物质的状态气体、液体、溶液.ppt

1,第二章 物质的状态,p16,Figure: Gas-Liquid-Solid,2,本章主要内容： 一、气体 1. 理想气体状态方程 2. 混合气体分压定律 3. 实际气体和 Vander Waals 方程 二、液体 1. 气体的液化 2. 液体的气化：蒸发、沸腾 3. 蒸气压的计算 三、固体与固体结构简介,3,一、气体,1 理想气体 1.1 物质状态： 固体 液体 气体 分子间作用力减弱 密度降低 （分子本身所占体积的比例不同）,等离子体 (Plasma),p16-17,如何建立 气体模型？,4,1.2 理想气体状态方程（经验定律） p17-18,理想气体假定： 气体分子不占有体积 (忽略尺寸) 气体分子间作用力忽略不计，则： PV = nRT - 理想气体状态方程 R 为气体常数 几种变化情况：三个经验定律 波义耳(Boyle) 定律： PV = 衡量 （T, n 恒定） 查理-盖吕萨克(Charles-GayLussac) 定律： V/T = 衡量 （P, n 恒定） 阿伏加德罗(Avogadro) 定律： V/n = 衡量 （T, P 恒定）,5,1.3 气体状态方程的运用 p18-19,1）R 的取值：随压力单位的变化而不同 P：Pa V：m3 R= 8.31 Jmol-1K-1 P：kPa V：dm3 R= 8.31 kPadm3mol-1K-1 P：atm V：dm3 R= 0.0821 atmdm3mol-1K-1 2）PV = nRT 适用于：温度较高或压力较低时的稀薄气体（为什么？）,6,3）求分子量：M （摩尔质量） PV = nRT PV = (m/M) RT ( n = m/M ) M = (mRT)/(PV) 4）求密度：r r = (PM)/(RT) ( r = m/V ) 能否以此解释热气球原理？,7,例 1：,惰性气体氙能和氟形成多种氟化物XeFx。实验测定在80oC，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。 解： （关键：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r (g dm-3), 质量为m (g), R 应选用 8.31 (kPa dm3 mol-1 K-1), 则：,8, PV = nRT = (m/M) RT M = (m/V)(RT/P) = r (RT/P) = (0.899 8.31 353)/15.6 = 169 (g mol-1) 已知原子量 Xe: 131, F: 19 ; 对于XeFx，应有： 131+19x =169 x = 2 这种氟化氙的分子式为：XeF2,9,先理解二个概念： 分体积Vi：指某组分气体具有和混合气体相同压力时所占的体积。 分压(力)Pi：指某组分气体单独占有整个混合气体体积时所呈现的压力。,混合气体分压定律： P总= Pi = P1+P2+P3+Pi 试结合 PV = nRT 导出： Pi = P总 xi （其中：xi = ） ( Pi 为分压，xi 为摩尔分数 ),2 混合气体分压定律 (1801年, Dalton) p19-20,10,一定状态下：T，V， (总)压 P总； 分压：PA、PB P总= n总 (RT/V) 同时： 气体 A：PA = nA (RT/V) 气体 B：PB = nB (RT/V) P总 = PA + PB = (nA+ nB) (RT/V) PA / P总 = nA/ (nA+ nB) = nA/ n总 PA = P总 xA,理想气体 A、B 的混合,P总= PA+PB,nA nB,T,V,（PA和PB分别是组分A和 B单独占有整个混合气体体积时所呈现的压力）,11,一定状态下：T，P， (总)体积 V总； 分体积：VA，VB V总 = (nA+ nB)(RT/P) 同时： 气体 A：VA= nA(RT/P) 气体 B：VB= nB(RT/P) V总 = VA + VB VA/V总 = nA/(nA+ nB) = nA/n总 VA= V总 xA,T,P,VA,VB,nA,V总,nB,T,P,TT,T,P,理想气体 A、B 的混合,（VA和VB分别是指某组分气体具有和混合气体相同压力时所占的体积 ）,nA nB,12,一般来说，对于混合气体中任意组分A: 分压 PA = P总 xA 分体积 VA= V总 xA VA / V总 = PA/ P总,P总V分 = P分V总 = n分RT,理想气体 A、B 的混合,推而广之，对任意组分应有：,13,例 2： A、B两种气体在一定温度下，在一容器中混合，混合后下面表达式是否正确?,PAVA = nART PV = nART PVA = nART PAV = nART PA (VA+ VB) = nART (PA+ PB) VA = nART,误 误 正 正 正 正,正？误？,14,例 3： 室温下，将1.0 atm、10 dm3 的 H2 与1.0 atm、20 dm3 的 N2 在 40 dm3 容器中混合。 求： H2 、N2 的分压、分体积、摩尔比。,解: ?,15,例 3 解： 1）求分压： T 一定，n 不变 （混合前后） P1V1= P2V2 1.0 10 = PH2 40 PH2= 0.25 (atm) 1.0 20 = PN2 40 PN2 = 0.5 (atm) 2）求分体积： VA= V总 (PA/ P总) VH2 = = 40 = 13.3 (dm3) VN2 = = 40 0.5 / 0.75 = 26.6 (dm3) 3）求摩尔比： = = 0.25 / 0.5 = 0.5,16,3 气体扩散定律 (1831，Graham) p21-22,u 或：,气体的扩散速度与其分子量的平方根成反比。,同温同压下, 气态物质的扩散速度u与其密度r的平方根成反比:,因为同温同压下，气体的密度与分子量成正比，所以：,扩散定律推论:,r,r A,r B,r B,r A,p22：例题,扩散定律:,17,4 实际气体与Van der Waals方程 p22-25,理想气体： PV = nRT 实际气体: PV = Z*(nRT) Z 称为“压缩系数” Z = 1 为理想气体 考虑分子间作用力： Z 1 （V增大） 实际气体偏离理想气体的程度，取决于： 1. 温度： T 增加，趋向于理想气体 2. 压力： P 减小，趋向于理想气体 3. 气体的性质： 沸点愈高与理想状态偏差愈大,18,1mol N2气的 Z-P 图 (不同温度 ),Z=,压力P愈小，温度 T愈高，愈接近理想气体 Z = 1,19,Z=,1mol 不同气体的 Z-P 图 (300K ),分子间作用力愈弱，愈接近理想气体 Z = 1,20,气体 Z-P 图总结：,常压常温下，沸点低的气体，接近理想气体 起初增加压力时，对于分子量较大的分子，分子间作用力增加占主导，使得：Z 1,21,Van der Waals（范德华）方程: p25,实际气体方程： PV = Z*(nRT) Van der Waals方程：( P + a n2/V2 ) ( V n b ) = nRT 其中，a 、b 为范德华常数 a 用于校正压力，是与分子间作用力有关的常数，分子间作用力与气体浓度的平方成正比 b 约等于气体凝聚为液体时的摩尔体积,22,VanDerwaals,a 和 b 与其分子间作用力、分子的体积及质量有关,23,5 气体的液化 p25 先看问题： 1）是否所有气体都可以液化？ 2）什么样的条件下可以液化？ 冬天带眼镜进屋时，镜片会变得模糊。 家庭用液化气，主要成分是丙烷、丁烷，加压后变成液体储于高压钢瓶里，打开时减压即气化。 但有时钢瓶还很重却不能点燃。是因为C5H12或C6H14等高级烷烃室温时不能气化。,温度,压力,Tc 以下，均可,24,临界现象? 课本p26,Tb (沸点) 室温 Tc 室温， 室温下为气体，加压不能液化,Tb 室温， 室温下为气体，加压可液化,Tb 室温 Tc 室温， 在常温常压下为液体,25,临界常数： p26,每种气体液化时, 各有一个特定温度叫临界温度Tc. 在Tc 以上, 无论怎样加大压力, 都不能使气体液化. 临界温度时, 使气体液化所需的最低压力叫临界压力Pc. 在Tc 和 Pc 条件下, 1 mol 气体所占的体积叫临界体积Vc. Tc 、Pc 、Vc 均与分子间作用力及分子质量有关.,26,6 气体分子的速率分布和能量分布 p27-30 最几速率：up -几率最大 p29 算术平均速率：u -用于计算运动距离； 均方根速率：u2 1/2 -用于计算平均动能； 气体分子的能量分布： p30图 7 气体分子运动论 p30-32 理想气体分子运动方程式： p32 气体分子的平均动能与绝对温度成正比： p32,自学内容 大二物理化学,27,1 液体的气化：蒸发 与 沸腾,液体表面的气化现象叫蒸发 (evaporation)，是吸热过程：,敞口容器,分子的动能： 红色：大 黑色：中 蓝色：低,二、液体,p33-38,热源,28,气体分子的动能分布 与 蒸发的关系,分子的份 数,分子的动能,蒸发所需分子的最低动能,29,1.1 蒸发:,密闭容器，恒温时：,蒸发 冷凝 “动态平衡”,饱和蒸气压： 气体与其液相处于动态平衡时的蒸气压力叫饱和蒸气压，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。,p33-35,30,1.2 沸腾： 在液体的表面和内部同时气化的现象叫沸腾。,沸点与外界压力有关。外界压力等于101.3 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,p37,P,31,2 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。,蒸气压,正常沸点,p35,温度,32,实例 ： 水的沸点为 100C，但在高山上，由于大气压降低，沸点较低，饭就难于煮熟。 而高压锅内气压可达到约10 atm，水的沸点约在180C左右，饭就很容易煮烂。,当温度高于沸点时的液体称为“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，避免液体爆沸。,33,例 4： 在20C 、99 kPa 下，用排水取气法收集 1.5 dm3 的 O2, 问：需多少克 KClO3 分解？ 2 KClO3 = 2 KCl + 3 O2 (查得：水在20C的蒸气压为 2.34 kPa ),解: ?,34,2 KClO3 = 2 KCl + 3 O2 2 3 = RT = 99 2.34 = 96.7 (kPa) = = = 0.060 (mol) = 2/3 需 KClO3 = 2/3 = 2/3 0.060 122.5 = 4.9 (克）,例 4 解：,35,例 5： 在58将某气体通过一盛水容器，在100 kPa下 收集该气体1.00 dm3。问：,1) 温度不变，将压力降至50.0 kPa 时，气体的体积是多少？ 2) 温度不变，将压力增加到200 kPa 时，气体的体积是多少？ 3) 压力不变，将温度升高到100时，气体的体积是多少？ 4) 压力不变，将温度降至10时，气体的体积是多少？,解: ? 请同学们练习,已知水的蒸气压： 58时：P水 = 18.1 kPa ； 10时：P水= 1.23 kPa,36,解题思路: （设：T1、P1、V1和T2、P2、V2为混合气体变化前后的温度、总压力、总体积） 1) 是求气体与水蒸气的混合气体的总体积，n总不变，P1V1= P2V2 = n总RT 2) 压力增加会引起水蒸气的凝聚，但该气体的摩尔数没有变化，可以用该气体的分压P气来计算总体积：P气1V1 = P气2V2 (= n气RT) 3) n总不变，V1/T1 = V2/T2 (= n总R/P) 4) 温度降低也会引起水蒸气的凝聚，但该气体的摩尔数没有变化，可以用该气体的分压P气来计算总体积：P气1V1 /T1 = P气2V2/T2 (= n气R),例 5： 在58将某气体通过一盛水容器，在100 kPa下 收集该气体1.00 dm3。问：,1) 温度不变，将压力降至50.0 kPa 时，气体的体积是多少？ 2) 温度不变，将压力增加到200 kPa 时，气体的体积是多少？ 3) 压力不变，将温度升高到100时，气体的体积是多少？ 4) 压力不变，将温度降至10时，气体的体积是多少？,37,例 5 解： P1V1 = P2V2 ，100 1.00 = 50.0 V2 V2 = 2.00 (dm3) 2) 58C时：P水 = 18.1 kPa，P气1 = (100-18.1) kPa V2 = (P气1 V1)/P气2 =(100-18.1) 1.00/(200-18.1) = 0.450 (dm3) V1/T1 = V2/T2 ，1.00/(273+58) = V2/(273+100) V2