學第一定律的數(shù)學表達式系統(tǒng)與環(huán)境可以發(fā)生熱和功的傳遞，但能量的總值保持不變。公式中的功是總功，在學習熱力學基本定律時，一般不考慮非膨脹功。熱力學第一定律是人類經(jīng)驗的總結(jié)，無數(shù)事實證明了這個定律的正確性，如果想違背這個定律，都將以失敗告終。