搜索
第1页共62页第一章物质的聚集状态§１～１基本概念一、物质的聚集状态１．定义：指物质在一定条件下存在的物理状态。２．分类：气态（ｇ）、液态（ｌ）、固态（ｓ）、等离子态。等离子态：气体在高温或电磁场的作用下，其组成的原子就会电离成带电的离子和自由电子，因其所带电荷符号相反，而电荷数相等，故称为等离子态，（也称物质第四态）特点：①气态：无一定形状、无一定体积，具有无限膨胀性、无限渗混性和压缩性。②液态：无一定形状，但有一定体积，具有流动性、扩散性，可压缩性不大。③固态：有一定形状和体积，基本无扩散性，可压缩性很小。二、体系与环境１．定义：①体系：我们所研究的对象（物质和空间）叫体系。②环境：体系以外的其他物质和空间叫环境。2．分类：从体系与环境的关系来看，体系可分为①敞开体系：体系与环境之间，既有物质交换，又有能量交换时称敞开体系。②封闭体系：体系与环境之间，没有物质交换，只有能量交换时称封闭体系。③孤立体系：体系与环境之间，既无物质交换，又无能量交换时称孤立体系。三、相体系中物理性质和化学性质相同，并且完全均匀的部分叫相。１．单相：由一个相组成的体系叫单相。多相：由两个或两个以上相组成的体系叫多相。单相不一定是一种物质，多相不一定是多种物质。在一定条件下，相之间可相互转变。单相反应：在单相体系中发生的化学反应叫单相反应。多相反应：在多相体系中发生的化学反应叫多相反应。２．多相体系的特征：相与相之间有界面，越过界面性质就会突变。需明确的是：①气体：只有一相，不管有多少种气体都能混成均匀一体。②液体：有一相，也有两相，甚至三相。只要互不相溶，就会独立成相。③固相：纯物质和合金类的金属固熔体作为一相，其他类的相数等于物质种数。§１～2气体定律一、理想气体状态方程PV=nRT国际单位制：R=1.0133*105Pa*22.4*10-3m3/1mol*273.15K=8.314(Pa.m3.K-1.mol-1)1.(理想)气体状态方程式的使用条件温度不太低、压力不太大。2.(理想)气体状态方程式的应用二、气体分压定律混合气体的总压等于各组分气体分压之和。数学表达式：PT=PA+PB+PC+…1.组分气体分压：组分气体单独占有混合气体的体积时所产生的压力。PAV=nART2.组分气体分体积：组分气体与混合气体同温同压下所占有的体积。PVA=nART由1、2可推导出玻义耳定律：n、T一定时PAV=PVA3.组分气体体积分数：组分气体的体积分数与混合气体的总体积之比——VA/V。根据阿佛加德罗定律：等温等压下，体积分数=摩尔分数，即T、P一定时，VA/V=nA/n根据组分气体分压可知：PA=nART/V、PB=nBRT/V，（n=nA+nB+…）第2页共62页再根据分压定律P=PA+PB+…=（nA+nB+…）RT/V=nRT/V所以PV=nRT，即：混合气体也适合气体状态方程。三、气体的液化气体变成液体的过程叫液化或凝聚。要使气体液化，须降低温度或同时加压。因为降温可降低分子能量，减小液体的饱和蒸汽压；加压可减小气体间的距离使其引力增大。实验证明，单纯采用降温法可以使气体液化，但单纯加压却不一定能使气体液化，必须首先把温度降低到一定数值才能实现加压液化；而当温度高于该值时，无论怎样加压，也不能使气体液化。＊在加压下可使气体液化所需的一定（最高）温度称为临界温度（Tc）。＊在临界温度时，使气体液化所需的最低压强称为临界压强（Pc）。＊在临界温度和临界压强时，1mol气态物质所占有的体积称为临界体积（Vc）。熔沸点很低的物质，其临界温度都很低，难以液化．这是因为其分子间引力很小造成的（为非极性分子）；反之则易液化．当气态物质处于Tc、Pc、Vc状态时，称之为临界状态。临界状态是一种不稳定的特殊状态。此时，气、液体间的性质差别将消失，其界面也将消失。§１～3液体一、液体的蒸发1、蒸发过程液体分子和气体分子一样，处于无秩序的运动中，当一个液体分子运动到接近液体表面，而且具有适当运动方向和足够大的能量时，它将挣脱临近分子的引力，逃逸到液面上方的空间，变为蒸汽分子。这就是蒸发过程。2、饱和蒸气压将一杯液体置于抽成真空的钟罩内，液体即开始蒸发，蒸气分子占居液面上方空间，并做无序运动；当蒸气分子与液面撞击时，可能被捕获进入液体（此过程称凝聚）。当凝聚速率等于蒸发速率时，体系达到动态平衡，液面上方单位空间里蒸气分子数不再增多。此时的蒸气为饱和蒸气，所产生的压强即为饱和蒸气压。在一定温度下，空气中水蒸气的分压与同温度水的饱和蒸气压之比称空气的相对湿度。3、蒸发热要使液体在恒温恒压下进行蒸发，须从周围环境吸收热量。这种维持液体在恒温恒压下蒸发所必须的能量，称为液体的蒸发热。不同液体，因其分子间引力不同，蒸发热必不相同；即使同一种液体，在不同温度下（因其平均动能不同），蒸发热也不相同。在一定温度和压强下，1mol液体的蒸发热蒸称摩尔蒸发热。蒸发热越大，液体分子间的作用力就越大。二、液体的沸点沸点指液体的饱和蒸气压等于外界压强时的温度。在此温度下，汽化在整个液体中进行，称为液体的沸腾。低于此温度，汽化仅限于在液体表面进行——蒸发。液体的沸点与外界气压密切相关，外压升高，则液体沸点也升高。§１～4固体当从液体中取走能量（如降温）时，分子的平均动能逐渐降低（表现为分子运动速率减慢），一旦温度降低到分子所具有的平均动能不足以克服分子间引力时，那些速率小的分子将聚集在一起逐渐变成固体，此过程称凝固，为放热过程。固体分为晶体与非晶体（无定型体）。二者主要区别有三条：1.晶体有固定的几何外型，非晶体无。2.晶体有固定的熔点，非晶体无（只有一个逐渐软化的温度范围）。第3页共62页3.晶体是各向异性的，非晶体各向同性。非晶体的内部结构通常类似于液体内部结构。非晶体的聚集状态是不稳定的，在一定条件下会逐渐晶化；而若晶体的有规则排列被破坏后，也可变为非晶体。第二章．化学热力学基础§2～1化学热力学概述化学热力学是研究化学反应及相变过程中能量转换规律的科学。内容：a.过程中的能量变化；b.反应（或相变）的方向和限度。特点：通过已知的基本数据进行化学热力学计算，从而预言化学反应和相变过程的能量变化，以及方向和限度。注意：1、化学热力学研究的是封闭体系。2、化学热力学研究的是宏观物质。3、化学热力学只研究体系的始态和终态。4、化学热力学没有时间的概念。§2～2基本概念一、状态和状态函数1、状态：由一系列表征体系（宏观）性质的物理量所确定下来的体系的存在方式称为体系的状态。2、状态函数：确定体系状态的宏观性质（物理量）就是体系的状态函数。二、过程和途径1、过程：体系的状态发生变化时，从始态到终态，我们说体系经历了一个热力学过程。简称过程。过程可以是在特定条件下进行的。如：恒压过程、恒温过程、恒容过程、绝热过程等，都具备各自特定的条件。2、途径：体系由始态到终态的变化过程，可以采用许多种不同的方式，每一钟具体的方式称为一种途径。三、容量性质和强度性质1、容量性质（广度性质）此类性质的数值大小与物质的量成正比，具有加和性。整个体系的某容量性质等于各部分该性质的总和。如体积、质量等。2、强度性质此类性质的数值大小与物质的量无关，不具有加和性。如温度、浓度等。四、热力学能（内能）内能是体系内部能量的总和。符号为U。内能是体系的一种宏观性质，一定量某种物质的内能是与物质的种类、温度、压力、体积等性质有关，所以它是体系的状态函数，其变化值只与始终态有关，而与途径无关。体系内能的绝对值大小是无法测量的，但它随体系状态变化而产生的变化值，可以从体系与环境在变化过程中的能量交换测得。五、功和热（W、Q）功和热是体系状态变化时，与环境进行能量交换（传递或转换）的两种形式。具体地说：热：体系和环境之间由于温度差别而进行的能量传递形式是热。功：体系和环境之间除热以外，其它的能量传递形式是功。功有多种形式，可分为体积功和非体积功。体积功：指由于体系体积变化，反抗外力作用而与环境交换的功。非体积功：除体积功外，其它功统称为非体积功。如电功等。功和热的单位为“J”、“KJ”，但它们都不是状态函数。因为①功和热是伴随着状态的变化而产生的，它是一种过程变量，没有状态变化就没有功和热。②功和热的数值大小与变化途径有关。第4页共62页功和热取值规则：体系从环境吸收热量：Q为正值；体系放出热量：Q为负值。体系对环境作功：W为负值；环境对体系作功：W为正值。六、化学反应计量式和反应进度1、化学反应计量式（化学反应方程式）根据质量守恒定律，用规定的化学符号和化学式来表示化学反应的式子叫化学反应计量式。如：aA+bB→dD+eE∵随反应的进行，反应物A、B不断减少，生成物D、E不断增多，∴规定：对反应物而言，化学计量数为负；对于产物而言，化学计量数为正。用νi表示。即：νA=-a、νB=-b、νD=d、νE=e，代入原式可得：νAA+νBB+νDD+νEE=0例如合成氨反应：N2+3H22NH3N2、H2、NH3的计量数分别为-1、-3、+2，其含义是每消耗1molN2、3molH2，可生成2molNH3。2、反应进度定义为：nB（ξ）=nB（0）+νBξ，其中nB（0）、nB（ξ）分别代表反应进度ξ=0（反应未开始）和ξ=ξ时B的物质的量。∵未开始时nB（0）为常数，∴dξ=νB-1dnB。对于有限变化来说，△ξ=ξ-0=νB-1△nBξ=νB-1△nBξ的单位为molξ表明该反应按化学反应式的计量数进行的倍数。引入反应进度ξ的最大优点是：在反应进行到任意时刻时，可用任一反应物或生成物来表示反应进行的程度，所得值总是相等的。对同一化学反应方程式来说,反应进度ξ的值与选用反应式中何种物质的量的变化进行计算无关；但若方程式的书写不同，则反应进度是不同的。§2～3热力学第一定律和热化学一、热力学第一定律在任何过程中，能量是不会自生自灭的，只能从一种形式转化为另一种形式，而总能量是不变的。这就是热力学第一定律。设一封闭体系，若外界输送给它的热量为Q，并对其作功W，则其内能的变化△U=Q+W。这就是热力学第一定律的数学表达式。二、热化学和热化学方程式1、热化学：是研究化学反应过程中能量变化的学科。能量变化实际上就是指（始态到终态或反应物变成生成物的）反应热。2、反应热：又叫热效应。指发生化学反应时，若体系不作非体积功，则当反应物和生成物的温度相同时，化学反应过程所吸收或放出的热量。3、热化学方程式：是表示化学反应与热效应之间关系的方程式。书写时应注意：⑴、应注明反应条件（温度、压力），若为100Kpa、298K时可忽略。⑵、必须标出各物质的聚集状态。∵不同聚集状态的热效应是不同的。⑶、方程式中的系数不表明分子数，只表示摩尔数，∴可以是分数。注意：计量数不同时，同一反应的反应热是不同的。⑷、逆反应的热效应与正反应的热效应数值相同，符号相反。三、恒容条件下的热效应△U由△U=Q+WQ=△U+W第5页共62页我们研究反应热一般都是在体系不作非体积功时进行，此时，只有体积功。W=－P△V（注：P为外压，∵是体系反抗外压所作功，∴取负号）∴QV=△U即当体系不作非体积功时，恒容过程反应放出的热量等于内能的减少；或吸收的热量等于内能的增加。四、焓H及焓变△H——恒压条件下的反应热Q=△U-W当条件为恒压而非恒容，则体系要作体积功，Q=△U＋P△Ｖ=U2－U1＋P（V2－V1）重新组合后Q=（U2+PV2）－（U１+PV１）Ｈ＝Ｕ＋ＰＶ∴Ｑｐ＝Ｈ2－Ｈ1＝△H=△U+P△V焓定义：焓是体系内能加上压力与体积的乘积，它没有特殊的物理意义，它是体系的一种能量的组合形式，是一种组合能量；其变化量焓变△H是恒压条件下的热效应。△H＜0，说明反应焓值减少，反应是放热的，放出的热量等于体系焓值的减少；△H＞0，说明反应焓值增加，反应是吸热的，吸收的热量等于体系焓值的增加。H与△H具有以下的性质特征：⑴∵H=U+PV,U、P、V都是体系的状态函数，∴H也必为状态函数，△H只与体系变化的始终态（即反应物与生成物）有关，而与变化途径无关。⑵H是体系的容量性质