第五章 物质的聚集状态

1、第五章第五章 物质的聚集状态物质的聚集状态物质的状态：物质的状态：固体固体 液体液体 等离子体等离子体 （Plasma） 分子间作用力分子间作用力减弱减弱第一节第一节 气体气体一一 低压下气体的几个经验定律低压下气体的几个经验定律（一）玻意耳（一）玻意耳（Boyle）定律）定律在一定的在一定的T时，时，V 1/p，或，或pV=C，等温线，等温线（二）查理（二）查理-盖盖吕萨克（吕萨克（Charles and Gay-lussac）定）定律律绝对温标等压线绝对温标等压线VVV tVVtVVTTVTC000001273273273,（三）阿伏伽德罗（三）阿伏伽德罗（Avogadro） 定律定律在相

2、同的在相同的温度温度和和压力压力下，下，等体积等体积的任何气体都含的任何气体都含有有相同数目的分子相同数目的分子 Boyle 定律：定律：PV = 常量常量 （T, n 恒定）恒定）Charles-Gay-Lussac 定律：定律： V/T =常量（常量（P, n 恒定）恒定）Avogadro 定律：定律：V/n =常量（常量（T, P 恒定）恒定）二二 理想气体的状态方程理想气体的状态方程（State equation of ideal gas) RTpVnRTpVmP: 气体的压力气体的压力 （Pa)V: 气体的体积（气体的体积（m3)n: 气体的物质的量气体的物质的量(mol)T: 气体

3、的热力学温度气体的热力学温度(K)R: 摩尔气体常数摩尔气体常数 (8.315J.mol-1.K-1)Vm: 气体的摩尔体积气体的摩尔体积(m3/mol)假定：分子不占有体积假定：分子不占有体积 分子间作用力忽略不计分子间作用力忽略不计 在任意温度和压力下都遵守理想气体状态方程在任意温度和压力下都遵守理想气体状态方程的气体称为的气体称为理想气体理想气体方程的其它形式： RTpMM：气体的摩尔质量(kg/mol): 气体的密度 (kg/m3) 自然界中并不存在真正的理想气体，它是实际气体在p0 的一种极限情况。理想气体的物理模型理想气体的物理模型气体的最基本特征：气体的最基本特征：可压缩性和扩散

4、性可压缩性和扩散性。人们将符合理想气体状态方程式的气体，称人们将符合理想气体状态方程式的气体，称为为理想气体理想气体。 理想气体分子之间理想气体分子之间没有相互吸引和排斥，没有相互吸引和排斥，分子本身的体积分子本身的体积相对于气体所占有体积相对于气体所占有体积完全可以完全可以忽略。忽略。理想气体状态方程式：理想气体状态方程式： pV = nRT R- 摩尔气体常量摩尔气体常量 在在STP下，下，p = 101.325kPa, T = 273.15Kn = 1.0 mol时时, Vm = 22.414 L = 22.41410-3 m3R 的取值的取值 随压力单位的变化而不同随压力单位的变化而不

5、同 8.31 kPa dm3 mol-1 K-1 0.0821 atm dm3 mol-1 Ka 22.414 10 m8.314J molK1.0mol 273.15KpVRnT8.315J mol-1 K-1 理想气体状态方程式的应用理想气体状态方程式的应用1. 计算计算p p，V V，T T，n n四个物理量之一四个物理量之一。用于温度不太低，压力不太高的真实气体。2.2.气体摩尔质量的计算气体摩尔质量的计算pVmRTM 3.3.气体密度的计算气体密度的计算 =RTpM 道尔顿分压定律道尔顿分压定律 （Doltons law of partial pressur

6、e)组分气体组分气体：理想气体混合物中每一种气体叫做组理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。分气体。分压：分压：组分气体组分气体B B在相同温度下占有与混合气体相在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体同体积时所产生的压力，叫做组分气体B B的分压。的分压。Dalton分压定律分压定律：混合气体的总压等于混合气体中混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。各组分气体分压之和。 p = p1 + p2 + ， 或或 p = pBDefine: 在气体混合物中在气体混合物中 pB : 气体B的分压 p： 混合气体的总压 xB: 气体B在混合气中的摩尔分数 BBpp此定

7、义既适用于理想气体也适用于实际气体此定义既适用于理想气体也适用于实际气体pxpnnpBBB 在理想气体理想气体混合物中，某一组分B的分压即为该气体在与混合气同样温度下，单独占有混合气总体积时的压力A(g) +B(g)T,V,p,xBB(g)T ,V ,pBA(g)T,V,pA、一定、一定， 气体：气体：nA, PA= nA(RT/V) 气体气体 B ：nB, PB= nB(RT/V) 总总 = PA + PB = (nA+ nB) (RT/V) PA /总总 = nA/ (nA+ nB) = nA/ n总总 单单独独混混合合后后PAPBP总 阿马格分体积定律（阿马格分体积定律（Amagats

8、Law of Partial Volume) 混合气体中某一组分混合气体中某一组分B B的分体积的分体积V VB B是该组份单独是该组份单独存在并具有与混合气体相同温度和压力时所占有存在并具有与混合气体相同温度和压力时所占有的体积。的体积。pRTnVBBA(g)T, P, V1B(g)T, p, V2+A(g)+B(g)T, p, V1 + V2定义定义： 在气体混合物中，组分在气体混合物中，组分B的分体积：的分体积： V BBVxVB ：气体：气体B 的分体积的分体积V : 混合气的总体积混合气的总体积xB : 气体气体B在混合气中的摩尔分数在混合气中的摩尔分数 BVV混合气体分体积定律混合

9、气体分体积定律、P 一定一定， 气体：气体：nA, VA= nA(RT/P) 气体气体 B ：nB, VB= nB(RT/P) V总总 = VA + VB = (nA+ nB) (RT/P) VA /V总总 = nA/ (nA+ nB) = nA/ n总总又又 PA/总总 = nA/ n总总 （T,V一定）一定） （T,P一定）一定）TPVAVBnA理想气体、的混合单单独独 nB混混合合后后 P总= PVAVB A A、B B 两种气体在一定温度下，在一容器中混合，混两种气体在一定温度下，在一容器中混合，混合后下面表达式是否正确？合后下面表达式是否正确？PAVA = nARTP V = nAR

10、TPVA = nARTPAV = nARTPA (VA +VB) = nART(PA+PB) VA = nART否否 否否是是是是是是是是例例: NO2气冷却到室温时，它本身就会按下式反应气冷却到室温时，它本身就会按下式反应而生成一种二聚体而生成一种二聚体N2O4，现将高温下的，现将高温下的15.2克克NO2充入充入10.0dm3烧瓶，将此烧瓶冷却到烧瓶，将此烧瓶冷却到25oC，测得烧，测得烧瓶中气体的总压力为瓶中气体的总压力为50.65kPa，试求算，试求算NO2和和N2O4的分压及物质的量分数各为多少？的分压及物质的量分数各为多少？nnpVRTmolnnnbeforereactionmol

11、nmolnmolXnnnXPNON ONON ONON ONONONONON ON ONO224224224222224242506510100108314298020421524601033003300204012602040126007803810380625033.().,.6503819 255065062314024kPaPkPaN O 实际气体与理想气体会产生实际气体与理想气体会产生偏差偏差四四 实际气体（实际气体（Real gas)Real gas) 偏离理想气体的程度，取决于：偏离理想气体的程度，取决于：温度：温度： T 增加，趋向于理想气体增加，趋向于理想气体压力：压力： P

12、 减小，趋向于理想气体减小，趋向于理想气体气体的性质：气体的性质： 沸点愈高与理想状态偏差愈大沸点愈高与理想状态偏差愈大 产生偏差的主要原因是：产生偏差的主要原因是：气体分子本身的体积的影响；气体分子本身的体积的影响；分子间力的影响。分子间力的影响。范德华方程范德华方程 一种或几种物质分散在另一种物质之中一种或几种物质分散在另一种物质之中所组成的系统称为分散系统所组成的系统称为分散系统(Dispersed system(Dispersed system)分分散散系系统统均相分散系统(homogeneous ) 溶液多相分散系统(heterogeneous system)胶体粗分散系统第二节第二

13、节 溶液溶液一一 溶液的形成溶液的形成 两种或两种以上的物质以分子形态相互两种或两种以上的物质以分子形态相互混合成均匀的分散体系称为溶液混合成均匀的分散体系称为溶液 (solution) 一般在溶液中含量最多的一种物质称为溶剂溶剂(solvent)(solvent)，其余的物质称为溶质溶质(solute)(solute)溶液气态溶液(气体混合物）液态溶液固态溶液 (固溶体) 若固体或气体溶于液体而形成溶液，则一般若固体或气体溶于液体而形成溶液，则一般将固体或气体称为溶质，而将液体称为溶剂。将固体或气体称为溶质，而将液体称为溶剂。溶液电解质溶液 ( electrolyte solution )非

14、电解质溶液 (non-electrolyte solution) 溶解过程是一个特殊的物理溶解过程是一个特殊的物理- -化学过程，化学过程，常伴随着常伴随着能量、体积、颜色能量、体积、颜色等变化等变化二溶液浓度的表示方法二溶液浓度的表示方法 物质的量浓度物质的量浓度 溶质的物质的量除以溶液的体积溶质的物质的量除以溶液的体积31313():()ncmol dmmolLVnmolVdmLSIm溶质或溶质的物质的量溶液的体积或常用 单位 质量摩尔浓度质量摩尔浓度 溶质的物质的量除以溶剂的质量溶质的物质的量除以溶剂的质量溶剂的质量溶剂溶剂溶质:)(1 摩尔分数摩尔分数某种组分物质的量与总物质的量之比某

15、种组分物质的量与总物质的量之比molnmolnnnxiii质的量的总和：溶液中所有物质的物某一组分的物质的量单位总总:) 1( 质量分数质量分数某组分的质量与总质量之比某组分的质量与总质量之比gmgmmmwii量的总和：溶液中所有物质的质某一组分的质量单位总总:) 1( 摩尔比摩尔比溶质的物质的量与溶剂的物质的量之比溶质的物质的量与溶剂的物质的量之比) 1()1 (单一溶质的溶液量纲xxr 质量浓度质量浓度溶质的质量除以溶液的体积溶质的质量除以溶液的体积 溶解度溶解度(s)100g溶剂中所能溶解溶质的溶质的最大质量（溶剂中所能溶解溶质的溶质的最大质量（g）)(13LKgdmKgVm或溶液溶质（

16、1）液体的蒸气压液体的蒸气压三三 液体的蒸汽压和沸点液体的蒸汽压和沸点 ( The vapor pressure and boiling point of liquid)蒸发蒸发: : 液体表面的气化现象叫蒸发液体表面的气化现象叫蒸发 （evaporation)evaporation)。Liquid Vapor 在在一定的温度一定的温度下，当液体与其蒸气平衡下，当液体与其蒸气平衡( (即即液体的液体的蒸发速率蒸发速率与其蒸气的与其蒸气的冷凝速率相同冷凝速率相同）时）时, ,液体上方蒸气的压力称为液体上方蒸气的压力称为该温度下该温度下此液体的饱此液体的饱和蒸气压和蒸气压( (简称为蒸气压简称为蒸

17、气压) )。“动态平衡动态平衡”液体的蒸汽压与温度的关系液体的蒸汽压与温度的关系 沸点与外界压力有关。外界沸点与外界压力有关。外界压力等于压力等于 101 kPa (1 atm) 时的时的沸点为正常沸点，沸点为正常沸点，简称沸点。简称沸点。 当温度升高到蒸气压与外界当温度升高到蒸气压与外界气压相等时，液体就沸腾，这气压相等时，液体就沸腾，这个温度就是个温度就是沸点沸点。热源热源沸腾是在液体的表面和内部同时气化。沸腾是在液体的表面和内部同时气化。abP例：水的沸点为例：水的沸点为 100 C，但在高山上，由于大气，但在高山上，由于大气压降低，沸点较低，饭就难于煮熟。压降低，沸点较低，饭就难于煮熟

18、。 而高压锅内气压可达到约而高压锅内气压可达到约10 atm，水的沸点约，水的沸点约在在180 C左右，饭就很容易煮烂左右，饭就很容易煮烂。 “过热过热”液体液体：温度高于沸点的液体称为过热：温度高于沸点的液体称为过热液体，易产生液体，易产生爆沸爆沸。 蒸馏时一定要加入沸石或搅拌，以引入小气泡，蒸馏时一定要加入沸石或搅拌，以引入小气泡，产生产生气化中心气化中心，避免爆沸。，避免爆沸。（1）拉乌尔定律）拉乌尔定律 Raoults Law (1886)四四 稀溶液的实验定律稀溶液的实验定律- Raoults Law 在稀溶液上方的平衡气相中在稀溶液上方的平衡气相中, ,溶剂的蒸气压等溶剂的蒸气压等

19、于该温度下纯溶剂的蒸气压与它在溶液中的摩尔于该温度下纯溶剂的蒸气压与它在溶液中的摩尔分数的乘积。分数的乘积。AAAxpppA* : 在溶液所处的在溶液所处的温度温度和和压力压力下下,纯溶剂的蒸气纯溶剂的蒸气压压)1(*AAAAxpppp适用于含有适用于含有非电解质非电解质溶质溶质( (难挥发或难挥发或不挥发不挥发的）的的）的稀稀溶液。溶液。xB=nB/nA稀溶液稀溶液 nAn总总mB=nB/(MAnA10-3) MA:溶剂的质量溶剂的质量p=PAMAmB/1000=KmB常数常数Definition: 任一组分在全部浓度范围内都遵守任一组分在全部浓度范围内都遵守Raoult定律定律的液体混合物

20、（溶液）称为理想液体混合物（的液体混合物（溶液）称为理想液体混合物（理理想溶液想溶液）。）。 BBBAAAxppxpp五五 难挥发非电解质稀溶液的依数性难挥发非电解质稀溶液的依数性 依数性包括依数性包括 蒸气压降低蒸气压降低 沸点升高沸点升高 凝固点降低凝固点降低 渗透压渗透压 依数性的数值仅与溶液中溶质的质点数（依数性的数值仅与溶液中溶质的质点数（浓度浓度）有关，而有关，而与溶质与溶质的特性的特性无关无关，故称这些性质为，故称这些性质为依数性。依数性。1 溶液的蒸气压下降溶液的蒸气压下降蒸发蒸发：液面上能量较大的分子克服液液面上能量较大的分子克服液体分子间的引力从表面逸出，成为蒸体分子间的引

21、力从表面逸出，成为蒸气分子，又称气化。气分子，又称气化。(1) 蒸气压液体分子蒸气分子凝聚凝聚：液面上的空间中蒸气分子不断液面上的空间中蒸气分子不断运动时，某些蒸气分子可能撞到液面，运动时，某些蒸气分子可能撞到液面，为液体分子所吸引而进入液体中的过为液体分子所吸引而进入液体中的过程。程。P(H2O)蒸气分子蒸气分子液体分子液体分子 V(蒸发蒸发) =V(凝聚凝聚)液体和蒸气处于平衡状态，此时，蒸液体和蒸气处于平衡状态，此时，蒸气所具有的压力叫做该温度下液体的气所具有的压力叫做该温度下液体的饱和蒸气压，简称饱和蒸气压，简称蒸气压蒸气压。H2O(l) H2O(g)蒸发凝聚 H2O(g)所具有的压力

22、P(H2O)即为该温度下的蒸气压 373k 时， P(H2O)=101.325kPa。(2)(2)蒸气压下降蒸气压下降 同一温度下，溶有同一温度下，溶有难挥发溶质难挥发溶质B B的溶液的溶液中，溶剂中，溶剂A A的蒸气压力总是低于纯溶剂的蒸气压力总是低于纯溶剂A A的的蒸气压力。蒸气压力。蒸气分子蒸气分子液体分子液体分子溶质分子溶质分子 原因原因在于溶剂的一部分表面被溶质微粒在于溶剂的一部分表面被溶质微粒占据，使得单位时间内从溶液中蒸发的分占据，使得单位时间内从溶液中蒸发的分子减少，使得溶液的蒸发速率降低。子减少，使得溶液的蒸发速率降低。 同一温度下，纯溶剂的蒸气压力与溶液同一温度下，纯溶剂的

23、蒸气压力与溶液的蒸气压力之差叫做溶液的的蒸气压力之差叫做溶液的 蒸气压下蒸气压下降降。拉乌尔定律：拉乌尔定律： 在一定温度下在一定温度下, ,难挥发的非电解质稀溶液中的蒸气难挥发的非电解质稀溶液中的蒸气压下降压下降(P)(P)与溶质的摩尔分数成正比。与溶质的摩尔分数成正比。)1 (*AAAAxppppp = PAMAmB/1000 = K mB沸点（沸点（bp: boiling point）：）：当某一液体的蒸气压力等于外界压力当某一液体的蒸气压力等于外界压力时，液体沸腾，此时的温度称为沸点。时，液体沸腾，此时的温度称为沸点。凝固点（凝固点（fp: freezing pointfp: free

24、zing point）：）：某一物质的液相蒸气压力和固某一物质的液相蒸气压力和固相蒸气压力相等时的温度。相蒸气压力相等时的温度。固相蒸气压力液相蒸气压力 固相 液相固相蒸气压力液相蒸气压力 液相 固相 一切可形成晶体的纯物质，在给定的条件下，都有一定的凝固点和一切可形成晶体的纯物质，在给定的条件下，都有一定的凝固点和沸点。但沸点。但溶液的情况并非如此溶液的情况并非如此，一般由于溶质的加入使溶剂的凝固，一般由于溶质的加入使溶剂的凝固点下降，溶液的沸点上升；而且点下降，溶液的沸点上升；而且溶液越浓溶液越浓，沸点和凝固点，沸点和凝固点改变越大改变越大。2 溶液的沸点上升和凝固点下降溶液的沸点上升和凝

25、固点下降P(H2O,g)/PaT/K101325373.15273.15611水和冰的蒸气压力曲线水和冰的蒸气压力曲线水水冰冰373.15K时，水的蒸气压力与时，水的蒸气压力与外界相等，水沸腾外界相等，水沸腾273.15K时，水的蒸气压力与时，水的蒸气压力与冰的蒸气压力相等，水凝固冰的蒸气压力相等，水凝固P(H2O,g)/PaT/K101325373.15273.15611水和冰的蒸气压力曲线水和冰的蒸气压力曲线水冰溶质的加入使溶液的溶质的加入使溶液的蒸气压力下降蒸气压力下降P(H2O,g)/PaT/K101325611水溶液的沸点上升和凝固点下降示意图水溶液的沸点上升和凝固点下降示意图水水冰

26、冰TfpTbpTbpTTfpfp沸点增加沸点增加凝固点降低凝固点降低TbpTfp溶液溶液 实验和理论都证明： 含有非挥发性非电解质非挥发性非电解质溶质的稀稀溶液，其沸点 Tb 要高于纯溶剂的沸点 Tb* 。其升高值正比于溶质的质量摩尔浓度。沸点升高沸点升高 ( Boiling Point Elevation )Tb = Kb mB 沸点升高常数沸点升高常数溶质的质量摩尔浓度溶质的质量摩尔浓度沸点升高值沸点升高值只与溶剂的性质有关而与只与溶剂的性质有关而与溶质的性质与数量无关溶质的性质与数量无关 在含有在含有非挥发性非电解质非挥发性非电解质溶质的溶质的稀稀溶液中溶液中, ,凝固凝固点的降低值正比

27、于溶质的质量摩尔浓度。点的降低值正比于溶质的质量摩尔浓度。 凝固点降低凝固点降低 ( Freezing Point Repression )Tf = Kf mB 凝固点降低常数凝固点降低常数溶质的质量摩尔浓度溶质的质量摩尔浓度凝固点降低值凝固点降低值只与溶剂的性质有关而与只与溶剂的性质有关而与溶质的性质与数量无关溶质的性质与数量无关例：例：293.2293.2K,K,乙醚的蒸气压为乙醚的蒸气压为 58.95kPa58.95kPa。今。今在在 100g100g 乙醚中溶入某非挥发性有机物乙醚中溶入某非挥发性有机物10g10g，乙醚的蒸气压降低到乙醚的蒸气压降低到 56.79kPa56.79kPa，试求该非挥，试求该非挥发性有机物的摩尔质量。发性有机物的摩尔质量。M B = 195 g.mol-1解解P=PAxB3 3、渗透现象与渗透压、渗透现象与渗透压 (Osmosis and Osmotic (Osmosis and Osmotic pressure)pressure) 1748年，法国物理学家J.A.Nollet首次发现渗透现象 1830年，法国生物学家R.J.Henri Dutrochet第一次对渗透现象进行半定量研究，并将渗透现象命名为osmosis 1867年，德国生物化学家M.Traub