广西大学物理化学课件-00章-绪论及01章-气体的pvt关系

1、2019/4/20,物理化学（一）,广西大学化学化工学院 许雪棠,2019/4/20,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,2019/4/20,0.1 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。,2019/4/20,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-,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（唐有棋）-,2019/4/20,物理化学的主要内容,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

2、常压下寻找固氮的途径。,2019/4/20,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。,2019/4/20,物理化学的发展史,第一阶段：1887 - 1920s 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,2019/4/20,第二阶段：1920s - 1960s 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,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,

3、2019/4/20,第三阶段：1960s 今 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。,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,2019/4/20,物理化学的现况和发展, 宏观微观：测定空间结构；量子化学 体相表相：表面化学；催化 静态动态：分子反应动力学 定性定量：计算机 单一学科交叉、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、计算化学、表面化学、金属有机化学等 平衡态非平衡态。,2019/4/20,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,2019/4/20,（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 学习物理化学的要求及方法,2019/4/20,如何学好物理化学,第一环节：认真听课

4、 预习。 认真听课：注意以下三点 基本概念； 公式推导过程和公式的限制条件； 基本概念和公式如何在例题中应用。 作好笔记。 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； 做习题：一看、二仿、三做。,2019/4/20,教材： 物理化学（上、下） （第五版） 天津大学编 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）,2019/4/20,0.3 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 = 数值 * 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/pa 4.以物理量作图或列表时须化为纯数。 物理量/单位=数值 例:T/K=273.15,2019/4/20,例如：纯水的饱和蒸气压：

5、 T/K P/Pa 303.15 4242.9 323.15 12360 343.15 31157 353.15 47343 363.15 70096 373.15 101325,P/Pa,lg （P/Pa ）,T/K,2019/4/20,例：,2019/4/20,续,因为：P/pa = 0.00315 而 P/pa=3.15103 因此：P/pa 103 =3.15 (正确）,2019/4/20,1.1 理想气体状态方程 17世纪中期,人们开始研究低压下的气体,发现对各种纯气体都适用的三个经验规律:, R.Boyle定律: 恒温时，一定量的气体的体积与压力成反比。 ( )T,n p1/V, 即：pV=C Gay-lussac定律: 恒压时，一定量的气体的体积与绝对温度成正比。 ( )p,n VT, 即：V/T=C Avogadro定律: 同温同压下，相同体积的气体含有相同的摩尔数。 ( )T,p Vn, 即：V/n=C 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,2019/4/20,1. 理想气体状态方程: 2. 理想气体的定义及微观模型 定义： 在

6、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： 1)分子之间无相互作用力。 2)分子本身不占有体积。,2019/4/20,3. 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-1,2019/4/20,1.2 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,2019/4/20,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/V,2019/4/20,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VB ：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

7、总和。 即 V = VB . 分体积 VB = yB V 对理想气体 VB= nB R T /P 对实际气体不适用。,2019/4/20,1.3 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.,2019/4/20,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.,2019/4/20,临界参数,临界温度(Tc):气体加压液化所允许的最高温度。 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(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,2019/4/20,1.4 真实气体状态方程,1.真实气体的 pVmp 状态方程 任何气体都有一个特殊的温度TB, 称为波义尔温度。 在TB下，压力趋

8、于零时， pVmp 等温线的斜率为零。,2019/4/20,2.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。,2019/4/20,一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 0.1383,2019/4/20,3. 维里方程,Bi : virial coefficient,2019/4/20,1.5 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 1,2019/4/20,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 0.289,2019/4/20,续,2.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：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.压缩因子图 Z= PV/（nRT）， 又P= PrPc ， T = TrTc Z =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。,2019/4/20,压缩因子图,2019/4/20,压缩因子图的使用方法,Z,Pr,Tr=1.0,2,0.3,由Tr=1.0, Pr=2 , 查出Z=0.3,

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