第二章气体液体和溶液

第二章气体液体和溶液1)理想或接近理想(温度,压力)2)只适用于完全封闭得气体

R=PV/nT=PVm/T

=101、325×103Pa×22、414

×10-3m3/273、15K

=8、314J·mol－1·K－1注意点:=0、082L·atm·mol－1K-1

3)R得取值随压力单位得变化而不同*理想气体定律应用P—V—T—n(m,M,ρ)Sample:AsampleofCH4wasslowlyheatedataconstantpressureof0、9atm、Thevolumeofthegaswasmeasuredataseriesofdifferenttemperaturesandaplotofvolumevs、temperaturewasconstructed、Theslopeofthelinewas2、88×10-4L/K、WhatisthemassofthesampleofCH4?应用实例:测分子量a、蒸气密度法测某种易挥发得液体得相对分子质量由于已知P、R、T,所以必须求V和m忽略b、极限密度法:蒸气密度法得改进外推P→0时,2、2、分压定律(Doltons’lawofpracticalpressure)组分气体:气体混合物中每一种气体。分压:组分气体A在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生得压力,叫做组分气体A得分压。分压定律:混合气体得总压等于混合气体中各组分气体分压之和。P=P1+P2+

或P

=

Pi

P总V=n总RT=(n1+n2+……+ni)RT=P1V+P2V+……+PiV=(P1+p2+……+Pi)VP总=Σpi=P1+p2+……+Pi同时由于PiV=niRT;P总V=n总RT

(摩尔分数)证明:例题:

V=2dm3,O2:

0、20mol,H2:0、50mol,Ar:0、10molT=300K,O2+2H2→2H2O(l)求反应前后各气体得分压以及总压。(T=300K时PH2O=0、035atm)解:

反应前:反应后:

2H2+O2=2H2OAr0、500、2000、100、1000、40(l)0、10注意:在该温度下,2dm3

体积得H2O(g)计算得0、002846mol,若O2为0、001mol,生成H2O0、002mol,则水将完全气化,P就不就是P饱和。2、3、分体积定律(Amagat’sLawofPartialVolumes)V总＝V1+V2+V3+…＝

Vi=V总Xi分体积:混合气体中某一组分B得分体积VB就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得体积。分体积定律:当温度、压力相同时,混合气体得总体积等于各组分分体积之和。注意:对混合气体体系,分体积和分压不能同时代入理想气体方程9大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流2、4、格拉罕姆扩散定律(Graham’slawofeffusion)

在恒压条件下,某一温度下气体得扩散速率与其密度(或摩尔质量)得平方根成反比(实验定律)表达式:应用:1)测定未知气体得分子量(或原子量)例:WhatisthemolecularformulaofapoundofempiricalformulaCHthatdiffuse1、246moreslowlythanKrypton(MW=83、8)atthesametemperatureandpressure、

2)可以分离同位素isotope从铀矿制备分离235U,利用UF6不同得扩散速率差别很小,需非常多级分离气体扩散串联示意图设计了3000级,耗资8亿美元基本假设:

A、气体分子就是质点三、气体分子运动论(KineticMolecularTheory)

C、气体分子做弹性碰撞J、C、Maxwell、L、Boltzmann、R、ClausiusB、气体分子不断地作高速无规则运动推导过程:单位时间动量改变量:压强:总压强:定义:称为均方根速率

热力学温度:大量分子无规则运动得平均动能有关;热:大量分子得混乱运动或无序运动格林汉姆扩散定律K:波尔兹曼常数P,T分子运动桥梁气体分子运动论意义:**例题:求在0˚C时氢分子得速度四、气体分子速度分布与能量分布(Distributionofgasmolecularspeedsandenergy)a、速度分布b、能量分布波尔兹曼因子

能量大于和等于E0得所有分子得分数:五、实际气体定律(TheRealGasLaw)1、实际气体与理想气体得偏差:1mol气体的PV/RT~p曲线1molN2的PV/RT~p曲线（不同温度）气体分子间作用力与距离得关系2、实际气体状态方程(vanderwaalsequation)2、分子间得引力两点修正:a,b

称为vanderWaal’sconstant(Vreal-nb)=Videal等于气体分子运动得自由空间1、分子自身得体积分子间吸引力正比于(n/V)2

内压力P′=a(n/V)2

Pideal=Preal+a(n/Vreal)2表某些气体得VanderWaals常数例题:分别按理想气体状态方程和vanderwaals方程计算1、50molSO2在30摄氏度占有20、0L体积时得压力,并比较两者得相对误差。如果体积减少为2、00L,其相对误差又如何？已知a=0、6803Pa·m6

·mol-2,

b=0、5636

10-4m3

·mol-1解:已知:T=303K,V=20、0L,n=1、50mol思考题:范德华实际气体状态方程得适用范围？

五、气体得液化和临界状态(criticalstate)液化得方法:降温、加压临界温度:加压下气体能够液化得最高温度;临界压强:临界温度时,使气体液化得最低压强;临界体积:临界温度和临界压强下,1mol气态物质占有得体积。熔沸点低得物质,临界温度也低物质tc(ºC)Pc(106Pa)

c(g/ml)氨132、411、2760、235CO-140、243、49850、301CO231、047、3760、468HCl51、58、30820、45H2O373、0922、0470、32NO-93、06、48440、52SO2157、67、88370、525Na2300、035、4620、198Ar-122、44、87340、533Cl2144、07、70030、573H2-240、171、29280、0314N2-147、03、39420、313O2-118、575、04260、436一、液体得结构(structureofliquids)§2、液体(Liquid)液体结构特点:处于完全混乱得气体状态和完全有序得固体状态之间液体特性:粘度,表面张力,凝固点,沸点,饱和蒸气压(简称为蒸汽压)近程有序远程无序

二、液体得蒸气压(Vaporpressureofliquid)1、蒸发过程

1)蒸发:液体气化得一种方式2)蒸发热(焓):在恒定得温度和压力条件下,1mol液体蒸发变为蒸气所吸收得热量2、液体得饱和蒸气压(简称蒸气压)

3)蒸气压只与液体本质和温度有关、

1)2)蒸气压:一定温度下与液体平衡得饱和蒸气所具有得压力。蒸气压vs温度Clusius---ClapeyronequationApplicationofClusius-Clapeyronequation1、求蒸发热2、已知蒸发热和一个温度下得压强,求另一个温度下得压强例题:25℃

时,0、100mol液态苯在一个可通过提高活塞而改变得容器中蒸发(蒸气压为12、3kPa),试求(1)体积增加至何值时液体恰巧消失？(2)体积为12、0dm3

和30、0dm3

时,苯蒸气压分别就是多少？(3)1atm,4dm3空气缓慢地鼓泡通过足量得苯中,苯将损失多少克？解:(1)V=nRT/P=20、1dm3(2)12、0dm3:气压为12、3kPa、30、0dm3:

P1V1=P2V2P2=P1V1/V2=8、24kPa(3)P总=P空气＋P苯P空气=89kPa

这时,4dm3空气体积变为

V=(101、3×4)/89=4、55dm3,也就是苯蒸气得体积由PV=nRT=mRT/M得:m=PVM/RT=1、76g三、超临界流体(supercriticalfluid)当T＞Tc,P＞Pc时得流体称为超临界流体超临界流体兼有液体和气体得双重特性,扩散系数大,粘度小,渗透性好,与液体溶剂相比,可以更快地完成传质,达到平衡,促进高效分离过程得实现

§3、溶液及其性质(propertiesofsolution)一、基本概念(Basicconcepts)根据分散相直径分类:d<1nm溶液d=1～100nm溶胶d>100nm悬浊液、乳浊液。1、分散系(dispersionsystem):一种或几种物质得质点分散在另一种物质得质点中所形成得体系

分散相(dispersionphase):被分散得物质分散介质(dispersionmedium):容纳分散相得物质分散相─溶质(solute)分散介质─溶剂(solvent)。2、溶液(Solution):一种物质以分子、原子或离子状态分散于另一种物质中所构成得均匀而又稳定得体系、二、溶液得浓度表示法1、质量分数(massfraction,masspercentage)

(w)

:2、摩尔分数(Molefraction)

(xi):

=ni/n=molesofsolute/molesofallponentsppm(partspermillion),ppb(partsperbillion)3、体积物质得量浓度(Molarity)

(cB):

cB

=molesofsolute/litersofsolution4、质量物质得量浓度

(Molality)(mB)

:

mB

=molesofsolute/kilogramsofsolvent当溶液很稀时,ρ=1,所以1kg溶剂近似看作1L溶液,则cB

≈mB

各种浓度之间得换算(Unitsexchange)三、溶解度原理(principleofsolubility)1、溶解过程就是物理化学过程。2、溶解度(solubility):每100g溶剂中所能溶解得溶质得最大质量3、溶解平衡就是动态平衡(dynamicequilibrium)。4、影响溶解度得内因:“相似相溶”溶质和溶剂在结构或极性上相似**液—液相溶:

**固—液溶解:

极性与极性,非极性与非极性易溶离子化合物复杂类似结构得化合物熔点低得易溶**气—液溶解:

高沸点气体溶解度大;气体在近似分子间力溶剂溶解度大物质熔点(℃)在苯中的溶解度(x)蒽2180.008菲1000.21萘800.26联二苯690.39

5、影响溶解度得外因:

温度和压力温度:

压力:压强增大时,对固体、液体溶解度变化不大,固体:若溶解过程就是吸热,则升温溶解度增大

液体:温度升高,溶解度增大气体:温度升高,溶解度降低

气体溶解定律---Hernry’sLaw在一定温度和一定体积得液体中,所溶解得气体质量与该气体得分压成正比数学表达式:kH=p/x

kH:Henry’sconstantP:被溶解气体得分压(以mmHg为单位)X:溶解得气体在溶液中所占得物质得量分数。只适用于溶解度小、不与溶剂相互作用得气体由亨利定律∴SampleExercise:20℃时,氧气溶解在水中得亨利定律常数为2、95×107mmHg,在通常大气中,氧分压为0、21atm,此时有多少摩尔氧气溶在1000g水中？解:6、溶解度原理得应用:

1)利用不同溶质在同一溶质溶剂中得溶解度得差别来分离物质固液体系:

分级结晶(重结晶recrystalline)液液体系:

萃取气液体系:

2)利用溶解度差异来制备材料、生长单晶等高温区低温区

四、非电解质稀溶液得依数性(colligativeproperties)依数性:与微粒个数有关得性质,与溶质种类无关1、溶液得蒸气压降低(Loweringthevaporpressure)──稀溶液依数性得核心Raoult定律:一定温度下,稀溶液得蒸气压等于纯溶剂得蒸气压与溶剂得摩尔分数相乘;或者说蒸气压得下降等于纯溶剂得蒸气压乘以溶质得摩尔分数。(溶质不挥发)

对于稀溶液∴∴Raoul定律实验图

两种易挥发得物质互溶时,若在理想状态下,符合拉乌尔定律:反之,凡符合此式得溶液称理想溶液**理想溶液:溶液中各物质分子得大小及各种分子间力得大小与性质相同例题:某混合溶液由1mol苯和2mol甲苯组成,求20oC时蒸气组成。已知、

虽然苯在溶液中仅占33mol%,但在蒸气中占63mol%,所以易挥发得成份在蒸气中富积,成为蒸馏技术(distillation)得重要基础。解:液体得沸点就是指液体得饱和蒸气压与外界大气压相等时得温度;凝固点就是指液体得蒸气压与其固体得蒸气压相等时得温度问题:(1)某一温度,一种物质固体得蒸气压大于液体,请问物质表现为溶解还就是凝固？

(2)蒸发和沸腾得不同点

2、溶液沸点得升高和凝固点得降低(BoilingpointelevationandFreezingpointdepressionofsolution)

ΔTb=Kb•m沸点升高Kb为溶剂得沸点升高常数ΔTf=Kf•m凝固点降低Kf:摩尔凝固点下降常数Application:测分子量同一溶剂:Kf＞Kb,不同溶剂:有机物得Kf

和Kb较大3、

渗透压(osmoticpressure)(1)半透膜:允许小分子(如水)透过,但大得溶质分子不能透过得膜状物质。(2)渗透:溶剂分子通过半透膜从稀溶液向浓溶液方向移动得现象。(3)渗透压:为阻止渗透过程进行所需施加于溶液得压力称为渗透压。(4)溶质分散在一定体积得溶剂中得渗透压和溶质扩散在等体积中得气体压力一样,即:πV=nRTorπ=cRTa、在极稀溶液中,π≈mRT;b、只有在半透膜存在下,才能表现出渗透压;c、虽然稀溶液得π=cRT与气体得pV=nRT完全符合,但π与p产生得原因就是不同。

(5)Application:用于极高分子量得测定Sampleexercise:在250C、1升苯中含5、0克聚苯乙烯得溶液,其π=7、6mmHg,试求聚苯乙烯得分子量？Solution:=1、22×104(g/mol)例:在常温恒压下,让一定量干燥得空气先缓慢通过含有5％某不挥发性物质得苯溶液,然后再缓慢地通过纯苯液体。停止通气后,测得第一瓶得苯溶液失重1、24g,第二瓶得纯苯失重0