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广义的说,人们可采用微观和宏观的观点对化学体系进行研究。
根据所研究的对象、方法以及现阶段的历史发展,人们可将物理化学划分为四个主要的领域,即热力学、量子化学、统计力学和化学动力学。
热力学是以很多质点所构成的体系为研究对象,以经验概括出的两个定律(热力学第一定律和第二定律)为基础,经过严密的逻辑推理,建立了一些热力学函数,用以判别变化的方向和平衡条件。
动力学是研究过程速率的科学,如研究化学反应(包括在电极上进行的反应)的速率和历程,研究扩散的影响。
许多快速反应,如化学异构、质子传递、光分解等都可用激光进行测量。
三、物理化学的学习要求和方法
1、要求
①掌握热力学基本概念,应用热力学的基本原理,对化工生产过程中能量转化和平衡进行分析。
②初步掌握反应速度的概念以及各种因素对反应速度的影响。
③基本掌握物理化学的计算方法,数据处理以及分析,绘制,图象。
④掌握物理化学实验的基本原理和技能,要求能正确使用仪器和设备。
2、学习方法
①了解每章的学习要求,掌握章节的重点和难点。
②学习时,要注重基本概念和公式理解的准确性,弄清适用条件。
③要重视习题的练习,习题是巩固和消化理论知识的重要手段应在复习的基础上进行。
此外,要认真实验。
实验是理论联系实际的重要手段。
实验要独立操作,积极思考。
④物理化学是一门系统性较强的课程。
它常常涉及到数学、物理和化学的知识,除课堂上有选择地强调或补充相关的内容外,应自行多复习。
物理化学各章节相互衔接,前后联系密切,必须及时复习,融会贯通。
第一章气体的P-V-T关系及液化条件
第一节低压气体的P-V-T关系
一、压力、体积和温度
1、压力
压力是垂直作用于物体单位面积上的力,用“p”表示(实际上是物理学中的压强)。
单位是Pa,帕斯卡,也可以用atm(标准大气压)和mmHg(毫米汞柱)表示。
1atm=760mmHg=101325Pa
2、体积
体积是物质所占据的空间,用“V”表示。
由于气体分子易扩散,能充满容器的整个空间,所以气体的体积就是容纳气体容器的容积。
单位是m3,此外,体积也习惯用L,mL表示。
体积单位间的换算关系为:
1m3=103L=106Ml
3、温度
温度是物质分子热运动的平均强度,是反映物质冷热程度的物理量,SI基本单位规定使用热力学温度,用T表示,单位为K(开尔文温度)。
此外,摄氏度也是常用的温度表示法,符号是t,单位是℃。
T和t的换算关系是
T=(273.15+t/℃)K
二、低压气体的经验定律
1、波义耳定律
(1)、公式前提:
低压气体,一定量,一定温度气体
(2)、定律表达:
在一定温度下,一定量的气体其体积与压力成反比。
(3)、数学表达式:
PV=k1k1:
常数,其大小取决于气体的种类、质量和温度
P1V1=P2V2
P1,V1是状态1时的压力和体积,P2、V2是状态2时的压力和体积
2、盖。
吕萨克定律
低压气体,一定量,一定压力气体
在一定压力下,一定量气体其体积与热力学温度成正比。
V=k2Tk2:
常数,
V2/V1=T2/T1
3、阿伏加德罗定律
低压气体,T、P一定
(2)、定律表达;
在一定压力和温度下,气体的体积与物质的量成正比。
(3)、数学表示式;
V=k3nk3=V/n=Vm
n----气体物质的量,单位为mol(摩尔)
k----常数,其值与气体的温度和压力有关
Vm----摩尔体积,单位为m3•mol-1(无机化学中曾用过标准状况下气体的摩尔体积为22.4L•mol-1即0.0224m3•mol-1)
三、理想气体状态方程
能定量表示物质的P、V、T等宏观性质间关系的方程叫状态方程。
理想气体状态方程:
PV=nRT
P:
气体的压力单位Pa(帕)(米千克秒制)
V:
一定量气体在该温度下的体积,单位为m3(立方米)
T:
绝对温度,T(K)=t(℃)+273.15
R-----气体常数,8.314J•mol-1•K
理想气体状态方程是一个表达了P、V、T、n四个量间关系的方程式。
这四个量之间,只要知道了其中的三个量,就可以求另一个量。
理想气体状态方程适用于低压下的实际气体。
例1:
体积为0.2m3钢瓶盛有CO20.89Kg,当温度为0℃时,问钢瓶内气体的压力为多少?
解:
已知:
V=0.2m3,m=890g,M=44g·
mol-1T=273.15K,R=8.314J·
K·
mol-1求P
n=m/MPV=nRT
P=nRT/V=mRT/MV=890´
8.314´
273.15/44´
0.2=2.30´
105Pa
例2:
求在273.15K、压力为230Kpa时某钢瓶中所装CO2气体的密度。
已知T=273.15KP=230KpaM(CO2)=44g/mol求ρ
ρ=m/VPV=nRT
ρ=nMp/nRT=MP/RT=230´
103´
44/8.314´
273.15g/m3=4.46´
103g/m3
四、低压气体的特点和理想气体模型
1、分子实际有体积,分子之间有相互作用力。
2、理想气体:
假设气体本身没有体积,分子之间没有相互作用力在任何温度和压力下都能严格遵守气体的基本定律。
3、实际气体在高温低压下,气体分子之间间距很大,作用力很小,分子本身体积与气体体积相比可以略而不计,可以近似看作理想气体。
五、低压气体P-V-T关系的处理方法
因为低压下实际气体的行为接近于理想气体,所以低压气体P-V-T关系可以用理想气体状态方程来近似处理,由于P、V、T数值容易直接测量,所以在实际生产中的用途很大。
例3:
某厂氢气柜的设计容积为2.00´
103m3,设计容许压力为5.00´
103Kpa.设H2为理想气体,问气柜在300K时最多可装多少千克H2?
已知V=2.00´
103m3T=300Kp=5.00´
103Kpa求m
m=nM
PV=nRT
n=PV/RT=5.00´
106´
2.00´
103/8.314´
300mol=4.01´
106mol
M(H2)=2.016´
10-3Kg/mol
m=nM=4.01´
2.016´
10-3Kg=8.08´
103Kg
例4:
某反应器操作压力为106.4Kpa,温度为723K,每小时送入该反应器的气体为4.00´
104m3(STP),试计算每小时实际通过反应器的气体体积(体积流量)?
已知P2=106.4KpaT2=723KT1=273KP1=101.3KpaV1=4.00´
104m3
求V2
STP:
标准状况
P1V1=nRT1P2V2=nRT2
P1V1/T1=P2V2/T2
V2=P1V1T2/T1P2=101.3´
4.00´
104´
723/106.4´
273=1.01´
105m3
【本节小结】主要介绍了物理化学的研究内容、要求学习方法,介绍了气体的基本特征、波义尔定律、查理和吕萨克定律,介绍了理想气体及理想气体状态方程。
2
第一章第二节分压定律和分体积定律
1、掌握分压定律
2、掌握分体积定律
3、混合气体的平均摩尔质量的计算
1、分压定律、分体积定律
2、压力分数、体积分数和摩尔分数的相互关系
分压定律、分体积定律
P33:
7、8、9、11
要多做练习才能理解并记牢分压定律和分体积定律
第二节分压定律和分体积定律
一、混合气体的组成
混合气体的组成常用摩尔分数(物质的量分数)表示,符号是“yB”。
摩尔分数定义式为yB=nB/n
yB混合气体中任一组分B的摩尔分数
nB混合气体中任一组分B的摩尔质量
n混合气体总的物质的量
y1+y2+y3+……=1
例1:
在300K、748.3kPa下,某气柜中有0.140Kg一氧化碳气、0.020Kg氢气,求CO和
H2的摩尔分数。
解:
n(CO)=140/28mol=5moln(H2)=20/2mol=10mol
n总=n(CO)+n(H2)=15mol
y(CO)=5/15=0.333y(H2)=1-0.333=0.667
二、分压定律
1、通常情况下气体都能以任何比例均匀地混合。
2、在一定温度下,体积为V的容器中盛有1、2两种气体,其物质的量分别为n1、n2,此时所产生的气体压力为P,即为1、2两种气体共同作用于单位容器壁上的压力称为总压力,简称气体压力P。
气体1、2各自的压力称为分压力。
3、推导
1和2两组分单独存在时,分别占有混合气体的总体积V,并且具有相同的温度T,测得的A、B的压力P1和P2,分别称为混合气体中组分1和组分2的分压力。
所以分压是指混合气体中某组分单独存在,并与混合气体具有相同的体积和温度时所具有的压力。
混合气体
T、V
n1+n2=n
P=P1+P2
气体1
n1
P1
气体2
n2
P2
4、推论
(1)、道尔顿分压定律:
混合气体的总压力等于组成混合气体的各组分的分压之和。
(2)、P=∑PB(PB-----组分B的分压)
PB=nBRT/V
PB=yBP
yB----组分B的摩尔分数,它是组分B的物质的量和混合气体物质的量的比值。
(3)说明:
某组分的分压是该组分的摩尔分数与混合气体总压的乘积。
YB的总和等于1。
分压是指混合气体中某组分单独存在,并与混合气体具有相同的体积和温度时所具有的压力。
实际上气体只有在低压下接近理想气体时才能适用。
在300K时,将101.3Kpa、2.00´
10-3m3的氧气与50.65kpa、2.00´
10-3m3的氮气混合,混合后温度为300K,总体积为4.00´
10-3m3,求总压力为多少?
p(O2)=101.3KPaT=300KV(O2)=2.00´
10-3m3P(N2)=50.65KPa
V(N2)=2.00´
10-3m3V=4.00´
10-3m3
P1V1=P2V2P2=P1V1/V2
P(O2)=101.3´
10-3/4.00´
10-3=50.65KPa
P(N2)=50.65´
10-3=25.325KPa
P=P(O2)+P(N2)=75.975KPa
三、分体积定律
(1)分体积:
混合气体中某组分B单独存在,并且与混合气体的T、P相同是所具有的体积,称为混合气体中某组分B的分体积。
(2)推导
两组分分体积V1、V2,混全气体的总体积为V
T、P
V=V1+V2
V1
V2
(3)阿玛格分体积定律:
混合气体的总体积等于组成混合气体的各组分的分体积之和。
(4)、V=∑VB(VB----组分B的分体积)
VB=yBV
n=∑nB
∑yB=∑
(5)说明:
某组分的分体积是该组分的摩尔分数与混合气体总体积的乘积。
分体积是在与混合气体相当的压力和温度的条件下各气体的体积。
某厂锅炉的烟囱每小时排放573标准立方米(STP)的废气,其中CO2的含量为23.0%(摩尔分数),求每小时排放CO2的质量。
V=573m3T=273.15KP=101325PaY(CO2)=0.23求m(CO2)
V(CO2)=Y(CO2)´
V=0.23´
573m3=132m3
根据PV=nRT
n(CO2)=PV(CO2)/RT=101325´
132/(8.314´
273.15)mol=5.89´
103mol
m(CO2)=n(CO2)´
M(CO2)=5.89´
44g=2.59´
105g=259Kg
四、压力分数、体积分数和摩尔分数的相互关系
1、
2、在理想气体或低压下实际气体的情况下,这三者相等。
已知某混合气体的体积分数为C2H3Cl88%,HCl10%及C2H42%于恒定101.3KPa压力下经水洗去HCl气体,求剩余气体(不考虑所含水蒸气)中各组分的分压?
已知p=101.3KPay(C2H3Cl)=0.88y(HCl)=0.1y(C2H4)=0.02
求除去HCl气体后p(C2H4)、p(C2H3Cl)
分析:
未告诉具体的体积可任取一个体积,不过应注意所取的体积必须要便于计算。
如本例中可取100立方米。
取100立方米总气体,则C2H3Cl88%即88立方米,HCl10%即10立方米及C2H42%即2立方米。
除去HCl后剩余气体中C2H3Cl88%即88立方米,C2H42%即2立方米,总体积为90立方米。
第一步由yB=VB/V计算yB
混合后:
y(C2H3Cl)=88/90=0.978
y(C2H4)=2/90=0.022
第二步由PB=yBP计算PB
P(C2H3Cl)=P´
Y(C2H3Cl)=99.07KPa
P(C2H4)=P´
Y(C2H4)=2.23KPa
例5:
设有一混合气体,压力为101.3KPa,其中含CO2、O2、C2H4、H2四种气体。
用气体分析仪进行分析,气体取样100×
10-3L,首先用氢氧化钠溶液吸收CO2,吸收后剩余气体为97.1×
10-3L接着用焦性没食子酸溶液吸收O2后,还剩96.0×
10-3L,再用浓硫酸吸收C2H4,最后尚余63.2×
10-3L.试求各种气体的摩尔分数及分压?
各种气体的分体积为
V(CO2)=(100-97.1)×
10-3L=2.9×
10-3L
V(O2)=(97.1-96.0)×
10-3L=1.110-3L
V(C2H4)=(96.0-63.2)×
10-3L=32.8×
V(H2)=63.2×
各气体的摩尔分数为YB=VB/V
Y(CO2)=0.029
Y(O2)=0.11
Y(C2H4)=0328
Y(H2)=0.632
各种气体的分压,PB=P×
YB
P(CO2)=0.029×
101.3=1.94KPa
P(O2)=0.11×
101.3=1.11KPa
P(C2H4)=0328×
101.3=33.2KPa
P(H2)=0.632×
101.3=64KPa
五、混合气体的平均摩尔质量
纯气体的摩尔质量是确定的,混合气体的摩尔质量可求其平均摩尔质量。
如空气的平均摩尔质量为29克每摩尔。
m=mA+mB,n=nA+nB
推论:
MB-----组分B的摩尔质量
YB-----组分B的摩尔分数
以代替M代入公式进行计算。
例6:
求1KgSTP(即0℃,101.3KPa)干空气(含O2和N2的体积分数分别为21%、79%)有多少立方米?
设空气近似为理想气体。
先求平均分子量
=0.21×
0.032+0.79×
0.028=0.02884Kg·
mol-1
例73.897×
10-4KgC2H6及C4H10的混合气体,在20℃,101.3KPa下体积为2×
10-4m3,求两气体的分压。
解;
A表示C2H6,B表示C4H10
m=n(yAMA+yBMB)=n[yAMA+(1-yA)MB]
求出n=8.317×
10-3mol
代入上式得yA=0.398,yB=0.602
PA=yA×
101.3=40.3KPa
PB=yB×
101.3=61.0KPa
或PB=101.3-40.3=61.0KPa
【本节小结】本节课主要介绍了混合气体中的理想气体状态方程的应用-----分压定律和分体积定律,包括推导、计算、重点,要求掌握平均分子量的计算。
3
第三节中高压气体的P-V-T关系
第四节气体的临界状态及液化条件
1、明确真实气体与理想气体产生偏差的原因
2、了解真实气体状态方程的应用。
3、理解气体液化的规律及临界状态。
真实气体状态方程临界状态
临界状态
复习第一章内容
真实气体及其状态方程,气体液化的规律及其临界状态的概念和意义对以后的学习非常重要。
【引入新课】
前面我们讨论的全是理想气体,但在实际生产中许多反应过程都是在较高的压力下进行的,在中、高压条件下理想气体状态方程、分压定律、分体积定律对实际气体已经不能适用了。
那么真实的气体状态方程是怎样的呢?
下面开始讨论。
【讲述新课】第三节中高压气体的P-V-T关系
一、中高压气体的特点
在中高压条件下,为了定量比较实际气体之间的偏差,引入了压缩因子这一物理量。
1.压缩因子的定义与物理意义。
PV=ZnRT
Z:
压缩因子V:
实际气体的体积
PV理想=nRT
V/V理想=Z
Z等于同一温度、压力下,物质的量相同的实际气体的体积与理想气体的体积之比
Z=1V=V理想=nRT/P
Z>
1V>
V理想实际气体难压缩
Z<
1V<
V理想实际气体易压缩
物理意义:
压缩因子反映了实际气体与理想气体在压缩性上的偏差。
2.中、高压气体的特点
实际气体分子间存在相互作用力,分子本身占有体积
分子引力的存在,使得实际气体比理想气体容易压缩,Z<
1,分子体积的存在,似的气体实际可压缩的空间减小,当气体压缩到一定程度时,分子间距离很近,会产生对抗性的斥力,造成实际气体比理想气体难压缩,Z>
1。
通常在低温下,低压及中压时,引力因素起主导作用,故Z<
体积因素引力因素
二、中高压气体P-V-T关系处理方法
范德华方程
压力校正项体积校正项
a,b范德华常数a,b由实验确定
第四节气体的临界状态及液化条件
实际气体,除了P-V-T关系不符合理想气体状态方程外,还能靠分子间引力的作用凝聚为液体,这种过程称为液化或凝结,生产上气体液化的途径有两条:
一条是降温,另一条是加压。
实践表明,单凭降温可使气体液化,但单凭加压不一定能使气体液化,这说明气体的液化是有条件的。
一、气体的P-VM图
CO2的恒温线
安德鲁斯在1869年根据实验得到CO2的压力、体积和温度的关系图,称为CO2的恒温线图。
该图中恒温线分成三种类型:
1、低温<
31.1℃该曲线他为三段AB、BC、CD
a、AB段与理想气体的恒温线相似。
b、BC段:
当压力增加到B点(PL)时,CO2开始液化。
c、CD段表明液体不易压缩。
比较20℃与13.1℃的恒温线,发现20℃比13.1℃时水平段减少。
当温度越高,水平线越短。
2、当温度升高到31.1℃时,恒温线的水平线缩成一点K,即恒温线上出现拐点,在这一点上,气体和液体和差别消失,看不到气液分界面,并产生乳光现象。
在此温度以上,无论加多大压力,CO2气体均不能被液化。
因此,我们称31.1℃是CO2的临界温度。
3、临界温度上,如40℃的恒温线基本上与理想气体的恒温线相似。
温度越高,它与理想气体的恒温线相似程度越大。
4、分成三个区域ABKM线以右是气态区域CKM线以左是液态区域BKC线内是气态和液态区存区域,在气、液共存区域的气体压力就是饱和蒸气压。
它在一定温度时是一个常数。
注意:
饱和蒸气压:
在一定温度下,液体与其蒸气达平衡时,平衡蒸汽的压力。
在这个温度下,若低于此压力,为气相,高于此压力,为液相。
温度升高,饱和蒸气压增加。
沸点:
液体的蒸气压与外压相等时的温度。
二、气体的临界状态及其液化条件
1.临界状态:
气体在临界点时所处的状态称为临界状态。
临界温度(TC):
使气体能够液化的最高温度。
临界压力(PC):
在临界温度下,使气体液化所需的最低压力。
临界体积(VC):
在TC、PC下,气体的摩尔体积。
从图1-8中可以看出:
实际气体在高于临界温度和低压区域内比较符合理想气体状态方程,而在低温高压下与理想气体的性质的偏差较大,从而得出了气体的液化条件。
2、气体的液化条件
必要条件,气体的温度低于临界温度
充分条件,压力大于在该温度下的饱和蒸气压
【本节小结】主要介绍了真实气体及其状态方程,气体液化的规律及其临界状态的概念和意义。
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