工程化学 课件 第1章 化学基础知识

化学基础知识PART-01EngineeringChemistry主要内容1.1气体1.2液体1.3固体1.4等离子体Contents◆物质最常见的三种存在状态：气态，液态，固态1.1气体◆

气体气体是没有形状、体积可压缩和膨胀的流体★气体的性质比较简单，人们对其研究得最早

物理量符号单位压力p帕斯卡Pa（N·m-2）体积

V立方米m3温度T开尔文K物质的量n

摩

尔mol气体状态描述1.1.1

气体状态方程1理想气体状态方程

★忽略分子间的作用力。分子与分子之间、分子

与器壁之间的碰撞，是完全弹性碰撞—

无能量损失。◆

理想气体从实际气体抽象出的理想化模型

★忽略

气体分子的自身体积，将分子看成有质量

的几何点。1°理想气体◆

高温和低压

下，实际气体很接近理想气体

★分子自身的体积小★分子间的距离大，分子间的作用力极弱2°理想气体状态方程◆

理想气体状态方程表达式

pV

＝nRT式中R

为气体常量

＝8.314J·mol-1·K-1

R

＝8.314Pa·m3·mol-1·K-13°理想气体状态方程其他表示◆

Boyle定律1pn、T一定时V

（正比于）

或

p1V1＝p2V2◆

Gay-Lussac定律n、p一定时

V

T

或

V1＝T1V2T2◆

Avogadro定律◆综合以上三式得p、T一定时

V

nnTVpµ或

n1＝n2V1V2以R

做比例系数，则有得理想气体状态方程nRTpV

＝pV

＝nRTpV

＝nRT◆当n一定时p1V1＝T1p2V2T2★由气体的质量m或密度r

可求气体的相对分子

质量（摩尔质量）M

◆将

，

mn＝MmVr＝M＝mRTpV代入理想气体状态方程，得

＝prRT

【例

1】在298K和101.3kPa时，气体A的密度为1.145g·dm-3。

求

气体A的相对分子质量；

解：由pV＝nRT的导出公式，得气体A的相对分子质量＝28.00g·mol-1M＝prRT1.013×105Pa1.145×103g·m-3×8.314Pa·m3·mol-1·K-1×298KM＝2实际气体状态方程◆理想气体去掉基本假定则还原为实际气体◆

实际气体的压强p

是碰撞器壁的分子

受到内层分子的引力，不能自由碰撞

器壁的结果。所以p

<p理◆

理想气体的压强p理是忽略了分子间的吸引力，由

分子自由碰撞器壁产生的结果。1°实际气体的压强修正

◆实际气体分子与器壁碰撞产生的压力小于理想气体所以

用p修

表示p

与p理的差，则令a

为比例系数，则有

a()p修2

nV＝

p理＝p

+p修a()2

nV

p理＝p

+

（1）p修µ2()

n

V研究表明2°实际气体的体积◆理想气体

其

体积可以任凭气体分子在其中运动、

且可以无限压缩的理想空间。

★

实际气体分子的体积不能忽略若容器中充满实际气体

V实

则实际气体的体积

V等于气体的容积

★理想气体分子自身无体积◆

实际气体分子自身有体积，不可忽略

从

V

中去掉V分后，

剩下理想空间为V理

★分子在容器的体积内不能自由运动

★容器内气体体积也不可无限压缩

V理＝

V－V分V分V理

压缩的最终结果是变成分子的

自身体积（V分

）

故一般关系式为V理＝

V

－nb

（2）V理＝

(

V－n

b

)dm3V分

＝

n

bdm3而理想气体

的体积

V理＝

(

V－n

b

)dm3若分子的摩尔体积为bdm3

mol-1则n

mol分子的体积V分

＝

n

bdm3

◆对于n

mol实际气体3°

实际气体的状态方程a()2

nV

p理＝p

+

（1）V理＝

V

－nb（2）

◆将式（1）和（2）代入理想气体状态方程

◆

这个方程式是荷兰科学家

vanderWaals提出的，称为范德华方程。式中a，b

称为气体的范德华常量。[p＋a][V－nb]＝

nRT得

V

n)(2[p＋a][V－nb]＝

nRT

V

n)(2◆

不同气体的范德华常量不同

◆1mol实际气体（n

＝1）式中V

为摩尔体积

~[p＋

][V－b]＝

RT

V

a2~~★a，b大小可以反映出实际气体与理想气体的

偏差程度1.1.2气体分压定律1分压与分体积

★

空气是混合气体，其中

O2、N2、CO2等均为

这种混合气体的组分气体。◆

组分气体组成混合气体的每种气体，都称为该

混合气体的组分气体。◆

混合气体

由两种或两种以上的气体混合在一起

组成的体系。◆对于混合气体，整体上应满足p

V

＝

nRT◆

分压

当i组分气体单独存在并占有总体积

V

时，组分气体具有的压力，称为该组分

气体的分压，用pi

表示。则piV

＝

niRT◆

分体积当i

组分气体单独存在且具有总压

p时，

组分气体所占有的体积，称为该组分气体

的分体积，用Vi表示。则pVi

＝niRT2物质的量分数

◆若混合气体的物质的量用n

表示，i

组分气体的物

质的量用ni

表示。显然有◆

物质的量分数组分气体i占混合气体物质的量的

分数称为物质的量分数，也称摩尔分数。n＝

å

niiinxn＝或

ix＝

å

nini◆

体积分数

i

组分气体的分体积占混合气体总体积

的分数。即

★

由理想气体状态方程与分体积概念ViV

iinxn＝＝iV

V

★当p、T一定时，混合气体中某组分气体的摩尔

分数等于体积分数

p

Vi

＝

niRT

p

V

＝

nRT

＝

å

ViVi3

气体分压定律◆道尔顿（Dalton）进行了大量实验，提出了混合

气体的分压定律—混合气体的总压p

等于各组分

气体的分压之和：p

＝

pi

◆

理想气体混合时，由于分子间无相互作用，故

碰撞器壁产生的压力与独立存在时相同。即在混

合气体中，组分气体是各自独立的。这是气体分压定律的实质。由理想气体状态方程与分压概念piV

＝

niRT

p

V

＝

nRT

二式相除，得inn＝＝xiipp即

pi

＝p·xi◆组分气体的分压等于总压与该组分气体的摩尔分数

之积。1.1.3气体扩散定律

★

数学表达式为◆

Graham

指出：同温同压下气体的扩散速度u与

其密度

的平方根成反比。这就是气体扩散定律。

ru

1即＝u(A)u(B)r(B)r(A)◆气体密度与其摩尔质量M

成正比，故有

★即气体的扩散速度与气体相对分子质量的平方根

成反比。【例

2】气体A的扩散速率约为氧气的4倍，通过计算判断A是

何种气体。解氧气的摩尔质量为32g·mol

1＝u(A)u(B)M(B)M(A)

由公式

得气体A

的相对分子质量为

＝

2.0（g·mol-1）

由气体的相对分子质量判断，A为

H2

＝

32×()122＝u(A)u(B)M(B)M(A)M(A)

＝

M(O2)［

］u(O2)u(A)

21.1.4气体的液化

◆气体液化方法

★降温，加压

★

加压气体温度高于某一值时，无论施加多大压

力都不能使其液化◆临界温度

Tc

通过加压能使某气体液化的最高温度◆临界压力

pc

临界温度时，使气体液化施加的最低

压力◆临界体积

Vc

在临界温度和临界压力下，1mol气体

所占有的体积。◆临界状态

气体同时在临界温度和临界压力时的状态

★

临界状态是物质的一种特殊存在形式，此时气、

液同性，状态不分，往往具有非常规的性质。

★

利用临界状态的特殊性质，合成一些在通常情况

下难以合成的物质。

1.1.5超临界状态◆超临界状态物质的压力和温度同时超过它的临界压

力和临界温度的状态（特殊的流体）。

★特殊的流体气、液两相性质非常接近，无法分辨

★既

具有

气体

的性质，可以很容易地压缩或膨胀；

又

像液体一样，具有较大的

密度，但黏度比液体

小，有较好的流动性和热传导性能。◆应用分离和反应技术等

1.2液体◆

液体特点具有流动性，有确定的体积(不可压缩)，

没有固定的外形和显著的膨胀性。1.2.1溶液的浓度

◆溶液

液体中溶入溶质则为溶液。◆

溶液的浓度常用物质的量浓度、质量摩尔浓度、

质量分数、摩尔分数表示。1

物质的量浓度

◆

定义1dm3溶液中含溶质的物质的量。经常称为摩尔浓度或体积摩尔浓度。单位mol·dm-3或mol·L-1

例如在1dm3溶液中含有2molNaCl，则表示为◆

表示方法物质A的物质的量浓度用符号c(A)、

cA（过渡使用）或[A]（很少使用）c(NaCl)＝2mol·dm-32

质量摩尔浓度◆

定义1000

g

溶剂所溶解溶质的物质的量。经常用符号b表示。单位mol·kg-1

例如，nmol溶质A溶解在mg溶剂中，则其质量

摩尔浓度为bA＝nm

/

10003

质量分数◆

定义溶质的质量m质

与溶液的质量m之比，称为质量分数。经常用符号w表示

显然，固体混合物也可以计算质量分数。w

＝m质m

◆

定义溶液中溶质的物质的量与溶液的总物质的量

之比为摩尔分数。

4

摩尔分数显然x质+x剂

＝1x质

＝

n质

n

＝n质n剂

+n质x剂

＝

n剂n剂

+n质5

浓度的换算对于稀溶液x质

<<x剂

故有x质

+x剂

≈

x剂

对于稀的水溶液

≈

n质

n剂

x质

≈

n质

n水

x质

＝n质n剂

+n质若溶剂水为1000g，则有

◆稀溶液中，溶质的摩尔分数与其质量摩尔浓度成

正比。

≈

n质1000x质

18故

x质≈

b

55.5

1000g溶剂水所

溶解的溶质的物

质的量，即为质

量摩尔浓度

b

x质＝k’b1.2.2液体的气化与凝固

1

液体的气化◆

液体气化方式蒸发和沸腾◆

液体沸腾

时其饱和蒸气压与外界大气压相等

其温度称为该液体的沸点

★

蒸发液体的气化只在液体的表面进行

★

沸腾液体的气化在液体的表面和内部同时进行沸点用Tb表示2

饱和蒸气压1°纯溶剂的饱和蒸气压（

p*）◆

密闭容器中，纯溶剂分子的凝聚速度和蒸发速度相

等时，蒸气为饱和蒸气，所产生的压力称为该温度

下的溶剂的

饱和蒸气压。

★饱和蒸气压p*与温度有关：温度升高则饱和蒸

气压增大

例如，20℃

时水的饱和蒸气压2338Pa

30℃

时水的饱和蒸气压4245Pa2°溶液的饱和蒸气压（

p

）◆

溶液的饱和蒸气压p密闭容器中，单位时间内在

溶液表面凝聚的分子数目与蒸发的分子数目相等时

的蒸气压。溶液的表面

溶剂的表面◆

当溶液中溶有难挥发性溶质时，则有部分溶液表面

被这种溶质分子所占据:显然有

p<p*◆在单位时间内，溶液

的表面所蒸发的溶剂分子数目

小于纯溶

剂蒸发的分子数目，平衡时蒸气的密度及

压力都比纯溶剂时小。◆

结论相同的温度下，溶液的饱和蒸气压低于纯

溶剂的饱和蒸气压。l2p2T2p1

T

A

BA′T1l1pl1纯溶剂l2溶液3拉乌尔定律

◆

在一定温度下，稀溶液的饱和蒸气

压等于纯溶剂

的饱和蒸气压与溶剂

的摩尔分数之积。这就是Raoult定律

p

＝p*·x剂

溶液的表面

★非挥发性溶质的溶液越稀，饱和蒸气压越大4

液体的凝固◆液体凝固为晶体

该过程中温度不变，

该温度称为凝固点（用Tf表示）

★在凝固点温度下液体和固体的饱和蒸气压相等。◆凝固为非晶体

液体凝固为非晶体，液体在凝固

过程中温度仍发生变化。◆过冷现象有时，液体温度降至凝固点温度时，

液体并没有凝固。1.2.3稀溶液的依数性◆稀溶液的依数性难挥发的非电解质稀溶液的某些

性质只与溶液的浓度有关◆溶液的依数性只适用于难挥发的非电解质稀溶液

★

包括蒸气压降低、凝固点（冰点）降低、沸点升高、渗透压

★

浓溶液

或电解质

溶液仍有蒸气压降低、沸点

升高、冰点降低和渗透压的现象，但定量关系

不准确。1

蒸气压降低

◆对于稀溶液，符合拉乌尔定律

p＝p*·x剂用

p表示稀溶液饱和蒸气压下降值，则

p＝p*－p＝p*

－p*·x剂＝p*

(1－x剂

)故有

p

＝p*

·x质一定温度下，p*

为常数。故上式可以写成◆

稀溶液

饱和蒸气压下降值与稀溶液的质量摩尔浓度

成正比。

◆对于稀的水溶液，有这是Raoult定律的又一种表述形式。式中k

为常数，但对于不同溶剂k值不同55.5Δ*bp

p＝

p

＝k

·

b2

沸点升高

★

水-水溶液-冰饱和蒸气压图l1l2l31.013105611T2l1

水l2

水溶液l3

冰p/Pa

T

/

KA

BB′A′273373T1◆

饱和蒸气压图物质的饱和蒸气压

p对温度T做图

l1l3p

/

Pa

T

/

Kl1

水从图中可以看出

l2◆随着温度的升高水、水溶液、冰的饱和蒸气压都升高l2

水溶液l3

冰1.013105A373◆

使水的饱和蒸气压等于外界大气压强，需要373K

（A点）。故水的沸点是373K

◆

同一温度水溶液的饱和蒸气压＜水的饱和蒸气压l1l3p

/

Pa

T

/

Kl1

水

l2l2

水溶液l3

冰◆373K时，溶液的饱和蒸气压＜外界大气压

1.013×105Pa，溶液未达到沸点（图中

C

点）。C1.013105A373l1l3p

/

Pa

T

/

Kl1

水

l2l2

水溶液l3

冰◆

即溶液的

沸点

比纯水高（T1＞373K

）◆

只有温度升到T1

时（＞373K）溶液的饱和蒸气

压才达到1.013×105Pa，溶液才沸腾（图中A′点）A′T11.013105A373l1l3p

/

Pa

T

/

Kl1

水

l2l2

水溶液l3

冰◆

稀溶液的沸点升高值

Tb为：

Tb＝Tb－Tb*

★

Tb

与溶液的饱和蒸气压降低值成正比

Tb

p而

p＝k

·

b

所以

Tb＝

k′·kb

★

溶液沸点升高值与质量摩尔浓度成正比

Tb－溶液的沸点，Tb*－纯水的沸点

Tb＝

kb·b

H2Okb＝0.512

kb－沸点升高常数。

单位

K·kg·mol-1不同的溶剂kb值不同

苯

kb＝2.53

Tb＝

kb·b【例

3】将9.0g葡萄糖溶于100g水中，求该葡萄糖水溶液的沸点。已知水的沸点升高常数kb＝0.512K·kg·mol

1，葡萄糖的相对分子质量为180g·mol-1。

解：葡萄糖溶液的质量摩尔浓度为

＝0.50mol·kg-11000水糖＝mnb1000水糖糖＝mMm(100g/1000g)kg9.0g/(180g·mol-1)＝葡萄糖溶液的沸点升高值为葡萄糖溶液的沸点为

Tb＝373.16K+0.26K

＝373.42KΔTb＝kb·b

＝0.512K·kg·mol-1×0.50mol·kg-1

＝0.26K3

凝固点降低

◆继续分析

水-水溶液-冰体系的饱和蒸气压图l1l2l31.013105611T2l1

水l2

水溶液l3

冰p

/

Pa

T

/

KA

BB′A′273373T1

水的凝固点

273K，也称为冰点◆

冰线

的斜率大冰线和水线的交点B，此时冰和水的饱和蒸气压相等。

T＝273K，p

≈611Pal1l2l31.013105611T2l1

水l2

水溶液l3

冰p

/

Pa

T

/

KA

BB′A′273373T1◆273K时，溶液

饱和蒸气压＜冰

的饱和蒸气压，即

p冰

>

p溶

◆溶液和冰共存时冰融化

或者说溶液此时尚未达到

凝固点l1l2l31.013105611T2l1

水l2

水溶液l3

冰p

/

Pa

T

/

KA

BB′A′273373T1

★

即溶液的凝固点降低，比纯溶剂低。◆继续降温，达到T2＜273K时，冰线和溶液线相交

于B′点，即p冰＝p溶液

时，溶液才开始结冰，达到

凝固点。l1l2l31.013105611T2l1

水l2

水溶液l3

冰p

/

Pa

T

/

KA

BB′A′273373T1

Tf

＝kf·b

kf

－凝固点降低常数

式中

Tf＝Tf*

－Tf

◆实验证明，难挥发的非电解质稀溶液的凝固点

降低

的数值ΔTf与其质量摩尔浓度

成正比

H2Okf＝1.86

苯

kf＝4.90

Tf*－溶剂的凝固点

Tf

－溶液的凝固点4渗透压

◆在下图的U形管中，用半透膜将两侧等高度的水柱

和蔗糖水溶液柱分开。放置一段时间，会发生什么现象?水半透膜蔗糖溶液蔗糖溶液水水半透膜蔗糖溶液蔗糖溶液水

◆溶剂透过半透膜进入溶液的现象，称为渗透现象

◆

现象蔗糖溶液柱升高，而水柱降低。

★

半透膜的特点：只有H2O分子能通过，而溶质蔗

蔗糖分子不能通过。

★

如图，半透膜两侧分布的可透过

半透膜的H2O

分子的数目不等。

★

这就是渗透现象产生的原因

★

在两侧静水压相同时，单位时间里进入蔗糖溶液

的H2O分子比从蔗糖溶液进入水中的H2O分子

要多些。

◆

为什么会产生渗透现象？水蔗糖水溶液

◆

渗透现象产生的结果

★

水柱的高度降低，静压减小使

右行水分子数目减少；

★

蔗糖溶液柱升高，静压增大使

左行水分子数目增加；

★

蔗糖溶液变稀，半透膜右侧H2O分子的比例增

加，亦使左行水分子数目增加。蔗糖溶液水

★

当过程进行到一定程度时，水柱不再降低，蔗糖

溶液柱亦不再升高，达到平衡

◆平衡时液面高度差造成的静压，

称为溶液的渗透压，用П

表示，

单位为Pa

◆

研究发现

★温度T

一定时渗透压和溶液的体积摩尔浓度

c

成正比

★

浓度c

一定时渗透压和温度成正比П

＝cRT蔗糖溶液水由于所以

n

Vc＝П

V

＝nRT1.3固体◆固体

有固定的

形状

和

体积，无外力作用时没有

流动性。

★按照固体中

粒子

间的排列

有序

程度，分为非晶体

粒子间的排列为

无序

排列晶

体

粒子间的排列为

有序

排列1.3.1晶体与非晶体◆非晶体的特点

★无规则的外形

★

无固定的熔点加热时逐渐软化最后成为液体，

有较宽的温度区间。

★

各向同性非晶体往往是温度下降速度较快、凝

固时物质的质点来不及进行有规则的