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化学

简明物理化学

作者：史竞艳,逯宝娣，董元彦

出版社：科学出版社出版时间：2021-12-01

开本：其他页数： 200

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简明物理化学版权信息

ISBN：9787030412577
条形码：9787030412577 ; 978-7-03-041257-7
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
自然科学
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化学

简明物理化学内容简介

本书强调物理化学的基本理论，基本方法，适当删减繁琐的数学推导和部分理论性较强的章节内容。删去麦克斯韦关系式和吉布斯－亥姆霍斯方程式，以及多组分体系热力学的基本函数关系式等等内容。在相平衡部分不介绍三组分体系。电化学中，不介绍电动势产生的机理、浓差电池和液体接界电势计算等内容。不介绍胶体分散体系和大分子溶液。本教材共分为七章：热力学定律和热化学、热力学第二定律、化学平衡、相平衡、电化学、化学动力学、界面化学。每章节的后面都阅读材料，主要介绍该领域中的研究热点问题，开阔学生的视野，提高学生的学习热情。

简明物理化学目录

前言
绪论1
0.1物理化学的任务和内容1
0.2物理化学的研究方法2
0.3物理化学课程的特点及学习方法2
0.4气体的性质3
0.4.1理想气体3
0.4.2摩尔气体常量3
0.4.3混合理想气体4
0.4.4实际气体与范德华方程5
阅读材料
物理化学与诺贝尔奖7
习题8
第1章热力学**定律和热化学10
1.1热力学概论10
1.1.1热力学研究对象和内容10
1.1.2热力学的方法与局限性10
1.1.3热力学基本概念10
1.2准静态过程与可逆过程14
1.2.1功与过程14
1.2.2准静态过程15
1.2.3可逆过程16
1.3热力学**定律17
1.3.1热力学**定律的经验叙述17
1.3.2热力学能17
1.3.3热力学**定律的数学表达式18
1.4焓18
1.4.1等容热18
1.4.2等压热18
1.5热容19
1.5.1热容的概念19
1.5.2等容热容20
1.5.3等压热容20
1.5.4热容与温度的关系20
1.6热力学**定律对理想气体的应用21
1.6.1焦耳实验21
1.6.2理想气体的Cp与CV的关系22
1.6.3理想气体的等温过程23
1.6.4理想气体的绝热过程23
1.7相变焓26
1.7.1相变焓26
1.7.2相变焓与温度的关系27
1.8化学反应热28
1.8.1等容反应热与等压反应热28
1.8.2热化学方程式29
1.8.3赫斯定律30
1.9几种热效应30
1.9.1生成焓30
1.9.2燃烧焓31
1.9.3溶解焓32
1.10反应焓与温度的关系——基尔霍夫定律33
阅读材料
测定化学反应热效应的方法和技术——现代热量计34
本章小结36
思考题37
习题37
第2章热力学第二定律41
2.1热力学第二定律41
2.1.1自发过程的共同特征41
2.1.2热力学第二定律的经验叙述41
2.2熵与熵增原理41
2.2.1热机效率41
2.2.2卡诺循环42
2.2.3卡诺定理43
2.2.4可逆循环过程与可逆过程的热温商44
2.2.5不可逆循环过程与不可逆过程的热温商46
2.2.6熵增原理47
2.3熵变的计算48
2.3.1理想气体单纯pVT变化过程48
2.3.2理想气体混合过程50
2.3.3相变过程51
2.3.4化学反应过程的熵变52
2.4亥姆霍兹函数与吉布斯函数53
2.4.1亥姆霍兹函数53
2.4.2吉布斯函数54
2.4.3吉布斯函数变的计算55
2.5热力学基本方程58
2.5.1热力学基本方程58
2.5.2麦克斯韦关系式58
阅读材料
热能的综合利用与热泵原理介绍59
本章小结60
思考题60
习题61
第3章多组分系统热力学63
3.1偏摩尔量63
3.1.1偏摩尔量的定义63
3.1.2偏摩尔量的集合公式64
3.1.3吉布斯杜安公式64
3.2化学势65
3.2.1化学势的定义65
3.2.2化学势与温度、压力的关系66
3.2.3化学势判据66
3.3物质的化学势67
3.3.1气体的化学势67
3.3.2稀溶液中的两个经验定律68
3.3.3溶液的化学势69
3.4稀溶液的依数性71
3.4.1蒸气压下降71
3.4.2凝固点降低71
3.4.3沸点升高73
3.4.4渗透压73
阅读材料
反渗透技术的应用74
本章小结75
思考题76
习题76
第4章化学平衡78
4.1化学反应的方向和限度78
4.1.1化学反应进度和反应吉布斯函数变78
4.1.2化学反应的平衡条件79
4.2化学反应等温式和平衡常数80
4.2.1化学反应的等温方程式80
4.2.2均相反应的标准平衡常数80
4.2.3非均相化学反应的标准平衡常数82
4.3反应平衡常数的求算82
4.3.1平衡常数的直接测定82
4.3.2平衡常数的间接计算83
4.3.3平衡常数计算实例85
4.4外界因素对化学平衡的影响85
4.4.1温度对化学平衡的影响85
4.4.2压力对化学平衡的影响87
阅读材料
生物体内的化学平衡简介87
本章小结88
思考题89
习题89
第5章相平衡91
5.1相律91
5.1.1相、组分数和自由度91
5.1.2相律的推导93
5.2单组分系统的相图94
5.2.1单组分系统相图的理论基础94
5.2.2相图实例95
5.3二组分系统96
5.3.1完全互溶的双液系97
5.3.2部分互溶的双液系102
5.3.3完全不互溶的双液系103
5.3.4固相完全不互溶的二组分固液系统104
阅读材料
超临界流体及应用105
本章小结106
思考题107
习题107
第6章电化学109
6.1电化学的基本概念和法拉第定律109
6.1.1基本概念109
6.1.2法拉第定律110
6.2离子的电迁移和迁移数111
6.2.1离子的电迁移111
6.2.2离子迁移数111
6.3电导及其应用112
6.3.1电导、电导率及摩尔电导率112
6.3.2电导率、摩尔电导率与浓度的关系113
6.3.3电导的测定及其应用116
6.4可逆电池和可逆电极119
6.4.1可逆电池119
6.4.2可逆电池的书写方法120
6.4.3可逆电极的类型和电极反应120
6.5可逆电池的热力学121
6.5.1可逆电池电动势E121
6.5.2从标准电动势E求反应的标准平衡常数K122
6.5.3从电动势E及其温度系数求反应的ΔrSm和ΔrHm123
6.5.4可逆电池反应过程的可逆热123
6.6电极电势和电池的电动势124
6.6.1标准氢电极和电极电势124
6.6.2电池电动势的计算127
6.7可逆电池电动势的测量及应用127
6.7.1对消法测定电池电动势127
6.7.2电动势测定的应用128
阅读材料
电化学传感器129
本章小结131
思考题132
习题132
第7章化学动力学134
7.1基本概念134
7.1.1化学反应速率134
7.1.2基元反应和复杂反应135
7.1.3化学反应速率方程和速率常数135
7.1.4基元反应的速率方程和反应分子数135
7.1.5非基元反应的速率方程和反应级数136
7.2具有简单级数反应的特点136
7.2.1零级反应137
7.2.2一级反应137
7.2.3二级反应139
7.2.4反应级数的确定141
7.3温度对反应速率的影响143
7.3.1范特霍夫近似规则144
7.3.2阿伦尼乌斯公式144
7.3.3活化能145
7.4几种典型的复杂反应145
7.4.1对峙反应146
7.4.2平行反应147
7.4.3连续反应148
*7.4.4链反应149
7.4.5复杂反应速率的近似处理方法149
7.5催化剂对反应速率的影响152
7.5.1催化剂和催化作用152
7.5.2酶催化反应的特征153
*7.6光化学反应154
7.6.1光化学基本定律154
7.6.2光化学反应的基本特点155
阅读材料药物代谢动力学简介156
本章小结157
思考题158
习题159
第8章表面现象162
8.1表面吉布斯函数和表面张力162
8.1.1比表面162
8.1.2表面吉布斯函数162
8.1.3表面张力163
8.2弯曲液面的特性163
8.2.1弯曲表面上的附加压力163
8.2.2杨拉普拉斯公式164
8.2.3弯曲表面上的蒸气压164
8.3润湿作用165
8.3.1润湿现象165
8.3.2接触角与润湿作用166
8.4溶液表面的吸附167
8.4.1溶液表面吸附现象167
8.4.2吉布斯吸附等温式168
8.5表面活性剂及其作用168
8.5.1表面活性剂的结构与分类168
8.5.2表面活性剂的HLB值169
8.5.3胶束和临界胶束浓度169
8.5.4表面活性剂的作用170
8.6固体表面的吸附171
8.6.1吸附作用171
8.6.2物理吸附和化学吸附171
8.6.3气固表面吸附171
8.6.4固体在溶液中的吸附176
阅读材料荷叶效应与超疏水材料177
本章小结178
思考题178
习题179
参考文献181
附录182

展开全部

简明物理化学节选

绪论物理化学是化学四大基础分支学科之一，物理化学不研究具体某个反应，而是研究适用于各个化学分支学科的*普遍、*本质的规律。对于物理化学的地位，印永嘉教授曾经说过：“无机化学是化学的四肢，有机化学是化学的躯体，分析化学是化学的眼睛，而物理化学是化学的灵魂”，可见物理化学的重要性。从宏观上看，化学变化通常会伴随物理变化的发生，如温度、体积、压力、颜色、光效应、电效应等；另一方面，物理因素通常会影响化学变化的进行。从微观上看，分子中的电子运动、原子的转动和振动、原子间的相互作用力等微观物理运动形态直接决定了物质的性质及化学反应能力。物理变化和化学变化有着紧密联系，人们通过研究两者之间的规律，逐步形成了一门独立的学科分支——物理化学。物理化学是从物理现象和化学现象的联系入手，探求化学变化基本规律的一门学科，在实验方法上主要采用物理方法。 0.1物理化学的任务和内容物理化学的主要任务是解决以下三个方面的问题：（1）化学变化的方向和限度。一个化学反应在给定条件下能否发生？向哪个方向进行？能够达到什么限度？外界条件（如温度、压力、浓度等因素）对反应有何影响？反应的热效应是多少？这些问题属于化学热力学的研究范畴。（2）化学反应的速率和机理。一个化学反应的速率究竟有多大？反应是经过怎样的历程（机理）进行的？外界条件（如温度、压力、浓度等因素）对反应速率有何影响？如何控制条件使反应向预期的方向进行？这些问题属于化学动力学的研究范畴。对于一个化学反应，我们应该首先根据热力学知识判断其可能性，然后通过动力学知识解决其可行性问题。（3）物质结构和性能之间的关系。物质的微观结构决定其性质及化学反应能力，只有深入研究其内部结构，才能理解化学变化的内因，以及推测在一定的外界条件下物质结构会有何变化。这些问题属于结构化学和量子化学的研究范畴，本书不涵盖这些内容。物理化学还包括电化学、表面化学等分支，这些分支随着科学技术的不断发展、研究的不断深入，以及与其他学科的交叉，已形成许多新的分支学科，如生物热化学、电极过程动力学等。物理化学的主要内容包括四个方面：热力学、电化学、动力学和表面化学。本书第1～5章介绍热力学的两大基本定律及其在多组分系统、化学反应系统和相变化系统中的应用；第6章介绍电解质溶液理论和可逆电池的相关知识；第7章介绍化学动力学的基础知识和有关反应速率与机理的基本理论；第8章介绍表面现象及其在生活和生产中的应用。 0.2物理化学的研究方法物理化学作为自然科学的一个分支，它的研究方法与一般自然科学的研究方法相同，采用“实践—认识—再实践”的方式。首先从大量的客观事实中，抓主要矛盾，从中找出规律性的结论，再用这些规律性的结论指导实践。另外，物理化学由于其研究对象的特殊性，还有其特殊的研究方法，主要包括：热力学方法、统计力学方法和量子力学方法。在基础物理化学课程中，主要采用热力学方法。热力学方法以大量质点组成的宏观系统为研究对象，以热力学的两大经验定律为基础，用于研究变化的方向和限度问题。在处理问题时，只注重系统的初态和终态，而不需要知道系统内部粒子的结构变化和过程机理。 0.3物理化学课程的特点及学习方法物理化学课程具有理论性强、概念抽象、公式繁多、条件严格等特点，要学好物理化学，除了要结合课程的特点，还要针对自己的情况，综合选择适合的学习方法。 1）注重思维方法物理化学是一门理论性和系统性都非常强的学科，在学习物理化学的过程中不仅要把基本公式、理论模型、数理逻辑、物理意义、适用条件掌握清楚，更重要的是要培养学习物理化学的思维方法，即如何提出问题和解决问题。理解了这点，才能以不变应万变，才有可能站在巨人的肩膀上提出具有前瞻性的问题。要学好物理化学，绝不提倡死记硬背。 2）抓住每章的重点每章的知识点很多，要学会从中找出主线，将琐碎的知识串起来。例如，在第1章中，讲解了热、功、热力学能变和焓变的计算，这些热力学的量可通过热力学**定律和焓的定义式联系起来，再根据定义式或基本公式即可求取不同过程中这些热力学量的变化值。 3）注重章节之间的联系物理化学章节之间联系紧密、环环相扣。热力学两大定律是学好物理化学的关键，后面的章节如化学平衡、相平衡、电化学和表面化学都会涉及和用到热力学的基本理论。掌握章节之间的联系，才能融会贯通，将知识学深、学透。 4）对公式要做到“理解—记忆—应用” 公式多、使用条件灵活、推导烦琐是物理化学的一个突出特点，也是很多人感觉物理化学难学的原因。基于这一点，建议在学习物理化学的过程中注意做到“理解—记忆—应用”。对于公式的获得首先要理解，即对公式是如何提出、如何推导要清楚；理解了公式是怎样获得的，自然对公式的使用条件也就清楚了，在此基础上去记忆就会容易很多；*后一个环节，就是要使用这些公式解决实际问题，强化理解和记忆。 5）重视实验物理化学作为一门自然科学，其发展离不开实验的启示和检验。通过实验，学生不仅可以掌握实验仪器的正确使用方法，培养实验技能，更重要的是可以验证、巩固和加深课堂中所学的基本理论知识，还可以培养实践动手能力、综合分析问题能力和创新思维能力。 0.4气体的性质在物质常见的三种聚集状态中，气体系统*为简单，理论模型*易建立，研究也*为透彻。在生产、生活和科研领域中，气体系统也是*常见的一个系统，研究它的性质和变化规律，具有重要的理论和实际意义。研究气体的性质，就是研究气体的p、V、T之间的关系。 0.4.1理想气体研究气体理论有三个*著名的定律。（1）玻意耳（Boyle）定律：在温度恒定时，一定量气体的体积与压力成反比，即 pV=常数（n、T恒定）（2）盖？吕萨克（Gay.Lussac）定律：在压力恒定时，一定量气体的体积与热力学温度成正比，即 V/T=常数（n、p恒定）（3）阿伏伽德罗（Avogadro）定律：在温度和压力恒定时，气体的体积与其物质的量成正比，即 V/n=常数（T、p恒定）上述三个定律都是在温度不太低、压力不太高的条件下总结出来的，将三个定律进行合并、整理可得 pV=nRT（0.1）也可表示为 pVm=RT（0.2）式中，p为气体压力，Pa；V为气体体积，m3；Vm为摩尔体积，m3？mol-1；n为气体的物质的量，mol；T为热力学温度，K；R为比例系数，称为摩尔气体常量，简称气体常量，J？K-1？mol-1。气体温度越高，压力越低，对式（0.1）就符合得越好。在任何温度、任何压力下都满足式（0.1）的气体称为理想气体，式（0.1）和式（0.2）均称为理想气体状态方程。理想气体实际上是一个科学的抽象概念，并不客观存在，可看作是实际气体在压力很低时的极限情况。不难推测，理想气体的微观模型应该是：分子间无相互作用力；分子自身体积为零。理想气体模型是*简单的理论模型，将该模型进行适当修正，便可得到适用于实际气体的模型。 0.4.2摩尔气体常量原则上，只要测定出低压实际气体的温度、压力和体积，代入式（0.1）即可求出R的数值，但是对于低压气体来说，要测准这些量并不容易，所以常采用外推法：测定一定温度下，一定量的气体在不同压力下的摩尔体积，然后以pVm对p作图，外推至p→0处，求出所对应的pVm的值，再根据R=pVnT=pVmT计算出R值。图0.1273.15K下Ne、O2、CO2的pVm.p图图0.1表示几种不同气体在273.15K时的pVm.p的关系图，通过外推求得 (pVm)p→0=2271.10J？mol-1 故 R=(pVm)p→0T=2271.10273.15=8.314（J？K-1？mol-1） R是一个很重要的常数，不但在计算气体的p、V、T关系时要用到，在计算其他很多物理量时也要用到。 0.4.3混合理想气体在实际生活和生产中，见到更多的是混合气体系统，如空气、合成氨系统等，所以掌握混合气体的性质非常重要。研究混合气体性质的两个重要定律分别是道尔顿（Dalton）分压定律和阿马加(Amagat)定律。 1. 道尔顿分压定律 1810年道尔顿在研究低压气体时提出分压力和总压力的概念。分压力：混合气体中任一组分气体B的分压力是指将B单独放置与混合气体相同的温度和体积时所具有的压力，用pB表示，即 pB=nBRTV（0.3）式中，T为混合气体的温度；V为混合气体的体积。总压力：混合气体的总压力p等于各组分气体的分压力之和，即 p=pA+pB+ =∑pi（0.4）式（0.3）和式（0.4）均为道尔顿分压定律的数学表达式。该定律无论从理论上，还是从模型上都非常容易证明和理解。从理论上证明： pA+pB+pC+ =nARTV+nBRTV+nCRTV+ =∑niRTV=p 从微观模型上看，理想气体的特征是分子间无相互作用力，所以有无其他气体存在对任一组分气体B来说都是一样的，它对总压的贡献与其单独存在时也是一样的。需要强调的是，道尔顿分压定律只适用于理想混合气体或低压实际气体。关于分压力，还有一种广义的定义方式，即任何气体的分压力都可以表示成总压与其摩尔分数的乘积，即 pB=pyB（0.5）式中，yB为组分B的摩尔分数，yB=nB/n，其中n为总物质的量。这种分压力的定义方式适用于任何气体。对于理想气体，式（0.3）与式（0.5）是一样的，而对于实际气体来说，分压力只能采用式（0.5）的形式来计算。 2. 阿马加定律 19世纪阿马加在研究低压混合气体时提出分体积和总体积的概念。分体积：混合气体中任一组分B的分体积是指将B单独放置与混合气体相同的温度和总压下所具有的体积，用VB表示，即 VB=nBRTp（0.6）式中，T为混合气体的温度；p为混合气体的总压。总体积：混合气体的总体积V等于各组分气体的分体积之和，即 V=VA+VB+ =∑Vi（0.7）式（0.6）和式（0.7）均为阿马加定律的数学表达式。阿马加定律同样是理想气体的必然结果，证明过程从略。适用于理想混合气体或低压实际气体。将道尔顿分压定律和阿马加定律相结合，可得 yB=nBn=pBp=VBV（0.8）表明理想混合气体中任一组分B的摩尔分数等于该组分的体积分数(VB/V)，也等于其分压与总压之比。【例0.1】某气柜内储有压力为104 364Pa的气体烃类混合物，气体中含有水蒸气，分压力为3399.72Pa。现用干燥器将湿混合气体脱水，脱水后的干气中水含量可忽略，则1000mol湿气体需脱去多少水？混合气体可看作理想气体混合物。解湿混合气体中水的摩尔分数 yH2O=pH2Op=3399.72104 364=0.0326 nH2O=yH2O？n总=0.0326×1000=32.6(mol) mH2O=32.6×18×10-3=0.587(kg) 0.4.4实际气体与范德华方程实际气体的性质不同于理想气体，分子间存在着色散力、诱导力和取向力等相互作用力，另外，分子中电子云间的斥力存在使得两个分子不能无限接近，所以不能将分子看成没有体积的质点。因此实际气体的p、V、T关系要比理想气体复杂得多。要描述实际气体的行为，需要对理想气体的模型进行修正。针对不同的条件，得到的实际气体的状态方程很多。在此仅简要介绍范德华（van der Waals）方程。范德华采用硬球模型，对理想气体状态方程作了两项修正：一项是对体积的修正，认为实际气体具有体积，所以1mol实际气体的自由活动空间Vm要扣除自身所占体积b，即体积项被校正为Vm-b；另一项是对压力的修正，实际气体分子之间有引力存在，系统内部分子由于受到对称力场作用，可以相互抵消，合力为零，而靠近器壁分子，受到内部分子对其吸引力作用，趋向于将其拉入内部，所以实际气体对器壁的压力比理想气体要小。他把这个指向内部的作用力称为内压力，内压力的大小与单位体积中的分子数成正比，用a/V2m表示，因此，压力项被校正为

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