物理化学简介.ppt
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1、1,11-12学年第1学期(2011.8.31)物理化学,物理化学,2,绪论,0.1 物理化学一门无处不在的学科,0.2 学习物理化学的要求及方法,0.3 物理量的表示及运算,3,0.1 物理化学一门无处不在的学科,何谓物理化学(Physical Chemistry)?,物理化学 是从物质的物理现象与化学现象的联系入 手,探求化学变化基本规律的一门学科。,“用物理的理论、物理的实验手段”,探求化学变化基本规律的一门学科。,目的 主要是为了解决生产实践和科学实验中向 化学提出的理论问题,揭示化学变化的本质,更好地驾驭化学,使之为生产服务。,4,0.1 物理化学一门无处不在的学科,何谓物理化学(P
2、hysical Chemistry)?,“无机化学和有机化学涉及化学家研究的物质”,“分析化学是化学家的眼睛”,“物理化学是化学家的灵魂”,“一个有物理化学头脑的化学工作者,在从事科研创新中会避免盲目性,没有理论指导下的实验是盲目的实验。”,地位,5,宏 观,微 观,体 相,表 相,静 态,动 态,定 性,定 量,单一学科,交叉学科,现代学科发展的五大趋势:,1887年Ostwald(德)和vant Hoff(荷兰)联合创办德文的物理化学杂志,标志物理化学这一名词和这一学科的诞生和开始。,0.1 物理化学一门无处不在的学科,6,只有深入到微观,研究分子、原子层次的规律,才能了解结构与性质的关系
3、,掌握化学变化的本质。,宏观,(看得见的物体),宏 观,微 观,0.1 物理化学一门无处不在的学科,7,化学反应总是在表相上进行。物质表面(界面)具有体相所不具有的特殊性质。推动了多相催化和表面化学的发展。,体 相,表 相,0.1 物理化学一门无处不在的学科,8,热力学研究方法是从静态,利用热力学函数判断变化的方向和限度,但无法给出变化的细节。,激光技术和分子束技术的出现,可以真正地研究化学反应的动态变化。分子反应动力学已成为非常活跃的学科。,静 态,动 态,0.1 物理化学一门无处不在的学科,9,随着计算机科学、自动化技术的飞速发展,大大缩短了数据处理的时间,并可进行自动记录和人工拟合。,使
4、许多以前只能做定性研究的课题现在可进行比较精确的定量监测,做原位反应。,利用计算机还可以进行模拟放大和分子设计。,定 性,定 量,0.1 物理化学一门无处不在的学科,10,化学学科内部及与其他学科相互渗透、相互结合,形成了许多极具生命力的边缘学科,如:,单一学科,交叉边缘学科,0.1 物理化学一门无处不在的学科,11,物理化学理论基础,0.1 物理化学一门无处不在的学科,12,0.1 物理化学一门无处不在的学科,热力学:Possibility,动力学:Feasibility,“所费多于所当费,所得少于可得都是浪费”,化学反应的方向和限度(Chemical thermodynamics),化学反
5、应的速率和机理问题(Chemical kinetics),物质性质与微观结构之间的关系问题(structural chemistry),(26章),(11章),物理化学的主要内容有哪些?,13,0.2 学习物理化学的要求及方法,概念多理论多公式多计算复杂,课程特点,“三多一复杂”,学习物理化学课程与其他课程的学习既有相同点也有不同点。物理化学课程综合性强,各章节既有联系又相对独立。因此,学习时切忌死记硬背。,学习要求,14,0.2 学习物理化学的要求及方法,学习要求,1.多动脑,多给自己提问,多问几个为什么,如:前人提出问题和解决问题的思路和方法有什么可取之处,有什么局限性,方法是否严谨?结论
6、是否可靠?你能否找出例外情况?,15,0.2 学习物理化学的要求及方法,及时地对各章节的重点难点加以归纳与总结;最好花些时间对一些重要公式加以推导以加深理解;多做习题特别是综合性的习题,在做习题的过程中 加深对重要概念和公式的理解。,学习要求,2.多动笔,参考书,物理化学简明教程山东大学印永嘉等编 物理化学 南京大学傅献彩等编,16,一周交一次,每周五下午15:3017:00交至食工楼B308;准备2个作业本轮换,排序上交!,出勤作业(小测验):20%30%期末考试:70%80%,0.2 学习物理化学的要求及方法,17,物理化学是一门严格定量的科学,它经常用定量的公式来描述物理量间的关系,因此
7、,正确掌握物理量的表示方法及运算规则是学好物理化学的必要条件。,按照国际标准化组织(ISO)的建议,为了计量某物理量,首先须选定一个作为尺度的特殊物理量,这就是该物理量的单位,简称为单位。然后再用计 量单位来量度该物理量,看看物理量中含有多少个 计量单位,量和单位之比是数值,是纯数。,0.3 物理量的表示及运算,18,1.物理量的表示,0.3 物理量的表示及运算,19,1.物理量的表示,为了区别量本身和用特定单位表示的量的数值,应该用纯数作图或列表。,0.3 物理量的表示及运算,20,1.物理量的表示,在列表时,在表头上说明这些数值时,一是要标明数值表示什么量,此外还要表明用的是什么单位。,0
8、.3 物理量的表示及运算,21,1.物理量的表示,0.3 物理量的表示及运算,22,2.对数中的物理量,ln x、ex中的 x 为无量纲的纯数,因为 x 原为有量纲的物理量 dx/x 无量纲dx/x=dlnx 无量纲,结论 物理量必须化为纯数才能取对数;ln x 是 ln x/x的简化。,0.3 物理量的表示及运算,23,2.对数中的物理量,例如 克劳修斯克拉佩龙方程,0.3 物理量的表示及运算,24,在量和单位国家标准中包括三种形式的方程式,即量方程式,数值方程式和单位方程式。,3.量值计算,量方程式 是表示物理量之间的关系。量是与所用单位无关的,因此量的方程式也与单位无关,即无论选用何种单
9、位来表达其中的量都不影响量之间的关系。例如,0.3 物理量的表示及运算,25,3.量值计算,数值方程式 只给数值间的关系而不给量之间的关系 在数值方程式中,一定要指明所用的单位,否则就毫无疑义。例如,单位方程式 就是单位之间的关系式。例如 表面功(量方程式)。利用单位程序分析,的 SI 单位必为 Jm-2=Nmm-2=Nm-1 此即单位方程。,0.3 物理量的表示及运算,26,3.量值计算,物理化学的公式中均表示成量方程式的形式,而在对量的数学运算中,有时涉及数值方程式。,例如 计算25,100kPa下理想气体的摩尔体积Vm=?,用量方程式运算,0.3 物理量的表示及运算,27,用数值方程式运
10、算,3.量值计算,0.3 物理量的表示及运算,28,1.对物理量的文字表述,亦须符合量方程式,如,说“物质的量为 n mol”,“热力学温度为TK”都是错误的。因为物理量 n 中已包含单位 mol,T 中已包含单位 K了。正确的表述应为:“物质的量为n”,“热力学温度为T”。,2.对于复杂运算,一般不列出每一个物理量的单位,而直接给出最后单位。,0.3 物理量的表示及运算,注意:,29,物质的聚集状态,概论,第一章 气体的pVT关系,30,(2)盖.吕萨克定律(J.Gay-Lussac,1808):V/T 常数(n,p 一定),(3)阿伏加德罗定律(A.Avogadro,1811)V/n 常数
11、(T,p 一定),1.理想气体状态方程,1.1 理想气体状态方程,31,式中 p 的单位为Pa,V 的单位为m3,n 的单位为mol,T 的单位为K,R 称为摩尔气体常数,实验测定值为:,通常,1.1 理想气体状态方程,以上三式结合 理想气体状态方程,pV=nRT,32,其它常用形式,1.理想气体状态方程,1.1 理想气体状态方程,33,以此可相互计算 p,V,T,n,m,M,(=m/V)。,例:用管道输送天然气,当输送压力为200 kPa,温度为25 oC时,管道内天然气的密度为多少?假设天然气可看作是纯的甲烷。,解:M甲烷 16.04103 kg mol-1,1.1 理想气体状态方程,34
12、,2.理想气体模型,(1)分子间力,按兰纳德-琼斯(Lennard-Jones)理论,1.1 理想气体状态方程,35,结论,压力小时,r 较大,引力为主,易压缩;,压力大时,r 较小,斥力为主,难压缩;,压力p 0,分子间无作用力。,2.理想气体模型,(1)分子间力,1.1 理想气体状态方程,36,2.理想气体模型,(1)分子之间无相互作用力;(2)分子本身无体积。,(2)微观模型,定义 任何温度压力下都遵守pV=nRT的气体称为 理想气体。,1.1 理想气体状态方程,37,3.摩尔气体常数 R,外推法:,恒温下,测量Vm随p变化关系,并作 pVmp 图,外推至 p0,由 pVm 轴截距可求出
13、值,代入上式 即可求出 R 数值。,1.1 理想气体状态方程,38,在压力趋于0 的极限条件下,各种气体的行为均服从pVm=RT 的定量关系,R 是一个对各种气体都适用的常数。,3.摩尔气体常数 R,真实气体 pVmp 等温线形状不同,但在300K下,p0时,pVm 却趋于一 共同值:2494.2Jmol-1,1.1 理想气体状态方程,39,定义为:物质 B 的物质的量与混合物总的物质的量的比。,1.混合物的组成,(1)摩尔分数 x 或 y,气体混合物的摩尔分数用 y 表示;,液体混合物的摩尔分数用 x 表示。,注意 摩尔分数 x 或 y 量纲为一,或。,1.2 理想气体混合物,40,1.混合
14、物的组成,1.2 理想气体混合物,41,2.理想气体状态方程对理想气体混合物的应用,因理想气体分子间没有相互作用,分子本身又不占体积,所以理想气体的 pVT 性质与气体的种类无关,因而一种理想气体的部分分子被另一种理想气体分子置换,形成的混合理想气体,其 pVT 性质并不改变,只是理想气体状态方程中的 n 此时为总的物质的量。,1.2 理想气体混合物,42,m=mB=nB MB=n yB MB=nMmix,2.理想气体状态方程对理想气体混合物的应用,1.2 理想气体混合物,43,3.道尔顿定律,式中:pB B气体的分压;p 混合气体的总压。yB=1 p=pB(1.2.8),式(1.2.7)(1
15、.2.8)对高压下气体也适用。,1.2 理想气体混合物,44,混合理想气体:,3.道尔顿(分压)定律,1.2 理想气体混合物,45,即理想气体混合物中某一组分 B 的分压 pB 等于该组分单独存在于混合气体的 T、V 时产生的压力。而理想气体混合物的总压等于各组分单独存在于混合气体的 T、V 时产生的压力总和。道尔顿定律(1810),3.道尔顿(分压)定律,1.2 理想气体混合物,46,式(1.2.9)对低压下真实气体混合物适用。在高压下,分子间的相互作用不可忽视,且混合物不同分子间的作用与纯气体相同分子间的作用有差别,所以某气体B的分压不再等于它单独存在时的压力,所以分压定律不再适用。,3.
16、道尔顿(分压)定律,1.2 理想气体混合物,47,即:理想气体混合物中物质B的分体积VB*,等于纯气体 B在混合物的温度及总压条件下所占有的体积。,理想气体混合物的总体积V为各组分分体积 之和:,4.阿马加(分体积)定律,1.2 理想气体混合物,48,阿马加定律表明理想气体混合物的体积具有加和性,在相同温度、压力下,混合后的总体积等于混合前各组分的体积之和。,由二定律有:,高压下,混合前后气体体积一般将发生变化,阿马加定律不再适用。这时需引入偏摩尔体积的概念进行计算。(见第四章),4.阿马加(分体积)定律,1.2 理想气体混合物,49,例在温度恒定为25,体积恒定为25dm3的容器中含有0.6
17、5mol的理想气体A,0.35mol的理想气体B。若向容器中再加入0.4mol的理想气体D。则B的分压力PB(),分体积V*B()。选择填入:A.变大 B.变小 C.不变 D.无法确定,练习题:,1.2 理想气体混合物,50,T 使 g l,对压力有要求吗?,p 使 g l,对温度有要求吗?,在研究真实气体偏离理想气体行为进而液化的 过程中,须引入一组重要的物理量!,问题,1.3 气体的液化及临界参数,51,实际气体由于存在分子间相互作用力:在一定T、p 时,气液可共存达到平衡.,在气液平衡时:气体称为饱和蒸气;液体称为饱和液体;饱和蒸气的压力称为饱和蒸气压(简称蒸气压)。,1.3 气体的液化
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