物理化学绪论专题省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,物理化学简明教程,主 讲：,丁 瑜,Email:dy9802,Tel:[phone],第1页,Contents,绪 论,1,相关数学知识复习,2,相关气体知识复习,3,第2页,一、绪 论,1.,什么是物理化学,物理化学是从物质物理现象和化学现象联络入手，来探求化学改变及相关物理改变基本规律一门科学,傅献彩,以物理原理和试验技术为基础，研究化学体系性质和行为，发觉并建立化学体系特殊规律学科。,唐有祺,第3页,2.,物理化学研究内容,一、绪 论,1,2,3,化学反应方向、程度和能量效应,化学体系平衡性质,化学反应速率和 反应机理,化学体系动态性质,化学体系微观结构和性质,第4页,一、绪 论,化学热力学,化学动力学与分子反应动态学,结构化学与分子谱学,理论化学（化学统计力学、分子工程学、非线性物理化学）,其它分支学科还包含：,电化学、表面及胶体化学、光化学等,将物理化学原理应用于不一样体系，则产生了物理有机化学、生物物理化学、冶金物理化学等等。,第5页,3.,物理化学建立与发展,第一阶段：,18871920,：化学平衡和化学反应速率唯象规律建立,19,世纪中叶：热力学第一定律和热力学第二定律提出,1850,：,Wilhelmy,第一次定量测定反应速率,1879,：质量作用定律建立,1889,：德文“物理化学”杂志创刊,19061912,：,Nernst,热定律和热力学第三定律建立,一、绪 论,第6页,第二阶段：,1920s1960s,：结构化学和量子化学蓬勃发展和化学改变规律微观探索,1926,：量子力学建立,1927,：求解氢分子薛定谔方程,1931,：分子轨道理论建立,1935,：共振理论建立,1918,：提出双分子反应碰撞理论,1935,：建立过渡态理论,1930,：提出链反应动力学理论,一、绪 论,第7页,第三阶段：,1960s,：因为激光技术和计算机技术发展，物理化学各领域向更深度和广度发展,宏观 微观,静态 动态,体相 表相,平衡态 非平衡态,一、绪 论,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,第8页,4.,物理化学学科战略地位,(1),物理化学是化学学科理论基础及主要组成学科,(2),物理化学极大扩充了化学研究领域,(3),物理化学促进相关学科发展,(4),物理化学与国际民生亲密相关,(5),物理化学式培养化学人才必需,一、绪 论,第9页,5.,物理化学研究方法,物理化学式化学学科中一个主要分支，是化学科学理论基础,一、绪 论,压力,p,体积,V,改变,温度,T,化学反应,伴伴随,总结规律,物,理,化,学,能量转化,第10页,研究方法：,以物理学基本原理和试验伎俩为基础，借助数学方法来研究化学反应规律,逻辑推理法。,如：热力学方法,(,宏观,),化学热力学；,统计力学方法,化学统计热力学；,量子力学,(,微观,),量子化学；,光学,光化学；,电学,电化学。,一、绪 论,第11页,化学动力学,化学反应速率和机理,化学热力学,化学改变方向和程度，以及伴随发生能量转换关系；,结构化学,物质性质与其微观结构关系,一、绪 论,1,2,3,6.,物理化学所担负主要任务：,第12页,7.,学习物理化学目标和意义,8.,怎样学好物理化学,(1),预习,(2),认真听课：基本概念、公式推导和公式,限制条件,(3),做好笔记：课后复合和做习题,一、绪 论,第13页,怎样学习物理化学,多做题目,物理化学,善于分类总结,第14页,第一章 热力学第一定律,热力学,反应过程,宏观,统计力学,量子力学,微观,运算,薛定谔方程,Ervin Schrdinger,动力学,第15页,热力学,(thermodynamics),起源于,1824,年,Carnot,（卡诺）对热机效率研究；,19,世纪末，热力学发展成研究热与其它形式能量相互转化所遵照规律一门学科,。,1.1,热力学概论,第16页,（,3,）利用热力学基本原理研究,热力学平衡系统,热力学性质以及各种性质间相互关系普通规律。,化学热力学,热力学基本原理在化学现象以及和化学现象相关物理现象中应用称为,化学热力学,：,（,1,）利用热力学第一定律处理热力学系统改变过程中,能量计算,问题。重点处理化学反应热效应计算问题。,（,2,）利用热力学第二定律处理系统改变过程可能性问题，即过程性责问题。重点处理化学反应改变,自发方向和程度问题,。,第17页,热力学看问题角度,热力学采取宏观研究方法：依据系统,初始、终了状态,及过程进行,外部条件,（均是,能够测量宏观物理量,）对系统改变规律进行研究。不包括物质微观结构和过程进行机理。,第18页,一 系统与系统性质,三 状态函数,四 过程与路径,二 系统,状,态,五 热力学平衡,热力学基本概念,第19页,系统与环境,系统（,System,）,在科学研究时必须先确定研究对象，把一部分物质与其余分开，这种分离能够是实际，也能够是想象。这种,被划定研究对象称为系统,，亦称为,物系或体系,。,环境（,surroundings,）,与系统亲密相关、有相互作用或影响所能及部分称为环境。,系统,环境,第20页,系统分类,依据系统与环境,之间关系，把,系统分为三类：,（,1,）敞开系,统,（,open system,）,系统与环境之间,现有物质交换,，,又有能量交换,。,第21页,（,2,）封闭系统,（,closed system,）,系统与环境之间,无物质交换,，,不过有能量交换,。,第22页,（,3,）隔离系统,isolatedsystem,系统与环境之间,既无物质交换,，,又无能量交换,，,又称为,孤立系统,。有时把封闭系统和系统影响所及环境一起作为孤立系统来考虑,。,第23页,系统性质,(macroscopic properties),强度性质,(,intensive properties),它数值取决于系统本身特点，与系统数,量无关，不含有加和性，如温度、压力等。指,定了物质量容量性质即成为强度性质，如,摩尔热容。,广度性质,(extensive properties),又称为,容量性质,，它数值与系统物质量成正比，如体积、质量、熵等。这种性质有加和性。,描述系统状态宏观性质,(,如体积、压力、温度、粘度、表面张力等,),可分为两类：,第24页,状态函数,(state function),系统性质,又叫,状态参量,。,同时，对确定状态系统，,其宏观性质由状态所确定，,是,状态,单值函数，这些,由系统状态所确定宏观,性质也被叫做,状态函数,，,比如系统体积,V,、压力,p,及温度,T,等都是状态函数。,第25页,状态函数数学描述,对于没有化学反应单相纯物质封闭系统，要要求其状态需三个独立性质,(,二个强度性质、一个容量性质,),，这时系统任一状态函数,(,Z,),可表示为这三个变量函数，即，,Z=f(T,，,p,，,n),。,对于封闭系统，在状态改变时因为物质量保持不变，函数能够简化成,Z=f(T,，,p),第26页,状态方程,系统状态函数之间,定量关系式,称为状态方程（,state equation,）。,对于,一定量单组分均匀系统,，状态函数,T,p,V,之间有一定量联络。经验证实，只有两个是独立，它们函数关系可表示为：,T=f,（,p,V,），,p=f,（,T,V,），,V=f,（,p,T,）,比如，理想气体状态方程可表示为：,pV=n,R,T,第27页,状态函数,Z,含有全微分性质：,当系统状态发生微小改变时,:,d,Z=,d,T+,d,p,及,=,0,状态,1(,Z,1,，,T,1,，,p,1,)-,状态,2(,Z,2,，,T,2,，,p,2,),：,Z=Z,2,-Z,1,=,。,状态函数改变值只取决于系统初、终态而与改变所经历细节无关。,第28页,过程,(proces),与路径,(path),循环过程,(cyclic process),初态与终态是同一状态过程,等温过程,(isothermal process),初、终态温度相同且等于环境温度过程,绝热过程,(adiabatic process):,系统与环境间不存在热量传递过程,等压过程,(isobaric process):,初态压力、终态压力与环境压力都相同过程,等容过程,(isochoric process):,系统体积不变过程,第29页,各种过程,绝热过程,绝热等压,等温过程,等温等压,等压过程,恒外压过程,等容过程,绝热等容,第30页,第31页,相与聚集态,系统中物理性质和化学性质完全均匀（指在,分子水平,上均匀混合状态）部分称为,相,(phase),。,相与,聚集态,是不一样概念，,固态能够是不一样相，,石墨与金刚石都是固态碳，,但它们是不一样相。,依据系统中包含相,数目将系统分为：,单相系统（均相系统）,多相系统（非均相系统）,。,第32页,热力学平衡态,(equilibrium state),当,系统性质不随时间而改变,，则系统就处于热力,学平衡态，它包含以下几个平衡：,热平衡,（系统内假如不存在绝热壁，则各处温度相等）,力学平衡,（系统内假如不存在刚性壁，各处压力相等）,相平衡,（多相共存时，各相组成和数量不随时间而改变）,化学平衡,（反应体系中各物数量不再随时间而改变。）,稳态,(steady state),或定态,非平衡态中，即使有宏观量流，但系统中各点宏观性质不随时间改变状态叫做,稳态,或,定态,。,第33页,1.3,热力学第一定律,-,能量守恒,热功当量,能量守恒定律,热力学能,第一定律文字表述,第一定律数学表示式,第34页,第一类永动机,第35页,热功当量,焦耳（,Joule,）,和迈耶,(Mayer),自,1840,年起，历经,20,多年，用各种试验求证热和功转换关系，得到结果是一致：,1 cal=4.1840 J,能量守恒与转化定律可表述为：,自然界一切物质都含有能量，能量有各种不一样形式，能够从一个形式转化为另一个形式，但在转化过程中，能量总值不变。,任意系统在,状态,一定时,系统内部能量是定值。,第36页,热力学能,1,、,热力学能,（,thermodynamic energy,）以前称为,内能,（,internal energy,）,它是指体系内部能量总和，包含分子运动平动能、分子内转动能、振动能、电子能、核能以及各种粒子之间相互作用位能等。,2,、热力学能是,状态函数,，用符号,U,表示，它绝对值无法测定，只能求出它改变值,第37页,热和功,功（,work,）,注意：,Q,和,W,都不是状态函数，其数值与改变路径相关。,体系吸热，,Q,0,；,体系放热，,Q,0,；,体系对环境作功，,W,0,经节流膨胀后，气体温度降低。,称为焦,-,汤系数（,Joule-Thomson coefficient),它表示经节流过程后，气体温度随压力改变率。,0,经节流膨胀后，气体温度升高。,=0,经节流膨胀后，气体温度不变。,在常温下，普通气体 均为正值。比如，空气 ，即压力下降 ，气体温度下降,。,第82页,等焓线（,isenthalpic curve),试验,:,左方气体为,p,1,T,1,，,经节流过程后终态为,p,2,T,2,，在,T-p,图上标出,1,、,2,两点。,在点,3,左侧,:,此时,(3,点,),温度称为转化温度,（,inversion temperature),在点,3,左侧,:,在点,3,处,:,第83页,3,、在虚线以左，是,致冷区,，在这个区内，能够把气体液化；,4,、虚线以右，是,致热区,，气体经过节流过程温度反而升高。,2,、将各条等焓线极大值相连，就得到一条虚线，将,T-p,图分成两个区域。,气体转化曲线,1,、选择不一样起始状态,p,1,T,1,作若干条等焓线。,第84页,实际气体节,流膨胀试验，,使人们对实际,气体,U,和,H,性质有所了解，,而且在取得,低,温和气体液化,工业,中有主要,应用。,工业气体转化曲线,第85页,（三）热化学,-,化学反应热效应,反应进度,等压、等容热效应,热化学方程式,标准态,第86页,反应物,生成物,（,3,）,（,2,）等容,生成物,反应热效应,反应热效应,当体系发生反应之后，使产物,温度回到反应前始态时温度,，体系放出或吸收热量，称为该反应热效应,。,第87页,反应物,生成物,（,3,）,（,2,）等容,生成物,对于理想气体,(,无相变发生,):,所以：,等压、等容热效应,第88页,与 关系,当反应进度为,1 mol,时：,式中,是生成物与反应物气体物质量之差值，并假定气体为理想气体。,或,等压、等容热效应,第89页,反应进度（,extent of reaction,）,20,世纪初比利时,Dekonder,引进反应进度,定义为：,和,分别代表任一组分,B,在起始和,t,时刻物质量。,是任一组分,B,化学计量数，,对反应物取负值，对生成物取正值。,设某反应：,单位：,mol,第90页,引入反应进度优点：,1,、在反应进行到任意时刻，能够用任一反应物或生成物来表示反应进行程度，所得值都是相同，即：,2,、反应进度被应用于反应热计算、化学平衡和反应速率定义等方面。,反应进度必须与化学反应计量方程相对应,:,比如：,第91页,热化学方程式,表示化学反应与热效应关系方程式称为,热化学方程式,：,1,、,因为,U,H,数值与体系状态相关，所以方程式中应该注明,物态、温度、压力、组成,等。对于固态还应注明,结晶状态,。,第92页,焓改变,反应物和生成物都处于标准态,反应进度为,1 mol,反应（,reaction,）,反应温度,例：,298.15 K,时,第93页,热化学方程式说明,3,、反应进度为,1 mol,，表示,按计量方程反应物应全部作用完,。若是一个平衡反应，显然试验所测值会低于计算值。但能够用过量反应物，测定刚好反应进度为,1 mol,时热效应。,2,、反应进度为,1 mol,，,必须与所给反应计量,方程对应。,若反应用下式表示，显然焓变值会,不一样。,第94页,标准态,最老标准态为,1 atm,；,1985,年,GB,要求为,101.325 kPa,；,1993,年,GB,要求为,1,10,5,Pa,。标准态变更对凝聚态影响不大，但对,气体热力学数据有影响,，要使用对应热力学数据表。,1,、,气体标准态：,理想气体，是假想态,2,、,固体、液体标准态：,下纯固体或纯液体。,3,、标准态,不要求温度,，每个温度都有一个标准态。,4,、,普通,298.15 K,时标准态数据有表可查。通常,298.15 K,时用符号 表示。,第95页,对于微小改变,d,H=,d,U+V,d,p,+,p,d,V,对于有限改变,H=,U+,(,pV,),U=Q+W,对微小改变：,d,U=,Q+,W,2,、在,等容无其它功,条件下发生状,态改变：,1,、对于,等压无其它功,改变过程：,1.11,盖斯定律（,Hesss law,）,盖斯定律：,反应热效应只与起始和终了状态相关，与改变路径无关。（满足上面两个条件）,第96页,生成焓仅是个相对值，相对于稳定单质（焓值等于零）。,非稳定纯单质或其它温度下稳定单质标准摩尔生成焓值 不等于零。,标准摩尔生成焓（,standard molar enthalpy of formation,）：,在标准压力下，反应温度时，,由最稳定单质合成标准状态下一摩尔物质,焓变，称为该物质标准摩尔生成焓。,各种稳定单质生成焓等于零：,1.12,生成热及燃烧焓,第97页,在,298.15 K,时,:,这就是,HCl(g),标准摩尔生成焓：,反应焓变为：,第98页,离子生成焓,要求了一个当前被公认相对标准：,标准压力下，在无限稀薄水溶液中,H,+,摩尔生成焓等于零。,查表：,要求：,比如：,第99页,燃烧焓,标准摩尔燃烧焓（,Standard molar enthalpy of combustion,）：,在标准压力下，反应温度时，物质,B,完全氧化成相同温度指定产物时焓变,(,物质、相态、温度,),表示。,指定产物通常要求为：,金属,游离态,第100页,利用燃烧焓求化学反应焓变,化学反应焓变值等于,各,反应物,燃烧焓总和,减去,各,产物,燃烧焓总和,。,比如：在,298.15 K,和标准压力下,（,A,）（,B,）（,C,）,(D),则,用通式表示为：,第101页,1.13,基尔霍夫定律,反应焓变值普通与温度关系不大。假如温度区间较大,在等压下虽化学反应相同，但其焓变值则不一样。在,1858,年首先由,Kirchoff,提出了焓变值与温度关系式,有两种表示形式,称为,Kirchoff,定律,:,关键点,:,假如有物质发生相变，就要进行分段积分。,第102页,