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文檔簡介

第一章氣體和溶液

學習要求:

1.掌握理想氣體狀態方程式及其應用。

2.掌握道爾頓分壓定律。

3.理解掌握稀溶液的依數性及其應用。氣體狀態方程:方程說明:物質的體積V是溫度T,壓力p和該物質的量的函數。§1-1氣體氣體的最基本特征:具有可壓縮性和擴散性一、理想氣體狀態方程式在任何壓力和溫度下都能嚴格遵守有關氣體基本定律的氣體稱為理想氣體。理想氣體狀態方程式:pV=nRT(1-1)說明:1.理想氣體是一種假想的概念;2.真實氣體只是在壓力很低時才接近于理想氣體。理想氣體狀態方程式的應用:pV=nRT

R----摩爾氣體常數①在STP下,p=101.325kPa,T=273.15Kn=1.0mol時,Vm=22.4141L=22.414×10-3m3R=8.315kPaL/K.mol(1)氣體常數R的數值:②若p取mmHg,V取mL③若p取大氣壓(atm),V取L(2)n為定值時:實際應用時:把非標準條件下之氣體體積換算為標準狀態下之氣體體積。在STP下,p=101.325kPa,T=273.15K(0℃)(3)氣體摩爾質量的測定:就可計算出氣體的摩爾質量氣體密度的計算:=m/V

pV=nRT

理想氣體狀態方程式的應用計算p,V,T,n四個物理量之一。應用范圍:溫度不太低,壓力不太高的真實氣體。有關氣體體積的計算:例:為了行車的安全,可在汽車中裝備上空氣袋,防止碰撞時司機受到傷害。這種空氣袋是用氮氣充脹起來的,所用的氮氣是由疊氮化鈉與Fe2O3在火花的引發下反應生成的。總反應是:6NaN3+Fe2O3(s)3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)在25℃,748mmHg下,要產生75.0L的N2,計算需要疊氮化鈉的質量。例題:解:根據化學反應方程式所顯示出的n(NaN3)與n(N2)的數量關系,可以進一步確定在給定條件下,m(NaN3)與V(N2)的關系。已知條件:T=298K;p=748mmHg=99.73kPaV(N2)=75.0L;M(NaN3)=65.01g/mol。問m(NaN3)=?解:1、求298K時氮體積的理論量6NaN3+Fe2O3(s)3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)6NaN3+Fe2O3(s)=

3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g)6mol 223.6Lm/M75.0L2、求m(NaN3)例題:淡藍色氧氣鋼瓶體積一般為50dm3(L),在室溫20℃,當它的壓力為15atm時,估算鋼瓶中所剩氧氣的質量。解:在pV=nRT式中p,V,T都已知,即可求算n。氧氣的摩爾質量為32g/mol,故所剩氧氣的質量:例題:惰性氣體氙(Xe)能和氟形成多種氟化氙XeFx。實驗測定在80℃,15.6kPa時,某氣態氟化氙試樣的密度為0.899g/dm3。試確定這種氟化氙的分子式。解:求出該物質的摩爾質量,即可確定分子式,設氟化氙分子量為M,密度為ρ(g/dm3),質量為m(g),R應用8.315kPa.dm3/mol.KpV=nRT=RTm/Mx=2這種氟化氙的分子式為XeF2二、道爾頓(Dalton)分壓定律實驗發現:混合氣體的總壓力等于各組分氣體分壓力之和。分壓:組分氣體B在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時所產生的壓力,叫做組分氣體B的分壓。數學描述為:分壓定律的另一表示:摩爾分數:混合物中各組分摩爾分數之和必等于1解:各組分的組成是清楚的:分壓定律的應用例題:可以用亞硝酸銨受熱分解的方法制取純氮氣。反應如下:

NH4NO2(s)2H2O(g)+N2(g)如果在19℃、97.8kPa下,以排水集氣法在水面上收集到的氮氣體積為4.16L,計算消耗掉的亞硝酸銨的質量。解:T=(273+19)=292K

p=97.8kPa,V=4.16L292K時,p(H2O)=2.20kPa(查表)M(NH4NO2)=64.04g/molNH4NO2(s)2H2O(g)+N2(g)64.04g1molm(NH4NO2)=?0.164mol§1-2水略§1-3溶液

溶液:一種或幾種物質以分子、原子或離子狀態分散于另一種物質中所形成的均勻而穩定的分散系。被分散的物質叫溶質,容納分散質的物質稱為溶劑。溶液的類型:固態溶液、液態溶液、氣態溶液。1、溶液的基本概念

2、溶液的濃度(1)質量分數(massfraction)ωA=mA/ms(2)摩爾分數(molefraction)xA=nA/n(3)質量摩爾濃度(molality)

b

=nA/mB在1000g溶劑中所含溶質的物質的量,叫做質量摩爾濃度。(4)質量濃度(massconcentration)

ρA=mA/V(5)物質的量濃度(amount-of-substanceconcentration)

cA=nA/V各種溶液各有其特性,但有幾種性質是一般稀溶液所共有的。這類性質與濃度有關,或者是與溶液中的“粒子數”有關,而與溶質的性質無關。

稱其為“依數性”,這里是非常強調溶液是“難揮發的”,“非電解質的”和“稀的”這幾個定語的。

3.非電解質稀溶液的依數性水自動轉移到糖水中去,為什么?這種轉移,只能通過蒸氣來進行。

因此,要研究蒸氣的行為,才能弄清楚問題的實質。

問題的提出溶液的蒸氣壓下降飽和蒸氣壓:在一定溫度下,純溶劑的蒸發和凝聚速度相等時的平衡蒸氣壓稱為該溫度下的飽和蒸氣壓。

純溶劑的飽和蒸氣壓(p*)液體氣體溶液的飽和蒸氣壓(p)當溶液中溶有難揮發的溶質時,則有部分溶液表面被這種溶質分子所占據,如圖示:凝聚分子的個數當然與蒸氣密度有關。當凝聚的分子數目達到N,實現平衡時,蒸氣壓已不會改變。這時,平衡狀態下的飽和蒸氣壓為:p<p*

對溶液來講,蒸氣壓大于p,液化;蒸氣壓小于p,氣化。于是,在溶液中,單位表面在單位時間內蒸發的溶劑分子的數目N要小于N0

。解釋實驗現象:過程開始時,H2O和糖水均以蒸發為主;當蒸氣壓等于p時,糖水與上方蒸氣達到平衡,而p*>p,即H2O并未平衡,繼續蒸發,以致于蒸氣壓大于p。H2O分子開始凝聚到糖水中,使得蒸氣壓不能達到p*。于是,H2O分子從H2O中蒸出而凝聚入糖水。出現了本節開始提出的實驗現象。

變化的根本原因是溶液的飽和蒸氣壓下降。拉烏爾定律:對于非揮發性的非電解質的稀溶液來說,蒸氣壓下降Δp與溶質的摩爾分數成正比。A為溶質,B為溶劑拉烏爾定律的重要意義:測定了溶液的蒸氣壓下降,就可判斷溶質在溶劑中是否電離以及電離的程度,也可以測量溶質的摩爾質量。例題:已知20℃時水的飽和蒸汽壓為2.33kPa。

將17.1g蔗糖(C12H22O11)與3.00g尿素[CO(NH2)2]分別溶于100g

水。計算形成溶液的蒸汽壓。解:兩種溶質的摩爾質量是M1=342g/mol和M2=60.0g/mol所以,兩種溶液的蒸汽壓均為:

p=2.33kPa×0.991=2.31kPa只要溶液的質量摩爾分數相同,其蒸汽壓也相同.

沸點升高和凝固點下降

沸點和凝固點蒸發:表面氣化現象稱為蒸發;沸騰:表面和內部同時氣化的現象;沸點:液體沸騰過程中的溫度。只有當液體的飽和蒸氣壓和外界大氣的壓強相等時,液體的氣化才能在表面和內部同時發生,這時的溫度即是沸點。

凝固點:液體凝固成固體(嚴格說是晶體)是在一定溫度下進行的,這個溫度稱為凝固點。液體固體平衡

若P固

>P液,則固體要融化(熔解);

P固

<P液,液體要凝固。凝固點的實質是,在這個溫度下,液體和固體的飽和蒸氣壓相等。

即為:物質的飽和蒸氣壓P,對溫度T做圖。1.013×105PaP≈611Pa冰線和溶液線相交(B點),即:P冰

=P溶液,溶液開始結冰,達到凝固點。蒸氣壓下降引起的直接后果之一沸點升高:當溶液的蒸汽壓下降,要使其沸騰,即蒸汽壓達到外界壓力,就必須使其溫度繼續升高,達到新的沸點,才能沸騰。這叫稀溶液的沸點升高。溶液越濃,其p

越大,Tb

越大,即Tb

p,則

Kb為沸點升高常數,與溶劑的摩爾質量、沸點、氣化熱有關,可由理論推算,也可由實驗測定:直接測定幾種濃度不同的稀溶液的Tb,然后用Tb對m作圖,所得直線斜率即為Kb.例題:已知純苯的沸點是80.2℃,取2.67g萘(C10H8)溶于100g苯中,測得該溶液的沸點為80.731℃,試求苯的沸點升高常數。蒸氣壓下降引起的直接后果之二凝固點下降必須注意到,溶質加到溶劑(如水)中,只影響到溶劑(如水)的蒸氣壓下降,而對固相(如冰)的蒸氣壓沒有影響。顯然,只有當溫度低于純溶劑的凝固點時(對水而言為0℃),這一溫度就是溶液的凝固點,所以溶液的凝固點總是低于純溶劑的凝固點,其降低值為△Tf。同理可得,△Tf=Kf·b例題:冬天,在汽車散熱器的水中注入一定量的乙二醇可防止水的凍結。如在200g的水中注入6.50g的乙二醇,求這種溶液的凝固點。例題:將1.09g葡萄糖溶于20g水中,所得溶液的沸點升高了0.156K,求葡萄糖的分子量。解:先求出b:

和實際分子量180相近解:∵ΔTb=Kb.b∴b=ΔTb/Kb=(373.16-373.00)/0.512=0.312(mol/kg)例:尼古丁的實驗式為C5H7N,今有0.60克尼古丁溶于12.0克水中,所得溶液在101.3kPa壓力下的沸點是373.16K,求尼古丁的分子式。尼古丁C5H7N摩爾質量為81(g/mol)160.3/81≈2,故尼古丁的分子式為C10H14N2利用凝固點法,測分子量更準確。因為kf比kb

要大,溫度差要更明顯一些。就測定方法本身來講,凝固點的測定比沸點測定精確度高。致冷劑----冰鹽混合物可用來使實驗室局部致冷

NaCl和冰混合:-22℃;CaCl2

和冰的混合物,可以獲得-55℃的低溫;

CaCl2,冰和丙酮的混合物,可以致冷到-70℃以下。四、溶液的滲透壓1、滲透現象和滲透壓⑴滲透現象⑵產生滲透現象必須具備的條件⑶溶液的滲透壓蒸氣壓下降引起的直接后果之三在U形管中,用半透膜將等體積的H2O和糖水分開,放置一段時間,會發生什么現象?

一段時間后,糖水液面升高;而H2O液面降低。這種溶劑透過半透膜,進入溶液的現象,稱為滲透現象。半透膜:只允許H2O分子透過,而不允許溶質糖分子通過。產生的原因:在兩側靜水壓相同的前提下,由于半透膜兩側透過的H2O分子的數目不等,在單位時間里,進入糖水的H2O分子多些。

半透膜:只允許H2O分子透過,而不允許溶質糖分子通過。滲透現象發生以后:1.H2O柱的高度降低,靜壓減小,使右行的H2O分子數目減少;2.糖水柱升高,使左行的H2O分子數目增加;3.糖水變稀,膜右側的H2O分子的分數增加,亦使左行的H2O分子數目增加。

當過程進行到一定程度時,右行和左行的H2O分子數目相等,這時,達到平衡,即H2O柱不再下降;同時,糖水柱不再升高。

液面高度差造成的靜壓,稱為溶液的滲透壓,用π表示,單位為Pa。滲透壓在半透膜兩邊維持滲透平衡而需施加的壓力。滲透壓公式具有滲透壓,是溶液的依數性質,它產生的根本原因也是相變界面上可發生變化的分子個數不同引起的。經過長期研究,人們發現:測得比例系數和氣體常數R相同,則公式改寫成:

πV=nR

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