第2章物质的聚集状态基础.ppt

第2章 物质的聚集状态基础,主要内容,简介各种物质聚集状态类型； 理想气体状态方程式（重） ，混合理想气体的分压、分体积定律（重） ； 液体的蒸气压（水的相图）、沸点、表面张力的概念；,不同分散系的类型； 溶液的特点及其浓度表示方法（重） ，难挥发非电介质稀溶液的依数性（重）； 了解胶体的基本性质。,对物质的基本认识,微粒性 运动性 关联性（即相互作用，固体和液体的存在说明引力，固体和液体难以压缩说明斥力）。 （状态）可变性 公元前400多年的古希腊哲学家留基伯及其学生德谟克利特提出的原子论已有类似观点。,物质状态简介,1. 气体（gas） 2. 液体（liquid) 离气远，离固近。 3. 固体（solid）晶体、非晶体，后面专门讨论。 4. 液晶（液固之间）某些有机物介于液、固之间的状态，兼具流动性和各向异性，用于显示等场合。,5. 等离子体（plasma）自然界或人工条件使气体电离的状态，其中正负电量相等（正电荷和电子） ，宇宙中有极大量存在（恒星等，物质的99%以上），有特殊电、磁等性质，多用途（如原子发射光谱用到氩等离子体对试样气化和激发，荧光灯、霓虹灯、等离子电视） 。,6. 超临界流体（气液之间）温度和压力都高于临界点（见后），气液界面消失，兼具两者特征而又不同，是“稠密的气态”。用途广泛，如萃取等。 7. 超高密度态超高压（如10819 atm）下形成超固态乃至中子态。如中子星（大量质子结合电子转为中子）可达1014g.cm-3。,2.1 气体 2.1.1 气体的特点,气体分子间作用力小，密度较小。分子运动无规则，具有明显扩散性。无一定形状、体积，有较大的可压缩性，一定的温度和压力下可以液化。,2.1.2 理想气体状态方程,定义描述气体物理性质的几个参数之间关系的方程。 表达： pV = nRT R：摩尔气体常数(molar gas constant) R = 8.314 J·mol -1·K-1 = 8.314 kPa ·L（升） · mol -1·K-1（V常用m3）,= 0.0821 atm·L·mol -1·K-1 = 62.4 mmHg ·L·mol -1·K-1 注意：数据中经常用kJ，运算中一定要用J。 T：热力学温度（开尔文， K ） T = 273.15 + t （t为摄氏温度） 注意：不能直接用摄氏温度，千万！千万！ 做题时要注意单位的正确，单位如果错误，意味着计算往往也是错误的。例如，如果已知t是某个时间，求另一时间，结果不可能是t 0.7，2t + t 1.5等等。,理想气体在任何温度、压力下都符合该气体方程的气体。 理想气体的特点： 1. 分子体积相对容器体积很小，认为是不占体积的质点； 2. 分子间无引力； 3. 分子间及与器壁碰撞无动能损失。 4. 理想气体不存在，但低压气体近似。,2.1.3 混合理想气体的分压定律和分体积定律,分压（Partial pressure）在一定温度T下，各气体单独占据混合气体总体积时所具有的压力。,分体积（Partial volume）温度T和总压P时某组分单独存在所占据的体积。,道尔顿分压定律在一定温度、体积下 p = p1 + p2 + p3 + + pn = pi 阿马格分体积定律在一定温度、总压下 V = V1 + V2 + V3 + + Vn = Vi P14 例2-4（蒸气压的定义相见后）,2.1.4 气体分子运动速率,2.1.5 实际气体（引力、体积）,分子间吸引力对气压的负面影响（内压力）,实验发现，越是低温、高压，实际气体的行为与理想气体偏差越大。如压力的影响。,2.1.6 气体的液化,实际气体液化的途径： 1. 降温 2. 加压（温度不能太高）。 两个相关临界概念： 1. 临界温度Tc某物质以液态形式出现的最高温度。,2. 临界压力Pc在临界温度下使气体液化的最低压力。,2.2 液体 2.2.1 液体的（饱和）蒸气压,定义设想一定温度下的真空密闭容器中装入某溶剂。一些能量较高的溶剂分子会从液面脱离，成为气体，即蒸发；同时气态溶剂分子也有一部分重新落回到液态，即凝聚。两方面速度会逐渐形成动态平衡，这时容器内蒸气的压力称为饱和蒸气压，简称蒸气压。 影响因素蒸气压大小与物质本质和温度有关。固体也有蒸气压，但通常很小（冰、碘等较大）。,在相同温度下，若液体质点间的引力强，则液体质点难以逸出液面，蒸气压就低；反之，若液体质点间的引力弱，则蒸气压就高； 对同一液体，升高温度，则液体中动能大的质点数目增多，逸出液面的趋势增大，因而蒸气压提高；反之，降低温度，蒸气压降低。,水的相图表达了水、冰、水蒸气三种状态（即所谓三种“相”）的关系以及它们在不同温度、压力下的转化（整个体系中只能有H2O）。,水的相图与蒸气压的关系图中OA是气-液两相平衡线，即在此压力、温度下两态平衡共存。这与蒸气压的定义一致，因此OA又叫水的蒸气压曲线。 类似的，OB是气-固两相平衡线，即冰的升华曲线。,2.2.2 液体的沸点,沸腾温度升高，液体蒸气压也升高，与外界压力相同时，液体沸腾（即液体内外同时气化）。液体沸腾时，热量用于汽化，加热下温度不变。 1大气压下的沸腾温度称正常沸点。 影响因素： 与外界压力有关，压力增大，沸点增高（减压蒸馏反）。 液体的沸点与分子间力有关，分子间力越大，沸点越高。,2.2.3 液体的表面功和表面张力,表面功液体内部分子所处的环境均匀对称，而液体表面分子受到气相分子的作用力小（气相密度低）。这种受力的不对称导致表面分子具有更高势能，因此分子从内部到表面，扩大表面积需要额外的能量，即表面功。,液体表面的自动收缩趋势,表面张力扩大单位面积需要的表面功单位是J.m-2，也就是N.m-1，因此可理解为单位长度上使表面收缩（减小）的力，事实上这种收缩力和收缩效果也是非常直观的。,作业题 1. 在25时，将初始压力相同的5.0L氮气和15L氧气压缩到一个10.0L的真空容器中，测得混合气体的总压为150kPa，试求：（1）两种气体的初始压力；（2）混合气体中氮和氧的分压；（3）将温度上升到210后容器的总压。,2. 在1000和97kPa下测得硫蒸气的密度为0.5977g.L-1，求硫蒸气的摩尔质量和化学式。 3. 在25，1.47MPa下把氨气通入容积为1.00L刚性壁密闭容器中，在350下用催化剂使部分氨分解为氮气和氢气，测得总压为5MPa，求氨的解离度、各组分的摩尔分数和分压。,2.3 溶液和溶胶 2.3.1 分散系统,2.3.2 溶液及其浓度的表达,溶液物质以分子、原子或离子水平分散于另一种物质中所构成的均匀而又稳定的体系。 气态溶液（空气） 液态溶液（糖水） 固态溶液（固溶体，如锌溶于铜成黄铜）,溶质与溶剂液态溶液是化学研究重点。一般液态溶液中被溶解的气体、固体或较少量的液体被称为溶质（电解质或非电解质），较多的液体被称为溶剂，一般溶剂可分为水和非水。,溶解是特殊的物理化学过程溶液的形成伴随有能量（硫酸或氢氧化钠溶于水大量放热，硝酸铵则吸热）、体积（酒精溶于水，总体积减小，醋酸溶于水则相反）、颜色（白色无水硫酸铜溶于水成蓝色溶液）的变化，暗示溶解不仅是机械混合的物理过程，还有化学变化（如水合）。但常常用蒸馏、结晶等物理方法又可以从溶液中分离出溶质，体现了这种物理化学过程的特殊性。具有（结构和极性）相似相溶的特点（有反例）。,溶液浓度表示法,常用物质的量浓度cB（B是溶质）：,常用的单位是mol.L-1。 其他还有质量摩尔浓度bB （分母是溶剂质量） 、摩尔分数xB 、质量浓度B 等（P1819） 。P19 例2-8,即稀溶液中溶质的摩尔分数xB与其质量摩尔浓度bB成正比。,2.3.3 难挥发、非电解质、稀溶液的 依数性（colligative properties）,依数性上述溶液的某些性质仅仅与溶质的浓度有关，而与溶质的特性无关 （但与溶剂有关），例如蒸气压（降低）、沸点（升高）、凝固点（降低）、渗透压现象等。,1. 溶液的蒸气压下降,原因（定性）由于溶剂表面被难挥发的溶质占据，因此溶剂蒸发的速度变缓，与之平衡的蒸气压也随之减小。 拉乌尔（Raoult）定律（定量）在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数。,其中K是和溶剂相关的常数， bB是溶质的质量摩尔浓度。,拉乌尔定律的成立条件（难挥发非电解质稀溶液）如果溶质易挥发，那么溶质对蒸气压会有额外贡献；如果溶质是电解质，公式要修正；如果溶液较浓，溶质对溶剂间作用力也有显著影响。后文类似。 另外的表达形式,2. 溶液的沸点升高 原因溶液的蒸气压下降。,其中：Kb称为溶剂的沸点升高常数； bB是溶质的质量摩尔浓度。 纯溶剂与溶液沸点的区别纯溶剂沸点恒定（恒压下）。溶液随着溶剂的蒸发，浓度升高，沸点也不断升高，一般饱和后浓度恒定（出现溶质析出），沸点也就恒定了。,3. 溶液的凝固点降低,a. 液体的凝固点 纯液体的凝固点是液态和固态蒸气压相等的温度，这时液固可平衡共存（两者都不会有较高蒸气压而损失）。溶液的凝固点是溶液和固态溶剂蒸气压相等的温度。 b. 溶液的凝固点降低 原因溶液的蒸气压下降。,液,固,气,其中：Kf称为溶剂的凝固点降低常数； bB是溶质的质量摩尔浓度。,溶液的渗透压 a. 渗透现象和渗透压,渗透现象由于半透膜（这里只容许水的通过）两边的溶液单位体积内水分子数目不同，稀溶液一方水浓度高，因此更快进入浓溶液一方，宏观上引起稀溶液中水分子净迁移到浓溶液中，形成水位差后逐渐平衡。,对于稀的水溶液而言，cB（ mol · L-1 ） bB （ mol · kg-1 ）。 而cB一般习惯用mol · L-1为单位，带入此公式时应注意单位变换。,溶液的渗透压即上述水位差，可用表示。 b. vant Hoff 定律,范霍夫 因在立体化学、化学动力学、化学平衡的重要贡献获1901年首届诺贝尔化学奖,例: 在100g水中溶解多少克尿素CO(NH2)2才能使此溶液的凝固点达到 2.0？该溶液在100kPa下的沸点是多少？,解: (1) M = 60.0g.mol-1 设溶解尿素为m克 Tf = Kf×bB 则 (2)Tb = Kb×bB 即沸点升高到100.55 ,5. 依数性的应用,a. 测定分子量 理论上各种依数性都可用于此，但从显著性、可靠性来考虑，常采用凝固点降低（小分子。可参考上例结果）和渗透压（大分子，凝固点变化微弱）。 b. 制作防冻剂和致冷剂 在冰上撒食盐，少量水会溶解盐（电解质），溶液蒸气压降低，导致冰的蒸气压相对较高，因此融化。冰融化大量吸热，故冰盐混合物可达251K低温。,c. 配制生理等渗（透压）输液 输液时要保证外来液体和血浆基本等渗透浓度。如果输液高渗，会导致红细胞萎缩；如果输液低渗，会导致红细胞膨胀，严重时破裂，即溶血。,2.3.4 溶胶的性质（了解）,动力性质布朗运动，微粒无规则运动（源于分子的热运动）,光学性质丁铎尔效应，侧面光路，光被微粒散射,溶胶胶体，液体介质。,电学性质,电渗（介质动）,电泳（胶粒动）,一方带电，整体中性，因此固体胶粒和介质具有异号电荷,Fe(OH)3胶体的电泳,AgI胶团结构 AgNO3 + KI（过量） AgI负溶胶（胶粒带负电）,结构,(AgI)m nI- (n - x)K+x- xK+,胶核,吸附离子,紧密层,扩散层,胶粒,胶团,电场下可同步运动,AgNO3过量：(AgI)m nAg+ (n - x)NO3- x+ xNO3-,作业题 1. 尼古丁的实验式为C5H7N，今有0.60g尼古丁溶于12.0g水中，所得溶液在1大气压下的沸点是100.17，求尼古丁的分子式。 2. 有一多肽的水溶液，1L此溶液中含有溶质0.4g。在300K 时，测得该溶液的渗透压为498.63Pa，求此多肽的近似摩尔质量。,