物理化学（朱元强）

《物理化学》针对工科专业，遵照*高等学校化学类专业教学指导委员会对化学知识的要求进行编写。重点阐述了物理化学的基本概念和基本理论，同时考虑不同读者的需要，适当介绍了一些与学科发展趋势有关的前沿内容。为便于读者巩固所学到的知识，提高分析问题和解决问题的能力，同时也为了便于自学，书中编入了较多的例题和习题，供读者练习之用。为了便于读者快速了解每一章的内容和减轻读者负担,在书中加入了二维码。通过扫描二维码，读者可以快速了解章节主要内容、拓展例题和习题讲解。全书采用以国际单位制(SI)单位为基础的“中华人民共和国法定计量单位”和国家标准(GB 3100～3102—1993)所规定的符号。全书共10章。内容包括：气体的性质，热力学*定律，热力学第二定律，多组分系统热力学，化学平衡，相平衡，电化学，化学动力学，表面化学和胶体化学。即将与本书配套的教学资源有：多媒体电子课件，网络课程等，形成一套新型的立体教材。本书可作为理、工科本科物理化学课程的教材，也可作为要求较多化学基本知识的理工科非化学类专业的教师、科研工作者的参考书。

朱元强，西南石油大学化学化工学院，副教授，编者长期从事物理化学课程的教学工作，目前负责物理化学和物理化学实验课程的课程建设。主持四川省教改项目一项，参与四川省教改项目一项，作为主编参与编写教材3本。教学研究成果获得四川省教学成果奖三等奖一项，获得西南石油大学教学成果奖一等奖一项、三等奖一项。

第1章气体的性质/1

1.1理想气体状态方程1

1.1.1理想气体状态方程1

1.1.2摩尔气体常数R3

1.1.3理想气体模型4

1.2理想气体混合物4

1.2.1道尔顿定律与分压力4

1.2.2气体分体积定律5

1.3真实气体的状态方程6

1.3.1实际气体的性质6

1.3.2范德华方程7

1.3.3维里（Virial）方程8

1.3.4贝赛罗（Berthelot）方程9

1.3.5R.K（Redlich·Kwong）方程9

1.3.6马丁·侯（Martin·侯虞均）方程9

1.3.7卢嘉锡·田昭武方程10

1.4真实气体的液化与液体的饱和蒸气压10

1.4.1实际气体的液化10

1.4.2超临界流体性质及其应用简述10

1.5对应状态原理与压缩因子图11

1.5.1范德华常数与临界参数的关系11

1.5.2对应状态原理及压缩因子图12

1.5.3压缩因子图应用示例14

习题15

第2章热力学定律/18

2.1热力学基本术语19

2.1.1系统与环境19

2.1.2物质的聚集状态和相19

2.1.3状态和状态函数20

2.1.4热力学平衡态22

2.1.5过程和途径22

2.2热力学定律23

2.2.1热和功23

2.2.2热力学能25

2.2.3热力学定律的表达26

2.3恒容热、恒压热和焓27

2.3.1恒容热27

2.3.2恒压热和焓27

2.3.3恒压热与焓变和恒容热与热力学能变的关系与意义28

2.4焦耳实验和焦耳-汤姆逊实验28

2.4.1焦耳实验28

2.4.2理想气体的热力学能和焓28

2.4.3焦耳-汤姆逊实验29

2.4.4节流膨胀的热力学特征29

2.5摩尔热容30

2.5.1摩尔恒容热容30

2.5.2摩尔恒压热容31

2.5.3摩尔恒压热容与摩尔恒容热容的关系32

2.5.4摩尔恒压热容与温度的关系34

2.5.5平均摩尔热容34

2.6可逆过程与可逆体积功34

2.6.1可逆过程34

2.6.2可逆体积功37

2.7相变焓40

2.7.1相变40

2.7.2摩尔相变焓40

2.7.3摩尔相变焓与温度的关系41

2.8化学反应焓42

2.8.1反应进度42

2.8.2摩尔反应焓43

2.8.3标准摩尔反应焓43

2.8.4标准摩尔反应焓的计算45

2.8.5盖斯定律48

2.8.6非恒温反应热的计算49

习题50

第3章热力学第二定律/55

3.1热力学第二定律56

3.1.1自发过程56

3.1.2热力学第二定律的文字表述56

3.2卡诺循环与卡诺定理57

3.2.1热功转换与热机效率57

3.2.2卡诺循环58

3.2.3卡诺定理及其推论60

3.3熵与克劳修斯不等式60

3.3.1熵的引出60

3.3.2克劳修斯不等式62

3.3.3熵增原理63

3.4熵变的计算63

3.4.1单纯pVT过程熵变的计算63

3.4.2相变过程熵变的计算66

3.4.3化学变化过程熵变的计算68

3.5亥姆霍兹函数和吉布斯函数69

3.5.1亥姆霍兹函数70

3.5.2吉布斯函数71

3.5.3亥姆霍兹函数变和吉布斯函数变的计算72

3.6热力学函数间的基本关系75

3.6.1热力学函数定义式之间的关系75

3.6.2热力学基本方程75

3.6.3对应系数关系式76

3.6.4麦克斯韦关系式77

3.6.5吉布斯函数变随温度和压力的变化78

习题79

第4章多组分系统热力学/84

4.1分散系统及其组成表示方法84

4.1.1分散系统84

4.1.2分散系统的组成表示方法85

4.2偏摩尔量86

4.2.1偏摩尔量的定义86

4.2.2偏摩尔量的集合公式和吉布斯-杜亥姆方程88

4.3化学势89

4.3.1化学势的定义89

4.3.2多相多组分系统的热力学基本方程90

4.3.3化学势判据及其应用91

4.4气体的化学势92

4.4.1理想气体的化学势92

4.4.2真实气体的化学势93

4.5稀溶液的两个经验定律94

4.5.1拉乌尔定律94

4.5.2亨利定律95

4.6理想液态混合物96

4.6.1理想液态混合物96

4.6.2理想液态混合物中各组分的化学势97

4.6.3理想液态混合物的混合性质98

4.7稀溶液中各组分的化学势98

4.7.1稀溶液98

4.7.2稀溶液中溶剂的化学势99

4.7.3稀溶液中溶质的化学势99

4.8化学势在稀溶液中的应用100

4.8.1溶剂蒸气压下降100

4.8.2凝固点降低（析出固态纯溶剂）100

4.8.3沸点升高（溶质不挥发）103

4.8.4渗透压104

4.8.5分配定律106

4.9真实溶液中任一组分的化学势107

4.9.1真实溶液及其特点107

4.9.2真实溶液中任一组分的化学势107

习题108

第5章化学平衡/113

5.1化学反应的方向和限度113

5.1.1化学反应的方向和限度113

5.1.2化学反应等温方程115

5.2化学反应的标准平衡常数115

5.2.1标准平衡常数115

5.2.2标准平衡常数的测定117

5.3不同反应系统平衡常数的表达118

5.3.1气相反应的标准平衡常数118

5.3.2液相反应的标准平衡常数120

5.3.3多相反应的标准平衡常数120

5.4平衡常数与平衡组成的计算121

5.4.1平衡常数的计算121

5.4.2平衡组成的计算123

5.5化学平衡的移动125

5.5.1压力或浓度对化学平衡移动的影响125

5.5.2温度对化学平衡移动的影响126

5.5.3惰性组分对化学平衡移动的影响128

5.5.4原料配比对化学平衡移动的影响129

5.5.5化学平衡移动原理130

5.6同时平衡130

习题131

第6章相平衡/137

6.1相律137

6.1.1基本术语137

6.1.2相律139

6.2单组分系统相图141

6.2.1单组分系统相律依据与图像特征141

6.2.2典型相图举例141

6.2.3克拉佩龙-克劳修斯方程144

6.3二组分液态完全互溶系统的气液平衡相图146

6.3.1完全互溶双液系统146

6.3.2有极值类型的气液平衡相图152

6.4二组分液态完全不互溶系统的气液平衡相图155

6.4.1二组分液态完全不互溶系统的气液平衡相图155

6.4.2水蒸气蒸馏原理155

6.5二组分液态部分互溶系统的液液平衡和气液平衡相图157

6.5.1二组分液态部分互溶系统的液液平衡157

6.5.2二组分液态部分互溶系统的气液平衡相图158

6.6二组分固态完全不互溶系统的固液平衡相图159

6.6.1形成低共熔物混合物系统的相图159

6.6.2形成化合物的固相不互溶系统的相图162

6.7二组分固态完全互溶及部分互溶系统的液固平衡相图164

6.7.1二组分固态完全互溶系统的液固平衡相图164

6.7.2固相部分互溶系统的液固平衡相图165

6.8三组分系统平衡相图167

6.8.1三组分系统组成的等边三角形表示法167

6.8.2三组分系统的液液平衡相图168

习题171

第7章电化学/177

7.1电解质溶液的导电机理及法拉第定律177

7.1.1电解质溶液的导电机理177

7.1.2法拉第定律 178

7.2电导、电导率和摩尔电导率181

7.2.1电导及电导率181

7.2.2摩尔电导率182

7.2.3电导率、摩尔电导率与浓度的关系183

7.2.4离子独立移动定律与离子的摩尔电导率184

7.3离子的迁移数185

7.3.1电迁移率及迁移数185

7.3.2离子迁移数的测定方法187

7.4可逆电池及其电动势的测定188

7.4.1可逆电池188

7.4.2可逆电池电动势的测定191

7.5电化学系统热力学191

7.5.1电池的能斯特方程191

7.5.2电池反应温度系数与电池反应热力学量的关系193

7.6电极电势和液体接界电势194

7.6.1电池电动势产生的机理194

7.6.2标准氢电极和标准电极电势195

7.7电极的种类200

7.7.1类电极200

7.7.2第二类电极201

7.7.3氧化还原电极202

7.7.4原电池设计举例202

7.8分解电压和极化作用204

7.8.1理论分解电压204

7.8.2实际分解电压205

7.8.3电解时的电极反应208

7.9金属的腐蚀与防护208

7.9.1金属的化学腐蚀209

7.9.2金属的电化学腐蚀209

7.9.3金属腐蚀的防护211

习题214

第8章化学动力学/219

8.1化学反应的反应速率及速率方程220

8.1.1反应速率的定义220

8.1.2基元反应和非基元反应221

8.1.3基元反应的速率方程——质量作用定律222

8.1.4化学反应速率方程的一般形式和反应级数223

8.1.5用气体组分的分压表示的速率方程224

8.1.6反应速率的测定224

8.2速率方程的积分形式224

8.2.1零级反应224

8.2.2一级反应225

8.2.3二级反应226

8.2.4三级反应227

8.2.5n级反应228

8.3速率方程的确定229

8.3.1微分法229

8.3.2积分法230

8.3.3半衰期法231

8.3.4隔离法231

8.4温度对反应速率的影响231

8.4.1阿伦尼乌斯公式232

8.4.2活化能233

8.5反应速率理论简介234

8.5.1碰撞理论234

8.5.2过渡状态理论236

8.6典型的复合反应238

8.6.1对峙反应238

8.6.2平行反应239

8.6.3连串反应240

8.7复合反应的近似处理方法241

8.7.1速度控制步骤法242

8.7.2平衡态近似法242

8.7.3稳态近似法243

8.8链反应244

8.9催化作用及其特征246

8.9.1催化作用对反应速率的影响246

8.9.2催化作用的特性247

8.9.3催化剂具有特殊的选择性247

8.9.4酶催化的特性及其应用248

习题249

第9章表面化学/254

9.1比表面、表面吉布斯函数和表面张力254

9.1.1比表面254

9.1.2界面张力255

9.1.3表面功及表面吉布斯函数255

9.1.4影响界面张力的因素256

9.1.5表面热力学257

9.2弯曲液面的附加压力及其后果258

9.2.1弯曲液面的附加压力258

9.2.2毛细现象259

9.2.3弯曲表面上的饱和蒸气压——开尔文公式261

9.3润湿现象263

9.3.1液体对固体表面的润湿作用263

9.3.2液体和气体对固体表面润湿的关系265

9.4气体在固体表面上的吸附265

9.4.1物理吸附和化学吸附266

9.4.2弗里德里希吸附经验式267

9.4.3朗缪尔单分子层吸附理论268

9.4.4BET多分子层理论271

9.5溶液表面的吸附272

9.5.1溶液的表面张力和表面活性物质272

9.5.2表面活性剂274

9.5.3特洛贝规则277

9.5.4吉布斯吸附等温式277

习题279

第10章胶体化学/283

10.1溶胶系统283

10.1.1溶胶的分类283

10.1.2溶胶系统的特征284

10.1.3溶胶溶液的制备285

10.1.4溶胶的纯化285

10.2溶胶的光学性质285

10.2.1丁铎尔效应286

10.2.2瑞利(Rayleigh)公式286

10.3溶胶的动力学性质288

10.3.1布朗运动288

10.3.2扩散运动288

10.3.3沉降和沉降平衡289

10.4溶胶的电学性质290

10.4.1电学现象291

10.4.2双电层理论292

10.4.3溶胶的胶团结构294

10.5溶胶的稳定性与聚沉作用299

10.5.1溶胶的稳定性299

10.5.2溶胶的聚沉299

10.6乳状液和泡沫302

10.6.1乳状液的形成和类型302

10.6.2乳化剂的作用302

10.6.3乳状液类型的鉴定303

10.6.4乳状液的转化和破坏304

10.6.5乳状液的应用304

10.6.6泡沫305

习题305

附录/309

附录1国际单位制309

附录2希腊字母表309

附录3气体的范德华常数310

附录4物质的临界参数311

附录5气体的摩尔定压热容与温度的关系312

附录6物质的部分热力学数据313

附录7水溶液中电解质的平均离子活度因子γ±317

附录8酸性水溶液中电对的标准电极电势318

参考文献/326

 

化学是与人类社会发展关系密切的学科之一，化学正深入地渗透到材料、能源、环境、粮食、人口、资源等领域。为了培养出基础扎实、知识面宽、能力强、素质高的科学研究及工程技术人才，使其具有正确的科学观、社会观和科学的思维方法、创新能力，在高等理工科院校非化学类专业开设《物理化学》课程的重要性是显而易见的。

本教材内容符合*高等学校化学类专业教学指导委员会对非化学类工科专业化学知识的要求，可以适应理工类各专业大学本科物理化学教学的需要。教师可根据不同专业教学计划，选择、优化内容进行教学，其余部分内容可作为大学生自学以拓宽知识面之用。

本书力图通过对气体、热力学定律、热力学第二定律、多组分系统热力学、化学平衡、相平衡、电化学、化学动力学、表面化学和胶体化学的简明阐述，使学生了解物理化学的基本概念、基本原理，理解物理化学学科的知识体系，能够运用物理化学的基本理论、观点和方法去审视并解决科研、工作和生活中的相关问题。

为适应教材建设的时代发展需要，教材中加入了二维码扫码功能，主要包含：章节内容提要、拓展例题和习题参考答案。读者可以通过扫描二维码快速浏览内容提要和参考答案详细信息。

本书是西南石油大学“《物理化学》课程改革与实践研究”的研究成果之一，是西南石油大学《物理化学》课程教学团队全体教师多年教学实践与教学成果的结晶，同时也吸取了许多兄弟院校相关教材的体系和内容。在教材的编写过程中得到了西南石油大学教务处、化学化工学院领导、教研室长期从事物理化学课程教学的教授的关心、支持和帮助。本书的出版得到了西南石油大学教务处和化学工业出版社的大力支持。在此一并致以衷心的感谢。

本书由下列人员合作完成：柯强（第1、6、7章），朱元强（第2～5章及附录），余宗学（第8～10章），全书由朱元强统稿。在本书的编写过程中，参考了相关的物理化学等参考书，在此对这些参考书的编者表示感谢。

由于编者水平有限，学识浅陋，书中难免存在疏漏和不当之处，恳请使用本书的读者批评指正。

编者

2018年5月