(2024年)天津大学物理化学课件103

天津大学物理化学课件10312024/3/26contents目录课程介绍与背景热力学基础相平衡与相图化学平衡与反应速率电化学基础与应用表面现象与胶体化学总结回顾与拓展延伸22024/3/2601课程介绍与背景32024/3/26物理化学在化学、化工、材料、能源、环境等领域具有广泛的应用。掌握物理化学的基本概念和原理，对于理解化学现象的本质和设计新的化学过程具有重要意义。物理化学是研究物质的物理现象和化学变化之间关系的科学。物理化学定义及重要性42024/3/26

天津大学物理化学课程特色强调基础理论与实验技能的结合，注重培养学生的实验能力和创新精神。采用先进的教学方法和手段，如多媒体教学、网络教学等，提高教学效果。结合科研和工程实践，引入前沿领域的研究成果和案例，拓宽学生视野。52024/3/26123课件103主要介绍了物理化学中的热力学基础，包括热力学基本概念、热力学第一定律、热力学第二定律等内容。通过课件103的学习，学生可以掌握热力学的基本原理和方法，了解热力学在化学、化工等领域的应用。课件103还介绍了热力学中的一些重要概念和公式，如焓、熵、自由能等，以及它们在化学反应和相变过程中的应用。课件103内容概述62024/3/2602热力学基础72024/3/26孤立系统与外界既没有物质交换也没有能量交换的系统。开放系统与外界既有能量交换又有物质交换的系统。封闭系统与外界有能量交换但没有物质交换的系统。热力学系统及其分类82024/3/26热力学第一定律系统内部的所有能量，包括分子动能、分子势能、化学能等。热力学第一定律的表述热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。热力学第一定律的数学表达式ΔU=Q+W，其中ΔU为系统内能的增量，Q为系统吸收的热量，W为外界对系统所做的功。热力学能92024/3/26热力学第二定律的表述01不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，或不可能用单一热源给物体加热使之完全地、无损地转变为另一物体的内能。热力学第二定律的数学表达式02对于可逆过程，有dS=(dQ)/T；对于不可逆过程，有dS>(dQ)/T，其中S为熵，T为热力学温度。热力学第二定律的意义03揭示了自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性，是不可逆的。热力学第二定律102024/3/2603相平衡与相图112024/3/26相平衡条件及相律相平衡条件在恒温恒压下，当多相系统中各相的性质和数量均不随时间变化时，称系统处于相平衡状态。此时，各相中的组元在相际之间的迁移达到动态平衡。相律相律是描述相平衡系统中相数、组分数和自由度数之间关系的定律。对于均相系统，相律的表达式为：F=C-P+2，其中F为自由度数，C为组分数，P为相数。122024/3/26单组分系统只含有一个组分的系统称为单组分系统。如水、乙醇等纯净物都是单组分系统。相图表示单组分系统的相图通常以温度T和压力p为坐标，表示不同温度和压力下单组分物质的存在状态及相变情况。相变过程在单组分系统中，随着温度和压力的变化，物质会发生固-液、液-气、固-气等相变过程。这些相变过程在相图上表现为不同的曲线和区域。单组分系统相图132024/3/26多组分系统相图在多组分系统中，随着组成和条件的变化，物质会发生液-液分相、固溶体析出等复杂的相变过程。这些相变过程在相图上表现为不同的区域和界线。相变过程含有两个或两个以上组分的系统称为多组分系统。如溶液、合金等都是多组分系统。多组分系统多组分系统的相图通常以各组分的摩尔分数为坐标，表示不同组成和条件下多组分物质的存在状态及相变情况。相图表示142024/3/2604化学平衡与反应速率152024/3/26根据热力学第二定律，化学反应总是向着体系总能量降低的方向进行，即向着生成更稳定产物的方向进行。同时，反应方向也受到反应条件如温度、压力、浓度等的影响。化学反应的方向在给定条件下，化学反应所能达到的最大程度称为反应限度。反应限度可以通过化学平衡常数来衡量，平衡常数越大，反应进行的程度越高。化学反应的限度化学反应的方向和限度162024/3/26当溶液中的某些离子浓度超过其溶度积时，会生成沉淀。沉淀的生成可以降低溶液中离子的浓度，使溶液达到新的平衡状态。沉淀的生成在一定条件下，沉淀可以溶解于溶液中，溶解过程受到温度、压力、溶液pH等因素的影响。当溶解达到平衡时，溶液中的离子浓度和沉淀的溶解度之间存在一定的关系。沉淀的溶解沉淀溶解平衡172024/3/26酸碱反应是质子转移的反应，即酸给出质子成为碱，碱接受质子成为酸。酸碱反应的平衡常数称为酸度常数或碱度常数。酸碱指示剂是一类在酸碱溶液中呈现不同颜色的有机化合物。它们可以用来指示溶液的酸碱性，从而判断酸碱反应是否达到平衡。酸碱反应平衡酸碱指示剂酸碱反应的实质182024/3/26氧化还原反应的实质氧化还原反应是电子转移的反应，即氧化剂接受电子被还原，还原剂给出电子被氧化。氧化还原反应的平衡常数称为氧化还原电位。氧化还原反应的应用氧化还原反应在化学工业、环境保护、生物医学等领域有着广泛的应用。例如，利用氧化还原反应可以制备各种化学产品、处理废水废气、研究生物体内的代谢过程等。氧化还原反应平衡192024/3/2605电化学基础与应用202024/3/26原电池工作原理通过自发的氧化还原反应将化学能转化为电能，包括电极反应、离子迁移和电子传递等过程。电解池工作原理在外加电压作用下，电解质溶液中的阴阳离子分别向两极迁移并在电极上发生氧化还原反应，从而实现电能向化学能的转化。原电池与电解池的比较二者在能量转化方向、电极反应类型和驱动力等方面存在差异。原电池与电解池原理212024/3/2603电极过程动力学方程描述电极反应速率与电极电位、反应物浓度等参数之间的关系，可用于预测和优化电化学反应过程。01电极反应速率受电极电位、反应物浓度、温度等因素影响，可通过实验测定不同条件下的电极反应速率。02电极过程控制步骤包括电荷传递、物质传递和前置化学反应等步骤，其中电荷传递步骤通常为控制步骤。电极过程动力学222024/3/26电解利用电解原理实现某些难以通过化学反应直接合成的物质的制备，如金属钠、钾等活泼金属的制备。电化学传感器利用电化学原理检测气体、液体或固体中的特定成分，具有灵敏度高、选择性好等优点。电镀在金属或非金属表面通过电化学方法沉积一层金属或合金，以改善材料的耐腐蚀性、导电性等性能。电池将化学能转化为电能的装置，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车等领域。电化学应用举例232024/3/2606表面现象与胶体化学242024/3/26表面张力的定义和物理意义表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。润湿现象及其分类润湿现象是指固体表面被液体覆盖的过程，根据润湿程度可分为沾湿、浸湿和铺展三种类型。接触角和润湿方程接触角是气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线与固-液交界线之间的夹角，润湿方程则表达了接触角与界面张力之间的关系。010203表面张力与润湿现象252024/3/26吸附等温线和吸附热吸附等温线表示在一定温度下，吸附量随平衡压力变化的关系曲线，而吸附热则是描述吸附过程中能量变化的物理量。吸附机理和影响因素吸附机理包括物理吸附和化学吸附两种机制，影响因素包括温度、压力、吸附剂性质、吸附质性质等。吸附现象的定义和分类吸附现象是指物质在相界面上的浓度自动发生变化的现象，根据吸附质与吸附剂之间的作用力可分为物理吸附和化学吸附。吸附现象及其机理262024/3/26胶体性质及制备方法胶体的基本性质胶体具有丁达尔效应、电泳现象、布朗运动等基本性质，这些性质与胶体的结构密切相关。胶体的定义和分类胶体是一种高度分散的多相体系，其中分散相粒子的直径在1~100nm之间，根据分散相和分散介质的不同可分为不同类型。胶体的制备方法和应用胶体的制备方法包括分散法、凝聚法、溶胶凝胶法等，胶体在日常生活、工业生产、生物医学等领域具有广泛的应用。272024/3/2607总结回顾与拓展延伸282024/3/26课程重点内容回顾热力学基本概念包括温度、热量、功、热力学能等基本概念的定义和物理意义。热力学第一定律阐述了能量守恒和转换定律在热现象中的应用，以及热力学能、焓、热容等热力学函数的定义和计算。热力学第二定律介绍了热力学过程的方向性和限度，以及熵、熵增原理、热力学温标等概念。化学热力学基础包括化学反应的热效应、化学反应的方向和限度、化学平衡等基本概念和原理。292024/3/26统计热力学应用统计物理的方法研究大量粒子系统的热力学性质和行为，如系综理论、涨落现象等。量子热力学将量子力学与热力学相结合，研究微观粒子系统的热力学性质和行为，如量子热机、量子相变等。非平衡态热力学研究非平衡态系统的热力学性质和行为，如非平衡态相变、非平衡态输运过程等。学科前沿动态介绍302024/3/26思考题与讨论题1.如何理解热力