气体液体与溶液

1、关于气体液体和溶液第一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月1. The properties of Gases忽略分子之间的作用力和分子本身的体积一、理想气体（Ideal Gases）压力不太高，温度不太低的实际气体可看作理想气体气体的基本特征: 扩散性和可压缩性2.1、理想气体定律 (The Ideal Gas Law) 波义耳定律: PV=常数 （n，T一定）查理-盖吕萨克定律: V/T=常数 （n，P一定）阿伏加徳罗定律: V/n=常数 （T，P一定）二、理想气体性质 第二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月1)理想或接近理想（温度，压力） 2)只适用于完全封闭的气体 R =

2、 PV / nT= PVm /T = 101.325103Pa22.414 10-3m3/273.15K = 8.314 J mol1 K1 注意点： = 0.082 L atm mol1 K-1 3) R 的取值 随压力单位的变化而不同*理想气体定律应用 PVT n(m,M, )第三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月Sample：A sample of CH4 was slowly heated at a constant pressure of 0.9 atm. The volume of the gas was measured at a series of different

3、temperatures and a plot of volume vs. temperature was constructed. The slope of the line was 2.8810-4 L/K. What is the mass of the sample of CH4? 第四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月应用 实例：测分子量a. 蒸气密度法测某种易挥发的液体的相对分子质量由于已知P、R、T，所以必须求 V和m忽略第五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月b. 极限密度法:蒸气密度法的改进外推 P0时，第六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2.2、分压

4、定律(Doltons law of practical pressure)组分气体：气体混合物中每一种气体。分压：组分气体A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A的分压。分压定律：混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。 P = P1 + P2 + 或 P = Pi P总V=n总RT=(n1+n2+ni)RT = P1V+P2V+PiV =(P1+p2+Pi)VP总= pi=P1+p2+Pi同时由于 PiV= niRT； P总V= n总RT (摩尔分数)证明:第七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月例题： V = 2 dm3 , O2: 0.20mol,

5、 H2: 0.50mol, Ar : 0.10mol T =300K, O2+2H22H2O(l) 求反应前后各气体的分压以及总压。 (T = 300K时 PH2O = 0.035atm） 解： 反应前：反应后： 2H2 + O2 = 2H2O Ar0.50 0.20 0 0.100.10 0 0.40(l) 0.10注意:在该温度下，2dm3 体积的H2O(g) 计算得0.002846mol, 若O2为0.001mol，生成H2O 0.002mol, 则水将完全气化, P就不是P饱和。第八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2.3、分体积定律（Amagats Law of Partia

6、l Volumes）V总V1+V2+V3+ Vi = V总 Xi分体积: 混合气体中某一组分B的分体积VB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的体积。分体积定律：当温度、压力相同时，混合气体的总体积等于各组分分体积之和。注意：对混合气体体系，分体积和分压不能同时代入理想气体方程第九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2.4、格拉罕姆扩散定律 （Grahams law of effusion） 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）的平方根成反比 (实验定律)表达式：应用:1) 测定未知气体的分子量（或原子量）例：What is the molecu

7、lar formula of a compound of empirical formula CH that diffuse 1.246 more slowly than Krypton (MW=83.8) at the same temperature and pressure. 第十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 2)可以分离同位素 isotope从铀矿制备分离235U,利用UF6不同的扩散速率差别很小，需非常多级分离气 体 扩 散 串 联 示 意 图设计了3000级，耗资8亿美元 第十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月基本假设: A. 气体分子是质点 三、 气体分子

8、运动论 (Kinetic Molecular Theory) C.气体分子做弹性碰撞J.C. Maxwell、L. Boltzmann、R. ClausiusB.气体分子不断地作高速无规则运动推导过程：单位时间动量改变量：压强：总压强：第十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月定义：称为均方根速率 热力学温度:大量分子无规则运动的平均动能有关;热:大量分子的混乱运动或无序运动格林汉姆扩散定律 K:波尔兹曼常数 P,T 分子运动桥梁气体分子运动论意义:*例题:求在0C时氢分子的速度第十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月四、气体分子速度分布与能量分布（Distribution of

9、 gas molecular speeds and energy)a. 速度分布b. 能量分布波尔兹曼因子 能量大于和等于E0的所有分子的分数：第十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月五、实际气体定律 (The Real Gas Law)1. 实际气体与理想气体的偏差:1mol气体的PV/RTp曲线1molN2的PV/RTp曲线（不同温度）气体分子间作用力与距离的关系第十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月2. 实际气体状态方程（van der waals equation）2. 分子间的引力两点修正:a, b 称为 van der Waals constant(Vreal-n

10、b)=Videal等于气体分子运动的自由空间1. 分子自身的体积分子间吸引力正比于(n/V)2 内压力 P=a(n/V)2 Pideal=Preal+a(n/Vreal)2第十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 表 某些气体的Van der Waals 常数第十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月例题：分别按理想气体状态方程和van der waals方程计算1.50mol SO2在30摄氏度占有20.0L体积时的压力，并比较两者的相对误差。如果体积减少为2.00L，其相对误差又如何？已知a=0.6803Pa m6 mol-2， b=0.563610-4m3 mol-1解：已

11、知：T =303K，V=20.0L，n=1.50mol思考题：范德华实际气体状态方程的适用范围？ 第十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 五、气体的液化和临界状态(critical state)液化的方法： 降温、加压临界温度：加压下气体能够液化的最高温度；临界压强：临界温度时，使气体液化的最低压强；临界体积：临界温度和临界压强下，1mol气态物质占有的体积。熔沸点低的物质，临界温度也低物质tc(C)Pc(106Pa)c(g/ml)氨132.411.2760.235CO-140.243.49850.301CO231.047.3760.468HCl51.58.30820.45H2O37

12、3.0922.0470.32NO-93.06.48440.52SO2157.67.88370.525Na 2300.0 35.462 0.198 Ar-122.44.87340.533Cl2144.07.70030.573H2-240.171.29280.0314N2-147.03.39420.313O2-118.575.04260.436第十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月一、液体的结构（structure of liquids） 2. 液体（Liquid）液体结构特点: 处于完全混乱的气体状态和完全有序的固体状态之间液体特性：粘度，表面张力，凝固点，沸点，饱和蒸气压（简称为蒸汽

13、压）近程有序远程无序第二十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 二、液体的蒸气压(Vapor pressure of liquid)1、蒸发过程 1）蒸发:液体气化的一种方式2）蒸发热(焓):在恒定的温度和压力条件下，1mol液体蒸发变为蒸气所吸收的热量 2液体的饱和蒸气压（简称蒸气压） 3）蒸气压只与液体本质和温度有关. 1）2）蒸气压：一定温度下与液体平衡的饱和蒸气所具有的压力。 蒸气压vs温度第二十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月Clusius -Clapeyron equationApplication of Clusius -Clapeyron equation1、

14、求蒸发热2、已知蒸发热和一个温度下的压强，求另一个温度下的压强第二十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月例题：25 时，0.100mol液态苯在一个可通过提高活塞而改变的容器中蒸发（蒸气压为12.3kPa), 试求（1）体积增加至何值时液体恰巧消失？（2）体积为12.0dm3 和30.0dm3 时，苯蒸气压分别是 多少？（3）1atm, 4dm3空气缓慢地鼓泡通过足量的苯中，苯 将损失多少克？解：（1）V=nRT/P=20.1dm3（2）12.0dm3:气压为12.3kPa. 30.0dm3: P1V1=P2V2 P2= P1V1 /V2 =8.24 kPa （3）P总=P空气 P苯

15、P空气=89 kPa 这时，4dm3空气体积变为 V=(101.34)/89=4.55dm3, 也是苯蒸气的体积由PV=nRT= mRT/M得：m= PVM/RT=1.76g第二十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月三、超临界流体（supercritical fluid)当T Tc，PPc时的流体称为超临界流体 超临界流体兼有液体和气体的双重特性，扩散系数大，粘度小，渗透性好，与液体溶剂相比，可以更快地完成传质，达到平衡，促进高效分离过程的实现 第二十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 3. 溶液及其性质（properties of solution）一、基本概念（Basic

16、 concepts)根据 分散相直径分类：d 100nm 悬浊液、乳浊液。 1、分散系（dispersion system)：一种或几种物质的质点分散在另一种物质的质点中所形成的体系 分散相 (dispersion phase) ：被分散的物质分散介质 (dispersion medium):容纳分散相的物质分散相 溶质(solute) 分散介质 溶剂(solvent)。 2、溶液(Solution):一种物质以分子、原子或离子状态分散于另一种物质中所构成的均匀而又稳定的体系.第二十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月二、溶液的浓度表示法1、质量分数 (mass fraction, m

17、ass percentage) （w） ：2、摩尔分数(Mole fraction) （xi）: = n i / n = moles of solute/moles of all componentsppm(parts per million)，ppb(parts per billion) 3、体积物质的量浓度(Molarity) （cB）： cB = moles of solute/liters of solution4、质量物质的量浓度 (Molality) （mB） ： mB = moles of solute / kilograms of solvent当溶液很稀时， = 1，所以1k

18、g溶剂近似看作1L溶液，则cB mB 各种浓度之间的换算（Units exchange ）第二十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月三、溶解度原理（ principle of solubility)1、 溶解过程是物理化学过程。2、溶解度（solubility）:每100g溶剂中所能溶解的溶质的最大质量 3溶解平衡是动态平衡(dynamic equilibrium)。4影响溶解度的内因：“相似相溶”溶质和溶剂在结构或极性上相似* 液液相溶： * 固液溶解： 极性与极性，非极性与非极性易溶离子化合物复杂类似结构的化合物熔点低的易溶* 气液溶解： 高沸点气体溶解度大；气体在近似分子间力溶剂

19、溶解度大物质熔点()在苯中的溶解度(x)蒽2180.008菲1000.21萘800.26联二苯690.39第二十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 5、影响溶解度的外因: 温度和压力温度: 压力:压强增大时，对固体、液体溶解度变化不大，固体：若溶解过程是吸热，则升温溶解度增大 液体：温度升高，溶解度增大气体：温度升高，溶解度降低 气体溶解定律-Hernrys Law在一定温度和一定体积的液体中，所溶解的气体质量与该气体的分压成正比 数学表达式：kH = p / x kH：Henrys constant P：被溶解气体的分压（以mmHg为单位）X：溶解的气体在溶液中所占的物质的量分数。

20、 只适用于溶解度小、不与溶剂相互作用的气体第二十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月由亨利定律 Sample Exercise：20时，氧气溶解在水中的亨利定律常数为2.95107mmHg，在通常大气中，氧分压为0.21atm，此时有多少摩尔氧气溶在1000g水中？ 解:第二十九张，PPT共四十七页，创作于2022年6月6、溶解度原理的应用： 1）利用不同溶质在同一溶质溶剂中的溶解度的差别来分离物质固液体系： 分级结晶（重结晶 recrystalline）液液体系： 萃取气液体系： 2）利用溶解度差异来制备材料、生长单晶等高温区低温区第三十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月 四

21、. 非电解质稀溶液的依数性 (colligative properties)依数性: 与微粒个数有关的性质，与溶质种类无关1溶液的蒸气压降低（Lowering the vapor pressure）稀溶液依数性的核心 Raoult 定律：一定温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与溶剂的摩尔分数相乘;或者说蒸气压的下降等于纯溶剂的蒸气压乘以溶质的摩尔分数。（溶质不挥发） 对于稀溶液第三十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月Raoul 定律实验图 两种易挥发的物质互溶时，若在理想状态下，符合拉乌尔定律:反之，凡符合此式的溶液称理想溶液 * 理想溶液：溶液中各物质分子的大小及各种分子间力

22、的大小与性质相同 第三十二张，PPT共四十七页，创作于2022年6月例题: 某混合溶液由1mol苯和2mol甲苯组成，求20oC时蒸气组成。已知. 虽然苯在溶液中仅占33mol%，但在蒸气中占63mol %，所以易挥发的成份在蒸气中富积，成为蒸馏技术（distillation）的重要基础。解:第三十三张，PPT共四十七页，创作于2022年6月液体的沸点是指液体的饱和蒸气压与外界大气压相等时的温度；凝固点是指液体的蒸气压与其固体的蒸气压相等时的温度问题：（1）某一温度，一种物质固体的蒸气压大于液体，请问物质表现为溶解还是凝固？ （2）蒸发和沸腾的不同点 2.溶液沸点的升高和凝固点的降低（Boil

23、ing point elevation and Freezing point depression of solution） 第三十四张，PPT共四十七页，创作于2022年6月Tb = Kb m 沸点升高Kb为溶剂的沸点升高常数Tf = Kf m 凝固点降低Kf ：摩尔凝固点下降常数 Application: 测分子量同一溶剂：Kf Kb，不同溶剂：有机物的Kf 和 Kb较大第三十五张，PPT共四十七页，创作于2022年6月3. 渗透压（osmotic pressure）（1）半透膜：允许小分子（如水）透过，但大的溶质分子不能透过的膜状物质。（2）渗透：溶剂分子通过半透膜从稀溶液向浓溶液方向移

24、动的现象。（3）渗透压：为阻止渗透过程进行所需施加于溶液的压力称为渗透压。第三十六张，PPT共四十七页，创作于2022年6月（4）溶质分散在一定体积的溶剂中的渗透压和溶质扩散在等体积中的气体压力一样，即： V = nRT or = cRT a在极稀溶液中， mRT；b只有在半透膜存在下，才能表现出渗透压；c虽然稀溶液的 = cRT与气体的pV = nRT完全符合，但与p产生的原因是不同。 （5） Application: 用于极高分子量的测定Sample exercise：在250C、1升苯中含5.0克聚苯乙烯的溶液，其 = 7.6mmHg，试求聚苯乙烯的分子量？Solution：= 1.22

25、104（g / mol）第三十七张，PPT共四十七页，创作于2022年6月例：在常温恒压下，让一定量干燥的空气先缓慢通过含有5某不挥发性物质的苯溶液，然后再缓慢地通过纯苯液体。停止通气后，测得第一瓶得苯溶液失重1.24g, 第二瓶的纯苯失重0.04g, 试计算该溶质的分子量（假设气体，溶液均为理想状态，气液保持相平衡）解：P1V = m1RT/ MP0 V = m2RT/ MX剂 = P1/ P0 = m1/m2 =1.24/ (1.240.04) = 0.09688X质 =1 X剂 = 10.096880.0312按题意95g苯应能溶解的溶质为5g溶质X质 =n质/ (n质+ n剂 ) =

26、(m质/ M质) / (m质/ M质+ m剂/ M剂) 0.0312M = 127.5(g/mol)第三十八张，PPT共四十七页，创作于2022年6月5、电解质溶液的依数性(colligative properties of electrolytic solution) Tb=iKbm Tb= iKbm i：范特荷夫系数。 例：3.24g Hg(NO3)2和10.14g HgCl2 分别溶解在1000g水中，溶液的凝固点分别为 0.0558和0.0744，问哪种盐在水中以离子状态存在?（Kf = 1.86） 解： Hg(NO3)2 离子状态HgCl2 分子形式而而第三十九张，PPT共四十七页，

27、创作于2022年6月五、胶体溶液（Colloidal Solution）1定义：2胶态种类:体系有8种（gas-gas 除外）分散相粒子的直径在1100nm范围内的均匀分散系根据溶剂的相分为： 固溶胶（也叫凝胶）、溶胶、气溶胶我们研究固体分散在液体中的胶态体系溶胶（sol）。 溶胶又分两类：亲液胶体和疏液（憎液）胶体。前者指大分子溶液，是热力学稳定体系；后者则属于热力学不稳定的非均相体系，主要靠动力学稳定性和界面电荷维持体系的相对稳定，胶体化学主要研究后一类体系。 第四十张，PPT共四十七页，创作于2022年6月3溶胶制备(preparation): b化学凝聚法(ii) 氧化法制硫溶胶：(1) 凝聚法a物理凝聚法(i) 更换介质法：硫的洒精溶液倒入水中形成硫溶胶；(ii) 蒸气凝聚法：在特制的反应器中，蒸发钠金属与有机化合物（苯），在蒸气相中形成钠溶胶（aerosol）。(i) 还原法制Au溶胶：(iii) 分解法制镍溶胶：(iv) 水解法制Fe2O3水溶胶：(2) 分散法 ：机械、电、超声波等分散，胶体磨分散。 第四十一张，PPT共四十七页，创作于2022年6月4溶胶的特性： (1