(2024年)天津大學(xué)物理化學(xué)課件103

天津大學(xué)物理化學(xué)課件10312024/3/26contents目錄課程介紹與背景熱力學(xué)基礎(chǔ)相平衡與相圖化學(xué)平衡與反應(yīng)速率電化學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用表面現(xiàn)象與膠體化學(xué)總結(jié)回顧與拓展延伸22024/3/2601課程介紹與背景32024/3/26物理化學(xué)在化學(xué)、化工、材料、能源、環(huán)境等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。掌握物理化學(xué)的基本概念和原理，對于理解化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)和設(shè)計新的化學(xué)過程具有重要意義。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)。物理化學(xué)定義及重要性42024/3/26

天津大學(xué)物理化學(xué)課程特色強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)技能的結(jié)合，注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新精神。采用先進(jìn)的教學(xué)方法和手段，如多媒體教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等，提高教學(xué)效果。結(jié)合科研和工程實(shí)踐，引入前沿領(lǐng)域的研究成果和案例，拓寬學(xué)生視野。52024/3/26123課件103主要介紹了物理化學(xué)中的熱力學(xué)基礎(chǔ)，包括熱力學(xué)基本概念、熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律等內(nèi)容。通過課件103的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握熱力學(xué)的基本原理和方法，了解熱力學(xué)在化學(xué)、化工等領(lǐng)域的應(yīng)用。課件103還介紹了熱力學(xué)中的一些重要概念和公式，如焓、熵、自由能等，以及它們在化學(xué)反應(yīng)和相變過程中的應(yīng)用。課件103內(nèi)容概述62024/3/2602熱力學(xué)基礎(chǔ)72024/3/26孤立系統(tǒng)與外界既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換的系統(tǒng)。開放系統(tǒng)與外界既有能量交換又有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。封閉系統(tǒng)與外界有能量交換但沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。熱力學(xué)系統(tǒng)及其分類82024/3/26熱力學(xué)第一定律系統(tǒng)內(nèi)部的所有能量，包括分子動能、分子勢能、化學(xué)能等。熱力學(xué)第一定律的表述熱量可以從一個物體傳遞到另一個物體，也可以與機(jī)械能或其他能量互相轉(zhuǎn)換，但是在轉(zhuǎn)換過程中，能量的總值保持不變。熱力學(xué)第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式ΔU=Q+W，其中ΔU為系統(tǒng)內(nèi)能的增量，Q為系統(tǒng)吸收的熱量，W為外界對系統(tǒng)所做的功。熱力學(xué)能92024/3/26熱力學(xué)第二定律的表述01不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響，或不可能用單一熱源給物體加熱使之完全地、無損地轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪晃矬w的內(nèi)能。熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式02對于可逆過程，有dS=(dQ)/T；對于不可逆過程，有dS>(dQ)/T，其中S為熵，T為熱力學(xué)溫度。熱力學(xué)第二定律的意義03揭示了自然界中進(jìn)行的涉及熱現(xiàn)象的宏觀過程都具有方向性，是不可逆的。熱力學(xué)第二定律102024/3/2603相平衡與相圖112024/3/26相平衡條件及相律相平衡條件在恒溫恒壓下，當(dāng)多相系統(tǒng)中各相的性質(zhì)和數(shù)量均不隨時間變化時，稱系統(tǒng)處于相平衡狀態(tài)。此時，各相中的組元在相際之間的遷移達(dá)到動態(tài)平衡。相律相律是描述相平衡系統(tǒng)中相數(shù)、組分?jǐn)?shù)和自由度數(shù)之間關(guān)系的定律。對于均相系統(tǒng)，相律的表達(dá)式為：F=C-P+2，其中F為自由度數(shù)，C為組分?jǐn)?shù)，P為相數(shù)。122024/3/26單組分系統(tǒng)只含有一個組分的系統(tǒng)稱為單組分系統(tǒng)。如水、乙醇等純凈物都是單組分系統(tǒng)。相圖表示單組分系統(tǒng)的相圖通常以溫度T和壓力p為坐標(biāo)，表示不同溫度和壓力下單組分物質(zhì)的存在狀態(tài)及相變情況。相變過程在單組分系統(tǒng)中，隨著溫度和壓力的變化，物質(zhì)會發(fā)生固-液、液-氣、固-氣等相變過程。這些相變過程在相圖上表現(xiàn)為不同的曲線和區(qū)域。單組分系統(tǒng)相圖132024/3/26多組分系統(tǒng)相圖在多組分系統(tǒng)中，隨著組成和條件的變化，物質(zhì)會發(fā)生液-液分相、固溶體析出等復(fù)雜的相變過程。這些相變過程在相圖上表現(xiàn)為不同的區(qū)域和界線。相變過程含有兩個或兩個以上組分的系統(tǒng)稱為多組分系統(tǒng)。如溶液、合金等都是多組分系統(tǒng)。多組分系統(tǒng)多組分系統(tǒng)的相圖通常以各組分的摩爾分?jǐn)?shù)為坐標(biāo)，表示不同組成和條件下多組分物質(zhì)的存在狀態(tài)及相變情況。相圖表示142024/3/2604化學(xué)平衡與反應(yīng)速率152024/3/26根據(jù)熱力學(xué)第二定律，化學(xué)反應(yīng)總是向著體系總能量降低的方向進(jìn)行，即向著生成更穩(wěn)定產(chǎn)物的方向進(jìn)行。同時，反應(yīng)方向也受到反應(yīng)條件如溫度、壓力、濃度等的影響。化學(xué)反應(yīng)的方向在給定條件下，化學(xué)反應(yīng)所能達(dá)到的最大程度稱為反應(yīng)限度。反應(yīng)限度可以通過化學(xué)平衡常數(shù)來衡量，平衡常數(shù)越大，反應(yīng)進(jìn)行的程度越高?；瘜W(xué)反應(yīng)的限度化學(xué)反應(yīng)的方向和限度162024/3/26當(dāng)溶液中的某些離子濃度超過其溶度積時，會生成沉淀。沉淀的生成可以降低溶液中離子的濃度，使溶液達(dá)到新的平衡狀態(tài)。沉淀的生成在一定條件下，沉淀可以溶解于溶液中，溶解過程受到溫度、壓力、溶液pH等因素的影響。當(dāng)溶解達(dá)到平衡時，溶液中的離子濃度和沉淀的溶解度之間存在一定的關(guān)系。沉淀的溶解沉淀溶解平衡172024/3/26酸堿反應(yīng)是質(zhì)子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)，即酸給出質(zhì)子成為堿，堿接受質(zhì)子成為酸。酸堿反應(yīng)的平衡常數(shù)稱為酸度常數(shù)或堿度常數(shù)。酸堿指示劑是一類在酸堿溶液中呈現(xiàn)不同顏色的有機(jī)化合物。它們可以用來指示溶液的酸堿性，從而判斷酸堿反應(yīng)是否達(dá)到平衡。酸堿反應(yīng)平衡酸堿指示劑酸堿反應(yīng)的實(shí)質(zhì)182024/3/26氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)氧化還原反應(yīng)是電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)，即氧化劑接受電子被還原，還原劑給出電子被氧化。氧化還原反應(yīng)的平衡常數(shù)稱為氧化還原電位。氧化還原反應(yīng)的應(yīng)用氧化還原反應(yīng)在化學(xué)工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，利用氧化還原反應(yīng)可以制備各種化學(xué)產(chǎn)品、處理廢水廢氣、研究生物體內(nèi)的代謝過程等。氧化還原反應(yīng)平衡192024/3/2605電化學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用202024/3/26原電池工作原理通過自發(fā)的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，包括電極反應(yīng)、離子遷移和電子傳遞等過程。電解池工作原理在外加電壓作用下，電解質(zhì)溶液中的陰陽離子分別向兩極遷移并在電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。原電池與電解池的比較二者在能量轉(zhuǎn)化方向、電極反應(yīng)類型和驅(qū)動力等方面存在差異。原電池與電解池原理212024/3/2603電極過程動力學(xué)方程描述電極反應(yīng)速率與電極電位、反應(yīng)物濃度等參數(shù)之間的關(guān)系，可用于預(yù)測和優(yōu)化電化學(xué)反應(yīng)過程。01電極反應(yīng)速率受電極電位、反應(yīng)物濃度、溫度等因素影響，可通過實(shí)驗(yàn)測定不同條件下的電極反應(yīng)速率。02電極過程控制步驟包括電荷傳遞、物質(zhì)傳遞和前置化學(xué)反應(yīng)等步驟，其中電荷傳遞步驟通常為控制步驟。電極過程動力學(xué)222024/3/26電解利用電解原理實(shí)現(xiàn)某些難以通過化學(xué)反應(yīng)直接合成的物質(zhì)的制備，如金屬鈉、鉀等活潑金屬的制備。電化學(xué)傳感器利用電化學(xué)原理檢測氣體、液體或固體中的特定成分，具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。電鍍在金屬或非金屬表面通過電化學(xué)方法沉積一層金屬或合金，以改善材料的耐腐蝕性、導(dǎo)電性等性能。電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動汽車等領(lǐng)域。電化學(xué)應(yīng)用舉例232024/3/2606表面現(xiàn)象與膠體化學(xué)242024/3/26表面張力的定義和物理意義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。潤濕現(xiàn)象及其分類潤濕現(xiàn)象是指固體表面被液體覆蓋的過程，根據(jù)潤濕程度可分為沾濕、浸濕和鋪展三種類型。接觸角和潤濕方程接觸角是氣、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，潤濕方程則表達(dá)了接觸角與界面張力之間的關(guān)系。010203表面張力與潤濕現(xiàn)象252024/3/26吸附等溫線和吸附熱吸附等溫線表示在一定溫度下，吸附量隨平衡壓力變化的關(guān)系曲線，而吸附熱則是描述吸附過程中能量變化的物理量。吸附機(jī)理和影響因素吸附機(jī)理包括物理吸附和化學(xué)吸附兩種機(jī)制，影響因素包括溫度、壓力、吸附劑性質(zhì)、吸附質(zhì)性質(zhì)等。吸附現(xiàn)象的定義和分類吸附現(xiàn)象是指物質(zhì)在相界面上的濃度自動發(fā)生變化的現(xiàn)象，根據(jù)吸附質(zhì)與吸附劑之間的作用力可分為物理吸附和化學(xué)吸附。吸附現(xiàn)象及其機(jī)理262024/3/26膠體性質(zhì)及制備方法膠體的基本性質(zhì)膠體具有丁達(dá)爾效應(yīng)、電泳現(xiàn)象、布朗運(yùn)動等基本性質(zhì)，這些性質(zhì)與膠體的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。膠體的定義和分類膠體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)分散相和分散介質(zhì)的不同可分為不同類型。膠體的制備方法和應(yīng)用膠體的制備方法包括分散法、凝聚法、溶膠凝膠法等，膠體在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。272024/3/2607總結(jié)回顧與拓展延伸282024/3/26課程重點(diǎn)內(nèi)容回顧熱力學(xué)基本概念包括溫度、熱量、功、熱力學(xué)能等基本概念的定義和物理意義。熱力學(xué)第一定律闡述了能量守恒和轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用，以及熱力學(xué)能、焓、熱容等熱力學(xué)函數(shù)的定義和計算。熱力學(xué)第二定律介紹了熱力學(xué)過程的方向性和限度，以及熵、熵增原理、熱力學(xué)溫標(biāo)等概念?；瘜W(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)包括化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)的方向和限度、化學(xué)平衡等基本概念和原理。292024/3/26統(tǒng)計熱力學(xué)應(yīng)用統(tǒng)計物理的方法研究大量粒子系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)和行為，如系綜理論、漲落現(xiàn)象等。量子熱力學(xué)將量子力學(xué)與熱力學(xué)相結(jié)合，研究微觀粒子系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)和行為，如量子熱機(jī)、量子相變等。非平衡態(tài)熱力學(xué)研究非平衡態(tài)系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)和行為，如非平衡態(tài)相變、非平衡態(tài)輸運(yùn)過程等。學(xué)科前沿動態(tài)介紹302024/3/26思考題與討論題1.如何理解熱力