(2024年)天津大學(xué)物理化學(xué)課件

天津大學(xué)物理化學(xué)課件12024/3/26CONTENTS課程介紹與背景熱力學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)電化學(xué)原理及應(yīng)用表面現(xiàn)象與膠體化學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系探討22024/3/26課程介紹與背景0132024/3/26物理化學(xué)是研究物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學(xué)變化之間關(guān)系的科學(xué)。物理化學(xué)在化學(xué)、化工、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。掌握物理化學(xué)的基本概念和原理，對(duì)于理解化學(xué)現(xiàn)象和本質(zhì)，以及推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展具有重要意義。物理化學(xué)定義及重要性42024/3/26010302注重理論與實(shí)踐的結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)和案例分析加深對(duì)理論知識(shí)的理解。課程內(nèi)容豐富，包括熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電化學(xué)、表面化學(xué)等多個(gè)方面。04采用多種教學(xué)方法和手段，如課堂講授、小組討論、在線學(xué)習(xí)等，提高教學(xué)效果。強(qiáng)調(diào)學(xué)科交叉，引入相關(guān)領(lǐng)域的最新研究成果和應(yīng)用實(shí)例。天津大學(xué)物理化學(xué)課程特色52024/3/26掌握物理化學(xué)的基本概念和原理，理解相關(guān)現(xiàn)象和本質(zhì)。能夠運(yùn)用物理化學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問題。培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，提高綜合素質(zhì)。樹立正確的科學(xué)態(tài)度和價(jià)值觀，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和使命感。教學(xué)目標(biāo)與要求62024/3/26每周3學(xué)時(shí)，共36學(xué)時(shí)。其中課堂講授24學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí)。課程安排平時(shí)成績占30%，包括作業(yè)、課堂表現(xiàn)、小組討論等；期末考試成績占70%?？己朔绞秸n程安排及考核方式72024/3/26熱力學(xué)基礎(chǔ)0282024/3/26研究對(duì)象，與周圍環(huán)境相互作用的物質(zhì)體系。系統(tǒng)狀態(tài)變化所經(jīng)歷的過程和具體途徑。系統(tǒng)與周圍環(huán)境交換能量的兩種方式。描述系統(tǒng)性質(zhì)的物理量，如溫度、壓力、體積等。熱力學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)過程與途徑熱與功熱力學(xué)基本概念92024/3/26123熱力學(xué)第一定律的實(shí)質(zhì)，表明能量不能創(chuàng)造也不能消滅，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。能量守恒系統(tǒng)內(nèi)部所有微觀粒子各種運(yùn)動(dòng)形式的能量總和。內(nèi)能ΔU=Q+W，其中ΔU為內(nèi)能變化，Q為吸收或放出的熱量，W為外界對(duì)系統(tǒng)做功或系統(tǒng)對(duì)外界做功。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式熱力學(xué)第一定律102024/3/26表明與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過程具有方向性，是不可逆的。熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì)開爾文表述克勞修斯表述熵增加原理不可能從單一熱源吸熱并全部用來做功，而不引起其他變化。熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體。孤立系統(tǒng)的熵永不減少，即ΔS≥0，其中S為熵，表示系統(tǒng)的無序程度。熱力學(xué)第二定律112024/3/26熵的定義表示系統(tǒng)無序程度的物理量，符號(hào)為S。對(duì)于可逆過程，熵的變化ΔS=Q/T，其中Q為吸收或放出的熱量，T為熱力學(xué)溫度。自由能概念在特定條件下能夠用來做功的能量，包括吉布斯自由能和亥姆霍茲自由能。吉布斯自由能G=H-TS，其中H為焓，T為熱力學(xué)溫度，S為熵；亥姆霍茲自由能A=U-TS，其中U為內(nèi)能。熵與自由能概念122024/3/26化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)03132024/3/26化學(xué)反應(yīng)速率及影響因素化學(xué)反應(yīng)速率定義：單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物或生成物濃度的變化量。反應(yīng)物濃度：濃度越高，反應(yīng)速率越快。催化劑：降低活化能，加快反應(yīng)速率。影響因素溫度：溫度越高，反應(yīng)速率越快。光照、輻射、壓力等也會(huì)影響某些反應(yīng)的速率。142024/3/26分子間發(fā)生有效碰撞才能引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，有效碰撞需滿足能量和方向兩個(gè)條件。反應(yīng)物分子從初態(tài)到發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需的最小能量差，稱為活化能?；罨茉降?，反應(yīng)越容易進(jìn)行。碰撞理論與活化能概念活化能概念碰撞理論152024/3/26某些化學(xué)反應(yīng)中一個(gè)分子被活化后，可以引發(fā)一系列后續(xù)反應(yīng)，形成反應(yīng)鏈。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在燃燒、爆炸等現(xiàn)象中起重要作用。鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在光的作用下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。光化學(xué)反應(yīng)涉及能量吸收、電子躍遷等過程，對(duì)光化學(xué)煙霧、光合作用等現(xiàn)象有重要意義。光化學(xué)反應(yīng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)與光化學(xué)反應(yīng)簡介162024/3/26作用原理提供新的反應(yīng)途徑，降低活化能。在反應(yīng)過程中循環(huán)使用，不消耗自身。與反應(yīng)物形成中間產(chǎn)物，使反應(yīng)更容易進(jìn)行。催化劑定義：能改變化學(xué)反應(yīng)速率而本身在反應(yīng)前后質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變的物質(zhì)。催化劑作用原理172024/3/26電化學(xué)原理及應(yīng)用04182024/3/26原電池工作原理通過自發(fā)的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，正極發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過外電路從負(fù)極流向正極。電解池工作原理在外加電源作用下，電解質(zhì)溶液中的陰陽離子分別向兩極遷移并在電極上發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，從而將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。原電池與電解池工作原理192024/3/26電極過程動(dòng)力學(xué)分析電極反應(yīng)速率控制步驟電極過程通常包括液相傳質(zhì)、電子轉(zhuǎn)移和生成新相步驟，其中速率最慢的步驟稱為控制步驟，決定了電極反應(yīng)的總速率。電極過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括交換電流密度、電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)、反應(yīng)活化能等，這些參數(shù)反映了電極反應(yīng)的難易程度和速率快慢。202024/3/26燃料電池技術(shù)及應(yīng)用前景燃料電池是一種將燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。其基本原理是電解水的逆過程，通過催化劑使燃料和氧化劑在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電流。燃料電池工作原理燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)境友好、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交通、航天、軍事等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，燃料電池的應(yīng)用前景將更加廣闊。燃料電池應(yīng)用前景212024/3/26金屬腐蝕類型包括化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕等。其中電化學(xué)腐蝕是最常見且危害最大的一種腐蝕形式。金屬防護(hù)方法針對(duì)金屬腐蝕問題，可以采取多種防護(hù)措施，如合理選材、改變金屬結(jié)構(gòu)、覆蓋保護(hù)層、電化學(xué)保護(hù)等。這些方法可以有效減緩或防止金屬的腐蝕過程，延長金屬的使用壽命。金屬腐蝕與防護(hù)方法222024/3/26表面現(xiàn)象與膠體化學(xué)基礎(chǔ)05232024/3/26表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。表面張力的定義和物理意義潤濕現(xiàn)象是指固體表面上的氣體被液體取代的過程，根據(jù)潤濕程度的不同，可分為沾濕、浸濕和鋪展三種類型。潤濕現(xiàn)象及其分類接觸角是氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線與固-液交界線之間的夾角，潤濕方程則描述了接觸角與表面張力之間的關(guān)系。接觸角和潤濕方程表面張力與潤濕現(xiàn)象242024/3/26

吸附作用原理及分類吸附現(xiàn)象及其分類吸附現(xiàn)象是指物質(zhì)在相界面上的濃度自動(dòng)發(fā)生變化的現(xiàn)象，根據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑之間作用力的不同，可分為物理吸附和化學(xué)吸附。吸附等溫線及其類型吸附等溫線描述了在一定溫度下，吸附量隨平衡壓力變化的關(guān)系，常見的吸附等溫線類型有I型、II型、III型、IV型和V型。吸附熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)吸附熱力學(xué)研究吸附過程中的能量變化，而吸附動(dòng)力學(xué)則研究吸附速率和影響因素。252024/3/26膠體的定義和分類01膠體是一種高度分散的多相體系，其中分散相粒子的直徑在1~100nm之間，根據(jù)分散相和分散介質(zhì)的不同，可分為液溶膠、氣溶膠和固溶膠。膠體的基本性質(zhì)02膠體具有丁達(dá)爾效應(yīng)、電泳現(xiàn)象、布朗運(yùn)動(dòng)等基本性質(zhì)。膠體的穩(wěn)定性及其影響因素03膠體的穩(wěn)定性是指膠體在長時(shí)間內(nèi)保持其分散狀態(tài)的能力，影響因素包括電解質(zhì)的作用、膠粒的帶電情況、溶劑化作用等。膠體性質(zhì)及其穩(wěn)定性分析262024/3/26納米材料的定義和特性納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等特性。納米材料制備技術(shù)分類納米材料制備技術(shù)可分為物理法、化學(xué)法和綜合法三大類，其中物理法包括真空蒸發(fā)法、激光脈沖法等，化學(xué)法包括氣相沉積法、溶膠凝膠法等，綜合法則結(jié)合了物理和化學(xué)方法。納米材料的應(yīng)用前景納米材料在催化、濾光、光吸收、醫(yī)藥、磁介質(zhì)及新材料等方面有廣泛的應(yīng)用前景，同時(shí)也可用于化妝品中起到防曬、美白等作用。納米材料制備技術(shù)簡介272024/3/26物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系探討06282024/3/26離子晶體分子晶體原子晶體金屬晶體晶體結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn)分析由正負(fù)離子通過離子鍵結(jié)合形成的晶體，具有高熔點(diǎn)、硬度和脆性，以及良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。由原子通過共價(jià)鍵結(jié)合形成的晶體，具有高熔點(diǎn)、硬度和導(dǎo)電性，如金剛石和硅。由分子間作用力結(jié)合形成的晶體，具有較低的熔點(diǎn)和硬度，以及良好的絕緣性。由金屬原子通過金屬鍵結(jié)合形成的晶體，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。292024/3/26沒有長程有序結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，如玻璃、塑料等。介于晶體和無定形物質(zhì)之間的一種物質(zhì)狀態(tài)，具有部分有序性，如液晶顯示材料。由大量重復(fù)單元組成的長鏈分子，如聚合物和生物大分子。無定形物質(zhì)液晶態(tài)物質(zhì)高分子物質(zhì)非晶體物質(zhì)結(jié)構(gòu)概述302024/3/26利用量子力學(xué)原理計(jì)算物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，如密度泛函理論和哈特里-?？朔椒āＭㄟ^計(jì)算機(jī)模擬分子的行為和相互作用，以預(yù)測(cè)物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，如分子動(dòng)力學(xué)模擬和蒙特卡羅模擬?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式建立模型，以預(yù)測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)，如基團(tuán)貢獻(xiàn)法和定量結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系（QSPR）方法?；诹孔恿W(xué)的方法分子模擬方法經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)方法物質(zhì)性質(zhì)預(yù)測(cè)方法介紹312024/3/26利用納米技術(shù)制備的材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和光