绪论及第一章气体

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1、物 理 化 学张 进化学化工楼226室 答疑时间：每周四下午13:0016:00Tel: 13814030211Email: 绪 论0.1 物理化学的目的和内容0.2 物理化学的研究方法0.3 物理量的表示及运算0.4 物理化学学习方法0.5 物理化学教学要求及课时安排0.1 物理化学的目的和内容物理化学（Physical Chemistry）是从物质的物理现象和化学现象的联系入手, 运用物理的理论和实验方法来探求化学变化中具有普遍性的基本规律的一门学科。 目的目的 物理化学主要是为了解决生产实际和科学实验中向化学提出的理论问题，揭示化学变化的本质，更好地驾驭化学，使之为生产实际服务。内容内容

2、 物理化学包括化学热力学、化学动力学、量子力学、统计力学 。化学热力学研究变化（相变化和化学变化）的方向和限度：一个化学反应在指定的条件下朝着哪个方向进行？如果该反应能够进行，则它将达到什么限度？外界条件如对反应有什么影响？如何控制外界条件使我们所设计的新的反应途径能按所预定的方向进行？对于一个给定的反应，能量的变化关系怎样？它究竟能为我们提供多少能量？例如，石墨和金刚石都是由C元素构成的。能否将廉价的石墨转变为金刚石呢？石墨C 金刚石C ？在通常的温度、压力下石墨是不能自动转变为金刚石的。在常温下，1500 atm以上，石墨可转变为金刚石。化学动力学研究化学反应的速率和机理一个化学反应的速率

3、究竟有多大？反应是 经过什么样的机理（或历程）进行的？外界条 件（如温度、压力、浓度、催化剂等）对反应 速率有什么影响？怎样才能有效地控制化学反 应，抑制副反应的发生，使之按我们所需要的 方向和适当的速率进行等等。量子力学研究微观粒子的行为量子力学研究单个原子、分子的结构与性 质，通过深入了解物质内部的结构，不仅可以 理解化学变化的内因，而且可以预见到在适当 外因的作用下，物质的结构将发生什么样的变 化。统计力学是热力学和量子力学的桥梁热力学研究含有大量粒子的平衡系统，量 子力学研究微观粒子的行为，统计力学为平 衡系统的热力学量及热力学量之间的关系提 供微观解释，还可以根据系统内部粒子的微 观

4、运动性质和结构数据推导出平衡系统的各 项宏观性质。 （1）遵循“实践理论实践”的认识过程，分别采用归纳法和演绎法，即从众多实验事实概括到一般， 再从一般推理到个别的思维过程。（2）综合应用微观与宏观的研究方法，主要有：热力学方法、统计力学方法和量子力学方法。0.2 物理化学的研究方法热力学方法：以众多质点组成的宏观体系作为研究对象，以两个经典热力学定律为基础，用一系列热力学函数及其变量，描述体系从始态到终态的宏观变化，而不涉及变化的细节。经典热力学方法只适用于平衡体系。统计力学方法：用概率规律计算出体系内部大量质点微观运动的平均结果，从而解释宏观现象并能计算一些热力学的宏观性质。量子力学方法：

5、用量子力学的基本方程（E.Schrodinger方程）求解组成体系的微观粒子之间的相互作用及其规律，从而指示物性与结构之间的关系。0.3 物理量的表示及运算1.物理量的表示Pa2.对数中的物理量n3.量值计算0.4 物理化学课程的学习方法(1)站在整个学科的高度纵观物理化学的主要线条。(2)抓住重点，自己动手推导公式、注意使用条件。(3)多做习题，学会解题方法。很多东西只有通 过解题才能学到，不会解题，就不可能掌握物理 化学。 (4)课前自学，课后复习，勤于思考，及时总结， 培养自学和独立工作的能力。(5)重视实验，培养科研动手能力。(6)注意量纲，采用国际单位。物理化学教学参考书 1.物理化

6、学解题指南肖衍繁 李文斌等编著 （天津大学）高等教育出版社。 2. 物理化学傅献彩 沈文霞等编著 高等教 育出版社； 3. 袁永明 何玉萼等编著 （四川大学） 四川大 学出版社； 0.5 物理化学教学要求 及课时安排n课堂教学要求 10%n期中考试 20%n期末考试 70%第一章 气体的 pVT 性质Chapter1the pVT relationships of gases19联系 p、V、T 之间关系的方程称为状态方程本章中主要讨论气体的状态方程气体的讨论理想气体实际气体物质的聚集状态液态固态气态V 受 T、p 的影响很大V 受T、p 的影响较小（ 又称凝聚态）概论：化工厂常用的管道输送

7、g , L主要内容气 体理想气体实际气体状态方程分压及分体积定律状态方程液化及临界参数对应状态原理及普遍化 压缩因子图理想气体模型1.1 理想气体状态方程The State Equation of Ideal Gas 1、理想气体状态方程the state equation of ideal gas 2、理想气体模型及定义the modle and definition of ideal gas 3、摩尔气体常数 Rmole gas constant R 4、讨论 the discussion1.理想气体状态方程 the state equation of ideal gas低压气体实验定律：

8、（1）玻义尔定律(R.Boyle,1662):pV 常数 （n,T 一定） （2）盖.吕萨克定律(J. Gay-Lussac,1808)：V / T 常数 (n, p 一定) （3）阿伏加德罗定律（A. Avogadro, 1811)V / n 常数 (T, p 一定)以上三式结合 理想气体状态方程pV = nRT pVm = RT 单位：p PaV m3T Kn molR J mol-1 K-1 R 摩尔气体常数R 8.314 J mol-1 K-1 2 理想气体模型及定义 the modle and definition of ideal gas（1）分子间力吸引力排斥力分子相距较远时，有

9、范德华引力；分子相距较近时，电子云及核产生排 斥作用。液体和固体的存在，正是分子间有相互吸引 作用的证明；而液体和固体的难于压缩，又证 明了分子间在近距离时表现出的排斥作用。E吸引 1/r 6E排斥 1/r nLennard-Jones理论：n = 12E0r0r 式中A吸引常数；B排斥常数兰纳德-琼斯势能曲线当实际气体p0时，V 分子间距离无限大，则： 分子间作用力完全消失 分子本身所占体积可完全忽 略不计理想气体的微观模型 （1）分子本身不占体积 （2）分子间无相互作用力（2）理想气体模型（3）理想气体定义理想气体服从理想气体状态方程式或服从理想气体模型的气体理想气体状态方程可用于低压 气

10、体的近似计算：对于难液化气体（如氢、氧、 氮等）适用的压力范围宽一些对于易液化气体（如水蒸气、 氨气等）适用的压力则低一些。3.摩尔气体常数 R mole gas constant R1）能否直接用理想气体状态方程式代入气体的n、 p、V、T参数求出摩尔气体常数R值？2）如何确定R？3）R的值是否与气体种类、温度、压力均无关？R 的确定-实验测定例：测300 K时，N2、He、CH4 pVm p 关系，作图，利用极限外推法R 是一个对各种气体都适 用的常数,一般计算中取 8.314JmolK-1p / MPapVm/ Jmol-1N2HeCH44、讨论 the discussion理想气体状态

11、方程式及其应用基本公式: pV = nRT pVm = RT 适用条件:理想气体、低压实际气体、 理想气体混合物状态不变时pV=nRT nm/MpVm=RT VmV/np=cRT cn/Vp( /M)RT m/V 1.2 理想气体混合物 Mixtures of ideal gasasn1. 混合物的组成components of mixturesn2. 道尔顿分压定律与分压力Dalton Law and partial pressuren3. 阿马加分体积定律与分体积Amagat Law and partial volumen4. 内容讨论the discussion 1. 混合物的组成 co

12、mponents of mixtures1) 摩尔分数(mole fraction) x 或 yxB ( yB) nB / nB （单位为1） 显然 xB = 1 , yB = 1 本书中 气体混合物的摩尔分数一般用 y 表示 液体混合物的摩尔分数一般用 x 表示3) 体积分数 B (Volume fraction)B def xB V *m,B / xB V *m,B （单位为1） B = 1（V *m为混合前纯物质的摩尔体积）2) 质量分数wB (Mass percent)wB def mB / mB （单位为1） wB = 1pV = nRT = ( nB)RT及 pV = （m/Mmi

13、x)RT 式中：m 混合物总质量Mmix 混合物的摩尔质量2. 理想气体方程对理想气体混合物的应用或： Mmix= m/n = mB / nB3. 道尔顿定律Dalton LawpB def yB p(1) 分压力定义式适用条件: 低压下实际气体混合物 理想气体混合物式中： pB B气体的分压p 混合气体的总压 （2）道尔顿定律 混合气体的总压等于各组分单独存在于在 相同温度和体积条件下产生的压力总和：p = pB PB= nBRT / V4. 阿马加定律Amagat Law and partial volume理想气体混合物的总体积V为各组分分体积VB*之和：V= VB*(1) 阿马加分体积

14、定律(2) 理想气体混合物中某一组分的分体积阿马加定律表明理想气体混合物的体积具 有加和性，在相同温度、压力下，混合后的总 体积等于混合前各组分的体积之和。二定律综合：对于理想气体或低压下的真实气体例1 ：今有300 K、104.365 kPa 的湿烃类混合气 体（含水蒸气的烃类混合气体），其中水蒸气的分 压为3.167 kPa ， 现欲得到除去水蒸气的1 kmol 干烃类混合气体，试求：a) 应从湿混合气体中除去水蒸气的物质的量；b) 所需湿烃类混合气体的初始体积解：a) 设烃类混合气的分压为pA；水蒸气的分压为pBpB = 3.167 kPa; pA = p- pB= 101.198 kP

15、ab) 所求初始体积为V由公式 pB = yB p =(nB / nB) p , 可得1.3 气体的液化及临界参数Gases liquidation and Critical paracters1、气体的液化 Gases liquidation 2、液体的饱和蒸气压 the Saturated Vapour Pressure 3、临界参数 Critical paracters 4、真实气体的p Vm图 The p Vm diagram of nonideal gases、普遍化压缩因子图1、气体的液化气体液化 在一定温度条件下，只要施加足够大的压力任何实际气体可凝聚为液体的过程。问题：理想气体能不能被液化？为什么？2、液体的饱和蒸气压气液p*气液平衡时：气体称为饱和蒸气；液体称为饱和液体；压力称为饱和蒸气压。一定温度下密闭容器中某纯液体处于气液平衡共存时液面上方的蒸气压力，以p*表示1）定义饱和蒸气压是温度的函数水、乙醇和苯在不同温度下的饱和蒸气压饱和蒸气压是纯物质特有的性质，由其本性决定2） 性质沸点：当液体的饱和蒸气压与外界压力相等时的温度正常沸点：液体的饱和蒸气压为101.325kPa时的温度T一定时： pB pB*，B气体凝结为液体至pBpB*（此