1、物理化学课件绪论物理化学课件绪论什么是物理化学 物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手来探求化学变化及相关的物理变化基本规律的一门科学。 -付献彩付献彩- 以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系的特殊规律的学科。 -中国大百科全书（唐有祺）中国大百科全书（唐有祺）- 物理化学是研究化学学科中的原理和方法,研究化学体系行为最一般规律和理论的学科,是化学的理论基础。 -自然科学学科发展战略调研报告自然科学学科发展战略调研报告-用物理的理论,实验方法和数学知识揭示本质与规律物理现象化学现象物理化学的建立与发展物理化学的建立与发展十八世纪开始萌芽：从燃素说到
2、能量守恒与转化定律。俄国科学家罗蒙诺索夫最早使用“物理化学”这一术语。十九世纪中叶形成：1887年俄国科学家W.Ostwald18531932）和荷兰科学家J.H.vant Hoff （18521911）合办了第一本“物理化学杂志”（德文）。二十世纪迅速发展：新测试手段和新的数据处理方法不断涌现，形成了许多新的分支学科，如：热化学，化学热力学，电化学，溶液化学，胶体化学，表面化学，化学动力学，催化作用，量子化学和结构化学等。物理化学的目的和内容物理化学的目的和内容目的 物理化学主要是为了解决生产实际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，使之为生产实际服务。研究内
3、容：(1) 化学变化的方向和限度问题化学热力学(2) 化学反应的速率和机理问题化学动力学(3) 统计热力学 (4) 物质的性质与其结构之间的关系问题量子化学 6 如有机化学家应用动力学探索反应机理，应用结构如有机化学家应用动力学探索反应机理，应用结构化学知识研究反应中间体的结构和稳定性；无机化化学知识研究反应中间体的结构和稳定性；无机化学家应用热力学原理研究无机材料的性质及稳定性；学家应用热力学原理研究无机材料的性质及稳定性；分析化学家应用光谱分析确定未知样品的组成。分析化学家应用光谱分析确定未知样品的组成。7 生物化学家应用动力学研究酶反应生物化学家应用动力学研究酶反应, ,应用热力学原理应
4、用热力学原理研究生物能、渗透作用、膜平衡及确定生物大分子的研究生物能、渗透作用、膜平衡及确定生物大分子的分子量。分子量。材料科学家利用热力学原理去判断各种材料材料科学家利用热力学原理去判断各种材料的稳定性及合成某种新材料的可能性，应用光谱方法的稳定性及合成某种新材料的可能性，应用光谱方法确定材料的结构和性能，应用动力学、统计热力学原确定材料的结构和性能，应用动力学、统计热力学原理去研究新的材料合成反应等。理去研究新的材料合成反应等。物理化学的发展趋势和特点(1)从研究宏观到微观(2)从研究体相到表相(3)从研究定性到定量(4)从研究线性到非线性(5)从研究平衡态到研究非平衡态(6)从研究静态到
5、动态物理化学课程的学习方法物理化学课程的学习方法(2)重视重点知识点记忆,如概念定律公式,注意各个章节融会贯通(3)多做习题，学会解题方法。很多东西只有通过解题才能学到，不会解题，就不可能掌握物理化学。(1)课前自学，课后复习，勤于思考。美国著名物理化学教授赖文曾说过：美国著名物理化学教授赖文曾说过：如果试图只通如果试图只通过阅读教科书而不做习题的办法来学习物理化学，过阅读教科书而不做习题的办法来学习物理化学，其效果就如同为了改善体质只阅读一本身体保健的其效果就如同为了改善体质只阅读一本身体保健的书，而不做所建议的体育锻炼一样。书，而不做所建议的体育锻炼一样。诺贝尔获得者西侬曾说：诺贝尔获得者
6、西侬曾说：优秀的学生优秀的学生做完一道做完一道题后返回去问：为什么我做了这么长时间？我最后题后返回去问：为什么我做了这么长时间？我最后发现的通向正确道路的线索是什么？以后再遇到同发现的通向正确道路的线索是什么？以后再遇到同类的问题怎样才能尽快的解出？这样就学会了解题类的问题怎样才能尽快的解出？这样就学会了解题的方法。因此，很多东西是通过解题之后才学到的。的方法。因此，很多东西是通过解题之后才学到的。教学课时安排教学课时安排考核方式和参考书考核方式和参考书1、物理化学物理化学（上、下）南京大学，（上、下）南京大学， 傅献彩等傅献彩等 编编2、物理化学物理化学上、下册上、下册 天津大学（第四版）天
7、津大学（第四版）3、 物理化学解题指导物理化学解题指导南京大学，南京大学， 孙德坤等编孙德坤等编4、 物理化学物理化学-概念辨析概念辨析 解题方法解题方法中国科学技术中国科学技术大学，大学， 范崇正等编范崇正等编考核方式考核方式采用闭卷考试，综合平时成绩采用闭卷考试，综合平时成绩（包括（包括实验实验、平时纪、平时纪律、作业，律、作业，40%40%）和和期末期末考试成绩考试成绩（60%60%）给出总评给出总评成绩。成绩。参考书参考书第一章 气体低压气体的p-V-T关系理想气体的状态方程与微观模型中高压气体的p-V-T关系气体的液化及临界状态气体气体理想气体理想气体实际气体实际气体状态方程状态方程
8、分压及分体积定律分压及分体积定律状态方程状态方程液化及临界现象液化及临界现象 压力：由于分子热运动压力：由于分子热运动, ,气体分子与容器壁碰撞气体分子与容器壁碰撞, ,对对器壁产生作用力。单位器壁面积所受的力称为压力器壁产生作用力。单位器壁面积所受的力称为压力.p,.p,单单位位 帕斯卡帕斯卡(Pa)(Pa) 温度温度：温度是定量反映气体冷热程度的物理量温度是定量反映气体冷热程度的物理量。T,T,单位单位 开尔文开尔文(K)(K(K)(K氏温度与摄氏温度换算氏温度与摄氏温度换算) ) 气体体积气体体积：气体所占空间的大小气体所占空间的大小。V,V,单位单位 立方米立方米(m(m3 3) )理
9、想气体状态方程理想气体状态方程 pV = nRT pVm = RT 单位：单位：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 摩尔气体常数摩尔气体常数R R 8.314510 8.314510 J J mol mol-1 -1 K K-1-1 17 理想气体的定义及其微观模型理想气体的定义及其微观模型理想气体理想气体: : 凡在任何温度凡在任何温度, , 压力下均服从理压力下均服从理想气体状态方程的气体称为理想气体想气体状态方程的气体称为理想气体. .理想气体的两个特征理想气体的两个特征: :
10、(1) (1)分子本身不占有体积分子本身不占有体积; ; (2) (2)分子间无相互作用分子间无相互作用. .理想气体状态方程近似适用于低压实际理想气体状态方程近似适用于低压实际气体气体. . 易液化气体的适用压力范围较窄易液化气体的适用压力范围较窄, , 难难液化气体则相对较宽液化气体则相对较宽. . 实际气体实际气体实际气体实际气体实际气体：实际气体：分子之间有相互作用力，分子本身具分子之间有相互作用力，分子本身具有体积的气体有体积的气体压缩因子压缩因子 引入来定量描述真实气体的行为与理想气引入来定量描述真实气体的行为与理想气体的偏离程度体的偏离程度： 压缩因子的定义为压缩因子的定义为：R
11、TpVnRTpVZm 理想气体状态方程式仅在足够低的压力下适合于理想气体状态方程式仅在足够低的压力下适合于真实气体。描述实际气体真实气体。描述实际气体pVTpVT关系的状态方程近关系的状态方程近200200种，大致分为两类种，大致分为两类（1 1）考虑了物质的结构，推导出的方程）考虑了物质的结构，推导出的方程（2 2）经验、半经验的状态方程）经验、半经验的状态方程共同特点共同特点（1）p0 ，均可还原为理想气体状态方程，均可还原为理想气体状态方程 （2）方程中均含有若干个反映各气体不同性质的特）方程中均含有若干个反映各气体不同性质的特 性参数性参数中高压气体中高压气体p-V-T关系的处理方法关
12、系的处理方法范德华方程 理想气体状态方程 pVm=RT 实质为：（分子间无相互作用力时气体的压力）（1 mol 气体分子的自由活动空间）RT.因此，可以从这两个方面进行修正，得到范德华方程 (1)体积修正体积修正 实际气体摩尔体积因分子本身体积的存在，可压缩实际气体摩尔体积因分子本身体积的存在，可压缩空间减小。空间减小。1mol气体的可压缩空间以气体的可压缩空间以 (Vm - b)表示。表示。 b为一范氏常数，恒为正值，其大小与气体性质决定。 一般情况下，气体本身体积越大，b值也越大。对体积修正后，对体积修正后，p(Vm - b)=RT。（2) 压力修正压力修正器壁器壁内部分子内部分子靠近器壁
13、的分子靠近器壁的分子分子间相互作用减弱了分子对器壁的碰撞，分子间相互作用减弱了分子对器壁的碰撞，所以：所以： p= p理理p内内 p内内= a / Vm2 p理理= p + p内内= p + a / Vm2a为范氏常数，其值与各气体性质有关，均为正值。为范氏常数，其值与各气体性质有关，均为正值。一般情况下，分子间作用力越大，一般情况下，分子间作用力越大， a值越大。值越大。 将修正后的压力和体积项引入理想气体状态方程：将修正后的压力和体积项引入理想气体状态方程：RTbVVapmm2范德华方程范德华方程a , b 见附表见附表 （1-1）b：1 mol 分子自身所占体积分子自身所占体积,数值上粗
14、略等于该气数值上粗略等于该气体物质的液体摩尔体积体物质的液体摩尔体积.几点说明几点说明1) ) a a、b b为范氏常数，恒为正值，其值由实验测得。为范氏常数，恒为正值，其值由实验测得。2)2) 范氏方程是半经验、半理论方程，因其考虑了范氏方程是半经验、半理论方程，因其考虑了实际气体与理想气体的本质区别，其精度优于理实际气体与理想气体的本质区别，其精度优于理想气体方程想气体方程 pV = nRTpV = nRT。3) ) 是一种实际气体是一种实际气体pVTpVT行为的数学模型，而实际情行为的数学模型，而实际情况远比范德华所考虑情况复杂多。况远比范德华所考虑情况复杂多。 一般情况下，范氏方程只能
15、满足几十标准压力一般情况下，范氏方程只能满足几十标准压力下气体的下气体的PVTPVT性质的描述。性质的描述。 压缩因子法压缩因子法由由Z的定义式可知的定义式可知,pV=ZnRT维里方程维里方程pVm=RT(1+B/Vm+C/Vm2+D/Vm3+)25实际气体分子间存在吸引力实际气体分子间存在吸引力, , 从而能发生一种从而能发生一种理想气体不可能发生的变化理想气体不可能发生的变化液化液化. .任何气体都会在一定温度任何气体都会在一定温度时液化时液化. 液氮的沸点是液氮的沸点是196 Br2(g)冷却发生液化冷却发生液化. 液液化现象表明化现象表明 Br2分子在分子在气相时就不具有零体积气相时就
16、不具有零体积.气体的液化与液体的饱和蒸汽压气体的液化与液体的饱和蒸汽压26气体的液化一般需要降温和加压气体的液化一般需要降温和加压. . 降温可减小分子热运动降温可减小分子热运动产生的离散倾向产生的离散倾向, , 加压则可以缩小分子间距从而增大分子间引加压则可以缩小分子间距从而增大分子间引力力. .由于加压增大分子间引力是有一定限度的由于加压增大分子间引力是有一定限度的( (超过一定程度超过一定程度分子间排斥力将起主导作用分子间排斥力将起主导作用), ), 故液化的发生要求分子热运动故液化的发生要求分子热运动的离散倾向也不能超过一定限度的离散倾向也不能超过一定限度, , 即对气体的温度有最高限
17、定即对气体的温度有最高限定. .临界温度临界温度T Tc c: : 气体加压液化所允许的最高温度气体加压液化所允许的最高温度. .临界压力临界压力p pc c: : 气体在临界温度下液化所需要的最小压力气体在临界温度下液化所需要的最小压力. .临界体积临界体积V Vc c: : 物质在临界温度物质在临界温度, , 临界压力下的摩尔体积临界压力下的摩尔体积. .T Tc c, , p pc c, , V Vc c总称为气体的总称为气体的临界参数临界参数, , 是物质的一种特性参数是物质的一种特性参数. . 超临界流体超临界流体, ,它既不属于气体它既不属于气体, ,也不属于液体也不属于液体, ,
18、气液界面消失气液界面消失, ,它的密度可以在气体和液体密度之它的密度可以在气体和液体密度之间任意调变间任意调变, ,并且在临界点附近并且在临界点附近, ,压力的微小变化压力的微小变化就能够导致密度的巨大变化就能够导致密度的巨大变化. .它它的许多物理化学性的许多物理化学性质介于气体和液体之间，并具有两者的优点，如质介于气体和液体之间，并具有两者的优点，如具有与液体相近的溶解能力和传热系数，具有与具有与液体相近的溶解能力和传热系数，具有与气体相近的黏度系数和扩散系数。超临界流体气体相近的黏度系数和扩散系数。超临界流体广广泛用于萃取和药物的合成分析等方面泛用于萃取和药物的合成分析等方面. .h h
19、 水蒸气压力很低，容器内充满水蒸气水蒸气压力很低，容器内充满水蒸气i i 逐渐增加活塞上的压力，气体被压缩，体积减小，压逐渐增加活塞上的压力，气体被压缩，体积减小，压力增大力增大j j 压力增加到压力增加到101.325101.325kPa kPa 时，稍微增加一点外压，容器时，稍微增加一点外压，容器中开始有水滴出现并不断增多，容器内压力不变；中开始有水滴出现并不断增多，容器内压力不变；k k 水蒸气全部转变为水，容器内压力不变；水蒸气全部转变为水，容器内压力不变；l l 继续增加外压，液体被压缩，体积变化不大。继续增加外压，液体被压缩，体积变化不大。水蒸气的液化水蒸气的液化恒温（恒温（373
20、.15K373.15K）下）下水蒸气的液化水蒸气的液化饱和蒸气压是物质在一定温度下处于液气平衡共存饱和蒸气压是物质在一定温度下处于液气平衡共存时蒸汽的压力，是纯物质特有的性质，由其本性决时蒸汽的压力，是纯物质特有的性质，由其本性决定；其大小是温度的函数，是衡量液体蒸发能力的定；其大小是温度的函数，是衡量液体蒸发能力的一个物理量。一个物理量。T一定时：如一定时：如 pB pB*，B气体凝结为液体至气体凝结为液体至pBpB*（此规律不受其它气体存在的影响）（此规律不受其它气体存在的影响）相对湿度的概念：相对湿度相对湿度的概念：相对湿度%ppOHOH10022 空气中在敞口容器中，液体的饱和蒸气压等于外压时，液体发生剧烈的汽化现象，称为沸腾，此时的温度称为沸点饱和蒸气压1个大气压时的温度称为正常沸点(373.15K)饱和蒸气压1个标准压力（ 1个标准压力=100kPa，p)时的温度称为标准沸点(372.78K)谢谢！
