氣體液體和溶液

關于氣體液體和溶液第1頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三§1.ThepropertiesofGases忽略分子之間的作用力和分子本身的體積一、理想氣體（IdealGases）壓力不太高，溫度不太低的實際氣體可看作理想氣體氣體的基本特征:擴散性和可壓縮性2.1、理想氣體定律(TheIdealGasLaw)

波義耳定律:PV=常數(shù)（n，T一定）查理-蓋·呂薩克定律:

V/T=常數(shù)（n，P一定）阿伏加徳羅定律:V/n=常數(shù)（T，P一定）二、理想氣體性質

第2頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三1)理想或接近理想（溫度，壓力）2)只適用于完全封閉的氣體

R=PV/nT=PVm/T

=101.325×103Pa×22.414

×10-3m3/273.15K

=8.314J·mol－1·K－1注意點：=0.082L·atm·mol－1K-1

3)R的取值隨壓力單位的變化而不同*理想氣體定律應用P—V—T—n(m,M,ρ)第3頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三Sample：AsampleofCH4wasslowlyheatedataconstantpressureof0.9atm.Thevolumeofthegaswasmeasuredataseriesofdifferenttemperaturesandaplotofvolumevs.temperaturewasconstructed.Theslopeofthelinewas2.88×10-4L/K.WhatisthemassofthesampleofCH4?第4頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三應用實例：測分子量a.蒸氣密度法測某種易揮發(fā)的液體的相對分子質量由于已知P、R、T，所以必須求V和m忽略第5頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三b.極限密度法:蒸氣密度法的改進外推P→0時，第6頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.2、分壓定律(Doltons’lawofpracticalpressure)組分氣體：氣體混合物中每一種氣體。分壓：組分氣體A在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時所產(chǎn)生的壓力，叫做組分氣體A的分壓。分壓定律：混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體分壓之和。P=P1+P2+或P

=

Pi

P總V=n總RT=(n1+n2+……+ni)RT=P1V+P2V+……+PiV=(P1+p2+……+Pi)VP總=Σpi=P1+p2+……+Pi同時由于PiV=niRT；P總V=n總RT

(摩爾分數(shù))證明:第7頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三例題：

V=2dm3,O2:

0.20mol,H2:0.50mol,Ar:0.10molT=300K,O2+2H2→2H2O(l)求反應前后各氣體的分壓以及總壓。(T=300K時PH2O=0.035atm）解：

反應前：反應后：

2H2+O2=2H2OAr0.500.2000.100.1000.40(l)0.10注意:在該溫度下，2dm3

體積的H2O(g)計算得0.002846mol,若O2為0.001mol，生成H2O0.002mol,則水將完全氣化,P就不是P飽和。第8頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.3、分體積定律（Amagat’sLawofPartialVolumes）V總＝V1+V2+V3+…＝

Vi=V總Xi分體積:混合氣體中某一組分B的分體積VB是該組份單獨存在并具有與混合氣體相同溫度和壓力時所占有的體積。分體積定律：當溫度、壓力相同時，混合氣體的總體積等于各組分分體積之和。注意：對混合氣體體系，分體積和分壓不能同時代入理想氣體方程第9頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.4、格拉罕姆擴散定律（Graham’slawofeffusion）

在恒壓條件下，某一溫度下氣體的擴散速率與其密度（或摩爾質量）的平方根成反比(實驗定律)表達式：應用:1)測定未知氣體的分子量（或原子量）例：WhatisthemolecularformulaofacompoundofempiricalformulaCHthatdiffuse1.246moreslowlythanKrypton(MW=83.8)atthesametemperatureandpressure.

第10頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

2)可以分離同位素isotope從鈾礦制備分離235U,利用UF6不同的擴散速率差別很小，需非常多級分離氣體擴散串聯(lián)示意圖設計了3000級，耗資8億美元第11頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三基本假設:

A.氣體分子是質點

三、氣體分子運動論(KineticMolecularTheory)

C.氣體分子做彈性碰撞J.C.Maxwell、L.Boltzmann、R.ClausiusB.氣體分子不斷地作高速無規(guī)則運動推導過程：單位時間動量改變量：壓強：總壓強：第12頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三定義：稱為均方根速率

熱力學溫度:大量分子無規(guī)則運動的平均動能有關;熱:大量分子的混亂運動或無序運動格林漢姆擴散定律K:波爾茲曼常數(shù)P,T分子運動橋梁氣體分子運動論意義:**例題:求在0?C時氫分子的速度第13頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三四、氣體分子速度分布與能量分布（Distributionofgasmolecularspeedsandenergy)a.速度分布b.能量分布波爾茲曼因子

能量大于和等于E0的所有分子的分數(shù)：第14頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三五、實際氣體定律(TheRealGasLaw)1.實際氣體與理想氣體的偏差:1mol氣體的PV/RT~p曲線1molN2的PV/RT~p曲線（不同溫度）氣體分子間作用力與距離的關系第15頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三2.實際氣體狀態(tài)方程（vanderwaalsequation）2.分子間的引力兩點修正:a,b

稱為vanderWaal’sconstant(Vreal-nb)=Videal等于氣體分子運動的自由空間1.

分子自身的體積分子間吸引力正比于(n/V)2

內壓力P′=a(n/V)2

Pideal=Preal+a(n/Vreal)2第16頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三表某些氣體的VanderWaals常數(shù)第17頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三例題：分別按理想氣體狀態(tài)方程和vanderwaals方程計算1.50molSO2在30攝氏度占有20.0L體積時的壓力，并比較兩者的相對誤差。如果體積減少為2.00L，其相對誤差又如何？已知a=0.6803Pa·m6

·mol-2，

b=0.563610-4m3

·mol-1解：已知：T=303K，V=20.0L，n=1.50mol思考題：范德華實際氣體狀態(tài)方程的適用范圍？

第18頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

五、氣體的液化和臨界狀態(tài)(criticalstate)液化的方法：降溫、加壓臨界溫度：加壓下氣體能夠液化的最高溫度；臨界壓強：臨界溫度時，使氣體液化的最低壓強；臨界體積：臨界溫度和臨界壓強下，1mol氣態(tài)物質占有的體積。熔沸點低的物質，臨界溫度也低物質tc(oC)Pc(106Pa)c(g/ml)氨132.411.2760.235CO-140.243.49850.301CO231.047.3760.468HCl51.58.30820.45H2O373.0922.0470.32NO-93.06.48440.52SO2157.67.88370.525Na2300.035.4620.198Ar-122.44.87340.533Cl2144.07.70030.573H2-240.171.29280.0314N2-147.03.39420.313O2-118.575.04260.436第19頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三一、液體的結構（structureofliquids）§2.液體（Liquid）液體結構特點:處于完全混亂的氣體狀態(tài)和完全有序的固體狀態(tài)之間液體特性：粘度，表面張力，凝固點，沸點，飽和蒸氣壓（簡稱為蒸汽壓）近程有序遠程無序第20頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

二、液體的蒸氣壓(Vaporpressureofliquid)1、蒸發(fā)過程

1）蒸發(fā):液體氣化的一種方式2）蒸發(fā)熱(焓):在恒定的溫度和壓力條件下，1mol液體蒸發(fā)變?yōu)檎魵馑盏臒崃?．液體的飽和蒸氣壓（簡稱蒸氣壓）

3）蒸氣壓只與液體本質和溫度有關.

1）2）蒸氣壓：一定溫度下與液體平衡的飽和蒸氣所具有的壓力。蒸氣壓vs溫度第21頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三Clusius---ClapeyronequationApplicationofClusius-Clapeyronequation1、求蒸發(fā)熱2、已知蒸發(fā)熱和一個溫度下的壓強，求另一個溫度下的壓強第22頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三例題：25℃

時，0.100mol液態(tài)苯在一個可通過提高活塞而改變的容器中蒸發(fā)（蒸氣壓為12.3kPa),試求（1）體積增加至何值時液體恰巧消失？（2）體積為12.0dm3

和30.0dm3

時，苯蒸氣壓分別是多少？（3）1atm,4dm3空氣緩慢地鼓泡通過足量的苯中，苯將損失多少克？解：（1）V=nRT/P=20.1dm3（2）12.0dm3:氣壓為12.3kPa.30.0dm3:

P1V1=P2V2P2=P1V1/V2=8.24kPa（3）P總=P空氣＋P苯P空氣=89kPa

這時，4dm3空氣體積變?yōu)?/p>

V=(101.3×4)/89=4.55dm3,也是苯蒸氣的體積由PV=nRT=mRT/M得：m=PVM/RT=1.76g第23頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三三、超臨界流體（supercriticalfluid)當T＞Tc，P＞Pc時的流體稱為超臨界流體超臨界流體兼有液體和氣體的雙重特性，擴散系數(shù)大，粘度小，滲透性好，與液體溶劑相比，可以更快地完成傳質，達到平衡，促進高效分離過程的實現(xiàn)

第24頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

§3.溶液及其性質（propertiesofsolution）一、基本概念（Basicconcepts)根據(jù)分散相直徑分類：d<1nm溶液d=1～100nm溶膠d>100nm懸濁液、乳濁液。1、分散系（dispersionsystem)：一種或幾種物質的質點分散在另一種物質的質點中所形成的體系

分散相

(dispersionphase)：被分散的物質分散介質(dispersionmedium):容納分散相的物質分散相─溶質(solute)分散介質─溶劑(solvent)。2、溶液(Solution):一種物質以分子、原子或離子狀態(tài)分散于另一種物質中所構成的均勻而又穩(wěn)定的體系.第25頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三二、溶液的濃度表示法1、質量分數(shù)(massfraction,masspercentage)

（w）

：2、摩爾分數(shù)(Molefraction)

（xi）:

=ni/n=molesofsolute/molesofallcomponentsppm(partspermillion)，ppb(partsperbillion)3、體積物質的量濃度(Molarity)

（cB）：

cB

=molesofsolute/litersofsolution4、質量物質的量濃度

(Molality)（mB）

：

mB

=molesofsolute/kilogramsofsolvent當溶液很稀時，ρ=1，所以1kg溶劑近似看作1L溶液，則cB

≈mB

各種濃度之間的換算（Unitsexchange）第26頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三三、溶解度原理（principleofsolubility)1、溶解過程是物理化學過程。2、溶解度（solubility）:每100g溶劑中所能溶解的溶質的最大質量3．溶解平衡是動態(tài)平衡(dynamicequilibrium)。4．影響溶解度的內因：“相似相溶”溶質和溶劑在結構或極性上相似**液—液相溶：

**固—液溶解：

極性與極性，非極性與非極性易溶離子化合物復雜類似結構的化合物熔點低的易溶**氣—液溶解：

高沸點氣體溶解度大；氣體在近似分子間力溶劑溶解度大物質熔點(℃)在苯中的溶解度(x)蒽2180.008菲1000.21萘800.26聯(lián)二苯690.39第27頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

5、影響溶解度的外因:

溫度和壓力溫度:

壓力:壓強增大時，對固體、液體溶解度變化不大，固體：若溶解過程是吸熱，則升溫溶解度增大

液體：溫度升高，溶解度增大氣體：溫度升高，溶解度降低

氣體溶解定律---Hernry’sLaw在一定溫度和一定體積的液體中，所溶解的氣體質量與該氣體的分壓成正比數(shù)學表達式：kH=p/x

kH：Henry’sconstantP：被溶解氣體的分壓（以mmHg為單位）X：溶解的氣體在溶液中所占的物質的量分數(shù)。只適用于溶解度小、不與溶劑相互作用的氣體第28頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三由亨利定律∴SampleExercise：20℃時，氧氣溶解在水中的亨利定律常數(shù)為2.95×107mmHg，在通常大氣中，氧分壓為0.21atm，此時有多少摩爾氧氣溶在1000g水中？解:第29頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三6、溶解度原理的應用：

1）利用不同溶質在同一溶質溶劑中的溶解度的差別來分離物質固液體系：

分級結晶（重結晶recrystalline）液液體系：

萃取氣液體系：

2）利用溶解度差異來制備材料、生長單晶等高溫區(qū)低溫區(qū)第30頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三

四.非電解質稀溶液的依數(shù)性(colligativeproperties)依數(shù)性:與微粒個數(shù)有關的性質，與溶質種類無關1．溶液的蒸氣壓降低（Loweringthevaporpressure）──稀溶液依數(shù)性的核心Raoult定律：一定溫度下，稀溶液的蒸氣壓等于純溶劑的蒸氣壓與溶劑的摩爾分數(shù)相乘;或者說蒸氣壓的下降等于純溶劑的蒸氣壓乘以溶質的摩爾分數(shù)。（溶質不揮發(fā)）

對于稀溶液∴∴第31頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三Raoul定律實驗圖

兩種易揮發(fā)的物質互溶時，若在理想狀態(tài)下，符合拉烏爾定律:反之，凡符合此式的溶液稱理想溶液**理想溶液：溶液中各物質分子的大小及各種分子間力的大小與性質相同第32頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三例題:某混合溶液由1mol苯和2mol甲苯組成，求20oC時蒸氣組成。已知.

雖然苯在溶液中僅占33mol%，但在蒸氣中占63mol%，所以易揮發(fā)的成份在蒸氣中富積，成為蒸餾技術（distillation）的重要基礎。解:第33頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三液體的沸點是指液體的飽和蒸氣壓與外界大氣壓相等時的溫度；凝固點是指液體的蒸氣壓與其固體的蒸氣壓相等時的溫度問題：（1）某一溫度，一種物質固體的蒸氣壓大于液體，請問物質表現(xiàn)為溶解還是凝固？

（2）蒸發(fā)和沸騰的不同點

2.溶液沸點的升高和凝固點的降低（BoilingpointelevationandFreezingpointdepressionofsolution）

第34頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三ΔTb=Kb?m

沸點升高Kb為溶劑的沸點升高常數(shù)ΔTf=Kf?m凝固點降低Kf：摩爾凝固點下降常數(shù)Application:測分子量同一溶劑：Kf＞Kb，不同溶劑：有機物的Kf

和Kb較大第35頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3.

滲透壓（osmoticpressure）（1）半透膜：允許小分子（如水）透過，但大的溶質分子不能透過的膜狀物質。（2）滲透：溶劑分子通過半透膜從稀溶液向濃溶液方向移動的現(xiàn)象。（3）滲透壓：為阻止?jié)B透過程進行所需施加于溶液的壓力稱為滲透壓。第36頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三（4）溶質分散在一定體積的溶劑中的滲透壓和溶質擴散在等體積中的氣體壓力一樣，即：πV=nRTorπ=cRTa．在極稀溶液中，π≈mRT；b．只有在半透膜存在下，才能表現(xiàn)出滲透壓；c．雖然稀溶液的π=cRT與氣體的pV=nRT完全符合，但π與p產(chǎn)生的原因是不同。

（5）Application:用于極高分子量的測定Sampleexercise：在250C、1升苯中含5.0克聚苯乙烯的溶液，其π=7.6mmHg，試求聚苯乙烯的分子量？Solution：=1.22×104（g/mol）第37頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三例：在常溫恒壓下，讓一定量干燥的空氣先緩慢通過含有5％某不揮發(fā)性物質的苯溶液，然后再緩慢地通過純苯液體。停止通氣后，測得第一瓶得苯溶液失重1.24g,第二瓶的純苯失重0.04g,試計算該溶質的分子量（假設氣體，溶液均為理想狀態(tài)，氣液保持相平衡）解：P1V=m1RT/MP0V=m2RT/MX劑=P1/P0=

m1/m2=1.24/(1.24＋0.04)=0.09688X質=1－X劑

=1－0.09688＝0.0312按題意95g苯應能溶解的溶質為5g溶質X質=n質/

(n質+n劑

)

=(m質/M質)/(m質/M質+m劑/M劑)＝0.0312M=127.5(g/mol)第38頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三5、電解質溶液的依數(shù)性(colligativepropertiesofelectrolyticsolution)△Tb=i·Kb·m

△Tb=i·Kb·m

i：范特荷夫系數(shù)。

例：3.24gHg(NO3)2和10.14gHgCl2

分別溶解在1000g水中，溶液的凝固點分別為0.0558℃和0.0744℃，問哪種鹽在水中以離子狀態(tài)存在?（Kf=1.86）解：

Hg(NO3)2

離子狀態(tài)HgCl2

分子形式而而第39頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三五、膠體溶液（ColloidalSolution）1．定義：2．膠態(tài)種類:體系有8種（gas-gas除外）分散相粒子的直徑在1~100nm范圍內的均勻分散系根據(jù)溶劑的相分為：固溶膠（也叫凝膠）、溶膠、氣溶膠我們研究固體分散在液體中的膠態(tài)體系－溶膠（sol）。

溶膠又分兩類：親液膠體和疏液（憎液）膠體。前者指大分子溶液，是熱力學穩(wěn)定體系；后者則屬于熱力學不穩(wěn)定的非均相體系，主要靠動力學穩(wěn)定性和界面電荷維持體系的相對穩(wěn)定，膠體化學主要研究后一類體系。第40頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三3．溶膠制備(preparation):

b．化學凝聚法(ii)氧化法制硫溶膠：(1)凝聚法a．物理凝聚法(i)更換介質法：硫的灑精溶液倒入水中形成硫溶膠；(ii)蒸氣凝聚法：在特制的反應器中，蒸發(fā)鈉金屬與有機化合物（苯），在蒸氣相中形成鈉溶膠（aerosol）。(i)還原法制Au溶膠：(iii)分解法制鎳溶膠：(iv)水解法制Fe2O3水溶膠：(2)分散法：機械、電、超聲波等分散，膠體磨分散。第41頁，講稿共47頁，2023年5月2日，星期三4．溶膠的特性：(1)丁鐸爾效應（Tyndall’seffect）

(2)電泳現(xiàn)象（Electrophoresis）

(3)溶膠