简明无机化学 第一章 气体和溶液

第一章气体和溶液学习要求掌握理想气体状态方程及其应用；掌握道尔顿分压定律；理解稀溶液的依数性及其应用；了解溶胶的结构、性质、稳定性及聚沉了解大分子溶液与凝胶物质的聚集状态气体液体固体此外：液晶态-物质的第四态或中介态，液体和晶态之间，自发有序仍能流动的状态（有序流体）。等离子态-部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质物理量单位压力p帕斯卡Pa（N•m－2）温度T开尔文(K)体积V立方米(m3)物质的量n摩尔(mol)描述气体状态的物理量1.1.1理想气体分子的特征严格遵守理想气体状态方程的气体称为理想气体。*理想气体分子本身占有的体积忽略不计,将分子看成有质量的几何点。*理想气体分子间的作用力忽略不计。分子与分子之间、分子与器壁之间的碰撞，是完全弹性碰撞-无动能损失。严格意义上的理想气体实际上是不存在的。但对实际气体来说，只要温度不是太低（高温），压力不是太高（低压），都可以近似用理想气体状态方程作有关p、V、T、n的计算。1.1理想气体状态方程与分压定律1.1.2.气体压力的产生*气体压力是气体分子对器壁碰撞的结果。*有一质量为m，速度为，垂直于器壁方向运动的气体分子碰撞器壁。*根据理想气体的基本假定，无动能损失，它以速度－弹回。碰撞过程中动量的改变量为（－m）－m=－2m动量的改变量等于器壁对分子的作用力F的冲量Ft=－2m′F′=－t2m′设分子对器壁的作用力为F，它是器壁对分子的作用力F‘的反作用力，所以有F=t2m这个作用力和分子运动的方向一致，在一定的面积上形成气体的压力。对于其运动方向与器壁不垂直的分子，可以考虑其在垂直方向的分运动。尽管这种碰撞是不连续的，由于分子极多，碰撞的时间间隔极小，故形成的压力在宏观上是连续的。1.1.3理想气体状态方程与分压定律(1)理想气体状态方程理想气体的温度（T）、压力（p）、体积(V)和物质的量（n）之间,具有如下的方程式关系：pV=nRT=(m/M)RTpM=RT在SI制中，p的单位是Pa，V的单位是m3，T的单位是K，n的单位是mol，（标准状况下，p=101.325kPa，T=273.15K，1mol气体的标准摩尔体积为22.414×10-3m3）摩尔气体常数R的单位及数值为:K15.273mol1m10414.22Pa1001325.1nTpVR3353118.3145PamKmol118.3145JKmol1.2混合气体的分压定律1.2.1混合气体：由两种或两种以上的气体混合在一起组成的体系。其中每种气体称为混合气体的组分气体。1.2.2组分气体的摩尔分数组分气体i的物质的量用ni表示，混合气体的物质的量用n表示，显然有n=nii组分气体i的摩尔分数用xi表示，则xi=nin显然有xi=1i例如，由3molH2和1molN2组成的混合气体1.2.3分压*什么叫分压力pi？某一组分气体对器壁产生的（施加的）压力叫该组分气体的分压力pi。——等于该气体单独占有该容器时产生的压力-道尔顿分压定律。组分气体i的分压，用pi表示pi=niRTV总1.2.4分压定律——分压与总压的关系2dm32105PaO2N2+O2+2dm3N22dm32105Pap总将N2和O2按上图所示混合。测得混合气体的p总为4105Pa。可见p总=pN+pO1dm32dm34dm38105Pa2105Pap总再考察一个实验N2O2N2+O2+测得混合气体的总压为3105PapN=2105PapO=1105Pa*分压力与总压力的关系假如容器中有A、B、C。。。等多种气体，则：P=pA+pB+pC+…=ΣpI=nRT/V（理想气体方程也适合混合气体）(总压力等于分压力之和)pA=xAP,pB=xBP,…pi=xiP(其中：xi=ni/n总称作摩尔分数)混合气体中各组分的摩尔分数之和等于1nnPpnnPpnnPpnnPpmmCCBBAA........,,理想气体混合时，由于分子间无相互作用，故碰撞器壁产生的压力，与独立存在时是相同的。亦即在混合气体中，组分气体是各自独立的。这是分压定律的实质。例1.1某温度下，将2105Pa的O23dm3和3105Pa的N26dm3充入6dm3的真空容器中。求各组分气体的分压及混合气体的总压。O2V1=3dm3，p1=2105Pa，V2=6dm3，pO=p2解：根据分压的定义求组分气体的分压，=1105（Pa）V2p1V1pO==210536同理=3105（Pa）pN=310566由道尔顿分压定律p总=pO+pN=1105+3105=4105（Pa）例1.2常压（1105Pa）下，将4.4gCO2，11.2gN2和16.0gO2相混合。求各组分气体的分压。解：混合气体的总压和组成已知，可用总压和组成求分压。起分散作用被分散1.3.1分散体系（1）什么是“分散体系”？一种(几种）物质的细小粒子分散于另一种物质中分散质(大小有别)分散剂（分散介质）1.3溶液a)分子或离子分散体系--真溶液（单相体系）：0.1~1nm(10-9m),分子/离子分散体系，例如NaCl水溶液等。是一种稳定的体系。b)胶体分散体系：1~100nm(10-9~10-7m),胶粒分散体系，例如天然水中的杂质、蛋清等。外观与溶液相似，但透光可观察到“丁达尔效应”。能保持相对的稳定。c)粗分散体系：1000nm(10-6m),例如：泥浆水(悬浊液）、牛奶、豆浆等。肉眼或在显微镜下可观察到微粒，静置易沉淀，是一种不稳定的体系。（2）三种常见的分散体系相与界面体系中物理性质和化学性质完全相同的部分称为相（phase）。将相与相分隔开来的部分称为相界面（简称为界面,interface）。相与相之间在指定的条件下具有明确的界面，在界面两边体系的性质会有突跃变化。处于界面上的原子或分子的受力情况与相内部的不同，往往存在剩余引力，具有界面能。一般来说，体系中存在的界面越多，能量就会越高，体系也会越不稳定。铁粉和硫磺粉汽水冰油水汽*对于相这个概念，要注意如下几点：(1)不论有多少种气体组分都只有一个相（即气相）。这种只有一个相的体系称为单相体系或均匀体系。(2)除固溶体（固体溶液）外，每一种固态物质即为一个相，体系中有多少种固态物质即有多少相。含有两个或多个相的体系称为多相体系或非均匀体系。(3)液态物质视其互溶程度通常可以是一相（例如水与酒精的混合物）、两相（例如水和油的混合物）、甚至三相共存（例如水、油和汞的混合物）。(4)单相体系中不一定只有一种组分物质（例如气体混合物即由多种物质所组成）；同一种物质也可因聚集状态的不同而形成多相体系（例如水、水蒸气和冰三相共存）；聚集状态相同的物质在一起也不一定就是单相体系（例如油水分层的液态体系有两相）。1.3.2溶液(１）溶液的一般概念■分子或离子分散体系■单相■按聚集状态：气态溶液、液态溶液、固态溶液(２）溶解过程与溶液的形成溶质均匀分散于溶剂中的过程——溶解■是个既有化学变化，又有物理变化的复杂过程■常伴随：颜色变化，体积变化，能量变化(３）溶解度的概念单位溶剂中最多能溶解的溶质的量——溶解度溶解度与温度、压力等因素有关。(４）相似相溶原理溶剂与溶质的分子结构相似，就能较好地相互溶解。(５）溶液浓度的表示方法■物质的量浓度c(mol·L-1或mol·dm-3)■质量摩尔浓度m(mol·kg-1)■摩尔分数x(无单位)1.3.3难挥发非电解质稀溶液的依数性(Colligativepropertiesofdilutesolutions)(1)什么是“稀溶液的依数性”？与溶解有关的性质分为两类：溶液的颜色、比重、导电性等性质，与溶质的本性有关；溶液的蒸气压、沸点、凝固点等性质，与溶质的本性无关。只与溶质的数量（摩尔分数）有关，而与溶质的本性无关的性质，称为“依数性”。只有溶质的浓度低，即所谓“稀溶液”才具有依数性依数性来源于分散微粒间距离远，作用力小1、蒸气压下降（Theloweringofthevaporpressure)2、沸点上升(Theelevationoftheboilingpoint)3、凝固点降低(Thedepressionofthefreezingpoint)4、渗透压(Thephenomenonofosmoticpressure)通常所说的“依数性”，包括四个方面：什么是物质的饱和蒸气压？什么是溶液的饱和蒸气压？“溶液的蒸气压下降”这句话是什么意思？为什么溶液的蒸气压会下降？下降多少，由什么决定？(2)溶液的蒸气压下降为什么会发生这种现象？蔗糖溶液水放置一段时间后，水自动转移到糖水中去。蔗糖溶液水气化（蒸发）：液体表面能量较大的分子，克服分子间的引力，逸出液体表面进入液体上面的空间。凝结：气相中的分子，可能与液体表面发生碰撞，并被周围的液体分子所吸引，重新回到液相。饱和蒸气压：当：凝聚速度=蒸发速度达到平衡，此时蒸气压为一定值。称为饱和蒸气压。饱和蒸气压1）纯溶剂的饱和蒸气压在密闭容器中，在纯溶剂的单位表面上，单位时间里，有N0个分子蒸发到上方空间中。随着上方空间里溶剂分子个数的增加，分子凝聚回到液相的机会增加。上方空间里溶剂分子个数逐渐增加，密度增加，压力也增加。这时起，上方空间里溶剂分子的个数不再改变，蒸气的密度也不再改变，保持恒定。当密度达到一定数值时，凝聚的分子的个数也达到N0个。此时，蒸气的压力也不再改变。这个压力称为该温度下溶剂的饱和蒸气压，用p0表示。蒸发液体气体凝聚达到平衡后，若使蒸气压小于p0，则平衡右移，液体气化；若使蒸气压大于p0，则平衡左移，气体液化。p0p0向上移动活塞向下移动活塞2）什么是溶液的饱和蒸气压？指的是溶液中，作为溶剂的那种物质，所具有的饱和蒸气压（分压力）。溶液的饱和蒸气压同样与温度密切相关：溶剂的表面溶液的表面难挥发溶质的分子溶剂分子当溶液中溶有难挥发的溶质时，则有部分溶液表面被这种溶质分子所占据。同一温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压要小，它们之间的差值，叫“溶液的蒸气压下降”。3）“溶液的蒸气压下降”这句话是什么意思？4）为什么溶液的蒸气压会下降？当溶质分散于溶剂之中，溶液表面的部分位置，被溶质分子所占据，使得单位表面所能逸出的溶剂的分子个数减少，因此溶液蒸气压较之纯溶剂有所降低。溶液中，在单位表面上单位时间内蒸发的溶剂分子的数目N要小于纯溶剂的N0。当凝聚的分子数目达到N（NN0）时，实现平衡，蒸气的密度及压力不会改变。这种平衡状态下的饱和蒸气压为p，则有pp0。蔗糖溶液水蔗糖溶液水蔗糖溶液水蔗糖溶液水过程开始时，水和糖水均以蒸发为主。当蒸气压等于p时，糖水与上方蒸气达到平衡。5）解释实验现象蔗糖溶液水蔗糖溶液水由于p0p，此时水并未与蒸气达到平衡，水将继续蒸发，致使蒸气压大于p。于是水蒸气分子开始凝聚到糖水中。这又使得蒸气压不能达到p0于是，H2O分子从水中蒸出而凝聚入糖水。溶液浓度的表示方法■物质的量浓度c(mol·L-1或mol·dm-3)■质量摩尔浓度m(mol·kg-1)■摩尔分数x(无单位)质量摩尔浓度用溶液中每kg溶剂所对应的溶质的物质的量来表示的溶液的浓度，称为质量摩尔浓度。其单位为mol•kg－1。质量摩尔浓度经常用m或b表示。6）溶液的蒸气压下降多少？——拉乌尔定律)摩尔分数显然有x质+x剂=1x质=n质n剂+n质x剂=n剂n剂+n质对于稀溶液，由于n质n剂，故有x质n质n剂对于稀的水溶液，则有x质n质n水对于1000g溶剂水，则有是1000g溶剂水所对应的溶质的物质的量，即质量摩尔浓度m。这时的n质在数值等于什么？x质n质1000g18g•mol－1这是稀的水溶液中，x质与质量摩尔浓度m之间的数量关系。对于其他溶剂，不是55.5，但仍是一个特定的数值。故x质m55.5mol•kg－1溶液的蒸气压下降多少？——拉乌尔定律（Raoult’sLaw)(1887年，法国物理学家