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第一章第一章 物质存在状态物质存在状态 教学方式：自学与讲授结合 主要内容： 理想气体的有关定律 液体的一般性质 水以及水溶液的一般性质 非电解质稀溶液的通性-依数性 胶体一般性质 参考书目： 现代化学导论，申泮文等/ 无机与分析化学，陈荣三等 作业：P239/5-5，7，9； P308/8-2，4，7，8，9，10，11，12，13 Date 元素、同位素 原子、分子、离子 物质-化学研究“实物”，不包括物质的另一基本形态-场(以连续形式 存在的物质形态)。 组成- 化学组成包括定性组成和定量组成。 定性: 含有哪些元素; 定量: 各元素的质量百分比、原子个数比、化学式及分子式等。 结构-原子、分子和晶体结构以及说明物质结构的各种结构理论。 性质-物理性质和化学性质。物理性质诸如溶解性、热性质和某些谱 学性质等。 变化- 化学不仅研究化学变化，也研究与化学变化相关的物理变化 。如热化学、电化学和表面化学都是研究与化学过程相关的物理过程。 1.1 1.1 化学基本术语化学基本术语- -自学自学 Date 物质的存在状态物质的存在状态 Date 1.2 1.2 气体气体 (Gas)(Gas) *气体分子运动论(Gas Kinetic Theory) 气体是由分子组组成的，彼此间间距离分子直径 ，分子体积积与气体体积积相比可忽略不计计； 气体分子处处于永恒的无规则规则 运动动中； 气体分子之间间相互作用可忽略，除相互碰撞时时 ； 气体分子相互碰撞或对对器壁的碰撞都是弹弹性碰 撞。碰撞时总动时总动 能保持不变变，没有能量损损失。 分子的平均动动能与热热力学温度成正比。 基本假设 (Fundamental Assumption) Date 假定： 分子不占有体积 分子间作用力忽略不计 P V = n R T 压 力 体 积 温 度 气 体 常 数 摩 尔 数 适用于：温度较高或压力较低时的稀薄气体温度较高或压力较低时的稀薄气体 1. 理想气体状态方程 -(Perfect Gas Equation) Date 气体状态方程 的 运用 R 的取值：随压力单位的变化而不同 8.31 kPa dm3 mol-1 K-1 0.082 atm dm3 mol-1 K-1 几种变化情况： Boyle 定律: PV= 衡量(T, n 恒定) Charles-Gay-Lussac 定律：V/T=衡量(P, n 恒定) Avogadro 定律： V/n=衡量(T, P 恒定) Date 具体应用: 1). 已知三个量，可求出第四个量； 2). 测求气体的分子量M； 3). 已知气体的状态求其密度； Date 例题：计算摩尔质量(Mole Mass) 解：求出摩尔质量，即可确定分子式。 设氟化氙摩尔质量为M， 密度为(g dm-3)，质量为m (g)， R 应选用 8.31 (kPa dm3 mol-1 K-1)。 惰性气体(Nobel Gas)氙(Xenon)能和氟 (Fluorine)形成多种氟化物XeFx。实验测定在80C ，15.6 kPa 时，某气态氟化氙试样的密度为0.899 (gdm-3)，试确定这种氟化氙的分子式。 Date 有关气体体积的化学计算 例:为了行车 的安全，可在 汽车中装备上 空气袋，防止 碰撞时司机受 到伤害。这种 空气袋是用氮 气充胀起来的 ，所用的氮气是由叠氮化钠与三氧化二铁在 火花的引发下反应生成的。总反应是： Date 6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g) 在25。748mmHg下，要产生75.0L的N2， 计算需要叠氮化钠的质量。 解： 根据化学反应方程式所显示出的n(NaN3) 与n(N2)的数量关系，可以进一步确定在给定 条件下，m(NaN3)与V(N2)的关系。 Date 6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g) 6mol9mol Mr(NaN3) = 65.01, P = 748 mmHg = 99.73 kPa T = 298K m(NaN3) = 390.06 g V(N2) = 223.6L m(NaN3) =？ V(N2) = 75.0L m(NaN3) = =131g Date 产生偏差的原因有两方面： （1）气体分子体积的影响。 当压力升高时，气体体积变小，在充有气体的容器中，自 由空间减小，由于忽略分子体积所产生的误差就要显现出来 。 * 实在气体(Real Gas)的状态方程 理想气体状态方程仅适合于足够低压力下真实气体 （2）分子间相互作用的影响。 当气体的体积缩小，压力增大时，分子间靠得较近，分子 间力变得足够强，减弱了分子间对器壁的碰撞，相应产生 的压力变小。不同种气体，其分子间的作用力不同，由于 分子间力的影响偏离理想气体的程度有所不同。 Date van der Waals 方程 a, b分别称为van der waals常量。 1，体积因素：V实在= (V理想 - nb) 等于气体分 子运动的自由空间。b为1mol气体分子自身 体积的影响。 2，压力因素：分子间吸引力正比于(n/V)2， 内压力p=a(n/V)2，p实在 = p理想 + a(n/V)2 Date 二. 混合气体分压定律 (Law of Partial Pressure) 组分(Component)气体 ： 理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。 分压(Partial Pressure)： 组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同 体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压 Date 分压(Pi)：相同温度下，某组分气体与混合气体具有 相同体积时的压力称为该组分气体的分压。P总 =P1+P2+Pi 1. 混合气体的四个概念 分体积(Partial Volume, Vi)：相同温度下，某组分 气体与混合气体具有相同压力时的体积称为该组分 气体的分体积。V总=V1+V2+Vi 体积分数(Volume Fraction, i)：i=Vi/V总 摩尔分数(Molar Fraction, i)：i=ni/n总 Date a. 定律： 混合气体的总压力等于组分气体分压之和。P 总=P1+P2+P3+.+Pi 某组分气体分压的大小和它在气体混合物中 的体积分数或摩尔分数成正比。 2. 混合气体的Dalton分压定律 b. 适用范围： 理想气体及T、P较低的实际混合气体； 混合气体各组分间不发生化学反应。 c. 应用： Date 已知分压求总压或由总压和体积/摩尔分数 求分压。 例题：某容器中含有NH3、O2 、N2等气体的混合物。取 样分析后，其中n(NH3)=0.320mol，n(O2) =0.180 mol， n(N2) = 0.700 mol。混合气体的总压 p = 133.0 kPa。试计 算各组分气体的分压。 解：n总 = nNH3 + nO2 + nN2 = 0.320mol + 0.180mol + 0.700mol = 1.200mol Date 分压定律的应用排水取气问题 Hydrochloric acid Zinc granule Date 例题: 可用亚硝酸铵受热分解方法制取纯氮气。 反应如: NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g) 如果在19、97.8kPa下，以排水集气法在 水面上收集到的氮气体积为4.16L，计算消耗掉的 亚硝酸铵的质量。 解：T = (273+19) K = 292K, P = 97.8kPa, V = 4.16L 292 K 时，P(H2O) = 2.20 kPa, Mr (NH4NO2) = 64.04 Date NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g) 64.04g 1mol m(NH4NO2)=? 0.164mol m(NH4NO2) = =10.5g Date * 气体扩散定律气体扩散定律-Graham Law 1. 定律：T, P相同时，各种不同气体的扩散 速度与气体的密度的平方根成反比。 2. 用途： 测定气态物质的相对分子量； 分离：同位素235U(0.72%)，238U(99.2%) 扩散速度比：235UF6(g)/238UF6(g)=1.004 Date 例题 | x | 120 - x | NH3 HCl 120 | | Date * * 液体是气体到固体的中间过渡态 气体液体固体 沸点 凝固点 气化（蒸发） 熔点 凝聚点 液化 熔化 凝固 摩尔蒸发(气化)焓 摩尔凝固热 vapHm 1.3 1.3 液体液体 (Liquid) -(Liquid) -自学自学 Date 1，液体的状态和性质 2，蒸发（气化）与蒸气压 蒸发: 液体表面的气化现象（evaporation)。 敞口容器 干 涸 吸热过程 分子的动能 红色：大 黑色：中 蓝色：低 Date 蒸气压 蒸发: 密闭容器 蒸发 冷凝 “动态平衡” 恒温 分子的动能 红色：大 黑色：中 蓝色：低 饱和蒸气压：与液相处于动态平衡的 这种气体叫饱和蒸气，它的压力叫饱 和蒸气压，简称蒸气压。 饱和蒸气压的特点 1. 温度恒定时，为 定值； 2. 气液共存时，不 受量的变化； 3. 不同的物质有不 同的数值。 Date 沸腾沸腾:带活塞容器， 活塞压力为 P 沸点与外界压力 有关。外界压力 等于101 kPa (1 atm)时的沸点为 正常沸点，简称 沸点。 当温度升高到 蒸气压与外界 气压相等时， 液体就沸腾， 这个温度就是 沸点。 热源 沸腾是在液体的表面 和内部同时气化。 2，蒸发（气化）与蒸气压 Date 例：例： 水水的沸点为的沸点为 100100CC，但在但在高山上高山上，由于大气，由于大气 压降低，压降低，沸点较低沸点较低，饭就难于煮熟。，饭就难于煮熟。 而而高压锅高压锅内气压可达到约内气压可达到约10 10 atmatm，水的沸点水的沸点 约在约在180180CC左右，饭就很容易煮烂。左右，饭就很容易煮烂。 “过热”液体：温度高于沸点的液体称为过热液 体，易产生爆沸。 蒸馏时一定要加入沸石或搅拌，以引入小气 泡，产生气化中心，避免爆沸。 Date 蒸气压曲线蒸气压曲线: 曲线为气液共 存平衡线； 曲线左侧为液 相区； 右侧为气 相区。 蒸蒸 气气 压压 正常沸点正常沸点 2，蒸发（气化）与蒸气压 Date 一. 水（自学）-参见现代化学导论* 水一种重要的化学物质 水的一般物理性质和反常物理性质 水的结构 (网络课堂) 水的化学性质 水在自然界中的作用河水、海洋 水的净化 1.4 1.4 水和溶液水和溶液 Date 二. 溶液（自学为主） 1. 溶液的基本概念* ： 溶解度(Solubility)： 表示物质在液体中的溶解能力 溶解度与温度、溶质和溶剂有关 “相似相溶”原理 饱和溶液(Saturate solution)溶解平衡 2. 溶解过程-水合作用、水合离子* 3. 水合物-结晶水合物* 4. 溶解热- Hm= U+ hHm * 可溶: S 1g/100g 微溶: 0.1 -22 C CaCl2 + H2O -55 C 防冻液：非电解质如: 乙二醇，甘油等 例题：计算浓度为1mol.L-1的氯化钠溶液的沸点和 冰点。若使冰点达到-22C，则NaCl溶液的浓度应 达多大？ 若用CaCl2代替NaCl呢？ Date 渗透现象及解释 渗透现象原因：半透膜两侧溶液浓度不同。 渗透压：为了阻止渗透作用所需给溶液的额外 压力。 定量描述-vant Hoff 公式： 渗透压只与温度和溶质的质点数有关，而与溶 质分子的性质无关。 有关计算 测定渗透压，求某些生物大分子的分子量 渗透压(Osmotic pressure) Date 解：由于溶液极稀，可近似m = c 由公式： = mRT = 15520/M ( R=取值？) 可得M = 答：该蛋白质分子的平均分子量为2.5x104。 例题：298.2K，测得0.1L的1.552g某蛋白质分子的渗 透压为1539Pa。求该蛋白质分子的平均分子量。 渗透压的生物学意义： 生物体内传质过程的动力保证； 维持生物体内的等渗关系。Ex.动物体/植物体的脱 水与溶血现象。 Date 稀溶液(dilute solution)的通性-依数性 (colligative properties) 依数性稀溶液的某些物理特性如蒸气 压、沸点、凝固点，这些特性的变化只 与稀溶液中溶质的粒子数目有关，而与 溶质、溶剂本身的性质无关。 小结：稀溶液依数性的应用 Date 弱电解质：水溶液中大部分以分子形式存在，只有 少部分电离，达电离平衡！ 电离度 ： 9. 电解质溶液与强电解质溶液理论* 强电解质：水溶液中完全电离，以离子形式存在。 活度 a：离子间由于相互作用而使其有效浓度降低。 a=c 或 a=m。：校正系数或活度系数 。 *：与溶液中总体的离子强度I 有关，lg = -A|Z+Z-|I *I：与溶液中总体离子的离子浓度及其电荷数有关。 Date 三三. . 胶体溶液胶体溶液(Colloid)(Colloid) 1. 分散体系* 分子分散体系 胶态分散体系 粗分散体系： 2. 溶胶 溶胶的性质 光学性质丁达尔效应：胶团对光的散射现象。 溶胶的现象最显著，区别于真溶液的简单方法。 动力性质布朗运动：胶团粒子的不规则运动。 电学性质电泳现象：胶粒在外电场下定向移动。 Date swf 溶胶的组成：分散相(胶团) + 分散介质 + 稳定剂 胶团的结构：胶核胶粒 胶团 (AgI)m nI- (n-x)K+x- xK+ 胶核(电中性)