chapter2物质的状态第二章

1、第二章 物质的状态白云大海冰山构成水的三种物态物质的三种状态第四态等离子体等离子体：由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中。等离子体是一种很好的导电体，利用巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。太阳表面等离子体喷射流2010年NASA气体研究的先驱们波义尔(Robert Boyle, 1627-1691，英国化学家和物理学家)提出气体体积与压力的关系(波义尔定律, 1662)。道尔顿(John Dalton, 1766-1844，英国)建立混合气体分压定律(道尔顿分压定律, 1801)。帕斯卡(Blaise Pascal, 1623

2、-1662，法国数学家,哲学家) 发现大气压力随地面高度而变化(1648完成, 1663年发表)。 2.1 气体探险家雅克查理 化学家雅克查理在巴黎第二次氢气球升空，1783年12月1日（2小时, 45千米）Jacque Charles, (1746-1823, 法国) Gay-Lussac(1778-1850法国)盖-吕萨克和毕奥 Biot盖-吕萨克和毕奥在氢气球上 (1804年8月24日)一 、理想气体1. 理想气体 (Ideal Gases)基本假定:(1) 忽略气体分子的自身体积, 将分子看成是有质量的几何点(质点)。(2) 碰撞, 包括分子与分子、分子与器壁之间的碰撞是完全弹性碰撞（

3、无动能损耗）。(3) 分子间作用力被忽略。在高温和低压下, 实际气体接近理想气体。 故: 这种假定是有实际意义的。2 理想气体的经验公式 Byele 定律: n、T 一定时 Gay-Lussac定律: n、P 一定时 Avogadro定律: P、T 一定时 综合上三式：以R做比例系数, 则有:V TV npV = nRT理想气体状态方程 V 1 p描述气体的物理量: P、V、T、n用于温度不太低，压力不太高的真实气体。P：气体的压力，单位Pa (Pascal)、KPa、mmHg、barV：气体的体积 定义：气体分子自由运动的区域， 单位：m3、 dm3（L）n：气体的物质的量（mole）单位：

4、molT：气体的温度 单位： K T(t + 273.15) KR：气体常数 单位：J mol -1K-1各项的物理意义和单位1 atm 760 mmHg 101325 Pa 1 bar = 1105 Pa = 100 kPa1 Pa = 1 Nm-2在 STP 下，p =101325 Pa, T=273.15 K n=1.0 mol时, Vm=22.414 L= 22.41410-3 m3(1) 确定体系的状态(从始态求终态)什么是气体的状态(states)？ 一个气体，若已知它的压力、体积、温度和物质的量四个宏观量度中的三个，我们说它的状态就确定了。3. 状态方程的应用例1 一玻璃烧瓶可以

5、耐压 3.04 105 Pa ，在温度为300 K 和压强为 1.03 105 Pa 时，使其充满气体。问在什么温度时，烧瓶将炸裂。 解得 T2 900 K当温度达到 900 K 以上时，烧瓶会炸裂。解：依据题意可知 V1 V2 ， n1 n2此时 (2) 求气体的分子量例2 某烃类气体在 27及 100 kPa下为 10.0 dm3， 完全燃烧后将生成物分离，并恢复到 27及 100 kPa，得到 20.0 dm3 CO2 和 14.44 g H2O ，通过计算确定此烃类的分子式。 = = m / V(3) 气体密度的计算二. 混合气体的分压定律1. 基本概念（1）混合气体与组分气体 由两种

6、或两种以上的气体混合在一起，组成的体系，称为混合气体 。组成混合气体的每种气体，都称为该混合气体的组分气体。 空气是混合气体， 其中的 O2、N2、CO2 等，均为空气的组分气体。 （2） 混合气体的摩尔分数 组分气体的物质的量用 ni 表示，混合气体的物质的量用 n 表示，则: i 组分气体的摩尔分数用 xi 表示，则: 例如: 由 3 mol H2 和1 mol N2 组成的混合气体，其中:对于双组分体系，T，V 一定时同理 或 p总 pA + pB（3）道尔顿(Dolton)混合气体的分压定律 在温度和体积恒定时，混和气体的总压力等于各组分气体分压力之和; 某组分气体的分压力:等于该气体

7、单独占有总体积时所表现的压力。 对于多组分体系（4）分体积定律(1880E. H. Amage)p， T 一定时在恒温恒压下，某组分的分体积等于该组分产生与混合气体相同的压力时所占据的体积。V总 VA + VB例3 A、B两种气体在一容器中混和，下面表达式哪些是正确的？ 1PAVA=nART 2PV=nART 3PVA=nART 4PAV=nART 5PA(VA+VB)=nART 6(PA+PB)VA=nARTP总V分 = P分V总 = n分RT例4 室温下，将1.0 atm，10 dm3 H2 与1.0 atm 20 dm3 N2在40 dm3容器中混和，求H2、N2的分压、分体积和摩尔比。

8、混合前混合后例5 25C时用排水集气法收集的N2的体积为750 cm3，总压力为740 mmHg，已知此温度下水的饱和蒸气压为24 mmHg。求其中所含N2的摩尔量及干燥N2的体积?解：先列出所给条件： T 273 + 25 = 298 K V总 750 cm3 = 0.750 dm3 P总 740 mmHg PH2O = 24 mmHg 求：nN2 和 VN2 根据Dalton分压定律：例6 某容器中含有NH3、O2 、N2等气体的混合物。 取样分析后，其中 n(NH3)=0.320 mol， n(O2)=0.180 mol，n(N2)=0.700 mol，混合气体的总压 p=133.0 k

9、Pa，试计算各组分气体的分压 ?解：n = n(NH3) + n(O2) + n(N2) =0.320mol+0.180mol+0.700mol =1.200molPNH3nNH3/n总P 总p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0) kPa =77.5 kPa格雷姆(1805-1869苏格兰)物理学家气体分子通过针孔的扩散，上层充有空气，下层为真空区。三. 气体扩散定律1. Graham 气体小孔扩散实验 (逸散，effusion)相对扩散 (diffusion)气体分子的相对扩散比小孔扩散更复杂一些，气体扩散时发生相互碰撞。气体的小孔扩散实验与扩

10、散是不同的。 Grahams law: 在恒压条件下，某一温度下气体的扩散速率 与其密度（或摩尔质量M）的平方根成反比。 或即由于例8 将氨气和氯化氢气体同时从一根120 cm的玻璃管两端向管内自由扩散，试问两气体在管内什么位置相遇而生成NH4Cl白烟？解：设经过 t秒后，两气体在距氨气一端 x cm 处相遇， 则相遇处距离HCl端为 (120 - x) cm HCl / NH3 (MNH3 /MHCl )1/2 =0.682 (扩散速率比) X = 71.3 cm2. Application of Grahams law 1) 测定未知气体的分子量（或原子量）2) 分离同位素 (isotop

11、e)在第二次世界大战期间，为制造原子弹需要从238U中分离富集235U。而235U的天然丰度只有0.7%，将微量的235U提纯富集是一项艰巨的工作。于是人们设计了一种方法，即首先让U与氟反应，生成挥发性的UF6(沸点56C)，然后让混合同位素UF6气体通过一级级微孔扩散进行分离。由于两种同位素的原子量差异，逐步将235U富集。当时，在美国的Oak Ridge National Laboratory 建立了这样一个铀扩散车间，用了10个月的时间提炼了几公斤的铀235。这些铀被用于制造两枚原子弹(“小男孩”和“胖子”)，分别于1945年8月投放在日本广岛和长崎。例9 求235UF6和238UF6气

12、体的扩散速率之比，并求将0.7% 235U富集到3%所需的扩散次数。已知235U原子量为235.04，238U的原子量为238.05，F的原子量为19.00 。解比值相当接近于1富集到3%需要552级扩散。n=552Q: 富集到95%需要对少级？ 1841分离前后两种物质的浓度比称为分离系数三. 实际气体的状态方程理想气体状态方程仅在足够低的压力下适合于真实气体。产生偏差的主要原因是：气体分子本身的体积的影响；分子间力的影响。实际气体 1. 实际气体的压强 P实 理想气体的 P 是忽略了分子间的相互吸引力实际气体的压强受碰壁分子被内层分子引力的影响，所以: P实 Pideal则有： Pidea

13、l= P实 + P内 P内 与内部分子的密度成正比，也和碰撞器壁的外层分子的密度成正比，两部分分子共处一体，密度一致，故有： V p内 n( )2 pideal p实 + a ( )2Vn则(1)设其比例系数为 a，则上式可写成 V p内 a ( )2 n2. 实际气体的体积 V实 考虑实际气体分子自身的体积，实际气体的体积大于理想气体。气体分子自身体积与气体的物质的量有关。若1mol 气体的自身体积为bVideal = V实 - nb (2)气体分子运动的自由空间3. 实际气体的状态方程 (1873年 van der waals)理想气体状态方程: PV= nRT, 将(1)和(2)式子代入

14、其中, 得: a，b 称为气体的范德华常数。 a为分子间吸引系数：用于补偿忽略分子间引力导致的 压力下降。 b为体积参数：用于扣掉实际分子所占的体积。 a、b 值越大，实际气体偏离理想气体越大。van der Waals 某些气体的van der Waals 常量例7. 分别按理想气体状态方程式和van der waals方程式计算1.50 mol SO2在30 C占有20.0 L体积时的压力，并比较两者的相对误差。如果体积减少为2.00 L，其相对误差又如何？解：已知：T =303 K，V=20.0 L n=1.50 mol a=0.6803 Pa m6 mol-2 b=0.563610-4

15、 m3 mol-1三点假设：1. 气体物质由大量分子组成，气体分子连续不断地作无规运动，气体的压力是由气体分子撞击器壁产生的。2. 气体分子的碰撞是完全弹性的，即碰撞前后体系的总能量不变。3. 气体分子的大小可忽略不计。气体分子间的距离很大，分子间相互作用可以忽略不计。五. 气体分子的运动：一定量气体的分子总数 为速率在 区间的分子数.表示速率1. 气体分子的速率分布 区间的分子数占总数的百分比 同一温度下不同气体的速率分布 N2 分子在不同温度下的速率分布 2. 气体分子的能量分布 气体分子的能量分布 气体分子运动的动能与速度有关，故气体分子的能量分布可用类似的曲线表示。2.2 液体 液体没有固定的外形和显著的膨胀性，但有着确定的体积，一定的流动性、一定的掺混乱性、一定的表面张力，固定的凝固执点和沸点。 液体本身也有一些特性，如 ：粘度，表面张力，凝固点，沸点，饱和蒸气压（简称为蒸汽压）一、液体的蒸发液体分子运动到接近液体表面,并具有适当的运动方向和足够大的动能时，它可以挣脱邻近分子的引力逃逸到液面上方的空间变为蒸气分子。 二液体的饱和蒸气压（简称蒸气压）在一定的温度下，液体与蒸气达到平衡时，水蒸气压力最大，称饱和蒸气压，用 p 表示。 H2O (l) H2O(