材料物理化学第四章1
聊城大学《材料物理化学》第四章总1-2
不同电价： M3＋>M2＋>M＋ (H＋例外) 相同电价：
R小→水膜厚→距离增大(水化半径 大)→吸引力下降 吸附顺序为： （离子价效应、离子水化半径） H＋>Al3+>Ba2+>Ca2+>Mg2+>K+>Na+>Li+ [H＋：容积小，电荷密度高]
(3) 分散相与连续相：分散物系中被分散的 物质称为分散相(分散物质、分散内相、分 散质)，分散其它物质的介质称为连续相(分 散介质、分散外相、分散剂)
(4) 特点：高度分散性及多相性为分散物系
的特点
聚结不稳定性、流变性
2．分散物系的分类： a、真溶液：粒子 <1mμ(1nm) NaCl(aq) b、溶 胶：粒子 1mμ－0.1μm
粘土组成： 硅氧四面体构成的层状
结构硅酸盐，部分硅被铝取代 形成铝氧八面体
同晶置换： 部分硅氧四面体中的硅(四价)被铝(三
价)取代，部分铝氧八面体中的铝(三价)被 镁、铁等(二价)取代，从而产生剩余负电荷
棱边与板面： 在层状结构硅酸盐中，以共价键
联结的原子层层面称为板面(垂直于C 轴)，而原子层面中断的边沿称为棱边
粘土颗粒的荷电性是其具有 一系列胶体化学性质的主要 原因之一
第三节 粘土的离子吸附与交换
粘土颗粒由于破键、晶格内类质同晶置 换和吸附在粘土表面腐殖质离解等原因 而带负电。因此，它必然要吸附介质中 的阳离子来中和其所带的负电荷，被吸 附的阳离子又能被溶液中其它浓度大价 数高的阳离子所交换，即粘土的阳离子 交换性质
Li＋＞ Na＋＞ K＋
同价离子，定向排列水 分子 量相同，体积效应
物理化学第四章习题答案
物理化学第四章习题答案物理化学作为一门结合物理学和化学原理的学科，其习题通常涉及热力学、动力学、量子化学等多个方面。
以下是第四章习题的可能答案，但请注意，具体答案会根据教材和习题的具体内容而有所变化。
习题1：理想气体状态方程的应用题目：一个理想气体在标准状态下的体积是22.4L。
如果压力增加到原来的两倍，同时温度升高到原来的1.5倍，求此时气体的体积。
解答：理想气体状态方程为 \[ PV = nRT \]其中 \( P \) 是压力，\( V \) 是体积，\( n \) 是摩尔数，\( R \) 是理想气体常数，\( T \) 是绝对温度。
设初始状态下的压力为 \( P_1 \)，温度为 \( T_1 \)，体积为\( V_1 \)。
变化后的压力为 \( P_2 = 2P_1 \)，温度为 \( T_2 =1.5T_1 \)，体积为 \( V_2 \)。
根据题意，\( n \) 和 \( R \) 是常数，可以消去，得到：\[ \frac{P_1V_1}{T_1} = \frac{P_2V_2}{T_2} \]\[ \frac{V_2}{V_1} = \frac{P_1T_2}{P_2T_1} = \frac{1 \times1.5}{2 \times 1} = 0.75 \]\[ V_2 = 0.75 \times 22.4L = 16.8L \]习题2：热力学第一定律的应用题目：1摩尔理想气体在绝热条件下从状态A（\( P_1, V_1 \)）膨胀到状态B（\( P_2, V_2 \)）。
求气体在过程中所做的功和内能变化。
解答：绝热条件下，\( Q = 0 \)，根据热力学第一定律 \( \Delta U = Q - W \)。
理想气体在绝热过程中的内能变化可以表示为：\[ \Delta U = \frac{3}{2}nR\Delta T \]由于是绝热过程，\( P_1V_1^\gamma = P_2V_2^\gamma \)，其中\( \gamma \) 是比热容比（对于单原子理想气体，\( \gamma =\frac{5}{3} \)）。
高中化学 第四章 第一节第1课时单质硅与半导体材料 二氧化硅与光导纤维课件 鲁科版必修1
与碳
与水 化 学 与酸 性与 质 NaO
H溶 液 与 CaO
用途
二氧化碳 CO2＋C==高=温==2CO CO2＋H2O
H2CO3 不反应
CO2＋2NaOH=== Na2CO3＋H2O
CO2＋CaO===CaCO3
饮料、制碱
二氧化硅 SiO2＋2C==高=温==Si＋2CO↑ SiO2＋3C==高=温==SiC＋2CO↑
【思路点拨】 解答此题要注意以下两点: (1)熟悉硅及其化合物的化学性质。 (2)找准特殊条件作突破口。
【解析】 由图分析：A 与 O2 反应生成 B，而 B 与碳在高温下反应生成 A 可推知 A 是单质， B 是氧化物，而 A、B 均能与 NaOH 溶液反应， 应确认 A 是硅，B 是二氧化硅，则 D 是硅酸钠， C 是硅酸。
化学方程式为：_S_iO__2＋__2_C__=_=高_=温_=_=_S_i_＋__2_C_O_↑___。
想一想 1．具有金属光泽的物质是否一定是金属 单质？ 【提示】 不一定。如晶体硅具有金属光 泽，却是非金属单质。
二、二氧化硅和光导纤维
1．二氧化硅的结构
SiO2 晶体是由硅原子和氧原子按 1∶2 的比例 构成的，每个硅原子结合__4__个氧原子，每个 氧原子结合__2___个硅原子。
1．Si 的还原性大于 C，但 C 却能在高温下还 原出 Si： SiO2＋2C==高=温==Si＋2CO↑。 2．非金属单质跟碱液的反应一般无 H2 放出， 但 Si 与碱液(如 NaOH 溶液)反应放出 H2： Si＋2NaOH＋H2O===Na2SiO3＋2H2↑。 3．非金属单质一般不跟非氧化性酸反应，但
C．硅燃烧放出的热量大，燃烧产物对环境污 染程度低且容易有效控制 D．自然界中存在大量单质硅
新编[理学]物理化学答案——第四章_化学平衡习题解答[1]
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新编[理学]物理化学答案——第四章_化学平衡习题解答[1]第四章化学平衡⼀、基本公式和内容提要 1. 化学反应的⽅向和限度（1）反应系统的吉布斯⾃由能和反应进度反应进⾏过程中，A 和B 均各以纯态存在⽽没有相互混合，则在反应进度为ξ时反应体系的总吉布斯⾃由能G *为：G * = n A µA * + n B µB * = （1－ξ）µA * +ξµB * = µA * +ξ（µB * －µA *）对于封闭体系在定温定压下在反应实际进⾏过程中，A 和B 是不可能以纯态存在的。
它们是混合在⼀起的，因此还存在混合吉布斯⾃由能△mix G 。
△mix G = RT （n A lnX A + n B lnX B ） = RT [(1－ξ)ln(1－ξ) + ξlnξ]（2）化学反应标准平衡常数理想⽓体的化学反应()()()(a A gb B g g G g h H g ??→++←?? bB a A hH g G P P P P P P P P )/()/()/()/(θθθθ= e)－－(1θθθθµµµµB A H G b a h g RT－+= 常数 = K θK θ称为标准平衡常数。
（3）化学反应的等温⽅程式（a ）对任意反应达平衡时：△r G m θ = －RTlnK θ△r G m θ是指产物和反应物均处于标准态时，产物的吉布斯⾃由能和反应物的吉布斯⾃由能总和之差，称为反应的“标准吉布斯⾃由能变化”。
（b ）反应在定温定压条件下△r G m = △r G m θ+ RT ln Q p上式称为范特霍夫(Vait Hoff) 等温⽅程。
（c ）依据吉布斯⾃由能函数可判断反应进⾏的⽅向，在温度、压⼒⼀定的条件下：RT ln Q a ＜ RTlnK θ Q a ＜K θ△r G m ＜0 反应正向⾃发进⾏若 RT ln Q a ＞RTlnK θ Q a ＞K θ△r G m ＞0 反应逆向⾃发进⾏若 RT ln Q a = RTlnK θ Q a = K θ△r G m =0 反应达平衡 2. 反应的标准吉布斯⾃由能变化（1）化学反应的△r G m 与△r G m θ（a ）在⼀定温度和压⼒为p θ下，任何物质的标准态化学势µi θ都有确定值，所以任何化学反应的△r G m θ都是常数；（b ）△r G m 不是常数，在⼀定T ，p 下，它与各物质的活度（分压、浓度）等有关，即与Q a 有关；（c ）在定温定压条件下0W '=时，△r G m 的正负可以指⽰化学反应⾃发进⾏的⽅向，在定温下△r G m θ的正负通常不能指⽰反应进⾏的⽅向，根据公式△r G m = △r G m θ+ RT ln Q p ，但当△r G m θ的数值很⼤时，也可⽤其值估计反应的⽅向。
材料化学课后题答案第4章
第四章 材料化学热力学1. Cs 熔体的标准吉布斯自由能（单位为J ）与温度T （单位为K ）的关系为 ΔG o m, Cs =2100-6.95T, 求Cs 的熔点。
解：根据热力学定律，当ΔG<0时，反应可以自发进行，因此ΔG ＝0时对应的平衡反应（即Cs 由固相转变为液相的反应）的温度即为Cs 的熔点。
由ΔG o m, Cs =2100-6.95T ＝0，可得T ＝302K ，所以Cs 的熔点为302K 。
2. 通过埃灵罕姆图解释为何碳在高温下可以用作金属氧化物的还原剂。
3. 答：根据埃灵罕姆图，ΔG o -T 曲线越在下方，氧化物的ΔG o 负值越大，其稳定性就越高。
所以在给定的温度下，位于下方的ΔG o -T 曲线所对应的元素可使位于上方曲线的金属氧化物还原。
由埃灵罕姆图还可知，CO 生成线的斜率为负，随着温度升高，ΔG o 越负，CO 稳定性越高。
而金属氧化物的生成线的斜率都为正，随着温度升高，ΔG o 越正，氧化物稳定性越低。
所以，碳在高温下可以用作金属氧化物的还原剂。
4. 3.（a ）对任何反应，请说明ΔG 和ΔG o 为0的意义；（b ）对于“如果反应的ΔG o 是正值，则反应不会如反应式所写的那样向右进行”的说法，谈谈你的观点5. 答：（a ）对于任何反应，ΔG （吉布斯自由能变化）是描述一个化学反应的驱动力，即可据此判断反应发生的可能性。
根据热力学第二定律可知，“在任何自发变化过程中，自由能总是减少的”。
所以，ΔG 为0说明反应过程处于平衡状态。
而ΔG o 为标准吉布斯自由能变，即物质处于标准状态时（（指定温度（273.15 K ）和压力（101.325KPa ））的生成自由能。
（b ）已知ΔG o =－RTLn K ，若ΔG o 为正值，则Ln K 必需为负值，则K <1，表明反应进行的程度很小。
4. 在埃灵罕姆图上大多数斜线的斜率为正，但是反应 的斜率为0，反应 的斜率为负，请解释原因。
物理化学第四章课后答案完整版
第四章多组分系统热力学4.1有溶剂A与溶质B形成一定组成的溶液。
此溶液中B的浓度为c B，质量摩尔浓度为b B，此溶液的密度为。
以M A，M B分别代表溶剂和溶质的摩尔质量，若溶液的组成用B的摩尔分数x B表示时，试导出x B与c B，x B与b B之间的关系。
解：根据各组成表示的定义4.2D-果糖溶于水（A）中形成的某溶液，质量分数，此溶液在20℃时的密度。
求：此溶液中D-果糖的（1）摩尔分数；（2）浓度；（3）质量摩尔浓度。
解：质量分数的定义为4.3 在25℃，1 kg 水（A ）中溶有醋酸（B ），当醋酸的质量摩尔浓度b B 介于和之间时，溶液的总体积求：（1） 把水（A ）和醋酸（B ）的偏摩尔体积分别表示成b B 的函数关系。
（2）时水和醋酸的偏摩尔体积。
解：根据定义当时4.460℃时甲醇的饱和蒸气压是84.4 kPa ，乙醇的饱和蒸气压是47.0 kPa 。
二者可形成理想液态混合物。
若混合物的组成为二者的质量分数各50 %，求60℃时此混合物的平衡蒸气组成，以摩尔分数表示。
解：甲醇的摩尔分数为58980049465004232500423250....x B =+=4.580℃时纯苯的蒸气压为100 kPa，纯甲苯的蒸气压为38.7 kPa。
两液体可形成理想液态混合物。
若有苯-甲苯的气-液平衡混合物，80℃时气相中苯的摩尔分数，求液相的组成。
解：4.6在18℃，气体压力101.352 kPa下，1 dm3的水中能溶解O2 0.045 g，能溶解N2 0.02 g。
现将 1 dm3被202.65 kPa空气所饱和了的水溶液加热至沸腾，赶出所溶解的O2和N2，并干燥之，求此干燥气体在101.325 kPa，18℃下的体积及其组成。
设空气为理想气体混合物。
其组成体积分数为：，解：显然问题的关键是求出O2和N2的亨利常数。
4.7 20℃下HCl 溶于苯中达平衡，气相中HCl 的分压为101.325 kPa 时，溶液中HCl 的摩尔分数为0.0425。
04-物理化学课程讲义-第四章1解析
杠杆规则（Lever rule）
液相和气相的数量借助于力学中的杠杆规则求算， 即以物系点为支点，支点两边连结线的长度为力矩，计 算液相和气相的物质的量或质量，这就是可用于任意两 相平衡区的杠杆规则。即
nl CD ng CE
或 ml CD mg CE
可以用来计算两相的相对量 （总量未知）或绝对量（总 量已知）。
p-x图 和 T-x图
对于二组分体系， C 2, f 4 F
F 至少为1，则 f 最多为3。这三个变量通
常是T，p 和组成 x。
所以要表示二组分体系状态图，需用三个坐标 的立体图表示。
（1） 保持温度不变，得 p-x 图 较常用 （2） 保持压力不变，得 T-x 图 常用 （3） 保持组成不变，得 T-p 图 不常用。
xA
pB
p* B
xB
p pA pB
理想的完全互溶双液系
（2） p-x-y 图
这是 p-x 图的一种，把液相组成 x 和气相组成 y 画
在同一张图上。A和B的气相组成 yA和 yB的求法如下：
yA
pA p
yB 1 yA
p pA pB pA* xA pB* xB
p* A
xA
p* B
(1
引言
气体，不论有多少种气体放 在一起，只有一个气相。因 为气体分子混合很均匀，分 子之间没有界面。
多种气体混合物
液体，按其互溶程度可以组成一相、两相或三 相共存。
固体，一般有一种固体便有一个相。两种固体粉 末无论混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液 除外，它是单相）。
引言
自由度（degree of freedom）
在单相区，物系点与相点重合；在两相区中， 只有物系点，它对应的两个相的组成由对应的相点 表示。
高二化学复习《化学1》 第4章 第1节无机非属材料
嘴哆市安排阳光实验学校高二化学复习《化学必修1》第4章第1节无机非金属材料鲁教版【本讲教育信息】一. 教学内容：高考第一轮复习：《化学必修1》第4章元素与材料世界第1节硅无机非金属材料二. 教学目的1. 了解硅及其重要化合物的性质及无机非金属材料2. 了解工业制硅及粗硅提纯的原理3. 了解玻璃、水泥的制备三. 教学重点、难点硅及其化合物的性质四. 知识要点：（一）硅硅全部以化合态形式存在于地壳中，是构成矿物和岩石的主要元素。
1. 硅晶体的结构及主要物理性质结构：正四面体形空间网状原子晶体主要物理性质：灰黑色晶体，有金属光泽、硬度大、熔沸点高。
2. 硅的化学性质：常温下与F2、HF、强碱反应，而不与Cl2、O2反应。
Si+2F2=SiF4Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2↑加热时：Si+O2高温SiO2（二）二氧化硅1. 结构及物理性质空间网状结构原子晶体，每个硅原子跟4个氧原子结合，每个氧原子跟2个硅原子结合。
SiO2是一种坚硬、难熔、不溶于水的固体2. SiO2的化学性质SiO2是H2SiO3和H4SiO4的酸酐，具有酸酐的通性；（1）常温下可跟氢氟酸反应.跟碱溶液缓慢反应.SiO2+ 4HF=SiF4↑+2H2OSiO2+2NaOH=Na2SiO3 + H2O注：盛放碱液的试剂瓶瓶塞不能用玻璃塞。
（2）在高温时，二氧化硅可与碱性氧化物以及某些盐发生反应：SiO2+ CaO 高温 CaSiO3；SiO2+ CaCO3高温CaSiO3 +CO2↑SiO2+ Na2CO3高温Na2SiO3+CO2↑（3）在高温时，二氧化硅可被某些还原剂还原SiO2+ 2C 高温Si+ 2CO ↑(制粗硅)；SiO2+ 3C 高温 SiC + 2CO↑ (制砂) 3. 二氧化硅的用途水晶常用来制造电子部件和光学仪器；石英用于制石英玻璃。
石英玻璃用于制造大型天体望远镜的凸透镜以及吹制各种化学仪器，用作红外辐射器元件的套管；石英砂常用于制玻璃和建筑材料；硅藻土作保温材料、催化剂载体和吸附剂；制造现代通讯材料——光导纤维。
【可编辑全文】《材料物理化学》PPT课件
什么是材料科学？
材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。
特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。
常见高温结构陶瓷包括：高熔点氧化物、碳化物、硼化物、氮化物、硅化物。 功能陶瓷包括:装置瓷（即电绝缘瓷）、电容器陶瓷、压电陶瓷、磁性陶瓷（又称为铁氧体）、导电陶瓷、超导陶瓷、半导体陶瓷（又称为敏感陶瓷）、热学功能陶瓷（热释电陶瓷、导热陶瓷、低膨胀陶瓷、红外辐射陶瓷等）、化学功能陶瓷（多孔陶瓷载体等）、生物功能陶瓷等。
传统的无机非金属材料之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不同，可分为两大类，即普通陶瓷和特种陶瓷。 根据陶瓷坯体结构及其基本物理性能的差异，陶瓷制品可分为陶器和瓷器。
普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。
材料与人类文明
材料是人类文明、社会进步、科学技术发展的物质基础和技术先导。在历史上，人们将石器、青铜器、铁器等当时的主导材料作为时代的标志，称其为石器时代、青铜器时代和铁器时代。在近代，材料的种类及其繁多，各种新材料不断涌现，很难用一种材料来代表当今时代的特征。
膜与膜过程_第四章_浓差极化与膜污染(1)
4.4 膜的清洗
4.4.1 膜清洗必要性和注意事项 必要性：消除污染物，使水通量恢复，使膜寿命延长，能 耗降低等。 注意事项： 1)膜的物化特性，如耐温，耐酸、碱，耐氧化等； 2)污染物特性，如种类，可溶解性，可氧化性，可酶解性 等。 4.4.2 膜清洗方法和效果 物理法：主要有高流速水冲洗，气水反冲洗，海绵球机械 清洗，抽吸清洗，电脉冲清洗等。 化学法：主要有酸、碱、表面活性剂、络合剂、杀菌剂、 酶、氧化剂和其他添加剂等。 清洗效果：通量恢复，流程压差降减少等。
12 11
H 22H33
14 2
H213、H11、H22、H33分别为水、溶质、膜的 Hamaker常数， 若溶质是亲水的，则H22 增 高，使H213降低，即膜和溶质之间的吸引力减 弱，较耐污染及易清洗。
2. 膜的结构
对称结构的膜耐污染不如相同孔径的不对称膜； 两面双皮层的膜耐污染不如相同孔径的单皮层的膜； 膜孔径分布窄（截留分子量窄）的膜耐污染性好； 表面光滑的膜耐污染性好。
4.2.5 浓差极化的防治
由浓差极化形成的原理知，减小浓差极化边界界层 厚度，提高溶质传质系数，均可减少浓差极化， 提高膜的透液速度。主要的防治途径有： 加强进料的预处理 选择合适膜组件：组件结构；加入紊流器；料 液横切流向设计；螺旋流。 合理的过程设计：料液脉冲流动；提高流速； 合适的操作参数的选择：适当提高进料液温度 以降低粘度，增大传质系数等。
有些膜材料有极性基团或可离解基团， 与溶液接触后，由于溶剂化或离解作用使 膜表面带电，它与溶液中荷电溶质产生相 互作用。当二者所带电量相反时，则相互 吸引，则膜易被污染；当二者所带电量相 同时，则相互排斥，膜表面不易被污染。
物理化学第四章PPT
B K (C RT / P )
二、平衡常数的各种表示法 （2）用摩尔分数表示的平衡常数 K y
PB PyB K
( PyB / P )
B
B
B B (P / P ) yB
B
令 K y yB
B
B
K
B K y (P / P )
' g ' h (P / P ) ( P / P ) G H JP ' ( PA / P )a ( PB' / P )b
r Gm RT ln J P RT ln K
范特霍夫等温方程
一、 理想气体反应的标准平衡常数
r Gm
JP RT ln K
K Jp
$ p
r Gm 0 r Gm 0
CaCO3 (s) CaO(s) CO2 ( g )
三、有纯态凝聚相参加的理想气体反应的 K
r Gm B B 0
B
r Gm CO2 CaO CaCO3 0
B B RT ln( PB / P )
RT ln( P / P )
反应向右自发进行 反应向左自发进行 反应达平衡
K$ p Jp
K Jp
$ p
r Gm 0
一、 理想气体反应的标准平衡常数
例题 有理想气体反应 2H2(g)+O2(g)=2H2O(g),在2000K 时，已知 K=1.55×107。
（1）计算H2和O2分压各为1.00 ×104 Pa，水蒸气分压为1.00 ×105 Pa的混合气中，计算上述反应的△rGm，并判断反应自发 进行的方向； （2）当H2和O2的分压仍然分别为1.00 ×104 Pa时，欲使反应不 能正向自发进行，水蒸气的分压最少需要多大？
物理化学第四章习题解答
物理化学第四章习题解答思考题3.注：题目为反应对该反应物分别是一级、二级2A——>P+...、三级3A——>P+...。
而A+B——>P+...这个反应若为如书P141所示的二级反应，则对反应物A和B都分别是一级的。
所以本题应该套用简单n级反应的公式进行计算。
设反应物A的初始浓度为a，t时刻生成物P的浓度为某，则对于简单的n级反应我们有：n=1时lnn>1时ak1ta某111ktn1n1n1na(an某)代入n=2得某k2ta(a-2某)代入n=3得1112k3t26a3某a将某=0.5a和某=0.75a分别代入n=1对应的反应速率方程，可得t12ln2ln4t34t12:t341:2k1k1将某=0.25a和某=0.375a分别代入n=1对应的反应速率方程，可得t1213t34t12:t341:32ak22ak215tt12:t341:5342a2k32a2k3.将某=1/6a和某=1/4a分别代入n=1对应的反应速率方程，可得t124.根据阿伦尼乌斯公式的微分形式，我们有dlnk1lnk2Ea1Ea2EadlnkdTRT2dTRT2dlnk1k2Ea1Ea2dTRT2根据平行反应反应速率与生成物浓度之间的关系，我们有dln某1某2Ea1Ea20dTRT2即随着温度增加ln某1某2增大，所以温度升高时更利于反应1的进行。
习题解答d[A]=―k1[A]―k4[A]dtd[B]=k1[A]―k2[B]+k3[C]dtd[C]=k2[B]―k3[C]dtd[D]=k4[A]dtd[A]（2）=―k1[A]+k2[B]dtd[B]=k1[A]―k2[B]―k3[B][C]dtd[C]=―k3[B][C]dtd[D]=k3[B][C]dtd[A]（3）=―k1[A]+k2[B]2dtd[B]=2(k1[A]―k2[B])2dtd[A]（4）=―2k1[A]2+2k2[B]dtd[B]=k1[A]2―k2[B]―k3[B]dtd[C]=k3[B]dt1、解：（1）2、解（1）以lnc对t作图得一直线，说明该反应是一级反应。
物理化学电子教案第四章106页PPT
W' dA
式中 为比例系数，它在数值上等于当T，P及组
成恒定的条件下，增加单位表面积时所必须对体 系做的可逆非膨胀功。
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2019/10/25
表面自由能(surface free energy)
考虑了 表面功，热 力学基本公 式中应相应 增加 dA一 项，即：
(金属键)> (离子键)> (极性共价键)> (非极性共价键)
两种液体间的界面张力，界于两种液体表面张力之间。
（2）温度的影响 温度升高，表面张力下降。
（3）压力的影响
表面张力一般随压力的增加而下降。因为压力增加，气相 密度增加，表面分子受力不均匀性略有好转。另外，若是气相 中有别的物质，则压力增加，促使表面吸附增加，气体溶解度 增加，也使表面张力下降。
在两相(特别是气-液)界面上，处 处存在着一种张力，它垂直与表面的 边界，指向液体方向并与表面相切。
把作用于单位边界线上的这种力 称为表面张力，用σ 表示，单位是 N·m-1。
将一含有一个活动边框的金属 线框架放在肥皂液中，然后取出悬 挂，活动边在下面。由于金属框上 的肥皂膜的表面张力作用，可滑动 的边会被向上拉，直至顶部。
由此可得：
dU TdS PdV dA B dnB
B
dH TdS VdP dA B dnB B
dF SdT PdV dA B dnB B
dG SdT VdP dA B dnB B
表面和界面(surface and interface)
3.液-液界面
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第四章多组分系统热力学4.1有溶剂A与溶质B形成一定组成的溶液。
此溶液中B的浓度为c B，质量摩尔浓度为b B，此溶液的密度为。
以M A，M B分别代表溶剂和溶质的摩尔质量，若溶液的组成用B的摩尔分数x B表示时，试导出x B与c B，x B与b B之间的关系。
解：根据各组成表示的定义4.3在25℃，1 kg水（A）中溶有醋酸（B），当醋酸的质量摩尔浓度b B介于和之间时，溶液的总体积求：（1）把水（A）和醋酸（B）的偏摩尔体积分别表示成b B的函数关系。
（2）时水和醋酸的偏摩尔体积。
解：根据定义当时4.460℃时甲醇的饱和蒸气压是84.4 kPa ，乙醇的饱和蒸气压是47.0kPa 。
二者可形成理想液态混合物。
若混合物的组成为二者的质量分数各50 %，求60℃时此混合物的平衡蒸气组成，以摩尔分数表示。
解：甲醇的摩尔分数为58980049465004232500423250....x B =+=4.580℃时纯苯的蒸气压为100 kPa ，纯甲苯的蒸气压为38.7 kPa 。
两液体可形成理想液态混合物。
若有苯-甲苯的气-液平衡混合物，80℃时气相中苯的摩尔分数，求液相的组成。
解：4.7 20℃下HCl 溶于苯中达平衡，气相中HCl 的分压为101.325 kPa 时，溶液中HCl 的摩尔分数为0.0425。
已知20℃时苯的饱和蒸气压为10.0 kPa ，若20℃时HCl 和苯蒸气总压为101.325 kPa ，求100 g 苯中溶解多少克HCl 。
解：设HCl 在苯中的溶解符合亨利定律HCl HCl ,x HCl x k p = Pa .Pa .x p k HCl HCl HCl,x 610×3842=04250101325== HCl,x HCl ,x *HCl ,x *HCl HCl ,x *HCl k x k p x k x p x k x p p p p +1+=+苯苯苯苯苯苯苯苯总）－＝（）－（＝＋＝96010×38421000010×384210132566...k p k p x HCl,x *HCl ,x ＝－－＝－－＝苯总苯 960=536+7810078100=..mx 苯 m = 1.867g4.11 A ，B 两液体能形成理想液态混合物。
物理化学(第五版) 演示文稿4-1 混合物及溶液的组成表示法
B
wB 1
百倍质量分数 [%B ] = 100×wB （冶金系统使用）
② B的浓度或B的物质的量浓度
def cB nB /V
③ B的摩尔分数
def
xB nB / nB
B
xB 1
④ B的体积分数
def
B
xB
V* m, B
/
xA
V* m, A
A
Vm*,B与Vm*,A 分别为纯物质B和A在T、p时的摩尔体积
第四章 混合物和溶液
多组分系统：含两个或两个以上组分的系统。
多相多组分系统 均相多组分系统
混合物 溶液
溶液中的各组分区分为溶剂及溶质，并选用不同的 标准态加以研究
本章只讨论非电解质液态溶液或液态混合物
§4-1 液态混合物及溶液的组成表示法
(1) 混合物常用的组成标度
① B的质量分数
def
wBmB / Βιβλιοθήκη B(2) 溶质B的组成标度
溶质B的质量摩尔浓度bB或mB
def bB nB / mA
mA ：溶剂的质量
由于溶质B的质量摩尔浓度与温度无关，在热力学 处理中比较方便。 在电化学中也主要采用该浓度表示电解质的浓度。
物化 物理 化学 物理化学 第四章课件
标态：纯A。接近实际。
（2）溶质B的化学势 应用亨利定律
pB = kx ,B xB
标态：纯B。远离实际。
* µ B (T , p ) = µ B (T ) + RT ln xB
应用亨利定律
pB = kb ,BbB
bB µ B (T , p ) = µ B (T ) + RT ln b
标态：bB = b = 1mol ⋅ kg -1
4.2多组分系统的组成表示方法
4.2.1.多组分系统的分类 单相多组分系统和多相多组分系统 混合物与溶液 混合物：各组分都服从拉乌尔定律。 溶液：溶质服从亨利定律，溶剂服从拉乌尔定律。
4.2.2多组分系统的组成表示方法
（1）物质的量浓度（体积摩尔浓度）
每立方米（或每升）混合物中有多少摩尔溶质。
nB cB = V
p p p p+Π
h
溶剂
溶液
Байду номын сангаас
溶剂
溶液
半透膜 (a) (b)
半透膜
经多步近似计算得
Π = cB RT
cB:体积摩尔浓度，单位：mol·m-3 。
稀溶液
cB ≈ bB × 103 (mol ⋅ m -3 )
请看156页例4.8。印刷错误纠正如下：
bB = 0.001mol ⋅ kg -3改为bB = 0.001mol ⋅ kg -1
p
∗ pB
p
直线
∗ pA
pB = p x
∗ B B
pB
直线
A
pA
∗ ∗ p = pA + pB = pA xA + pB xB ∗ ∗ = pA (1 − xB ) + pB xB ∗ ∗ ∗ = pA + ( pB − pA ) xB
物理化学简明教程(第四版)第四章 化学平衡
μA*
↑
G
μB *
0
ξ→
ξeq
1
图4.1 反应系统吉布斯函数变化示意图
在一定温度和压力条件下，总吉布斯函数 最低的状态就是反应系统的平衡态。因此，图 4.1中曲线的极小点就是化学平衡的位置，相应 的 就是反应的极限进度eq。eq越大，平衡产 物就越多；反之，eq越小，平衡产物就越少。 很显然，上例中反应系统总物质的量为1 mol， 故eq必然在0和l mol之间，表明反应只能进行 到一定限度，而不能按照反应方程式进行到底。
推广到任意化学反应，只需用aB代替 pB/p。在不同的场合，可以赋于aB不同的含 义：对于理想气体，aB表示比值pB/p ；对 于高压实际气体，aB表示fB/p ；对于理想 液态混合物，aB表示浓度xB ；对于非理想溶 液，aB就表示活度等。于是，等温方程可统 一表示为
rGm RT ln K RT ln Qa
G 为了能够比较方便地求算反应的 r m
r G
m
vB f G
B
m,B
(4.11)
f Gm,B 数据可从手册中查到
G 3.反应 r m 的和标准平衡常数的求算 由上可知，利用物质的标准生成吉布斯函数 G 数据可以求算反应的 r m 。除此之外，反应的 rGm 还可以通过其它方法求算。例如： (i)通过测定反应的标准平衡常数来计算； G (ii)用己知反应的 r m 计算所研究反应 的 rGm ； （iii）通过反应的 r Sm 和r Hm 用公式
例题1 有理想气体反应2H2(g)+O2(g) = 2H2O(g)， 在2000K时，已知KӨ＝1.55×107。 (1)计算H2和O2分压各为1.00×104Pa，水蒸气分 压为1.00×105Pa 的混合气中，进行上述反应的 rGm，并判断反应能够进行的方向； (2)当H2和O2的分压仍然分别为1.00×104Pa时， 欲使反应不能正向进行，水蒸气的分压最少需要 多大?
第四章 表面活性剂(一)
3. 硅化合物类：如下所示的聚硅氧烷链疏水性很突出
H3C
CH3 CH3
C Si
(O
CH3 CH3
CH3
Si )4
CH3
非极性基团：
1. 最常见的是8－18碳的直链烷烃，或环烃等
如 C17H35－，R－
等
2. 全氟表面活性剂：将上述碳氢链中的氢原子全部用 氟原子取代即可。其疏水作用强于碳氢链，其水溶液 表面张力可低至20mN/m以下
能溶解相当量的不溶（或不易溶）于水的有机物质。如果是 无机盐水溶液，一般由于“盐析”作用，浓度增加易使其溶 解有机物的能力减小，而表面活性剂电解质则相反，溶解有 机物的能力随浓度上升。
图4-7 (CH3)2N— —N=N—
图4-8 染料“AB黄”在表面活性剂 C12H25SO3H水溶液中的溶量 S(25℃)
第四章（Ⅰ） 表面活性剂
曲线1是表面张力随浓度增
加而稍有上升。（NaCl、
1
KNO3、HCl等）
曲线2是表面张力随浓度增
加而缓慢下降。（乙醇、丁
2
醇、醋酸等）
曲线3是表面张力在稀溶液
3
范围内随浓度的增加而积剧
下降，表面张力降至一定程
度后便下降很慢，或基本不
浓度
下降.（表面活性剂）
图4-1 水溶液浓度与表面张力的关系
这一概念上世纪初由ＭcBain提出，1925年当ＭcBain在 伦敦的一个学术会议上提出肥皂这类物质的溶液含有导电的 胶体电解质，并且是严格的热力学稳定体系时，当时的会议 主席竟然以“胡说”的无理言辞代替了讨论。当然科学的历 史证明了McBain的正确。
临界胶束浓度 ( CMC ) (Critical Micelle Concentration)
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Ca＋
水化
Ca＋
1.2nm
1.7nm
Ca蒙脱石：晶格膨胀
Na＋ Na＋
Na＋
Na＋ Na＋
Na＋
1.7nm
0.88nm
4nm
Na＋ Na＋
Na蒙脱石：晶格膨胀、晶层分离
▪因此，为了提高粘土（如膨
润土）的水化性能，一般需 将其水化，使钙膨润土变为 钠膨润土
▪ 不同交换阳离子引起水化程度不
同的原因：
[吸附水：吸附在粘土矿物层之间，约100～200 ℃可脱去，对粘土－水系统很重要；
结 构 水 ： 以 OH 基 形 式 存 在 于 粘 土 晶 格 中 ，
400~600 ℃ 脱去]
20
粘土的荷电性
分散在水中的粘土颗粒在电流影响 下(电场作用下)会向阳极移动，说 明粘土(Clay)颗粒带负电荷 ――1809年卢斯(Luse)发现
离子交换在化工生产、 湿法冶金等过程的净化除 杂上有广泛应用
4、离子交换容量CeC： (1)定义为pH=7时，100g干粘土所吸附离 子的mg或mmol当量数
由于阳离子交换容量通常代表了粘 土在一定pH条件下的净负电荷数，各种 粘土矿物交换容量数值相差巨大；
故可通过测定粘土阳离子交换容量 鉴定矿物组成。
D 假塑流型
F
4、膨胀型流体 与假塑性流体相反。搅拌时
变得占稠，而停止搅拌后又恢复 原来的流动状态
流动特点：表观粘度随切 变速率增加而增加
D 膨胀型
F
实例：一些非塑性原料， 如氧化铝、石英粉的浆料
第二节 粘土－水系统的荷电性
粘土胶体并非指干粘土，而指粘土－水两相系统
粘土粒子一般为片状；
粘土中的水：吸附水＋结构水
D
牛顿型
F 0
理想流体的实例 ：水、甘油、低 分子量化合物溶液
二、非牛顿型流体
1、宾汉型流体： 应力必须大于流动极限f后才开始
流动，一旦流动后又与牛顿型相同 F－f＝ηD，F > f，
10
D D
0, F
f
,
F f F f
F－f＝ηD，F > f，ηa＝η＋f/D＝F/D，
D→∞时ηa→η 其中ηa称为表观粘度 实例为：新拌的混凝土
C、自由水：松结合水外不受粘土颗粒影响的水。
Clay
牢固结合水 疏松结合水 自由水
r增大，水分子定向程度越差
6、结合水量的影响因素： (1)、矿物组成：影响粘土电荷而影响所 形成的电场及水化作用强弱。
矿物 阳离子交 水化 换容量 程度
其他
蒙脱石 最高
最好 分散度也好
高龄石 低
差 分散度也低，颗粒粗， 非膨胀型矿物
＋
水 沙层
土粒 湿粘土
水
一段时间后， 正极管：粘土微粒透 过细沙层逐渐上升， 水变浑浊，水层逐渐 下降； 负极管：水不浑浊， 但水面逐渐上升。 实验结果：粘土颗粒 带电，在外电场作用 下向正极移动。
一、粘土电荷种类 1、负电荷 A、粘土所带负电荷主要由粘土晶格内 同晶置换所产生 B、粘土负电荷还可以由吸附在粘土表 面的腐植质离解而产生（随pH值改变，碱 性环境有利于H＋离解产生更多负电荷）
因此，粘土颗粒所带的正电荷主 要分布在棱边上
▪ 实验证明：高龄石的边面在酸
性条件下由于从介质中接受质 子而带正电荷
▪ 高龄石边面电荷可随介质pH而
变化，呈两性电荷
30
3、净电荷（综合电性） 粘土的正负电荷的代数和为粘土
的净电荷。 板面上电荷通常被其它正离子抵
销，但在溶液中易发生离解而显现出 板面的负电荷，棱边局部的正电荷抵 销部分后，整个粘土颗粒一般都带负 电荷
▪ 粘土单元层间的作用力： ▪ 1. 层间阳离子水化产生的膨胀力及层
(2)、影响因素：
A、矿物组成：疏松与否、同晶置换多少 B、粘土粒度：比表面积及棱边破键数 C、有机质数：影响电荷数 D、溶液 P H：影响棱边释放/吸收质子数从
而影响粘土净电荷 E、离子浓度：影响离子与粘土的撞击几率
40
5、离子吸附顺序： 离子吸附顺序主要取决于粘土
与离子间作用力大小 影响粘土与离子间作用力大小
层状硅酸盐结构的板面和边面
高龄石
蒙脱石
电荷分布： 大部分负电荷分布在层状硅酸盐
的板面(垂直于C轴) 板面上的负电荷可以依靠静电引
力吸引一些介质中的阳离子以平衡
2、两性电荷 粘土颗粒在一定条件下也可以带
正电荷。棱边为层状结构的断裂处， 棱边上存在的活性破键(悬键)在不同的 介质中接受或释放质子(H＋)而带电荷
▪粘土颗粒的荷电性是其具有
一系列胶体化学性质的主要 原因之一
第三节 粘土的离子吸附与交换
▪ 粘土颗粒由于破键、晶格内类质同晶
置换和吸附在粘土表面腐殖质离解等 原因而带负电。因此，它必然要吸附 介质中的阳离子来中和其所带的负电 荷，被吸附的阳离子又能被溶液中其 它浓度大价数高的阳离子所交换，即 粘土的阳离子交换性质
▪ Li＋＞ Na＋＞ K＋
同价离子，定向排列水 分子 量相同，体积效应
▪ 异价离子，离子价因素：
▪ 高价离子表面电荷密度更高，静电
引力越大，水化分子数越大
2020/4/1
52
▪ 交换阳离子影响粘土表面水化的方式
▪ 1.本身的水化，即本身具有
水分子的外壳。
▪ 2.与水分子竞争，键接
到粘土晶体的表面，并倾 Clay
6、吸附发生位置： 阳离子吸附在板面及
棱边上进行
二、粘土的阴离子吸附与交换 由于粘土棱边带两性电
荷，一定条件下可以发生阴 离子吸附及交换 。
阴离子吸附的特点： (1)、阴离子吸附在棱边上进行 (2)、吸附量随PH增加而降低 (3)、若阴离子形状与粘土棱边结构相适
应则吸附牢固
45
阴离子吸附顺序： OH－>CO32－>P2O74－>I－ > >Br－>Cl－>NO3－>F－>SO42－
一、粘土的阳离子吸附与交换 1、阳离子吸附：
由于粘土带负电荷，因而必然要 吸附介质中的阳离子以达到电中性
2、阳离子交换：
粘土上被吸附的阳离子又
能被溶液中其它浓度大，电价高
的阳离子交换下来
Na
Clay
Ca 2
Ca 2
Clay
2Na
Na
35
▪ 对Ca2＋而言是由溶液转移到胶体上，是
离子的吸附过程。
▪
分子间力，静电引力 水化膜
▪ 3.自由水：存在于粘土颗粒的孔隙、孔道
中，不受粘土束缚，自由运动。
55
吸附水（结合水）类型：
A、牢固结合水：吸附水膜，3－10水分 子厚。
牢
固 结
水分子层 Clay 完全定向排列
E
+-
合
水
这部分水与粘土颗粒形成一个整
体，一起在介质(电场中）中移动
B、疏松结合水：扩散水膜 吸附水膜外定向程度较差的水
伊犁石 较低
差 晶层K＋的特殊作用，非 膨胀型矿物
(2)、粘土分散度： 粘土颗粒的棱边面积及比表面积 比如：高岭石：粒度越细，边面
越多，结合水量越大；而蒙脱石、蛭 石的结合水量与粒度关系不大。
(3)、吸附的阳离子种类：
1.粘土结合水量与粘土阳离子交换量成正比 2.对于相同阳离子：离子价＋离子半径因素
▪ 故：以上原因使粘土表面吸附着层
层定向排列的水分子，极性分子依 次重叠，直至水分子热运动足以克 服上述引力作用
▪ 粘土粒子与阳离子水分子共同构成
粘土胶团
粘土矿物中水分子的存在形式：
▪ 1.结晶水：矿物晶体构造的一部分
▪ 例：铝氧八面体中的OH－层。
▪ 2.吸附水（结合水）：
▪ 极性水分子
带电粘土表面
▪ 对被粘土吸附的Na＋转入溶液而言是解
吸过程。
▪ 吸附和解吸的结果，使钙、钠离子相互
换位即进行交换。由此可见，离子吸附 是粘土胶体与离子之间相互作用。而离 子交换则是离子之间的相互作用。
3、离子交换特点： (1)、同号离子相互交换 (2)、离子以等当量进行交换 (3)、交换和吸附是可逆过程 (4)、交换不影响粘土本身结构
E
向于破坏水分子的结构。
+-
粘土蒙脱石表面 水化示意图
干蒙脱石暴露在水蒸汽 中时，水在晶层间凝结， 引起晶格膨胀，第一层吸 附能很高，以后的水层 吸附能迅速降低。 表面水为多层的，水分子 与粘土表面O以H键相连， 水分子彼此也通过H键连 接为六角环，以后的水层 照此继续，H键强度逐渐 减弱，直至被热运动抵消。
第四节 黏土－水系统的电动性质
▪ 粘土粒子的水化：起源◆水为极性
分子◆粘土粒子带电
O
H
H
O
CO
非极性分子
1.板面同晶置换带负电； 2.吸附腐殖质的分解； 3.边面：破键、悬键。
故：粘粒电场范围内 水分子与纯水不同。
一、粘土与水的作用
1、氢键联结： 粘 土 晶 粒 表 面 上 O/OH 与 H2O 以
第四章 表面与界面
材料学院
胶体概述
1、胶体的定义：
(1) 胶体：胶体是由物质的三种状 态所组成的高度分散的物系
(2) 高度分散物系：一种或几种物 质以极微小的粒子分散在另一种物 质中所组成的物系
(3) 分散相与连续相：分散物系中被分散 的物质称为分散相(分散物质、分散内相、
分散质)，分散其它物质的介质称为连续
E
极性水分子定向排列
Clay
自由水 r增大、定向程度减小 无定向
50
3、阳离子水化： 粘土颗粒表面的交 换性阳离子发生水化
带负电的Clay表面 吸附阳离子
Clay