无机及分析化学第四版第一章教学用课件讲解

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1、第一章 气体和溶液 学习要求 n掌握理想气体状态方程及其应用； n掌握道尔顿分压定律； n理解稀溶液的依数性及其应用； n熟悉溶胶的结构、性质、稳定性及聚沉 n了解大分子溶液与凝胶 物质的聚集状态 n气体 n液体 n固体 此外：液晶态-物质的第四态或中介态，液体和晶态 之间，自发有序仍能流动的状态（有序流体）。 等离子态-部分电子被剥夺后的原子及原子被 电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质 物理量 单 位 压力 p 帕斯卡 Pa （Nm2） 温度 T 开尔文 K 体积 V 立方米 m3 物质的量 n 摩尔 mol 描述气体状态的物理量 1.1.1 理想气体分子的特征 严格遵守理想气体状态

2、方程的气体称为理想气 体。 *理想气体分子间的作用力忽略不计。分子与分 子之间、分子与器壁之间的碰撞，是完全弹性碰撞 -无动能损失。 *理想气体分子本身占有的体积忽略不计,将分 子看成有质量的几何点。 严格意义上的理想气体实际上是不存在的。但对 实际气体来说，只要温度不是太低（高温），压力 不是太高（低压），都可以近似用理想气体状态方 程作有关p、V、T、n 的计算。 1.1 理想气体状态方程与分压定律 1.1.2 理想气体状态方程与分压定律 (1) 理想气体状态方程 理想气体的温度（T）、压力（p）、体积(V)和物质的量（n）之 间, 具有如下的方程式关系： pV = nRT 在SI制中，p

3、的单位是Pa，V的单位是m3，T的单位是K，n的单位是mol， （标准状况下，p=101.325kPa，T=273.15K， 1 mol 气体的标准摩尔体积为 22.41410-3 m3）摩尔气体常数R的单位及数值为: (2)气体的分压定律 * 什么叫分压力pi ？ 某一组分气体对器壁产生的（施加的）压 力叫该组分气体的分压力 pi。等于该气体 单独占有该容器时产生的压力-道尔顿分压定 律。 * 分压力与总压力的关系 假如容器中有A、B、C。等多种气体，则： P = pA + pB + pC + =pI = nRT/V （理想气体方程也适合混合气体） (总压力等于分压力之和) pA = xA

4、P, pB = xB P, pi = xi P (其中：xi = ni/ n总称作摩尔分数) 混合气体中各组分的摩尔分数之和等于1 1.2 相与界面 体系中物理性质和化学性质完全相同的部分称为相 （phase）。将相与相分隔开来的部分称为相界面（简 称为界面,interface）。 相与相之间在指定的条件下具有明确的界面，在界 面两边体系的性质会有突跃变化。处于界面上的原子 或分子的受力情况与相内部的不同，往往存在剩余引 力，具有界面能。一般来说，体系中存在的界面越多 ，能量就会越高，体系也会越不稳定。 铁粉和硫磺粉 汽 水 冰 油 水 汽 *对于相这个概念，要注意如下几点： (1) 不论有多

5、少种气体组分都只有一个相（即气相）。这种只有一个 相的体系称为单相体系或均匀体系。 (2) 除固溶体（固体溶液）外，每一种固态物质即为一个相，体系中 有多少种固态物质即有多少相。含有两个或多个相的体系称为多相体系 或非均匀体系。 (3) 液态物质视其互溶程度通常可以是一相（例如水与酒精的混合物 ）、两相（例如水和油的混合物）、甚至三相共存（例如水、油和汞的 混合物）。 (4) 单相体系中不一定只有一种组分物质（例如气体混合物即由多种 物质所组成）；同一种物质也可因聚集状态的不同而形成多相体系（例 如水、水蒸气和冰三相共存）；聚集状态相同的物质在一起也不一定就 是单相体系（例如油水分层的液态体系

6、有两相）。 起分散作用被分散 1.3.1分散体系 （1）什么是“分散体系”？ 一种（几种）物质 的 细小粒子 分散于 另一种物质中 分散质 (大小有别) 分散剂（分散介质） 1.3 溶液 a)分子或离子分散体系-真溶液（单相体系）： 0.11 nm ( 10-6 m), 例如：泥浆水(悬浊液）、牛奶、豆浆 等。肉眼或在显微镜下可观察到微粒，静置易沉淀，是一种不 稳定的体系。 （2）三种常见的分散体系 1.3.2 溶液 (）溶液的一般概念 分子或离子分散体系 单相 按聚集状态：气态溶液、液态溶液、固态溶液 (）溶解过程与溶液的形成 溶质均匀分散于溶剂中的过程溶解 是个既有化学变化，又有物理变化的

7、复杂过程 常伴随：颜色变化，体积变化，能量变化 (）溶解度的概念 单位溶剂中最多能溶解的溶质的量溶解度 溶解度与温度、压力等因素有关。 (）相似相溶原理 溶剂与溶质的分子结构相似，就能较好地相互溶解。 (）溶液浓度的表示方法 物质的量浓度 c (mol L-1 或 mol dm-3) 质量摩尔浓度 m (mol kg-1) 摩尔分数 x ( 无单位 ) 1.3.3：难挥发非电解质稀溶液的依数性 (Colligative properties of dilute solutions) (1) 什么是“稀溶液的依数性 ”？ 与溶解有关的性质分为两类： 溶液的颜色、比重、导电性等性质， 与溶质的本性

8、有关；溶液的蒸气压、沸点、凝固点等性质，与溶质的本 性无关。 只与溶质的数量（摩尔分数）有关，而与溶质的本性 无关的性质，称为“依数性”。 只有溶质的浓度低，即所谓“稀溶液”才具有依数性 依数性来源于分散微粒间距离远，作用力小 1、蒸气压下降（The lowering of the vapor pressure) 2、沸点上升 (The elevation of the boiling point) 3、凝固点降低 (The depression of the freezing point) 4、渗透压 (The phenomenon of osmotic pressure) 通常所说的“依数

9、性”，包括四个方面： 什么是物质的饱和蒸气压？ 什么是溶液的饱和蒸气压？ “溶液的蒸气压下降”这句话是什么意思？ 为什么溶液的蒸气压会下降？ 下降多少，由什么决定？ (2) 溶液的蒸气压下降 为什么会发生这种现象 ？ 蔗 糖 溶 液 水 放置一段时间后，水自动转移 到糖水中去。 蔗 糖 溶 液 水 气化（蒸发）：液体表面能量较大的分子，克服分子间的引力，逸 出液体表面进入液体上面的空间。 凝结：气相中的分子，可能与液体表面发生碰撞，并被周围的液体 分子所吸引，重新回到液相。 饱和蒸气压：当：凝聚速度 = 蒸发速度 达到平衡，此时蒸气压为一 定值。称为饱和蒸气压。 饱和蒸气压 1） 纯溶剂的饱和

10、蒸气压 在密闭容器中，在纯溶剂的单位表面上，单位时间里，有 N0 个 分子蒸发到上方空间中。 随着上方空间里溶剂分子个数的增加，分子凝聚回到液相的机会 增加。 上方空间里溶剂分子个数逐渐增加，密度增加，压力也增加。 这时起，上方空间里溶剂分子的个数不再改变，蒸气 的密度也不再改变，保持恒定。 当密度达到一定数值时，凝聚的分子的个数也达到 N0 个。 此时，蒸气的压力也不再改变。 这个压力称为该温度下溶剂的饱和蒸气压，用 p0 表示。 蒸 发 液体 气体 凝 聚 达到平衡后，若使蒸气压小于 p0，则平衡右移，液体气化； 若使蒸气压大于 p0，则平衡左移，气体液化。 p0 p0 2）什么是溶液的饱

11、和蒸气压？ 指的是溶液中，作为溶剂的那种物质，所具有的饱和蒸 气压（分压力）。 溶液的饱和蒸气压同样与温度密切相关： 溶剂的表面 溶液的表面 难挥发溶质的分子溶剂分子 同一温度下，溶液 的蒸气压比纯溶剂的蒸 气压要小，它们之间的 差值，叫“溶液的蒸气 压下降”。 3） “溶液的蒸气压下降”这句话是什么意思？ 4）为什么溶液的蒸气压会下降？ 当溶质分散于溶剂之中 ，溶液表面的部分位置 ，被溶质分子所占据， 使得单位表面所能逸出 的溶剂的分子个数减少 ，因此溶液蒸气压较之 纯溶剂有所降低。 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 过程开始时，水和糖水均以蒸发

12、为主。 当蒸气压等于 p 时， 糖水与 上方蒸气达到平衡。 5） 解释实验现象 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 由于 p0 p，此时水并未与蒸气达到 平衡，水将继续蒸发，致使蒸气压大于 p。 于是水蒸气分子开始凝聚到糖水中。 这又使得蒸气压不能达到 p0 于是， H2O 分子从水中蒸出而凝聚入糖水。 6）溶液的蒸气压下降多少？ 拉乌尔定律（Raoults Law) (1887年，法国物 理学家) 在一定温度下，稀溶液的饱和蒸气压等于纯溶剂的饱和 蒸气压与溶剂的摩尔分数之积。 p = p0x剂 用 p 表示稀溶液饱和蒸气压下降值，则有 p = p0 p = p0 p0x剂 故有 p =

13、p0 x质 在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸 气压下降，等于纯溶剂的蒸气压，乘溶质的摩尔 分数，而与溶质的本性无关。（ P0：溶剂的饱和 蒸汽压） p: 纯溶剂蒸气压与稀溶液蒸气压之差 对于稀溶液： n质 p溶 。 l1 l2 l3 p/Pa T/K l1 水 l2 水溶液 l3 冰 1.013 10 5 A 373 A T1 611 B 273 当溶液和冰共存时，冰要熔解， 或者说溶液此时尚未达到凝固点。 l1 l2 l3 p/Pa T/K l1 水 l2 水溶液 l3 冰 1.013 10 5 A 373 A T1 611 B 273 l1 l2 l3 p/Pa T/K l1 水 l

14、2 水溶液 l3 冰 1.013 10 5 A 373 A T1 611 B 273 （8）降温到 T2 273 K 时， 冰线和溶液线相交于 B点。 T2 B l1 l2 l3 p/Pa T/K l1 水 l2 水溶液 l3 冰 1.013 10 5 A 373 A T1 611 B 273 （8）在 B点，即 p冰 = p溶 时， 溶液才开始结冰，达到凝固点。 T2 B 溶液的凝固点降低，比纯溶剂低。 l1 l2 l3 p/Pa T/K l1 水 l2 水溶液 l3 冰 1.013 10 5 A 373 A T1 611 B 273T2 B 可见，由于溶液的饱和蒸气压 的降低，导致溶液沸点

15、升高、凝固 点降低。 即水溶液的沸点高于纯水而其 凝固点低于纯水。 5）溶液的沸点上升、凝固点下降，变化值有多大？ 拉乌尔定律（ Raoults Law) Tb = kb b Tf = kf . b Tb Tf 表示溶液沸点上升、凝固点下降的度数 kb kf 称为溶剂的沸点上升常数、凝固点下降常数,是溶剂的本性 ，与溶剂的种类有关。但与溶质种类无关，只与溶质浓度有关（依数性） 。 b为溶质的质量摩尔浓度，即:1 kg溶剂中所溶解的溶质的摩尔数。 用拉乌尔定律，通过测量溶液的沸点上升、凝固点下降的方法，测定 溶质的分子量或摩尔质量。 沸点上升、凝固点下降应用：冰盐浴做低温冷冻剂、低温防冻剂（乙 二醇等） （4）溶液的渗透压 糖水的蒸气压低于纯水的蒸气压 空气中只有水分子能通过 纯水糖水 放置一段 时间后！ 放置一段时间后： 糖水柱升高，而水柱降低。 水 半透膜 蔗糖溶液 这种溶剂透过半透膜，进入溶液的现象， 称为渗透现象。 蔗 糖 水 溶 液 柱 水 柱 故两侧静压相等时，单 位时间里，进入蔗糖溶液的 H2O 分子（右行水分子）比 从蔗糖溶液进入水