2024年度-大學(xué)物理化學(xué)經(jīng)典課件1

大學(xué)物理化學(xué)經(jīng)典課件11目錄contents緒論熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第二定律化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)電化學(xué)基礎(chǔ)表面現(xiàn)象與膠體化學(xué)201緒論3研究對(duì)象物理化學(xué)是研究物質(zhì)的物理現(xiàn)象和化學(xué)變化之間關(guān)系的科學(xué)，主要探討物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化以及化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)等方面的問(wèn)題。任務(wù)物理化學(xué)的任務(wù)在于揭示物質(zhì)的基本性質(zhì)和變化規(guī)律，為化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)手段，同時(shí)為解決環(huán)境、能源、信息等社會(huì)問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。物理化學(xué)的研究對(duì)象與任務(wù)4理論方法在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，物理化學(xué)運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理學(xué)等理論工具建立模型和理論，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋和預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)方法物理化學(xué)研究以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段觀測(cè)和測(cè)量物質(zhì)的各種物理和化學(xué)性質(zhì)，探究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律。計(jì)算方法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算模擬已經(jīng)成為物理化學(xué)研究的重要手段之一。通過(guò)計(jì)算模擬可以更加深入地理解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和反應(yīng)機(jī)理。物理化學(xué)的研究方法5物理化學(xué)起源于19世紀(jì)，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們開始運(yùn)用物理學(xué)理論和方法研究化學(xué)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，物理化學(xué)已經(jīng)成為化學(xué)學(xué)科中一門重要的分支學(xué)科。歷史隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，物理化學(xué)的研究領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展和深化。例如，納米科學(xué)、生物物理化學(xué)、光化學(xué)等交叉學(xué)科的發(fā)展為物理化學(xué)研究提供了新的思路和方法。同時(shí)，物理化學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，推動(dòng)著整個(gè)學(xué)科的進(jìn)步。發(fā)展物理化學(xué)的歷史與發(fā)展602熱力學(xué)第一定律703過(guò)程與途徑過(guò)程是指系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)所經(jīng)歷的一系列中間狀態(tài)。途徑則是描述過(guò)程的具體方式。01系統(tǒng)與環(huán)境熱力學(xué)系統(tǒng)是指所要研究的對(duì)象，環(huán)境則是與系統(tǒng)相互作用的其他部分。02狀態(tài)與狀態(tài)函數(shù)系統(tǒng)的狀態(tài)是指其宏觀性質(zhì)，如溫度、壓力、體積等。狀態(tài)函數(shù)則是描述系統(tǒng)狀態(tài)的物理量。熱力學(xué)基本概念8123熱量是系統(tǒng)與環(huán)境之間由于溫度差而傳遞的能量，功則是系統(tǒng)與環(huán)境之間由于力作用而傳遞的能量。熱量與功系統(tǒng)內(nèi)所有分子的動(dòng)能和勢(shì)能之和稱為內(nèi)能。內(nèi)能熱量和功的代數(shù)和等于系統(tǒng)內(nèi)能的增量。即ΔU=Q+W，其中ΔU表示內(nèi)能增量，Q表示吸收的熱量，W表示對(duì)外做的功。熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律的表述9熱力學(xué)第一定律的應(yīng)用等容過(guò)程體積不變的過(guò)程，此時(shí)ΔV=0，W=0。因此，等容過(guò)程中吸收的熱量全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能增量。等壓過(guò)程壓力不變的過(guò)程，此時(shí)ΔP=0。等壓過(guò)程中，吸收的熱量一部分用于增加內(nèi)能，另一部分用于對(duì)外做功。絕熱過(guò)程系統(tǒng)與環(huán)境之間沒(méi)有熱量交換的過(guò)程。絕熱過(guò)程中，內(nèi)能的變化只能通過(guò)做功來(lái)實(shí)現(xiàn)。循環(huán)過(guò)程系統(tǒng)從某一狀態(tài)出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列變化后回到原始狀態(tài)的過(guò)程。循環(huán)過(guò)程中，內(nèi)能的變化為零，吸收的熱量等于對(duì)外做的功。1003熱力學(xué)第二定律11熱力學(xué)第二定律的表述01不可能從單一熱源吸熱并全部用來(lái)做功，而不引起其他變化。02對(duì)于可逆過(guò)程，系統(tǒng)和外界的熵不變；對(duì)于不可逆過(guò)程，系統(tǒng)的熵增加，這就是熵增加原理。自然界中的一切自發(fā)過(guò)程都具有方向性，即不可逆性。0312010203熵是描述系統(tǒng)混亂程度的物理量，用符號(hào)S表示。熵增原理指出，在孤立系統(tǒng)中，一切不可逆過(guò)程必然朝著熵增加的方向進(jìn)行。熵增原理揭示了自然界中不可逆過(guò)程的普遍規(guī)律，如熱傳導(dǎo)、擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等。熵與熵增原理13熱機(jī)效率01熱力學(xué)第二定律指出了熱機(jī)效率的極限，即卡諾熱機(jī)的效率。制冷系數(shù)02熱力學(xué)第二定律也適用于制冷機(jī)，制冷系數(shù)同樣受到卡諾制冷機(jī)的限制。生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)03熱力學(xué)第二定律對(duì)于理解生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)的演化和發(fā)展也具有重要意義。例如，資源的耗竭、環(huán)境的污染等問(wèn)題都可以從熱力學(xué)第二定律的角度進(jìn)行分析和討論。熱力學(xué)第二定律的應(yīng)用1404化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)15反應(yīng)機(jī)理描述化學(xué)反應(yīng)如何進(jìn)行，包括反應(yīng)物如何相互作用形成中間產(chǎn)物，以及中間產(chǎn)物如何進(jìn)一步反應(yīng)生成最終產(chǎn)物。反應(yīng)速率方程表示反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度的關(guān)系，通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定得到?；瘜W(xué)反應(yīng)速率表示反應(yīng)進(jìn)行的快慢程度，通常用單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加來(lái)表示?；瘜W(xué)反應(yīng)速率與反應(yīng)機(jī)理16活化能與反應(yīng)速率的關(guān)系描述活化能與反應(yīng)速率常數(shù)之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，可用于預(yù)測(cè)不同溫度下的反應(yīng)速率。阿累尼烏斯方程指化學(xué)反應(yīng)發(fā)生所需的最小能量，即反應(yīng)物分子從初始狀態(tài)到過(guò)渡態(tài)所需的能量?；罨芑罨茉降?，反應(yīng)速率越快；活化能越高，反應(yīng)速率越慢。這是因?yàn)榈突罨芤馕吨磻?yīng)物分子更容易達(dá)到過(guò)渡態(tài)，從而更容易發(fā)生反應(yīng)。活化能與反應(yīng)速率的關(guān)系17能夠加速化學(xué)反應(yīng)速率而自身不參與反應(yīng)的物質(zhì)。催化劑通過(guò)提供新的反應(yīng)路徑或降低活化能，使反應(yīng)更容易進(jìn)行。催化劑與反應(yīng)物形成中間產(chǎn)物，然后中間產(chǎn)物分解生成最終產(chǎn)物和催化劑本身。催化劑的作用機(jī)理催化劑可以顯著提高反應(yīng)速率，降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)在更溫和的條件下進(jìn)行。同時(shí)，催化劑還可以提高反應(yīng)的選擇性，使得目標(biāo)產(chǎn)物的生成更加高效。催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響1805電化學(xué)基礎(chǔ)19通過(guò)自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。正極發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電子通過(guò)外電路從負(fù)極流向正極，形成電流。原電池工作原理在外加電源作用下，電解質(zhì)溶液中的陰陽(yáng)離子分別向兩極遷移并在電極上發(fā)生氧化或還原反應(yīng)。陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。電解池工作原理原電池與電解池的工作原理20電極電勢(shì)的測(cè)定通過(guò)測(cè)量原電池的開路電壓，利用能斯特方程計(jì)算得到電極電勢(shì)。常用的電極電勢(shì)測(cè)量方法有靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定通過(guò)測(cè)量原電池的閉路電壓和電流，利用歐姆定律計(jì)算得到電池的內(nèi)阻，進(jìn)而求得電池的電動(dòng)勢(shì)。常用的電池電動(dòng)勢(shì)測(cè)量方法有電位差計(jì)法和補(bǔ)償法。電極電勢(shì)與電池電動(dòng)勢(shì)的測(cè)定21電池電化學(xué)在電池中的應(yīng)用非常廣泛，如干電池、蓄電池、燃料電池等。電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，為人們的日常生活提供了便利。電解與電鍍利用電解原理可以實(shí)現(xiàn)很多有用的化學(xué)反應(yīng)，如電鍍、電解精煉、電解合成等。電鍍是將金屬離子在陰極上還原成金屬并沉積在陰極表面的過(guò)程，可以改變金屬表面的性質(zhì)和外觀。腐蝕與防護(hù)電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕的主要原因之一，通過(guò)了解電化學(xué)腐蝕的機(jī)理可以采取相應(yīng)的防護(hù)措施，如涂層保護(hù)、陰極保護(hù)等，延長(zhǎng)金屬的使用壽命。電化學(xué)在日常生活中的應(yīng)用2206表面現(xiàn)象與膠體化學(xué)23表面張力與潤(rùn)濕現(xiàn)象表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。潤(rùn)濕現(xiàn)象及其分類潤(rùn)濕現(xiàn)象是指液體與固體接觸時(shí)，液體的附著層沿固體表面延伸或收縮的現(xiàn)象。根據(jù)潤(rùn)濕程度的不同，可分為沾濕、浸濕和鋪展三種類型。接觸角和潤(rùn)濕方程接觸角是氣、液、固三相交點(diǎn)處所作的氣-液界面的切線與固-液交界線之間的夾角，是潤(rùn)濕程度的量度。潤(rùn)濕方程則描述了接觸角與界面張力之間的關(guān)系。表面張力的定義和物理意義24吸附現(xiàn)象及其分類吸附現(xiàn)象是指物質(zhì)在相界面上的濃度自動(dòng)發(fā)生變化的現(xiàn)象。根據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑之間作用力的不同，可分為物理吸附和化學(xué)吸附。表面活性劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)表面活性劑是一種具有兩親性質(zhì)的有機(jī)化合物，其分子結(jié)構(gòu)由親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)組成。表面活性劑能顯著降低溶液的表面張力，改變體系的界面狀態(tài)。表面活性劑的應(yīng)用表面活性劑在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，如洗滌劑、乳化劑、泡沫劑、分散劑等。010203吸附現(xiàn)象與表面活性劑25膠體溶液的定義和分類膠體溶液是一種高度分散的多相體系，其中分散相粒子的直徑在1~100nm之間。根據(jù)分散相粒子與分散介質(zhì)之間相互作用的不同，可分為親液膠體和疏液膠體。膠體溶液的穩(wěn)定性與聚沉膠體溶液的穩(wěn)定性取決于粒子間的相互作用力以及粒子與分散介質(zhì)之間的相互作用。當(dāng)粒子間的相互作用力大于粒子與分散介質(zhì)之間的相互作用時(shí)，膠