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文檔簡介
物理化學(xué)PhysicalChemistry緒論一、物理化學(xué)的研究對象從研究物理現(xiàn)象和化學(xué)現(xiàn)象的相互聯(lián)系入手,探求化學(xué)變化的基本規(guī)律的一門科學(xué)二、物理化學(xué)的基本內(nèi)容1、化學(xué)熱力學(xué)(chemicalthermodynamics)----研究化學(xué)反應(yīng)能量及化學(xué)反應(yīng)的方向和限度問題1、任一化學(xué)反應(yīng)總是包含或伴有物理變化。C+O2=CO2+Q(熱效應(yīng))2、溫度、壓力、濃度的變化等物理因素的作用能引起或影響化學(xué)變化的進行N2+3H2=2NH3(高溫450°C高壓)3、在實驗方法上,化變的研究大多采用物理學(xué)測量方法鋅錳干電池2、化學(xué)動力學(xué)(chemicalkinetics)----研究化學(xué)反應(yīng)的速率和機理問題3、物質(zhì)結(jié)構(gòu)----研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),能深入了解化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)及外部因素的影響三、物理化學(xué)的研究方法
1、熱力學(xué)方法----宏觀方法
2、統(tǒng)計力學(xué)方法----用統(tǒng)計的方法探討體系對外表現(xiàn)出來的宏觀物性
53、量子力學(xué)方法----以微觀粒子能量轉(zhuǎn)換的量子性及微粒運動的統(tǒng)計性為基礎(chǔ),研究微粒的運動規(guī)律(物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究)
四、物理化學(xué)在化學(xué)與藥學(xué)中的地位與作用1、是化學(xué)及相關(guān)工業(yè)的理論基礎(chǔ)
化學(xué)熱力學(xué)和反應(yīng)速率唯象規(guī)律 化學(xué)分子水平的研究,結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)化學(xué)中最引人矚目的成就60%集中于物理化學(xué)
2、藥學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)
藥物劑型設(shè)計:藥劑學(xué) 藥物體內(nèi)過程:藥理學(xué)、藥代動力學(xué) 藥物提取分離和合成:合成藥物化學(xué)、天然藥物化學(xué)
(2)天然藥物有效成分的分離提取,藥物劑型設(shè)計與改進(相平衡及表面膠體的知識)(3)藥物的穩(wěn)定性及體內(nèi)的代謝等(與反應(yīng)速率基本規(guī)律相關(guān))五、學(xué)習(xí)方法1、掌握基本概念和基本原理2、明確公式的物理意義,使用條件和方法3、重視課堂講授,注重對知識系統(tǒng)的歸納、總結(jié)和比較4、重視習(xí)題1.標(biāo)準摩爾生成焓fHmo(standardmolarenthalpyofformation)
在標(biāo)準壓力和指定溫度下,由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1摩爾化合物的焓變,稱為該化合物在此溫度下的標(biāo)準摩爾生成焓。理氣;可逆過程;等溫過程六、物理化學(xué)教學(xué)參考書
《物理化學(xué)》傅獻彩沈文霞等編著(南京大學(xué))高等教育出版社;2、《物理化學(xué)》袁永明何玉萼等編著(四川大學(xué))四川大學(xué)出版社;物理化學(xué)教學(xué)輔導(dǎo)書《物理化學(xué)筆記》吳文娟等編著科學(xué)出版社?!段锢砘瘜W(xué)學(xué)習(xí)與解題指南》郭林潘育方等華中科技大學(xué)出版社第一章熱力學(xué)第一定律
第一節(jié)熱力學(xué)概論一、熱力學(xué)thermodynamics熱力學(xué)----研究能量相互轉(zhuǎn)換過程中所應(yīng)遵循規(guī)律的科學(xué)二、化學(xué)熱力學(xué)chemicalthermodynamics化學(xué)熱力學(xué)----運用熱力學(xué)的基本原理來研究化學(xué)變化以及與其相關(guān)的物理變化的學(xué)科化學(xué)熱力學(xué)的主要內(nèi)容:1、應(yīng)用熱力學(xué)第一定律來計算化學(xué)變化和相變化中的熱效應(yīng)2、應(yīng)用熱力學(xué)第二定律來解決化學(xué)和物理變化的方向和限度3、熱力學(xué)第三定律主要闡明絕對熵的意義三、熱力學(xué)方法的特點:1、研究的對象是大量分子的集合體,只研究物質(zhì)的宏觀性質(zhì),所得結(jié)論具有統(tǒng)計平均的意義。
2、只需知道系統(tǒng)的始終態(tài)以及過程進行的外界條件,就可進行計算和判斷3、在熱力學(xué)所研究的變量中,沒有時間的概念,不涉及速率問題
第二節(jié)熱力學(xué)基本概念一、系統(tǒng)system與環(huán)境surroundings系統(tǒng)----指所研究的對象,是根據(jù)研究的需要,從周圍的物體中劃分出來的那一部分環(huán)境----體系以外與體系有相互作用的部分
根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境之間的關(guān)系,把系統(tǒng)分為三類:(1)敞開系統(tǒng)(opensystem)系統(tǒng)與環(huán)境之間既有物質(zhì)交換,又有能量交換。一、系統(tǒng)與環(huán)境(2)封閉系統(tǒng)(closedsystem)
系統(tǒng)與環(huán)境之間無物質(zhì)交換,但有能量交換。一、系統(tǒng)與環(huán)境(3)孤立系統(tǒng)(isolatedsystem)
系統(tǒng)與環(huán)境之間既無物質(zhì)交換,又無能量交換。一、系統(tǒng)與環(huán)境二、體系的性質(zhì)系統(tǒng)的性質(zhì)----用來描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量系統(tǒng)的狀態(tài)-----系統(tǒng)的一系列物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的綜合表現(xiàn)系統(tǒng)的性質(zhì)分成兩類:1、廣度性質(zhì)(extensiveproperties)------其數(shù)值大小與體系中所含物質(zhì)的量成正比的系統(tǒng)性質(zhì)。具有加和性,即整個體系的某種廣度性質(zhì)是體系中各部分該種性質(zhì)數(shù)值的總和2、強度性質(zhì)(intensiveproperties)-----其數(shù)值大小僅取決于體系的特性而與體系中物質(zhì)的量無關(guān)。不具有加和性。整個體系的某強度性質(zhì)的數(shù)值與各部分的該強度性質(zhì)的數(shù)值相同。相互關(guān)系:兩個容量性質(zhì)之比為強度性質(zhì)三、熱力學(xué)平衡態(tài)熱力學(xué)平衡態(tài)----體系與環(huán)境之間沒有物質(zhì)和能量交換,體系中各狀態(tài)性質(zhì)均不隨時間而變化的狀態(tài)。包括三個平衡:1、熱平衡(thermalequilibrium)
:體系中各部分溫度相等2、力學(xué)平衡mechanicalequilibrium
體系各部分沒有不平衡的力存在3、相平衡(phaseequilibrium)
:系統(tǒng)中各相的組成及數(shù)值不隨時間而變。4、化學(xué)平衡(chemicalequilibrium
)
:系統(tǒng)中各化學(xué)反應(yīng)達到平衡,系統(tǒng)的組成不隨時間而變。四、狀態(tài)函數(shù)1、狀態(tài)函數(shù)(statefunction)----由系統(tǒng)的狀態(tài)確定的系統(tǒng)的各種熱力學(xué)性質(zhì)稱為系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)。狀態(tài)函數(shù)的特點:(1)狀態(tài)函數(shù)是狀態(tài)的單值函數(shù)。(2)系統(tǒng)的性質(zhì)之間是相互關(guān)聯(lián)(3)系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化,系統(tǒng)的性質(zhì)也發(fā)生改變,其改變的數(shù)值只取決于系統(tǒng)的始終態(tài),與變化的途徑無關(guān)(4)在數(shù)學(xué)上,狀態(tài)函數(shù)的微小變化是全微分(5)狀態(tài)函數(shù)的集合(和、差、積、商)也是狀態(tài)函數(shù)全微分性質(zhì)包括三個定理:定理1
全微分等于各偏微分之和如1摩爾理想氣體:V=f(T,p)定理2:全微分的積分與途徑無關(guān),只決定于始終態(tài)定理3:全微分的循環(huán)積分等于零ABxBxA循環(huán)過程:周而復(fù)始值變?yōu)榱闼摹顟B(tài)函數(shù)與狀態(tài)方程2.狀態(tài)方程——系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)之間的定量關(guān)系式稱為狀態(tài)方程。例如:某理想氣體的封閉系統(tǒng),其狀態(tài)方程為:
pV=nRT
四、狀態(tài)函數(shù)與狀態(tài)方程五、過程與途徑1、過程----體系狀態(tài)所發(fā)生的一切變化稱為過程。2、途徑----完成某一狀態(tài)變化所經(jīng)歷的具體步驟稱為途徑。由同一始態(tài)到同一終態(tài)的不同方式稱為不同的途徑。(1)
等溫過程(isothermalprocess)(2)
等壓過程(isobaricprocess)(3)
等容過程(isochoricprocess)(4)循環(huán)過程(cyclicprocess)(5)
絕熱過程(adiabaticprocess)六、熱和功1、熱(heat)
Q
----體系與環(huán)境之間由于存在溫度差而被傳遞的能量規(guī)定:體系吸熱Q>0;體系放熱Q<02、功(work)
W-----除熱之外,在體系與環(huán)境之間其它形式被傳遞的能量規(guī)定:系統(tǒng)對環(huán)境作功W<0
環(huán)境對系統(tǒng)作功W>0
功的種類:廣義力廣義位移說明體積功壓力p體積dV最普遍存在機械功力F位移dl統(tǒng)稱非體積功W電功電勢E電荷dQ界面功界面張力界面積dAnote:熱和功不是狀態(tài)函數(shù),而是過程函數(shù)六、熱和功第三節(jié)熱力學(xué)第一定律一、熱力學(xué)第一定律文字表述:1、一切物質(zhì)都具有能量,能量有多種不同的形式,可以從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式,在轉(zhuǎn)化過程中能量的總量保持不變2、第一類永動機是不可能制成的(不供給能量而可連續(xù)不斷對外作功的機器)二、熱力學(xué)能U(內(nèi)能internalenergy
)
----體系內(nèi)物質(zhì)的所有能量的總和。內(nèi)能的特點:(1)廣度性質(zhì)(2)狀態(tài)函數(shù)三、熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達式
?U=Q+W
微小變化:dU=δQ+δW例題:設(shè)某一體系,經(jīng)途徑A從始態(tài)變至終態(tài),體系吸熱400J,作功W;當(dāng)環(huán)境對體系作功200J,體系放出500J的熱,體系從始態(tài)經(jīng)途徑B又回到原始態(tài),求體系在途徑A中所作的功。第四節(jié)可逆過程與體積功一、體積功----因體系的體積變化而引起的體系與環(huán)境交換的功
W=-Fdl=-pe
Adl
Gas體系dlpeA
W=-pedV對于宏觀過程二、不同過程的體積功例1:計算理想氣體H2在下列四個過程中所作的體積功。已知始態(tài)體積為1dm3,壓力為4kPa,終態(tài)體積為4dm3,始終態(tài)的溫度均為25℃。(1)向真空膨脹(2)在外壓恒定為氣體終態(tài)的壓力下膨脹(3)多次恒外壓膨脹,第一次維持外壓為2kPa膨脹到2dm3;第二次在外壓為1kPa下膨脹到終態(tài)(4)準靜態(tài)膨脹過程試比較這四個過程的功。比較結(jié)果說明什么問題?1.恒外壓膨脹(pe保持不變)體系所作的功W2如陰影面積所示
二、不同過程的體積功熱源pVW2V1V22.多次定外壓膨脹——三次膨脹:可見,外壓差距越小,膨脹次數(shù)越多,做的功也越多。
二、不同過程的體積功熱源pVW3W3=-piVi二、不同過程的體積功3.準靜態(tài)膨脹過程:熱源W4pV在整個膨脹過程中:pe=pi-dp(1)V1V24.恒定外壓p1下壓縮過程在恒定外壓p1下將氣體從V2壓縮到V1,環(huán)境所做功為
W1’=-p1(V1-V2)
環(huán)境對系統(tǒng)做功的值相當(dāng)于圖中的陰影面積。二、不同過程的體積功W’1VpV1V25、多次恒外壓壓縮過程
若進行三次定外壓膨脹,則三次定外壓膨脹所作之功即為三次作功之和,其功值相當(dāng)于圖中的陰影面積二、不同過程的體積功W’2VpV1V26.準靜態(tài)壓縮過程
若將取下的細砂再一粒粒重新加到活塞上,即在pe=pi+dp的情況下,使系統(tǒng)的體積從V2壓縮至V1,則環(huán)境所作的功為:W’3的值相當(dāng)于圖中陰影的面積。(2)二、不同過程的體積功W’3pVV1V2三、可逆過程可逆過程----某過程發(fā)生后,當(dāng)體系恢復(fù)原狀的同時,環(huán)境也能恢復(fù)原狀而未留下任何永久性變化的過程。
(1)可逆過程是以無限小的變化進行,體系始終無限接近于平衡態(tài)。(2)體系在可逆過程中作最大功,環(huán)境在可逆過程中作最小功,即可逆過程效率最高。(3)循與過程原來途徑相反方向進行,可使體系和環(huán)境完全恢復(fù)原態(tài)??赡孢^程的特點:
在非體積功為零且恒壓(p1=p2=pe)焓定義式:H=U+pV
第五節(jié)焓(enthalpy
)第五節(jié)焓1、定義式H=U+PV2、H的特點:1)H是狀態(tài)函數(shù)2)H是廣度性質(zhì)3、H的物理意義:H=QP
在非體積功為零的條件下,封閉體系經(jīng)一恒壓過程,所吸收的熱全部用于增加體系的焓例1-4
試求下列各過程的Q、W、U和H,并比較計算結(jié)果得出什么結(jié)論?(1)將1mol水在373K、p0=100kPa下蒸發(fā)。設(shè)氣體為理想氣體,吸熱2259J.g-1。(2)始態(tài)與(1)相同,當(dāng)外界壓力恒定為p0/2時,將水蒸發(fā);然后再將此水蒸氣(373K、p0/2)恒溫可逆壓縮為373K、p0的水蒸氣。(3)將1molH2O在373K、p0下突然放在373K的真空箱中,水蒸氣立即充滿整個真空箱(設(shè)水全部氣化),測得其壓力為p0。第七節(jié)熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用一、理想氣體的內(nèi)能和焓理想氣體的內(nèi)能和焓只是溫度的函數(shù),與氣體的體積或壓力無關(guān):
U=f(T)
H=f(T)水浴溫度計圖1—1焦耳實驗裝置示意圖
U=f(T)
H=f(T)對理想氣體的定溫過程:?U=0,?H=0又因?U=Q+W,故Q=-W
一、微分:y=mxy對x導(dǎo)數(shù)二、偏微分:考慮氣體膨脹,p變化?一定量理想氣體(1)若n,T固定n,T不變時p對V的偏導(dǎo)數(shù)(2)體積作了無窮小變化后,若n,V不變,改變T理氣n,V不變時P對T的偏導(dǎo)數(shù)(3)同時變化dV和dT,p的總變化全微分Note:每個偏微分均是單自變量變化引起的。例2:在373K和標(biāo)準壓力下,水的蒸發(fā)熱為40670J.mol-1,1mol液態(tài)水體積為18.80cm3,蒸氣體積則為30200cm3。試計算在該條件下1mol水蒸發(fā)成氣的U和?H。二、理想氣體的CP及CV之差依焓的定義:dH=dU+d(PV)CPdT=CVdT+d(PV)理想氣體PV=nRT
則CPdT=CVdT+nRdT
CP=CV+nR1mol理想氣體CP,m-CV,m=R第六節(jié)熱容1、熱容的定義:2、恒容熱容3、恒壓熱容條件:無化學(xué)變化、無相變化、非體積功為零的封閉體系4.熱容與溫度的關(guān)系
CP,m=a+bT+cT2
CP,m=a+bT+c’T-2根據(jù)統(tǒng)計熱力學(xué)可以證明在常溫下,對于理想氣體:
可見在常溫下理想氣體的和均為常數(shù)。二、理想氣體的Cp及Cv之差分子類型CV,m
Cp,m單原子分子3/2R5/2R雙原子分子5/2R7/2R多原子分子(非線型)3R4R理想氣體的CP,m和CV,m為常數(shù):單原子理想氣體:雙原子理想氣體(或線型分子):多原子(或非線型)理想氣體:CV,m=3RCP,m=4R理想氣體的任意過程:U=nCV,m(T2-T1)?H=nCP,m(T2-T1)二、理想氣體的CP及CV之差依焓的定義:dH=dU+d(PV)CPdT=CVdT+d(PV)理想氣體PV=nRT
則CPdT=CVdT+nRdT
CP=CV+nR1mol理想氣體CP,m-CV,m=R例1-6:2mol單原子理想氣體在298.2K時,分別按下列三種方式從15.00dm3膨脹到40.00dm3:(1)等溫可逆膨脹;(2)等溫對抗100kPa外壓(3)在氣體壓力與外壓相等并保持恒定下加熱。求三種過程的Q、W、
U和H。例3:在298K,p0有5mol的理想氣體,(1)等溫下可逆膨脹為原體積的2倍(2)等壓下從293K加熱到373K試求(1)(2)過程的U、H、Q、W。已知該理想氣體Cv,m=28.28J/K.mol.解:(1)等溫可逆膨脹,則
(2)恒壓升溫過程三、理想氣體的絕熱過程(一)絕熱過程(adiabaticprocess)
體系與環(huán)境之間沒有熱的交換的過程。
Q=0dU=CvdT=δWnote:若體系對環(huán)境作功,體系的內(nèi)能減少,體系的溫度必然降低;
環(huán)境對體系作功,則體系的內(nèi)能增加,體系的溫度必定升高。(二)理想氣體絕熱可逆過程的“三條過程方程”
dU=δW=-pedV=-pdV
Cp-CV=nR,令,稱為熱容商絕熱可逆過程方程式條件:理想氣體W‘=0
絕熱可逆過程AB線斜率:AC線斜率:3.絕熱可逆與定溫可逆過程的比較三、理想氣體的絕熱過程>1pV絕熱線C等溫線BAW等溫W絕熱例1-73mol單原子理想氣體從300K,400kPa膨脹到最終壓力為200kPa。若分別經(jīng)(1)絕熱可逆膨脹。(2)絕熱恒外壓200kPa膨脹至終態(tài)。試計算兩過程的Q、W、U和H。思考練習(xí)1.在(a)、(b)圖中,狀態(tài)AB為定溫可逆過程,狀態(tài)AC為絕熱可逆過程。見圖(a),如果從A經(jīng)過一絕熱不可逆過程膨脹到P2,終態(tài)將在C之左,還是B之右,還是在B、C之間?見圖(b),如果從A經(jīng)一絕熱不可逆膨脹到V2,終態(tài)將在C之下,還是B之上,還是B、C之間?第八節(jié)熱化學(xué)thermochemistry
一、化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)(一)熱效應(yīng)在非體積功為零的情況下,封閉體系中發(fā)生某化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)物的溫度與反應(yīng)物的溫度相同時,體系與環(huán)境之所交換的熱量稱為該化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng),亦稱為反應(yīng)熱。
(二)恒容反應(yīng)熱QV與恒壓反應(yīng)熱QP的關(guān)系:QV=U=(U)產(chǎn)物-(U)反應(yīng)物QP=H=(H)產(chǎn)物-(H)反應(yīng)物U與H的關(guān)系:依H的定義式:H=U+PV
H=U+(pV)1)反應(yīng)體系中只有固、液體,反應(yīng)始終態(tài)體積變化很小,
(pV)可忽略H=U2)反應(yīng)體系有氣體,并假設(shè)為理想氣體
(pV)=p2V2-p1V1=RTn
n----產(chǎn)物中氣體總摩爾數(shù)與反應(yīng)物中氣體總摩爾數(shù)之差
H=U+RTn即
QP=QV+
RTn例1-8
在一個絕熱量熱計中將1.6324g蔗糖燃燒,使水溫升高2.854K,已知蔗糖的燃燒熱為-5646.73kJ.mol-1,求絕熱量熱計中水及量熱計的總熱容量。若量熱計中的水為1850g,水的比熱為4.184J.g-1,問量熱計的熱容量為多少?(細鐵絲的燃燒熱可忽略不計)。若在此絕熱計中放入0.7636g苯甲酸,其完全燃燒后使水溫升高2.139K,求苯甲酸的燃燒熱為多少二、熱化學(xué)方程式在298K和101325Pa反應(yīng):(1)1.除寫普通化學(xué)方程式外,還需加寫反應(yīng)熱的數(shù)值
2.注明物質(zhì)的狀態(tài)3注明溫度和壓力Note:(1)熱化學(xué)方程式代表一個已完成的反應(yīng)(2)的數(shù)值與反應(yīng)的計量方程式的寫法有關(guān)例如:三、反應(yīng)進度Note:i產(chǎn)物取正值,反應(yīng)物取負值例:
t=010300t=t7216--摩爾反應(yīng)焓變和摩爾反應(yīng)內(nèi)能變化例4
正庚烷的燃燒反應(yīng)為C7H16(g)+11O2(g)=7CO2(g)+8H2O(l)25℃
時,在彈式量熱計中1.2500g正庚烷充分燃燒放出的熱為60.089kJ。試求該反應(yīng)在標(biāo)準壓力及25℃
進行時的定壓反應(yīng)熱效應(yīng)。第九節(jié)化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的計算一、赫斯定律赫斯定律----一個化學(xué)反應(yīng),不論是一步完成或分幾步完成,其熱效應(yīng)總是相同的。熱力學(xué)第一定律可知:1)恒容只做膨脹功條件:QV=U2)恒壓只做膨脹功條件:QP=H例如碳和氧合成一氧化碳的反應(yīng)熱:二、由標(biāo)準摩爾生成焓計算rHm1.標(biāo)準摩爾生成焓fHmo(standardmolarenthalpyofformation)
在標(biāo)準壓力和指定溫度下,由最穩(wěn)定的單質(zhì)生成1摩爾化合物的焓變,稱為該化合物在此溫度下的標(biāo)準摩爾生成焓。2、規(guī)定:最穩(wěn)定單質(zhì)在指定溫度T時,其標(biāo)準摩爾生成焓為零。3、如何利用fHmo計算反應(yīng)熱?例如反應(yīng):(3)3C2H2(g)=C6H6(l)
(1)2C(石墨)+H2(g)=C2H2(g)rHm(1
)=fHmo(C2H2,g)(2)6C(石墨)+3H2(g)=C6H6(l)rHm(2)=fHmo(C6H6,l)
(3)=(2)-3(1)
rHm(3)=rHm(2)-3rHm(1)=fHmo(C6H6,l)-3fHmo(C2H2,g)規(guī)則:任意一反應(yīng)的定壓反應(yīng)熱rHm等于產(chǎn)物生成熱之和減去反應(yīng)物生成熱之和。rHm=pifHm,io(產(chǎn)物)-
rifHm,io(反應(yīng)物)三、由標(biāo)準摩爾燃燒熱計算rHm1、標(biāo)準摩爾燃燒熱cHmo
在標(biāo)準壓力及指定溫度下,1摩爾的某種物質(zhì)完全燃燒的恒壓熱效應(yīng),稱該物質(zhì)的標(biāo)準摩爾燃燒熱。2、規(guī)定:完全燃燒是反映化合物中的C變?yōu)镃O2(g),H變?yōu)镠2O(l),N變?yōu)镹2(g),S變成SO2(g),Cl變成HCl(aq)3.用燃燒熱的數(shù)據(jù)計算反應(yīng)熱規(guī)則:任意一反應(yīng)的恒壓反應(yīng)熱rHm等于反應(yīng)物燃燒熱之和減去產(chǎn)物燃燒熱之和。rHm=ricHm,io(反應(yīng)物)-
picHm,io(產(chǎn)物)Note:(1)兩公式的相減次序不
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