第一章 氣體與溶液

第一章氣體和溶液

學(xué)習(xí)要求：

1.掌握理想氣體狀態(tài)方程式及其應(yīng)用。

2.掌握道爾頓分壓定律。

3.理解掌握稀溶液的依數(shù)性及其應(yīng)用。氣體狀態(tài)方程：方程說明：物質(zhì)的體積V是溫度T，壓力p和該物質(zhì)的量的函數(shù)。§1-1氣體氣體的最基本特征：具有可壓縮性和擴(kuò)散性一、理想氣體狀態(tài)方程式在任何壓力和溫度下都能嚴(yán)格遵守有關(guān)氣體基本定律的氣體稱為理想氣體。理想氣體狀態(tài)方程式：pV=nRT(1-1)說明：1.理想氣體是一種假想的概念；2.真實(shí)氣體只是在壓力很低時(shí)才接近于理想氣體。理想氣體狀態(tài)方程式的應(yīng)用：pV=nRT

R----摩爾氣體常數(shù)①在STP下，p=101.325kPa,T=273.15Kn=1.0mol時(shí),Vm=22.4141L=22.414×10-3m3R=8.315kPaL/K.mol（1）氣體常數(shù)R的數(shù)值：②若p取mmHg，V取mL③若p取大氣壓（atm)，V取L（2）n為定值時(shí)：實(shí)際應(yīng)用時(shí)：把非標(biāo)準(zhǔn)條件下之氣體體積換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下之氣體體積。在STP下，p=101.325kPa,T=273.15K(0℃)（3）氣體摩爾質(zhì)量的測定：就可計(jì)算出氣體的摩爾質(zhì)量氣體密度的計(jì)算：=m/V

pV=nRT

理想氣體狀態(tài)方程式的應(yīng)用計(jì)算p，V，T，n四個(gè)物理量之一。應(yīng)用范圍：溫度不太低，壓力不太高的真實(shí)氣體。有關(guān)氣體體積的計(jì)算：例:為了行車的安全，可在汽車中裝備上空氣袋，防止碰撞時(shí)司機(jī)受到傷害。這種空氣袋是用氮?dú)獬涿浧饋淼模玫牡獨(dú)馐怯莎B氮化鈉與Fe2O3在火花的引發(fā)下反應(yīng)生成的?？偡磻?yīng)是：6NaN3+Fe2O3(s)3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)在25℃，748mmHg下，要產(chǎn)生75.0L的N2，計(jì)算需要疊氮化鈉的質(zhì)量。例題：解：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式所顯示出的n（NaN3）與n（N2）的數(shù)量關(guān)系，可以進(jìn)一步確定在給定條件下，m（NaN3）與V（N2）的關(guān)系。已知條件：T=298K;p=748mmHg=99.73kPaV(N2)=75.0L;M(NaN3)=65.01g/mol。問m(NaN3)=？解：1、求298K時(shí)氮體積的理論量6NaN3+Fe2O3(s)3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)6NaN3+Fe2O3(s)=

3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)6mol 223.6Lm/M75.0L2、求m(NaN3)例題：淡藍(lán)色氧氣鋼瓶體積一般為50dm3(L)，在室溫20℃,當(dāng)它的壓力為15atm時(shí)，估算鋼瓶中所剩氧氣的質(zhì)量。解：在pV=nRT式中p，V，T都已知，即可求算n。氧氣的摩爾質(zhì)量為32g/mol，故所剩氧氣的質(zhì)量：例題:惰性氣體氙(Xe)能和氟形成多種氟化氙XeFx。實(shí)驗(yàn)測定在80℃,15.6kPa時(shí)，某氣態(tài)氟化氙試樣的密度為0.899g/dm3。試確定這種氟化氙的分子式。解：求出該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，即可確定分子式，設(shè)氟化氙分子量為M，密度為ρ（g/dm3），質(zhì)量為m(g)，R應(yīng)用8.315kPa.dm3/mol.KpV=nRT=RTm/Mx=2這種氟化氙的分子式為XeF2二、道爾頓（Dalton)分壓定律實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：混合氣體的總壓力等于各組分氣體分壓力之和。分壓：組分氣體B在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓力，叫做組分氣體B的分壓。數(shù)學(xué)描述為：分壓定律的另一表示：摩爾分?jǐn)?shù)：混合物中各組分摩爾分?jǐn)?shù)之和必等于1解：各組分的組成是清楚的：分壓定律的應(yīng)用例題:可以用亞硝酸銨受熱分解的方法制取純氮?dú)?。反?yīng)如下：

NH4NO2(s)2H2O(g)+N2(g)如果在19℃、97.8kPa下，以排水集氣法在水面上收集到的氮?dú)怏w積為4.16L，計(jì)算消耗掉的亞硝酸銨的質(zhì)量。解：T=（273+19）=292K

p=97.8kPa,V=4.16L292K時(shí)，p（H2O）=2.20kPa（查表）M(NH4NO2)=64.04g/molNH4NO2(s)2H2O(g)+N2(g)64.04g1molm(NH4NO2)=?0.164mol§1-2水略§1-3溶液

溶液：一種或幾種物質(zhì)以分子、原子或離子狀態(tài)分散于另一種物質(zhì)中所形成的均勻而穩(wěn)定的分散系。被分散的物質(zhì)叫溶質(zhì)，容納分散質(zhì)的物質(zhì)稱為溶劑。溶液的類型：固態(tài)溶液、液態(tài)溶液、氣態(tài)溶液。1、溶液的基本概念

2、溶液的濃度(1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)（massfraction)ωA=mA/ms(2)摩爾分?jǐn)?shù)（molefraction)xA=nA/n(3)質(zhì)量摩爾濃度（molality)

b

=nA/mB在1000g溶劑中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量，叫做質(zhì)量摩爾濃度。(4)質(zhì)量濃度（massconcentration)

ρA=mA/V(5)物質(zhì)的量濃度（amount-of-substanceconcentration)

cA=nA/V各種溶液各有其特性，但有幾種性質(zhì)是一般稀溶液所共有的。這類性質(zhì)與濃度有關(guān)，或者是與溶液中的“粒子數(shù)”有關(guān)，而與溶質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)。

稱其為“依數(shù)性”，這里是非常強(qiáng)調(diào)溶液是“難揮發(fā)的”，“非電解質(zhì)的”和“稀的”這幾個(gè)定語的。

3.非電解質(zhì)稀溶液的依數(shù)性水自動(dòng)轉(zhuǎn)移到糖水中去,為什么?這種轉(zhuǎn)移,只能通過蒸氣來進(jìn)行。

因此,要研究蒸氣的行為,才能弄清楚問題的實(shí)質(zhì)。

問題的提出溶液的蒸氣壓下降飽和蒸氣壓:在一定溫度下，純?nèi)軇┑恼舭l(fā)和凝聚速度相等時(shí)的平衡蒸氣壓稱為該溫度下的飽和蒸氣壓。

純?nèi)軇┑娘柡驼魵鈮?p*)液體氣體溶液的飽和蒸氣壓(p)當(dāng)溶液中溶有難揮發(fā)的溶質(zhì)時(shí),則有部分溶液表面被這種溶質(zhì)分子所占據(jù),如圖示:凝聚分子的個(gè)數(shù)當(dāng)然與蒸氣密度有關(guān)。當(dāng)凝聚的分子數(shù)目達(dá)到N,實(shí)現(xiàn)平衡時(shí),蒸氣壓已不會(huì)改變。這時(shí),平衡狀態(tài)下的飽和蒸氣壓為:p<p*

對(duì)溶液來講,蒸氣壓大于p,液化；蒸氣壓小于p,氣化。于是,在溶液中,單位表面在單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的溶劑分子的數(shù)目N要小于N0

。解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:過程開始時(shí),H2O和糖水均以蒸發(fā)為主;當(dāng)蒸氣壓等于p時(shí),糖水與上方蒸氣達(dá)到平衡,而p*>p,即H2O并未平衡,繼續(xù)蒸發(fā),以致于蒸氣壓大于p。H2O分子開始凝聚到糖水中,使得蒸氣壓不能達(dá)到p*。于是,H2O分子從H2O中蒸出而凝聚入糖水。出現(xiàn)了本節(jié)開始提出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

變化的根本原因是溶液的飽和蒸氣壓下降。拉烏爾定律：對(duì)于非揮發(fā)性的非電解質(zhì)的稀溶液來說，蒸氣壓下降Δp與溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)成正比。A為溶質(zhì)，B為溶劑拉烏爾定律的重要意義：測定了溶液的蒸氣壓下降，就可判斷溶質(zhì)在溶劑中是否電離以及電離的程度，也可以測量溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量。例題:已知20℃時(shí)水的飽和蒸汽壓為2.33kPa。

將17.1g蔗糖（C12H22O11）與3.00g尿素[CO(NH2)2]分別溶于100g

水。計(jì)算形成溶液的蒸汽壓。解:兩種溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量是M1=342g/mol和M2=60.0g/mol所以，兩種溶液的蒸汽壓均為：

p=2.33kPa×0.991=2.31kPa只要溶液的質(zhì)量摩爾分?jǐn)?shù)相同，其蒸汽壓也相同.

沸點(diǎn)升高和凝固點(diǎn)下降

沸點(diǎn)和凝固點(diǎn)蒸發(fā):表面氣化現(xiàn)象稱為蒸發(fā);沸騰:表面和內(nèi)部同時(shí)氣化的現(xiàn)象;沸點(diǎn):液體沸騰過程中的溫度。只有當(dāng)液體的飽和蒸氣壓和外界大氣的壓強(qiáng)相等時(shí),液體的氣化才能在表面和內(nèi)部同時(shí)發(fā)生,這時(shí)的溫度即是沸點(diǎn)。

凝固點(diǎn):液體凝固成固體(嚴(yán)格說是晶體)是在一定溫度下進(jìn)行的,這個(gè)溫度稱為凝固點(diǎn)。液體固體平衡

若P固

>P液,則固體要融化(熔解)；

P固

<P液,液體要凝固。凝固點(diǎn)的實(shí)質(zhì)是,在這個(gè)溫度下,液體和固體的飽和蒸氣壓相等。

即為:物質(zhì)的飽和蒸氣壓P,對(duì)溫度T做圖。1.013×105PaP≈611Pa冰線和溶液線相交(B點(diǎn)),即:P冰

=P溶液,溶液開始結(jié)冰,達(dá)到凝固點(diǎn)。蒸氣壓下降引起的直接后果之一沸點(diǎn)升高：當(dāng)溶液的蒸汽壓下降，要使其沸騰，即蒸汽壓達(dá)到外界壓力，就必須使其溫度繼續(xù)升高，達(dá)到新的沸點(diǎn)，才能沸騰。這叫稀溶液的沸點(diǎn)升高。溶液越濃，其p

越大，Tb

越大，即Tb

p，則

Kb為沸點(diǎn)升高常數(shù)，與溶劑的摩爾質(zhì)量、沸點(diǎn)、氣化熱有關(guān)，可由理論推算，也可由實(shí)驗(yàn)測定：直接測定幾種濃度不同的稀溶液的Tb，然后用Tb對(duì)m作圖，所得直線斜率即為Kb.例題:已知純苯的沸點(diǎn)是80.2℃，取2.67g萘（C10H8）溶于100g苯中，測得該溶液的沸點(diǎn)為80.731℃，試求苯的沸點(diǎn)升高常數(shù)。蒸氣壓下降引起的直接后果之二凝固點(diǎn)下降必須注意到，溶質(zhì)加到溶劑（如水）中，只影響到溶劑（如水）的蒸氣壓下降，而對(duì)固相（如冰）的蒸氣壓沒有影響。顯然，只有當(dāng)溫度低于純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)時(shí)（對(duì)水而言為0℃），這一溫度就是溶液的凝固點(diǎn)，所以溶液的凝固點(diǎn)總是低于純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)，其降低值為△Tf。同理可得，△Tf=Kf·b例題:冬天，在汽車散熱器的水中注入一定量的乙二醇可防止水的凍結(jié)。如在200g的水中注入6.50g的乙二醇，求這種溶液的凝固點(diǎn)。例題：將1.09g葡萄糖溶于20g水中,所得溶液的沸點(diǎn)升高了0.156K,求葡萄糖的分子量。解:先求出b：

和實(shí)際分子量180相近解：∵ΔTb=Kb.b∴b=ΔTb/Kb=(373.16-373.00)/0.512=0.312(mol/kg）例：尼古丁的實(shí)驗(yàn)式為C5H7N，今有0.60克尼古丁溶于12.0克水中，所得溶液在101.3kPa壓力下的沸點(diǎn)是373.16K，求尼古丁的分子式。尼古丁C5H7N摩爾質(zhì)量為81(g/mol)160.3/81≈2，故尼古丁的分子式為C10H14N2利用凝固點(diǎn)法,測分子量更準(zhǔn)確。因?yàn)閗f比kb

要大,溫度差要更明顯一些。就測定方法本身來講,凝固點(diǎn)的測定比沸點(diǎn)測定精確度高。致冷劑----冰鹽混合物可用來使實(shí)驗(yàn)室局部致冷

NaCl和冰混合:-22℃；CaCl2

和冰的混合物,可以獲得-55℃的低溫；

CaCl2,冰和丙酮的混合物,可以致冷到-70℃以下。四、溶液的滲透壓1、滲透現(xiàn)象和滲透壓⑴滲透現(xiàn)象⑵產(chǎn)生滲透現(xiàn)象必須具備的條件⑶溶液的滲透壓蒸氣壓下降引起的直接后果之三在U形管中,用半透膜將等體積的H2O和糖水分開,放置一段時(shí)間,會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象?

一段時(shí)間后,糖水液面升高;而H2O液面降低。這種溶劑透過半透膜,進(jìn)入溶液的現(xiàn)象,稱為滲透現(xiàn)象。半透膜：只允許H2O分子透過，而不允許溶質(zhì)糖分子通過。產(chǎn)生的原因:在兩側(cè)靜水壓相同的前提下,由于半透膜兩側(cè)透過的H2O分子的數(shù)目不等,在單位時(shí)間里,進(jìn)入糖水的H2O分子多些。

半透膜：只允許H2O分子透過，而不允許溶質(zhì)糖分子通過。滲透現(xiàn)象發(fā)生以后：1.H2O柱的高度降低,靜壓減小,使右行的H2O分子數(shù)目減少;2.糖水柱升高,使左行的H2O分子數(shù)目增加;3.糖水變稀,膜右側(cè)的H2O分子的分?jǐn)?shù)增加,亦使左行的H2O分子數(shù)目增加。

當(dāng)過程進(jìn)行到一定程度時(shí),右行和左行的H2O分子數(shù)目相等,這時(shí),達(dá)到平衡,即H2O柱不再下降;同時(shí),糖水柱不再升高。

液面高度差造成的靜壓,稱為溶液的滲透壓,用π表示,單位為Pa。滲透壓在半透膜兩邊維持滲透平衡而需施加的壓力。滲透壓公式具有滲透壓,是溶液的依數(shù)性質(zhì),它產(chǎn)生的根本原因也是相變界面上可發(fā)生變化的分子個(gè)數(shù)不同引起的。經(jīng)過長期研究,人們發(fā)現(xiàn):測得比例系數(shù)和氣體常數(shù)R相同,則公式改寫成:

πV=nR