[理學]1第一章 氣體的pvt關系72

1、物 理 化 學主 講：黃連榮,,,總結規(guī)律,影響,影響,任何一個化學反應總是與各種物理過程相聯系著的:,0.1 物理化學的研究對象及其重要意義,物理化學就是從研究化學現象和物理現象之間的相互聯系入手，從而找出化學運動中最具有普遍性的基本規(guī)律的一門學科。,化學反應,伴隨著,化學反應,p V T 變化,熱、光、電,,,產生,物理化學,緒 論,①化學熱力學——化學變化的方向和限度，以及伴隨發(fā)生的能量轉換關系；　 例

2、如：合成氨反應，常溫常壓下能否進行？產率？,物理化學所擔負的主要任務：,②化學動力學——化學反應的速率和機理； 上例理論上可行。關鍵是尋找合適的催化劑和反應途徑（模擬生物固氮）。,③結構化學——物質的性質與其微觀結構的關系　 例如研究與氮分子有關的配合物的結構，以及它們在不同條件下的變化，就有利于常溫常壓下尋找固氮的途徑。,物理化學與化學中的其它學科(如無機化學、分析化學、有機化學等)之間有著密切的聯系，無機化學、分析化學、

3、有機化學等各有自己特殊的研究對象，但物理化學則著重研究更具有普遍性的、更本質的化學運動的內在規(guī)律性。 物理化學所研究的基本問題亦正是其它化學學科最關心的問題?，F代無機化學、分析化學和有機化學在解決具體問題時，很大程度上常常需要應用物理化學的規(guī)律和方法，因此，物理化學與無機化學、分析化學、有機化學等學科的關系是十分密切的，并相互交叉融合，形成了諸如無機物理化學、有機物理化學、高分子物理化學、生物物理化學、材料物理化學等新興交叉學科。

4、,物理化學與其它學科之間的聯系,如果這種預測能為多方面的實踐所證實，則這種假說就成為理論或學說。,0.2 物理化學的研究方法,物理化學的發(fā)展歷史證明，物理化學的發(fā)展是完全符合“實踐—理論—實踐”的過程的。,觀察客觀現象或重現自然現象(做實驗),,大量的科學實驗事實和生產實踐的知識，總結出它的規(guī)律性,,定律,,根據己知的實驗事實和實際知識，通過思維，提出假說，來說明這種規(guī)律性存在的原因,根據假說作邏輯性的推理，還可預測客觀事物新的現象和

5、規(guī)律,,,,實踐……修正……,例如：已有可能對微量熱效應進行直接測量， 有可能對物質的空間結構進行確定， 已有可能對10-12s范圍內的快速過程進行研究， 有可能對量子態(tài)之間的能量轉移過程進行研究以及超精細光譜的研究……等等，而且計算機和電子技術的應用日益普遍。隨著現代物理化學實驗手段的發(fā)展，各種新的物理化學分支學科紛紛出現。,物理化學實驗研究的手段有了飛速的發(fā)展：,事實證明，理論

6、和實驗的關系已越來越密切，任何缺乏理論觀點指導的實驗研究必然是盲目的研究，而更多的是許多新的實驗現象期待著新的理論來解釋，因此，那種認為物理化學是理論性學科，因而輕視實驗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。在物理化學中邏輯推理的前提就是基本原理、基本概念和基本假設。,如何學好物理化學這門課程，除了一般學習中行之有效的方法如要進行預習，抓住重點和善于及時總結等以外，針對物理化學課程的特點，提出以下幾點供參考。,0

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

8、,理想氣體性質,第一章,第二、三章,第四~八、十章,第九章,化學熱力學基本理論,化學熱力學理論在實際中的運用,化學動力學基礎,說明：物理化學課程的主要內容為化學熱力學的基本理論和實際運用，理想氣體作為課程的主要研究對象在第一章中對其有關性質進行探討，化學動力學的內容十分豐富，本課程僅對其基礎知識進行討論,,0.5 物理量的表示及運算,（1）物理量的表示,★ 只能將量綱相同的量用加、減號或相等號相聯結,（2）對數中的物理量,（3）物理

9、量運算注意點,★ 作圖或列表時應用純數，所以各物理量須除以相應的單位,第一章 氣體的pVT關系,計劃學時：3學時,☆ 研究氣體的重要性,T、p一定時 : Vmol (g)>> Vmol (l) 或 Vmol (s),氣體分子間作用力較液、固體小得多，所以氣體的性質相對液、固體簡單得多，人們對氣體研究比較完美, 比較方便。利用氣體的一些性質，并加以修正，可處理液、固體行為，所得結果能令人滿意。,p、V、T 行為是任何物體最

10、基本的物理性質，這些性質的物理意義非常明確，可以直接測定。又因各性質之間有相互依存關系，掌握了 pVT 的變化，可推算出其它性質的變化。,①R.Boyle定律: 定溫時，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）三個經驗定律,② Gay-lussac定律: 定壓時，一定量的氣體的體積與絕對溫度成正比。,③ Avogadro定律: 同溫同壓下，相同體積的氣體含有相同的摩爾數

11、。,條件：壓力越低，實驗結果與三條經驗定律吻合得越好。,（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R,★理想氣體狀態(tài)方程的其他形式,思考：理想氣體是一個理想化的概念，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,,,經驗定律只有對無限稀薄狀態(tài)（高溫、低壓）下的真實氣體才是準確的,,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氣體的三個經驗定律推得,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：運用理想氣體狀態(tài)方程是求算氣體摩爾質量的一種途徑，但理想氣體狀態(tài)方程只適用

13、于理想氣體，如何利用真實氣體的實驗數據計算呢？題目中已作提示：外推法。結合已知條件需要選擇合適的方程形式,解題：,對于真實氣體，只有當壓力p 趨于零時，上述關系式才能成立，即,由題目所給數據算出在不同壓力下的（ρ /p）的值，列表如下：,上式表示當壓力 p 趨于零時，,故甲烷的相對分子質量,以(ρ / p)×103/g·dm-3(kPa)-1對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）摩爾分數 xB 或 yB,（2）質量分數 wB,（3）體積分數?B,2.2 理想氣體狀態(tài)方程對理想氣體混合物的應用,混合物的平均摩爾質量等于混合物中各物質的摩爾質量與其摩爾分數的乘積之和,算法一：,算法二：,混合物的平均摩爾質量等于混合物的總質量除以混合物的總的物質的量,為平均摩爾質量,2.3 道爾頓定律,★ 分壓力：混合氣體中某一種氣體所產生的壓力,★ 道爾頓定律：混合氣體的總壓

15、等于各組分單獨存在于混合氣體的溫度、體積條件下所產生壓力的總和,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驗定律，即對于真實氣體混合物是近似的經驗定律，但對于理想氣體混合物是必然結果,例：在2dm3的真空容器中，裝入4.64g Cl2和4.19g SO2。190℃時Cl2與SO2部分反應生成SO2

16、Cl2，容器壓力變?yōu)?02.65kPa，求平衡時各氣體的分壓力。,解：,設反應掉的Cl2(g)的物質的量為n mol，則平衡時各物質的量如下：,根據理想氣體狀態(tài)方程，有,結合以上兩式，得,平衡時各組分的物質的量分別為：,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。設空氣中O2與N2的體積分數分別為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

18、鍵是求出各組分的摩爾分數。,解：,同理可得：,§1.3 真實氣體的液化及臨界參數,3.1 真實氣體的液化,真實氣體的液化是說明真實氣體分子之間存在引力的一個顯著的事實，只要施以足夠大的壓力，任何真實氣體都可以凝聚成液體,（1）定義 ：在一定的溫度 T 下，物質氣液兩相達平衡時氣相 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,★ 飽和蒸氣壓與物質本性有關 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越容易蒸發(fā),★ 沸點--液體飽和蒸氣壓等于外壓時的溫度。 101.325kPa下的沸點稱正常沸點。,★ 氣液平衡的移動--壓力、溫度的影響,★ 飽和蒸氣壓與溫度有關,例: (1) 已知水在25℃時的飽和蒸氣壓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，求此時空氣的摩爾分數y1(air)。(2) 若將容器升溫至100℃并保持恒定，達平衡后容器中仍有水存在，求此時容器中空氣的摩爾分數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℃，達平衡后系統(tǒng)中仍有水存在，則此時水蒸氣的分壓為水在100℃時的飽和蒸氣壓，p2*=101.325kPa。,3.3 臨界參數,（1）臨界參數,★ 臨界溫度Tc—使氣體液化所允許

21、的最高溫度,★ 臨界壓力pc—臨界溫度時物質的飽和蒸氣壓， 是臨界溫度時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，是各物質的特性常數。見P.457附錄六,（2）臨界狀態(tài)和臨界點,★ 物質處于臨界溫

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，臨界溫度高的物質其沸點也較高,☆ 臨界點c（critical） ： p-Vm圖上物質處于臨界狀態(tài)時對應的狀態(tài)點叫臨界點。臨界點處氣、液兩相的摩爾體積及其它性質完全相

23、同，無氣、液相界面，是氣體與液體相互轉化的極限。,例題：以飽和氣流法測定蒸氣壓。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：此題解題的關鍵是計泡器進口和出口的壓力相等，但體積不等。出口處