第二章氣體液體和溶液1)理想或接近理想(溫度,壓力)2)只適用于完全封閉得氣體

R=PV/nT=PVm/T

=101、325×103Pa×22、414

×10-3m3/273、15K

=8、314J·mol－1·K－1注意點(diǎn):=0、082L·atm·mol－1K-1

3)R得取值隨壓力單位得變化而不同*理想氣體定律應(yīng)用P—V—T—n(m,M,ρ)Sample:AsampleofCH4wasslowlyheatedataconstantpressureof0、9atm、Thevolumeofthegaswasmeasuredataseriesofdifferenttemperaturesandaplotofvolumevs、temperaturewasconstructed、Theslopeofthelinewas2、88×10-4L/K、WhatisthemassofthesampleofCH4?應(yīng)用實(shí)例:測(cè)分子量a、蒸氣密度法測(cè)某種易揮發(fā)得液體得相對(duì)分子質(zhì)量由于已知P、R、T,所以必須求V和m忽略b、極限密度法:蒸氣密度法得改進(jìn)外推P→0時(shí),2、2、分壓定律(Doltons’lawofpracticalpressure)組分氣體:氣體混合物中每一種氣體。分壓:組分氣體A在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生得壓力,叫做組分氣體A得分壓。分壓定律:混合氣體得總壓等于混合氣體中各組分氣體分壓之和。P=P1+P2+

或P

=

Pi

P總V=n總RT=(n1+n2+……+ni)RT=P1V+P2V+……+PiV=(P1+p2+……+Pi)VP總=Σpi=P1+p2+……+Pi同時(shí)由于PiV=niRT;P總V=n總RT

(摩爾分?jǐn)?shù))證明:例題:

V=2dm3,O2:

0、20mol,H2:0、50mol,Ar:0、10molT=300K,O2+2H2→2H2O(l)求反應(yīng)前后各氣體得分壓以及總壓。(T=300K時(shí)PH2O=0、035atm)解:

反應(yīng)前:反應(yīng)后:

2H2+O2=2H2OAr0、500、2000、100、1000、40(l)0、10注意:在該溫度下,2dm3

體積得H2O(g)計(jì)算得0、002846mol,若O2為0、001mol,生成H2O0、002mol,則水將完全氣化,P就不就是P飽和。2、3、分體積定律(Amagat’sLawofPartialVolumes)V總＝V1+V2+V3+…＝

Vi=V總Xi分體積:混合氣體中某一組分B得分體積VB就是該組份單獨(dú)存在并具有與混合氣體相同溫度和壓力時(shí)所占有得體積。分體積定律:當(dāng)溫度、壓力相同時(shí),混合氣體得總體積等于各組分分體積之和。注意:對(duì)混合氣體體系,分體積和分壓不能同時(shí)代入理想氣體方程9大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問(wèn)的，可以詢問(wèn)和交流2、4、格拉罕姆擴(kuò)散定律(Graham’slawofeffusion)

在恒壓條件下,某一溫度下氣體得擴(kuò)散速率與其密度(或摩爾質(zhì)量)得平方根成反比(實(shí)驗(yàn)定律)表達(dá)式:應(yīng)用:1)測(cè)定未知?dú)怏w得分子量(或原子量)例:WhatisthemolecularformulaofapoundofempiricalformulaCHthatdiffuse1、246moreslowlythanKrypton(MW=83、8)atthesametemperatureandpressure、

2)可以分離同位素isotope從鈾礦制備分離235U,利用UF6不同得擴(kuò)散速率差別很小,需非常多級(jí)分離氣體擴(kuò)散串聯(lián)示意圖設(shè)計(jì)了3000級(jí),耗資8億美元基本假設(shè):

A、氣體分子就是質(zhì)點(diǎn)三、氣體分子運(yùn)動(dòng)論(KineticMolecularTheory)

C、氣體分子做彈性碰撞J、C、Maxwell、L、Boltzmann、R、ClausiusB、氣體分子不斷地作高速無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)過(guò)程:單位時(shí)間動(dòng)量改變量:壓強(qiáng):總壓強(qiáng):定義:稱(chēng)為均方根速率

熱力學(xué)溫度:大量分子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)得平均動(dòng)能有關(guān);熱:大量分子得混亂運(yùn)動(dòng)或無(wú)序運(yùn)動(dòng)格林漢姆擴(kuò)散定律K:波爾茲曼常數(shù)P,T分子運(yùn)動(dòng)橋梁氣體分子運(yùn)動(dòng)論意義:**例題:求在0?C時(shí)氫分子得速度四、氣體分子速度分布與能量分布(Distributionofgasmolecularspeedsandenergy)a、速度分布b、能量分布波爾茲曼因子

能量大于和等于E0得所有分子得分?jǐn)?shù):五、實(shí)際氣體定律(TheRealGasLaw)1、實(shí)際氣體與理想氣體得偏差:1mol氣體的PV/RT~p曲線1molN2的PV/RT~p曲線（不同溫度）氣體分子間作用力與距離得關(guān)系2、實(shí)際氣體狀態(tài)方程(vanderwaalsequation)2、分子間得引力兩點(diǎn)修正:a,b

稱(chēng)為vanderWaal’sconstant(Vreal-nb)=Videal等于氣體分子運(yùn)動(dòng)得自由空間1、分子自身得體積分子間吸引力正比于(n/V)2

內(nèi)壓力P′=a(n/V)2

Pideal=Preal+a(n/Vreal)2表某些氣體得VanderWaals常數(shù)例題:分別按理想氣體狀態(tài)方程和vanderwaals方程計(jì)算1、50molSO2在30攝氏度占有20、0L體積時(shí)得壓力,并比較兩者得相對(duì)誤差。如果體積減少為2、00L,其相對(duì)誤差又如何？已知a=0、6803Pa·m6

·mol-2,

b=0、5636

10-4m3

·mol-1解:已知:T=303K,V=20、0L,n=1、50mol思考題:范德華實(shí)際氣體狀態(tài)方程得適用范圍？

五、氣體得液化和臨界狀態(tài)(criticalstate)液化得方法:降溫、加壓臨界溫度:加壓下氣體能夠液化得最高溫度;臨界壓強(qiáng):臨界溫度時(shí),使氣體液化得最低壓強(qiáng);臨界體積:臨界溫度和臨界壓強(qiáng)下,1mol氣態(tài)物質(zhì)占有得體積。熔沸點(diǎn)低得物質(zhì),臨界溫度也低物質(zhì)tc(oC)Pc(106Pa)

c(g/ml)氨132、411、2760、235CO-140、243、49850、301CO231、047、3760、468HCl51、58、30820、45H2O373、0922、0470、32NO-93、06、48440、52SO2157、67、88370、525Na2300、035、4620、198Ar-122、44、87340、533Cl2144、07、70030、573H2-240、171、29280、0314N2-147、03、39420、313O2-118、575、04260、436一、液體得結(jié)構(gòu)(structureofliquids)§2、液體(Liquid)液體結(jié)構(gòu)特點(diǎn):處于完全混亂得氣體狀態(tài)和完全有序得固體狀態(tài)之間液體特性:粘度,表面張力,凝固點(diǎn),沸點(diǎn),飽和蒸氣壓(簡(jiǎn)稱(chēng)為蒸汽壓)近程有序遠(yuǎn)程無(wú)序

二、液體得蒸氣壓(Vaporpressureofliquid)1、蒸發(fā)過(guò)程

1)蒸發(fā):液體氣化得一種方式2)蒸發(fā)熱(焓):在恒定得溫度和壓力條件下,1mol液體蒸發(fā)變?yōu)檎魵馑盏脽崃?、液體得飽和蒸氣壓(簡(jiǎn)稱(chēng)蒸氣壓)

3)蒸氣壓只與液體本質(zhì)和溫度有關(guān)、

1)2)蒸氣壓:一定溫度下與液體平衡得飽和蒸氣所具有得壓力。蒸氣壓vs溫度Clusius---ClapeyronequationApplicationofClusius-Clapeyronequation1、求蒸發(fā)熱2、已知蒸發(fā)熱和一個(gè)溫度下得壓強(qiáng),求另一個(gè)溫度下得壓強(qiáng)例題:25℃

時(shí),0、100mol液態(tài)苯在一個(gè)可通過(guò)提高活塞而改變得容器中蒸發(fā)(蒸氣壓為12、3kPa),試求(1)體積增加至何值時(shí)液體恰巧消失？(2)體積為12、0dm3

和30、0dm3

時(shí),苯蒸氣壓分別就是多少？(3)1atm,4dm3空氣緩慢地鼓泡通過(guò)足量得苯中,苯將損失多少克？解:(1)V=nRT/P=20、1dm3(2)12、0dm3:氣壓為12、3kPa、30、0dm3:

P1V1=P2V2P2=P1V1/V2=8、24kPa(3)P總=P空氣＋P苯P空氣=89kPa

這時(shí),4dm3空氣體積變?yōu)?/p>

V=(101、3×4)/89=4、55dm3,也就是苯蒸氣得體積由PV=nRT=mRT/M得:m=PVM/RT=1、76g三、超臨界流體(supercriticalfluid)當(dāng)T＞Tc,P＞Pc時(shí)得流體稱(chēng)為超臨界流體超臨界流體兼有液體和氣體得雙重特性,擴(kuò)散系數(shù)大,粘度小,滲透性好,與液體溶劑相比,可以更快地完成傳質(zhì),達(dá)到平衡,促進(jìn)高效分離過(guò)程得實(shí)現(xiàn)

§3、溶液及其性質(zhì)(propertiesofsolution)一、基本概念(Basicconcepts)根據(jù)分散相直徑分類(lèi):d<1nm溶液d=1～100nm溶膠d>100nm懸濁液、乳濁液。1、分散系(dispersionsystem):一種或幾種物質(zhì)得質(zhì)點(diǎn)分散在另一種物質(zhì)得質(zhì)點(diǎn)中所形成得體系

分散相(dispersionphase):被分散得物質(zhì)分散介質(zhì)(dispersionmedium):容納分散相得物質(zhì)分散相─溶質(zhì)(solute)分散介質(zhì)─溶劑(solvent)。2、溶液(Solution):一種物質(zhì)以分子、原子或離子狀態(tài)分散于另一種物質(zhì)中所構(gòu)成得均勻而又穩(wěn)定得體系、二、溶液得濃度表示法1、質(zhì)量分?jǐn)?shù)(massfraction,masspercentage)

(w)

:2、摩爾分?jǐn)?shù)(Molefraction)

(xi):

=ni/n=molesofsolute/molesofallponentsppm(partspermillion),ppb(partsperbillion)3、體積物質(zhì)得量濃度(Molarity)

(cB):

cB

=molesofsolute/litersofsolution4、質(zhì)量物質(zhì)得量濃度

(Molality)(mB)

:

mB

=molesofsolute/kilogramsofsolvent當(dāng)溶液很稀時(shí),ρ=1,所以1kg溶劑近似看作1L溶液,則cB

≈mB

各種濃度之間得換算(Unitsexchange)三、溶解度原理(principleofsolubility)1、溶解過(guò)程就是物理化學(xué)過(guò)程。2、溶解度(solubility):每100g溶劑中所能溶解得溶質(zhì)得最大質(zhì)量3、溶解平衡就是動(dòng)態(tài)平衡(dynamicequilibrium)。4、影響溶解度得內(nèi)因:“相似相溶”溶質(zhì)和溶劑在結(jié)構(gòu)或極性上相似**液—液相溶:

**固—液溶解:

極性與極性,非極性與非極性易溶離子化合物復(fù)雜類(lèi)似結(jié)構(gòu)得化合物熔點(diǎn)低得易溶**氣—液溶解:

高沸點(diǎn)氣體溶解度大;氣體在近似分子間力溶劑溶解度大物質(zhì)熔點(diǎn)(℃)在苯中的溶解度(x)蒽2180.008菲1000.21萘800.26聯(lián)二苯690.39

5、影響溶解度得外因:

溫度和壓力溫度:

壓力:壓強(qiáng)增大時(shí),對(duì)固體、液體溶解度變化不大,固體:若溶解過(guò)程就是吸熱,則升溫溶解度增大

液體:溫度升高,溶解度增大氣體:溫度升高,溶解度降低

氣體溶解定律---Hernry’sLaw在一定溫度和一定體積得液體中,所溶解得氣體質(zhì)量與該氣體得分壓成正比數(shù)學(xué)表達(dá)式:kH=p/x

kH:Henry’sconstantP:被溶解氣體得分壓(以mmHg為單位)X:溶解得氣體在溶液中所占得物質(zhì)得量分?jǐn)?shù)。只適用于溶解度小、不與溶劑相互作用得氣體由亨利定律∴SampleExercise:20℃時(shí),氧氣溶解在水中得亨利定律常數(shù)為2、95×107mmHg,在通常大氣中,氧分壓為0、21atm,此時(shí)有多少摩爾氧氣溶在1000g水中？解:6、溶解度原理得應(yīng)用:

1)利用不同溶質(zhì)在同一溶質(zhì)溶劑中得溶解度得差別來(lái)分離物質(zhì)固液體系:

分級(jí)結(jié)晶(重結(jié)晶recrystalline)液液體系:

萃取氣液體系:

2)利用溶解度差異來(lái)制備材料、生長(zhǎng)單晶等高溫區(qū)低溫區(qū)

四、非電解質(zhì)稀溶液得依數(shù)性(colligativeproperties)依數(shù)性:與微粒個(gè)數(shù)有關(guān)得性質(zhì),與溶質(zhì)種類(lèi)無(wú)關(guān)1、溶液得蒸氣壓降低(Loweringthevaporpressure)──稀溶液依數(shù)性得核心Raoult定律:一定溫度下,稀溶液得蒸氣壓等于純?nèi)軇┑谜魵鈮号c溶劑得摩爾分?jǐn)?shù)相乘;或者說(shuō)蒸氣壓得下降等于純?nèi)軇┑谜魵鈮撼艘匀苜|(zhì)得摩爾分?jǐn)?shù)。(溶質(zhì)不揮發(fā))

對(duì)于稀溶液∴∴Raoul定律實(shí)驗(yàn)圖

兩種易揮發(fā)得物質(zhì)互溶時(shí),若在理想狀態(tài)下,符合拉烏爾定律:反之,凡符合此式得溶液稱(chēng)理想溶液**理想溶液:溶液中各物質(zhì)分子得大小及各種分子間力得大小與性質(zhì)相同例題:某混合溶液由1mol苯和2mol甲苯組成,求20oC時(shí)蒸氣組成。已知、

雖然苯在溶液中僅占33mol%,但在蒸氣中占63mol%,所以易揮發(fā)得成份在蒸氣中富積,成為蒸餾技術(shù)(distillation)得重要基礎(chǔ)。解:液體得沸點(diǎn)就是指液體得飽和蒸氣壓與外界大氣壓相等時(shí)得溫度;凝固點(diǎn)就是指液體得蒸氣壓與其固體得蒸氣壓相等時(shí)得溫度問(wèn)題:(1)某一溫度,一種物質(zhì)固體得蒸氣壓大于液體,請(qǐng)問(wèn)物質(zhì)表現(xiàn)為溶解還就是凝固？

(2)蒸發(fā)和沸騰得不同點(diǎn)

2、溶液沸點(diǎn)得升高和凝固點(diǎn)得降低(BoilingpointelevationandFreezingpointdepressionofsolution)

ΔTb=Kb?m沸點(diǎn)升高Kb為溶劑得沸點(diǎn)升高常數(shù)ΔTf=Kf?m凝固點(diǎn)降低Kf:摩爾凝固點(diǎn)下降常數(shù)Application:測(cè)分子量同一溶劑:Kf＞Kb,不同溶劑:有機(jī)物得Kf

和Kb較大3、

滲透壓(osmoticpressure)(1)半透膜:允許小分子(如水)透過(guò),但大得溶質(zhì)分子不能透過(guò)得膜狀物質(zhì)。(2)滲透:溶劑分子通過(guò)半透膜從稀溶液向濃溶液方向移動(dòng)得現(xiàn)象。(3)滲透壓:為阻止?jié)B透過(guò)程進(jìn)行所需施加于溶液得壓力稱(chēng)為滲透壓。(4)溶質(zhì)分散在一定體積得溶劑中得滲透壓和溶質(zhì)擴(kuò)散在等體積中得氣體壓力一樣,即:πV=nRTorπ=cRTa、在極稀溶液中,π≈mRT;b、只有在半透膜存在下,才能表現(xiàn)出滲透壓;c、雖然稀溶液得π=cRT與氣體得pV=nRT完全符合,但π與p產(chǎn)生得原因就是不同。

(5)Application:用于極高分子量得測(cè)定Sampleexercise:在250C、1升苯中含5、0克聚苯乙烯得溶液,其π=7、6mmHg,試求聚苯乙烯得分子量？Solution:=1、22×104(g/mol)例:在常溫恒壓下,讓一定量干燥得空氣先緩慢通過(guò)含有5％某不揮發(fā)性物質(zhì)得苯溶液,然后再緩慢地通過(guò)純苯液體。停止通氣后,測(cè)得第一瓶得苯溶液失重1、24g,第二瓶得純苯失重0