化学基础知识.ppt
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1、第一章 化学基础知识,气体,溶液,稀溶液的依数性,酸碱理论,1. 1 气体的状态方程,1. 1. 1 理想气体,1. 描述气体状态的物理量,物理量 单 位 压力 p 帕斯卡 Pa (Nm2),物理量 单 位 压力 p 帕斯卡 Pa (Nm2),温度 T 开尔文 K,体积 V 立方米 m3,物质的量 n 摩尔 mol,2. 理想气体的基本假定,符合下面两条假定的气体, 叫做理想气体:, 忽略气体分子的自身体 积,将分子看成有质量的几何点,且分子与分子之间、分子与器壁 之间的碰撞,是完全弹性碰撞, 即碰撞过程中无动能损失。, 忽略分子间的作用力,,在高温和低压下,实际气体分 子间的距离相当大。,且
2、分子间的作用力极弱。,故气体分子自身的体积远远小 于气体占有的体积。,高温和低压下的实际气体很 接近理想气体。,因此理想气体的这种假定是 具有实际意义的。,3. 气体压力的产生,气体压力是气体分子对器壁 碰撞的结果。,有一质量为 m,速度为 , 垂直于器壁方向运动的气体分子 碰撞器壁。,根据理想气体的基本假定,无 动能损失,它以速度 弹回。,碰撞过程中动量的改变量为 ( m ) m = 2 m,动量的改变量等于器壁对 分子的作用力 F的冲量,设分子对器壁的作用力为 F, 它是器壁对分子的作用力 F的 反作用力,所以有,这个作用力和分子运动的方向 一致,在一定面积的器壁上形成气 体的压力。,对于
3、其运动方向与器壁不垂直 的分子,可以考虑其在垂直方向的 分运动。,尽管这种碰撞是不连续的, 但由于分子极多,碰撞的时间间 隔极小,故形成的压力在宏观上 是连续的。,这好比在大雨中,雨点对雨伞 的作用。,4. 理想气体的经验公式, 读做 正比于,Gay - Lussac 定律 n,p 一定时 V T,Avogadro 定律 p,T 一定时 V n,V T,V n,以 R 做比例系数,则有,即 pV = nRT,此式即为理想气体状态方程式。,则 R = 8.314 Jmol1K1,若压力 p 的单位为 Pa,体积 V 的单位为 m3,物质的量 n 的单位为 mol,温度 T 的单位为 K,看出 p
4、V 乘积的物理学单位 为,焦耳 (J),从物理学单位上看 pV 是一种功。,所以 pV 的单位为 Nm2m3,p Pa Nm2 V m3,= Nm,= J,若压力用 Pa 体积用 dm3 温度用 K 物质的量用 mol 为单位,则,R = Padm3mol1K1,8.314 103,这个 R 用于处理压力与浓度 的关系时,十分方便。,R = 8.314 103 Padm3mol1K1,如用在下面的公式中,式中 c 是以 moldm3 为单位 的浓度。,p = c RT,由 pV = nRT,式中 m 是气体的质量; M 是气体的摩尔质量。,状态方程有许多拓展,式中 是气体的密度。,说明气体的密
5、度 与其摩尔 质量 M 成正比。,1. 1. 2 实际气体的状态方程,理想气体去掉两条基本假 定,则还原为实际气体。,1. 实际气体的压力 p实,理想气体的压力 p, 是忽略 分子间的吸引力,由分子自由碰 撞器壁产生的结果。,实际气体的压力 p实 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实 p,p = p实 + p内,用 p内 表示 p实 与 p 的差,,p内 称为内压力,则有,它与这两部分分子在单位体 积内的物质的量成正比。,p内 是两部分分子相互吸引 的结果, 碰壁的和内部的,这两部分分子共处一体, 浓度一致,故有,2. 实际气体的体积 V实,理想气体的
6、体积,是指可以任凭 气体分子在其中运动,且可以无限压 缩的理想空间。,原因是理想气体分子自身无体积,但实际气体的分子体积不能忽略,实际气体的体积 V实 = m dm3,但是,由于分子自身体积的存 在,分子在这 m dm3 的体积内不 能随意运动。,且这 m dm3 体积也不可无限 压缩,压缩的最终结果是变成分子 的自身体积 V分。,故从 m dm3 的 V实 中去掉 V分 后,则剩下理想空间。,即 V = V实 V分,则 n mol 分子的体积 V分 = n b dm3,而理想气体的体积 V =(m n b) dm3,若分子的摩尔体积为 b dm3mol1,一般关系式为 V = V实 nb (
7、2),3. 实际气体的状态方程,将(1)和(2) 两式,代 入理想气体状态方程式 pV = nRT,这个方程式是荷兰科学家 范德华 (Van der Waals) 提 出的,称为范德华方程。,这是实际气体状态方程中 的一种形式。,式中 a,b 称为气体的范德华 常数。,不同气体的范德华常数不同。,且 a,b 的大小可以反映出实 际气体与理想气体的偏差程度。,He 比 Ar 更 接近 理想气体,,偏离,接近,可以从其数据看出,偏离,接近,H2 比 N2 更接近理想气体,CO 比 CO2 更接近理想气体,式中 Vm 为摩尔体积。,1. 2 混合气体的分压定律,1. 2. 1 基本概念,1. 混合气
8、体与组分气体,由两种或两种以上的气体混合在 一起,组成的体系,称为混合气体。,显然,空气是混合气体,其中 的 O2,N2,CO2 等,均为空气这 种混合气体的组分气体。,组成混合气体的每种气体,都 称为该混合气体的组分气体。,2. 组分气体的摩尔分数,组分气体 i 的物质的量用 ni 表 示,混合气体的物质的量用 n 表示,,组分气体 i 的摩尔分数用 xi 表示,则,例如,由 3 mol H2 和 1 mol N2 组成的混合气体,则其中,3. 总体积与分压,当 组分气体 i 单独存在,且占 有总体积时,其具有的压力,称为 该组分气体的分压。,混合气体的体积称为总体积, 用 V总表示。,应有
9、如下关系式 p V = n R T,组分气体 i 的分压,用 pi 表示,i i,总,4. 总压和分体积,当 组分气体 i 单独存在,且具 有总压时,其所占有的体积,称为 该组分气体的分体积。,混合气体所具有的压力,称为 总压,用 p总 表示。,组分气体 i 的分体积,用 Vi 表示。,应有下面关系式 p V = n R T,5. 体积分数,1. 2. 2 分压定律 分压与总压的关系,我们通过实验来研究分压与总 压的关系,p总,将 N2 和 O2 按上图所示混合。,p总,测得混合气体的 p总 为 4 105 Pa。,按分压的定义,pO = 2 105 Pa,pN = 2 105 Pa,可见 p
10、总 = pN + pO,测得混合气体的 p总 为 4 105 Pa。,pO = 2 105 Pa,pN = 2 105 Pa,,1 dm3 2 dm3 4 dm3 8105 Pa 2105 Pa p总,再考察一个实验,测得混合气体的总压为 3 105 Pa,1 dm3 2 dm3 4 dm3 8105 Pa 2105 Pa p总,pN = 2 105 Pa,pO = 1 105 Pa,由分压的定义,得,亦有 p总 = pN + pO,混合气体的总压为 3 105 Pa,pN = 2 105 Pa,pO = 1 105 Pa,道尔顿(Dalton) 进行了大量 实验,提出了混合气体的分压定律 混
11、合气体的总压等于各组分 气体的分压之和,此即道尔顿分压定律的数学表达式,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, 与独立存在时是相同的。亦即在混合 气体中,组分气体是各自独立的。,这是分压定律的实质。,1. 2. 3 分压与组成之间的关系,我们已有下面关系式,(2)/(1) 得,即组分气体的分压等于总压 与该组分气体的摩尔分数之积。,故 pi = p总xi,= xi,又(3)/(1) 得,= xi,又有 pi = p总xi,即组分气体的分压,等于总压 与该组分气体的体积分数之积。,例 1. 1 某温度下,将 2 105 Pa 的 O2 3 dm3 和 3 105 Pa 的
12、 N2 6 dm3 充入 6 dm3 的真空容器中。,求各组分气体的分压及 混合气体的总压。,O2 V1 = 3 dm3 , p1 = 2 105 Pa , V2 = 6 dm3 , pO = p2,解:根据分压的定义求组分气体的分压,,p总 = pO + pN = 1 105 + 3 105 = 4 105 ( Pa ),例 1. 2 常压(1.0 105 Pa) 下,将 4.4 g CO2,11.2 g N2 和 16.0 g O2 相混合。,求各组分气体的分压。,解: 混合气体的总压和组成已 知,可用总压和组成求分压。,1. 3 气体扩散定律,格拉罕姆(Graham )指出,,这就是格拉
13、罕姆气体扩散定律。,同温同压下气体的扩散速度 与其 密度 的平方根成反比。,气体扩散定律的数学表达式为,由于气体的密度 与其摩尔质 量 M 成正比,即气体的扩散速度 与其摩尔 质量 M 的平方根成反比。,例 1. 3 使 NH3 和 HCl 两种 气体分别从一根长 100 cm 的玻璃 管的两端自由扩散。,求发生反应 NH3 + HCl NH4Cl 在玻璃管中产生白烟的位置。,解:设 t 时间后发生反应,玻璃 管中产生白烟的位置距 NH3 端 x cm, 则距 HCl 端( 100 x )cm。,解得 x = 59.5,即生成 NH4Cl 产生白烟的 位置距 NH3 端 59.5 cm。,x
14、= 59.5,1. 4 气体分子的速率分布和能量分布,考察匀加速直线运动的 t t 图, 该图象为一直线。,而 t2 t1 是时间间隔。,故质点在 t1 t2 时间内的路程 S 为,图象直线下覆盖的梯形面积,t2 t1 是梯形的高。,正是路程 S。,进一步认识一下其中的数学关系。,其分子路程 S 是图象下覆盖面积。,图象下覆盖的面积是其分子(S),一般性结论是,图象下覆盖的 面积所代表的物理量,是纵坐标所 代表的物理量与横坐标所代表的物 理量之积。,1. 4. 1 气体分子的速率分布,处于同一体系的为数众多 的气体分子,相互碰撞,运动 速率不一样,且不断改变。,但其速率分布却有一定规 律。,学
15、习中学物理,我们知道速 率极大和极小的分子都较少,而 速率居中的分子较多。,麦克斯韦(Maxwell ) 研究了气 体分子速率分布的计算公式,讨论了 分子运动速率的分布规律。图示如下,横坐标 u,为气体分子的运动速率,N 为气体分子的数目,,曲线下覆盖的面积为分子的数目 N,阴影部分的面积为速率在 u1 和 u2 之间的气体分子的数目。,从图中可以看出,速率大的 分子少;速率小的分子也少;速 率居中的分子较多。,这种图有一个明显的不足之处。,因为面积代表的是一个绝对 的数量 N,所以当气体分子的总 数不同时,图形会不同。,气体分子的 总数较少,气体分子的 总数较多,新的纵坐标有 3 种表示方法
16、,三者在数学上是相等的。,纵坐标表示单位速率间隔中 分子的数目占分子总数的分数,图中纵坐标写法,简明,纵坐标 对其分母 u 做图,这种图象的形状不再因体系中 气体分子总数的不同而改变。,只要温度相同,不论气体分子的 总数是多少,一定速率区间内的分子 数占分子总数的分数是一定的。,即速率分布一定,故曲线形状一 致。,显然,这种曲线下覆盖的总面 积为,单位 1。,因为覆盖的总面积表示速率 从 0 到 的分子(即所有分子) 占分子总数的分数,当然是 1。,在速率 up 附近的小区间里,分 子数目最多,即具有 up 速率的分子 数目最多,分数值最大。,这里的 up 称为最概然速率, 意思是概率最大。,
17、不同温度下,曲线的形状不同。,高温时的图象更平坦些。,温度增高,气体分子运动速率 普遍增大,最概然速率,也增大。,但是温度高时具有最概然速率 的分子分数,少了。,不同温度下的两条曲线, 覆盖的面积是相等的。,1. 4. 2 气体分子的能量分布,故能量分布与速率分布有着类 似的规律。,气体分子的能量分布受其速率 分布的影响。,所不同的是能量分布图开始 阶段较陡,而后趋于平缓。,此能量分布图,是在三维 空间讨论的结果。,在无机化学中,甚至在物理 化学中,常用能量分布的近似公 式来进行讨论。,式中,E 是能量;,NE 表示能量超过 E 的 分子的个数;,N 表示分子的总数。,用 f E 表示这个分数
18、。,从式子中可以看出,E 越大时, f E,越小。,这说明 E 越大时,可以 满足能量要求的气体分子的分 数 f E 越小。,此能量分布公式,即 f E 与 E 的关系,讨论化学反应速率时 是十分重要的。,1. 5 溶液的饱和蒸气压降低,在实验中发现新现象,是 研究工作的开始。,如图,将水和蔗糖水溶 液封在密闭的容器中。,为什么会发生这种现象 ?,因此,要研究蒸气的行为,才能弄 清楚问题的实质。,这种转移,只能通过蒸气来进行。,1. 5. 1 饱和蒸气压,1. 纯溶剂的饱和蒸气压,在密闭容器中,在纯溶剂的单 位表面上,单位时间里,有 N0 个 分子蒸发到上方空间中。,上方空间里溶剂分子个数逐渐
19、 增加,密度增加,压力也增加。,随着上方空间里溶剂分子个数 的增加,分子凝聚回到液相的机会 增加。,当密度达到一定数值时,凝聚 的分子的个数也达到 N0 个。,这时起,上方空间里溶剂分 子的个数不再改变,蒸气的密度 也不再改变,保持恒定。,这个压力称为该温度下溶剂 的饱和蒸气压,用 p0 表示。,此时,蒸气的压力也不再改 变。,这时液体和气体之间实现平衡,溶剂与压力为饱和蒸气压 p0 的气体之间平衡。,达到平衡后,若使蒸气压小于 p0, 则平衡右移,液体汽化;,若使蒸气压大于 p0,则平衡左移, 气体液化。,向上移动活塞,由于体积增大,气 体压力小于 p0,液体汽化,平衡右移。,若向下移动活塞
20、,由于体积减小,气 体压力大于 p0,气体液化,平衡左移。,2. 溶液的饱和蒸气压,当溶液中溶有难挥发的溶质 时,则有部分溶液表面被这种溶 质分子所占据。,于是,溶液中,在单位表面 上单位时间内蒸发的溶剂分子的 数目 N 要小于纯溶剂的 N0 。,当凝聚的分子数目达到 N (N N0)时,实现平衡,蒸气 的密度及压力不会改变。,这种平衡状态下的饱和蒸气 压为 p,则有 p p0。,一般性的结论是,在相同的 温度下,溶液的饱和蒸气压低于 纯溶剂的饱和蒸气压。,当溶液与气体实现平衡时,若 使蒸气压小于其饱和蒸气压 p,平 衡右移,液体气化;,若使蒸气压大于 p 时,平衡左 移,气体液化。,3. 解
21、释实验现象,过程开始时,水和蔗糖水溶液 均以蒸发气化为主。,当蒸气压等于 p 时,蔗糖水溶液 与上方蒸气达到平衡。,由于 p p0,此时水并未与蒸 气达到平衡,水将继续蒸发,致使 蒸气压大于 p。,于是水蒸气分子开始凝聚到蔗糖水溶 液中。,这又使得蒸气压不能达到 p0 于是,H2O 分子从水中蒸出而凝聚入糖水,这就解释了本节开始提出的实验现象,溶液的饱和蒸气压与溶液的 浓度之间的数量关系是我们下一 步要解决的问题。,1. 5. 2 拉乌尔定律,1. 溶液的浓度,物质的量浓度,其单位为 moldm3,经常称之为体积摩尔浓度。,溶液中所含溶质 B 的物质的量与 溶液的体积之比,称为溶质 B 的物质
22、 的量浓度。,体积摩尔浓度使用方便,,唯一不足就是其数值要随 温度变化。,质量摩尔浓度,质量摩尔浓度经常用 m 或 b 表示。,其单位为 molkg1,溶液中所含溶质 B 的物质的量与溶 剂的质量之比,称为溶质 B 的质量摩尔 浓度。,摩尔分数也是一种溶液组成标度,显然有 x质 + x剂 = 1,对于稀溶液,由于 n质 n剂, 故有,对于稀的水溶液,则有,对于 1000 g 溶剂水,则有,是 1000 g 溶剂水所对应的溶质 的物质的量,即质量摩尔浓度 m。,这时的 n质 在数值等于什么 ?,这是稀的水溶液中,x质 与质 量摩尔浓度 m 之间的数量关系。,对于其他溶剂,不是 55.5, 但仍是
23、一个特定的数值。,2. 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。,这就是拉乌尔(Raoult)定律, 即 p = p0x剂,用 p 表示稀溶液饱和蒸气压 下降值,则有 p = p0 p,= p0 p0x剂,= p0(1 x剂),故有 p = p0 x质,对于稀的水溶液,有, p = p0 x质,一定温度下,p0 为常数。,故上式可以写成 p = km,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。, p = km,这是 Raoult 定律的又一种表述 形式。,式中 k 为常数,但不同溶剂 k 值不同。,但稀溶液的某些共性,与溶质 的
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