大学化学物质的聚集状态.ppt

《大学化学物质的聚集状态.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学化学物质的聚集状态.ppt（93页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一章 物质的聚集状态,中国地质大学（武汉）,中国地质大学材化学院化学系高强,1.1 气体,1.2 液体,1.3 溶液,2,物质由分子组成，在通常情况下，物质呈固态、液态和气态。,冰,液态水,水汽,有一定的体积、无固定的形状,有一定的体积和一定的形状,无固定的体积、无固定的形状,第一章 物质的聚集状态,例如水（H2O):,作用 力强,作用 力较弱,作用 力最弱,3,第一章 物质的聚集状态,温度升高时，分子热运动加剧。物质的宏观状态就可能发生变化，由一种聚集状态变为另一种聚集态。例如：,4,第一章 物质的聚集状态,当温度足够高时，外界提供的能量足以破坏分子中的原子核和电子的结合，气体就电离成自由

2、电子和正离子，即形成物质的第四态 等离子态。,宇宙中大部分发光的星球上的物质差不多都处于等离子态。日光灯和霓虹灯灯管里也存在等离子态。,5,1.高温火焰,6,2.太阳,7,3.闪电,8,四种聚集状态之间的转化,1.1 气 体,1.1.1 低压气体的经验定律,1.1.2 理想气体的状态方程式,1.1.3 分压定律和分体积定律,1.1.4 气体分子运动论(略）,1.1.5 实际气体,1.1 气 体,11,描述物质的关键参数：质量（m）和体积（V）物质的质量与数量（用物质的量n表示）有确定的定量关系；此外，实验证实气体的体积（V）与体系的温度（T）和压力（p）具有函数关系。气体的状态可用n、p、V、

3、T来描述。,1.1 气 体,12,1.1.1 低压气体的经验定律,体积小；压力大,体积大；压力小,波义尔定律：pV 常数（n,T 一定）,1.玻义尔实验(R.Boyle，1662):,n,T一定时：,13,1.1.1 低压气体的经验定律,温度低，体积小,温度高，体积大,盖.吕萨克定律：V/T 常数（n,p 一定）,2.盖.吕萨克实验(J Gay-Lussac，1808):,n,p一定时：,14,3.阿伏加德罗实验（A.Avogadro，1811)：,供气筒,气体的量增加，体积正比例增大,阿伏加德罗定律：V/n 常数（T,p 一定）,n,V,T,p一定时：,1.1.1 低压气体的经验定律,15,

4、1.1.2 理想气体的状态方程式,低压、高温下的气体可近似地看作是理想气体。在压力趋于零时，所有的实际气体都可视作理想气体。理想气体是严格遵守波义尔定律、盖吕萨克定律和阿伏伽德罗定律的，将这三个定律结合起来就得到了理想气体状态方程。,理想气体的模型：分子间没有作用力，分子本身没有体积的一种气体。,16,p1 V1 T1,一定量气体由p1 V1 T1变为p2 V2 T2,p2 V2 T2,p2 V T1,1.玻义尔定律,2.盖吕萨克定律,1,2,两个定律结合,17,理想气体状态方程,p：气体的压力，单位是Pa（帕斯卡）V：气体体积，单位是m3T：热力学温度，单位是K（开尔文）n：气体物质的量，单

5、位是mol（摩尔）R：气体常数,任意T，p下均服从 pV=nRT 的气体为理想气体,进一步由阿伏伽德罗定律可得：,P V=n R T,18,理想气体状态方程,理想气体状态方程也可表示为：,pV=(m/M)RT 或 p=(/M)RT,以此，可相互计算 p,V,T,n,m,M,(=m/V),19,对理想气体状态方程的几点说明,理想气体 在任意T，p下均服从上式,实际气体 在低压下（温度不太低）近似看作理想气体；,在压力趋近于零时，可视为理想气体；,在高压下，则需修正理想气体状态方程。,P V=n R T,20,【例】计算25 oC、100 kPa下1 mol空气的体积。,【解】将空气视为理想气体。

6、,21,【例】用管道输送天然气，当输送压力为200 kPa，温度为25时，管道内天然气的密度为多少？假设天然气可看作是纯甲烷。,【解】M 16.04103 kg mol-1、p、T均已知，求,p=(/M)RT,22,试求三甲胺的摩尔质量。,【解】,只有气体压力趋于零时，上式才成立，即,23,计算r/p，得到下表,24,1.1.3分压定律和分体积定律,V,T恒定,定义气体B的分压:混合气体中某组分B在同温下单独存在于整个容器时所具有的压力。,总压和分压之间的关系？,对任意气体：,25,理想混合气体的总压等于各组分的分压之和 道尔顿分压定律,V,T恒定,p1,p2,p,1、道尔顿分压定律,更一般地

7、：,26,对于其它气体：,?,道尔顿分压定律只适用于理想气体和低压气体,分压定律的适用范围,p1,p2,p,V,T一定,A与容器壁作用、B与容器壁作用、A-A、B-B作用、A-B作用,A与容器壁作用、A-A作用,B与容器壁作用、B-B作用,气体A,气体B,27,【例】3.0dm3的容器，内盛16g O2，28g N2，求300K时混合气体中O2、N2的分压及混合气体的总压。,【解】,28,29,2.阿马格分体积定律,p,T相同：,定义气体B的分体积:混合气体中某组分B单独存在，并与混合气体同温同压时所具有的体积,对任意气体：,混合气体体积和分体积之间的关系？,30,2.阿马格分体积定律,p,T

8、相同：,V1,V2,V,理想混合气体的总体积等于各组分的分体积之和 阿马格分体积定律,更一般地：,31,对于其它气体：,?,定义B气体的体积分数：,?,阿马格分体积定律只适用于理想气体和低压气体,分体积定律的适用范围,32,1.1.4 气体分子运动论（略）,分子运动论的基本论点是：（1）气体是由不停顿地作无规则运动的分子所组成。分子本身的体积与气体所占有的体积相比可以忽略。（2）分子间的相互作用力很小，可以忽略。（3）分子彼此间以及分子与器壁间的碰撞是完全弹性的。碰撞只改变分子运动的方向，而不改变分子运动的速度。分子与器壁间的碰撞产生压力。（4）气体分子的平均平动动能与气体的绝对温度成正比。一

9、摩尔气体分子的平均平动动能为：,33,1.1.5 实际气体,理想气体：,理想气体状态方程 pVm=RT 的实质为：(分子间无相互作用力的气体的压力)(1mol理想气体的自由活动空间)=RT,34,实际气体：,(1)由于分子间有相互作用力(一般吸引力主导），因此分子间相互作用减弱了分子对器壁的碰撞。,p理=p+p内=p+a/Vm2,式中a是与物质有关的经验常数（可查表），a与分子 间的吸引力大小有关，气体分子间的引力越大（即越容易液化），a越大。,1.1.5 实际气体,35,(2)由于分子本身占有体积,1.1.5 实际气体,b：1 mol 分子的等效体积，约为1 mol分子自身体积的 4倍，其值

10、有表可查,1 mol 真实气体的自由空间(Vmb),36,1.1.5 实际气体,或,范德华方程,范德华，荷兰,实际气体的状态方程有多种形式，其中范德华方程最常用。,37,【例】40 oC时，1.00mol CO2气体，存储于1.20dm3的容器中，实验测得压力为1.97MPa，试分别用理想气体状态方程和范德华方程计算CO2气体的压力，并和实验值比较。,【解】用理想气体状态方程计算,计算值与实验值误差,38,用范德华方程计算:由表1.1查出CO2气体范德华常数,计算值与实验值误差,39,1.1.6 气体的液化,1.气体的液化：,理想气体,不可液化,实际气体,可液化,如何使实际气体液化？,40,（

11、1）降温,1.1.6 气体的液化,41,1.1.6 气体的液化,（1）加压,加压一定能够让气体液化吗？,42,2.临界点,CO2的pVT图，即CO2的等温线,21.5,13.1,安德鲁斯（T.Andrews）实验结果,“假如有人问现在是处在气态还是液态呢？我相信这个问题不可能获得肯定的回答。”,43,CO2临界点,2.临界点,描述临界点的三个临界参数：Tc，pc，Vm,c,临界温度Tc：使气体能够液化所允许的最高温度,临界压力 pc:在临界温度时使气体液化所需的最低压力,临界摩尔体积Vm,c：在Tc、pc下物质的摩尔体积,每一种气体都有确定的临界点（可查表）,44,超临界（了解）,温度和压力均

12、略高于临界点的状态，称为超临界流体，它兼具液体性质与气体性质。,溶解能力强,扩散性能好,具有气体易于扩散和运动的特性，传质速率远远高于液体。,溶解能力易调变,压力和温度的微小变化，都可以引起流体密度很大的变化，从而使溶解度发生较大的改变。,45,超临界CO2萃取,无毒，无臭，无公害，是一种绿色技术。,超临界CO2从咖啡豆中除去咖啡因，从烟草中脱除尼古丁等，或萃取中药。,容易实现,46,1.2 液体,海洋,液氮,47,气,气体称为饱和蒸气 液体称为饱和液体 压力称为饱和蒸气压（简称“蒸气压”，常用符号p*）,一定温度下，气液平衡时：,液,1.2 液体,48,蒸气压是温度的函数,蒸气压外压时的温度

13、称为沸点饱和蒸气压101.325kPa时的温度称为正常沸点,因为蒸发是吸热过程，所以升高温度有利于液体的蒸发，即蒸气压随温度的升高而变大。,蒸气压与温度有明确的定量关系。,49,高压锅烧菜,50,减压蒸馏,利用液体沸点随外界气压变化的性质，对于高沸点或加热易分解的物质，可以采用减压蒸馏的方法实现分离和提纯，因为在减压时可以降低液体的沸点。例如对食品减压快速脱水保存，可以避免食品受热变质。,冷凝水进,冷凝水出,抽气,1.3 溶 液,1.3.1 溶液浓度表示法,1.3.2 拉乌尔定律与亨利定律,1.3.3 非电解质稀溶液的依数性,52,1.3 溶 液,一种物质以分子或离子的状态均匀地分布在另一种物

14、质中形成均匀的分散系统，称之为溶液。,溶液=溶剂+溶质,53,Na+,Cl-,1.3 溶 液,1.电解质溶液,完全离解,Na+,Cl-,54,CH3COOH,CH3COO-,H+,2.弱电解质溶液,1.3 溶 液,部分离解,55,sugar,3.非电解质溶液,1.3 溶 液,不离解,56,（1）溶液组成如何表示？,（2）气相中，气体A（或B）的分压与溶液中A（或B）的浓度有什么关系？,1.3 溶 液,57,1.3 溶 液,（3）如果溶质不挥发，加入溶质前后气体压力是否有 变化？,58,1.3.1 溶液浓度表示法,溶液中B组分的浓度表示法主要有如下四种：,1.物质的量分数,2.质量摩尔浓度,3.

15、物质的量浓度,4.质量分数,59,1.3.1 溶液浓度表示法,1.物质的量分数(mole fraction),2.质量摩尔浓度bB（molality）,3.物质的量浓度cB（molarity）,4.质量分数wB（mass fraction）,量纲为一,单位 mol/kg,单位 mol/L,量纲为一,mA是溶剂的质量！,60,溶液的配制,61,溶液的配制,62,1.3.2 拉乌尔定律与亨利定律,1.3.2.1 拉乌尔定律,1.3.2.2 亨利定律,63,拉乌尔定律：在一定温度下，稀溶液中溶剂的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数。,拉乌尔，法,1.3.2.1 拉乌尔定律,压力按比例下降,切

16、记前提条件：稀溶液,64,因为溶质浓度很低，所以对于每个溶剂分子来说，其周围相邻的分子基本上仍是同类的。故可认为，从稀溶液和从纯溶剂中，每个溶剂分子逸出液面进入气相所需克服的作用力是相等的；但是溶质分子占据了部分溶剂分子的位置，导致蒸汽压按比例下降。,拉乌尔定律的微观解释,65,拉乌尔定律的应用,纯水,稀溶液,一段时间后,66,亨利定律：在一定温度下，稀溶液中挥发性溶质的平衡分压与它在溶液中的浓度成正比，即：,kx称亨利常数，其值取决于温度、压力及溶质和溶剂的性质。,亨利定律还可表示成：,三种亨利常数kx、kc、kb数值、单位都不同。,1.3.2.2 亨利定律,67,亨利定律的微观解释,因为溶

17、质浓度很低，所以对于每个溶质分子来说，其周围几乎全部是溶剂分子。那么，进入气相的全部溶质分子的数目（正比于溶质的分压）就取决于液相中溶质分子的多少（即溶质的浓度）,68,应用亨利定律时应注意,应用亨利定律时，必须注意溶质在气液两相中的分子状态必须相同。例如，以下情形亨利定律不适用：,Cl-,H+,苯甲酸,水作溶剂,苯作溶剂,69,【例】在0时，101.325kPa下，1kg水至多可溶解0.0488dm3的氧气，试计算暴露于空气的1kg水中含氧气的最大体积（已知空气中氧的摩尔分数为0.21）。,1kg水物质的量,1kg水溶解氧气的摩尔分数,【解】1kg水溶解氧气的物质的量,70,空气中氧的分压为

18、,1kg水溶解氧气最大浓度为,1kg水中溶解氧气的最大体积：,亨利常数,71,又解：,在0时，101.325kPa下,暴露于空气下,将O2视作理想气体，气体体积V与物质的量n成正比，即与质量摩尔浓度成正比。所以,72,1.3.3 非电解质稀溶液的依数性,非电解质稀溶液有四个重要的性质：蒸气压降低沸点上升凝固点下降渗透压这四个性质，只决定于溶液中溶质粒子的数目，与溶质的本性无关，故称为非电解质稀溶液的依数性。,73,（1）蒸气压降低,令,一定温度下，溶液蒸气压的下降值Dp与溶液中溶质的摩尔分数成正比。,拉乌尔定律,则,74,（2）沸点升高,B,Tb,Tb*,A,沸点是溶液的蒸气压等于外压时的温度

19、。,若在溶剂中加入不挥发性物质，溶液的蒸气压降低，只有加热到更高温度时，溶液才能沸腾，所以溶液的沸点总是比纯溶剂的沸点高。,75,（2）沸点升高,可以证明：稀溶液的沸点升高与溶液的浓度成正比，即,76,（2）沸点升高,请说出两种使得水的沸点升高的方法,77,【例】将496mg尼古丁溶于10.0g水中，所得溶液在101.325kPa下沸点为100.17C，求尼古丁的分子量。,尼古丁摩尔质量：,【解】,水的沸点升高常数,题设溶液的质量摩尔浓度为：,78,（3）凝固点降低,固态纯溶剂与液态溶液平衡时的温度就是溶液的凝固点。,溶液的凝固点比纯溶剂的凝固点低。,当溶剂不与溶质生成固熔体时：,79,（3）

20、凝固点降低,Tf*、Tf分别为纯溶剂和溶液的凝固点。,可以证明：稀溶液的凝固点降低与溶液的浓度成正比，即,80,撒盐融冰,注意：Na+和Cl-应分别单独作为溶质考虑,81,【例】将2.76g甘油（丙三醇C3H8O3）溶于200g水中，测得凝固点为-0.279，求甘油的摩尔质量。,200g水中含甘油为：,甘油的摩尔质量：,【解】溶液的质量摩尔浓度为：,82,(4)渗透压,溶剂分子通过半透膜的扩散现象称为渗透。渗透作用达到平衡时，半透膜两边的静压力之差称为渗透压。,渗透压也是阻止渗透作用所施加于溶液的最小外压。,83,渗透压的构成要素,半透膜：允许溶剂分子通过而阻止溶质分子通过。,浓度差：半透膜两

21、边的溶液浓度不同。,84,(4)渗透压,范特霍夫（J.H.Vant Hoff）根据实验，提出形式与理想气体状态方程相似的稀溶液渗透压公式,渗透压是溶液依数性中最灵敏的一个性质，因此常用渗透压法确定大分子的相对分子质量。,或,85,渗透压与生活,咸鱼,腌萝卜,糖拌西红柿,86,渗透压与生理,87,渗透压与治疗,人工肾,88,渗透压与工业,逆渗透,89,【例】有一蛋白质，摩尔质量在12000左右，试比较沸点上升法及渗透压法测定它的分子量之误差。,【解】沸点上升法：,水的沸点升高常数,温度测量的精度一般不小于0.01K，所以用沸点升高法无法准确测量。,设取1.00g蛋白质溶于100g水中，20C 时沸点升高值：,90,渗透压法：取1.00g蛋白质溶于100g水中，在20C时的渗透压。,渗透压可以准确测定，所以用渗透压法可准确测定蛋白质的分子量。,91,1kg血液中含溶质的物质的量,1kg血液的体积近似为,【解】(1)设血液的质量摩尔浓度为bB，则,92,所以,ldm3蔗糖水溶液中需含103.07g蔗糖时才能与血液有相同的渗透压。,【解】因为,(2)在同温度下，ldm3蔗糖(C12H22Oll)水溶液中需含有多少克蔗糖时才能与血液有相同的渗透压。,93,“化学人类进步的关键”,西博格（美国著名化学家，诺贝尔化学奖获得者）,本 章 结 束 语,