南京大学物理化学课件

南京大学物理化学课件本课件将深入探讨物理化学的基本原理和应用涵盖热力学、动力学、量子化学、光谱学等重要内容物理化学概述物质性质微观世界物理化学研究物质的性质和变化，包括物质物理化学研究原子、分子和宏观物质之间的的结构、状态、热力学、动力学等方面关系，解释物质的性质和变化规律化学反应实验方法物理化学研究化学反应的速率、平衡和机理物理化学运用实验方法研究物质的性质和变，揭示化学反应过程中的能量变化和物质转化规律，并利用理论模型解释实验结果化规律状态方程与状态图状态方程描述了物质状态参数之间的关系，包括压力、体积、温度等状态图则是将状态方程以图形方式展示，方便直观地理解物质状态变化规律状态图可以帮助我们分析不同温度和压力下物质的存在状态，例如固体、液体、气体以及不同相之间的平衡关系状态图是物理化学的重要工具，它可以帮助我们预测物质在不同条件下的行为，例如物质的熔点、沸点、临界点等理想气体状态方程理想气体状态方程描述了理想气体的压力、体积、温度和物质的量之间的关系该方程为，其中是压力，是体积，是物质的量，是理想气体常数，是温度PV=nRT PV nR T范德华状态方程范德华状态方程是对理想气体状态方程的修正，考虑了真实气体分子之间的相互作用力，包括吸引力和排斥力该方程更准确地描述了真实气体的行为，特别是在高压或低温下a b吸引力排斥力分子间的吸引力会导致气体体积偏分子间的排斥力会导致气体压力偏离理想气体状态离理想气体状态等温过程定义1等温过程是指在恒定温度下进行的热力学过程温度保持不变意味着系统与外界可以自由交换热量，以抵消任何内部能量变化特点2等温过程的显著特征是系统在整个过程中始终保持相同的温度这意味着热量可以自由进出系统，以维持恒定温度应用3等温过程在许多化学和物理过程中有应用，例如蒸汽机、制冷机和化学反应这些过程通常涉及热量转移，以保持系统温度恒定等容过程定义等容过程是指体系体积保持不变的热力学过程在此过程中，体系不做体积功，热量变化等于体系内能的变化特点等容过程的显著特点是体积不变，且热量变化完全用于改变体系内能，没有体积功产生等容过程在实际应用中较为常见，例如密闭容器内气体的加热或冷却过程应用等容过程在化学反应中非常常见，例如密闭容器内进行的反应通过分析等容过程，可以研究反应热和焓变，从而深入了解反应的热力学特性绝热过程绝热过程1系统与外界无热量交换等熵过程2系统熵值保持不变绝热膨胀3系统做功，温度下降绝热压缩4外界做功，温度升高绝热过程是指系统与外界无热量交换的过程在绝热过程中，系统的内能变化完全由外界做功引起由于没有热量的传递，绝热过程也是等熵过程，即系统的熵值保持不变绝热过程可分为绝热膨胀和绝热压缩两种绝热膨胀是指系统对外做功，导致系统温度下降绝热压缩是指外界对系统做功，导致系统温度升高热力学第一定律能量守恒定律热力学系统热力学函数热力学第一定律指出能量既不能被创热力学第一定律适用于任何热力学系热力学第一定律定义了内能的概念，造，也不能被消灭，只能从一种形式统，包括封闭系统、开放系统和孤立并与焓、热容和热功等热力学函数密转化为另一种形式系统切相关热力学第一定律应用热化学热机相变能量转换计算化学反应中热量的变化分析热机的工作原理，如蒸理解物质相变过程中的能量研究太阳能、风能等可再生，理解燃烧过程，以及不同汽机和内燃机，了解能量转变化，如熔化、沸腾，以及能源的利用，以及能量转换物质的热值化效率相关焓变效率和环境影响热力学第二定律自发过程的方向熵增原理12热力学第二定律解释了自然在孤立体系中，自发过程总界中自发过程发生的趋势是朝着熵增加的方向进行，直到达到平衡状态不可逆性热力学效率34热力学第二定律表明，自然热力学第二定律限制了热机界中所有自发过程都是不可效率，不可能创造一个效率逆的，无法完全恢复到初始为的热机100%状态熵变与自发过程熵自发过程熵是体系混乱程度的度量体系越混乱自发过程是指在一定条件下，无需外界，熵值越大熵变是体系熵值的改变，干预就能自发进行的过程自发过程总由体系的热力学状态改变引起是朝着熵增的方向进行，即体系的熵值会增加自由能与化学势吉布斯自由能化学势

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2.12自由能是衡量化学反应自发化学势是指体系中某种物质性的指标，它表示体系在恒在特定条件下增加一个微小温恒压条件下做功的能力摩尔物质时系统自由能的变化关系应用

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4.34自由能与化学势密切相关，自由能和化学势是理解化学化学势是自由能对物质摩尔反应方向、平衡状态和相变数的偏导数的重要概念，在化学热力学和物理化学中有广泛应用相平衡相平衡是指在给定条件下，不同相处于平衡状态的现象例如，在一定温度和压力下，水可以同时存在液态、固态和气态三种相，它们之间达到平衡，形成动态平衡相平衡的条件是各相的化学势相等，且体系的自由能处于最小值相图分析相图是描述物质相变关系的图形，它反映了物质在不同温度和压力下的相态变化情况相图通常以压力和温度为坐标轴，用不同曲线或区域来表示不同相态的存在区域通过分析相图，我们可以了解物质的相变温度和压力、不同相态的稳定区域、相变过程的规律等信息相图分析在化学、材料科学、地质学等领域都有广泛应用溶液性质溶液浓度溶液的蒸气压溶液浓度表示溶质在溶液中的溶液的蒸气压是指溶液在一定含量常见的浓度单位有摩尔温度下，其蒸气与液相处于平浓度、质量分数和体积百分比衡状态时的蒸气压沸点升高与凝固点降低渗透压非挥发性溶质的存在会降低溶渗透压是指阻止溶剂通过半透液的蒸气压，从而导致溶液沸膜流入溶液所需的压力，它与点升高和凝固点降低溶液的浓度成正比化学平衡可逆反应平衡常数化学反应在正向和逆向同时进行，反应物和生成物浓度之比，反映平达到平衡状态衡状态影响因素应用温度预测反应方向、计算平衡浓度等•浓度•压强•化学反应动力学反应速率反应机理活化能碰撞理论化学反应动力学研究化学反了解反应机理，即反应步骤活化能是反应物转化为产物碰撞理论认为反应速率取决应速率和影响因素，如浓度的顺序，有助于预测反应速所需的最小能量，决定了反于反应物分子碰撞频率和有、温度和催化剂率和找到提高效率的方法应速率效碰撞次数反应速率理论理论描述碰撞理论分子碰撞产生反应过渡态理论反应物形成过渡态，再变为产物反应速率理论解释化学反应发生的速率和机理碰撞理论认为分子间碰撞是反应发生的必要条件，而过渡态理论强调反应物通过过渡态转化为产物的过程电化学基本概念电化学电化学反应电极电化学是研究化学反应与电电化学反应是指伴随着电子电极是电化学反应发生的场能相互转换的科学转移的化学反应所包括电解、电池、电化学腐电化学反应在电解池或电池分为正极和负极，分别发生蚀等中进行，涉及氧化还原反应氧化反应和还原反应.电极电势与化学键电极电势是衡量电极在特定条件下发生氧化还原反应的能力，与金属的化学键性质密切相关金属化学键的类型和强度直接影响其电极电势例如，金属键强度的差异导致了不同金属的电极电势差异，例如金的电极电势比铁高得多，这反映在金比铁更难被氧化电化学电池电化学电池是将化学能转化为电能的装置，由两个电极和电解质溶液组成电极反应是指在电极表面发生的氧化还原反应，其中一个电极发生氧化反应，另一个电极发生还原反应电池的工作原理是利用电极反应产生电流电子在电池内部从负极流向正极，并在外部电路中形成电流电池的电动势是由电极反应的标准电极电势差决定的化学腐蚀与防护腐蚀类型腐蚀机理化学腐蚀是金属与环境中的物质发金属腐蚀过程通常涉及电化学反应生化学反应而导致的破坏，金属表面形成原电池，发生电子转移氧化腐蚀•阳极反应金属原子失去电子酸性腐蚀••阴极反应环境中的物质获得碱性腐蚀••电子腐蚀防护通过改变金属表面性质或改变环境条件来抑制腐蚀表面处理电镀、喷涂•添加缓蚀剂•阴极保护法•光化学反应定义特点光化学反应是指在光的照射下发生的化光化学反应通常需要特定波长的光，并学反应光子被吸收后，化学物质会发且反应速率与光强相关反应过程中会生电子跃迁，形成激发态的分子，从而发生能量传递，导致化学键断裂或形成引发化学反应新的化学键量子化学基础原子核与电子电子结构12量子化学研究原子核与电子预测电子结构，解释分子性之间的相互作用质化学反应3研究化学反应的机制，预测反应结果波函数与玻尔模型玻尔模型电子云模型波函数玻尔模型描述了原子中电子的运动，电电子云模型描述了电子在原子核周围的波函数描述了电子在特定位置和时间出子在特定能量轨道上运动它解释了氢概率分布，它基于量子力学理论，更准现的概率，它是一个数学函数，包含了原子光谱，但无法解释多电子原子确地描述了电子在原子中的行为关于电子运动的所有信息量子力学基本方程薛定谔方程描述微观粒子运动规律，是量子力学核心方程波动方程描述粒子的波动性，通过波函数来表达哈密顿算符代表系统总能量，包括动能和势能氢原子的量子理论薛定谔方程能级和轨道薛定谔方程描述了氢原子中电子行为电子占据不同能级，形成原子轨道方程的解给出电子能级和波函数每个能级对应特定轨道形状和能量多电子原子结构电子排布泡利不相容原理洪特规则多电子原子中电子根据能量和角动量量每个原子轨道最多只能容纳两个电子，当多个电子占据能量相同的原子轨道时子数分布在不同电子层和亚层中，形成且自旋方向相反，确保了每个原子轨道，它们会优先占据不同的轨道，且自旋特定的电子排布中的电子具有不同的量子态方向相同，使原子处于最低能量状态分子轨道理论原子轨道线性组合成键与反键轨道12原子轨道线性组合形成分子成键轨道降低能量，促进键轨道，描述电子在整个分子的形成，而反键轨道升高能中的运动量，削弱键的稳定性成键与反键轨道的相对分子轨道图34能量分子轨道图形象地表示了分原子轨道能量越低，形成的子轨道能量和形状，有助于成键轨道能量越低，反之亦理解化学键的本质然化学键的形成共价键离子键原子之间通过共用电子对形成化学键共价金属原子失去电子形成带正电的阳离子，非键可以是单键、双键或三键，取决于共用电金属原子得到电子形成带负电的阴离子，阴子对的数量阳离子之间通过静电吸引力形成离子键氢键金属键氢原子与电负性较强的原子（如氧、氮或氟金属原子之间通过自由电子形成的化学键）形成的共价键。