物理化學(xué),第一章氣體

《物理化學(xué)》

PhysicalChemistry陽艾利廈門理工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院Email:yangaililoy@2023/1/31

什么是物理化學(xué)？

從研究化學(xué)現(xiàn)象和物理現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系入手，從而找出化學(xué)運(yùn)動中最具有普遍性的基本規(guī)律的一門學(xué)科2023/1/31土豆泡水在白紙上寫字，用碘水涂抹，顯現(xiàn)出藍(lán)色字跡（化學(xué)反應(yīng)），在火上烘烤后字跡消失（物理揮發(fā)）；電池中電極和電解液之間進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)伴隨著電流的產(chǎn)生；雙原子分子分解反應(yīng)發(fā)生的必要條件是：兩個(gè)原子之間的振動能超過一定限度時(shí)，化學(xué)鍵才能鍛鏈

物理和化學(xué)現(xiàn)象緊密相連2023/1/31目的與意義物理化學(xué)學(xué)科的產(chǎn)生與發(fā)展是為了解決生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中對比化學(xué)現(xiàn)象提出的一些理論問題，從而在理論上指導(dǎo)人們更好地利用化學(xué)反應(yīng)來造福人類。2023/1/311.化學(xué)反應(yīng)的方向和限度問題----化學(xué)熱力學(xué)研究的范疇

化學(xué)熱力學(xué)是研究物質(zhì)變化(P、V、T變化、相變化、化學(xué)變化)的能量效應(yīng)（功與熱）和變化的方向與限度，即有關(guān)能量守恒和物質(zhì)平衡的規(guī)律。

解決什么問題？2023/1/312.化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理問題----化學(xué)動力學(xué)研究的范疇

化學(xué)動力學(xué)研究各種因素（濃度、溫度、催化劑、溶劑、光、電等）對反應(yīng)速率的影響規(guī)律及反應(yīng)的機(jī)理（反應(yīng)的具體步驟、基元反應(yīng)）問題。用石墨來制造金剛石只有壓力超過大氣壓力15000倍2023/1/313.物質(zhì)的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系問題----結(jié)構(gòu)化學(xué)研究的范疇

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求化學(xué)（合成）能提供具有特殊性能的材料，如耐高溫、高壓材料；耐腐蝕材料；如超導(dǎo)材料、納米材料。這就需要人們根據(jù)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識，在合成所需性能的新材料方面提供方向和線索。結(jié)構(gòu)化學(xué)主要研究這類問題。2023/1/31物理化學(xué)的內(nèi)容非常廣泛，有些分支實(shí)際上已發(fā)展成為獨(dú)立的學(xué)科。例如：化學(xué)熱力學(xué)、反應(yīng)動力學(xué)、膠體化學(xué)、表面化學(xué)、電化學(xué)等等。本課程只把它們作為某些章節(jié)進(jìn)行初步介紹。本課程側(cè)重于化學(xué)熱力學(xué)，包括熱力學(xué)三大定律，以及在溶液、相變平衡、化學(xué)平衡重的應(yīng)用，還有統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)。

課程的基本內(nèi)容2023/1/311、理論學(xué)習(xí)：基本概念、基本理論、基本計(jì)算1）抓住每一章的主線或骨架，明確主要內(nèi)容，解決什么問題？采用什么方法？得到什么結(jié)果？平時(shí)注意章節(jié)間的聯(lián)系。2、注意公式、推論的推導(dǎo)過程只是講明獲得結(jié)果的手段，不是目的，主要應(yīng)著重于結(jié)論的使用條件以及物理意義。

學(xué)習(xí)要求2023/1/312、學(xué)習(xí)方法一般的科學(xué)方法（歸納、演繹、推理）及物理化學(xué)本身特有的方法（熱力學(xué)方法、量子力學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)方法）。注意概念、公式、理論提出時(shí)研究問題的科學(xué)方法、思維方式的學(xué)習(xí)，要求掌握熱力學(xué)方法。自己動手推導(dǎo)公式，勤練習(xí)、掌握解題方法。勤思考，興趣是最好的老師。

學(xué)習(xí)要求2023/1/313、考核方式平時(shí)成績30%（考勤+作業(yè)+問答）期末閉卷考試70%Thermodynamicsisafunnysubject.Thefirsttimeyougothroughit,youdon'tunderstanditatall.Thesecondtimeyougothroughit,youthinkyouunderstandit,exceptforoneortwosmallpoints.Thethirdtimeyougothroughit,youknowyoudon'tunderstandit,butbythattimeyouaresousedtoit,itdoesn'tbotheryouanymore.

-----ArnoldSommerfield

學(xué)習(xí)要求2023/1/31參考書1.

天津大學(xué)物理化學(xué)教研室.物理化學(xué)(第四版).北京：高等教育出版社，20012.傅獻(xiàn)彩,沈文霞,姚天揚(yáng),等.物理化學(xué)(第五版).北京:高等教育出版社,2006.3.印永嘉，王雪琳，奚正楷.物理化學(xué)簡明教程》例題與習(xí)題.高等教育出版社20064.

Peter.W.Atkins.PhysicalChemistry.7thed.,OxfordUniversityPress,2002.5.

IRA.N.Levine.PhysicalChemistry.4thed.,McGraw-Hill,1995.6.

G.M.Barrow.PhysicalChemistry.6thed.,McGraw-Hill,1996.7.

肖衍繁，李文斌，李志偉.物理化學(xué)解題指南.北京：高等教育出版社，20038.張忠誠，孫鏞.物理化學(xué)中的術(shù)語概念及練習(xí).濟(jì)南：山東大學(xué)出版社，20029.呂德義，張慶軒，張忠誠，等.物理化學(xué)考研方略.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20072023/1/31第一章氣體1.1.1氣體經(jīng)驗(yàn)定律1.波義耳定律一定質(zhì)量的氣體，恒定溫度下，體積與壓力成反比或體積與壓力之積為常數(shù)。

1.1理想氣體狀態(tài)方程

pV＝K2023/1/31第一章氣體1.1.1氣體經(jīng)驗(yàn)定律2.蓋.呂薩克定律一定量氣體的體積與熱力學(xué)溫度成正比。

1.1理想氣體狀態(tài)方程V＝KT或V/T=K2023/1/31第一章氣體1.1.1氣體經(jīng)驗(yàn)定律3.阿伏伽德羅定律在相同溫度和相同壓強(qiáng)條件下，相同體積中的任何氣體含有的氣體分子數(shù)相同在一定溫度和壓力下，氣體的體積與氣體的物質(zhì)的量成正比

1.1理想氣體狀態(tài)方程

V＝Kn2023/1/31第一章氣體1.1.2理想氣體狀態(tài)方程的形式R——通用氣體常數(shù)=8.314J/mol.k

n——?dú)怏w物質(zhì)的量理想氣體定義：凡是在任何T、P下均符合理想氣體狀態(tài)方程的氣體

1.1理想氣體狀態(tài)方程

pV＝nRT2023/1/31第一章氣體1.1.3理想氣體模型微觀模型：1）氣體分子間本身的大小與分子之間的距離相比可忽略不計(jì)2）氣體分子間相互碰撞或與器壁碰撞外，分子間沒有相互作用力3）氣體在分子碰撞時(shí)沒有動能損失（完全彈性碰撞）4）沿各個(gè)方向運(yùn)動的分子數(shù)目相等，分子速度在各個(gè)方向的分量的平均值也相等

1.1理想氣體狀態(tài)方程2023/1/31第一章氣體1.2.1理想氣體的混合理想氣體狀態(tài)方程也適合于混合氣體1）氣體可以快速地以任意比例均勻混合2）混合氣體中的每一個(gè)組分在容器中的行為和該組分單獨(dú)占有該容器時(shí)的行為完全一樣

1.2氣體混合物及分壓定律2023/1/31第一章氣體1.2.2道爾頓分壓定律1.物質(zhì)的量與摩爾分?jǐn)?shù)

B的物質(zhì)的量與混合物的總的物質(zhì)的量量之比，其量綱為1

1.2氣體混合物及分壓定律

xB＝nB/n總

n總＝n1+n2+n3+…+

ni

2023/1/31第一章氣體1.2.2道爾頓分壓定律2.分壓力與道爾頓分壓定律分壓力定義：在總壓力為p的氣體混合物中，其中任何組分B的分壓力pB等于其在混合物氣體中的摩爾分?jǐn)?shù)yB與總壓力的乘積備注：此定義對理想氣體、實(shí)際氣體均使用

1.2氣體混合物及分壓定律

pB＝y(tǒng)B

p2023/1/31第一章氣體1.2.2道爾頓分壓定律2.分壓力與道爾頓分壓定律道爾頓分壓定律：在溫度和體積恒定時(shí)，混合氣體的總壓力等于各組分氣體的分壓力之和，某組分氣體的壓力等于該氣體單獨(dú)占有該容器總體積時(shí)所產(chǎn)生的壓力。

1.2氣體混合物及分壓定律

p＝p1+p2+p3+…+

pi

2023/1/31問題：（1）將沸騰的開水迅速加入暖水瓶中至2/3時(shí)迅速加上塞子，出現(xiàn)什么現(xiàn)象？（2）一定溫度下，容器中有一定量的A、B理想氣體，若再充入一些B氣體，A氣體的分壓改變嗎？2023/1/31第一章氣體1.2.2道爾頓分壓定律3.分體積與阿瑪格分體積定律阿瑪格分壓定律：阿瑪格分壓定律：推論：

1.2氣體混合物及分壓定律

V＝VA+VB

VB

＝nB

RT/p適用于低壓混合氣體、理想氣體2023/1/31第一章氣體1.3.1實(shí)際氣體的行為1、實(shí)際氣體對理想氣體的偏差相同溫度不同氣體的pVm-p圖不同溫度相同氣體的pVm-p圖

1.3實(shí)際氣體狀態(tài)方程2023/1/31第一章氣體1.3.1實(shí)際氣體的行為2、波義耳溫度在壓力足夠低的一段范圍內(nèi)氣體的行為滿足理想狀態(tài)方程

1.3實(shí)際氣體狀態(tài)方程2023/1/31第一章氣體1.3.2范德華方程1、實(shí)際氣體對理想氣體的偏差范德華建立的實(shí)際氣體模型：鋼球模型，即分子有體積，分子間有作用力，但不考慮分子的結(jié)構(gòu)。

1.3實(shí)際氣體狀態(tài)方程

p(Vm-b)＝RT

p(Vm-nb)＝nRT2023/1/31第一章氣體1.3.2范德華方程2、對氣體分子間引力所引起的偏差進(jìn)行修正內(nèi)壓力：氣體壓力：實(shí)際氣體范德華方程：

1.3實(shí)際氣體狀態(tài)方程

pi＝a/Vm2

p＝RT/(Vm-b)-pi2023/1/31第一章氣體1.4.1氣體的液化對實(shí)際氣體采取降溫或者加壓等措施可使氣體液化實(shí)驗(yàn)：

1.4氣體的液化和物質(zhì)的臨界狀態(tài)

氣體液化p-V圖2023/1/31第一章氣體1.4.1氣體的液化飽和蒸汽壓：一定溫度、壓力下，氣、液平衡體系中氣相的平衡壓力為液體在該溫度下的飽和蒸汽壓。

1.4氣體的液化和物質(zhì)的臨界狀態(tài)

氣體液化p-V圖2023/1/31第一章氣體1.4.2氣體的臨界狀態(tài)液體的飽和蒸汽壓隨溫度的升高而增大，因?yàn)闇囟仍礁?，使氣體液化所需的壓力越大，使氣體難以液化。當(dāng)溫度升高到某一溫度以上，無論給氣體施加多大的壓力都不能使其液化，該溫度成為臨界溫度點(diǎn)。

1.4氣體的液化和物質(zhì)的臨界狀態(tài)

氣體液化p-V圖2023/1/31第一章氣體1.4.3對應(yīng)狀態(tài)原理任何物質(zhì)在臨界點(diǎn)處的飽和蒸汽壓與飽和液體無區(qū)別，以臨界點(diǎn)為基準(zhǔn)，實(shí)際氣體與臨界氣體的對