给水排水物理化学ppt课件

物理化学 从研究化学现象和物理现象之间的相互联系入手 借助数学和物理学的理论 探求化学变化中具有普遍性的包含宏观到微观的基本规律 平衡规律和速率规律 如何学物理化学听课 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 在总结中提高注重概念 深入思考 及时总结 联系实际 有关课程的几点具体要求 作业笔记到课率 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各种习题解 http en wikipedia org wiki Main Page Interactionsofthermodynamicsystems 问题 将反应 设计为敞开系统 封闭系统 隔离系统 第二节基本概念 一 系统与环境 二 状态和状态函数 状态 系统宏观性质确定时 平衡态 的位置 状态函数 描述系统热力学性质的一些具体宏观参数 如n T p V 是系统的状态性质 1 对单组分封闭体系 系统具有两个独立变量 2 状态函数是状态的单值函数 即全微分性或环积分为零 全微分与状态函数 3 状态函数有广度量和强度量的区别 广度量是物质量的一次齐次函数 它具有加和性 强度量是物质量的零次齐次函数 它无加和性 体积与摩尔体积摩尔量 三 过程 process 与途径 path 当系统和环境间发生物质或能量交换时 系统完成从始态到终态的一系列变化称为过程 完成该过程的方式称为途径 1 从系统内物质 性质变化的属性分类 单纯pVT变化 相变过程 混合过程 如气化 凝固 晶型转变 化学变化过程 2 从系统与环境作用的特征分类 恒温过程 变化过程中 系 初 系 终 T 环 定值 dT 0 始 T 终 为等温过程 T 0 恒压过程 变化过程中p 系 初 p 系 终 p 环 定值 dp 0 始 终 为等压过程 p 0 恒容过程 体积功W 0 绝热过程 Q 0 循环过程 3 状态函数法举例 相变 恒温 恒压 可逆相变 恒压 恒温 可逆相变 一 热 功和内能的概念 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 功 W 除热以外 系统和环境之间传递的一切能量 功也是过程量 2 3热力学第一定律 热力学能 U 系统内部储存的能量 它是状态函数 二 热力学第一定律 认识不会穷尽 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 三 可逆过程和最大功 Inthermodynamics areversibleprocess orreversiblecycleiftheprocessiscyclic isaprocessthatcanbe reversed bymeansofinfinitesimalchangesinsomepropertyofthesystemwithoutlossordissipationofenergy Duetotheseinfinitesimalchanges thesystemisinthermodynamicequilibriumthroughouttheentireprocess Sinceitwouldtakeaninfiniteamountoftimeforthereversibleprocesstofinish perfectlyreversibleprocessesareimpossible However ifthesystemundergoingthechangesrespondsmuchfasterthantheappliedchange thedeviationfromreversibilitymaybenegligible Inareversiblecycle thesystemanditssurroundingswillbeexactlythesameaftereachcycle Analternativedefinitionofareversibleprocessisaprocessthat afterithastakenplace canbereversedandcausesnochangeineitherthesystemoritssurroundings Inthermodynamicterms aprocess takingplace wouldrefertoitstransitionfromitsinitialstatetoitsfinalstate http en wikipedia org wiki Thermodynamic diagramshttp en wikipedia org wiki Heathttp en wikipedia org wiki Work thermodynamics http en wikipedia org wiki Internal energyhttp en wikipedia org wiki Reversible process thermodynamics 课外阅读 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 真空膨胀 自由膨胀 b 反抗恒定外压 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 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 定义 体积不变时进行的过程 压力不变时进行的过程 对化学反应要求温度相等 对物理过程则不一定 焓是广度量的状态函数 1 恒容热 Qv 2 恒压热 Qp 及焓 H 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 气液平衡时 气体称为饱和蒸气压力称为饱和蒸气压p 液体称为饱和液体101 325KPa下的沸点称正常沸点 温度对应于该温度下的饱和蒸气压压力对应于该压力下的沸点 凝固点 物理性质 化学性质完全相同的部分 设计包含可逆相变的可逆过程 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 1 系统温度变化区间分 恒容热容 平均热容 2 系统与环境作用角度分 恒容摩尔热容 恒压摩尔热容 真热容 恒压热容 比恒容热容 比恒压热容 常识 使用时不受恒容 恒压条件的限制 理想气体 凝聚态物质 热容随温度的变化常用经验公式表示 热容有丰富多彩的表达式形式 ChineseJournalofChemicalEngineering 19 3 489 495 2011 CalculationandVerificationfortheThermodynamicDataof3CaO 3Al2O3 CaSO4 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 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 rutile金红石baddeleyite斜锆石 复杂的盖斯定律使用 标准反应热 标准生成热 稳定单质的标准生成焓为零 计算通式 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 四 反应热与温度的关系 基尔霍夫公式 解 根据 一 自发过程是不可逆的 第五节热力学第二定律 2 可逆过程的热温商与熵函数对于可逆热机 卡诺循环 无限小的卡诺循环 p 对任意可逆循环 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 根据Carnot定理 推广到任意循环过程 3 不可逆过程的热温商 热力学第二定律 Clausius不等式含义 3 熵判据 熵增加原理 新系统为孤立系统 三 过程方向的判据 熵增加原理 1 绝热过程 2 孤立系统 1 系统熵变 1 简单pVT过程 四 物理变化中熵变的计算 例 2mol双原子理想气体 由始态T1 400K p1 200kPa经绝热 反抗恒定的环境压力p2 150kPa膨胀到平衡态 求该膨胀过程系统的 S 解 双原子理想气体 过程绝热 代入已知数值 可求得末态温度 2 相变过程熵变的计算 可逆相变 求 不可逆相变 例121mol过冷水在 10 101 325kPa下结冰 求 S Samb及 Siso 已知 水的凝固热及热容如下 解 五 化学变化过程熵变的计算 例求下列反应在500 15K时的标准摩尔反应熵 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 3 焓效应与熵效应 二 吉布斯函数变的计算 1 pVT过程 相变 2 化学反应 方法一 方法二 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 例16p43 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 定义偏摩尔吉布斯函数为化学势 均相多组分体系的Gibbs公式 p47 吉布斯函数判据对此式适用 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 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 压力商规则 其他计算方法 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 红色为教材错误部分 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 S M 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 第六节拉乌尔定律和亨利定律 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 亨利定律注意事项 p75溶质在气相和液相中的分子形态必须相同 若不同则其它形式存在的物质并没计算在亨利定律中 NH3 CO2 压力不大时 亨利定律适用于混合气体的每一组分 亨利定律注意事项 溶质在气相和液相中的分子形态必须相同 若不同则其它形式存在的物质并没计算在亨利定律中 NH3 CO2 压力不大时 亨利定律适用于混合气体的每一组分 p75 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 1 定义 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 水中含盐量电导滴定 应用 第三节可逆电池反应的电势 电池的书写 电池表达式 IUPAC规定1 阳极 正极 在左边 阴极 负极 在右边 有界面的用 表示 液相接界时用 表示 加盐桥的用 表示 3 同一相中的物质用逗号隔开4 物质 化学式 需标明T 不标明指298 15K p 不标明指py 活度及物态 a s l g 5 气体电极和氧化还原电极要写出所依附的惰性电极 通常是铂电极 切记 各化学式及符号的排列顺序要真实反映电池中各种物质的原来接触顺序 电功 最大非体积功 氢电极 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 其他电极1 复合玻璃电极 SiO2 Na2O CaO 2 离子选择性电极 波根多夫 Poggendorf 对消法 三个电池 工作电池标准电池待测电池检流计中无电流通过时 四 电动势的测定与应用 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 第五节电解过程在水处理中的应用 第四章表面现象 气液平衡 气固平衡 固液平衡 液液平衡 固固平衡 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 BACK 第二节表面热力学 高度分散的系统 其吉布斯函数为 BACK 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 G 0 结论 二者均自发 二 液体和气体对固体表面的润湿 在亲水物体表面 气体收缩 液体铺展 在憎水物体表面 气体铺展 液体收缩 接触角互补 应用 选矿 油水分离 BACK 第四节气体在固体表面的吸附 吸附 物质在相界面上浓度发生自动变化的过程 吸附平衡 吸附量 在一定温度下 达到吸附平衡时 单位质量的吸附剂所吸附的被吸附物质的多少 一 物理吸附与化学吸附 物理吸附 固体表面分子与气体分子的吸附力是范德华力 化学吸附 固体表面分子与气体分子的吸附力是化学键 在吸附过程中可有电子转移 原子重排 化学键的破坏和形成等 化学吸附类似于化学反应 二 等温吸附规律 对封闭系统吸附量不仅与吸附剂和被吸附物质的本性有关 还与系统的温度及压力等有关 当吸附剂和吸附质一定时 吸附量可表示为 几种吸附等温线 1 Freundlich吸附公式 吸附量 cm3 gk n是与温度 体系有关的常数 2 Langmuir吸附等温式 假设 1 单分子层吸附 2 被吸附分子之间无相互作用 3 固体表面是均匀的 各处吸附能力相同 4 吸附平衡是动态平衡 这公式称为Langmuir吸附等温式 达到平衡时 吸附与脱附速率相等 BACK 解 根据公式 一溶液的表面张力和表面活性物质 溶液的存在表面张力影响溶液表面张力的物质纯液体的表面张力 在一定压力温度下是定值 溶液表面张力随溶液浓度 NaCl Na2SO4等无机盐醇类 有机酸 醛类 醚类 酯类等表面活性物质 第五节溶液表面 表面活性物质 A 结构 2 非离子型 表面活性剂 1 离子型 阳离子型 阴离子型 两性型 B 类型 二 特洛贝规则 正脂肪酸 醇类 醛类等短烃链的表面活性剂 其同系物的表面张力几乎相等 在稀溶液中 对有机酸或醇类化合物中 每增加一个CH2基 表面张力的降低近似地满足以下规律 欲使表面张力降低一样多 对同系物分子每增加一个CH2基团 溶液的浓度可以减少2 3 BACK 三 吉布斯吸附等温式 物理意义是 在单位面积的表面层中 所含溶质的物质的量与具有相同数量溶剂的本体溶液中所含溶质的物质的量之差值 吉布斯指出一定温度下 溶液表面吸附量与溶液浓度 溶液表面张力的关系 BACK BACK 第五章胶体化学第一节分散系统及其分类 一 分散系的基本概念 一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的体系叫分散系统 被分散的物质称为分散相 另一种连续相的物质 即分散相存在的介质称为分散介质 珍珠 分散系统分类 按分散相粒子大小 BACK 也可依据分散相和分散介质聚集状态的不同分类 按胶体溶液的稳定性分类 憎液溶胶亲液溶胶 憎液溶胶 半径在1nm 100nm之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中 有很大的相界面 易聚沉 是热力学上的不稳定体系 一旦将介质蒸发掉 再加入介质就无法再形成溶胶 是一个不可逆体系 如氢氧化铁溶胶 碘化银溶胶等 这是胶体分散体系中主要研究的内容 形成憎液溶胶的必要条件 1 分散相的溶解度要小 2 还必须有稳定剂存在 否则胶粒易聚结而聚沉 BACK 第二节胶体制备与纯化 纯化 渗析法 电渗析法 BACK 第三节胶体的特性 一 胶体的光学性质 Tyndall效应 乳光效应 本质是光散射 散射强度 在暗室里 将一束聚集的光投射到溶胶上 在与入射光垂直的方向上 可观察到一个发亮的光锥 粒子的直径与波长当粒子粒径 波长时 发生光的反射 当粒子粒径 波长时 发生光的散射不是越大越容易产生丁铎尔效应 2 Rayleigh公式 I 散射光强 I0 入射光强 V 单个粒子的体积 V 单位体积中的粒子数 入射光波长l 观测距离 n1 分散相的折射率 n2 分散介质的折射率 K 常数 BACK 应用 乳光计 浊度计 二 胶体的动力学性质 溶胶中的分散相粒子作不停息的无规则的运动 1 Brown 布朗 运动 Einstein 爱因斯坦 p133 5 3 扩散 有浓度梯度存在时 物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移 2 沉降与沉降平衡 布朗运动 不占优势 占优势 p134 5 8 重力沉降速度 沉降平衡 重力沉降 Perrin公式 BACK 溶胶实验发现 外电场的作用下 固 液两相可发生相对运动反过来 外力作用下 固 液两相相对运动又产生电势差溶胶这种与电势差有关的相对运动称为电动现象 包括 电泳 电渗 流动电势和沉降电势 三 胶体的电学性质 1 电泳在电场的作用下 胶体粒子的定向移动 溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近 而溶胶粒子的质量约为一般离子的1000倍 胶粒所带电荷的数量应是一般离子所带电荷的1000倍 2 电渗 在电场的作用下 溶胶粒子不动 如将其吸附固定于棉花或凝胶等多孔性物质中 而液体介质做定向流动 电场力粒子介质非电场力电泳动静沉降电势电渗静动液流电势 电动 电动 从带刻度的毛细管4上读出数值 BACK 第四节憎液溶胶胶胶团结构 电势 一 胶粒的扩散双电层结构 例1 AgNO3 KI KNO3 AgI 过量的AgNO3作稳定剂胶团的结构表达式 若无相同离子 则首先吸附水化能力较弱的负离子 所以自然界中的胶粒大多带负电 如泥浆水 豆浆等都是负溶胶 胶团构造示意图 若无相同离子 则首先吸附水化能力较弱的负离子 所以自然界中的胶粒大多带负电 如泥浆水 豆浆等都是负溶胶 BACK 二 动电势 电势 要点 由于静电吸引作用和热运动 靠近固体表面的反离子呈扩散状态分布在溶液中 并非整齐地排列在一个平面上 紧靠固体表面过剩的反离子浓度最大 相应的固体表面上的电势 即为热力学电势 古依和查普曼 动电势 可动层至溶液本体间的电势差称为 电势 d 处于等电点的粒子是不带电的 电泳 电渗的速度也必然为零 溶胶非常易于聚沉 电位具有以下几方面的意义 a 胶粒带电程度的标志 值越大 胶粒带电量越大 当 0时 胶粒处于等电状态 在等电状态 紧密层中的反离子电荷等于表面吸附离子的电荷 b 胶粒的带电性质的标志图中 1与 3反号 表明两种状态下胶粒所带电荷的符号相反 c 反映扩散层的厚度 值增大 则扩散层变厚 反之 则扩散层变薄 BACK 聚沉 憎液溶胶中分散相微粒互相聚结构 颗粒变大 进而发生沉淀的现象 加热 辐射或加入电解质皆可导致溶胶的聚沉 三种溶胶聚沉 左 Al OH 3 中 Fe OH 3 右 Cu OH 2 第五节憎液溶胶的聚沉 1 聚沉能力主要取决于于胶体粒子带相反电荷的离子 并近似满足舒尔茨 哈代规则 若反离子的价数为一价二价三价 其聚成值的比为 相当于 相同电荷的离子也有一定影响 价数越高 聚成能力越低 2 同价离子 有感胶离子序 正离子的聚沉能力 负离子的聚沉能力 原因 正离子水化能力强负离子水化能力弱 二 混合电解质对溶胶聚沉的影响对抗现象敏化现象 三 胶体相互作用 将电性相反的溶胶互相混合 也会发生聚沉 与电解质聚沉不同之处在于必须使得两种溶胶的电荷完全中和 才能完全聚沉 四 高分子絮凝剂的应用 高分子化合物对溶胶聚沉和保护作用示意图 相对分子量很大的线型聚合物 可以是离子型的 也可以是非离子型的 如聚丙烯酰胺及其衍生物 BACK 第六节乳状液和泡沫 一 乳状液乳状液 由两种不互溶或部分互溶的液体所形成的粗分散系统 如牛奶 含水石油 炼油厂