无机及分析化学物质状态.ppt

2019/5/17,1,第二章 物质的状态,2-1 气体,2-2 固体,2-3 液体与溶液,本章目录,2019/5/17,2,1. 了解物质的气、液、固三态的基本特征； 2. 掌握有关的几个气体定律的内容，并能运用这些知识进行基本计算； 3. 熟悉非电解质稀溶液具有的依数性； 4. 了解胶体溶液的性质。,教学要求,2019/5/17,3,2.1 气 体,理想气体与理想气体状态方程 分压定律与分体积定律,2019/5/17,4,气体的最基本特征：无限膨胀性和掺混性。,2.1.1 理想气体与理想气体状态方程,在描述气体状态时，常用以下物理量： 气体物质的量（n）单位（mol） 气体的体积（V）指气体所在容积的体积 气体的压强（p）气体分子无规则运动时， 对器壁发生碰而产生了 气体的压强。 气体的温度（T）热力学温度（K）,2019/5/17,5,分子不占体积，可看成几何质点，分子间无吸引力，分子与器壁之间发生的碰撞不造成动能的损失 。,理想气体,实际气体在低压(101.325kPa)和高温(0)的条件下，接近理想气体。,2019/5/17,6,（2）当n,T一定时 V 1p p1V1= p2V2 波义耳定律 当n，p一定时 V T V1V2=T1T2 查理 -盖吕萨 克定律 当p，T一定时 V n n 1n2 =V1 V 2 阿佛加德罗定律,2019/5/17,7,综合以上三式，可合并为 V nTP 实验测得比例系数为R，则 V = nRT p 通常写成 pV = nRT 理想气体状态方程,单位：p -Pa V -m3 T-K n-mol 理想气体常数 R = 8.314 Pam3mol-1K-1 Jmol-1K-1 1 atm = 760 mmHg = 1.01325105 Pa,2019/5/17,8,pV = nRT R- 摩尔气体常数 在STP下，p =101.325kPa, T=273.15K n=1.0 mol时, Vm=22.414L=22.41410-3m3,R=8.314 kPaLK-1mol-1,理想气体状态方程式：,2019/5/17,9,1. 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,用于温度不太低，压力不太高的真实气体。,pV = nRT,2019/5/17,10, =, = m / V,3.气体密度的计算,2019/5/17,11,例2-1 在容积为10.0dm3的真空钢瓶内充入氯气，当温度为288K时，测得瓶内气体的压强为1.01107Pa。试计算钢瓶内氯气的质量，以千克表示。,解：由 ，推出,例2-1,2019/5/17,12,例2-2 在373K和100kPa压强下，UF6（密度最大的一种气态物质）的密度是多少？是H2的多少倍？,解：由 ，推出,或,例2-3,2019/5/17,13,某气体化合物是氮的氧化物，其中含氮 的质量分数为30.5%。在一容器中充有该氮氧化 合物，质量是4.107g，其体积为0.500 L，压力为 202.7 kPa，温度为0，求： （1）在标准大气压下该气体的密度； （2）该化合物的相对分子质量； （3）该化合物的分子式。,(1) 4.107 gL-1 p1V1= p2V2 M = 92.0 gmol-1 N2O4,练习,2019/5/17,14,组分气体： 理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体 分压： 组分气体i在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压强，叫做组分气体i的分压。,2.1.2 分压定律与分体积定律,（表达式之一）,2019/5/17,15,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。 p = p1 + p2 + 或 p = pi （ 表达式之二）,n =n1+ n2+,（道尔顿分压定律）,2019/5/17,16,分压的求解：,x i i的摩尔分数,（表达式之三）,2019/5/17,17,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)=0.320mol，n(O2)=0.180mol，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= n(NH3) + n(O2) + n(N2),=1.200(mol),=0.320+0.180+0.700,p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa=77.5 kPa,或,2019/5/17,18,分压定律的应用,2019/5/17,19,例题： 用金属锌与盐酸反应制取氢气。在25下，用排水集气法收集氢气，集气瓶中气体压力为98.70kPa（25时，水的饱和蒸气压为3.17kPa），体积为2.50L，计算反应中消耗锌的质量。,2019/5/17,20,解： T =(273.15+25)K = 298.15K p=98.70kPa V=2.50L 298.15K时，p(H2O)=3.17kPa Mr (Zn)=65.39,Zn(s) + 2HCl ZnCl2 + H2(g) 65.39g 1mol m(Zn)=? 0.0964mol,2019/5/17,21,分体积：指相同温度下，组分气体具有与混合气体相同压力时所占体积。,O2,N2,O2+N2,+,V1、P、T,V2、P、T,V1+V2、P、T,混合气体总体积V总=各组分气体的分体积Vi之和 V总=V1+V2+V3+V4Vi,分体积定律,2019/5/17,22,V总 = V1 + V2 + ,称为B的体积分数,2019/5/17,23,例题：天然气是多组分的混合物，其组成为：CH4，C2H6，C3H8和C4H10。若该混合气体的温度为25。总压力为150.0kPa，n总=100.0mol。n(CH4):n(C2H6):n(C3H8):n(C4H10) =47.0:2.0:0.80:0.20。计算各组分的分体积和体积分数。,解：以CH4的分体积、体积分数为例。,解法一：思路，,需先求出n(CH4),2019/5/17,24,n(CH4) = x(CH4)n总,2019/5/17,25,解法二：,2019/5/17,26,2.3 液体与溶液,液体的特征:,没有固定的外形和显著的膨胀性,有一定的体积、流动性、掺混性、表面张力和沸点,2.3.1 液体的蒸发与凝固,饱和蒸气压：气液两相平衡时蒸气的分压即为该液体的饱和蒸气压。 沸点：液体的饱和蒸气压与外界压强相等时的温度。,2019/5/17,27,系统：研究讨论的对象,只含有一个相的系统-单相系统 含有两个及以上相的系统-多相系统,2.3.2 非电解质稀溶液的依数性,一、水的相图,相：系统中化学性质和物理性质完全相同的部分,不同的相之间有明显的界面,例：盐水溶液-单相系统,盐水溶液 + 上空的空气和水蒸气,两相系统,盐水溶液 + 上空的空气和水蒸气 + 加盐，直到有盐析出,三相系统,2019/5/17,28,例如：（1）油和水构成的系统，只有一个态-液态，但包含两个相。,（2）冰、水、水蒸气的化学组成相同，三者之间的转化没有发生化学变化，但却发生了相的变化。,态：物质存在的状态,固、液、气三相之间的转化称为相变,相变达到平衡时称为相平衡,相平衡与温度、压力之间的关系图称为相图,2019/5/17,29,水的相图是根据实验绘制：三条线、一个点和三个区组成。,三个单相区 ：在气、液、固三个单相区内，独立的改变温度和压力不会引起相的改变。,三条两相平衡线：表示两相平衡时平衡压力与温度的对应关系。,OA 是气-液两相平衡线 OB 是气-固两相平衡线 OC 是液-固两相平衡线 O点 是三相点气-液-固三相共存,2019/5/17,30,O点 是水的三相点,气-液-固三相共存。三相点的温度和压力皆由体系自定(H2O的三相点温度为0.0098，压力为611 Pa),三相点与冰点的区别,水的冰点(ice point)是指被101.325kPa下空气所饱和了的水与冰呈平衡的温度，即0 。系统所受压力（101.325kPa）是空气和水蒸气的总压力。,冰点温度比三相点温度低0.01是由两种因素造成的： (1)因外压增加，使凝固点下降 (2)因水中溶有空气，使凝固点下降,2019/5/17,31,2019/5/17,32,二、非电解质稀溶液的依数性,蒸气压：单位时间内由液面蒸发出的分子数和由气相回到液体内的分子数相等时，气、液两相处于平衡状态，这时液体上方的蒸气所具有的压力称为溶剂在该温度下的饱和蒸气压，简称蒸气压。,1. 溶液的蒸气压下降拉乌尔定律,蒸气压的大小表示液体分子向外逸出的趋势,2019/5/17,33,下图稀溶液蒸气压下降的实验说明 溶液的蒸气压小于纯溶剂的蒸气压,2019/5/17,34,实验测定25C时，水的饱和蒸气压： p (H2O) = 3167.7 Pa 0.5 mol kg-1 糖水的蒸气压为： p (H2O) = 3135.7 Pa 1.0 mol kg-1 糖水的蒸气压为： p (H2O) = 3107.7 Pa,结论： 溶液的蒸气压比纯溶剂低，溶液浓度越大，蒸气压下降越多。,2019/5/17,35,当纯溶剂中溶入了难挥发的非电解质时，纯溶剂的部分表面被溶剂化的溶质所占据，单位时间内逸出溶液液面的分子数目就会相应减少，结果在达到平衡时，溶液表面蒸发的分子数和回到溶液表面的分子数也较纯溶剂的少，因而使溶液的蒸气压下降。,蒸气压下降原因,2019/5/17,36,拉乌尔定律： (1887年，法国物理学家)在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压乘以溶剂的摩尔分数。,拉乌尔定律,p：溶液的蒸气压；纯溶剂的蒸气压 p；溶剂的摩尔分数xA。,2019/5/17,37,p：纯溶剂蒸气压与稀溶液蒸气压之差。因此， p与溶质的摩尔分数成正比。,结论：在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液 蒸气压的下降值与溶质的摩尔分数成正 比。拉乌尔定律,设溶质的摩尔分数为xB：,2019/5/17,38,沸点： 液体的沸点是指其蒸气压等于外界大气压力时的温度。 溶液的蒸气压总是低于纯溶剂的蒸气压，故溶液的沸点升高 。 tb* 为纯溶剂的沸点； tb 为溶液的沸点 tb = tb tb* Kb mB Kb：溶剂沸点上升常数，决定于溶剂的本性，与溶剂的摩尔 质量、沸点、汽化热有关。,2. 溶液的沸点升高,2019/5/17,39,几种溶剂的tb和Kb,2019/5/17,40,具体应用,思考题,（1）难挥发物质的溶液在不断沸腾时，它的沸点是否恒定？ （2）高山上为何饭煮不熟？,注意：纯液体有固定的沸点，溶液则没有，溶液的沸点随着沸腾的进行因溶剂的蒸发而不断升高，溶液达到饱和后沸点不再变化。我们讲的沸点是指某一浓度的溶液刚开始沸腾时的温度。,（1） 测定溶质的摩尔质量 （2） 在实验工作中常利用较浓的盐溶液来做高温热浴,2019/5/17,41,3. 溶液凝固点下降,凝固点：液体的蒸气压等于其固体蒸气压时系统对应的温度，此时物质固相的蒸气压与液相的蒸气压相等，两相平衡共存。 纯溶剂加入溶质后，溶剂蒸气压就会下降。原有固相与液相共存的平衡会被破坏，于是固相要通过融化成液相，以此增加液相的蒸气压，使体系重新达到平衡。在固相融化过程中，要吸收体系的热量，因此新平衡点的温度就要比原平衡点温度低。,2019/5/17,42,溶液蒸气压总是低于纯溶剂的蒸气压，溶液凝固点会下降。 Tf = Kf mB 其中， 是纯溶剂的凝固点，Tf 是溶液的凝固点。Kf：溶剂凝固点降低系数；mB：溶质的质量摩尔浓度。,2019/5/17,43,几种溶剂的tf和Kf值,2019/5/17,44,溶液的凝固点和蒸气压下降有助于说明植物的抗旱抗寒功能。 经研究表明：（1）当外界气温变化时，植物细胞内会强烈地生成可溶性碳水化合物，增大了细胞液浓度，凝固点降低，保证了在一定的低温条件下细胞液不致结冰，表现出防寒功能； （2）细胞液浓度增大，有利于蒸气压的降低，使植物的水分蒸发过程减慢。因此，植物在较高温度下仍能保持必要的水分而不枯萎，表现出抗旱性。,2019/5/17,45,应 用,(2) 往冰雪覆盖的路面上撒盐,(3) 汽车水箱中加甘油等,(4) 建筑工人冬天在沙浆中加盐(CaCl2),(5) 植物的抗旱、抗寒性,(1) 测相对分子质量,2019/5/17,46,应用溶液的蒸气压下降、沸点升高、凝固点降低可以测定溶质的摩尔质量，但在实际应用中常用溶液的凝固点降低来进行测定。因为同一溶剂的凝固点下降常数比沸点上升常数要大，而且晶体析出现象较易观察，测定结果的准确度高。所以凝固点降低法测定摩尔质量比用沸点上升法应用更为广泛。,溶质摩尔质量的测定,2019/5/17,47,渗透(osmosis)：由物质粒子通过半透膜单向扩散的现象。 半透膜(semipermeable membrane)：在两个不同浓度的溶液之间，存在一种能有选择地通过或阻止某些粒子的物质。,4. 溶液的渗透压,渗透现象：给缺水的植物浇上水，不久，植物茎叶挺立，这也是由于水渗入植物细胞内的结果。,2019/5/17,48,渗透压示意图,产生渗透现象的条件 （1）必须有半透膜存在 （2）半透膜两侧浓度不等,2019/5/17,49,溶剂分子从一个液相通过半透膜向另一个液相扩散的过程叫渗透。达到了渗透平衡时，蔗糖水液面比纯水液面高出h，这段液面高度差所产生的压力称为该溶液的渗透压(osmosis pressure) 。也可将渗透压定义为：在一定的温度下，恰能阻止渗透发生所需施加的外压力，称为该溶液的渗透压。,2019/5/17,50,溶液的渗透压，单位为Pa c 溶液的浓度，单位为 mo1L-1 R 气体常数，为 8.31 kPaLmol-1K-1 T 体系的温度，单位为 K,V = nRT 即 = cRT,稀溶液的渗透压与浓度、温度的关系可用Vant Hoff (范特霍夫)公式表示,溶液的渗透压也是测定溶质的摩尔质量的经典方法之一，而且特别适用于摩尔质量大的分子。,2019/5/17,51,即该蛋白质的相对分子质量为30569,例 有一蛋白质的饱和水溶液，每升含有蛋白质5.18 克，已知在298.15 K时，溶液的渗透压为413 Pa，求此蛋白质的相对分子质量。 解：根据公式 V= nRT,2019/5/17,52,解释下列现象,(2) 盐碱土为何不利于植物生长？但施肥过量，农作物也会死亡，为何？,(3) 腌过的咸菜不易晒干,(4) 等渗溶液,(1) 海水鱼为何不能在淡水中生存？,2019/5/17,53,如果半透膜两侧溶液的浓度相等，则渗透压相等，这种溶液称为等渗溶液。如果半透膜两侧溶液的浓度不等，则渗透压就不相等，渗透压高的溶液称为高渗溶液，渗透压低的溶液称为低渗溶液，渗透是从纯溶剂向稀溶液、稀溶液向浓溶液方向扩散。,2019/5/17,54,就渗透而言，溶剂分子总是从低浓度溶液向高浓度溶液扩散。如果在浓度高的溶液一端施加外压，当外加压力大于渗透压时，溶剂分子就会从高浓度的一端向低浓度溶液一端渗透，这一过程叫做反渗透。,反渗透现象,反渗透最重要的应用,海水淡化 污水处理 溶液浓缩,2019/5/17,55,稀溶液的依数性规律 难挥发、非电解质稀溶液的某些性质(蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压)与一定量的溶剂中所含溶质的物质的量成正比，而与溶质的本性无关。,思考题,稀溶液的各项通性，适用于浓溶液和电解质吗？,2019/5/17,56,2.3.3 胶体,胶体 颗粒直径在1100 nm的具有高分散度的多相热力学不稳定系统。 分类：粗分散系统、胶体分散系统、分子分散系统 制备溶胶的必要条件：要使分散质粒子大小在 l nm 100 nm之间。 制备方法：一是使固体颗粒变小的分散法，一是使分子或离子聚结成胶体的凝聚法。,2019/5/17,57,胶体的性质,动力学性质 光学性质 电学性质,丁达尔效应 瑞利散射,扩散、布朗运动、沉降,电泳 电渗,2019/5/17,58,1、胶体的扩散和布朗运动, 扩散的定义与本质 扩散是分子热运动的必然结果。 分子热运动并不需要存在着浓度差才能发生； 但在浓度差存在下， 分子从高浓度向低浓度迁移的数目大于从低向高迁移的数目，,高浓度,低浓度,总结果使物系呈现出从高浓度向低浓度的净迁移，这就是扩散 扩散的本质是分子的热运动，扩散推动力是浓度梯度,2019/5/17,59,胶粒的扩散,胶粒也有热运动，因此也具有扩散现象。 胶体粒子的热运动，在微观上表现为布朗运动， 在宏观上表现为扩散。 溶胶粒子从高浓度区间向低浓度区间迁移的现象称为胶粒的扩散。 物质的扩散可用斐克第一定律描述.,2019/5/17,60,在超显微镜下可以看到溶胶中的发光点并非是静止不动的，它们是在做无休止、无规则的运动。,布朗运动产生的原因： （1）分散质粒子本身处于不断的热运动中。 （2）分散介质分子对分散质粒子的不断撞击。,(3) 布朗运动,2019/5/17,61,2、胶体的沉降,分散于气体或液体介质中的颗粒，都受到两种相反方向作用力 重力：溶胶中颗粒的密度大于介质时， 颗粒在重力场作用下有向下沉降的趋势；称为沉降。 沉降的结果使底部粒子浓度大于上部，即造成上下的浓差 扩散力：由布朗运动引起，其作用促进介质中粒子浓度均匀,沉降与扩散达平衡时，粒子的分布达到平衡，称为沉降平衡。 此时，颗粒浓度自上而下增加， 随高度不同有一定的浓度梯度， 梯度不随时间而变。,2019/5/17,62,1869年，丁达尔(Tyndall)在研究胶体时，他 将一束光线照射到透明的溶胶上，在与光线垂直 方向上观察到一条发亮的光柱。这一现象称为丁 达尔效应(Tyndall effect)。,由于丁达尔效应是胶体所特有的现象，因此，可以通过此效应来鉴别溶液与胶体。,二、胶体的光学性质,2019/5/17,63,CuSO4溶液,Fe(OH)3胶体,光束通过溶液和胶体时的现象,2019/5/17,64,光线照射到物体表面时，可能产生两种情况：,（1）颗粒的直径远远大于入射光的波长，此时 入射光被完全反射，不出现丁达尔效应； （2）物质的颗粒直径比入射波长小的话，则发 生光的散射作用（瑞利散射）而出现丁达尔现象。,因为溶胶的粒子直径在1100 nm，而一般可见光的波长范围在400760 nm，所以可见光通过溶胶时便产生明显的散射作用。,2019/5/17,65,夜晚用手电筒照射夜空,放电影时,放映室射到银幕上的光柱,光线 透过树叶间 的缝隙射入 密林中,？空气也是胶体吗?,是的，叫气溶胶。 若没有，光照下无丁达尔 效应 ，空间变得一团漆黑， 人类难生存,生活中的丁达尔效应,2019/5/17,66,结论：氢氧化铁溶胶粒子带正电,1、电泳(electrophoresis) 在电场中，溶胶体系的溶胶粒子在分散剂中能发生定向迁移。,根据电泳实验可以判断溶胶粒子的带电性,三、胶体的电学性质,2、电渗,2019/5/17,67,3、胶粒表面电荷来源 （1）吸附作用：氢氧化铁溶胶，该溶胶是FeCl3 溶液在沸水中水解而制成的。在整个水解过程中，有大量的FeO+存在，由于Fe(OH)3 对FeO+的吸附因而溶胶带正电。,（2）电离作用 ：硅胶粒子带电就是因为H2SiO3电离形成HSiO3- 或SiO32-，并附着在表面而带负电。 H2SiO3HSiO3- + H+ SiO32- + 2H+,2019/5/17,68,扩散双电层模型,4、扩散双电层模型,Gouy、Chapman和Stern提出,2019/5/17,69,（1）AgI(AgX)溶胶：（KI过量） AgNO3+KI = AgI+KNO3 KI过量 吸附I- 胶粒带负电 胶团结构：(AgI)mnI- (n-x)K+x-xK+,（2）AgI(AgX)溶胶：（AgNO3过量） AgNO3过量吸附Ag+胶粒带正电 胶团结构： (AgI)mn Ag+(n-x) NO3-x+ xNO3-,5、胶粒的结构及电性,2019/5/17,70,（3） Fe(OH)3溶胶 FeCl3+3H2OFe(OH)3+ 3HCl FeCl3+2H2OFe(OH)2Cl+2HCl Fe(OH)2Cl FeO+ H2O+Cl-,吸附氧铁离子FeO+ 胶粒带正电,Fe(OH)3m n FeO+ (n-x) Cl- x+ xCl-,2019/5/17,71,AgI胶团结构简式,（AgI)m nI- （n-x）K+x- xK+ 胶核 电位离子 反离子 反离子,吸附层,扩散层,胶粒,胶团,2019/5/17,72,胶 体 的 稳 定 性 和 聚 沉,1. 胶体的稳定性,布朗运动,聚结稳定性,胶粒的双电层结构,溶剂化膜,动力学稳定性,2019/5/17,73,动力学稳定性：由于溶胶粒子小，布朗运动激烈，在重力场中不易沉降，使溶胶具有动力学稳定性。,聚结稳定性 (1) 胶粒带有相同电荷，同号电荷相互排斥阻止了它们的靠近； (2) 胶团中的电位离子和反离子都能发生溶剂化作用，在其表面