大一化学 物质的变化规律课件

§1.1 理想气体的状态方程和混合定律
一、常见概念(family concepts)
1、体系(系统)与环境 (system and surrounding) 体系：就是所要研究的对象，包含一定种类和一定数量 的物质。 环境：体系以外的与体系有密切联系的其他物质或空间 部分。 敞开体系(open system) 有物质和能量交换 体系 孤立体系(isolated system) 无物质和能量交换
30、应用：对于一定状态下的气体，已知其中几个物理量， 可以求未知量：p、V、n、T。
40、公式变换： m 质量、M摩尔质量、ρ密度、Vm摩尔体积
m pV = nRT = RT M
p= n m RT ρRT RT = = V V M M
V p = pVm = RT n
50、气体的标准体积：1mol理想气体在273.15K、101.325kPa 下的体积，数值为 22.414dm3。
方程变换：
ni RT n A RT nB RT VA = , VB = ,⋅ ⋅ ⋅Vi = p p p V = VA + VB + ⋅ ⋅ ⋅ + Vi n A + nB + ⋅ ⋅ ⋅ + ni n = ⋅ RT = ⋅ RT p p 即：类似于分压，组分气体的分体积等于总体积与该 组分气体的物质的量分数的乘积。
实际气体和van der Waals方程
1、实际气体对理想气体的偏离： 1) 分子间存在相互作用( 内聚力，气体液化) 2) 分子自身有一定的空间体积 2、引入压缩系数(Z)表示实际气体实验值和理想值的偏差：
Z= pV nRT
3、实际气体的范德华方程
an 2 ( p + 2 )(V − nb) = nRT V a ( p + 2 )(V − b) = RT V ( n = 1mol )
要点： 10、注意单位：T绝对温度、R摩尔气体常数(普适气体恒量) p－Pa、V－m3、T－K、n－mol → R = 8.314J ⋅ K −1 ⋅ mol −1 p－atm、V－L、T－K、n－mol → R = 0.082atm ⋅ L ⋅ K −1 ⋅ mol −1 20、适用条件：
理想气体（接近理想气 体的气体，如：氢气） 真实气体：温度不太低 、压力不太高
什么是化学热力学和化学动力学？
例1： Fe2O3(s) + 3 CO(g) ＝ 2 Fe(l) + 3 CO2(g) 可以用同样的方法高炉炼铝吗？ 例2： NO和CO是汽车尾气中的有毒成分， 它们能否相互反应生成无毒的N2和CO2？ 2NO (g) + 2CO(g) ＝ N2 (g) + 2CO2 (g)
功的形式 膨胀功 电功 机械功 强度性质 压力（ 压力（ｐ） 电势（ 电势（Ｖ） 力（Ｆ） 容量性质的变化 体积（ 体积（∆Ｖ） 电量（ 电量（Ｑ） 距离（ 距离（Ｓ）
3、状态函数 ( function of state ) 状态(state)：体系性质的综合表现。 如某气体处在p1，V1，T1的状态，则p1，V1，T1 是体 系的性质，可用来描述体系的状态。状态确定后，其所有性 质有确定值，与体系达到状态前的经历无关。 状态函数(state function)：描述体系状态的函数(物理量)。 对于热力学体系来说，常用体积(V)、压力(p)、温度(T)、 物质的量(n)、能量等反映体系宏观性质的物理量来描述其 状态，这些物理量就是状态函数。
二、理想气体状态方程(The Ideal Gas Law)：
状态方程：f (n, p, V, T) = 0 1、理想气体的定义： 理想气体是指任意压力和任意温度下其状态均符合状 态方程pV = nRT 的气体。 理想气体的特征： （1）分子本身没有体积。若有体积，在T恒定、压力 p→∞ 时，pVm不能保证为常数。 （2）分子间无相互作用力。若有相互作用，在T恒定时， 压力p= nRT/V ∝ n无法满足，因为分子间的相互作用会 影响压力。 实际气体压力小，温度高时分子间相互作用小，体积 较大，接近理想气体。 如难液化的气体H2、N2、O2。
U1
U2
∆U = U 2 − U 1
2、热和功 热——体系和环境之间由于温度差而传递的能量，以 “Q”表示。 热力学中规定：体系吸热Q为正值，体系放热Q为负值 功——除热以外，其它形式传递的能量都叫功，以 “W”表示。 由于体积变化而与环境交换的能量称为体积功： W=p(V2 - V1 )= p·△V 除体积功以外的其他功统称为非体积功，如电功、 表 面功等。 热力学中规定：体系对环境做功，W为正值；环境对 体系做功，W为负值。
1、掌握理想气体状态方程和分压定律的应用和计算。 2、掌握能量守恒定律的热力学表达式，理解状态函数、 内能、热、功等基本概念；掌握焓和焓变的概念及标 准焓变的计算。 3、了解反应速率的概念及表示方法；掌握质量作用定律 及基元反应、非基元反应、反应级数等基本概念；理 解碰撞理论的基本观点及活化能的概念；熟悉阿仑尼 乌斯公式，明确温度与反应速率的关系。
2、理想气体的状态方程的变化形式： pV = nRT (1)恒温方程-[波义尔(R.Bolye，1662)定律]：n、T恒定 p1V1 = p2V2 (2) 恒压方程-[盖·吕萨克(J. Gay-Lussac，1808)定律]： n、p恒定： V1/T1 = V2 /T2 (3)查理定律(Jackues-Alexandre Charles，1787，法 国) ：n、V恒定： p1/T1 = p2 /T2 (4) 恒温恒压方程-[阿伏加德罗(A.Avogadro，1881)定律]： T、p恒定： V1/n1 = V2/n2 (5) Clapeyron方程 19世纪，法国科学家克拉贝龙Clapeyron综合波义耳 定律和盖·吕萨克定律：p1V1/T1 = p2V2/T2
隔离体系
封闭体系(closed system) 无物质交换，有能量交换
例如：保温瓶中装有水和水蒸气。 (1)敞开体系：H2O(l)或H2O(g)作为体系，其余为环境； (2)封闭体系：H2O(l)+H2O(g)作为体系，瓶子作环境； (3)孤立体系：H2O(l)+H2O(g)+瓶作为体系，其余物质 为环境。 有无m，E交换：
§1.2 能量和能量守恒定律
一、内能、热和功的概念
1、内能 顾名思义，内能就是体系内部的能量。内能一般包 括：分子动能、分子势能、电子运动动能、原子核能几 部分。 内能也是状态函数。内能即体系作功的总能力 (total capacity)，是以动能和势能的形式储存在体系中 的能量。但是内能的绝对值无法测定，只能测定内能的 变化值： ∆U
过程：体系发生变化，变化的经过称为过程。 T1、p1、V1、n n mol O2 过程分类： 恒温过程、恒压过程、恒容过程、绝热过程等 途径：变化的具体方式称为途径。 T2、p2、V2、n 终态 始态 过程
★状态函数特点： a、体系的状态一定，状态 函数就有确定的值； b、始态和终态一定时，状 态函数的变化值为一定值， 与体系的变化途径无关。 状态1→状态2： ∆T＝80℃－20℃＝60℃ 经一循环过程，状态函数改变值为0。 若一个物理量其改变值只与始末态有关，与路径无 关，则为状态函数。
三、分压定律
理想气体、恒温恒容下混合，相互之间不发生化学 反应，每种气体的分压和混合气体的总压之间，遵循道 尔顿(J. Dalton )分压定律(1801)：
p = p A + pB + pC + L = ∑ pi
即：混合气体的总压力等于混合气体中各组分的 分压之和。 ★注意： 10 、分压的概念——组分气体对容器所施加的压力， 叫做该组分气体的分压力，简称分压。分压力等于 在同温度下组分气体单独占有与混合气体相同体积 时所产生的压力。
10、两个容器中 O2 对器壁产生的压力是否相同？ 答：是。 20、两个容器的器壁承受的压力是否相同？ 答：否。 p1 = pO 2；p2 = pO 2 + p N 2 30、pO = p N ?
2 2
答：是。 ∵pV=nRT，而V、T、n均相同
20、每种组分气体仍然遵守理想气体状态方程 方程变换：
体系的宏观性质分为两类： 1、强度性质(intensive properties)。其数值不随体系中 物质的量而变，即无加和性。 如p、T、ρ、粘度等。 2、广度性质(extensive properties)。其数值随体系中物 质的量而变，如V、m、n等。 注意摩尔体积Vm=V/n；密度ρ=m/V等成为强度性质， 即：强度性质 = 一种广度性质/另一种广度性质。 各种形式的功都可以解析为这两类物理量的乘积。
有m，E 有E，无m ， 无m，E交换 交换
体系与环境之间的界面不一定真实存在，可以是假 想的，两者是相对的，也是人为的，是相互依存的。 实际上无绝对绝热，绝对屏蔽，绝对消除外界电磁 场，引力场影响的体系，只要其作用小到可以忽略时即 可称为孤立(隔离)体系。此时环境中发生的任何变化不会 对系统产生影响。 热力学很多关系式中，除有特殊注明外只适用于封 闭体系，因为是以封闭体系为研究对象。
第一章 物质及其变化的一些基本定律
主要介绍化学变化的一些基本定律，包 括：理想气体的状态方程和混合定律、能量 守恒定律、盖斯定律、质量作用定律。 § §1.1 理想气体的状态方程和混合定律 §1.2 能量和能量守恒定律 §1.3 焓、焓变和盖斯定律 §1.4 化学反应速率和质量作用定律
[本章要求]
VA n A nA = → VA = V ⋅ V n n VB nB nB = → VB = V ⋅ V n n n LL Vi = V ⋅ i n
（1）道尔顿定律和阿马格定律是理想气体状态方程的必然推 论。 （2）对于理想气体的混合，恒温恒容混合前的压力等同于分 压，恒温恒压混合前的体积等同于分体积。对于实际气体， 并不相等。
⇒
即：组分气体的分压等于总压与该组分气体的物质的 量分数的乘积。
四、“分体积”定律
理想气体、恒温恒压下混合，相互之间不发生化学 反应，每种气体的分体积和混合气体的总体积之间，遵 循阿马格(Amagat)“分体积”定律：
V = VA + VB + VC + L = ∑ Vi
即：恒温恒压混合，混合后的体积等于混合前各气体 的体积之和 。 分体积的概念——分体积等于在同温度下组分气体在 具有与混合气体相同压力时所占的体积。
高炉炼铁
化学热力学研究化学变化过程中能量的转化规律，讨论 化学反应进行的可能性、方向和所能达到的最大限度；以及 反应进行过程中能量的变化值。其基础是热力学三大定律： 热力学第一定律即能量转化与守恒定律，证明第一类永 动机不可能制成； 热力学第二定律可用来研究化学反应的进行方向和程度， 证明第二类永动机不可能制成； 热力学第三定律阐明了规定熵的数值，说明热力学绝对 零度不可能达到。 化学动力学主要研究化学反应过程的可行性问题，此 外还研究反应历程，即反应机理。一个化学反应，应该首 先保证在热力学上能够行得通，还要在动力学上证明可行。
二、热力学第一定律——
∆U = Q wk.baidu.com W
体系从始态到终态时，内能的变化值可以表示为： ∆U=Q-W 体系内能的变化∆U等于体系从环境所吸收的热量Q 减去体系对环境所做的功W。 ★注意： 10 “∆”＝终态－始态 (物理量的变化值)
n RT n RT n RT pA = A , pB = B ,⋅ ⋅ ⋅ pi = i V V V p = pA + pB + ⋅ ⋅ ⋅ + pi nA + nB + ⋅ ⋅ ⋅ + ni n = ⋅ RT = ⋅ RT V V
p A nA n = → pA = p ⋅ A p n n p B nB nB = → pB = p ⋅ p n n n LL pi = p ⋅ i n
2、体系的宏观性质 体系的宏观性质(简称性质， property)与粒子的微观 性质(结构，运动情况， 粒子间相互作用等)有关，是大量 粒子平均行为或总体的结果 。 如：p、T、ρ、 n、 V、 m、粘度、内能(U)、焓(H)、 熵(S)、吉布斯自由能(G)等。 如气体体积是分子自由运动的空间；压力是分子运动 碰撞容器壁时对单位面积施加的总垂直力。