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1、第二章第二章 物质的状态物质的状态p16Figure: Gas-Liquid-Solid1本章主要内容：本章主要内容：一、气体一、气体1. 理想气体状态方程理想气体状态方程2. 混合气体分压定律混合气体分压定律3. 实际气体和实际气体和 Vander Waals 方程方程二、液体二、液体1. 气体的液化气体的液化2. 液体的气化：蒸发、沸腾液体的气化：蒸发、沸腾3. 蒸气压的计算蒸气压的计算三、固体与固体结构简介三、固体与固体结构简介2一、气体一、气体1 理想气体理想气体1.1 物质状态：物质状态：固体固体 液体液体 气体气体气体气体 l 分子间作用力减弱分子间作用力减弱 l 密度降低密度降低
2、（分子本身所占体积的比例不同）分子本身所占体积的比例不同）等离子体等离子体 (Plasma)p16-17如何建立如何建立气体模型？气体模型？31.2 理想气体状态方程（经验定律）理想气体状态方程（经验定律） p17-18 理想气体假定：理想气体假定： 气体分子不占有体积气体分子不占有体积 (忽略尺寸忽略尺寸) 气体分子间作用力忽略不计，气体分子间作用力忽略不计，则：则： PV = nRT - 理想气体状态方程理想气体状态方程 R 为气体常数为气体常数 几种变化情况：几种变化情况：三个经验定律三个经验定律 波义耳波义耳(Boyle) 定律：定律： PV = 衡量衡量 （T, n 恒定）恒定） 查
3、理查理-盖盖吕萨克吕萨克(Charles-GayLussac) 定律：定律： V/T = 衡量衡量 （P, n 恒定）恒定） 阿伏加德罗阿伏加德罗(Avogadro) 定律：定律： V/n = 衡量衡量 （T, P 恒定）恒定）41.3 气体状态方程的运用气体状态方程的运用 p18-191）R 的取值：的取值：随压力单位的变化而不同随压力单位的变化而不同 P：Pa V：m3 R= 8.31 Jmol-1K-1 P：kPa V：dm3 R= 8.31 kPadm3mol-1K-1 P：atm V：dm3 R= 0.0821 atmdm3mol-1K-1 2）PV = nRT 适用于适用于：温度较
4、高或压力较低时的稀薄气体（为什么？）温度较高或压力较低时的稀薄气体（为什么？）53）求分子量：）求分子量：M （摩尔质量）摩尔质量） PV = nRT PV = (m/M) RT ( n = m/M ) M = (mRT)/(PV)4）求密度：求密度：r r r r = (PM)/(RT) ( r = m/V ) 能否以此解释热气球原理？能否以此解释热气球原理？6例例 1： 惰惰性性气气体体氙氙能能和和氟氟形形成成多多种种氟氟化化物物XeFx。实实验验测测定定在在80oC，15.6 kPa 时时，某某气气态态氟氟化化氙氙试试样样的的密密度为度为0.899 gdm-3, 试确定这种氟化试确定这种
5、氟化氙的分子式。氙的分子式。解：解： （关键：求出摩尔质量，即可确定分子式。） 设氟化氙摩尔质量为设氟化氙摩尔质量为M, 密度为密度为r r (g dm-3), 质量为质量为m (g), R 应选用应选用 8.31 (kPa dm3 mol-1 K-1), 则：则：7 PV = nRT = (m/M) RT M = (m/V)(RT/P) = r r (RT/P) = (0.899 8.31 353)/15.6 = 169 (g mol-1)已知原子量已知原子量 Xe: 131, F: 19 ; 对于对于XeFx，应有：应有： 131+19x =169 x = 2 这种氟化氙的分子式为：这种氟
6、化氙的分子式为：XeF2 8先理解二个概念：先理解二个概念：分体积分体积Vi：指某组分气体具有和混合气体相同压力时所占的体积。分压分压( (力力) )Pi：指某组分气体单独占有整个混合气体体积时所呈现的压力。 混合气体混合气体分压定律：分压定律： P总总= Pi = P1+P2+P3+Pi 试结合试结合 PV = nRT 导出：导出： Pi = P总总 xi （其中其中：xi = ） ( Pi 为分压，为分压，xi 为摩尔分数为摩尔分数 ) 2 混合气体分压定律混合气体分压定律 (1801年年, Dalton) p19-20p19-209一定状态下：一定状态下：T，V， (总总)压压 P总总；
7、 分压：分压：PA、PB P总总= n总总 (RT/V) 同时：同时： 气体气体 A：PA = nA (RT/V) 气体气体 B：PB = nB (RT/V) P总总 = PA + PB = (nA+ nB) (RT/V) PA / P总总 = nA/ (nA+ nB) = nA/ n总总 P PA A = P总总 xA理想气体理想气体 A、B 的混合的混合P总总= PA+PBnA nBT,V（PA和和PB分别是分别是组分组分A和和 B单独占有整个混合气体体积时单独占有整个混合气体体积时所呈现的压力所呈现的压力）10一定状态下：一定状态下：T，P， (总总)体积体积 V总总； 分体积：分体积：
8、VA，VB V总总 = (nA+ nB)(RT/P) 同时：同时： 气体气体 A：VA= nA(RT/P) 气体气体 B：VB= nB(RT/P) V总总 = VA + VB VA/V总总 = nA/(nA+ nB) = nA/n总总 VA= V总总 xA T,PVAVBnAV总总 nBT,PTTT,P理想气体理想气体 A、B 的混合的混合（VA和和VB分别是指某组分气体具有和混合气体相同压力时所占的体积分别是指某组分气体具有和混合气体相同压力时所占的体积 ）nA nB11一般来说，对于一般来说，对于混合气体中任意组分混合气体中任意组分A: 分压分压 PA = P总总 xA 分体积分体积 VA
9、= V总总 xA VA / V总总 = PA/ P总总P总总V分分 = P分分V总总 = n分分RT理想气体理想气体 A、B 的混合的混合 推而广之，对任意组分应有：推而广之，对任意组分应有：推而广之，对任意组分应有：推而广之，对任意组分应有：12例例 2： A、B两种气体在一定温度下，在一容器中混合，两种气体在一定温度下，在一容器中混合，混合后下面混合后下面表达式是否正确表达式是否正确?1.PAVA = nART2.PV = nART3.PVA = nART4.PAV = nART5.PA (VA+ VB) = nART6.(PA+ PB) VA = nART误误 误误正正正正正正正正正？误
10、？13例例 3： 室温下，将室温下，将1.0 atm、10 dm3 的的 H2 与与1.0 atm、20 dm3 的的 N2 在在 40 dm3 容器中混合。容器中混合。 求：求： H2 、N2 的分压、分体积、摩尔比。的分压、分体积、摩尔比。解解: ?14例例 3 解：解： 1）求分压：）求分压： T 一定一定，n 不变不变 （混合前后）（混合前后） P1V1= P2V2 1.0 10 = PH2 40 PH2= 0.25 (atm) 1.0 20 = PN2 40 PN2 = 0.5 (atm) 2）求分体积：求分体积： VA= V总总 (PA/ P总总) VH2 = = = 40 = 4
11、0 = = 13.3 (dm3) VN2 = = = = 40 40 0.5 / 0.75 = 0.5 / 0.75 = 26.6 (dm3) 3）求摩尔比：求摩尔比： = = 0.25= = 0.25 / 0.5/ 0.5 = = 0.5153 气体扩散定律气体扩散定律 (1831，Graham) p21-22 u 或： 气体的气体的气体的气体的扩散速度与其分子量扩散速度与其分子量扩散速度与其分子量扩散速度与其分子量的平方根成反比。的平方根成反比。的平方根成反比。的平方根成反比。 同温同压下同温同压下, 气态物质的扩散速度气态物质的扩散速度u与其密度与其密度r r的平方根成反比的平方根成反比
12、:因为同温同压下，气体的密度与分子量成正比，所以：因为同温同压下，气体的密度与分子量成正比，所以：扩散定律推论扩散定律推论扩散定律推论扩散定律推论: : : :r rr r r r A A A Ar r r r B B B Br r r r B B B Br r r r A A A Ap22：例题例题扩散定律扩散定律扩散定律扩散定律: : : :164 实际气体与实际气体与Van der Waals方程方程 p22-25理想气体：理想气体： PV = nRT实际气体实际气体: PV = Z*(nRT) Z 称为称为“压缩系数压缩系数” Z = 1 为理想气体为理想气体 考虑分子间作用力：考虑分
13、子间作用力： Z 1 （V增大）增大）实际气体偏离理想气体的程度，取决于实际气体偏离理想气体的程度，取决于： 1. 温度：温度： T 增加，趋向于理想气体增加，趋向于理想气体 2. 压力：压力： P 减小，趋向于理想气体减小，趋向于理想气体 3. 气体的性质：气体的性质： 沸点愈高与理想状态偏差愈大沸点愈高与理想状态偏差愈大171mol N2气的气的 Z-P 图图 (不同温度不同温度 ) Z=压力压力P愈小，温度愈小，温度 T愈高，愈高，愈接近理想气体愈接近理想气体 Z = 1 18 Z=1mol 不同气体的不同气体的 Z-P 图图 (300K )分子间作用力愈弱，分子间作用力愈弱，愈接近理想
14、气体愈接近理想气体 Z = 1 19气体气体 Z-P 图总结：图总结：1.常压常温下，沸点低的气体，接近理想气体2.起初增加压力时，对于分子量较大的分子，分子间作用力增加占主导，使得：Z 120 Van der Waals（范德华范德华）方程）方程: p25 实际气体方程：实际气体方程： PV = Z*(nRT)Van der Waals方程方程：( ( P + P + a a n n2 2/V/V2 2 ) ( V ) ( V n n b b ) = ) = nRTnRT 其中其中，a 、b 为范德华常数为范德华常数a 用于用于校正压力校正压力，是与分子间作用力有关的常数，分子间作用，是与分
15、子间作用力有关的常数，分子间作用力与气体浓度的平方成正比力与气体浓度的平方成正比b 约等于气体凝聚为液体时的约等于气体凝聚为液体时的摩尔体积摩尔体积21VanDerwaalsa a 和和和和 b b 与其分子间作用力、分子的体积及质量有关与其分子间作用力、分子的体积及质量有关与其分子间作用力、分子的体积及质量有关与其分子间作用力、分子的体积及质量有关225 气体的液化气体的液化 p25先看问题：先看问题：1）是否所有气体都可以液化？）是否所有气体都可以液化？2）什么样的条件下可以液化？）什么样的条件下可以液化？v冬天带眼镜进屋时，镜片会变得模糊。冬天带眼镜进屋时，镜片会变得模糊。 v家家庭庭用
16、用液液化化气气，主主要要成成分分是是丙丙烷烷、丁丁烷烷，加加压压后后变变成成液液体体储储于于高压钢瓶里，打开时减压即气化。高压钢瓶里，打开时减压即气化。 但但有有时时钢钢瓶瓶还还很很重重却却不不能能点点燃燃。是是因因为为C5H12或或C6H14等等高高级级烷烷烃室温时不能气化。烃室温时不能气化。温度温度压力压力Tc 以下，均可以下，均可23临界现象临界现象? 课本课本p26Tb (沸点沸点) 室温室温 Tc 室温室温， 室温下为气体，室温下为气体，加压不能液化加压不能液化Tb 室温，室温， 室温下为气体，室温下为气体，加压可液化加压可液化Tb 室温室温 Tc 室温，室温， 在常温常压下为在常温
17、常压下为液体液体24临界常数：临界常数： p26 每种气体液化时每种气体液化时, 各有一个特定温度叫各有一个特定温度叫临界温度临界温度Tc. 在在Tc 以上以上, 无论怎样加大压力无论怎样加大压力, 都不能使气体液化都不能使气体液化.临界温度时临界温度时, 使气体液化所需的最低压力叫使气体液化所需的最低压力叫临界压力临界压力Pc.在在Tc 和和 Pc 条件下条件下, 1 mol 气体所占的体积叫气体所占的体积叫临界体积临界体积Vc.v Tc 、Pc 、Vc 均与分子间作用力及分子质量有关.256 气体分子的速率分布和能量分布气体分子的速率分布和能量分布 p27-30a)最几速率：最几速率：up
18、 -几率最大几率最大 p29b)算术平均速率：算术平均速率：u -用于计算运动距离；用于计算运动距离；c)均方根速率：均方根速率：u2 1/2 -用于计算平均动能；用于计算平均动能；d)气体分子的能量分布：气体分子的能量分布： p30图图7 气体分子运动论气体分子运动论 p30-32a)理想气体分子运动方程式：理想气体分子运动方程式： p32b)气体分子的平均动能与绝对温度成正比：气体分子的平均动能与绝对温度成正比： p32自学自学内容内容大二大二大二大二物物物物理化学理化学理化学理化学261 液体的气化液体的气化：蒸发蒸发 与与 沸腾沸腾 液体表面的气化现象叫液体表面的气化现象叫蒸发蒸发 (
19、evaporation)，是吸热过程：是吸热过程：敞口容器敞口容器分子的动能：分子的动能：红色：大红色：大黑色：中黑色：中蓝色：低蓝色：低二、液体二、液体p33-38热源热源27气体分子的动能分布气体分子的动能分布 与与 蒸发的关系蒸发的关系分分子子的的份份 数数分子的动能分子的动能蒸发所需分子蒸发所需分子的最低动能的最低动能281.1 蒸发蒸发:密闭密闭容器，恒温时：容器，恒温时：蒸发蒸发 冷凝冷凝 “动态平衡动态平衡”饱和蒸气压：饱和蒸气压：气体与其液相处于动态平气体与其液相处于动态平衡时的蒸气压力叫饱和蒸衡时的蒸气压力叫饱和蒸气压，简称蒸气压。气压，简称蒸气压。饱和蒸气压的特点：饱和蒸气
20、压的特点：1. 温度恒定时，为定值；温度恒定时，为定值；2. 气液共存时，不受量的变化；气液共存时，不受量的变化； 3. 不同的物质有不同的数值。不同的物质有不同的数值。p33-35291.2 沸腾沸腾： 在液体的表面和内部同时气化的现象在液体的表面和内部同时气化的现象叫叫沸腾沸腾。沸点与外界压力有关。沸点与外界压力有关。外界压力等于外界压力等于101.3 kPa (1 atm)时的沸时的沸点为点为正常沸点，正常沸点，简称简称沸点。沸点。 当温度升高到蒸当温度升高到蒸气压与外界气压气压与外界气压相等时，液体就相等时，液体就沸腾，沸腾，这个温度这个温度就是就是沸点。沸点。热源热源p37 P302
21、 蒸气压曲线蒸气压曲线:曲线为气液共存平衡曲线为气液共存平衡线；线；曲线左侧为液相区；曲线左侧为液相区；右侧为气相区。右侧为气相区。蒸蒸气气压压正常沸点正常沸点p35温度温度31 实例实例 ： 水的沸点为水的沸点为 100 C，但在高山上，由于大气压降低，沸点较但在高山上，由于大气压降低，沸点较低，饭就难于煮熟。低，饭就难于煮熟。 而高压锅内气压可达到约而高压锅内气压可达到约10 atm，水的沸点约在水的沸点约在180 C左右，左右，饭就很容易煮烂。饭就很容易煮烂。 当温度高于沸点时的液体称为当温度高于沸点时的液体称为“过热液体过热液体”，易产生爆沸。蒸，易产生爆沸。蒸馏时一定要加入沸石或搅拌
22、，以引入小气泡，产生气化中心，避免馏时一定要加入沸石或搅拌，以引入小气泡，产生气化中心，避免液体爆沸。液体爆沸。32例例 4： 在在20 C 、99 kPa 下，用排水取气法收集下，用排水取气法收集 1.5 dm3 的的 O2, 问：问：需多少克需多少克 KClO3 分解？分解？ 2 KClO3 = 2 KCl + 3 O2 (查查得：水在得：水在20 C的蒸气压为的蒸气压为 2.34 kPa )解解: ?33 2 KClO3 = 2 KCl + 3 O2 2 3 = RT = 99 2.34 = 96.7 (kPa) = = = 0.060 (mol) = 2/3 需需 KClO3 = 2/
23、3 = 2/3 0.060 122.5 = 4.9 (克）克）例例 4 解：解： 34例例 5： 在在58将某气体通过一盛水容器，在将某气体通过一盛水容器，在100 kPa下下 收集该气体收集该气体1.00 dm3。问问： 1) 温度不变，将压力降至温度不变，将压力降至50.0 kPa 时，气体的体积是多少？时，气体的体积是多少？ 2) 温度不变，将压力增加到温度不变，将压力增加到200 kPa 时，气体的体积是多少？时，气体的体积是多少？ 3) 压力不变，将温度升高到压力不变，将温度升高到100时，气体的体积是多少？时，气体的体积是多少？ 4) 压力不变，将温度降至压力不变，将温度降至10时
24、，气体的体积是多少？时，气体的体积是多少？解解: ? 请同学们练习请同学们练习.已知水的蒸气压：已知水的蒸气压： 58时：时：P水水 = 18.1 kPa ； 10时：时：P水水= 1.23 kPa35解题思路解题思路:（设：设：T1、P1、V1和和T2、P2、V2为为混合气体变化前后混合气体变化前后的温度、总压力、总体积的温度、总压力、总体积）1) 是求是求气体气体与与水蒸气水蒸气的混合气体的总体积的混合气体的总体积，n总总不变，不变，P1V1= P2V2 = n总总RT 2) 压力增加会引起水蒸气的凝聚，但该气体的摩尔数没有变化，压力增加会引起水蒸气的凝聚，但该气体的摩尔数没有变化，可以用
25、该气可以用该气体的分压体的分压P气气来计算总体积：来计算总体积：P气气1V1 = P气气2V2 (= n气气RT) 3)3) n总总不变，不变，V1/T1 = V2/T2 (= n总总R/P) 4) 温度降低也会引起水蒸气的凝聚，但该气体的摩尔数没有变化，温度降低也会引起水蒸气的凝聚，但该气体的摩尔数没有变化，可以用该可以用该气体的分压气体的分压P气气来计算总体积：来计算总体积：P气气1V1 /T1 = P气气2V2/T2 (= n气气R)例例 5： 在58将某气体通过一盛水容器，在100 kPa下 收集该气体1.00 dm3。问： 1) 温度不变，将压力降至50.0 kPa 时，气体的体积是
26、多少？ 2) 温度不变，将压力增加到200 kPa 时，气体的体积是多少？ 3) 压力不变，将温度升高到100时，气体的体积是多少？ 4) 压力不变，将温度降至10时，气体的体积是多少？36 例例 5 解：解：1)P1V1 = P2V2 ，100 1.00 = 50.0 V2 V2 = 2.00 (dm3)2) 58 C时：时：P水水 = 18.1 kPa，P气气1 = (100-18.1) kPa V2 = (P气气1 V1)/P气气2 =(100-18.1) 1.00/(200-18.1) = 0.450 (dm3)3)V1/T1 = V2/T2 ，1.00/(273+58) = V2/(
27、273+100) V2 = 1.13 (dm3)4) P1V1/T1 = P2V2/T2 ，10 C时：时：P水水= 1.23 kPa，P气气2= (100-1.23) kPa (100-18.1) 1.00)/(273+58) = (100-1.23)V2 /(273+10) V2 = 0.709 (dm3)373 蒸气压的计算蒸气压的计算 p36蒸气压的对数与蒸气压的对数与 的直线关系（经验公式）的直线关系（经验公式）:lg p = A/T + B A = ( Hvap)/2.303R Hvap 为纯液体的摩尔蒸发热为纯液体的摩尔蒸发热 103/K-138克克劳修斯劳修斯-克克拉贝龙拉贝龙
28、(Clausius-Clapeyron)方程方程： p36 lg p = ( Hvap)/2.303RT + B 温度温度 T1 时时蒸气压蒸气压 p1 ： lg p1 = ( Hvap)/2.303RT1 + B 温度温度 T2 时时蒸气压蒸气压 p2 ： lg p2 = ( Hvap)/2.303RT2 + B 两式相减，得：两式相减，得： lg p2 lg p1 = ( Hvap)/2.303R（1/T2 1/T1） 即即: lg (p2 / p1 )= Hvap/2.303R (T2 T1)/T2T1 应用：应用：1) 计算计算某纯液体某纯液体的蒸发热的蒸发热 HHvapvap ； 2) 求蒸气压要注意求蒸气压要注意 R 与与 Hvap 的的单位单位； 3) 例题见课本例题见课本 p38，习题见习题见 p45: 13, 14.气体、液体小结气体、液体小结39v 三、固体与固体结构三、固体与固体结构 （课本课本 p38-43，略讲略讲）见下一专题课件40
