第一章物質(zhì)的聚集狀態(tài)

1、第一章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)基本要求1.掌握理想氣體的狀態(tài)方程、分壓定律和分體積定律并熟練地進(jìn)行不同條件下的各種計(jì)算2.掌握實(shí)際氣體的范德華方程的意義并能熟練應(yīng)用于實(shí)際氣體的計(jì)算。3.掌握溶液濃度的各種表示方法并能熟練地進(jìn)行溶液各種濃度的計(jì)算4.掌握稀溶液的依數(shù)性及其應(yīng)用第一章 物質(zhì)的聚集狀態(tài) 物質(zhì)由分子組成，組成物質(zhì)的分子是不停地運(yùn)動(dòng)的，并且分子間存在著相互作用力（引力和斥力）。 溫度升高時(shí)，分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，物質(zhì)的宏觀狀態(tài)就可能發(fā)生變化，由一種聚集狀態(tài)變?yōu)榱硪环N聚集狀態(tài)。 冰 水熔化（固態(tài)）（液態(tài)）水汽氣化（液態(tài)）（氣態(tài)）第一章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)常溫下，物質(zhì)三種可能狀態(tài) 氣體 液體 固體它們都由大

2、量分子（原子、離子）聚集而成。1摩爾的任何物質(zhì)，包含相同數(shù)目的分子，這個(gè)數(shù)目為阿伏加得羅常數(shù)。阿伏加得羅常數(shù)（avogadro constant），用符號(hào)na或l表示，6.021023mol-1。第一章 物質(zhì)的聚集狀態(tài) 當(dāng)溫度足夠高時(shí)，外界提供的能量足以破壞分子中原子核和電子的結(jié)合，氣體就電離成自由電子和正離子，即形成物質(zhì)的第四態(tài)等離子態(tài)。 氣體、液體和等離子態(tài)都可在外力場(chǎng)作用下流動(dòng)，所以也統(tǒng)稱(chēng)為流體 物質(zhì)的第五態(tài)超固態(tài)，壓力達(dá)幾百萬(wàn)大氣壓時(shí)，原子結(jié)構(gòu)被破壞，原子的電子殼層被擠壓到原子核周?chē)?，此時(shí)物質(zhì)密度非常大。1.1 氣體 1.1.1 低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律a.玻意耳定律 在一定溫度下，一定量氣

3、體的體積和其壓力的乘積為一常數(shù)。 pv=常數(shù)或 v 1/p 大多數(shù)氣體只在低壓下能服從玻意耳定律，壓力越高，偏差越大。1.1 氣體 1.1.1 低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律 b. 查理蓋呂薩克定律 一定量的氣體，壓力一定時(shí)，其體積與熱力學(xué)溫度的商為常數(shù)。 v/t=常數(shù)或 v tt：熱力學(xué)溫度，單位為開(kāi)爾文，符號(hào)kt=(273.15+t /)k氣體只有在低壓下才服從查理蓋呂薩克定律1.1 氣體 1.1.1 低壓氣體的經(jīng)驗(yàn)定律c.阿伏加德羅定律 同溫同壓下相同體積的任何氣體含有相同數(shù)目的 ， 即氣體的體積v與物質(zhì)的量n成正比。 v n n: 物質(zhì)的量，單位名稱(chēng)為摩爾，符號(hào)物質(zhì)的量，單位名稱(chēng)為摩爾，符號(hào)mol

4、。分子1.1 氣體 1.1.2 理想氣體的狀態(tài)方程式 rtpvnrtpvmp: 氣體的壓力 （pa)v: 氣體的體積（m3)vm: 氣體的摩爾體積(m3/mol)n: 氣體的物質(zhì)的量(mol)t: 氣體的熱力學(xué)溫度(k)r: 摩爾氣體常數(shù) (8.315jmol-1k-1)人們將任何壓力和溫度下符合理想氣體狀態(tài)方程式的氣體，稱(chēng)為理想氣體。注意單位1.1 氣體 1.1.2 理想氣體的狀態(tài)方程式理想氣體的模型：理想氣體分子之間沒(méi)有相互吸引和排斥，分子本身的體積相對(duì)于氣體所占有體積完全可以忽略。 可近似地看作是理想氣體在壓力趨近于零時(shí)，所有實(shí)際氣體都可以視作理想氣體。低壓、高溫下的氣體1.1 氣體 1

5、.1.2 理想氣體的狀態(tài)方程式理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用：1計(jì)算p、v、t、n中的任意物理量,應(yīng)用于溫度不太低，壓力不太高的真實(shí)氣體。2氣體摩爾質(zhì)量的計(jì)算。3氣體密度的計(jì)算。 例：丁烷c4h10是一種易液化的氣體燃料，計(jì)算在23，90.6kpa下，丁烷氣體的密度。pvnrt m / vpvmrtm rtpm 2.14g l11.1 氣體 1.1.3 混合理想氣體1 分壓定律組分氣體： 理想氣體混合物中每一種氣體叫做組分氣體。分壓： 組分氣體b在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓力，叫做組分氣體b的分壓。vrtnpbb1.1 氣體 1.1.3 混合理想氣體1 分壓定律 混合氣體的總壓等于混

6、合氣體中各組分氣體分壓之和。 p = p1 + p2 + 或 p = pb 混合氣體總的物質(zhì)的量為混合氣體總的物質(zhì)的量為：1.1 氣體 1.1.3 混合理想氣體1 分壓定律 例題：某容器中含有nh3、o2 、n2等氣體 的 混 合 物 。 取 樣 分 析 后 ， 其 中n(nh3)=0.320mol，n(o2)=0.180mol，n(n2)=0.700mol?；旌蠚怏w的總壓p=133.0kpa。試計(jì)算各組分氣體的分壓。解：n= n(nh3)+n(o2)+n(n2)=1.200mol=0.320mol+0.180mol+0.700mol35.5kpakpa0 .133200. 1320. 0pn

7、np33nh)nh(p(n2)= p- p(nh3) - p(o2) =(133.0-35.5-20.0)kpa =77.5kpapnnp)o()o(2220.0kpakpa5 .35320. 0180. 01.1 氣體 1.1.3 混合理想氣體1 分體積定律prtnvbb分體積： 混合氣體中某一組分b的分體積vb是該組份單獨(dú)存在并具有與混合氣體相同溫度和壓力時(shí)所占有的體積。1.1 氣體 1.1.3 混合理想氣體1 分體積定律1.1 氣體 1.1.4 實(shí)際氣體1.2 液體1.2.1 液體的微觀結(jié)構(gòu) “近程有序而遠(yuǎn)程無(wú)序” 在短暫的時(shí)間內(nèi)液體分子在很小的區(qū)域內(nèi)排列 是有規(guī)則的，但這些小區(qū)域不是固

8、定不變的，隨時(shí)在 變化。 液體分子的運(yùn)動(dòng)情況與固體類(lèi)似，在平衡位置 附近振動(dòng)，還可以做平動(dòng)運(yùn)動(dòng)，液體分子的平衡位 置不是固定的，因此它有流動(dòng)性。 液晶 1.2 液體 1.2.2 液體的蒸氣壓與液體的沸點(diǎn) 在一定溫度下，液體置于密閉容器中，當(dāng)液體的 蒸發(fā)速率等于蒸氣的凝結(jié)速率時(shí)，該液體和它的蒸氣 處于平衡狀態(tài)。此時(shí)蒸氣所具有的壓力稱(chēng)為該溫度下 的飽和蒸氣壓，簡(jiǎn)稱(chēng)蒸氣壓，單位為pa或kpa。 隨著溫度的升高，飽和蒸氣壓必然增大。當(dāng)溫度升 到使液體蒸氣壓等于外界壓力時(shí)，液體就會(huì) ， 此時(shí)的溫度稱(chēng)為該液體的沸點(diǎn)。 提到沸點(diǎn)，必須同時(shí)指明 ，習(xí)慣上將外界 壓力等于101.325kpa時(shí)的沸點(diǎn)稱(chēng)為正常沸點(diǎn)

9、。 外界壓力沸騰1.3 溶液 一種物質(zhì)以分子、原子或離子狀態(tài)分散于另一種物質(zhì)中所構(gòu)成的均勻而又穩(wěn)定的體系叫溶液。溶液分為氣態(tài)溶液、液態(tài)溶液、固態(tài)溶液，通常不加說(shuō)明的溶液是指液態(tài)溶液。 液態(tài)溶液按組成的溶質(zhì)與溶劑的狀態(tài)可分為三種類(lèi)型：氣態(tài)物質(zhì)與液態(tài)物質(zhì)組成的溶液，常把液態(tài)物質(zhì)看成 ，氣態(tài)物質(zhì)看成 ；固態(tài)物質(zhì)與液態(tài)物質(zhì)組成的溶液，常把液態(tài)物質(zhì)看成溶劑，固態(tài)物質(zhì)看成溶質(zhì)；液態(tài)物質(zhì)與液態(tài)物質(zhì)組成的溶液，常把含量較多的組分稱(chēng)為溶劑，含量較少的稱(chēng)為溶質(zhì)。 溶劑溶質(zhì)1.3 溶液 1.3.1 溶液濃度的表示方法1.3 溶液 1.3.1 溶液濃度的表示方法1.3 溶液 1.3.1 溶液濃度的表示方法1.3 溶液

10、 1.3.1 溶液濃度的表示方法1.3 溶液 1.3.1 溶液濃度的表示方法(5)物質(zhì)b的摩爾比，符號(hào)rb。 rb=xb/(1-xb)溶質(zhì)b的物質(zhì)的量與溶劑的物質(zhì)的量之比。(6)物質(zhì)b的質(zhì)量濃度，符號(hào)b。溶質(zhì)b的質(zhì)量除以溶液的體積。kgm-3，或kgl-1 1.3.2 非電解質(zhì)稀溶液的非電解質(zhì)稀溶液的依數(shù)性依數(shù)性 與溶液有關(guān)的性質(zhì)分為兩類(lèi)：與溶液有關(guān)的性質(zhì)分為兩類(lèi)： 溶液的顏色、比重、導(dǎo)電性等性質(zhì)，溶液的顏色、比重、導(dǎo)電性等性質(zhì)，各種溶液各有其特性，各種溶液各有其特性，與溶質(zhì)的本性有關(guān)與溶質(zhì)的本性有關(guān)；溶液的蒸氣壓、沸點(diǎn)、凝固；溶液的蒸氣壓、沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)等性質(zhì)，點(diǎn)等性質(zhì)，與溶質(zhì)的本性無(wú)關(guān)與溶質(zhì)

11、的本性無(wú)關(guān)，是一般稀溶液所共有的是一般稀溶液所共有的. . 這類(lèi)性質(zhì)與濃度有關(guān)，或者是與溶液中的這類(lèi)性質(zhì)與濃度有關(guān)，或者是與溶液中的“粒子數(shù)粒子數(shù)”有關(guān)，而與溶質(zhì)的有關(guān)，而與溶質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)性質(zhì)無(wú)關(guān). . ostwald ostwald 稱(chēng)其為稱(chēng)其為“依數(shù)性依數(shù)性” ” . . 這里是非常強(qiáng)調(diào)溶液是這里是非常強(qiáng)調(diào)溶液是“難難揮發(fā)的揮發(fā)的”，“非電解質(zhì)的非電解質(zhì)的”和和“稀的稀的”這幾個(gè)定語(yǔ)的這幾個(gè)定語(yǔ)的. . 溶液的幾種性質(zhì)與水的比較溶液的幾種性質(zhì)與水的比較 物質(zhì) tb / tf / 純水 100.00 0.00 0.5molkg -1糖水 100.27 -0.93 0.5molkg -1尿素水

12、溶液 100.24 -0.94 溶液里的蒸氣壓下降溶液里的蒸氣壓下降 （lowering of the vapor pressure of the solvent） 溶液蒸氣壓下降實(shí)驗(yàn)溶液蒸氣壓下降實(shí)驗(yàn) 在液體中加入任何一種難揮發(fā)的物質(zhì)時(shí)，液體的蒸氣壓便下在液體中加入任何一種難揮發(fā)的物質(zhì)時(shí)，液體的蒸氣壓便下降，在同一溫度下，純?nèi)軇┱魵鈮号c溶液蒸氣壓之差，稱(chēng)為溶液降，在同一溫度下，純?nèi)軇┱魵鈮号c溶液蒸氣壓之差，稱(chēng)為溶液的蒸氣壓下降（的蒸氣壓下降（ p）. 實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：為什么溶液的蒸氣壓會(huì)下降？為什么溶液的蒸氣壓會(huì)下降？ 當(dāng)溶質(zhì)分散于溶劑當(dāng)溶質(zhì)分散于溶劑之中，溶液表面的之中，溶液表面的部分位置，被

13、溶質(zhì)部分位置，被溶質(zhì)分子所占據(jù)，使得分子所占據(jù)，使得單位表面所能逸出單位表面所能逸出的溶劑的分子個(gè)數(shù)的溶劑的分子個(gè)數(shù)減少，因此溶液蒸減少，因此溶液蒸氣壓較之純?nèi)軇┯袣鈮狠^之純?nèi)軇┯兴档?。所降底。拉烏爾定律拉烏爾定律（raoults law） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在一定溫度下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在一定溫度下，稀溶液稀溶液的蒸氣壓的蒸氣壓p1等于等于純?nèi)軇┑恼魵鈮杭內(nèi)軇┑恼魵鈮簆1*乘以乘以溶劑溶劑在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)x1，即，即p1=p1*x1p1*p1=p1*x2沸點(diǎn)升高沸點(diǎn)升高 當(dāng)溶液的蒸氣壓下降，要使其沸騰，即蒸氣壓達(dá)到當(dāng)溶液的蒸氣壓下降，要使其沸騰，即蒸氣壓達(dá)到外界壓力，就必須使

14、其溫度外界壓力，就必須使其溫度 ，達(dá)到新的沸點(diǎn)，達(dá)到新的沸點(diǎn)，才能沸騰才能沸騰. . 這叫稀溶液的沸點(diǎn)升高這叫稀溶液的沸點(diǎn)升高. . 溶液越濃，其溶液越濃，其 p p 越大，越大， t tb b 越大，即越大，即 t tb b p p，則則蒸氣壓下降引起的直接后果之一蒸氣壓下降引起的直接后果之一 k kb b為沸點(diǎn)升高常數(shù)，為沸點(diǎn)升高常數(shù)，單位為單位為kkgmol-1，與溶劑的摩與溶劑的摩爾質(zhì)量、沸點(diǎn)、氣化熱有關(guān)，可由理論推算，也可由實(shí)爾質(zhì)量、沸點(diǎn)、氣化熱有關(guān)，可由理論推算，也可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定驗(yàn)測(cè)定. . b bb b為溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度為溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度. .tb=kbbb繼續(xù)升高繼續(xù)升高蒸氣

15、壓下降引起的直接后果之二蒸氣壓下降引起的直接后果之二 凝固點(diǎn)下降凝固點(diǎn)下降 凝固點(diǎn)定義：當(dāng)某一液體的蒸氣壓等于固體蒸氣壓時(shí)，液體就會(huì)凝固，此時(shí)的溫度稱(chēng)為該液體的凝固點(diǎn)。 凝固點(diǎn)下降原因凝固點(diǎn)下降原因：由于溶液的蒸氣壓下降，必須降低溫度，才能使固相純?nèi)軇┑恼魵鈮号c溶液中的蒸氣壓相等，此時(shí)的溫度就是溶液的凝固點(diǎn)。 數(shù)學(xué)表達(dá)式為：t tf kfbb k為溶劑凝固點(diǎn)下降常數(shù)，單位為kkgmol-1。 bb為溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度. k kf f與與k kb b一樣只與溶劑及濃度有關(guān)，而與溶質(zhì)無(wú)關(guān)。一樣只與溶劑及濃度有關(guān)，而與溶質(zhì)無(wú)關(guān)。 滲透壓滲透壓（osmotic pressure）蒸氣壓下降引起的直接后

16、果之三蒸氣壓下降引起的直接后果之三溶劑分子從一個(gè)液相通過(guò)半透膜向另一個(gè)液相擴(kuò)散的過(guò)程叫滲透溶劑分子從一個(gè)液相通過(guò)半透膜向另一個(gè)液相擴(kuò)散的過(guò)程叫滲透。達(dá)到了滲透平衡時(shí)，半透膜兩邊的水位差所表示的靜水壓就稱(chēng)為達(dá)到了滲透平衡時(shí)，半透膜兩邊的水位差所表示的靜水壓就稱(chēng)為稱(chēng)為該溶液的滲透壓。稱(chēng)為該溶液的滲透壓。 滲透壓滲透壓（osmotic pressure）蒸氣壓下降引起的直接后果之三蒸氣壓下降引起的直接后果之三 若在溶液液面上施加一定的外壓可阻止?jié)B透進(jìn)行，外壓等于若在溶液液面上施加一定的外壓可阻止?jié)B透進(jìn)行，外壓等于滲透壓時(shí)兩液面持平。外壓大于滲透壓則水分子由溶液向純?nèi)軡B透壓時(shí)兩液面持平。外壓大于滲透壓

17、則水分子由溶液向純?nèi)軇U(kuò)散，純?nèi)軇┮好嫔仙?，產(chǎn)生反滲透現(xiàn)象。劑擴(kuò)散，純?nèi)軇┮好嫔仙?，產(chǎn)生反滲透現(xiàn)象。1886年荷蘭物理學(xué)家范托夫（vant hoff）總結(jié)得出：“稀溶液的滲透壓與溶液的濃度和溫度的關(guān)系同理想氣體狀態(tài)方程式一致”，即v=nbrt =cbrt式中，是滲透壓，v是溶液體積，nb是溶質(zhì)物質(zhì)的量（mol），cb是濃度，r是氣體常數(shù)，t是絕對(duì)溫度。從上面的式子可以看出，在一定條件下，難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的滲透壓與溶液中溶質(zhì)的濃度成正比，而與溶質(zhì)本性無(wú)關(guān)。例14 1l溶液中含5.0g馬的血紅素，在298k時(shí)測(cè)得溶液的滲透壓為1.82102pa，求馬的血紅素的摩爾質(zhì)量。 稀溶液的依數(shù)性 非揮發(fā)

18、性、非電解質(zhì)溶質(zhì)的二組分稀溶液的蒸氣壓降低、沸點(diǎn)升高、凝固點(diǎn)下降及滲透壓等，在指定溶劑的種類(lèi)和數(shù)量后，僅取決于溶質(zhì)分子的數(shù)目，而與溶質(zhì)的本性無(wú)關(guān)。所以稀溶液的這些性質(zhì)被稱(chēng)為稀溶液的依數(shù)性，這是溶液的重要性質(zhì)之一。 問(wèn)題：為什么鹽堿地難以生長(zhǎng)農(nóng)作物？1.4 氣體的液化 1.4 氣體的液化實(shí)際氣體的等溫線 氣體會(huì)變成液體，稱(chēng)為氣體的液化。降低溫度或增加壓力， 1.4 氣體的液化實(shí)際氣體的等溫線 氣體能夠液化的最高溫度稱(chēng)為該氣體的臨界溫度tc 。高于臨界溫度時(shí)，無(wú)論施加多大壓力也不會(huì)使之液化。 在臨界溫度下使氣體液化所需的最低壓 力稱(chēng)為臨界壓力pc。 在臨界溫度和臨界壓力下，氣體所占有的體積稱(chēng)為臨界體積vc，對(duì)于1摩爾的氣體，則稱(chēng)為臨界摩爾體積vmc 溫度和壓力均處于臨界點(diǎn)以上的氣體稱(chēng)為超臨界流體。總 結(jié)理想氣體的狀態(tài)方程：pv=