第2章物质的状态.ppt
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1、第二章 物质的状态,2.1 气体 2.2 液体 2.3 固体,第二章 物质的状态,1. 理想气体,2. 实际气体,3. 混合气体分压定律,4. 气体扩散定律,5 . 气体分子的速率分布和能量分布,2.1 气体,1. 理想气体,理想气体 概念: 分子体积与气体体积相比可以忽略不计,分子为质点 分子之间没有相互吸引力 分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞不造成动能损失,(1)理想气体的状态方程式,实际气体在什么情况下看作理想气体呢? 只有在温度高和压力无限低时,实际气体才接近于理想气体。,实验测得,其比例系数是 R, 则,pV n RT,综合以上三个经验公式,得,理想气体状态方程式,波义尔定律:当n
2、和T一定时,气体的V与p成反比 V 1/p (1) 查理-盖吕萨克定律: n和p一定时,V与T成正比 V T (2) 阿佛加德罗定律:p与T一定时,V和n成正比 V n (3),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,0,1 atm 时的体积 22.4 L。,pV n RT,理想气体状态方程式,2. 实际气体,实际气体状态方程(Van der Waals方程),恒温条件下,理想气体的pV乘积是个常数。,?,对理想气体状态方程的修正:,对分子间作用力的修正: 实际气体碰撞器壁所表现出的压力所造成的压强要比分
3、子间无引力的理想气体所产生的压强小。 pV nRT ( p实 + p内)V nRT p内:由于分子间作用力造成的修正值。 p实:实际气体的压强。,2. 实际气体,气体内层分子对碰撞器壁分子的引力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,而这两部分分子共处一个容器中,其密度均为n/V。,p内 ,p内 ,对理想气体状态方程的修正:,对气体体积的修正: 设1mol某气体分子自身体积为b,高压下气体分子自身体积不能忽略,此时1mol实际气体所占的空间要大于理想气体。,2. 实际气体,范德华方程:计算结果较接近实际情况,a的单位:Pam6mol-2; b的单位:m3mol-1 a、b
4、称为范德华常数,仅与气体的种类有关,与温度无关。(P25,表22),3. 道尔顿分压定律,混合气体的总压等于组成混合气体的各气体的分压之和。分压是指混合气体中的某种气体单独占有混合气体的体积时所呈现的压强。,piV总 = niRT P总V总 = nRT,4. 气体扩散定律,同温同压下,某种气体物质的扩散速度与其密度的平方根成反比。,同温同压下,气体的密度与其相对分子质量成正比,气体的扩散速度与其相对分子质量的平方根成反比。,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 。,5. 气体分子的速率分布和能量分布,气
5、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 。,不同温度下的气体分子运动速率的分布曲线 T2 T1,温度升高时,气体分子的运动速率普遍增大,具有较高速率的分子的分数提高,分布曲线右移。,5. 气体分子的速率分布和能量分布,气体分子的能量分布,马克斯韦尔波尔兹曼 分布定律,6.气体的液化,气体变成液体的过程叫做液化或者凝聚。,气体液化的途径 降温:减小气体的饱和蒸气压; 加压:减小气体分子间距离,有利于增大分子间作用力。,临界常数 实验表明:单纯降温可使气体液化;单纯加压则必须将温度降低到一定数值方可实现气体液化。,临界温度Tc
6、:加压使气体液化所需的一定温度; 临界压力pc:Tc下,使气体液化所需最低压强; 临界体积Vc :Tc和pc下1mol气态物质所占有的体积。,超临界状态和超临界流体,当流体的温度和压力处于Tc和Pc之上时,那么流体就处于超临界状态(supercritical状态,简称SC 状态)。超临界流体的许多物理化学性质介于气体和液体之间,并具有两者的优点,如具有与液体相近的溶解能力和传热系数,具有与气体相近的黏度系数和扩散系数。同时它也具有区别于气态和液态的明显特点:,(1)可以得到处于气态和液态之间的任一密度; (2)在临界点附近,压力的微小变化可导致密度的巨大变化。,2.2 液体和溶液,溶液浓度的表
7、示方法 液体的饱和蒸汽压 稀溶液的依数性,1. 溶液浓度的表示方法,(1) 质量摩尔浓度,mB 质量摩尔浓度,单位为molKg1; nB 溶质B的物质的量,单位为mol; mA 溶剂的质量,单位为kg。,(2) 物质的量浓度,cB 物质的量浓度,单位为molL1; nB 物质B的物质的量,单位为mol; V 混合物的体积,单位为L。,注意:使用物质的量单位mol时,要指明物质的基本单元。,例:c(KMnO4) = 0.10 molL1 c(1/5KMnO4) = 0.10 molL1的两种溶液。 两种溶液浓度数值相同,但是,它们所表示1 L溶液中所含KMnO4的物质的量n是不同的,前者为0.1
8、0mol, 后者为0.10/5=0.02mol。,(3)质量分数,mB 物质B的质量; m 混合物的质量; wB 物质B的质量分数,量纲为1。,(4)摩尔分数,nBB的物质的量,SI单位为mol; n 混合物总的物质的量,SI单位为mol; 量纲为1。,两组分的溶液系统 :,溶质B的量分数:,溶剂A的量分数:,任何一个多组分系统,则,解:根据题意,100g溶液中含有NaCl 10g,水 90g。即 m(NaCl) = 10 g, 而m(H2O) = 90 g 因此,例 求 w(NaCl) =10 %的NaCl水溶液中溶质和溶剂的摩尔分数。,几种溶液浓度之间的关系,1. 物质的量浓度与质量分数,
9、cB 溶质B的量浓度; 溶液的密度; wB溶质B的质量分数; MB 溶质B的摩尔质量。,物质的量浓度与质量摩尔浓度,cB 溶质B的量浓度; 溶液的密度; m 溶液的质量; nB 溶质B的物质的量。,若该系统是一个两组分系统,且B组分的含量较少,则溶液的质量m 近似等于溶剂的质量 mA,上式可近似成为:,若该溶液是稀的水溶液,则:,溶解度原理,“相似相溶”原理,即非极性物质可以溶解在非极性溶剂中(如碘溶于四氯化碳中),极性物质和离子型晶体易溶于极性溶剂(如水)中。主要表现在: 溶质分子与溶剂分子的结构和极性越相似,相互溶解越容易; 溶质分子的分子间作用力和大小与溶剂分子间作用力和大小越相似,越易
10、互溶。,液-液相溶,醇在水中的溶解; 固-液溶解,非极性和弱极性的固体物质易溶于非极性和弱极性的溶剂中,离子型盐类易溶于水中,固体物质的熔点对其在溶液中的溶解度也有一定影响。I2和Br2在CCl4的溶解,熔沸点低溶解度大,表9-2;熔点低的物质比熔点高的物质溶解度大。 气-液溶解,高沸点气体比低沸点气体在同一溶剂中溶解度大;具有与气体溶质最为近似分子键作用力的溶剂为最佳溶剂。HX和稀有气体水中溶解。,影响溶解度的因素,本 性,溶 剂,压 强,温 度,无机化学,(1)温度对溶解度的影响,A(固体) + B(溶剂) 溶液 rH 0 温度升高溶解度增加; A(固体) + B(溶剂) 溶液 rH 0
11、温度升高溶解度下降。 一般气体溶于液体rH 0,因而气体溶解度随温度的升高而降低。,有些物质的溶解度随着温度上升而增大,在较高的温度下配制成它的饱和溶液,并将过剩的未溶固体过滤除去,然后使溶液温度慢慢地冷却到室温,此时溶液中所溶解的溶质的量已超过室温时的溶解度,但还尚未析出晶体,这种溶液称为过饱和溶液。,过饱和溶液,存在原因:溶质不易在溶液中形成结晶中心(晶核),也就不易使溶液中作无序运动的溶质集合起来,并按一定规则进行排列.物质不同,实现这种规则排列的难易程度不同,而且晶核产生的时间长短也不同。某些物质的过饱和溶液看起来比较稳定, 但其属于不稳定的不平衡状态, 若受到振动或者加入溶质晶体,则
12、溶液里过量的溶质就会析出而成为饱和溶液,成为稳定的状态。,对固体溶质和液体溶质的溶解度影响不大; 对气体溶质影响较大:P增大,S增大。,(2)压强的影响亨利定律,ci = K pi cii气体在溶液中的浓度; pii气体分压; K亨利常数。,一定温度下,一定体积的液体中所溶解气体质量与溶液上方气相中该气体的分压成正比。,解释:当气体压强增加n倍,气体进入液体的机会也增加n倍,气体溶解的质量也增加n倍。故亨利定律与其它气体的分压无关。,一定温度下,同一溶质分配在互不相溶的两种溶剂中的浓度之比值为一常数,此即分配定律。,K 分配系数; 溶质B在溶剂中的浓度; 溶质B在溶剂中的浓度。,3. 分配定律
13、,在100 mL水溶液中含有0.02 g碘,用20mL CCl4进行萃取。比较一次用20 mLCCl4和分两次每次用10 mLCCl4的萃取效率。已知:K = 1/85。,一定量溶剂少量多次萃取效果好,液体变成蒸气的过程叫做蒸发。,蒸发与凝聚过程 饱和蒸气压:蒸发凝聚达平衡 仅仅与液体的本质和温度有关 。,2. 液体的蒸发与饱和蒸汽压,2. 液体的蒸发与饱和蒸汽压,温度升高,液体的饱和蒸汽压增大。,固体也有饱和蒸气压。如干冰、萘、碘等固体,蒸气压很大,可直接由固体变成气体(升华)。 饱和蒸气压与物质的种类有关。有些物质的蒸气压很大,如乙醚、汽油等,有些物质的蒸气压很小,如甘油、硫酸等。 蒸气压
14、的大小,与液体分子间的吸引力有关,吸引力越大,蒸气压越小。 极性分子的吸引力强,蒸气压小。非极性分子的吸引力小,蒸气压大。 分子量越大,分子间的作用力越强,蒸气压越小。,饱和蒸气压,克劳修斯-克拉贝龙方程,计算蒸发热和蒸汽压,液体的蒸发,蒸发热 维持液体恒温恒压下蒸发所必需的能量。,摩尔蒸发热 一定温度、压力下,1 mol液体的蒸发热。,蒸发热的大小可用于度量液体分子间吸引力的大小:一般地,蒸发热越大,液体分子间的作用力越大。,溶液有两大类性质: 1. 与溶液中溶质的本性有关:颜色、比重、酸碱性和导电性等 2. 与溶液中溶质的独立质点数有关(依数性) 如溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压等。,
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