石国乐主编给水排水物理化学全套PPT课件.ppt

给水排水物理化学石国乐张凤英主编,中国建筑工业出版社,1、什么是物理化学？,物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手来探求化学变化及相关的物理变化基本规律的一门科学-,物理化学是研究化学学科中的原理和方法,研究化学体系行为最一般规律和理论的学科,是化学的理论基础。-自然科学学科发展战略调研报告-,以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系的特殊规律的学科。-中国大百科全书（唐有棋）-,以物理和数学为基础来研究化学反应、以及伴随化学反应所发生的物理现象。它是集物理、数学和化学于一体的一门学科，是用物理的模型，数学的方法来研究化学问题。,2、物理化学课程的内容,1）化学热力学研究物质变化（pVT变化、相变化、化学变化)的能量效应和变化的方向与限度。宏观层次（大量分子集合体）的规律,2）化学动力学研究各种因素对化学反应速率的影响规律及反应机理。宏观或微观层次（大量分子集合体）的规律,4）统计热力学利用统计方法研究大量微观粒子的平均行为，求算系统的宏观性质。从微观层次到宏观层次，联系量子化学和热力学、动力学的桥梁。,3）量子化学研究微观系统的运动状态。给出物质的性质与微观结构的关系。将量子力学原理应用于化学则构成了量子化学。微观层次（单个分子）的规律,5）界面性质与分散性质当物质以一种以上聚集态共存在时，在不同聚集态（相）间形成界面层。由于界面层上不对称力场的存在，产生了许多与本体相不同的新性质界面性质。将物质分散成细小微粒构成高度分散的物质系统；将一种物质分散在另一种物质之中可形成非均相分散系统。现代物理化学已从体相向表面相迅速发展。,3、如何学好物理化学,听课：注重概念、深入思考、联系实际看书：考前突击对本课程几乎不起作用练习和总结：在练习中掌握，再总结中提高注重概念、深入思考、及时总结、联系实际,4、有关课程的几点具体要求：作业：笔记：到课率：,推荐参考书：物理化学（环境类）李文斌物理化学概念辨析解题方法范崇正等物理化学（上、中、下）胡英主编（华东理工大学）物理化学（上、下册）朱文涛编物理化学中的公式与概念朱文涛编物理化学韩德刚高执棣高盘良（北大）PhysicalChemistryMoorePhysicalChemistry(sixthedition)Atkins物理化学习题解答（上、下册）王文清等编（北大）,第二节基本概念,一、系统(System)与环境(surroundings),系统,环境,客观存在,系统分类（1）敞开体系（2）封闭体系（3）孤立体系,例题：容器中进行如下化学反应：,这是什么体系？界面在什么位置？,如果上述反应是在恒容、绝热，不透光、不导电的容器中进行，它又是什么体系？,二、状态和状态函数,状态：系统宏观性质的总和。,状态函数：描述系统热力学性质的具体宏观参数。如n,T,p,V是系统的状态性质。,对单组分封闭体系，系统具有两个独立变量。,状态函数的性质：,1、只取决于系统状态而与如何获得状态的过程无关，即它为单值函数。,重要应用：设计途径求解热力学问题状态函数法,3、凡是状态函数必须满足全微分。,2、环积分为零，即当系统经一系列变化后回到原来状态时，系统的性质不变。,三、过程与（过程的）途径,当系统和环境间发生物质或能量交换时，系统的性质随之发生变化，此时完成一个过程。,过程的分类,按照系统变化前后的状态差异分类简单物理过程：化学组成、聚集状态不变，只改变温度、压力、体积等参数。复杂物理过程：包括相变、混合等化学过程：包括化学反应。,按照过程本身的特点分类,等温过程等压过程等容过程绝热过程循环过程,区分过程与变化,四、广度量和强度量,广度量：物质的量的一次齐次函数，也称广延性质或容量性质。,强度量：物质的量的零次齐次函数，也称强度性质或内定性质。,T、p、V,气体摩尔体积,第三节热力学第一定律,功（W）：除热以外，系统和环境之间传递的一切能量。热、功都是过程量。,热（Q）：由于系统和环境之间存在的温度差而传递的能量。热是过程量。,一、热、功和内能的概念,内能（U）：系统内部储存的能量，它是状态函数。,二、热力学第一定律,例题：现将下图所示的连通器开关打开，使两种气体混合。若以整个连通器中的气体为体系？则此过程中做功为多少？传热为多少？热力学能的改变量为多少?,热力学第定律，只适用于(A)单纯状状态化(B)相变化(C)化学变化(D)封闭物系的任何变化,关于热和功，下面的说法中，不正确的是(A)功和热只出现于系统状态变化则过程中，只存在于系统和环境间的界面上(B)只有在封闭系统发生的过程中，功和热才有明确的意义(C)功和热不是能量，而是能量传递的两种形式，可称之为被交换的能量(D)在封闭系统中发生的过程中，如果内能不变，则功和热对系统的影响必互相抵消,例题气体吸收4.35kJ的热，在直径为0.25m的活塞中，反抗455kPa的恒外压移动15cm，求热力学能的变化量。,解由题意知,三、可逆过程和最大功,可逆过程：当系统沿原路返回时系统和环境同时恢复到原来的性质的过程。,可逆过程的数学描述：,关于热力学可逆过程，下面的说法中不正确的是(A)可逆过程不一定是循环过程(B)在等温可逆过程中，系统做功时，系统损失的能量最小(C)在等温可逆过程中，环境做功时，系统得到的功最小(D)可逆过程中的任何一个中间态都可从正反两个方向到达,例题将n=2mol的H2气(设为理想气体)，分别经下列三个过程由状态298K、2p变到状态298K、p，请求这三个过程中气体对外界作的功。(a)向具有与气体相同体积的真空中自由膨胀；(b)气体始终对抗恒定外压(p外=p)等温膨胀；(c)气体无摩擦准静态恒温膨胀。,(a)气体向真空膨胀，p外=0，故W=0，气体对外界不做功,平衡态满足的条件：系统内部处于热平衡系统内部处于力平衡系统内部处于相平衡系统内部处于化学平衡可逆过程由一系列连续的平衡态形成。,仅当系统与环境之间存在界面或可以人为划定界面时，才能计算体积功。,四、恒容热，恒压热，焓化学反应热,1、定义,2、与热力学函数的联系和区别,数值虽然相等，但各自属性不变。,凡是在孤立系统中进行的变化，其和的值一定是(A)(B)(C)(D)大于、小于或等于零不能确定,解：题目所示的过程为,例2p11试设计由383K（即110）和101.325kPa，1kg水转变成水气时吸收的热量的计算步骤。,相变是物质的聚集状态发生变化的过程，,温度所对应的饱和蒸气压压力所对应的沸点、凝固点等,如气化、液化、熔化、凝固、升华、凝华、固体晶形转变等。通常相变过程是在等温等压下进行的，且无非体积功存在，故相变热为无非体积功的等压热。,解：根据状态函数性质，设计的过程如下：,*五、热容,使系统升高单位温度所需的热。数学表达式为,1、温度区间的平均热容与真热容,2、热容随温度的变化,3、恒压热容与恒容热容的关系,推导：,4、理想气体恒压热容与恒容热容的关系,考题,例题lmol理想气体在100时由0.025m3恒温可逆膨胀至0.1m3，试计算Q、W、U及H。,解：因为理想气体的内能和焓只是温度的函数，温度不变内能和焓也不变。,第四节热化学,热化学方程式：,2、恒压反应热与恒容反应热的关系,关于焓的性质，下列说法中正确的是(A)焓是系统内含的热能，所以常称它为热焓(B)焓是能量，它遵守热力学第一定律(C)系统的焓值等于内能加体积功(D)焓的增量只与系统的始末态有关,此式适用于哪一个过程：(A)理想气体从101325Pa反抗恒定的压力膨胀到10132.5Pa(B)在0，101325Pa下，冰融化成水(C)电解CuSO4的水溶液(D)气体从(298K,101325Pa)可逆变化到(373K,10132.5Pa),解：反应后出现了气体，且,二、盖斯定律,在恒压或恒容下，化学反应无论是一步完成还是分几步完成，其热效应总是相同。,盖斯定律使用注意点,标准反应热,一定温度下，由各自处于标准态下的反应物生成处于标准态的产物时的焓变，称为标准反应热或称标准反应焓变。,标准生成热,在100kPa和一定温度下，由稳定单质生成1mol化合物B的标准摩尔焓变，称为物质B的标准摩尔生成焓，简称标准生成焓。,稳定单质的标准生成焓为零,2H2(g)+O2(g)2H2O(g),与物质的生成热有关的表述中不正确的是(A)标准状态下单质的生成热都规定为零(B)化合物的生成热一定不为零(C)很多物质的生成热都不能用实验直接测定(D)通常所使用的物质的标准生成热数据实际上都是相对值,标准摩尔反应焓变计算,反应：,2.离子生成热,在100kPa和一定温度下，由稳定单质生成1mol溶液中的离子焓变，称为离子标准摩尔生成焓，简称离子生成焓。,四、反应热与温度的关系（基尔霍夫公式）,分析：设计如下过程,一、自发过程的不可逆性,第五节热力学第二定律,人往高处走水往低处流,2、可逆过程的热温商与熵函数对于可逆热机,可逆循环过程，如图将其分割为若干个可逆热机。,熵是表示系统中微观粒子混乱度的一个热力学函数，其符号为S。系统的混乱度愈大，熵愈大。熵是广度性质的状态函数。熵的变化只与始态、终态有关，而与途径无关。,公式可以理解为，虽然一般地讲，吸热Q不是状态函数，但是可逆吸热与环境温度之比却等于一个状态函数的增量。或者说，虽然Q与途径有关，但是可逆吸热与环境温度之比却与途径无关。,3、不可逆过程的热温商,推广到任意循环过程,热力学第二定律Clausius不等式,封闭系统可逆过程的热温熵等于系统熵变，不可逆过程热温熵小于系统熵变。,3、熵判据熵增加原理,新系统为孤立系统或绝热系统。,三、过程方向的判据熵增加原理,1、绝热过程,2、孤立系统,关于熵的说法正确的是(A)每单位温度的改变所交换的热为熵(D)可逆过程熵变为零(C)不可逆过程熵将增加(D)熵与系统的微观状态数有关,在绝热条件下，迅速推动活塞压缩气筒内空气，此过程的熵变(A)大于零(B)小于零(C)等于零(D)无法确定,一个很大的恒温箱中放着一段电阻丝。短时通电之后，电阻丝的熵变应为何值?(A)大于零(B)小于零(C)等于零(D)不一定,四、物理变化中熵变的计算,1、系统温度变化时熵变的计算,等压过程,等容过程,2、理想气体等温过程的熵变,解：熵是状态函数，所以两过程的熵变相同。,3、相变过程的熵变,解：设计可逆过程如下,单位是Jmol-1K-1,同一物态的物质，其分子中的原子数目或电子数目越多，分子结构越复杂，它的熵值一般也越大。,同一种物质,对气体来说，压力加大时熵值减小；对液体和固体来说，压力改变时对它们的熵值影响不大。,温度升高时，熵值增加。如HCl的,298K,186.8;500K,201.9;1000K,222.8,/Jmol-1K-1,反应：,3、化学反应的熵变,第六节吉布斯函数和赫母赫兹函数,一、吉布斯函数1、定义及其推导：,氢气和氧气在绝热钢瓶中生成水(A)(B)(C)(D),氮气进行绝热可逆膨胀(A)(B)(C)(D),二、吉布斯函数变的计算,反应：,*三、亥母赫兹函数1、定义及其推导：,物理意义：在等温、等容、可逆情况下系统的亥母赫兹函数的减小等于系统所做的最大功。2、亥母赫兹函数判据：,四、热力学函数间的基本关系1、热力学函数之间的关系,2、热力学函数间的基本关系,无非体积功时，,3、对应系数关系,第七节偏摩尔量、化学势,二、化学势及其应用1、化学势的定义,2、化学势的某些应用（1）、相变过程,（2）、化学变化过程,3、理想气体的化学势(1)纯物质的化学势,(2)理想气体的化学势,*5.理想稀溶液,（1）溶剂化学势,（1）溶质化学势,第二章化学平衡和相平衡第一节化学反应等温式和化学反应的方向性,一、化学反应等温式及其应用对任意化学反应：,反应商规则,1、反应的标准吉布斯函数变（,）的计算,三、反应的吉布斯函数变与化合物的标准生成吉布斯函数,*第二节温度对平衡常数的影响等压方程,对于等温等压下的相变或化学反应有：,在等压条件下积分,如果系统中各物质均处于标准状态下,第三节纯物质的两相平衡克劳修斯克拉贝龙方程,一、克拉贝龙方程的推导,二、克劳修斯克拉贝龙方程,相律：研究平衡体系中相数、独立组分数与描述该平衡体系的变数之间的关系。相图：表示多相体系的状态如何随温度、浓度、压力等变量因素变化而改变的图形。,第四节相律和相图,一、名词解释,(2)自由度（独立变量）f：描述体系状态所需的独立变量，这些独立变量在一定范围内变化而不导致体系中相数的变化，即无新相生成或旧相消失。,相数：体系中相的个数。溶液、气体、固体,(3)相律设体系中有S个物种，个相平衡共存。则描述体系相平衡性质的变量有T，p以及每一种物质在个相中的浓度，即,R的求法：R=S-M（SM）S：物种数M：组成物质的化学元素种类数,表示平衡体系中各相组成所需的最少独立物种数,二、单组分系统相图水的相图1、相律分析与相图结构,3.曲线的斜率，冰点,冰点：由液态水转变为固态水的温度点。图中有无数个。,三、水盐二组分系统相图1、相律分析与相图结构,*第五节分配定律及其应用,一、分配定律,二、分配定律应用计算萃取过程的效率,每次用体积VA的萃取A，从含溶质m0、体积VB的溶液B中萃取溶质。,残留在溶液B中的质量,第六节拉乌尔定律和亨利定律,一、拉乌尔定律和理想溶液拉乌尔定律：在一定温度下，稀溶液中溶剂的蒸气压pA等于纯溶剂的蒸气压PA*乘以溶液中溶剂的物质的量分数xA。,理想溶液：若溶液中的任一组分在全浓度范围内严格服从拉乌尔定律的溶液。,二、亨利定律在一定温度下，稀溶液中溶质的蒸汽分压与溶质的物质的量分数成正比。,亨利定律使用注意事项：p75,低压下；稀溶液两相同形；不解离,气体分别适用常数的单位,STP：0，101.325kPa；1mol，V=22.4L0时，在标准压力下近似为STP,第三章电化学,电化学：研究化学现象与电现象之间相互转化的一门学科。研究对象：电化学装置、化学能与电能相互转化的规律。电解质溶液的导电性。环境工程中的应用：电解法处理废水、水质分析与测定。,一.电解质溶液导电机理,a.电极上发生反应阳极氧化反应阴极还原反应+)电池反应b.离子的定向移动,二.法拉第电解定律,第一节电解质溶液的导电机理及法拉第定律,离子的定向迁移速率及其影响因素p80电场强度电场强度越大速度越大。为了比较迁移能力一般使用淌度离子电荷数电荷数越大速度越大。溶液粘度粘度越大速度越小。离子运动受阻。溶液浓度浓度越大速度越小。离子氛影响溶液温度温度越高速度越大。离子运动加速；粘度减小。,第二节电导、电导率、摩尔电导率、电导测定和应用,3、电导的测定及其应用方法原理：平衡电桥法测定电导池的电阻。,电导应用水中含盐量电导滴定,第三节可逆电池反应的电势,电功最大非体积功,Pt,1、氢电极,2、复合玻璃电极(SiO2-Na2O-CaO),3、离子选择性电极,4、甘汞电极,0.2415V,甘汞电极电极电势,饱和溶液饱和甘汞电极,标准甘汞电极,0.2807V,0.3337V,四、电势的测定与应用,单位长度的电压降：待测电池的电动势为：,测定,应用1、pH值电位测定法,2、电位滴定,第四节不可逆电极过程,记录电流数值电压数值,一、分解电压等几个概念,对某种电解质溶液实施电解时，使电解能进行所需的最小电压叫分解电压。分解电压超出原电池电动势的数值叫超电压。,对应于分解电压的两个电极的电极电势叫析出电势。析出电势超出相应电极电势的数值叫超电势。,对电解池：当外加电压到分解电压时，电解开始。对电极：当电极电势达到对应离子的“析出电势”时，电极反应开始。,IR欧姆降浓差极化电化学极化,延迟放电2H+2e=2H延迟复合2H=H2,产生超电压（势）的原因：极化,二、电解产物的析出顺序,阴极反应（还原反应）Mn+ne=M2H+2e=H2,析出电势由高到低,阳极反应（氧化反应）M=Mn+ne2X-=X2+2e,析出电势由低到高,金属在阴极上的超电势除锌(0.02一0.03V)及铁、钻、镍之外，其他的超电势很小，可用理论电极电势代替。,阴极大致规律：H+在K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+的溶液中析出氢气，其余析出金属。,阳极大致归律：含氧酸根一般不放电，一般析出氧气。电解卤化物、硫化物，一般析出卤素、硫。存在可溶解金属，金属溶解。,锌先析出,氯先析出,第五节电解过程在水处理中的应用,第四章表面现象,界面：任意两相的约几个分子厚度的过渡区。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。,表面现象（界面现象）：在界面上所发生的一切物理化学现象。它是由于表面上的分子与内部分子所处的环境不同而导致。,第一节比表面、表面吉布斯函数和表面张力,比表面单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。用S表示。,表面吉布斯函数和表面张力表面张力（）：沿着物体表面，垂直作用于单位长度上的紧缩力。,第二节表面热力学,高度分散的系统，其吉布斯函数为,润湿定义,液体滴到固体上，能在固体表面铺展成一层薄层，习惯上称该固体能被液体润湿；,第三节润湿现象和浮选,一、液体对固体表面的润湿作用,润湿的量度：润湿角（接触角）,在g、l、s三相交界处，g-l界面与l-s界面之间（包含液体）的夹角。,讨论：（1）润湿，900，G90，颗粒不能被水润湿而更多地进入油中；(中)=90，颗粒的亲水亲油性均等；(右)90，颗粒能被水润湿而更多地进入水中。,固体粉末亲水，O/W,固体粉末亲油，W/O,二、乳状液的类型的鉴定：染色法在乳状液中加入少许油溶性或水溶性的染料,在显微镜下观察是内相还是外相被染色.稀释法取少量乳状液滴入水中或油中,若乳状液能在水中稀释即为O/W型;在油中稀释则为W/O型.导电法未加离子型乳化剂时,O/W型导电性比W/O强.,三、乳状液的破坏,破乳过程:分散相的微小液滴首先絮凝成团,但这时仍未完全失去原来各自的独立性;分散相凝聚成更大的液滴,在重力场作用下自动分层.破乳方法:用不能形成牢固膜的表面活性物质代替原来的乳化剂;加入某些能与乳化剂发生化学反应的物质,消除乳化剂的保护作用.加入类型相反的乳化剂也可达到破乳的目的此外,加热,加入高价电解质,加强搅拌,离心分离,以及电泳法等皆可加速分散相的聚结,达到破乳的目的.,泡沫:气体分散在液体或固体中所形成的分散系统.许多大小不等,形状各异的小气泡堆积在一起,气泡之间的隔膜各处厚薄不