物理化學(xué)內(nèi)容、要求和方法

1、2022/7/23物理化學(xué)內(nèi)容、要求和方法2022/7/23緒論0.1 物理化學(xué)課程的內(nèi)容0.2 學(xué)習(xí)物理化學(xué)的要求及方法0.3 物理量的表示及運(yùn)算2022/7/230.1 物理化學(xué)課程的內(nèi)容物理化學(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，從而探求化學(xué)變化中具有普遍性的基本規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)方法上主要采用物理學(xué)中的方法。2022/7/23 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、2022/7/23物理化學(xué)的主要內(nèi)容 化學(xué)熱力學(xué)化學(xué)變化的方向和限度，以及伴隨發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系；例如合成氨，常溫常壓下能否進(jìn)行？產(chǎn)率？化學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理；上例理論上可行。關(guān)鍵是尋找合適的催化劑和反應(yīng)途徑（模擬生物固氮）結(jié)構(gòu)化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。例如研究與氮分子有關(guān)的配合物的結(jié)構(gòu)，以及它們?cè)诓煌瑮l件下的變化，就有利于常溫常壓下尋找固氮的途徑。 2022/7/23其它分支學(xué)科還包括：電化學(xué)、表面及膠體化學(xué)、光化學(xué)等。物理化學(xué)與能源、環(huán)境、生命、材料、信息等領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)相交叉，積極推動(dòng)新的學(xué)科生長點(diǎn)的產(chǎn)生。物理化學(xué)在化學(xué)和相關(guān)科學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用。2022/7/

3、23物理化學(xué)的發(fā)展史第一階段：1887 - 1920s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2022/7/23第二階段：1920s - 1960s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 共振理論

4、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2022/7/23第三階段：1960s 今 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)2022/7/23物理化學(xué)的現(xiàn)況和發(fā)展 宏觀微觀：測定空間結(jié)構(gòu)；量子化學(xué) 體相表相：表面化學(xué)；催化 靜態(tài)動(dòng)態(tài)：分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 定性定量：計(jì)算機(jī) 單一學(xué)科交叉、邊緣學(xué)科：生物化學(xué)、藥物化學(xué)、地球化學(xué)、海洋化學(xué)、天體化學(xué)、材料化學(xué)、計(jì)算化學(xué)、表面化學(xué)、金屬有機(jī)化學(xué)等 平衡態(tài)非平衡態(tài)。2022/7/23 物理化學(xué)學(xué)科的戰(zhàn)

5、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2022/7/23（1）要站在整個(gè)學(xué)科的高度縱觀物理化學(xué)的主要線條。 （2）要認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)具體的基本概念和公式定理。（3）要領(lǐng)會(huì)物理化學(xué)解決實(shí)際問題的科學(xué)方法。0.2 學(xué)習(xí)物理化學(xué)的要求及方法2022/7/23如何學(xué)好物理化學(xué)第一環(huán)節(jié)：認(rèn)真聽課預(yù)習(xí)。認(rèn)真聽課：注意以下三點(diǎn) 基本概念； 公式推導(dǎo)過程和公式的限制條件； 基本概念和公式如何在例題中應(yīng)用。作好筆記。第二環(huán)節(jié)：課后復(fù)習(xí)和做習(xí)題復(fù)習(xí)

6、：整理和補(bǔ)充筆記，注意及時(shí)總結(jié)；做習(xí)題：一看、二仿、三做。2022/7/23 教材： 物理化學(xué)（上、下） （第五版） 天津大學(xué)編 推薦參考書： 物理化學(xué) 傅獻(xiàn)彩等編（南京大學(xué)編) 物理化學(xué) 胡英主編（華東理工大學(xué)編） 物理化學(xué) 韓德剛 高執(zhí)棣 高盤良(北京大學(xué)編） 物理化學(xué)習(xí)題解答 天津大學(xué)編 物理化學(xué)習(xí)題解答 王文清等編（北京大學(xué)） 2022/7/23 0.3 物理量的表示及運(yùn)算物理量由數(shù)值和單位構(gòu)成,簡稱量。 物理量 = 數(shù)值 * 單位對(duì)物理量須注意：1.物理量x不僅包括數(shù)值,還包括單位。2.含物理量的代數(shù)方程式中，只有量綱相同的物理量才能以加、減號(hào)或等號(hào)相聯(lián)結(jié)。例:Ykxbc中， Y、k

7、x、b、c 四項(xiàng)單位須相同。3.ln x 和 ex 中x為無量綱的純數(shù)。 Ln p=ln p/pa4.以物理量作圖或列表時(shí)須化為純數(shù)。 物理量/單位=數(shù)值 例:2022/7/23 例如：純水的飽和蒸氣壓： T/K P/Pa323.15 12360343.15 31157353.15 47343363.15 70096373.15 101325P/Pa lg （P/Pa ）T/K2022/7/23 例： P/paP/pa103P/pa1030.003153.153.150.002522.522.520.004044.044.040.006556.556.550.008088.088.082022

8、/7/23續(xù)因?yàn)椋憾?P/pa=3.15103因此：P/pa 103 =3.15 (正確）2022/7/23 1.1 理想氣體狀態(tài)方程17世紀(jì)中期,人們開始研究低壓下的氣體,發(fā)現(xiàn)對(duì)各種純氣體都適用的三個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律: 定律: 恒溫時(shí)，一定量的氣體的體積與壓力成反比。 ( )T,n p1/V, 即：pV=C Gay-lussac定律: 恒壓時(shí)，一定量的氣體的體積與絕對(duì)溫度成正比。 ( )p,n VT, 即：V/T=C Avogadro定律: 同溫同壓下，相同體積的氣體含有相同的摩爾數(shù)。 ( )T,p Vn, 即：V/n=C條件：壓力越低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與三條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律吻合得越好。第一章 氣體的PVT關(guān)系20

9、22/7/231. 理想氣體狀態(tài)方程: 2. 理想氣體的定義及微觀模型定義： 在任何溫度、壓力下均服從理想氣體狀態(tài)方程的氣體。微觀模型： 1)分子之間無相互作用力。2)分子本身不占有體積。2022/7/233. 摩爾氣體常數(shù)理想氣體狀態(tài)方程中的氣體常數(shù) R 是通過實(shí)驗(yàn)測定出來的，真實(shí)氣體只有在壓力趨于零時(shí)才嚴(yán)格服從理想氣體狀態(tài)方程， R值實(shí)際是采用外推法得到的。R=8.3145 J mol-1 K-12022/7/231.2 理想氣體混合物摩爾分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)混合物的摩爾質(zhì)量2022/7/23續(xù)3.道爾頓定律與分壓力道爾頓定律： 混合氣體總壓P為各組分單獨(dú)存在于混合氣體的溫度、體積條件下產(chǎn)

10、生壓力 PB 的總和。對(duì)于理想氣體：總壓 P（na+nb+nc+） na+nb + nc+ nB 即 P PB分壓力 PB= y B P 對(duì)理想氣體 PB nB RT/V2022/7/23續(xù)4.阿馬加定律與分體積混合氣體中任一組分B的分體積VB ：是所含 nB 的 B 單獨(dú)存在于混合氣體的溫度、總壓力條件下占有的體積。阿馬加定律：混合氣體的總體積等于各組分的分體積的總和。 即 V = VB . 分體積 VB = yB V 對(duì)理想氣體 VB= nB R T /P 對(duì)實(shí)際氣體不適用。2022/7/231.3 氣體的液化及臨界參數(shù)1.處于氣液平衡的氣體稱為飽和蒸氣,液體稱為飽和液體.2022/7/2

11、3續(xù)2.在一定的溫度下，與液體成平衡的飽和蒸氣所具有的壓力稱為飽和蒸氣壓,有時(shí)簡稱蒸氣壓.3.飽和蒸氣壓是由物質(zhì)的本性所決定的,對(duì)于任一種物質(zhì)來說,不同溫度下具有不同的飽和蒸氣壓,飽和蒸氣壓是隨溫度的升高而急速增大的.4.當(dāng)液體飽和蒸氣壓與外界壓力相等時(shí),液體沸騰,此時(shí)相應(yīng)的溫度稱為液體的沸點(diǎn).習(xí)慣將外壓下的沸點(diǎn)稱為正常沸點(diǎn).2022/7/23臨界參數(shù)臨界溫度(Tc):氣體加壓液化所允許的最高溫度。臨界壓力(Pc):氣體在臨界溫度時(shí)發(fā)生液化所需的最小壓力。臨界摩爾體積(Vm,c):物質(zhì)在臨界溫度、臨界壓力下的摩爾體積。圖 真實(shí)氣體P Vm等溫線示意圖2022/7/231.4 真實(shí)氣體狀態(tài)方程1

12、.真實(shí)氣體的 pVmp 狀態(tài)方程任何氣體都有一個(gè)特殊的溫度TB,稱為波義爾溫度。在TB下，壓力趨于零時(shí)， pVmp 等溫線的斜率為零。2022/7/23 2.范德華方程( P + a / Vm2 ) ( Vmb ) = R T 或 ( P + a n2 / V2 ) ( Vn b ) = n RT 其中,a、b為范德華常數(shù)a 值：表示分子間相互吸引力的大小。a值大相互作用力大，氣體容易液化。b 值：與分子的體積有關(guān),b值約 4 倍于分子體積。當(dāng)P0時(shí), Vm ,此時(shí)范方程還原為理想氣體狀態(tài)方程。2022/7/23 一些氣體的范德華常數(shù)： 氣體 a b（ 1） H2 N2 O2 CH4 CO2 3.59 0.0427 NH3 4.17 0.0371 Cl2 CCl42022/7/233. 維里方程Bi : virial coefficient2022/7/231.5 對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理及普遍化壓縮因子圖1.以壓縮因子Z來描述實(shí)際氣體對(duì)理想氣體的偏差 即：PV= Z nRT 壓縮因子Z： Z = PV/nRT= PVm /RT 對(duì)理想氣體 Z =1比理想氣體易壓縮 Z 12022/7/23臨界壓縮因子(critical compression factor)物質(zhì) He Ar N2 O2 CO CO2 CH4 zc 2022/7/23續(xù)2.對(duì)應(yīng)狀態(tài)原理對(duì)比壓力