绪论和第一张气体

*物理化学PhysicalChemistry辽宁石油化工大学　　　　　　　　李其明*绪论Preface*化学系：李其明电话：15242352060方向：透氧膜、催化、纳米材料办公室：炼化楼东304http://www.polymer.cn/ss/dicp/index.html2010/9-2012/9，韩国明知大学，E2FTC中心，导师：HernKim教授2005/9-2009/9，中科院大连化学物理研究所，物理化学，博士，导师：杨维慎2001/9-2004/7，辽宁石油化工大学，化学 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 ，硕士1997/9-2001/7，辽宁石油化工大学，石油加工，学士1、辽宁教育厅石油化工重点室基础研究项目，LZ2015050，新型金属有机骨架材料支撑的非晶态合金催化剂制备及储氢性能研究。2、国家自然科学基金青年基金项目，21201096，纳米纤维基负载型双相透氧膜的制备及其理论研究。3、辽宁省教育厅项目,L2010242，基于双相不对称透氧膜NEMCA反应器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及应用。*化学物理化学是化学学科的一个分支一、什么是物理化学?*化学反应原子、分子间的分离与组合热电光磁温度变化压力变化体积变化化学物理学密不可分状态变化热学、电学、光学、磁学是物理学的重要分支*物理现象化学现象物理化学用物理的理论和实验方法研究化学变化的本质与规律* 二、物理化学要解决的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 化学反应的方向与限度问题－热力学 化学反应进行的速率和机理问题－动力学 物质的性质与其结构之间的关系问题－物质结构 三、物理化学研究的方法 热力学方法 量子力学的方法 统计的方法*物理化学课程的内容热力学基本定律第一定律第二定律应用多组分系统—溶液相平衡化学平衡可逆电池 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面化学胶体动力学宏观动力学微观动力学电极过程动力学统计热力学*四、物理化学的建立与发展十八世纪开始萌芽：　　从燃素说到能量守恒与转化定律。俄国科学家罗蒙诺索夫最早使用“物理化学”这一术语。МВЛомоносов*十九世纪中叶形成：　　1887年俄国科学家W.Ostwald（1853～1932）和荷兰科学家J.H.van’tHoff（1852～1911）合办了第一本“物理化学杂志”。W.Ostwald(1853～1932)J.H.van’tHoff(1852～1911)1887，J.ofPhysicalChemistry(ingunman)*二十世纪迅速发展：　　新测试手段和新的数据处理方法不断涌现，形成了许多新的分支学科，如：热化学，化学热力学，电化学，溶液化学，胶体化学，表面化学，化学动力学，催化作用，量子化学和结构化学等。近代化学的发展趋势和特点：(1)从宏观到微观(2)从体相到表相(3)从定性到定量(4)从单一学科到交叉学科(5)从研究平衡态到研究非平衡态*学科间相互渗透、相互结合，形成了许多极具生命力的边缘学科，当今科学研究的四大方向：能源、材料、环境、生命化学分支的重新划分生物化学合成化学测试化学物理化学5、物理化学学习方法 物理化学的学科特点：公式、概念、方法 学习方法：理解+记忆+做题 物理化学的重要性：化工基础，本科证书4、学习物理化学的要求：（1）站在整个学科的高度纵观物理化学的主要线条。公式虽多→方向明确→胸有全局（2）认真对待每一个具体概念和公式定理理解→思想→无捷径（3）学会物理化学解决实际问题的方法实际问题→简化模型→数学方法*第一章气体的pVT性质V受T、p的影响很大V受T、p的影响较小联系p、V、T之间关系的方程称为状态方程物理化学中主要讨论气体的状态方程气体理想气体实际气体Chapter1thepVTrelationshipsofgases*100℃、101325Pa下水蒸气的体积大致是水体积的1603倍其中气体的流动性好，分子间距离大，是理论研究的首选对象。*§1.1理想气体状态方程1.理想气体状态方程低压气体定律：（1）玻义尔定律(R.Boyle,1662):pV＝常数（n,T一定）（2）盖.吕萨克定律(J.Gay-Lussac,1808)：V/T＝常数(n,p一定)（3）阿伏加德罗定律（A.Avogadro,1811)V/n＝常数(T,p一定)TheStateEquationofIdealGas**pV=nRT单位：pPaVm3TKnmolRJmol-1K-1R摩尔气体常数molegasconstantR＝8.314510Jmol-1K-1*理想气体状态方程也可表示为：pVm=RTpV=(m/M)RT以此可相互计算p,V,T,n,m,M,(=m/V)R＝8.314J·K-1·mol-1＝0.08206atm·l·K-1·mol-1＝1.987cal·K-1·mol-1理想气体：在任何温度与压力下都能严格服从理想气体状态方程的气体。* 理想气体模型及定义（1）分子间力E吸引－1/r6E排斥1/rnLennard-Jones理论：n=12式中：A－吸引常数；B－排斥常数 理想气体的定义及方程的用途定义：用途： 理想气体的微观模型： 低压实际气体可近似当作理想气体 分子是几何点 无分子间力PVT三个中知道两个，就能不用试验，计算出第三个。在任意温度和压力下都严格服从理想气体状态方程的气体*混合气体（包括理想的和非理想的）的分压定义：pB＝yBp式中：pBB气体的分压p混合气体的总压∑pB＝∑yBpyB=1p=pB3.道尔顿定律Dalton’sLaw*即理想混合气体的总压等于各组分单独存在于混合气体的T、V时产生的压力总和道尔顿分压定律*§1.3气体的液化及临界参数1.液体的饱和蒸气压理想气体不液化（因分子间没有相互作用力）实际气体：在一定T、p时，气－液可共存达到平衡气液平衡时：气体称为饱和蒸气；液体称为饱和液体；压力称为饱和蒸气压。*饱和蒸气压是温度的函数表1.3.1水、乙醇和苯在不同温度下的饱和蒸气压饱和蒸气压＝外压时的温度称为沸点饱和蒸气压＝1个大气压时的温度称为正常沸点*　T一定时：如pB<pB*，B液体蒸发为气体至pB＝pB*pB>pB*，B气体凝结为液体至pB＝pB*（此规律不受其它气体存在的影响）*2.临界参数Criticalparacters由表1.3.1可知：p*=f(T)T，p*当T＝Tc时，液相消失，加压不再可使气体液化。Tc临界温度：使气体能够液化所允许的最高温度临界温度以上不再有液体存在，p*=f(T)曲线终止于临界温度；临界温度Tc时的饱和蒸气压称为临界压力*临界压力pc:在临界温度下使气体液化所需的最低压力临界摩尔体积Vm,c：在Tc、pc下物质的摩尔体积Tc、pc、Vc统称为物质的临界参数*3.真实气体的p-Vm图及气体的液化*3)T>Tc无论加多大压力，气态不再变为液体，等温线为一光滑曲线lcg虚线内：气－液两相共存区lcg虚线外：单相区左侧：液相区右侧：气相区中间：气、液态连续*超临界流体超临界流体及超临界萃取：1、密度大，溶解能力强。2、粘度小，扩散快。3、毒性低，易分离。4、无残留，不改变萃取物的味道。可用于食品、药品、保健品的萃取与提纯。5、操作条件温和，萃取剂可重复使用，无三废。*§1.4真实气体状态方程theStateEquationofRealGases描述真实气体的pVT关系的方法：1）引入p、V修正项，修正理想气体状态方程2）引入压缩因子Z，修正理想气体状态方程3）使用经验公式，如维里方程一、实际气体状态方程问题提出：用理想气体状态方程计算实际气体，产生偏差。至今实际气体状态方程已约200个§1.3气体的液化及临界参数 范德华方程思想： a和b：VanderWaals常数，可查，意义对实际气体分别做两项修正（2）方程的优缺点：*实际气体：1)分子间有相互作用力分子间相互作用减弱了分子对器壁的碰撞，所以：p理=p实+p内p内=a/Vm2p理=p实+p内=p+a/Vm2器壁*2)分子本身占有体积1mol真实气体所占空间＝(Vm－b)b：1mol分子自身所占体积将修正后的压力和体积项引入理想气体状态方程：范德华方程式中：a,b范德华常数，见附表p0,Vm,范德华方程理想气体状态方程 定义：Tc——利用加压手段使气体液化的最高温度pc——在临界温度时使气体液化所需的最小压力Vc——在临界温度和临界压力时气体的摩尔体积 是物性参数 不易测定*(2)范德华常数与临界常数的关系临界点时有：将Tc温度时的p-Vm关系以范德华方程表示：对其进行一阶、二阶求导，并令其导数为0，有：*联立求解，可得：一般以Tc、pc求算a、b*2.维里方程Virial:拉丁文“力”的意思Kammerling-Onnes于二十世纪初提出的经验式当p0时，Vm维里方程理想气体状态方程*§1.5对应状态原理及普遍化压缩因子图theLawofCorrespondingStatesandthePopularCompressibilityFactorChart1.压缩因子引入压缩因子来修正理想气体状态方程，描述实际气体的pVT性质：pV=ZnRT或pVm=ZRT压缩因子的定义为：Z的单位为1*Z的大小反映了真实气体对理想气体的偏差程度*临界点时的Zc:多数物质的Zc:0.26~0.29用临界参数与范德华常数的关系计算得：Zc=3/8=0.375区别说明范德华方程只是一个近似的模型，与真实情况有一定的差别*2.对应状态原理LawofCorrespondingStates定义：对比参数反映了气体所处状态偏离临界点的倍数 范氏对比方程：1881年将范氏方程应用于临界点并进行纯数学处理，得到代入原方程并整理VanderWaals对比方程启示：f(pr,Vr,Tr)=0。即不同气体如果它们具有相同的pr和Tr，则Vr必相同。称它们处在相同对比状态。*3.普遍化压缩因子图将对比参数引入压缩因子，有：∵Zc近似为常数（Zc0.27~0.29)当pr,Vr,Tr相同时，Z大致相同，Z=f(Tr,pr)适用于所有真实气体,用图来表示压缩因子图**任何Tr，pr0，Z1（理想气体）；Tr较小时，pr，Z先，后，反映出气体低压易压缩，高压难压缩Tr较大时，Z1Tr=1pr=1.5解得：Vm=5.67×10-5m3·mol-1*压缩因子图的应用（2）已知T、Vm，求Z和pr*例1.5.1应用压缩因子图求80oC，1kg体积为10dm3的乙烷气体的压力解：乙烷的tc=32.18oC,pc=4.872MPa摩尔质量M＝30.07×10-3kgmol-1*∵p、Vm已知式中pVm/RTc为常数*例1.5.2已知甲烷在p＝14.186Mpa下的浓度C＝6.02moldm-3，试用普遍化压缩因子图其求温度。解：甲烷tc=－82.62oC,pc=4.596MpaVm=1/Cpr=p/pc=14.186/4.596=3.087**于是得：T=TrTc=1.67×190.53=318.2K**