三章气体的质ThePropertiesofGases

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1、 第三章第三章 气体的性质气体的性质 （The Properties of Gases）3.1 理想气体（理想气体（Ideal gas or perfect gas） 1. 理想气体状态方程（理想气体状态方程（State equation of ideal gas) P: 气体的压力 （Pa)V: 气体的体积（m3)Vm: 气体的摩尔体积(m3/mol)n: 气体的物质的量(mol)T: 气体的热力学温度(K)R: 摩尔气体常数 (8.315J.mol-1.K-1) 在任意温度和压力下都遵守理想气体状态方程的气体称为理想气体方程的其它形式：M：气体的摩尔质量(kg/mol): 气体的密度 (k

2、g/m3) 自然界中并不存在真正的理想气体，它是实际气体在p0 的一种极限情况。2、分压和道尔顿分压定律、分压和道尔顿分压定律 （Partial pressure and Doltons law of partial pressure)Define: 在气体混合物中 pB : 气体B的分压 p： 混合气体的总压xB: 气体B在混合气中的摩尔分数此定义既适用于理想气体此定义既适用于理想气体也适用于实际气体也适用于实际气体 在理想气体理想气体混合物中，某一组分B的分压即为该气体在与混合气同样温度下，单独占有混合气总体积时的压力A(g) +B(g)T,V,p,xBB(g)T ,V ,pB3、阿马格分

3、体积定律、阿马格分体积定律Amagats Law of Partial Volume)A(g)T, P, V1B(g)T, p, V2+A(g)+B(g)T, p, V1 + V2定义：在气体混合物中，组分B的分体积：VB ：气体B 的分体积V : 混合气的总体积xB : 气体B在混合气中的摩尔分数 在理想气体混合物中，组分B的分体积即该气体在与混合气同温同压下所单独占有的体积。4、气体的扩散（、气体的扩散（The Diffusion of Gas) NH3 HClNH3(g) + HCl = NH4Cl(s)格雷姆扩散（隙流）定律格雷姆扩散（隙流）定律（Graham Law of Effus

4、ion) 在给定的温度、压力下，气体的扩散速率与其密度的平方根成反比（与其摩尔质量的平方根成反比）应用：U238 和 U235 的分离5、理想气体分子运动论(1)理想气体微观模型 气体分子本身的体积可忽略 分子不断地作无规则运动，分子间的引力 可完全忽略不及 分子彼此之间以及分子与器壁之间的碰撞 完全是弹性的 气体分子的平均平动能E: 一个分子的平均平动能Em: 1mol分子的平均平动能k = 1.38110-23 J.K-1 Boltzmann 常数理想气体的压强：m: 一个分子的质量V: 气体的体积N: 气体分子的个数u2 : 气体分子速率平方的平均值6、气体分子的速率和能量分布、气体分子

5、的速率和能量分布气体分子运动速率的测定实验结果Maxwell 速率分布函数速率分布函数： 气体分子运动速率在v v +v 之间的分子数为N, 则N：总的分子数最可几速率（最概然速率）根均方速率数学平均速率2-2 实际气体（实际气体（Real gas)1、实际气体与理想气体的偏差2、实际气体的状态方程、实际气体的状态方程（1）van der Waals equation(2) R - K equation (Redlich and kwong)(3) Virial equationBi : virial coefficient2、气体的液化、气体的液化( Liquefaction of Gase

6、s )p1p2p2 在一定的温度下，使气体液化所需施加的最小外压（p2)称为该液体在此温度下的饱和蒸饱和蒸汽压汽压.实际气体的等温线图临界状态与临界参数临界状态与临界参数 气体能够液化的最高温度称为该气体的临界温度Tc 。 在临界温度下使气体液化所需的最低压 力称为临界压力pc。 在临界温度和临界压力下，1mol气体所 占有的体积称为临界体积Vc。 2、 压缩因子和对比状态原理压缩因子和对比状态原理p1（1） 压缩因子（Compression factor)Define:T1T2T3临界压缩因子(critical compression factor )物质 He Ar N2 O2 CO CO

7、2 CH4 zc 0.299 0.291 0.289 0.294 0.288 0.274 0.289 3、对比状态原理、对比状态原理 Define : Tr= T/Tc reduced temperature pr= p/pc reduced pressure Vr= V/Vc reduced volumeVan der Waals 对比方程：对比状态原理对比状态原理（The principle of corresponding states) 任何气体只要两个对比参数相同，则第三个对比参数也必然相同，此时称它们处于相同的对比状态。 处于相同对比状态下的气体具有相近的热力学性质压缩因子图注意：

8、注意：(a) 对比状态原理是近似的经验定律(b) 将对比状态原理用于H2 和He 时复习：第2章阅读：Chemistry 5.6, 5.7, 5.8Chemical Principle 4.13, 4.15作业：2.4, 2.8, 2.17, 2.22Chemistry 5.100实际气体的等温线图 超临界萃取是70年代兴起的一门新兴的分离技术。 大约100年前，Hannay和Hogarth发现了处在超临界状态下的CO2无论对液体或固体都有显著的溶解能力。 20世纪50年代美国科学家率先从理论上提出了将超临界流体用于萃取分离的可能性，并于70年代，用超临界CO2(SCCO2) 萃取乙醇获得成功

9、 超临界萃取超临界萃取 ( Supercritical Fluid Extraction ) 1. 超临界流体的性质超临界流体的性质 超临界流体(Supercritical Fluid)是指温度、压力高于临界温度Tc和临界压力pc的流体。 超临界流体兼有液体和气体的双重特性：粘度接近气体，扩散系数为一般液体的10倍，因此传质速率快；密度接近液体，因此有很强的溶解能力，并可通过调节压力、温度或加入其它助剂改变溶解度CO2气体、液体和超临界流体的物理性质气体、液体和超临界流体的物理性质 气体 液体 临界体 超临界体 (常温常压) (常温常压) ( pc=7.38MPa (p=4pc, T=Tc)

10、Tc=31.10C)密度 0.610-3 0.6 1.6 0.2 0.5 0.4 0.9kg.m3 210-3粘度 110-4 0.210-2 110-4 310-4 Pa.s 310-4 310-2 310-4 910-4 扩散系数 0.110-4 0.110-9 0.710-7 0.210-7 m2.s 0.410-4 210-4 SCCO2的其它优点：的其它优点：来源广，价格低廉；不燃烧、不助燃、操作安全；无毒、易挥发、操作后残留物少；对设备无腐蚀；临界温度低超临界流体的溶解性特点：超临界流体的溶解性特点： 远远高于一般液体 随温度升高、压力降低而减小 随温度、压力变化极其敏感2. 超临

11、界萃取超临界萃取(1) 基本原理基本原理： 将超临界流体与萃取物（液体或固体）充分接触，使被萃取物充分溶解在超临界流体中，然后改变温度或压力（即改变超临界流体的密度），使被萃取物析出。 等温变压工艺(2) 工艺流程工艺流程： 由萃取和分离两步组成萃取塔萃取塔(T, p1)分离器(T,p2) 等压变温工艺萃取塔萃取塔(T1, p)换热器分离器(T2, p)升温节流阀减压(3) 超临界萃取的优点超临界萃取的优点 萃取剂的溶解能力易于通过调节温度和压 力控制。 可在低温下操作，不破坏提取物中的活性 组分。 可较快地达到平衡，萃取速率快，生产周 期短 溶剂回收简单方便，不存在残留物 萃取剂可循环使用，

12、不产生三废，不污染 环境 广泛应用于食品工业、香料工业、医药工广泛应用于食品工业、香料工业、医药工业、石油工业、煤炭工业剂超临界色谱等领域业、石油工业、煤炭工业剂超临界色谱等领域应用实例：应用实例： 从啤酒花中提取有效成分(绿草酮-酸、 蛇麻酮-酸)德国、美国80年代工业化， 回收率达97%从咖啡豆中分离咖啡因 T=70-900C, p=16-20MPa, SCCO2中溶解的咖 啡因用水吸收除去。咖啡因含量可由3%降 至0.02%。 从甘草中提取甘草素 T = 40oC, p = 35 MPa, 采用SCCO2 C2H5OH H2O体系作萃取剂 第四章第四章 液体和固体液体和固体Chapter

13、 4 Liquids and Solids4.1 液体的微观结构液体的微观结构 1、物理性质介于气体和固体之间2、分子间作用力远大于气体（几乎与固体有 相同数量级）3、近程有序而远程无序 4.2 分子间的力分子间的力( 范德华力）范德华力）1、取向力（、取向力（orientation force) 存在于已取向的极性分子间的静电引力，称为取向力取向力（或定向力）。 取向力与分子偶极矩的平方成正比，与热力学温度成反比，与分子间距离的7次方成反比。+ - + -+ -+ -+ -(1) 分子的极化分子的极化 分子在外界电场的作用下发生结构上的变化称为极化（极化（polarization)。2、诱导

14、力、诱导力( induced force ) 在外电场的作用下产生的偶极称为诱导诱导偶极偶极( induced dipole)。 诱导偶极的极性大小决定于电场的强度和分子的变形性 在极性分子之间或极性分子与非极性分子之间，由于诱导偶极而产生的吸引力，称为诱导力诱导力。 诱导力与极性分子的偶极矩的平方成正比；与被诱导分子的变形性成正比；与分子间距离的7次方成反比。(2) 诱导力诱导力3、色散力、色散力(dispersion force or London force)在分子内部，由于电子和原子核的运动而在瞬间产生的偶极称为瞬间偶极瞬间偶极( instantaneous dipole)。分子间由于

15、瞬间偶极而产生的吸引力称为色散色散力力。色散力与分子的变形性有关（分子的变形性越大，色散力越大），与分子间距离的次方成反比。 在大多数分子中，色散力是主要的，只有在强极性分子中，取向力才占主导地位。4. 3 氢键氢键( hydrogen bond ) 氢键氢键是一个极性键中的氢原子与另一个电负性大的原子（最常见的是F、O、N）之间所形成的一种特殊的作用力。A H B形成氢键的条件：形成氢键的条件： 有一个与电负性很大的原子A形成共价键的 氢原子； 有另一个电负性很大并且有孤对电子的原子 B。氢键的特点：氢键的特点：（1）氢键作用强于范德华力但弱于化学键。F H F O H O O H N N

16、H N O H Cl O H S（2）氢键具有方向性和饱和性方向性：方向性： 分子键形成的氢键是直线型的（即A、H、B三个原子在一条直线上）。饱和性：饱和性： 一般情况下，一个氢原子只能和一个B原子形成氢键。氢键的种类：氢键的种类：分子间氢键分子内氢键水杨醛氢键对物质性质的影响：氢键对物质性质的影响： 分子间氢键使物质的熔点和沸点升高；分子内氢键一般使化合物的熔点和沸点降低。 在极性溶剂中，若溶质分子与溶剂分子形成氢键，则使溶质的溶解度增大；若溶质分子内有氢键存在，则在极性溶剂中溶解度减小，而在非极性溶剂中溶解度增加。H2O的结构与性质：的结构与性质：H2O的密度与温度的关系的密度与温度的关系

17、4.3 液体的蒸汽压和沸点液体的蒸汽压和沸点 ( The vapor pressure and boiling point of liquid)1、液体的蒸汽压、液体的蒸汽压Liquid Vapor 蒸发蒸发 冷凝冷凝 在一定的温度下，当液体与其蒸汽平衡(即液体的蒸发速率与其蒸汽的冷凝速率相同）时,液体上方蒸汽的压力称为该温度下此液体的饱饱和蒸汽压和蒸汽压(简称为蒸汽压蒸汽压)。2、液体的蒸汽压与温度的关系、液体的蒸汽压与温度的关系Clausuis- Clapeyron EquationvapHm: 液体的摩尔蒸发热（焓）沸点：沸点： 液体的蒸汽压等于外界压力时的温度称为液体的沸点。 外界压力

18、等于101.325kPa时液体的沸点称为液体的正常沸点正常沸点4.4 液体的表面张力液体的表面张力 Surface tension of liquid1. 表（界）面张力表（界）面张力 surface (interface) tension表表(界界)面张力面张力是平行于表面且垂直作用于表面上单位长度线段上的表面紧缩力。2.表面张力产生的原因表面张力产生的原因表表面分子的受力状态面分子的受力状态GL液体表面的分子受到指向液体内部的合力作用.液体表面分子比内部分子具有更高的能量，因此液体有自动收缩表面以降低体系能量的倾向，此即表面张力产生的原因。3. 影响纯物质的影响纯物质的的因素的因素(1) 物质本身的性质（极性液体比非极性液体大， 固体比液体大） (2) 与温度有关对绝大多数液体 T,R-S 方程Tc ：临界温度 Vm ：液体的摩尔体积k：经验参数，对非缔合的非极性液体 k2.210-7 J K-1Guggenheim 方程0 ，n ： 经验参数，对有机液体，n=11/9， 对金属 ， n1但对 Cd, Fe, Cu 合金及一些硅酸盐液体，T。