物理化学简明教程

物理化学是化工类、生物类、环境类等专业的一门专业基础课程，目的在于使学生掌握热力学、动力学、电化学、统计热力学中的普遍规律和实验方法，培养学生的思维能力和创造能力。

物理化学课程涉及的内容繁多，概念抽象，容易混淆，学习和教学均有一定难度。编者在多年的教学工作中注重教学研究和教学改革，积累了一些心得经验，编写了本书，以求与同行交流，在教学上进一步发展。本书以精炼的原则来组织编排内容，注重体现清晰的学习思路，使本书易学易懂。学习物理化学要有较强的总结分析能力，为了使学生掌握物理化学的基本内容，本书将基本概念、基本原理、基本公式置于首要地位，重视内容总结，以思维导图的形式对每章重点内容进行了总结分析，使学生建立完整的知识体系。本书由领小编写，分为10章，内容主要包括热力学定律、热力学第二定律、多组分系统、相平衡、化学平衡、电解质溶液、可逆电池电动势及其应用、电解与极化、化学反应动力学、表面与胶体化学。每章在抽象的物理化学内容中穿插有选择题、计算题等例题，以加深学生对知识的理解与应用。本书内容全面、公式推导过程简练、重点突出，可作为高等学校化学、化工、材料、生物、食品、环境等专业物理化学课程的教科书，也可供师范院校化学、生物专业的师生参考。

限于编者水平及编写时间，书中难免有不妥和疏漏之处，敬请同行和读者批评指正。

编者2021年10月

本书共10章,内容主要包括热力学定律、热力学第二定律、多组分系统、相平衡、化学平衡、电解质溶液、可逆电池电动势及其应用、电解与极化、化学反应动力学、表面与胶体化学。每章附有思维导图对重要内容进行归纳总结，使读者建立完整的知识体系。本书内容全面、推导过程简练、重点突出，可作为高等学校本科化工类、环境类、生物类、食品类等相关专业师生的物理化学基础课教材，也可供从事化工、生物科研等工作的专业人员参考。

本书共10章,内容主要包括热力学第一定律、热力学第二定律、多组分系统、相平衡、化学平衡、电解质溶液、可逆电池电动势及其应用、电解与极化、化学反应动力学、表面与胶体化学。每章附有思维导图对重要内容进行归纳总结，使读者建立完整的知识体系。本书内容全面、推导过程简练、重点突出，可作为高等学校本科化工类、环境类、生物类、食品类等相关专业师生的物理化学基础课教材，也可供从事化工、生物科研等工作的专业人员参考。

领小，内蒙古大学化工学院副教授，研究方向为药物分析、蒙药化学，并承担学院的物理化学教学工作：2003 ～2008年，讲授生命学院的物理化学课程；2008年至今，讲授化学相关专业的物理化学课程。教学过程中注重教学的方式方法完善，出版专著一部，发表教学论文若干篇。

第1章热力学定律1

1.1热力学概述3

1.1.1热力学的基本内容3

1.1.2热力学研究方法的特点3

1.1.3几个基本概念3

1.2热力学定律概述6

1.2.1热功当量与能量守恒定律6

1.2.2热力学定律的文字表述6

1.2.3内能6

1.2.4热力学定律的数学表达式7

1.3准静态过程与可逆过程7

1.3.1准静态过程7

1.3.2可逆过程8

1.4功与途径8

1.4.1体积功8

1.4.2膨胀(或压缩) 过程的体积功9

1.4.3可逆相变化的体积功10

1.5焓11

1.5.1等容热和内能11

1.5.2等压热和焓11

1.6热容12

1.6.1摩尔定容热容CV,m12

1.6.2定压热容Cp和摩尔定压热容Cp,m13

1.6.3热容与温度的关系13

1.7理想气体的内能和焓13

1.7.1盖·吕萨克/焦耳实验13

1.7.2理想气体的Cp与CV的关系15

1.8绝热过程的功和绝热可逆过程方程式16

1.8.1绝热过程的功16

1.8.2理想气体绝热可逆过程方程式16

1.9焦耳/汤姆孙效应——节流膨胀18

1.10热化学基本概念19

1.10.1化学反应的热效应19

1.10.2反应进度20

1.10.3热化学方程式和标准摩尔焓变21

1.11赫斯定律22

1.12几种热效应23

1.12.1标准摩尔生成焓23

1.12.2标准摩尔燃烧焓23

1.12.3标准摩尔离子生成焓24

1.13反应焓与温度的关系——基尔霍夫方程25

第2章热力学第二定律26

2.1自发变化28

2.2热力学第二定律的表述28

2.3卡诺循环与卡诺定理29

2.3.1卡诺循环29

2.3.2热机效率31

2.3.3卡诺定理31

2.4熵的概念32

2.4.1任意可逆循环的热温商32

2.4.2熵的引出33

2.4.3熵的定义33

2.5克劳修斯不等式和熵增加原理34

2.5.1不可逆过程的热温商34

2.5.2克劳修斯不等式34

2.5.3熵增加原理36

2.5.4克劳修斯不等式的意义36

2.6熵变的计算37

2.6.1等温过程的熵变37

2.6.2变温过程的熵变37

2.6.3相变化的熵变38

2.6.4环境的熵变39

2.7熵的物理意义和热力学第三定律的本质40

2.7.1熵的物理意义40

2.7.2热力学第三定律及规定熵40

2.7.3化学反应熵变的计算41

2.8亥姆霍兹自由能和吉布斯自由能41

2.8.1定义新的状态函数的意义41

2.8.2亥姆霍兹自由能41

2.8.3吉布斯自由能42

2.9热力学函数间的重要关系式43

2.9.1热力学的四个基本公式43

2.9.2麦克斯韦关系式45

2.10ΔG的计算46

2.10.1简单状态变化等温过程的ΔG的计算46

2.10.2相变过程的ΔG的计算46

2.10.3化学反应的ΔG的计算48

2.10.4ΔG随温度T的变化48

第3章多组分系统50

3.1多组分体系基础概念及组成的表示法52

3.1.1多组分体系的分类52

3.1.2组成的表示方法52

3.2偏摩尔量53

3.2.1偏摩尔量的定义53

3.2.2偏摩尔量的应用——偏摩尔量的集合公式53

3.2.3吉布斯/杜亥姆公式54

3.3化学势55

3.3.1化学势的定义55

3.3.2多组分体系中热力学的基本公式56

3.3.3化学势在多相平衡中的应用56

3.3.4化学势与温度、压力的关系57

3.4气体物质的化学势58

3.4.1纯理想气体的化学势58

3.4.2混合理想气体的化学势59

3.4.3非理想气体的化学势59

3.5稀溶液的两个经验定律59

3.5.1拉乌尔定律59

3.5.2亨利定律60

3.6理想液态混合物中各组分的化学势60

3.6.1理想液态混合物的定义60

3.6.2理想液态混合物中各组分的化学势61

3.6.3理想液态混合物的通性62

3.7稀溶液中各组分的化学势62

3.7.1稀溶液的定义62

3.7.2稀溶液溶剂化学势的表达式62

3.7.3稀溶液溶质化学势的表达式62

3.8活度、活度因子和实际溶液各组分化学势的表达式63

3.8.1活度和活度因子63

3.8.2实际溶液溶剂化学势的表达式64

3.8.3实际溶液溶质化学势的表达式64

3.9稀溶液的依数性65

3.9.1蒸气压降低65

3.9.2凝固点降低65

3.9.3沸点升高67

3.9.4产生渗透压68

第4章相平衡71

4.1相律73

4.1.1相的概念73

4.1.2相平衡的研究方法74

4.1.3物种数和独立组分数的关系74

4.1.4相律的概念76

4.1.5相律的应用77

4.2单组分体系的相平衡78

4.2.1克拉贝龙方程78

4.2.2克劳修斯/克拉贝龙方程78

4.2.3外压与蒸气压的关系80

4.2.4单组分体系的相图81

4.3二组分体系的相平衡82

4.3.1理想的完全互溶双液系83

4.3.2非理想的完全互溶双液系87

4.3.3部分互溶的双液系89

4.3.4不互溶的双液系91

4.3.5固相不互溶的二组分固液体系92

4.3.6完全互溶固溶体的二组分固液体系99

4.3.7部分互溶固溶体的二组分固液体系100

4.4三组分体系的相平衡102

4.4.1等边三角形坐标102

4.4.2部分互溶的三液体体系103

4.4.3二固体和一液体的水盐体系104

第5章化学平衡106

5.1化学反应平衡的条件108

5.1.1化学反应和平衡态108

5.1.2化学反应的平衡态108

5.1.3化学反应的平衡条件108

5.2化学反应的等温方程式和平衡常数110

5.2.1化学反应的等温方程式110

5.2.2化学反应的平衡常数111

5.2.3化学反应等温方程式判断反应的方向111

5.3标准平衡常数和经验平衡常数112

5.3.1平衡常数与化学方程式的关系112

5.3.2经验平衡常数112

5.4复相化学平衡115

5.4.1复相化学反应115

5.4.2解离压力116

5.5平衡常数的测定和平衡转化率的计算117

5.5.1平衡常数的测定117

5.5.2平衡转化率的计算117

5.6标准生成吉布斯自由能及平衡常数的计算118

5.6.1标准吉布斯自由能的改变量118

5.6.2标准摩尔生成吉布斯自由能118

5.7温度、压力及惰性气体对平衡的影响119

5.7.1平衡常数与温度的关系——范特霍夫方程119

5.7.2压力对化学平衡的影响120

5.7.3惰性气体对化学平衡的影响121

第6章电解质溶液122

6.1电化学的基本概念和基本定律124

6.1.1电化学装置124

6.1.2导体124

6.1.3电解质溶液的导电机理124

6.1.4法拉第定律126

6.1.5离子的电迁移和迁移数130

6.2电导、电导率和摩尔电导率及其应用134

6.2.1电导、电导率和摩尔电导率134

6.2.2电导的测定135

6.2.3电导率、摩尔电导率与浓度的关系136

6.2.4电导测定的应用138

6.3强电解质溶液理论简介139

6.3.1平均活度、平均活度系数和平均质量摩尔浓度139

6.3.2离子强度141

6.3.3德拜/休克尔极限定律141

第7章可逆电池电动势及其应用142

7.1可逆电池和可逆电极144

7.1.1组成可逆电池的必要条件144

7.1.2可逆电极和电极反应144

7.2可逆电池电动势146

7.2.1对消法测定可逆电池电动势146

7.2.2电池的表示方法、电池反应、设计电池146

7.3可逆电池的热力学150

7.4电池电动势测定的应用153

7.4.1判断反应的趋势 153

7.4.2计算难溶盐的活度积等标准平衡常数153

7.4.3计算离子平均活度和平均活度系数154

7.4.4测定pH值154

第8章电解与极化156

8.1理论分解电压和分解电压158

8.1.1理论分解电压158

8.1.2分解电压158

8.2极化159

8.2.1极化的类型159

8.2.2超电势160

8.2.3极化曲线161

8.2.4氢超电势和塔菲尔公式161

8.3电解时电极上的竞争反应163

8.3.1 电解时阴极反应163

8.3.2金属的分离164

8.3.3电解时阳极反应164

8.4金属的腐蚀和防腐164

8.4.1金属的腐蚀164

8.4.2铁锈的组成165

8.4.3腐蚀时阴极的反应165

8.4.4金属的防腐166

8.5化学电源166

8.5.1燃料电池166

8.5.2一次电池167

8.5.3二次电池167

8.5.4锂离子电池167

第9章化学反应动力学168

9.1化学动力学的基本概念170

9.1.1化学动力学的研究对象170

9.1.2化学反应速率170

9.1.3动力学曲线170

9.1.4基元反应和质量作用定律171

9.1.5反应分子数172

9.1.6反应速率方程172

9.1.7反应级数172

9.1.8反应速率常数172

9.1.9反应机理172

9.2简单级数反应173

9.2.1一级反应173

9.2.2二级反应174

9.2.3三级反应176

9.2.4零级反应177

9.2.5n级反应177

9.2.6反应级数的确定178

9.3典型的复杂反应179

9.3.1对峙反应179

9.3.2平行反应180

9.3.3连续反应181

9.3.4复杂反应的近似处理方法182

9.4温度对反应速率的影响183

9.4.1范特霍夫近似规律183

9.4.2阿伦尼乌斯公式183

9.4.3活化能184

9.4.4阿伦尼乌斯公式的应用185

9.4.5活化能的求算187

9.5链反应187

9.6光化学反应190

9.6.1光化学反应基础190

9.6.2光化学定律191

9.6.3量子产率191

9.6.4光化学反应动力学192

9.6.5光化学反应特点192

9.7催化反应动力学193

9.7.1催化剂与催化作用193

9.7.2催化剂的特性193

9.7.3催化剂的组成及其作用194

9.7.4酶催化195

第10章表面与胶体化学197

10.1表面自由能与表面张力199

10.2弯曲表面的附加压力和蒸气压201

10.2.1弯曲表面的附加压力——杨/拉普拉斯公式201

10.2.2毛细管现象202

10.2.3弯曲液面的蒸气压——开尔文公式202

10.3液体界面性质203

10.3.1液体/液体的铺展203

10.3.2溶液表面张力与浓度的关系204

10.3.3溶液表面吸附204

10.4表面活性剂及其作用205

10.4.1表面活性剂分子的结构特点205

10.4.2表面活性剂的分类206

10.4.3表面活性剂的临界胶束浓度206

10.4.4表面活性剂的亲水亲油平衡206

10.4.5表面活性剂的作用206

10.5液/固界面性质207

10.5.1黏附功207

10.5.2浸湿功207

10.5.3铺展系数208

10.5.4润湿作用和接触角208

10.6固体表面吸附209

10.6.1吸附剂和吸附质209

10.6.2吸附量209

10.6.3朗缪尔吸附等温式210

10.6.4物理吸附和化学吸附211

10.6.5吸附热212

10.7气/固相表面催化反应213

10.8分散系统的分类214

10.9溶胶胶粒的结构214

10.10溶胶的力学和光学性质215

10.10.1布朗运动215

10.10.2溶胶的扩散216

10.10.3溶胶的渗透压216

10.10.4溶胶的沉降和沉降平衡216

10.10.5丁达尔效应217

10.11溶胶的电学性质218

10.11.1电泳218

10.11.2电渗219

10.11.3流动电势和沉降电势219

10.12溶胶的稳定性和聚沉作用219

10.12.1影响溶胶稳定性的因素219

10.12.2聚沉作用219

参考文献221

本书共10章,内容主要包括热力学定律、热力学第二定律、多组分系统、相平衡、化学平衡、电解质溶液、可逆电池电动势及其应用、电解与极化、化学反应动力学、表面与胶体化学。每章附有思维导图对重要内容进行归纳总结，使读者建立完整的知识体系。本书内容全面、推导过程简练、重点突出，可作为高等学校本科化工类、环境类、生物类、食品类等相关专业师生的物理化学基础课教材，也可供从事化工、生物科研等工作的专业人员参考。

领小，内蒙古大学化工学院副教授，研究方向为药物分析、蒙药化学，并承担学院的物理化学