广西大学物理化学课件-00章-绪论及01章-气体的PVT关系.ppt

广西大学物理化学课件-00章-绪论及01章-气体的PVT关系绪论绪论0.1 物理化学课程的内容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2021/5/2220.1 0.1 物理化学课程的内容物理化学课程的内容物理化学-从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手，从而探求化学变化中具有普遍性的基本规律。在实验方法上主要采用物理学中的方法。2021/5/223 物理化学是研究化学学科中的原理和方法物理化学是研究化学学科中的原理和方法,研究化学研究化学体系行为最一般规律和理论的学科体系行为最一般规律和理论的学科,是化学的理论基础。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-以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性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。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（唐有棋）中国大百科全书（唐有棋）-2021/5/224物理化学的主要内容物理化学的主要内容 化学热力学化学热力学化学变化的方向和限度，以及伴随发生的能量转换关系；例如合成氨，常温常压下能否进行？产率？化学动力学化学动力学化学反应的速率和机理；上例理论上可行。关键是寻找合适的催化剂和反应途径（模拟生物固氮）结构化学结构化学物质的性质与其微观结构的关系。例如研究与氮分子有关的配合物的结构，以及它们在不同条件下的变化，就有利于常温常压下寻找固氮的途径。2021/5/225其它分支学科还包括：电化学、表面及胶体化学、光化学等。物理化学与能源、环境、生命、材料、信息等领域基础科学相交叉，积极推动新的学科生长点的产生。物理化学在化学和相关科学的发展中发挥越来越重要的作用。2021/5/226物理化学的发展史第一阶段：第一阶段：1887-19201887-1920s s化学平衡和化学反应速率的唯象规律的建立化学平衡和化学反应速率的唯象规律的建立19世纪中叶 热力学第一定律和热力学第二定律的提出1850 Wilhelmy 第一次定量测定反应速率1879 质量作用定律建立1889 Arrhenius 公式的建立和活化能概念的提出1887 德文“物理化学”杂志创刊1906-1912 Nernst热定理和热力学第三定律的建立2021/5/227第二阶段：第二阶段：19201920s-1960ss-1960s结构化学和量子化学的蓬勃发展和化结构化学和量子化学的蓬勃发展和化学变化规律的微观探索学变化规律的微观探索1926 量子力学建立1927 求解氢分子的薛定谔方程1931 价键理论建立1932 分子轨道理论建立1935 共振理论建立1918 提出双分子反应的碰撞理论1935 建立过渡态理论1930 提出链反应的动力学理论2021/5/228第三阶段：第三阶段：19601960s s 今今 由于激光技术和计算机技术的发展，由于激光技术和计算机技术的发展，物理化学各领域向更深度和广度发展。物理化学各领域向更深度和广度发展。当前的前沿领域：分子动态学表面与界面物理化学非平衡非线性化学分子设计与分子工程学2021/5/229物理化学的现况和发展物理化学的现况和发展 宏观宏观微观：测定空间结构；量子化学微观：测定空间结构；量子化学 体相体相表相：表面化学；催化表相：表面化学；催化 静态静态动态：分子反应动力学动态：分子反应动力学 定性定性定量：计算机定量：计算机 单一学科单一学科交叉、边缘学科：生物化学、药物化学交叉、边缘学科：生物化学、药物化学、地球化学、海洋化学、天体化学、材料化学、计算、地球化学、海洋化学、天体化学、材料化学、计算化学、表面化学、金属有机化学等化学、表面化学、金属有机化学等 平衡态平衡态非非平衡态。平衡态。2021/5/2210 物理化学学科的战略地位物理化学学科的战略地位 (1)物理化学是化学科学的理论基础及重要组成学科(2)物理化学极大地扩充了化学研究的领域 (3)物理化学促进相关学科的发展 (4)物理化学与国计民生密切相关(5)物理化学是培养化学人才的必需2021/5/2211（1）要站在整个学科的高度纵观物理化学的主要线条。（2）要认真对待每一个具体的基本概念和公式定理。（3）要领会物理化学解决实际问题的科学方法。0.2 0.2 学习物理化学的要求及方法学习物理化学的要求及方法2021/5/2212如何学好物理化学如何学好物理化学第一环节：认真听课第一环节：认真听课预习。预习。认真听课：注意以下三点认真听课：注意以下三点 基本概念；基本概念；公式推导过程和公式推导过程和公式的限制条件公式的限制条件；基本概念和公式如何在例题中应用。基本概念和公式如何在例题中应用。作好笔记。作好笔记。第二环节：课后复习和做习题第二环节：课后复习和做习题复习：整理和补充笔记，注意及时总结；复习：整理和补充笔记，注意及时总结；做习题：一看、二仿、三做。做习题：一看、二仿、三做。2021/5/2213 教材：教材：物理化学（上、下）（第五版）天津大学编 推荐参考书：推荐参考书：物理化学 傅献彩等编（南京大学编)物理化学 胡英主编（华东理工大学编）物理化学 韩德刚 高执棣 高盘良(北京大学编）物理化学习题解答 天津大学编 物理化学习题解答 王文清等编（北京大学）2021/5/2214 0.3 0.3 物理量的表示及运算物理量的表示及运算物理量由数值和单位构成,简称量。物理量物理量=数值数值 *单位单位对物理量须注意：1.物理量x不仅包括数值,还包括单位。2.含物理量的代数方程式中，只有量纲相同的物理量才能以加、减号或等号相联结。例:Ykxbc中，Y、kx、b、c 四项单位须相同。3.ln x 和 ex 中x为无量纲的纯数。Ln p=ln p/pa4.以物理量作图或列表时须化为纯数。物理量物理量/单位单位=数值数值 例:T/K=273.152021/5/2215 例如：纯水的饱和蒸气压：T/K P/Pa303.15 4242.9323.15 12360343.15 31157353.15 47343363.15 70096373.15 101325P/Pa lg（P/Pa）T/K2021/5/2216 例：2021/5/2217续续因为：P/pa=0.00315而 P/pa=3.15103因此：P/pa 103=3.15 (正确）2021/5/2218 1.1 1.1 理想气体状态方程理想气体状态方程1717世纪中期世纪中期,人们开始研究低压下的气体人们开始研究低压下的气体,发现对各种纯气体都适用发现对各种纯气体都适用的三个经验规律的三个经验规律:R.BoyleR.Boyle定律定律:恒温时，一定量的气体的体积与压力成反比。恒温时，一定量的气体的体积与压力成反比。()()T,nT,n p p 1/V,1/V,即：即：pV=CpV=C Gay-lussacGay-lussac定律定律:恒压时，一定量的气体的体积与绝对温度成恒压时，一定量的气体的体积与绝对温度成正比。正比。()()p,np,n V V T,T,即：即：V/T=CV/T=C AvogadroAvogadro定律定律:同温同压下，相同体积的气体含有相同的同温同压下，相同体积的气体含有相同的摩尔数。摩尔数。()()T,pT,p V V n,n,即：即：V/V/n n=C=C条件：压力越低，实验结果与三条经验规律吻合得越好。条件：压力越低，实验结果与三条经验规律吻合得越好。第一章 气体的PVT关系2021/5/22191.理想气体状态方程:2.理想气体的定义及微观模型定义：定义：在任何温度、压力下均服从理想气体状态方程的气体。微观模型微观模型：1)1)分子之间无相互作用力。分子之间无相互作用力。2)2)分子本身不占有体积。分子本身不占有体积。2021/5/22203.3.摩尔气体常数摩尔气体常数理想气体状态方程中的气体常数 R 是通过实验测定出来的，真实气体只有在压力趋于零时才严格服从理想气体状态方程，R值实际是采用外推法得到的。R=8.3145 J mol-1 K-12021/5/22211.2 1.2 理想气体混合物理想气体混合物1.混合物的组成表示摩尔分数质量分数体积分数2.理想气体状态方程对混合物的应用混合物的摩尔质量2021/5/2222续续3.道尔顿定律与分压力道尔顿定律：混合气体总压P为各组分单独存在于混合气体的温度、体积条件下产生压力 PB 的总和。对于理想气体：总压 P（na+nb+nc+）na+nb+nc+nB 即 P PB分压力 PB=y B P 对理想气体 PB nB RT/V2021/5/2223续4.阿马加定律与分体积混合气体中任一组分B的分体积分体积V VB B：是所含 nB 的 B 单独存在于混合气体的温度、总压力条件下占有的体积。阿马加定律：混合气体的总体积等于各组分的分体积的总和。即 V=VV=VB B.分体积 VB=yB V 对理想气体 VB=nB R T/P 对实际气体不适用实际气体不适用。2021/5/22241.3 1.3 气体的液化及临界参数气体的液化及临界参数1.处于气液平衡的气体称为饱和蒸气,液体称为饱和液体.2021/5/2225续2.在一定的温度下，与液体成平衡的饱和蒸气所具有的压力称为饱和蒸气压,有时简称蒸气压.3.饱和蒸气压是由物质的本性所决定的,对于任一种物质来说,不同温度下具有不同的饱和蒸气压,饱和蒸气压是随温度的升高而急速增大的.4.当液体饱和蒸气压与外界压力相等时,液体沸腾,此时相应的温度称为液体的沸点.习惯将101.325kPa外压下的沸点称为正常沸点.2021/5/2226临界参数临界参数临界温度临界温度(Tc):气体加压液化所允许的最高温度。临界压力临界压力(Pc):气体在临界温度时发生液化所需的最小压力。临界摩尔体积临界摩尔体积(Vm,c):):物质在临界温度、临界压力下的摩尔体积。图1.3.2 真实气体P Vm等温线示意图2021/5/22271.4 1.4 真实气体状态方程真实气体状态方程1.真实气体的真实气体的 pV pVm mp p 状态方程状态方程任何气体都有一个特殊的温度任何气体都有一个特殊的温度T TB B,称为波义尔温度。称为波义尔温度。在在T TB B下，压力趋于零时，下，压力趋于零时，pV pVm mp p 等温线的斜率为零。等温线的斜率为零。2021/5/2228 2.2.范德华方程范德华方程(P+a/Vm2 )(Vmb)=R T 或(P+a n2/V2 )(Vn b)=n RT 其中,a、b为范德华常数a 值：表示分子间相互吸引力的大小。a值大相互作用力大，气体容易液化。b 值：与分子的体积有关,b值约 4 倍于分子体积。当P0时,Vm,此时范方程还原为理想气体状态方程。2021/5/2229 一些气体的范德华常数：气体 a b（l.mol1）H2 0.244 0.0237 He 0.211 0.0171 N2 1.39 0.0391 O2 1.35 0.0318 CH4 2.25 0.0428 CO2 3.59 0.0427 NH3 4.17 0.0371 Cl2 6.49 0.0562 CCl4 20.39 0.13832021/5/22303 3.维里方程维里方程Bi:virial coefficient2021/5/22311.5 1.5 对应状态原理及普遍化压缩因子图对应状态原理及普遍化压缩因子图1.以压缩因子Z来描述实际气体对理想气体的偏差 即：PV=Z nRT 压缩因子Z：Z=PV/nRT=PVm/RT 对理想气体 Z=1比理想气体易压缩 Z 12021/5/2232临界压缩因子(critical compression factor)物质 He Ar N2 O2 CO CO2 CH4 zc 0.299 0.291 0.289 0.294 0.288 0.274 0.289 2021/5/2233续续2.2.对应状态原理对应状态原理对比压力:Pr=P/Pc 对比温度:Tr=T/Tc 对比摩尔体积:Vr=Vm/Vm,c对应状态原理对应状态原理：不同气体有两个对比参数彼此相同时，则第三个对比参数大致相等。3.3.压缩因子图压缩因子图Z=PV/（nRT），又P=PrPc，T=TrTcZ=ZcPrVr/Tr=f(Pr，Tr)由图可知,1)不同气体处于对应状态时其Z值相等,.2)Pr 0时所有气体的Z 1。2021/5/2234压缩因子图2021/5/2235压缩因子图的使用方法ZPrTr=1.020.3由Tr=1.0,Pr=2 ,查出Z=0.32021/5/2236汇报结束谢谢大家!请各位批评指正