无机化学 第一章 气体和溶液

1、主主 讲：蒋静讲：蒋静院院 系系: : 化学化工学院化学化工学院无机化学无机化学生物学生物学生物化学生物化学分子生物学分子生物学其任务主要是了解生物的其任务主要是了解生物的化学组成、结构及生命过化学组成、结构及生命过程中各种化学变化。程中各种化学变化。通过研究生物大分子通过研究生物大分子( (核酸、核酸、蛋白质蛋白质) )的结构、功能和生物的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现合成等方面来阐明各种生命现象的本质。象的本质。在分子水平在分子水平上研究生命上研究生命现象的科学。现象的科学。运用化学的理运用化学的理论和方法研究论和方法研究生命物质的边生命物质的边缘学科。缘学科。生物学的研究越来

2、越离不开生物学的研究越来越离不开化学原理、化学知识和化化学原理、化学知识和化学分析技术。学分析技术。一、教材一、教材 无机及分析化学无机及分析化学( (第第4 4版版) ) 编写编写: :南京大学南京大学无机及分析化学无机及分析化学编写组编写组 出版出版: :高等教育出版社于高等教育出版社于20042004年年1212月出版月出版教学简介教学简介二、主要参考书目二、主要参考书目1.1.无机化学无机化学 武汉大学、吉林大学编，武汉大学、吉林大学编， 高等教育出版社高等教育出版社2.2.无机化学无机化学 北师大、华中师大等编，北师大、华中师大等编， 高等教育出版社高等教育出版社三、学习内容三、学习

3、内容无机化学主要内容无机化学主要内容: : 两原理两原理： 化学热力学原理化学热力学原理 化学动力学原理化学动力学原理 两结构：两结构： 原子结构原子结构 分子结构分子结构 四大平衡：四大平衡：酸碱平衡，沉淀溶解平衡酸碱平衡，沉淀溶解平衡 氧化还原平衡，氧化还原平衡， 配位平衡配位平衡四、教学安排四、教学安排教学计划教学计划：3232学时，学时，2 2学分。学分。 授课安排：授课安排：每周每周5 5学时，共计学时，共计6 6周。周。 课程考核：课程考核：总成绩总成绩 = = 期末考试成绩（期末考试成绩（8080分）分）+ + 平时成绩（平时成绩（2020分）分） 注：平时成绩考察范围注：平时成

4、绩考察范围 1 1、上课出勤（、上课出勤（缺一次扣缺一次扣2 2分分） 2 2、回答问题、回答问题 3 3、作业完成情况、作业完成情况 （包括（包括每章小结每章小结、每章习题每章习题） ( (作业缺一次扣作业缺一次扣2 2分分) )（一）考勤（一）考勤 10%（二）作业（二）作业 10% （三）期终考试（三）期终考试 80%中中 学学大学大学每节课的内容少，练习多，每节课的内容少，练习多，在课堂上能听懂掌握在课堂上能听懂掌握每节课的内容多，练习少，每节课的内容多，练习少，在课堂上不能完全听懂，在课堂上不能完全听懂，课后认真看书，做习题课后认真看书，做习题学习有老师、家长督促学习有老师、家长督促

5、老师课后辅导时间较多，老师课后辅导时间较多，有问题可及时问老师有问题可及时问老师 五、怎样学好无机化学五、怎样学好无机化学、大学教学和中学教学不同之处、大学教学和中学教学不同之处老师课后辅导时间较少，老师课后辅导时间较少， 有问题要有问题要靠自己多动脑靠自己多动脑，多与同学讨论多与同学讨论完全完全靠自觉靠自觉2 2学习方法学习方法n积极培养学习的兴趣；积极培养学习的兴趣；n记忆与理解相互促进；记忆与理解相互促进；n注重阅读和练习；注重阅读和练习；n注重学习科学思维的方法和实验技能；注重学习科学思维的方法和实验技能；n注重与生物学功能的联系。注重与生物学功能的联系。第一章第一章 气体和溶液气体和

6、溶液 物质的存在状态通常有三种：物质的存在状态通常有三种： 气态、液态和固态。气态、液态和固态。本章重点介绍本章重点介绍气体和溶液气体和溶液的一些基本规律。的一些基本规律。1.1 1.1 对气体而言，主要对气体而言，主要掌握掌握理想气体状态方程式和道尔顿分压定律理想气体状态方程式和道尔顿分压定律 的应用。的应用。1.2 1.2 对溶液而言，主要对溶液而言，主要掌握掌握稀溶液的稀溶液的“依数性依数性”的公式和应用。的公式和应用。1.3 1.3 对胶体溶液而言，主要对胶体溶液而言，主要了解了解其相关性质。其相关性质。（自学）（自学）1.1 1.1 气气 体体表征气体的物理量有：表征气体的物理量有：

7、 压强压强(P); 体积体积(V); 温度温度(T); 物质的量物质的量(n)等；等；P V= n R T对于理想气体而言，它们遵循以下关系：对于理想气体而言，它们遵循以下关系：这些物理量之间是密切相关的。这些物理量之间是密切相关的。理想气体状态方程式理想气体状态方程式一、理想气体状态方程式一、理想气体状态方程式P V= n R T1.各物理量的单位一定要取国际单位制各物理量的单位一定要取国际单位制： P单位为单位为Pa（或（或kPa)； V单位为单位为m3； n单位为单位为mol; T单位为单位为K； m单位为单位为Kg2、气体摩尔常数（、气体摩尔常数（R）的单位和取值）的单位和取值使用注意

8、以下三点：使用注意以下三点：1.1 1.1 气气 体体气体摩尔常数（气体摩尔常数（R）的单位和取值）的单位和取值根据阿佛加德罗定律,1mol气体在标准状况下的体积为22.4L。5331.01 1022.4 101273PamRmolK-创=R=8.315 (Pam3mol-1K-1)P VRn T=或 R=8.315 (KPaLmol-1K-1)或 R=8.315 (Jmol-1K-1)理想气体理想气体实际气体实际气体分子本身分子本身无无体积体积分子本身分子本身有有体积体积分子间分子间无无作用力作用力分子间分子间有有作用力作用力实际不存在实际不存在在在高温高温（高于（高于273K)和和低压低压

9、下（几下（几个大气压）下近似为理想气体个大气压）下近似为理想气体3 3、运用对象、运用对象：理想气体理想气体和和高温低压下的实际气体高温低压下的实际气体强调：强调：在在高温高温（高于（高于273K)273K)和和低压低压下（几个大气压）下下（几个大气压）下 的实际气体可以的实际气体可以近似为理想气体近似为理想气体理想气体状态方程理想气体状态方程应用：应用：（1）直接计算）直接计算PVnRT=（2）推论）推论a.a.求气体的相对分子量求气体的相对分子量mPVRTM=b.b.求气体的密度求气体的密度VPVRTMr=请推导：等温等压下密度之比等于分子量之比。请推导：等温等压下密度之比等于分子量之比。

10、若已知若已知P、V、n、T中的三个变量，可求剩余的一个变量中的三个变量，可求剩余的一个变量。VPVRTM推导：等温等压下密度之比等于分子量之比。推导：等温等压下密度之比等于分子量之比。PMRT1111PMRT2222PMRT1122MM气体1：气体2：由于等温等压下，T1=T2; P1=P2例例1-1（P2): 一学生在实验中，在一学生在实验中，在73.3kPa和和 25下收集得下收集得 250mL某气体。在分析天平量，得气体净质量为某气体。在分析天平量，得气体净质量为0.118g 。 求这种气体的相对分子量。求这种气体的相对分子量。mPVRTM解：解：mMRTPV33-1-13630.118

11、 108.315Pa m molK(25273)73.3 10250 10KgKMPam-创鬃状+=创3116 10MKg mol-=醋PVnRT 例例1-2：在在1000 和和97 kPa压力下，硫蒸气的密度是压力下，硫蒸气的密度是0.5977 g L-1。试求：（试求：（1）硫蒸气的摩尔质量，（）硫蒸气的摩尔质量，（2）硫）硫蒸气的化学式。蒸气的化学式。pMRT3333110.597710108.314(2731000)971065.210kgm ol65.2 gm olRTMp03.232.072 .65)2(硫蒸气的化学式为硫蒸气的化学式为S2解解:（1）只有一种气体只有一种气体有有A

12、和和B两种气体两种气体PVnRT=要计算该气体压强：要计算该气体压强：混合气体的总压混合气体的总压 ？各组分气体的分压各组分气体的分压 ？二、道尔顿分压定律二、道尔顿分压定律1 1、道尔顿分压定律的内容、道尔顿分压定律的内容（1 1） P P总总= =各组分的分压之和各组分的分压之和（2 2）P P分分= =某组分在某组分在同一温度下同一温度下单独占有单独占有该混合气体体积时的压力该混合气体体积时的压力A A和和B B组成的混合气体，组成的混合气体，体积为体积为V V混混；温度为；温度为T T混混AAn RTPV混混BBn RTPV混混ABPPP总2. 道尔顿分压定律道尔顿分压定律推论推论结论

13、：理想气体状态方程式不仅适用于单组分的气体，结论：理想气体状态方程式不仅适用于单组分的气体， 也适用于混合气体。也适用于混合气体。推论推论1 1：ABPPP总ABAB n RTn RTPPVV混混混混而；ABPPP总ABn RTn RTVV混混混混ABnnRTV混混（）n RTPV混总总混 P Vn RT混混总总（或）n RTPV混总总混推论推论2：可见，求可见，求A组分的分压有两种方法，组分的分压有两种方法， 根据题目中的已知条件选用。根据题目中的已知条件选用。 AA 1P Vn RT混混（） 2P Vn RT混混总总（ ）AA PnPn总总A ; AAnxnx总（令 称为）摩尔分数A (3

14、)APPx总A (3)APPx总常见的排水法收集气体，收集到的是该温度下的饱和水蒸气和某气体的混合物。常见的排水法收集气体，收集到的是该温度下的饱和水蒸气和某气体的混合物。p总总 = p气气 + p水蒸气水蒸气 例例1-3（p.3)：在在17 ，99.3 kPa的气压下，用排水集气的气压下，用排水集气法收集氮气法收集氮气150 mL。求在求在标准状况标准状况下该气体经干燥后下该气体经干燥后的体积。的体积。121 12212() (99.3 1.93)97.4PNkPakPap Vp VTT对 氮 气 ：1 1 222 197.4 150 273136()101.325 (17 273)pVTV

15、mLp T解：解：在水面上收集气体，测出的压力是饱和水蒸气压和气体压力之和。在水面上收集气体，测出的压力是饱和水蒸气压和气体压力之和。 查表查表1-1，17 时饱和水蒸气压力为时饱和水蒸气压力为1.93 kPa 例例1-4（p.4)： 在在25 下，将下，将0.100 mol的的O2和和 0.350 mol H2装入装入3.00 L的容器中，通电后氧气和氢气反应的容器中，通电后氧气和氢气反应生成水，剩下过量的氢气。求生成水，剩下过量的氢气。求反应前后反应前后气体的总压气体的总压和各组分的分压。和各组分的分压。2232332330.100 8.314 298()82.6 103.00 100.3

16、50 8.314 298()289 103.00 1082.6 289 372 10OHn RTp OPaVnRTp HPaVpPa解：解：反应前反应前 根据：根据：2H2 + O2 = 2H2O 通电时通电时0.100 mol O2只与只与0.200 mol H2反应生成反应生成0.200 mol H2O, 还剩余还剩余0.15 mol H2 。 液态水所占体积与容器体积液态水所占体积与容器体积相比可忽略不计，但因此产生的饱和水蒸气压却必须考相比可忽略不计，但因此产生的饱和水蒸气压却必须考虑。虑。2323323110.1508.314298()124 103.00 10()3.1710124

17、3.1712710HnRTpHPaVp H OPapPa由 表查 得（）因此因此反应后反应后： 例例1-5：25时，初始压力相同的时，初始压力相同的5.0 L氮和氮和15.0 L氧压缩到体氧压缩到体积为积为10.0 L的真空容器中，混合气体总压力是的真空容器中，混合气体总压力是150 kPa，试求试求（1）两种气体的初始压力（）两种气体的初始压力（2）混合气体中氮和氧的分压（）混合气体中氮和氧的分压（3）如果把温度升到如果把温度升到210 ，容器的总压力。，容器的总压力。pV150 10.0(1)n0.605molRT8.314 (273 25)总2222NNOOnV5.01nV15.03混合

18、前： 解：解：22NO1nn0.151mol43nn0.454mol4总总所以 3 T210 273 483KnRT0.605 8.314 483 243kPaV10.0p（ ）2222NNNOn1(2) n411 150 37.5kPa4433 150 112.5kPa44pppppp总总总总混合气体中： 2222NONNnRT0.151 8.314 29875kPaV5.0pp混合前：1.2 1.2 溶溶 液液一、浓度的几种表示方法一、浓度的几种表示方法 （溶质为（溶质为A；溶剂为；溶剂为B)1. 物质的量浓度物质的量浓度 (c) 2.摩尔分数（摩尔分数（X）推广：推广：溶质和溶剂溶质和溶

19、剂的的摩尔分数摩尔分数 之和之和=13.质量摩尔浓度（质量摩尔浓度（b）分子分子为溶质的摩尔数为溶质的摩尔数(mol); 分母分母为溶剂的质量为溶剂的质量(kg)AnCV1()mol LA;Anxn总= B;Bnxn总= AB1ABnnxxnn总总则：+= Anbm溶剂= 1(Kg )mol稀溶液中，稀溶液中，XA、C与与b之间的关系：之间的关系： XA= bMB (MB单位为单位为Kgmol-1) C = b (C单位为单位为molL-1)XA=bMB的推导过程的推导过程:AAABnXnnXA = bMBAABnXn稀溶液中稀溶液中, nA+nBnBABnn1()()ABBkgkgnmMmo

20、LABBnMm稀溶液中稀溶液中, m溶液溶液=m溶剂溶剂 (kg) 溶液溶液= 水水= 1KgL-1Cb 的推导过程的推导过程:AnCV溶液AnCm溶液溶液1()()AnmKgKg L溶液溶液Anm溶液溶液1Anm溶剂b 溶液的性质不同于溶剂、溶质，可分为两类：由溶质本身引起的：酸碱性、颜色、导电性、密度；由溶液组成引起的，即溶质与溶剂的粒子数引起的，与溶质的本性无关。 各种溶液各有其特性，但有几种性质是一般稀溶液所共有各种溶液各有其特性，但有几种性质是一般稀溶液所共有的。的。 这类性质这类性质只与浓度只与浓度有关，或者是与溶液中的有关，或者是与溶液中的“粒子数粒子数”有有关，而关，而与溶质的

21、本性无关与溶质的本性无关， Ostwald 称其为称其为“依数性依数性”，即，即稀稀溶液的依数性，溶液的依数性，亦称为亦称为稀溶液的通性。稀溶液的通性。二、稀溶液的通性二、稀溶液的通性稀溶液的通性：稀溶液的通性：稀溶液稀溶液的的某些性质某些性质，只与浓度有关只与浓度有关， 而而与溶质的本性与溶质的本性无关，也称之为无关，也称之为稀溶液的稀溶液的依数性依数性。理解：理解：(1) 溶质为溶质为难挥发的物质难挥发的物质(2)只限于稀溶液（只限于稀溶液（c0.1molL-1)(3)某些性质（某些性质（溶液的蒸气压下降溶液的蒸气压下降;沸点升高沸点升高;凝固点降低凝固点降低; 渗透压渗透压）(4)只与浓

22、度有关，与只与浓度有关，与溶质的本性无关。溶质的本性无关。(5) 依数性：依赖于溶质质点数目（即依数性：依赖于溶质质点数目（即浓度）的性质。浓度）的性质。(一一)、溶液的蒸气压下降、溶液的蒸气压下降纯水的蒸汽压纯水的蒸汽压(PB*): 当当V V蒸发蒸发=V=V凝结凝结时，气相和液相达到平衡，此时时，气相和液相达到平衡，此时水蒸气所水蒸气所产生的压强产生的压强称为在该温度下水的称为在该温度下水的饱和蒸气压饱和蒸气压，简称为，简称为蒸气压蒸气压，用符号用符号P PB B* *表示表示. . 纯水的蒸汽压纯水的蒸汽压, , 只与温度有关只与温度有关, ,见表见表1-11-1（P P4 4).).(

23、溶质为A; 溶剂为B)即：即：P溶液溶液 PB*(纯溶剂）纯溶剂） 难挥发溶质难挥发溶质形成的溶液中，形成的溶液中，溶剂分子溶剂分子仍然发生仍然发生蒸发和凝结蒸发和凝结, , 当当蒸发和凝结蒸发和凝结达到动态平衡时气相中达到动态平衡时气相中水蒸气分子所产生的压强水蒸气分子所产生的压强为为溶液的蒸汽压溶液的蒸汽压. . 溶液的蒸汽压溶液的蒸汽压(P):( (注意：由于注意：由于溶质难挥发溶质难挥发，溶液的，溶液的蒸气中只含有溶剂分子蒸气中只含有溶剂分子) )实验证明实验证明: 在一定温度下，在一定温度下，稀溶液的蒸气压稀溶液的蒸气压与与溶剂的摩尔分数溶剂的摩尔分数成正比。成正比。*BBPP x

24、1ABxx而P溶液溶液 Tb*(纯溶剂）纯溶剂）实验表明实验表明, 稀溶液稀溶液沸点升高沸点升高与溶液的与溶液的质量摩尔浓度质量摩尔浓度成正比成正比. Tb = Tb（溶液）（溶液） Tb*(纯溶剂）纯溶剂） Tb = Kb b Kb:沸点升高常数。沸点升高常数。 只与溶剂的本性有关，单位：只与溶剂的本性有关，单位：Kkgmol-1。 常见溶剂的常见溶剂的Kb 见表见表1-2（P8)。(三三)、溶液的凝固点降低、溶液的凝固点降低凝固点凝固点 (Tf): 液相和固相共存时的温度液相和固相共存时的温度. 从蒸气压角度而言从蒸气压角度而言, 固相的蒸气压固相的蒸气压=液相的蒸气压液相的蒸气压时的温度

25、时的温度.溶液的凝固点溶液的凝固点（Tf)： 需说明：溶液凝固时，只是溶剂凝固了，固相是纯冰；需说明：溶液凝固时，只是溶剂凝固了，固相是纯冰； 溶质还是溶解在溶剂中。溶质还是溶解在溶剂中。纯水的凝固点纯水的凝固点（Tf*) : 常压下常压下,固液两相达成平衡时的温度固液两相达成平衡时的温度( 0);即：即：Tf(溶液溶液) Tf*(纯溶剂）纯溶剂）因为因为:在在0时时 P水水= 611Pa = P冰冰 (冰的固相蒸气压见冰的固相蒸气压见P7).稀溶液的凝固点下降示意图稀溶液的凝固点下降示意图稀溶液的凝固点降低：稀溶液的凝固点降低： Kf：凝固点降低常数，凝固点降低常数， 只与溶剂的本性有关。单

26、位：只与溶剂的本性有关。单位： Kkgmol-1常见溶剂的常见溶剂的Kf 见表见表1-2（P8)。Tf = Kf bTf = Tf(纯溶剂纯溶剂) - Tf*(溶液溶液)思考题：思考题： 答：高于答：高于100(1)某稀糖水沸腾某稀糖水沸腾的温度稍高或低于的温度稍高或低于100？ 在在沸腾沸腾的的过程中温度是否保持恒定过程中温度是否保持恒定?(2)某稀糖水某稀糖水凝固的温度稍高或低于凝固的温度稍高或低于0？ 在凝固的在凝固的过程中温度是否保持恒定过程中温度是否保持恒定? 开始有固体出现，此为何物？开始有固体出现，此为何物？ 答：否答：否 答：低于答：低于0 答：否答：否 答：纯冰答：纯冰凝固点

27、降低的应用凝固点降低的应用2. 科学实验中科学实验中,保持保持-5 , 制冷剂制冷剂可用可用1. 生活中，北方冬天为防止水在水箱、或仪器中结冰，生活中，北方冬天为防止水在水箱、或仪器中结冰， 4. 测未知道物分子量测未知道物分子量(例1-4 ）3. 往冰雪覆盖的路面上往冰雪覆盖的路面上撒盐撒盐以以除冰除冰。冰冰+盐水混合物盐水混合物往往往往加甘油加甘油等；等；ffTKbAfBnKmAfB1()()()AkgkgmMKmmolkgffTKb例例1-4 .将将5.0 g某纯净试样溶于某纯净试样溶于250g苯中，测得该溶液凝固点为苯中，测得该溶液凝固点为 4.51 。求该试样的相对分子质量（纯苯的凝

28、固点为。求该试样的相对分子质量（纯苯的凝固点为5.53）。）。解：解：fAfBAKmMTm335.12 5.50 10(5.534.51) 250 10AMAfBnKmA1fB()()()AmkgMkg molKmkgAfBAmKMm10.110kg mol（四）（四） 渗透压渗透压渗透压产生示意图：渗透压产生示意图：放置一段时间后放置一段时间后结论结论： 水分子从纯水向蔗糖溶液水分子从纯水向蔗糖溶液渗透渗透。为什么会产生这种渗透现象？为什么会产生这种渗透现象？把把溶剂分子溶剂分子通过通过半透膜半透膜自动自动向溶液扩散向溶液扩散的过程称为的过程称为渗透渗透。(1)半透膜半透膜：选择性地让某些物

29、质通过的膜，如膀胱膜、细胞壁等。：选择性地让某些物质通过的膜，如膀胱膜、细胞壁等。半透膜的作用半透膜的作用：允许水分子通过，而不让蔗糖分子通过；：允许水分子通过，而不让蔗糖分子通过；从而保证半透膜两边溶液的浓度不同。从而保证半透膜两边溶液的浓度不同。为什么会产生这种渗透现象？为什么会产生这种渗透现象？（2）渗透现象产生过程）渗透现象产生过程蔗糖溶液蔗糖溶液纯水纯水单位体积内水分子数单位体积内水分子数少少多多水分子水分子开始开始扩散扩散出去出去的速率的速率慢慢快快液面液面升高升高降低降低慢慢快快随着液面变化，随着液面变化，水分子扩散水分子扩散出去出去的速率的速率加快加快减慢减慢最后最后两边水分子

30、的扩散速率相等，达到渗两边水分子的扩散速率相等，达到渗透平衡。透平衡。总结：渗透产生的条件：总结：渗透产生的条件：（1）半透膜的存在）半透膜的存在（2）半透膜两侧的溶液浓度不相等。）半透膜两侧的溶液浓度不相等。渗透的结果渗透的结果：缩小膜两侧的浓度差：缩小膜两侧的浓度差渗透方向渗透方向：溶剂分子从溶剂分子从纯溶剂纯溶剂溶液溶液，或是从或是从稀溶液稀溶液浓溶液浓溶液。 （3）渗透压的计算）渗透压的计算渗透压渗透压：两边的液面静压差：两边的液面静压差。用符号用符号表示，表示， 单位：单位：KPa或或PaVnRT或或 bRT CRT(因为稀溶液中，因为稀溶液中，C=b) 强调：强调：浓度：浓度：molL-1或或 molKg-1；渗透压渗透压: KPa；R = 8.315 (KPaLmol-1K-1)例例1：将：将2.00g蔗糖蔗糖(C12H22O11)溶解于水，配成溶解于水，配成50mL溶液。溶液。 求该溶液在求该溶液在37时的渗透压力为多少？时的渗透压力为多少？解：已知解：已知C12H22O11的摩尔质量的摩尔质量M=342gmol-112.003420.117(mol)0.0500LcRT 12