[理學(xué)]1第一章 氣體的pvt關(guān)系72

1、物 理 化 學(xué)主 講：黃連榮,,,總結(jié)規(guī)律,影響,影響,任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)總是與各種物理過程相聯(lián)系著的:,0.1 物理化學(xué)的研究對(duì)象及其重要意義,物理化學(xué)就是從研究化學(xué)現(xiàn)象和物理現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系入手，從而找出化學(xué)運(yùn)動(dòng)中最具有普遍性的基本規(guī)律的一門學(xué)科。,化學(xué)反應(yīng),伴隨著,化學(xué)反應(yīng),p V T 變化,熱、光、電,,,產(chǎn)生,物理化學(xué),緒 論,①化學(xué)熱力學(xué)——化學(xué)變化的方向和限度，以及伴隨發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系；　 例

2、如：合成氨反應(yīng)，常溫常壓下能否進(jìn)行？產(chǎn)率？,物理化學(xué)所擔(dān)負(fù)的主要任務(wù)：,②化學(xué)動(dòng)力學(xué)——化學(xué)反應(yīng)的速率和機(jī)理； 上例理論上可行。關(guān)鍵是尋找合適的催化劑和反應(yīng)途徑（模擬生物固氮）。,③結(jié)構(gòu)化學(xué)——物質(zhì)的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系　 例如研究與氮分子有關(guān)的配合物的結(jié)構(gòu)，以及它們?cè)诓煌瑮l件下的變化，就有利于常溫常壓下尋找固氮的途徑。,物理化學(xué)與化學(xué)中的其它學(xué)科(如無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等)之間有著密切的聯(lián)系，無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、

3、有機(jī)化學(xué)等各有自己特殊的研究對(duì)象，但物理化學(xué)則著重研究更具有普遍性的、更本質(zhì)的化學(xué)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律性。 物理化學(xué)所研究的基本問題亦正是其它化學(xué)學(xué)科最關(guān)心的問題。現(xiàn)代無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)和有機(jī)化學(xué)在解決具體問題時(shí)，很大程度上常常需要應(yīng)用物理化學(xué)的規(guī)律和方法，因此，物理化學(xué)與無機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)等學(xué)科的關(guān)系是十分密切的，并相互交叉融合，形成了諸如無機(jī)物理化學(xué)、有機(jī)物理化學(xué)、高分子物理化學(xué)、生物物理化學(xué)、材料物理化學(xué)等新興交叉學(xué)科。

4、,物理化學(xué)與其它學(xué)科之間的聯(lián)系,如果這種預(yù)測(cè)能為多方面的實(shí)踐所證實(shí)，則這種假說就成為理論或?qū)W說。,0.2 物理化學(xué)的研究方法,物理化學(xué)的發(fā)展歷史證明，物理化學(xué)的發(fā)展是完全符合“實(shí)踐—理論—實(shí)踐”的過程的。,觀察客觀現(xiàn)象或重現(xiàn)自然現(xiàn)象(做實(shí)驗(yàn)),,大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐的知識(shí)，總結(jié)出它的規(guī)律性,,定律,,根據(jù)己知的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和實(shí)際知識(shí)，通過思維，提出假說，來說明這種規(guī)律性存在的原因,根據(jù)假說作邏輯性的推理，還可預(yù)測(cè)客觀事物新的現(xiàn)象和

5、規(guī)律,,,,實(shí)踐……修正……,例如：已有可能對(duì)微量熱效應(yīng)進(jìn)行直接測(cè)量， 有可能對(duì)物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定， 已有可能對(duì)10-12s范圍內(nèi)的快速過程進(jìn)行研究， 有可能對(duì)量子態(tài)之間的能量轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行研究以及超精細(xì)光譜的研究……等等，而且計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的應(yīng)用日益普遍。隨著現(xiàn)代物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)手段的發(fā)展，各種新的物理化學(xué)分支學(xué)科紛紛出現(xiàn)。,物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的手段有了飛速的發(fā)展：,事實(shí)證明，理論

6、和實(shí)驗(yàn)的關(guān)系已越來越密切，任何缺乏理論觀點(diǎn)指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究必然是盲目的研究，而更多的是許多新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象期待著新的理論來解釋，因此，那種認(rèn)為物理化學(xué)是理論性學(xué)科，因而輕視實(shí)驗(yàn)研究的任何傾向都是非常有害的。,① 要注意邏輯推理的思維方法。在物理化學(xué)中邏輯推理的前提就是基本原理、基本概念和基本假設(shè)。,如何學(xué)好物理化學(xué)這門課程，除了一般學(xué)習(xí)中行之有效的方法如要進(jìn)行預(yù)習(xí)，抓住重點(diǎn)和善于及時(shí)總結(jié)等以外，針對(duì)物理化學(xué)課程的特點(diǎn)，提出以下幾點(diǎn)供參考。,0

7、.3 學(xué)習(xí)物理化學(xué)的方法,② 必須注意要自己動(dòng)手推導(dǎo)公式。只要記住幾個(gè)基本定義和幾個(gè)基本公式，其他一切公式均可由此導(dǎo)出，而且在推導(dǎo)公式的過程中每一步所需增加的適用條件自然就產(chǎn)生了，最終所得到的公式有什么限制和適用條件就很明確。,③ 重視多做習(xí)題。學(xué)習(xí)物理化學(xué)的目的在于運(yùn)用它，而做習(xí)題時(shí)將所學(xué)的物理化學(xué)內(nèi)容聯(lián)系實(shí)際的第一步。,④ 勤于思考。,0.4 物理化學(xué)的基本教學(xué)內(nèi)容,物 理 化 學(xué) （天津大學(xué)，簡明版）

8、,理想氣體性質(zhì),第一章,第二、三章,第四~八、十章,第九章,化學(xué)熱力學(xué)基本理論,化學(xué)熱力學(xué)理論在實(shí)際中的運(yùn)用,化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ),說明：物理化學(xué)課程的主要內(nèi)容為化學(xué)熱力學(xué)的基本理論和實(shí)際運(yùn)用，理想氣體作為課程的主要研究對(duì)象在第一章中對(duì)其有關(guān)性質(zhì)進(jìn)行探討，化學(xué)動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容十分豐富，本課程僅對(duì)其基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行討論,,0.5 物理量的表示及運(yùn)算,（1）物理量的表示,★ 只能將量綱相同的量用加、減號(hào)或相等號(hào)相聯(lián)結(jié),（2）對(duì)數(shù)中的物理量,（3）物理

9、量運(yùn)算注意點(diǎn),★ 作圖或列表時(shí)應(yīng)用純數(shù)，所以各物理量須除以相應(yīng)的單位,第一章 氣體的pVT關(guān)系,計(jì)劃學(xué)時(shí)：3學(xué)時(shí),☆ 研究氣體的重要性,T、p一定時(shí) : Vmol (g)>> Vmol (l) 或 Vmol (s),氣體分子間作用力較液、固體小得多，所以氣體的性質(zhì)相對(duì)液、固體簡單得多，人們對(duì)氣體研究比較完美, 比較方便。利用氣體的一些性質(zhì)，并加以修正，可處理液、固體行為，所得結(jié)果能令人滿意。,p、V、T 行為是任何物體最

10、基本的物理性質(zhì)，這些性質(zhì)的物理意義非常明確，可以直接測(cè)定。又因各性質(zhì)之間有相互依存關(guān)系，掌握了 pVT 的變化，可推算出其它性質(zhì)的變化。,①R.Boyle定律: 定溫時(shí)，一定量的氣體的體積與壓力成反比。,§1.1 理想氣體狀態(tài)方程,1.1 理想氣體狀態(tài)方程,（1）三個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律,② Gay-lussac定律: 定壓時(shí)，一定量的氣體的體積與絕對(duì)溫度成正比。,③ Avogadro定律: 同溫同壓下，相同體積的氣體含有相同的摩爾數(shù)

11、。,條件：壓力越低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與三條經(jīng)驗(yàn)定律吻合得越好。,（2）理想氣體狀態(tài)方程,★理想氣體狀態(tài)方程：pV = nRT,★摩爾氣體常數(shù)R,★理想氣體狀態(tài)方程的其他形式,思考：理想氣體是一個(gè)理想化的概念，是不存在的。那么它究竟特別在哪里？它和真實(shí)的氣體有什么不同呢？,(2) 理想氣體模型,,,分析思路,建立理想氣體的模型須從其定義著手，它來源于理想氣體狀態(tài)方程,,,經(jīng)驗(yàn)定律只有對(duì)無限稀薄狀態(tài)（高溫、低壓）下的真實(shí)氣體才是準(zhǔn)確的,,極稀薄氣體

12、①分子間作用力極?、跉怏w占有的體積極大，分子的體積相對(duì)極小,,理想氣體模型：,★ 分子之間無相互作用力★ 分子本身不占體積,1.2 理想氣體模型,（1）分子間力－－蘭納德-瓊斯理論,理想氣體狀態(tài)方程又由低壓下真實(shí)氣體的三個(gè)經(jīng)驗(yàn)定律推得,理想氣體的定義：在任何溫度、壓力下均符合理想氣體模型，或服從理想氣體狀態(tài)方程的氣體稱為理想氣體。,例題：P.18，1.5,分析：運(yùn)用理想氣體狀態(tài)方程是求算氣體摩爾質(zhì)量的一種途徑，但理想氣體狀態(tài)方程只適用

13、于理想氣體，如何利用真實(shí)氣體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算呢？題目中已作提示：外推法。結(jié)合已知條件需要選擇合適的方程形式,解題：,對(duì)于真實(shí)氣體，只有當(dāng)壓力p 趨于零時(shí)，上述關(guān)系式才能成立，即,由題目所給數(shù)據(jù)算出在不同壓力下的（ρ /p）的值，列表如下：,上式表示當(dāng)壓力 p 趨于零時(shí)，,故甲烷的相對(duì)分子質(zhì)量,以(ρ / p)×103/g·dm-3(kPa)-1對(duì)p/(kPa)目作圖得一直線，將直線外推到 p = 0，可得：,§

14、;1.2 理想氣體混合物,2.1 混合物的組成,（1）摩爾分?jǐn)?shù) xB 或 yB,（2）質(zhì)量分?jǐn)?shù) wB,（3）體積分?jǐn)?shù)?B,2.2 理想氣體狀態(tài)方程對(duì)理想氣體混合物的應(yīng)用,混合物的平均摩爾質(zhì)量等于混合物中各物質(zhì)的摩爾質(zhì)量與其摩爾分?jǐn)?shù)的乘積之和,算法一：,算法二：,混合物的平均摩爾質(zhì)量等于混合物的總質(zhì)量除以混合物的總的物質(zhì)的量,為平均摩爾質(zhì)量,2.3 道爾頓定律,★ 分壓力：混合氣體中某一種氣體所產(chǎn)生的壓力,★ 道爾頓定律：混合氣體的總壓

15、等于各組分單獨(dú)存在于混合氣體的溫度、體積條件下所產(chǎn)生壓力的總和,氣體A nAT、V,氣體B nBT、V,+,→,混合氣體 (nA+ nB) T、V,pA,pB,p= pA+ pB,道爾頓定律是一條僅適用于低壓混合氣體的經(jīng)驗(yàn)定律，即對(duì)于真實(shí)氣體混合物是近似的經(jīng)驗(yàn)定律，但對(duì)于理想氣體混合物是必然結(jié)果,例：在2dm3的真空容器中，裝入4.64g Cl2和4.19g SO2。190℃時(shí)Cl2與SO2部分反應(yīng)生成SO2

16、Cl2，容器壓力變?yōu)?02.65kPa，求平衡時(shí)各氣體的分壓力。,解：,設(shè)反應(yīng)掉的Cl2(g)的物質(zhì)的量為n mol，則平衡時(shí)各物質(zhì)的量如下：,根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，有,結(jié)合以上兩式，得,平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量分別為：,2.3 阿馬加定律,,★ 分體積：理想氣體混合物中，物質(zhì)B的分體積等于純B在與混合物的具有相同的溫度及壓力條件下所占有的體積,★ 阿馬加定律：理想氣體混合物的總體積等于各組分在相同溫度 T 及總壓 p 條件下占有的體積

17、VB* 之和,,氣體A nAT、p,,氣體B nBT、p,+,→,,混合氣體 (nA+ nB) T、p,V*A,V*B,V= V*A+ V*B,,例：有2dm3濕空氣，壓力為101.325kPa，其中水蒸氣的分壓力為12.33kPa。設(shè)空氣中O2與N2的體積分?jǐn)?shù)分別為0.21與0.79，求水蒸氣、N2及O2的分體積和N2、O2在濕空氣中的分壓力。,分析：在總壓和總體積已知的情況下，求各組分的分壓力的關(guān)

18、鍵是求出各組分的摩爾分?jǐn)?shù)。,解：,同理可得：,§1.3 真實(shí)氣體的液化及臨界參數(shù),3.1 真實(shí)氣體的液化,真實(shí)氣體的液化是說明真實(shí)氣體分子之間存在引力的一個(gè)顯著的事實(shí)，只要施以足夠大的壓力，任何真實(shí)氣體都可以凝聚成液體,（1）定義 ：在一定的溫度 T 下，物質(zhì)氣液兩相達(dá)平衡時(shí)氣相 的壓力，稱為該溫度下液體的飽和蒸氣壓。氣-液兩相平 衡時(shí)的氣體稱為飽和氣體，液體稱為飽和液體。,3.2

19、液體的飽和蒸氣壓,（2）性質(zhì),★ 飽和蒸氣壓與物質(zhì)本性有關(guān) 飽和蒸氣壓是衡量液體蒸發(fā)能力的物理量，同一溫度下，飽和蒸氣壓越大的物質(zhì)越容易蒸發(fā),★ 沸點(diǎn)--液體飽和蒸氣壓等于外壓時(shí)的溫度。 101.325kPa下的沸點(diǎn)稱正常沸點(diǎn)。,★ 氣液平衡的移動(dòng)--壓力、溫度的影響,★ 飽和蒸氣壓與溫度有關(guān),例: (1) 已知水在25℃時(shí)的飽和蒸氣壓p*=3.67kPa。在25℃下的密封容器中存在有少量的水及

20、被水蒸氣所飽和的空氣，容器的壓力為100kPa，求此時(shí)空氣的摩爾分?jǐn)?shù)y1(air)。(2) 若將容器升溫至100℃并保持恒定，達(dá)平衡后容器中仍有水存在，求此時(shí)容器中空氣的摩爾分?jǐn)?shù)y2(air) 。,解：（1）容器中空氣的分壓,（2）若將上述系統(tǒng)恒容升溫至100℃，達(dá)平衡后系統(tǒng)中仍有水存在，則此時(shí)水蒸氣的分壓為水在100℃時(shí)的飽和蒸氣壓，p2*=101.325kPa。,3.3 臨界參數(shù),（1）臨界參數(shù),★ 臨界溫度Tc—使氣體液化所允許

21、的最高溫度,★ 臨界壓力pc—臨界溫度時(shí)物質(zhì)的飽和蒸氣壓， 是臨界溫度時(shí)氣體液化所需的最小壓力,★ 臨界摩爾體積Vm,c—臨界溫度及臨界壓力下 物質(zhì)的摩爾體積,臨界溫度Tc、臨界壓力pc、臨界摩爾體積Vm,c統(tǒng)稱臨界參數(shù)，是各物質(zhì)的特性常數(shù)。見P.457附錄六,（2）臨界狀態(tài)和臨界點(diǎn),★ 物質(zhì)處于臨界溫

22、度、臨界壓力下的狀態(tài)稱臨界狀態(tài),★ 臨界狀態(tài)無兩相界面，既不是氣態(tài)、也不是液態(tài),思考：為什么在臨界溫度以上，無論加多大的壓力也不能使氣體液化？,提示：在臨界溫度以上，由于溫度較高，分子動(dòng)能大到足以克服分子間的引力，因此無論加多大的壓力也不能使氣體液化。所以，臨界溫度高的物質(zhì)其沸點(diǎn)也較高,☆ 臨界點(diǎn)c（critical） ： p-Vm圖上物質(zhì)處于臨界狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)點(diǎn)叫臨界點(diǎn)。臨界點(diǎn)處氣、液兩相的摩爾體積及其它性質(zhì)完全相

23、同，無氣、液相界面，是氣體與液體相互轉(zhuǎn)化的極限。,例題：以飽和氣流法測(cè)定蒸氣壓。在15℃、760mmHg下，將2000毫升的干空氣通過一已知重量的CS2的計(jì)泡器的球，空氣與CS2蒸氣的混合物逸至760mmHg的空氣中，稱重球的重量表明有3.011克的CS2蒸發(fā)。求在15℃下CS2的飽和蒸氣壓為多少？,解題：,因此混合物中CS2的分壓，即CS2的飽和蒸氣壓可由下式求出,分析：此題解題的關(guān)鍵是計(jì)泡器進(jìn)口和出口的壓力相等，但體積不等。出口處