[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)運動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)，常溫常壓下能否進行？產(chǎn)率？,物理化學(xué)所擔(dān)負的主要任務(wù)：,②化學(xué)動力學(xué)——化學(xué)反應(yīng)的速率和機理； 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(xué)與化學(xué)中的其它學(xué)科(如無機化學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)等)之間有著密切的聯(lián)系，無機化學(xué)、分析化學(xué)、

3、有機化學(xué)等各有自己特殊的研究對象，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)運動的內(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?，F(xiàn)代無機化學(xué)、分析化學(xué)和有機化學(xué)在解決具體問題時，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)與無機化學(xué)、分析化學(xué)、有機化學(xué)等學(xué)科的關(guān)系是十分密切的，并相互交叉融合，形成了諸如無機物理化學(xué)、有機物理化學(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)測能為多方面的實踐所證實，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“實踐—理論—實踐”的過程的。,觀察客觀現(xiàn)象或重現(xiàn)自然現(xiàn)象(做實驗),,大量的科學(xué)實驗事實和生產(chǎn)實踐的知識，總結(jié)出它的規(guī)律性,,定律,,根據(jù)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(jù)假說作邏輯性的推理，還可預(yù)測客觀事物新的現(xiàn)象和

5、規(guī)律,,,,實踐……修正……,例如：已有可能對微量熱效應(yīng)進行直接測量， 有可能對物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)進行確定， 已有可能對10-12s范圍內(nèi)的快速過程進行研究， 有可能對量子態(tài)之間的能量轉(zhuǎn)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(shù)的應(yīng)用日益普遍。隨著現(xiàn)代物理化學(xué)實驗手段的發(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(guān)系已越來越密切，任何缺乏理論觀點指導(dǎo)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(xiàn)象期待著新的理論來解釋，因此，那種認為物理化學(xué)是理論性學(xué)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(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行預(yù)習(xí)，抓住重點和善于及時總結(jié)等以外，針對物理化學(xué)課程的特點，提出以下幾點供參考。,0

7、.3 學(xué)習(xí)物理化學(xué)的方法,② 必須注意要自己動手推導(dǎo)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(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)的目的在于運用它，而做習(xí)題時將所學(xué)的物理化學(xué)內(nèi)容聯(lián)系實際的第一步。,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)理論在實際中的運用,化學(xué)動力學(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(guān)性質(zhì)進行探討，化學(xué)動力學(xué)的內(nèi)容十分豐富，本課程僅對其基礎(chǔ)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(lián)結(jié),（2）對數(shù)中的物理量,（3）物理

9、量運算注意點,★ 作圖或列表時應(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,計劃學(xué)時：3學(xué)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(zhì)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(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，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(jīng)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(shù)

11、。,條件：壓力越低，實驗結(jié)果與三條經(jīng)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(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(jīng)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(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(jīng)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(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，如何利用真實氣體的實驗數(shù)據(jù)計算呢？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：,對于真實氣體，只有當(dāng)壓力p 趨于零時，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，,故甲烷的相對分子質(zhì)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(shù) xB 或 yB,（2）質(zhì)量分數(shù) wB,（3）體積分數(shù)?B,2.2 理想氣體狀態(tài)方程對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)量與其摩爾分數(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)驗定律，即對于真實氣體混合物是近似的經(jīng)驗定律，但對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的體積分數(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數(shù)。,解：,同理可得：,§1.3 真實氣體的液化及臨界參數(shù),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(zhì)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(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--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(guān),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(shù)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(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(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—臨界溫度時物質(zhì)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(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,★ 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)其沸點也較高,☆ 臨界點c（critical） ： p-Vm圖上物質(zhì)處于臨界狀態(tài)時對應(yīng)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(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(guān)鍵是計泡器進口和出口的壓力相等，但體積不等。出口處