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1、第二章 化学基础知识,主要内容： 1、气体： 理想气体的状态方程； 实际气体的状态方程； 气体的扩散、速率和能量方面的性质。 2、液体： 溶液所涉及的一些基本概念； 饱和蒸汽压（溶剂与溶液）； 非电解质稀溶液的依数性 （蒸汽压降低，沸点升高，凝固点降低，渗透压） 3、固体,1,气体，液体和固体是物质存在的三种状态。 气体研究最早，比较简单。,2-1 气体 2-1-1 理想气体的状态方程,描述气体状态的物理量,2,符合下面两条假定的气体，叫做理想气体： (1)忽略气体分子的自身体积, 将分子看成是有质量的几何点(质点)。 (2)分子间作用力被忽略; 分子与分子、分子与器壁之间的碰撞, 是完全弹性
2、碰撞- 无动能损耗。 在高温和低压下, 实际气体分子间的距离相当大，气体分子自身体积远远小于气体占用的体积，分子间的作用力极弱，这时实际气体接近理想气体。故这种假定是有实际意义的。,理想气体的基本假定,3,Boyle 定律：,V ,1,p,当 n 和 T 一定时，气体的 V 与 p 成反比 。,理想气体的经验公式,V T,CharlesGayLussac 定律：,当 n 和 p 一定时，气体的 V 与 T 成正比。,4,R 8.3145 Pa m3 mol-1 K-1 8.3145 J mol-1 K-1,R: 摩尔气体常数,1 mol 理想气体，0 C，1 atm 时的体积 22.4 L。,
3、pV n RT,J= Pa m3 =Nm-2 m3 = Nm,R pV / n T,6,物质的量 (n) mol,温度 T (temperature) T (t + 273.15) K,压力 p (pressure) 1 atm 760 mmHg 101325 Pa 101 kPa 0.1 MPa,体积 V (volume)1 m3 103 L 103 dm3 106 cm3,7,解：依据题意可知 V1 V2 ， n1 n2 此时,解得 T2 900 K 当温度达到 900 K 以上时，烧瓶会炸裂。,例2-1 一玻璃烧瓶可以耐压 3.04105 Pa ，在温度为300 K 和压强为 1.031
4、05 Pa 时，使其充满气体。问在什么温度时，烧瓶将炸裂?,8,例 2-2 27 C和 101 kPa下，1.0 dm3 CO2质量为多少克？,解：由理想气体的状态方程 pV nRT,得 n pV/RT 即 m/M pV/RT,m = MpV/RT,= 1.78 g,9,2-1-2 实际气体的状态方程,理想气体是在对于实际气体进行假定的基础上抽象出的模型，实际气体的实验数据偏离理想气体的状态方程，因此，必须对理想气体状态方程进行修正，才能够适用于实际气体。,10,考虑到实际气体分子之间的相互作用，实际气体中的碰壁分子肯定会受到内部分子的吸引力，实际气体的压强是碰壁分子受内层分子引力, 不能自由
5、碰撞器壁的结果（图），实际气体分子碰撞器壁时所产生的压力由于内部分子吸引作用，小于理想气体所产生的压力,因此 p p实 + p内,p ：理想气体的压强 p实：实际气体的压强 p内：理想气体的压强 p与实际气体的压强 p实的差,1. 实际气体的压强 P实,11,p内 和内部分子的密度成正比，也和碰撞器壁的外层分子的密度成正比，即,设其比例系数为 a，则上式可写成,则,（1）,12,V V实 nb （2）,2. 实际气体的体积 V实,理想气体的体积是指可以任凭气体分子运动, 且可以无限压缩的理想空间, 原因是气体分子自身无体积。但实际气体的分子体积则因分子自身的体积不能忽略与理想气体的体积不同。实
6、际气体的体积大于理想气体， V V实 V分 气体分子自身体积与气体的物质的量有关，所以，,V分 = nb （b为每摩尔气体分子的体积）,13,a、b 称为气体的范德华常数， a、b 的值越大，实际气体偏离理想气体的程度越大。,p 实 + a(n/V)2V实 nb nRT,这个方程是荷兰科学家 Van der Waals (范德华)提出的, 称范德华方程，只是实际气体状态方程中的一种形式。,3. 实际气体的状态方程,14,2-1-3 混合气体的分压定律 基本概念 1. 混合气体与组分气体,混合气体：由两种或两种以上的，相互之间不发生反应的气体混合在一起组成的体系。,组分气体： 组成混合气体的每一
7、种气体,15,i 组分气体的摩尔分数用 xi 表示, 则,例如: 由 3 mol H2 和1 mol N2 组成的混合气体, 其中:,2. 混合气体的摩尔分数,混合气体的物质的量为 n , 各组分气体的物质的量 ni,则,16,3. 总体积与分压,4. 总压和分体积,5. 体积分数 Vi/V总 称为该组分气体的体积分数。,17,通过实验来研究分压和总压的关系： 对于双组分体系，T，V 一定时,？,nA,nB,nA + nB,pA,pB,由理想气体方程：pA nART/V pB = nBRT/V,p总 pA + pB,道尔顿理想气体分压定律-分压和总压的关系,+,p总 n总RT/V = (nA
8、+ nB)RT/V,18,对于多组分体系,在温度和体积恒定时，混和气体的总压力等于各组分气体分压力之和，某组分气体的分压力等于该气体单独占有总体积时所表现的压力。-道尔顿分压定律,理想气体混合时, 由于分子间无相互作用, 每种气体在容器中碰撞器壁产生压力时, 与这种气体独立存在时的情况是相同的, 亦在混合气体中, 组分气体是各自独立的，这是分压定律的实质。,总,pi niRT/V总,19,分压与组成之间的关系,P总V总 = nRT (1)PiV总 = niRT (2),(2)/(1) 得,pi /p总 ni/n xi or pi ni p/n xi p总,组分气体的分压等于总压与该组分气体的摩
9、尔分数之积,P总Vi niRT (3),20,例 2-3 某温度下，将 2105 Pa的O2 3 L和3105 Pa的 N2 1 L充入 6 L的真空容器中，求混合气体的各组分的分压及总压。,解：O2 p1 2 105 Pa V1 3 L p2 ? V2 6 L,O2 的分压,pO2 p1V1/V2 (2105 3/6) Pa 1 105 Pa,21,同理 N2的分压,混合气体的总压力,pN2 (31051/6)Pa 0.5 105 Pa,p总 pO2 + pN2 (1105 + 0.5105)Pa 1.5105 Pa,22,例 2-4 制取氢气时，在 25 和 74.2 cmHg气压下，用排
10、水集气法收集到气体是2.23L,在此温度下水的蒸气压为 23.8 mmHg。求H2的物质的量。,解：由此法收集到的是氢气和水蒸气的混合气体， 其中水蒸气的分压 pH2O 23.8 mmHg=2.38 cmHg,那么 pH2 74.2-2.38 = 71.8 cmHg,V总= 2.23 L, P总=74.2 cmHg,23,由 piV总 niRT,ni piV总/(RT)= p氢V总/(RT),71.8/76 101325 2.23 10-3,8.314 298,0.086 mol,24,2-1-3 气体扩散定律,气体扩散定律 ：同温同压下气态物质的扩散速度与 其密度的平方根成反比(Graham
11、，1831 )。,ui：扩散速度 i：表示密度,ui ,1,i,A,B,B,A,u,u,=,或,25,由理想气体状态方程推得,M ,同温同压下，气体的扩散速度与其分子量的平方根成反比。,A,B,B,A,u,u,=,A,B,B,A,u,u,=,M,M,n m/M= pV /RT,26,例 2-5 使NH3和HCl两种气体从一根长100 cm的玻璃管的两端自由扩散，求发生反应NH3+HClNH4Cl在玻璃管中产生白烟的位置。,解：如图，设t时间后发生反应，玻璃管中产生白烟的位置距离NH3段x cm，距HCl端（100-x) cm。,由气体扩散定律,X=59.5, 即产生白烟的位置距NH3端59.5
12、 cm。,27,2-1-5 气体分子的速率分布和能量分布,1 气体分子的速率分布,u : 代表分子的运动速率。,单位速率间隔内分子的数目。,速率大的分子少；速率小的分子也少；速率居中的分子较多 。,28,气体分子的速率分布,up ：最概然速率,气体分子中具有 up 这种速率的分子数目最多，在分子总数中占有的比例最大 。,29,气体分子的能量分布受其速率分布影响. 有着类似的分布, 开始时较陡, 后趋于平缓。在无机化学中, 甚至在物理化学中, 常用能量分布的近似公式来计算: 此式中: E0 是能量; Ni 表示能量超过 E 的分子的个数;Ni/N 是能量超过 E 的分子的分数; fi 即是这个分
13、数。从式子中可以看出, E0 越大时, fi 越小。,2. 气体分子的能量分布,30,2-2 液体和溶液,2-2-1溶液浓度的表示方法,1. 物质的量浓度,溶质 B 的物质的量除以混合物的体积，即 1 m3 溶液中所含的溶质的物质的量，可简称为浓度，用 cB 表示。,SI 单位：mol m-3 或mol L-1,2. 质量摩尔浓度,溶质 B 的物质的量除以溶剂 A 的质量，用符号 m 表示。,SI 单位是 mol/kg,31,3. 质量分数,溶质 B 的质量与混合物质量之比。用w表示。,wB：SI 单位为 1,4. 摩尔分数,溶质和溶剂都用 mol 表示，溶质的物质的量占全部溶液的物质的量的分
14、数，用 xB 表示。,或,同理：,32,33,2-2 液体和溶液,2-2-1溶液浓度的表示方法,物质的量浓度 溶质 B 的物质的量除以混合物的体积 (cB),2. 质量摩尔浓度 溶质 B 的物质的量除以溶剂 A 的质量(mB),3. 质量分数 溶质 B 的质量除以混合物质量(wB),4. 摩尔分数 溶质B的物质的量占全部溶液的物质的量的分数(xB),5. 质量摩尔浓度与摩尔分数之间的关系,稀溶液中，x溶剂 x溶质， 则,对于水溶液 ，当 n剂 1000 g/(18 g / mol) 55.6 mol 时， n质 m质（ m质 n质 /1kg n质）,即 x质 n质/n剂 m质/55.6,令 k
15、 1/55.6， 则 x质 km,稀溶液中，溶质的摩尔分数与其质量摩尔浓度成正比。,34,2-2-2 饱和蒸气压,1. 纯溶剂的饱和蒸气压 (p*),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, 密度的增加, 分子凝聚, 回到液相的机会增加。当密度达到一定数值时, 凝聚的分子的个数也达到 N0 个。这时起, 上方空间的蒸气密度不再改变, 保持恒定。,35,此时, 蒸气的压强也不再改变, 称为该温度下溶剂的饱和蒸汽压, 用 p* 表示。此时液相和气相之间实现相平衡,液体 气体,当蒸气压小于 p* 时, 平衡右移, 继
16、续气化; 若蒸气压大于 p* 时, 平衡左移, 气体液化。,蒸发,凝聚,36,于是, 在溶液中, 单位表面,单位时间内蒸发的溶剂分子的数目 N 要小于 N0。 当凝聚的分子数目达到 N,（N N0），实现平衡时, 蒸气压已不会改变。 此时的蒸汽压称为溶液的饱和蒸汽压。,2. 溶液的饱和蒸气压 (p),当溶液中溶有难挥发的溶质时, 则有部分溶液表面被这种溶质分子所占据, 如图示:,37,拉乌尔定律（Laoult, 法国）,在一定的温度下，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的乘积。 p p* x剂,38,用p表示溶液的 p与纯溶剂 p*之差, 则有: p = p* - p = p* - p* x剂 =
