无机化学：第5章 物质的聚集状态

中国药科大学无机化学教研室第5章物质的聚集状态5.1气态气体的通性低压下气体的几个经验定律理想气体状态方程、分压定律和分体积定律5.2溶液溶液的形成溶液的浓度表示法溶液的蒸气压和沸点稀溶液的拉乌尔定律和依数性物质的聚集状态：

固体液体气体等离子体（Plasma）分子间作用力减弱蒸发熔化升华FIGURE10-19

Directtransitionsamongallthreestatesofmatternotonlyarepossiblebutareobservedineverydaylife.ThethreestatesofmatterStatesofMatterComparedIntermolecularforcesareoflittlesignificance;why?Intermolecularforcesmustbeconsidered.Intermolecularforcesareveryimportant.5.1气态

气体的最基本特征：可压缩性扩散性气体的理想状态：分子不占有体积分子间作用力忽略不计什么是理想气体？低压、高温的实际气体近似于理想气体理想气体遵循理想气体状态方程GraphicalRepresentationofBoyle’sLawWhenvolumeisincreasedthereismoreareaforthemoleculesto“hit”;lessforceperarea.Estimatethepressureat3Vandat5V.Whichplotiseasiertouseformakingthisestimation?GraphicalRepresentationofCharles’sLawWhentemperatureisdecreased(constantP)……volumedecreases.Extrapolationtothelowestpossiblevolume(zero)givesthelowestpossibletemperature(0K).Boyle’sLaw:Charles’sLaw:Avogadro’sLaw:理想气体状态方程其中，R为摩尔气体常数。1mol理想气体，在标准状况下（STP）：

p=101.325kPaT=273.15KVm=22.414×10-3m3则：注意单位：1.计算p，V，T，n四个物理量之一。2.气体摩尔质量的计算理想气体状态方程式的应用pV=nRT3.气体密度的计算组分气体：理想气体混合物中的每一种气体分压：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。分压定律PartialPressuresIllustratedPartialpressureofH2is2.9atm.PartialpressureofHeis7.2atm.Whatwouldbethetotalpressureif0.90molofN2wereaddedtothegasmixturein(c)?Hmm…partialpressureappearstoberelatedtothenumberofmolesofgas…FIGURE9-9

Fig.9-9,p.377AccordingtoDalton’slaw,thetotalpressureofagasmixtureisthesumofthepressuresexertedbytheindividualgases.Notethatthetotalvolumeisthesameinallthreecontainers.分压定律：混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和：

pt=p1+p2+

xB

B的摩尔分数例题：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)=0.320、n(O2)=0.180、n(N2)=0.700mol。混合气体的总压p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。解：n总=n(NH3)+n(O2)+n(N2)=1.200mol=0.320mol+0.180mol+0.700molp(N2)=p总

－

p(NH3)－

p(O2)

=(133.0－

35.5－

20.0)kPa=77.5kPa分体积：

混合气体中某一组分B的分体积VB是该组份单独存在并具有与混合气体相同温度和压力时所占有的体积。分体积定律1-1.溶液的形成和分类1.定义：两种或两种以上的物质所形成的混合物，这些物质在分子层次上是均匀的，分散程度达到分子水平。形成溶液后各部分的化学组成和物理性质相同。三层含义：①混合物(mixture) ②分散程度：分子水平 ③均相系统，各部分物、化性质相同一、溶液的形成溶液溶质(solute)：被溶解的物质溶剂(solvent)：溶解其他物质的化合物2.组成电解质非电解质(electrolyte)(nonelectrolyte)糖、盐水？有机物溶于汽油、酒精？空气？氢气溶于金属钯？汞溶于金？锌溶于铜？红豆和绿豆混合？开水冲泡奶粉？判断：3.溶解过程NaOH溶于水NH4NO3溶于水50升的水与50升的纯乙醇混合50升苯与50升醋酸混合放热吸热白色无水CuSO4溶于水蓝色体积<100升体积>100升Note：溶液不是溶质和溶剂的机械混合。溶解(dissolve)进行示意图NaCl溶解

溶解过程是一个特殊的物理-化学过程，常有吸热(endothermic)和放热(exothermic)现象，并伴随着能量、体积、颜色等变化。FormationofaSaturatedSolutionSolidbeginstodissolve.Assoliddissolves,somedissolvedsolutebeginstocrystallize.Eventually,theratesofdissolvingandofcrystallizationareequal;nomoresoluteappearstodissolve.Longerstandingdoesnotchangetheamountofdissolvedsolute.二、溶液的分类气态溶液聚集状态液态溶液固态溶液1.液态溶液气态→液态：HCl溶于水固态→液态：NaCl溶于水iii.液态→液态：乙醇溶于水含量较多为溶剂液态物质为溶剂2.气态溶液：气态混合物如：空气；CO2、NO、H2的混合物3.固态溶液：各种金属合金如：少量碳溶液溶于铁→钢；锌溶于铜→黄铜ExamplesofSolutionsStateofSolutionStateofSolventStateofSoluteExampleGasGasGasAirLiquidLiquidGasOxygeninwaterLiquidLiquidLiquidAlcoholinwaterLiquidLiquidSolidSaltinwaterSolidSolidGasHydrogeninpalladiumSolidSolidLiquidMercuryinsilverSolidSolidSolidSilveringold1-2.溶液浓度的表示方法表示溶质和溶剂的相对含量物质的量浓度(mol•L-1)质量摩尔浓度(mol•kg-1)摩尔分数质量分数物理量的整体名词(“长度”、“质量”、“时间”)，是国际单位制中7个基本物理量之一含义：物质所含粒子数目的多少，包括分子、原子、离子、质子、电子等表示为物质所含微粒数(N)与阿伏加德罗常数(NA)之比，即n=N/NA复习1.物质的量(n)：物质的量的单位，是国际单位制7个基本的单位之一：一摩尔的物质含有阿佛加德罗常数个微粒，在数值上等于6.02×10232.摩尔例：计算1㎏S原子、0.25㎏Zn原子的物质的量为多少？

S的物质的量=1000/32=31.25mol0.25㎏Zn原子物质的量=250/65.4=3.82mol

一摩尔分子、原子或离子的质量为摩尔质量，数值上等于分子、原子、离子的式量，以g/mol为单位例：一摩尔NaCl的摩尔质量23＋35.5=58.5g/mol3.摩尔质量(M)：1.物质的量浓度(CB)溶质B的物质的量(mol)除以混合物的总体积(L)(amount-of-substanceconcentrationofB)nB：B的物质的量；V：溶液的体积(mol•m-3或mol•L-1)每升含NaOH40g，基本单元(NaOH)=1mol•L-1每升含H2SO43×49g，基本单元(1/2H2SO4)=3mol•L-1每升含Ca2+20.04

g，基本单元(1/2Ca2+)=1mol•L-12.质量摩尔浓度(mB)(molalityofsoluteB)nB：B的物质的量；mA：溶剂的质量溶质B的物质的量(mol)除以溶剂的质量(kg)(mol•kg-1)3.摩尔分数(xB)溶质B的物质的量(mol)除以混合物的总物质的量(mol)(molefractionofB)nB：B的物质的量：溶液中所有物质的物质的量总和xB：量纲为14.质量分数(wB)溶质B的质量(g)除以混合物的总质量(g)mB：B的质量：溶液中所有物质的总质量摩尔比rB(molarratioofsoluteB)

溶质的物质的量与溶剂的物质的量之比质量浓度

B(massconcentrationofB)

溶质的质量除以溶液的体积溶解度

100g溶剂中所能溶解溶质的最大质量(g)1-3.液体的沸点与蒸气压蒸发:液体表面的气化现象叫蒸发(evaporation).敞口容器干涸吸热过程分子的动能：红色：大黑色：中蓝色：低一、液体的蒸气压蒸发:密闭容器蒸发冷凝“动态平衡”恒温饱和蒸气压：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：温度恒定时，为定值；气液共存时，不受量的变化；不同的物质有不同的数值。分子的动能：红色：大黑色：中蓝色：低蒸发初始蒸发进行中图示饱和蒸气压V蒸发=V冷凝液体的蒸气压(vaporpressure)

液体蒸发后，刚开始空间内的分子数不多，凝结量也不多而蒸发等速进行，蒸气中的分子随时间推移不断增多，凝结量也不断增加，最终蒸发量与凝结量相等，即蒸发出的分子数与冷凝下的分子数相等，V蒸发=V冷凝

此时，宏观上，蒸气的密度不再增加，此时的蒸气压为饱和蒸气压，可以用来衡量液体的逃逸倾向。1).蒸气压是液体自身的性质，由平衡时的饱和蒸气压来衡量2).特点:

温度恒定时，为定值；

气液共存时，不受量的变化；

不同的物质有不同的数值3).随温度升高而增加Note:水在不同温度时的饱和蒸气压思考：密闭容器里装满液体，是否有蒸气压？有，仍然存在少数能量较大的分子离开母体而进入空气的倾向2.固体是否有蒸气压？有，只不过很小，通常不予考虑

二、液体的沸点

沸点之前，气化发生在液体表面，蒸气压不断增加达到一定温度，液体表面和内部都发生气化，蒸气压等于外压，液体就沸腾思考：加热液体时，液体蒸气压力的变化？沸点与外界压力有关。外界压力等于101.3kPa(1atm)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。沸腾是在液体的表面和内部同时气化。热源Note：1).沸点随外压而变，压力越大，沸点越高正常沸点：外压等于标准压力(101.325kPa)时液体的沸点2).在高山地区用高压锅煮饭

高山地区气压低，水沸点降低，饭难于煮熟。使用高压锅，锅内气压可达到常压的一倍，水的沸点约在120ºC左右，饭就很容易煮烂3).减压蒸馏(vacuumdistillation)

当物质常压蒸馏易于分解或氧化，或分离提纯沸点较高的物质，可在减压的情况下蒸馏以降低沸点1-4难挥发非电解质稀溶液的依数性(Colligativepropertiesofdilutesolution)

颜色、导电性、酸碱性溶液的蒸气压(vaporpressure)溶液的沸点(boilingpoint)溶液的凝固点(freezingpoint)渗透压(osmoticpressure)

溶液性质溶质独立质点数决定：溶质本质决定：(溶液的浓度)蒸气压下降：与纯溶剂相比，难挥发的物质的溶液蒸气压下降。问题：如果将蔗糖溶解在水中形成溶液，其蒸气压有何变化？将一难挥发非电解质溶于某溶剂时，将出现如下现象：蒸气压溶液纯溶剂沸点溶液纯溶剂凝固点溶液纯溶剂<><溶液与纯溶剂之间产生渗透压同一温度下，溶有难挥发溶质B的溶液中，溶剂A的蒸气压力总是低于纯溶剂A的蒸气压力。原因在于溶剂的一部分表面被溶质微粒占据，使得单位时间内从溶液中蒸发的分子减少，使得溶液的蒸发速率降低。同一温度下，纯溶剂的蒸气压力与溶液的蒸气压力之差叫做溶液的蒸气压下降。一、蒸气压下降(vaporpressurelowing)

－拉乌尔定律Raoult定律

一定温度下，难挥发非电解质“稀”溶液的蒸气压等于同温度下纯溶剂的饱和蒸气压乘以溶剂的摩尔分数。P=P0

•

XAP：稀溶液的蒸气压P0：纯溶剂的饱和蒸气压XA：溶剂的摩尔分数若仅有两个组分，设溶质的摩尔分数为XB：ΔP=PA0

•

XBΔp:溶剂蒸气压降低值XB：溶质摩尔分数Note：1).拉乌尔定律是溶液最基本的经验定律之一，稀溶液的其他通性都可根据它进行分析和解释。2).一般来说，只有稀溶液中的溶剂方能准确遵守拉乌尔定律。3).可以求算非挥发性溶质的摩尔质量MB对于稀溶液，即nA

nB，4).如取1000g溶剂，数值上nB＝m(质量摩尔浓度)Note：m：质量摩尔浓度5)*.若溶质和溶剂均有挥发性(双液系)，此时溶液蒸气压为两种组分之和。如：甲醇和乙醇；苯和甲苯二、沸点升高与凝固点降低

为什么含植物油较多的汤不易煮沸？为什么海水在273Ｋ不冻结？为什么冰盐浴的温度比冰浴的低？为什么冬天在公路上撒用CaCl2或NaCl？为什么在严寒的冬天，在汽车水箱中加入甘油或乙二醇等物质？沸点(bp:boilingpoint)：液体的蒸气压等于外界压力时的温度。正常沸点外压＝101.3kPa的沸点凝固点(fp:freezingpoint)：固态纯溶剂和液态溶液平衡时的温度（溶液凝固点是指和溶剂的固态共存的温度）水和冰的蒸气压力曲线Note：(1)曲线上的每一点对应着相应压力下水的沸点、凝固点(2)液体的饱和蒸气压随温度升高而增大；沸点随外压增加而升高AB：纯水的蒸气压曲线AC：冰的蒸气压曲线A：P下，Tf*时，水凝固B：P*下，Tb*时，水沸腾T/KP(H2O,g)/PaTf*PP*Tb*水冰ABC水溶液的沸点上升和凝固点下降示意图ΔTbΔTfP*P(H2O,g)/PaTf*P水冰ABTb*沸点增加ΔTb凝固点降低ΔTfB’A’Tb

Tf

ΔTb=Kb

·mBΔTf=Kf

·mBKb：溶剂的摩尔沸点升高常数(ebuillioscopicconstant)Kf：溶剂的摩尔凝固点下降常数(cryoscopicconstant)mB：溶质的质量摩尔浓度沸点升高(Boiling–PointElevation)

含有难挥发性非电解质溶质的稀溶液，其沸点总高于纯溶剂的沸点，沸点升高值与溶液中溶质的质量摩尔浓度成正比，而与溶质本性无关。凝固点降低(Freezing–PointRepression)

含有难挥发性非电解质溶质的稀溶液，其凝固点总低于纯溶剂的凝固点，凝固点下降值与溶质的质量摩尔浓度成正比，而与溶质本性无关。Note：1).纯溶剂的沸点恒定，而溶液沸点不断变化(浓度不断变化，饱和溶液的沸点恒定)，一般指溶液的沸点是指溶液刚开始沸腾时的温度。2).ΔTb=Kb•mB

只适用于难挥发非电解质稀溶液，对于电解质溶液及浓溶液，沸点升高的定性关系成立，但定量关系需要校正。OsmosisandOsmoticPressureNetflowofwaterfromtheoutside(pureH2O)tothesolution.Thesolutionincreasesinvolumeuntil……theheightofsolutionexertstheosmoticpressure(π)ofthesolution.FIGURE11-14

Fig.11-14,p.465Inthisdevicetomeasureosmoticpressure,thesemi-permeablemembraneallowssolvent,butnotsolute,moleculestopassthrough.Thisresultsinanetflowofsolventintothetubeuntilequilibriumisachieved,withthelevelofsolutionataheight,h,abovethesolventinthebeaker.Oncethishappens,thesolventmoleculespassthroughthemembraneatthesamerateinbothdirections.

p.466Whenacarrotisimmersedinsaltwater(left),waterflowsoutintothesolution,causingthecarrottoshrink.Theosmoticpressureoutsidethecellsofthevegetableisgreaterthanthatinside.Acarrotleftinpurewater(right)doesnotshrivel.三、渗透压

为什么海洋中的动物不能生活在淡水中为什么吃咸的食物时就有口渴的感觉为什么血红细胞置于纯水中会胀成圆球为什么给缺水的植物浇水，不久植物会茎叶挺立问题：如果将隔板拿开，两边的液体有何变化？

水分子向糖水一侧扩散，溶质分子向水一侧扩散，直至形成均匀的溶液。渗透(osmosis)现象半透膜：能通过溶剂分子而不能通过溶质分子(1)半透膜：让某些物质通过，而不允许另一些物质通过的多孔性材料。(2)渗透：溶剂（水）透过半透膜而进入溶液的现象称之。(3)渗透压:为阻止被半透膜所隔开的纯溶剂向溶液渗透所需要的压力渗透作用必须满足二条件：①有半透膜

②膜两边溶液的浓度不同Van’tHoff(范特霍夫)Π

：稀溶液的渗透压(kPa/Pa)cB

：溶质B的物质的量浓度(mol•L-1/mol•m-3)T：热力学温度KR：摩尔气体常数8.314kPa·L·mol-1·K-1/8.314Pa·m3·mol-1·K-1ΠV=nBRTΠ=cBRT渗透现象的应用

植物利用根部从土壤中吸取水分和养分

植物的渗透压高于土壤的渗透压，植物才能不断地吸收水分和养料，促使本身生长；庄稼施肥过多会出现“浓肥烧死苗”的现象人体内营养循环

细胞膜(半透膜)分离新陈代谢中的废物，维持体内电解质平衡，过膜吸收营养成分为各器官提供能量……渗透压在医学上医学上规定：大于320mmol·L-1

高渗溶液280～320mmol·L-1

等渗溶液小于280mmol·L-1

低渗溶液将红细胞置于等渗溶液中，溶液与红细胞内液的渗透压力相等，细胞内、外处于渗透平衡状态，细胞形态不发生变化。反渗透若在溶液一侧外加一个大于渗透压的外压时，溶剂可从溶液向溶剂渗透或从浓溶液向稀溶液渗透的现象称做反渗透。

蒸气压下降，沸点上升，凝固点下降，渗透压都是难挥发的非电解质稀溶液的通性；它们只与溶剂的本性和溶液的浓度有关，而与溶质的本性无关。蒸气压下降是核心。正是由于蒸气压的下降，引起了沸点升高和凝固点降低。小结问题：若把一杯水和一杯糖水放在一密闭容器里，将会发生什么变化？1234蒸气