无机及分析化学_第一章_物质及其变化

１―１第一章物质及其变化学习要求：1．掌握理想气体状态方程式及其应用；2．掌握道尔顿分压定律；3．明确液体的蒸气压、液体沸点的含义及应用；4．学会盖斯定律及应用；5．会正确书写热化学方程式，明确其含义；第一节物质的聚集状态物质是由分子或原子构成的，它们都以一定的形态存在于自然界，但物质是由无数个分子、原子聚集而成，对于单个的分子或原子没有什么状态可言。在常温、常压下，物质通常有气体（gas），液体（liquid）和固体（solid）三种存在状态，通称为物质的“三态”。在一定的温度和压力条件下，同一种物质的“三态”可以相互转化。此外，现已发现物质还有第四种存在形式―等离子体状态。物质的存在状态主要由其组成微粒间的相互作用力所决定。从微粒间相互作用的强弱来看，一般来说，气体微粒间的作用最弱，液体微粒间的作用较强，固体微粒间的作用最强。物质的每一种聚集状态有各自的特征。在一定的条件下，物质总是以一定的聚集状态参加化学反应，对于某一特定的反应，由于物质的聚集状态不同，其反应的速率和能量关系也不同。在化学反应中，气体物质与其它反应物接触面积大，使得反应能充分进行，例如液体燃料燃烧时尽量使之气化，以便燃烧完全。一、气体的一般性质和理想气体状态方程式物质处在气体状态时，气体分子间的距离远大于气体分子本身的大小，分子间的引力非常小，各个分子都在作无规则地高速运动（布朗运动），因此，可认为气体的存在状态几乎和它们的化学组成无关，致使气体具有许多共同性质，主要是扩散性和可压缩性，这对于研究气体的存在状态带来了方便。气体没有固定的形状和体积，将气体引入任何形状和体积的容器中，由于它可向各个方向运动，都能自动扩散并均匀地充满整个容器（扩散性）；又由于气体分子间的距离很大，所以气体又很容易被压缩（可压缩性），这给气体的贮存和运输带来了很大的方便。有关气体的研究，对于原子论和近代化学的发展起着重要的作用。（一）理想气体的经验公式气体的存在状态主要由四个因素决定，即体积、压力、温度和物质的量。从17~19世纪，许多科学家研究了在较低压力下的气体性质，从大量实验事实总结出一些经验规律：１―２1．波义耳定律在一定温度下，一定量气体的体积（V）与它的压力（p）成反比，即：p1α或　恒定）　　　　，恒量　（nTpV（1–1）2．查理定律在一定压力下，一定量气体的体积（V）和热力学温度（T）成正比，即：TV或　恒定）　　　　，恒量　　（　npTV（1–2）热力学温度也称绝对温度，其单位名称为开尔文，用符号K表示，它与摄氏温度（t℃）的关系为：℃/15.273/tKT（1–3）3．阿佛加德罗定律在一定的温度与压力下，气体的体积（V）与其物质的量（n）成正比，即：nV或　恒定）　，恒量　　（pTnV（1–4）（二）理想气体状态方程式上述有关气体性质的三个实验定律，各自都反映了气体行为的一个侧面，如果综合上述三个定律，就可得到下面的关系式：pnTV或恒量nTpV这一恒量称为摩尔气体常数（简称气体常数），用符号R表示，代入上式可得：　nRTpV=（1–5）式中。明其值与气体种类无关摩尔气体常数，实验证（开）；单位为气体热力学温度，（摩尔）；单位为气体物质的量，（立方米）；　单位为气体体积，（帕）；　单位为气体压力，RKSITmolSInmSIVPaSIp3式(1–5)称为理想气体状态方程式，它反映了决定气体存在状态的四个物理量，１―３即：体积、压力、温度和物质的量之间的关系。气体常数可由实验测定。如测得1.000mol气体在273.15K、101.325Pa的条件下所占有的体积为22.414×10–3m3，代入（1–5）式则得：）开摩　焦　（或　　　　）开摩米　牛顿　（或　　　　　　　　11111111333314.8314.8314.8314.815.273000.110414.2210325.101KmolJKmolmNKmolmPanTpVR我们把行为完全符合（1–5）式要求的气体叫理想气体。理想气体实际上是不存在的，它是一种科学的抽象，是一种人为的气体模型，它要求气体分子间完全没有作用力，气体分子本身完全不占有体积，实际气体都不能完全符合这一要求。但是当实际气体处子低压（低子数百千帕）、高温（高于273K）的条件下，这时分子间距离甚大，气体的体积已远远超过分子本身所占的体积，因而可忽略后者，而且分子间作用力也因分子间距离拉大而迅速减小，故可把它近似地看作理想气体。例1在298.15K下，一个体积为50dm3的氧气钢瓶，当它的压力降为1500kPa时，试计算钢瓶中剩余的氧气质量为多少？解：由理想气体状态方程（1–5）式可得：mol.K.KmolJ.mPaRTpVn　　2630152983148105010150011333氧气的摩尔质量为32.00g·mol–1，所以剩余的氧气质量为：30.26mol×32.00g·mol–1=968.3g≈0.97kg答：钢瓶中剩余的氧气质量为0.97kg。（三）理想气体分压定律和分体积定律我们在日常生活、工业生产以及科学实验中所遇到的气体大多为混合气体，如空气就是一种混合气体。气体的特性之一是具有扩散性，能够均匀地充满整个容器。在任何容器内的气体混合物中，如果各组分气体间不发生化学反应，则在达到扩散平衡时，每一种气体都能均匀地分布在整个容器内，它所产生的压力和它单独占有整个容器时所产生的压力相同。也就是说，一定物质的量的气体在一定容积的容器中所产生的压力仅与温度有关。各组分气体占有与混合气体相同体积时所产生的压力叫做该组分的分压力（pi）。例如，0℃时，1mol氧气在容积22.4L的容器内所产生的压力是101.3kPa。如果向容器内加入1mol氮气并保持容器体积不变，则氧气的压力还是101.3kPa，但容器内的总压力却增大一倍，可见，1mol氮气在这种状态下产生的压力也是101.3kPa。１―４英国科学家道尔顿（J.Dalton）总结了这些实验事实，得出下列结论：某一气体在气体混合物中产生的分压等于它单独占有整个容器时所产生的压力；而气体混合物的总压力等于其中各气体分压力之和，这就是气体分压定律，它有两种表现形式：分压定律可表示为：iippppp......321总（1–6）图1–1是分压定律的示意图[(a)，(b)，(c)，(d)为体积相同的四个容器]。图中(a)，(b)，(c)中的砝码表示A，B，C三种气体单独存在时所产生的压力。(d)表示A，B，C混合气体所产生的总压。理想气体定律同样适用于气体混合物，如混合气体中各气体物质的量之和为总n，温度T时混合气体总压为总p，体积为V，则由（1–5）式可得：RTnVp总总如以in表示混合气体中组分i的物质的量，ip表示其分压力，V为混合气体体积，温度为T，则：RTnVp11将该式除以上式可得：总总nnppii，（1–7，a）或总总nnppii（1–7，b）１―５令iixnn总，则：总pxpii（1–7，c）其中总nni为组分气体的物质的量与混合气体物质的量总数之比，称为该组分的物质的量分数即摩尔分数。（1–7，c）式表明，混合气体每一组分气体的分压力等于混合气体总压力乘以该组分的摩尔分数，这是分压定律的另一表达形式。道尔顿分压定律对于研究气体混合物非常重要。在实验室中常用排水集气法收集气体（图l–2）。用这种方法收集的气体中总是含有饱和的水蒸气。在这种情况下所测出的压力应是混合气体的总压力。即：P(总压)=P(气体)+P(水蒸气)水的饱和蒸气压仅与水的温度有关，其值可从相关手册中查出。表1–1水的饱和蒸汽压温度(℃)饱和蒸气压(kPa)温度(℃)饱和蒸气压(kPa)温度(℃)饱和蒸气压(kPa)0510152025300.6110.8721.2281.7052.3383.1674.243354045505560655.6237.3769.58312.33015.74019.92025.00070758085909510031.16038.54047.34057.81070.10084.510101.325例2用锌和盐酸制备氢气：Zn(s)+2H+==Zn2++H2(g)，如果在25℃时用排水集气法收集氢气，总压为98.6kPa（已知25℃时水的饱和蒸气压为3.17kPa），收集的气体体积为2.50×10–3m3。求：１―６（1）试样中氢的分压；（2）收集到的氢的质量；（3）若经干燥剂干燥后，在相同的条件下能得到多少体积的干燥氢气？解：(1)用排水集气法收集的气体为被水蒸气饱和了的氢气，其总压等于氢气的分压与水蒸汽的分压之和，由分压定律可得：p(总)=p(H2)+p(H2O)p(H2)=p(总)–p(H2O)=(98.6–3.17)kPa=95.4kPa(2)RT)H(M)H(mRT)H(nV)H(p2222==KKmolJ.molg.m.Pa.RT)H(VM)H(p)H(m2983148022002501049511133222g.　1940=(3)RT)H(M)H(mRT)H(n)H(V)(p2222总3313112221041.202.2106.98298314.8194.0)()()()(mmolgPaKKmolJgHMpRTHmHV总在实际工作中，进行混合气体分析时，也常用体积分数来表示混合气体的组成。当组分气体的温度和压力与混合气体相同时，即温度相同时组分气体单独承受混合气体总压力的情况下，组分气体所占有的体积称为该组分的分体积，混合气体的总体积等于各组分气体的分体积之和：iiVVVVV......321总（1–8）１―７图1–3中(a)，(b)，(c)分别表示A，B，C三种组分气体的分体积。(d)为混合气体的总体积。分体积定律：根据理想气体的气态方程式，同温同压下，各气体物质体积比必等于它们的“物质的量”之比。即，iiixnnVV分体积与总体积之比VVi，称组分气体的体积分数，它在数值上即等于其摩尔分数，即pVVpnnpxpiiii（1–9）气体的分压力与气体的分体积概念的定义前提条件不同，分压力是在总体积一定的情况下求得的，而分体积是在各组分气体单独承受总压力的条件下求出的。例3在18℃时，取0.200L煤气进行分析，得到有关气体的含量为CO59.4%，H210.2%，其它气体为30.4%。假设测定是在100kPa的压力下进行的，试求煤气中CO和H2的物质的量及物质的量分数。解：由（1–9）式可知，CO和H2的分压如下：kPaVVppkPaVVppHHCOCO　　总总总总2.10%2.10100%1004.59%4.59100%10022得：代入理想气体方程式可　，，已知总11314.829118273200.0KmolLkPaRKTLVmolRTVpnCOCO　总31091.400491.0291314.8200.04.59molRTVpnHH　总41034.8000834.0291314.8200.02.1022由于组分气体物质的量分数与体积分数相等，所以CO物质的量分数应为0.594，H2的物质的量分数应为0.102。二、液体液体分子间的距离比气体小得多，分子间的相互作用较强。液体分子运动既不像气体分子那样呈现自由运动状态，也不像固体分子那样呈现出规则排列。液体具１―８有较好的流动性，有一定的体积而无一定形状，与气体相比，液体的可压缩性小得多。这种既有较强的分子间作用力又有较好流动性的特点，使得一些物质可以很好地溶解在液体中，成为均匀的溶液。如对气体加压或降温，或同时加压并降温，气体可凝聚为液体，将液体冷却又可凝固为固体；反之，对固体加热可熔化为液体，液体受热又可气化为气体。在化学上把我们所研究的对象内物理和化学性质完全相同的部分叫一相，固–液、液–气之