物质聚集状态-2011.ppt

1、中国药科大学 无机化学教研室,第5章 物质的聚集状态,5.1 气 态 气体的通性 低压下气体的几个经验定律 理想气体状态方程、分压定律和分体积定律 5.2 溶 液 溶液的形成 溶液的浓度表示法 溶液的蒸气压和沸点 稀溶液的拉乌尔定律和依数性,物质的聚集状态：,固体 液体 气体 等离子体 （Plasma）,分子间作用力减弱,蒸发,熔化,升华,FIGURE 10-19,Direct transitions among all three states of matter not only are possible but are observed in everyday life.,The thr

2、ee states of matter,States of Matter Compared,Intermolecular forces are of little significance; why?,Intermolecular forces must be considered.,Intermolecular forces are very important.,5.1 气 态,气体的最基本特征： 可压缩性 扩散性,气体的理想状态： 分子不占有体积 分子间作用力忽略不计,什么是理想气体？,低压、高温的实际气体近似于理想气体 理想气体遵循理想气体状态方程,Graphical Represen

3、tation of Boyles Law,When volume is increased there is more area for the molecules to “hit”; less force per area.,Estimate the pressure at 3V and at 5V. Which plot is easier to use for making this estimation?,Graphical Representation of Charless Law,When temperature is decreased (constant P) , volum

4、e decreases.,Extrapolation to the lowest possible volume (zero) gives the lowest possible temperature (0 K).,Boyles Law: Charless Law: Avogadros Law:,理想气体状态方程,其中，R为摩尔气体常数。 1mol 理想气体，在标准状况下（STP）： p = 101.325kPa T = 273.15K Vm = 22.41410-3 m3 则：,注意单位：,1. 计算 p，V，T，n 四个物理量之一。,2. 气体摩尔质量的计算,理想气体状态方程式的应用,p

5、V = nRT,3. 气体密度的计算,组分气体： 理想气体混合物中的每一种气体 分压： 组分气体B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B的分压。,分压定律,Partial Pressures Illustrated,What would be the total pressure if 0.90 mol of N2 were added to the gas mixture in (c)?,Hmm partial pressure appears to be related to the number of moles of gas ,FIGURE 9-9,Fig.

6、9-9, p. 377,According to Daltons law, the total pressure of a gas mixture is the sum of the pressures exerted by the individual gases. Note that the total volume is the same in all three containers.,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： pt = p1 + p2 + ,x B B的摩尔分数,例题：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

7、.320、n(O2)=0.180、n(N2)=0.700mol。混合气体的总压p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。,解：n总= n (NH3) +n(O2)+n(N2),=1.200mol,=0.320mol+0.180mol+0.700mol,p(N2) = p总 p(NH3) p(O2) = (133.0 35.5 20.0)kPa = 77.5kPa,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,1-1. 溶液的形成和分类,1. 定义：两种或两种以上的物质所形成的混合物， 这些物质在分子层次上是均匀的，分散

8、程度达到分子水平。形成溶液后各部分的化学组成和物理性质相同。,三层含义：混合物(mixture) 分散程度：分子水平 均相系统，各部分物、化性质相同,一、溶液的形成,糖、盐水？有机物溶于汽油、酒精？空气？氢气溶于金属钯？汞溶于金？锌溶于铜？红豆和绿豆混合？开水冲泡奶粉？,判断：,3. 溶解过程,NaOH溶于水,NH4NO3溶于水,50升的水与 50升的纯乙醇混合,50升苯与 50升醋酸混合,放热,吸热,白色无水CuSO4溶于水,蓝色,体积100升,体积100升,Note：溶液不是溶质和溶剂的机械混合。,溶解(dissolve)进行示意图,NaCl溶解,溶解过程是一个特殊的物理-化学过程，常有吸

9、热(endothermic)和放热(exothermic)现象，并伴随着能量、体积、颜色等变化。,Formation of a Saturated Solution,Solid begins to dissolve.,As solid dissolves, some dissolved solute begins to crystallize.,Eventually, the rates of dissolving and of crystallization are equal; no more solute appears to dissolve.,Longer standing does

10、 not change the amount of dissolved solute.,二、溶液的分类,气态溶液,2. 气态溶液：气态混合物 如：空气；CO2、NO、H2的混合物 3. 固态溶液：各种金属合金 如：少量碳溶液溶于铁钢； 锌溶于铜黄铜,Examples of Solutions,1-2. 溶液浓度的表示方法,物理量的整体名词(“长度”、“质量”、“时间”) ，是国际单位制中7个基本物理量之一 含义：物质所含粒子数目的多少，包括分子、原子、离子、质子、电子等 表示为物质所含微粒数(N)与阿伏加德罗常数(NA)之比，即n=N/NA,复习,1. 物质的量(n)：,物质的量的单位，是国际

11、单位制7个基本的单位之一：一摩尔的物质含有阿佛加德罗常数个微粒，在数值上等于6.021023,2. 摩尔,例：计算1 S原子、0.25 Zn原子的物质的量为多少？ S的物质的量 = 1000/32 = 31.25 mol 0.25 Zn原子物质的量 = 250/65.4 = 3.82 mol,一摩尔分子、原子或离子的质量为摩尔质量，数值上等于分子、原子、离子的式量，以g/mol为单位,例：一摩尔NaCl的摩尔质量,2335.5 = 58.5 g/mol,3. 摩尔质量(M)：,1. 物质的量浓度( CB ),溶质B的物质的量(mol)除以混合物的总体积(L),(amount-of-substa

12、nce concentration of B),nB：B的物质的量；V：溶液的体积,(molm-3或 molL-1),2. 质量摩尔浓度( mB ),(molality of solute B),nB：B的物质的量；mA：溶剂的质量,溶质B的物质的量(mol)除以溶剂的质量(kg),(molkg-1),3. 摩尔分数( xB ),溶质B的物质的量(mol)除以混合物的总物质的量(mol),(mole fraction of B),nB：B的物质的量 ：溶液中所有物质的物质的量总和 xB：量纲为1,4. 质量分数( wB ),溶质B的质量(g)除以混合物的总质量(g),mB：B的质量 ：溶液中所

13、有物质的总质量,摩尔比rB (molar ratio of solute B) 溶质的物质的量与溶剂的物质的量之比,质量浓度B (mass concentration of B) 溶质的质量除以溶液的体积,溶解度 100 g溶剂中所能溶解溶质的最大质量(g),1-3. 液体的沸点与蒸气压,蒸发: 液体表面的气化现象叫蒸发(evaporation).,敞口容器,干涸,吸热过程,分子的动能： 红色：大 黑色：中 蓝色：低,一、液体的蒸气压,蒸发:,密闭容器,蒸发 冷凝 “动态平衡”,恒温,饱和蒸气压：与液相处于动态平衡的这种气体叫饱和蒸气，它的压力叫饱和蒸气压，简称蒸气压。,饱和蒸气压的特点： 温

14、度恒定时，为 定值； 气液共存时，不受量的变化； 不同的物质有不同的数值。,分子的动能： 红色：大 黑色：中 蓝色：低,蒸发初始,图示,饱和蒸气压,液体的蒸气压(vapor pressure),液体蒸发后，刚开始空间内的分子数不多，凝结量 也不多 而蒸发等速进行，蒸气中的分子随时间推移不断增 多，凝结量也不断增加， 最终蒸发量与凝结量相等，即蒸发出的分子数与冷 凝下的分子数相等，V蒸发= V冷凝,此时，宏观上，蒸气的密度不再增加，此时的蒸气压为饱和蒸气压，可以用来衡量液体的逃逸倾向。,1). 蒸气压是液体自身的性质，由平衡时的饱和 蒸气压来衡量 2). 特点: 温度恒定时，为定值； 气液共存时

15、，不受量的变化； 不同的物质有不同的数值 3). 随温度升高而增加,Note:,水在不同温度时的饱和蒸气压,思考： 密闭容器里装满液体，是否有蒸气压？ 有，仍然存在少数能量较大的分子离开母体而进入空气的倾向 2. 固体是否有蒸气压？ 有，只不过很小，通常不予考虑,二、液体的沸点,沸点之前，气化发生在液体表面，蒸气压不断增加 达到一定温度，液体表面和内部都发生气化，蒸气 压等于外压，液体就沸腾,思考：加热液体时，液体蒸气压力的变化？,沸点与外界压力有关。 外界压力等于101.3 kPa (1 atm)时的沸点为正常沸点，简称沸点。,当温度升高到蒸气压与外界气压相等时，液体就沸腾，这个温度就是沸点

16、。,沸腾是在液体的表面和内部同时气化。,Note：,1). 沸点随外压而变，压力越大，沸点越高 正常沸点：外压等于标准压力(101.325kPa)时液体的沸点 2). 在高山地区用高压锅煮饭 高山地区气压低，水沸点降低，饭难于煮熟。使用高压锅，锅内气压可达到常压的一倍，水的沸点约在120C左右，饭就很容易煮烂 3). 减压蒸馏(vacuum distillation) 当物质常压蒸馏易于分解或氧化，或分离提纯沸点较高的物质，可在减压的情况下蒸馏以降低沸点,1-4 难挥发非电解质稀溶液的依数性,(Colligative properties of dilute solution),颜色、导电性、

17、酸碱性,溶液的蒸气压 (vapor pressure),溶液的沸点 (boiling point),溶液的凝固点 (freezing point),渗透压 (osmotic pressure),溶液性质,溶质独立质点数决定：,溶质本质决定：,(溶液的浓度),蒸气压下降：与纯溶剂相比，难挥发的物质的溶液蒸气压下降。,问题：如果将蔗糖溶解在水中形成溶液，其蒸气压有何变化？,将一难挥发非电解质溶于某溶剂时，将出现如下现象：,溶液与纯溶剂之间产生渗透压,同一温度下，溶有难挥发溶质B的溶液中，溶剂A的蒸气压力总是低于纯溶剂A的蒸气压力。,原因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

18、的分子减少，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的蒸气压力之差叫做溶液的蒸气压下降。,一、蒸气压下降 (vapor pressure lowing) 拉乌尔定律,P = P0 XA,P：稀溶液的蒸气压 P0：纯溶剂的饱和蒸气压 XA：溶剂的摩尔分数,若仅有两个组分，设溶质的摩尔分数为XB：,P = PA0 XB,p: 溶剂蒸气压降低值 XB：溶质摩尔分数,Note：,1). 拉乌尔定律是溶液最基本的经验定律之一，稀 溶液的其他通性都可根据它进行分析和解释。 2). 一般来说，只有稀溶液中的溶剂方能准确遵守拉乌尔定律。,3). 可以求算非挥发性溶质的摩尔质量 MB,对于稀

19、溶液，即nA nB，,4). 如取1000 g溶剂，数值上nBm (质量摩尔浓度),Note：,m：质量摩尔浓度,5)*. 若溶质和溶剂均有挥发性(双液系)，此时溶液蒸气压为两种组分之和。,如：甲醇和乙醇；苯和甲苯,二、 沸点升高与凝固点降低,为什么含植物油较多的汤不易煮沸？ 为什么海水在273不冻结？ 为什么冰盐浴的温度比冰浴的低？ 为什么冬天在公路上撒用CaCl2或NaCl？ 为什么在严寒的冬天，在汽车水箱中加入甘油或乙二 醇等物质？,沸点(bp: boiling point)：液体的蒸气压等于外界压力时的温度。正常沸点 外压101.3 kPa的沸点,凝固点(fp: freezing po

20、int)：固态纯溶剂和液态溶液平衡时的温度（溶液凝固点是指和溶剂的固态共存的温度）,水和冰的蒸气压力曲线,Note： (1) 曲线上的每一点对应着相应压力下水的沸点、凝固点 (2) 液体的饱和蒸气压随温度升高而增大；沸点随外压增加而升高,AB：纯水的蒸气压曲线 AC：冰的蒸气压曲线,A：P下，Tf*时，水凝固 B：P*下，Tb*时，水沸腾,水溶液的沸点上升和凝固点下降示意图,P*,P(H2O,g)/Pa,Tf*,P,水,冰,A,B,沸点增加 Tb 凝固点降低 Tf,Tb,Tb = Kb mB Tf = Kf mB,Kb：溶剂的摩尔沸点升高常数 (ebuillioscopic constant)

21、 Kf：溶剂的摩尔凝固点下降常数 (cryoscopic constant) mB：溶质的质量摩尔浓度,沸点升高 ( Boiling Point Elevation ),含有难挥发性非电解质溶质的稀溶液，其沸点总高于纯溶剂的沸点，沸点升高值与溶液中溶质的质量摩尔浓度成正比，而与溶质本性无关。,凝固点降低 ( Freezing Point Repression ),含有难挥发性非电解质溶质的稀溶液，其凝固点总低于纯溶剂的凝固点，凝固点下降值与溶质的质量摩尔浓度成正比，而与溶质本性无关。,Note：,1). 纯溶剂的沸点恒定，而溶液沸点不断变化(浓度不断变化，饱和溶液的沸点恒定)，一般指溶液的沸点

22、是指溶液刚开始沸腾时的温度。 2). Tb = KbmB 只适用于难挥发非电解质稀溶液，对于电解质溶液及浓溶液，沸点升高的定性关系成立，但定量关系需要校正。,Osmosis and Osmotic Pressure,Net flow of water from the outside (pure H2O) to the solution.,The solution increases in volume until , the height of solution exerts the osmotic pressure () of the solution.,FIGURE 11-14,Fig.

23、 11-14, p. 465,In this device to measure osmotic pressure, the semi-permeable membrane allows solvent, but not solute, molecules to pass through. This results in a net flow of solvent into the tube until equilibrium is achieved, with the level of solution at a height, h, above the solvent in the bea

24、ker. Once this happens, the solvent molecules pass through the membrane at the same rate in both directions.,p. 466,When a carrot is immersed in saltwater (left), water flows out into the solution, causing the carrot to shrink. The osmotic pressure outside the cells of the vegetable is greater than

25、that inside. A carrot left in pure water (right) does not shrivel.,三、 渗透压,为什么海洋中的动物不能生活在淡水中 为什么吃咸的食物时就有口渴的感觉 为什么血红细胞置于纯水中会胀成圆球 为什么给缺水的植物浇水，不久植物会茎叶挺立,问题：如果将隔板拿开，两 边的液体有何变化？,水分子向糖水一侧扩散，溶质分子向水一侧扩散，直至形成均匀的溶液。,渗透 (osmosis) 现象,半透膜：能通过溶剂分子而不能通过溶质分子,(1) 半透膜：让某些物质通过，而不允许另一些物质通过的多孔性材料。,(2) 渗 透：溶剂（水）透过半透膜而进入溶液

26、的现象称之。,(3) 渗透压: 为阻止被半透膜所隔开的纯溶剂向溶液渗透所需要的压力,渗透作用必须满足二条件： 有半透膜 膜两边溶液的浓度不同,Vant Hoff (范特霍夫), ：稀溶液的渗透压(kPa/Pa) cB ：溶质B的物质的量浓度(molL-1/ molm-3) T ：热力学温度K R ：摩尔气体常数8.314 kPaLmol-1K-1/ 8.314 Pam3mol-1K-1,V= nBRT = cBRT,渗透现象的应用,植物利用根部从土壤中吸取水分和养分 植物的渗透压高于土壤的渗透压，植物才能不断地吸收水分和养料，促使本身生长；庄稼施肥过多会出现“浓肥烧死苗”的现象 人体内营养循环

27、 细胞膜(半透膜)分离新陈代谢中的废物，维持体内电解质平衡，过膜吸收营养成分为各器官提供能量,渗透压在医学上,医学上规定： 大于 320 mmolL-1 高渗溶液 280320 mmolL-1 等渗溶液 小于 280 mmolL-1 低渗溶液 将红细胞置于等渗溶液中，溶液与红细胞内液的渗透压力相等，细胞内、外处于渗透平衡状态，细胞形态不发生变化。,反渗透,若在溶液一侧外加一个大于渗透压的外压时，溶剂可从溶液向溶剂渗透或从浓溶液向稀溶液渗透的现象称做反渗透。,蒸气压下降，沸点上升，凝固点下降，渗透压都是难挥发的非电解质稀溶液的通性；它们只与溶剂的本性和溶液的浓度有关，而与溶质的本性无关。蒸气压下降是核心。正是由于蒸气压的下降，引起了沸点升高和凝固点降低。,小结,问题：若把一杯水和一杯糖水放在一密闭容器里， 将会发生什么变化？,蒸气压下降,沸点升