无机及分析化学——第一章-气体和溶液..

第一章气体和溶液学习要求1.掌握理想气体状态方程及其应用。2.掌握道尔顿分压定律。3.理解稀溶液的依数性及其应用。4.熟悉溶胶的结构、性质、稳定性及聚沉作用。5.了解大分子溶液与凝胶。物质的聚集状态气态——气体液态——液体固态——固体液晶态——物质的第四态或中介态，液体和晶态之间，自发有序仍能流动的状态（有序流体）。等离子态—物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存的状态。由于此时物质正、负电荷总数仍然相等，因此叫做等离子态（又叫等离子体）。描述气体状态的物理量物理量单位压力p帕斯卡Pa(N·m-2)体积V立方米(m3)温度T开尔文(K)物质的量n摩尔(mol)1.1气体1.1.1理想气体状态方程1.理想气体定义：分子本身不占体积，分子间没有相互作用力的气体。理想气体分子间的作用力忽略不计。分子与分子之间、分子与器壁之间的碰撞，是完全弹性碰撞-无动能损失。理想气体分子本身占有的体积忽略不计,将分子看成有质量的几何点。■严格意义上的理想气体实际上是不存在的。但对实际气体来说，只要温度不是太低（高温,高于273K），压力不是太高（低压,低于数百kPa），都可以近似用理想气体状态方程作有关p、V、T、n的计算。2.理想气体状态方程理想气体的温度（T）、压力（p）、体积(V)和物质的量（n）之间,具有如下的方程式关系：pV=nRT在SI制中，p—Pa，V—m3，T—K，n—mol。标准状况（p=101.325kPa，T=273.15K）下，1mol气体的标准摩尔体积为22.414×10-3m3，摩尔气体常数R的单位及数值为:5331.013251022.414101273.15pVPamRnTmolK3118.3145PamKmol118.3145JKmol理想气体状态方程的表示方法pVnRTmpVRTMpMRTmRTMpV——摩尔质量的计算分压力pi：某一组分气体对器壁产生的（施加的）压力叫该组分气体的分压力pi。道尔顿分压定律：某一组分气体的分压力等于该气体单独占有该容器时产生的压力。1.1.2道尔顿分压定律*分压力与总压力的关系假如容器中有1,2,3,···等多种气体，则：p=p1+p2+p3+…=Σpi=nRT/V(总压力等于分压力之和)（理想气体方程也适合混合气体）pi=niRT/Vpi=xip(其中：xi=ni/n称作摩尔分数)混合气体中各组分的摩尔分数之和等于1iipnpn*只有理想气体才严格遵守道尔顿分压定律，实际气体只有在低压和高温下，才近似地遵守此定律。1.2.1分散系(1)什么是“分散系”？一种或几种物质以细小的粒子分散在另一种物质里所形成的系统分散质(分散相)分散剂（分散介质）1.2溶液被分散起分散作用a)分子或离子分散系--真溶液（单相体系）：0.1~1nm(10-9m),分子/离子分散系，例如NaCl水溶液等。是一种稳定的体系。b)胶体分散系：1~1000nm(10-9~10-6m),胶体分散系，例如天然水中的杂质、蛋清等。外观与溶液相似，但透光可观察到“丁铎尔效应”。能保持相对的稳定。c)粗分散系：1000nm(10-6m),例如：泥浆水(悬浊液）、牛奶、豆浆等。肉眼或在显微镜下可观察到微粒，静置易沉淀，是一种不稳定的体系。(2)三种常见的分散系相与界面相（phase）：体系中物理性质和化学性质完全相同的部分。相界面（简称界面，interface）：将相与相分隔开来的部分。相与相之间在指定的条件下具有明确的界面，在界面两边体系的性质会有突跃变化。处于界面上的原子或分子的受力情况与相内部的不同，往往存在剩余引力，具有界面能。一般来说，体系中存在的界面越多，能量就越高，体系也越不稳定。铁粉和硫磺粉汽水冰油水汽注意：(1)不论有多少种气体组分都只有一个相（即气相）。这种只有一个相的体系称为单相体系或均匀体系。(2)除固溶体（固体溶液）外，每一种固态物质即为一个相，体系中有多少种固态物质即有多少相。含有两个或多个相的体系称为多相体系或非均匀体系。(3)液态物质视其互溶程度通常可以是一相（例如水与酒精的混合物）、两相（例如水和油的混合物）、甚至三相共存（例如水、油和汞的混合物）。(4)单相体系中不一定只有一种组分物质（例如气体混合物即由多种物质所组成）；同一种物质也可因聚集状态的不同而形成多相体系（例如水、水蒸气和冰三相共存）；聚集状态相同的物质在一起也不一定就是单相体系（例如油水分层的液态体系有两相）。分子或离子分散体系单相按聚集状态：气态溶液、液态溶液、固态溶液1.2.2稀溶液的通性★溶液(1)溶液的一般概念溶解：溶质均匀分散于溶剂中的过程。是个既有化学变化，又有物理变化的复杂过程。常伴随：颜色变化，体积变化，能量变化。(2)溶解过程与溶液的形成(3)溶解度的概念单位溶剂中最多能溶解的溶质的量——溶解度溶解度与温度、压力等因素有关。(4)相似相溶原理溶剂与溶质的分子结构相似，就能较好地相互溶解。(5)溶液浓度的表示方法质量分数(无量纲)摩尔分数x(无量纲)质量摩尔浓度b(mol·kg-1)质量浓度(g·L-1)物质的量浓度c(mol·L-1或mol·dm-3)常用溶液浓度的表示方法名称定义数学表达式单位质量分数溶质A的质量mA与溶液质量m之比值无量纲量摩尔分数物质A的物质的量(nA)与混合物的物质的量()之比无量纲量质量摩尔浓度溶质A的物质的量(nA)除以溶剂的质量(mB)mol/kg(SI)质量浓度溶质A的质量(mA)除以溶液的体积(V)常用g/L或g/mL物质的量浓度溶质A的物质的量(nA)除以混合物的体积(V)常用mol/L或mmol/LAmmAAiinxn/ABbnm/AmV/AcnViin难挥发非电解质稀溶液的依数性(Colligativepropertiesofdilutesolutions)与溶解有关的性质分为两类：(1)溶液的颜色、比重、导电性等性质，与溶质的本性有关；(2)溶液的蒸气压、沸点、凝固点等性质，与溶质的本性无关。稀溶液的依数性：只与溶液的浓度有关，而与溶质的本性无关的性质。只有溶质的浓度低，即所谓“稀溶液”才具有依数性。依数性来源于分散微粒间距离远，作用力小。通常所说的“依数性”，包括四个方面：•蒸气压下降(Theloweringofthevaporpressure)•沸点升高(Theelevationoftheboilingpoint)•凝固点降低(Thedepressionofthefreezingpoint)•渗透压(Thephenomenonofosmoticpressure)什么是物质的饱和蒸气压？什么是溶液的饱和蒸气压？“溶液的蒸气压下降”是什么意思？为什么溶液的蒸气压会下降？溶液的蒸气压下降多少由什么决定？1.溶液的蒸气压下降蔗糖溶液水放置一段时间后，水自动转移到糖水中去。蔗糖溶液水？气化（蒸发）：液体表面能量较大的分子，克服分子间的引力，逸出液体表面进入液体上面的空间。凝聚：气相中的分子，可能与液体表面发生碰撞，并被周围的液体分子所吸引，重新回到液相。饱和蒸气压：当：凝聚速度=蒸发速度达到平衡，此时的蒸气压为一定值，称为饱和蒸气压。饱和蒸气压1)纯溶剂的饱和蒸气压在密闭容器中，在纯溶剂的单位表面上，单位时间里，有N0个分子蒸发到上方空间中。随着上方空间里溶剂分子个数的增加，分子凝聚回到液相的机会增加。上方空间里溶剂分子个数逐渐增加，密度增加，压力也增加。这时起，上方空间里溶剂分子的个数不再改变，蒸气的密度也不再改变，保持恒定。当密度达到一定数值时，凝聚的分子的个数也达到N0个。此时，蒸气的压力也不再改变。这个压力称为该温度下溶剂的饱和蒸气压，用p0表示。蒸发液体气体凝聚达到平衡后，若使蒸气压小于p0，则平衡右移，液体气化；若使蒸气压大于p0，则平衡左移，气体液化。p0p02)溶液的饱和蒸气压——溶液中，作为溶剂的那种物质所具有的饱和蒸气压（分压力）。溶液的饱和蒸气压同样与温度密切相关(表1-1)：溶剂的表面溶液的表面难挥发溶质的分子溶剂分子实验测定25oC，水的饱和蒸气压：pH2O=3167.7Pa;0.5mol/kg糖水的蒸气压：pH2O=3135.7Pa；1.0mol/kg糖水的蒸气压：pH2O=3107.7Pa。结论：溶液的蒸气压比纯溶剂低，溶液浓度越大，蒸气压下降越多。3)“溶液的蒸气压下降”是什么意思？同一温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压要小，它们之间的差值，叫“溶液的蒸气压下降”。4)为什么溶液的蒸气压会下降？当溶质分散于溶剂之中，溶液表面的部分位置，被溶质分子所占据，使得单位表面所能逸出的溶剂的分子个数减少，因此溶液蒸气压较之纯溶剂有所降低。蔗糖溶液水蔗糖溶液水蔗糖溶液水蔗糖溶液水过程开始时，水和糖水均以蒸发为主。当蒸气压等于p时，糖水与上方蒸气达到平衡。实验现象的解释蔗糖溶液水蔗糖溶液水由于p0p，此时水并未与蒸气达到平衡，水将继续蒸发，致使蒸气压大于p。于是水蒸气分子开始凝聚到糖水中。这又使得蒸气压不能达到p0于是，H2O分子从水中蒸出而凝聚入糖水。6)溶液的蒸气压下降多少？——拉乌尔定律（Raoult’sLaw)(1887年提出，拉乌尔——法国物理学家)在一定温度下，稀溶液的饱和蒸气压等于纯溶剂的饱和蒸气压与溶剂的摩尔分数之积。p=p0•x剂用p表示稀溶液饱和蒸气压下降值，则有p=p0－p=p0－p0•x剂故有p=p0•x质Δp:纯溶剂蒸气压与稀溶液蒸气压之差对于稀溶液：n质n剂,所以n质+n剂n剂pp0b/55.6molkg-1Kbp=p0•x质结论：在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降(p)与溶质的质量摩尔浓度(b)成正比，而与溶质的本性无关。液体的沸点(boilingpoint)沸点:液体的蒸气压等于外界压力时的温度。正常沸点：外压为101.3kPa时的沸点。溶液的沸点升高(boilingpointelevation)沸点升高：溶液的沸点(Tb)总是高于相应纯溶剂的沸点(Tbo)。2.溶液的沸点升高和凝固点下降1)溶液的沸点升高溶液的沸点升高TpopBB’CA固态纯溶剂A’纯溶剂溶液TboTb原因：溶液的蒸气压下降。根据Raoult定律：Kb：溶剂沸点升高常数，只与溶剂的本性有关。溶液的沸点升高与蒸气压下降成正比，pKTTTobbb'K’－比例常数'obbbbTTTKKbKbbbTKb结论：难挥发非电解质稀溶液的沸点升高(Tb)只与溶质的质量摩尔浓度(b)成正比，而与溶质的本性无关。纯溶剂的沸点是恒定的，但溶液的沸点却在不断变化。应用——测定溶质的摩尔质量。说明例1已知苯的沸点是353.2K，将2.67g某难挥发性物质溶于100g苯中，测得该溶液的沸点升高了0.531K，求该物质的摩尔质量。解：设所求物质的摩尔质量为M查得苯的摩尔沸点升高常数Kb=2.53K·kg·mol-1根据Tb=Kbb0.531K=2.53K·kg·mol-12.671001000gMkg质得M=2.53K·kg·mol-12.67g/(0.531K0.1kg)=128g·mol-1凝固点(freezingpoint)凝固点:物质的固态和它的液态平衡共存时的温度。在此温度，液态的蒸气压与固态的蒸气压相等。2)溶液的凝固点下降凝固点降低(freezingpointdepression)凝固点降低：溶液的凝固点(Tf)总是低于相应纯溶剂的凝固点(Tfo)。popT(K)BB’AA’CTbTboTfTfo水冰蔗糖101.3(kPa)273373溶液的沸点升高和凝固点降低原因：溶液的蒸气压下降。即：Kf：溶剂凝固点降低常数，决定于溶剂的本性。难挥发性非电解质稀溶液凝固点降低(Tf)与溶液的质量摩尔浓度(bB)成正比，而与溶质的本性无关。offffTTTKb利用溶液的凝固点降低也可以测定溶质的摩尔质量