《工科化学》课件第一章 物质的凝聚状态1

2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军1第一章物质的聚集状态本章要求1．掌握理想气体的概念及理想气体状态方程式、混合理想气体的分压定律和分体积定律。2．了解实际气体p、V、T的关系。3．掌握溶液和液体混合物组成的常用表示法。4．理解饱和蒸汽压的概念，掌握拉乌尔定律和亨利定律，了解其使用范围。5．了解物质的几种聚集状态：气、液、固和等离子态。

2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军2一、理想气体（idealgas；I.G.）1.定义：

在任何温度、压力下均服从理想气体状态方程的气体称为理想气体。2.理想气体具备的两个条件：

分子是无体积的质点；分子间无任何作用力。3.微观模型：

理想气体是一种分子本身无体积；分子之间无相互作用力的气体。几点说明：(1)理想气体客观上不存在，是从实际中抽象出来的假想气体（p→0）;(2)高温或低压的实际气体接近理想状态，近似适用理想气体状态方程；(3)理想气体状态方程能够满足一般工程计算需要;(4)R的数值用外推法求。§1.1理想气体

2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军3二、理想气体状态方程f(p,V,T)=0;f(p,V,T,n)=02.理想气体状态方程

波义耳(R.Boyle)定律:

pV=C(n,T恒定);

盖•吕萨克(J.Gay-Lussac)定律:

V/T=C(n,p恒定);

阿伏加德罗(A.Avogadro)定律:

V/n=C(T,p恒定);pV=nRT说明:

(1)该状态方程仅严格适用于理想气体;

(2)实际气体在高温或低压条件下近似适用;（为什么？）

(3)R是摩尔气体常数;1.什么叫状态方程

物质的聚集状态是通过一系列的性质来描述的，性质确定，物质就处在一定的状态。类似这种函数关系称为状态方程。2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军4式中：p—压力（Pa），V—体积(m3)，n—物质的量(mol)，T—热力学温度(K，T/K=273.15+t/

C)，R—摩尔气体常数(8.314J·mol-1·K-1)。二、理想气体状态方程

推论2：物质的量n与质量m、摩尔质量M的关系为：1.什么叫状态方程2.理想气体状态方程pV=nRT由得：由得：

推论1：根据摩尔体积的定义：2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军5三、摩尔气体常数(R)的求取T为常数pVm=RT→R=pVm/T3.4.说明:1.确定温度下,同一气体

的Vm随p变化;实验可测得pVm～p关系。2.不同气体,T,p相同,pVm

也不相同;图1.1

273.15K时不同气体的pVm-p等温线2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军6例1.1

一个体积为40.0dm3的氧气钢瓶。在25

C时，使用前压力为1.25

103kPa。求钢瓶压力降为1.00

103kPa时所用去的氧气质量。解：使用前钢瓶中O2物质的量：n1=p1V/RT=20.2mol

使用后钢瓶中O2物质的量：n2

=p2V/RT=16.1mol

所用的氧气质量：m=(n1-n2)M=(20.2-16.1)mol

32.0g

mol-1=130g

答：用去的氧气质量为130g。强调：

1.注意解题过程的完整性；

2.注意运算过程中量纲的统一。2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军7

在研究低压下的混合气体时，得到了两个经验定律。严格来说，它们都只适用于理想气体。1、分压定律

(道尔顿，1801)四、分压定律和分体积定律

内容：在温度和体积恒定时，混合气体的总压力等于分压力之和。p=p1+p2+…+pN=pi

注意：——分压力(partialpressure)：温度为T时组分i单独占据总体积V时所具有的压力。定义此压力为混合气体中i组分的分压力（注意不同教材关于分压力有不同的定义）2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军8

p=nRT/V=n1RT/V+n2RT/V+…+nNRT/V

==p1+p2

+…+pN

=

pi

分压定律是气体遵守IG定律的必然结果：

分压定律的另一形式：pi=yi

p

yi——i组分的物质的量分数

说明：气体混合物的物质的量分数常用yi表示，液体混合物的物质的量分数，则常用xi表示）。2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军9

内容：在温度和压力恒定时，混合气体的总体积等于分体积之和。V=V1+V2+…+VN=

Vi2、分体积定律

(阿马格，1880)

注意：——分体积(partialvolume)：温度为T时组分i单独具有总压力p时所占据的体积。定义此体积为混合气体中i组分的分体积（注意不同教材关于分体积有不同的定义）

分体积定律是气体遵守IG定律的必然结果：

V=nRT/p=n1RT/p+n2RT/p+…+nNRT/p=

niRT/p=V1+V2+…+VN=Vpi2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军10

Vi

=yiV

或Vi

/V=yiyi——i组分的摩尔分数（molefraction）。意义：体积分数即为其摩尔分数。

分体积定律的另一形式：1.分压定律与分体积定律广泛用于混合气体的计算。

2.当使用分压时，必须用总体积；而使用分体积时，则应用总压。

3.两定律的适用条件皆为总压不高的情况，严格适用于混合理想气体。小结：现举例说明2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军11例1.2

将氯酸钾加热分解以制备氧气，生成的O2用排水集气法收集。在25℃，101.3kPa时，收集得到气体体积为500ml。已知25℃，pH2O=3.17kPa。计算：（1）O2的物质的量；（2）干燥O2的体积。解：按题意，收集得到的气体是O2和饱和水蒸气的混合气体。即：pO2

=p-pH2O=101.3kPa-3.17kPa=98.13kPa（1）O2的物质的量：

nO2=pO2

V/RT=1.98

10-2mol（2）干燥O2的体积：

V(O2)=V

y(O2)=500ml(98.13kPa/101.3kPa)=484ml答：O2的物质的量为1.9810-2mol；干燥O2的体积为484ml。2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军12例1.325℃时，32g的氧和14g的氮盛于20L容器中，试计算：（1）这两种气体的分压；（2）混合气体的总压力；（3）这两种气体的分体积。解：根据pi=niRT/V（1）p(O2)==1.24

105（Pa）p(N2)==6.20

104（Pa）（2）混合气体的总压力p=p(O2)+p(N2)=1.86

105（Pa）（3）根据Vi/V=ni/n=yiO2的分体积V(O2)=y(O2)V=

20=13.33（L）同理可得N2的分体积V(N2)=6.67（L）答：O2的分压为1.24

105Pa；N2

的分压为6.20

104Pa，总压力为1.86

105Pa；O2和N2

的分体积依次为13.33L和6.67L。2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军131、气体由不停顿地作无规则运动的分子所组成。

分子的直径与它们之间的距离相比可以忽略不计，亦即分子本身的体积与气体所占有的体积相比可以忽略。五、气体分子运动论——基本要点

2、气体分子间互相作用力很小，气体分子的运动与其他分子无关，分子可视为独立运动。3、气体分子在运动中，分子不仅相互碰撞，而且对器壁进行连续撞击产生压力。4、气体分子的平均平动能与气体的热力学温度成正比。2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军14

压力：大量分子碰撞所产生的垂直作用于单位面积上的力；

温度：气体分子平均动能的度量，气体分子的平均平动能越大，系统的温度越高，它们都是大量分子行为的统计平均结果，是一种统计量。因此，说一个分子的压力或温度是没有意义的。

体积：则是气体分子自由运动的空间。气体分子运动论对几种常见宏观性质的微观解释：2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军15§1.2实际气体一、压缩因子（compressibilityfactor）(1)理想气体:pVm/RT=1；(2)实际气体在低温或高压下，均出现明显偏差，即pVm/RT≠1。P,atm

图（补充）：一些实际气体的pV-p等温线如左图所示：2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军161.定义:2.Z-p曲线1)同一种气体在不同Ｔ,p时的Z值A.低压、高温条件下,真实气体接近于理想气体;B.Z值与1差别的大小,就表示理想气体与真实气体的差别;C.低温、高压条件下,Z值随p单调增大。2)不同气体在相同的T、p下一般具有不同的Z值P,102kPa图（补充）

甲烷在不同温度下的Z-p等温线§1.2实际气体一、压缩因子（compressibilityfactor）2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军173.说明(1)Z值的大小反映了实际气体对理想气体的偏离程度;(2)Z>1时,(pVm)实/RT=Z>1=(pVm)理/RT(Vm)实>(Vm)理实际气体难压缩，正偏差；(3)Z<1时,实际气体比理想气体易压缩,负偏差；(4)Z=1,不一定是理想气体。

(Vm)实>(Vm)理，表明该气体在指定T,p条件下，存在着pVm=RT关系，但不具备理想气体的模型。思考：既然理想状态方程在实际体系中有应用的局限性，是否可以从理想气体与实际气体的区别入手对状态方程进行修正呢？2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军18理想气体状态方程:pVm=RT

p-指分子间无作用力时气体对容器器壁的作用力(实验测

得压力);

Vm-指1mol气体分子的自由活动空间.但实际气体的行为应该用什么样的气体状态方程式来描

述呢?因实际气体分子间有作用力,且分子本身有体积.二、范德华(VanderWaals)方程——修正体积和压力项1体积修正项理想气体:V=V容器真实气体:V=V容器-V`V`=分子本身体积p(V-V`)=nRT理想气体:p=p气壁(实验测得)真实气体:p=p气壁+p`

(实验测得)

(内压力)§1.2实际气体2.2压力修正项2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军19§1.2实际气体一、压缩因子（compressibilityfactor）

表示实际气体与理想气体之间偏差的物理量：二、范德华方程a、b——范德华常数。意义：易液化的气体，气体分子间吸引力越大，a越大；分子越大，则b越大。2023/10/11工科化学多媒体课件－石建军20物质a/(Pa

m6

mol-2)b

103/(m3

mol-1)物质a/(Pa

m6

mol-2)b

103/(m3

mol-1)H20.02470.0266N20.1410.039