普通化学讲义笔记.doc

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同济大学环境科学与工程学院普通化学讲义+笔记

专题一

化学，就是研究物质化学运动和变化规律的科学，亦即研究那些具有一定质量、占有一定空间的实物的组成、结构、性质和变化规律，以及伴随这些变化过程的能量关系的科学。

物质有4种不同的物理聚集状态，即气态、液态、固态和等离子态。

气体的基本特征是其具有无限的可膨胀性、无限的掺合性和外界条件（温度、压力）对其体积影响的敏感性。

理想气体状态方程

对含有物质的量为ｎ的理想气体，在密闭的容器中其体积（V）、压力（p）和热力学温度（T）之间服从以下关系式：

PV=nRT

此式称为理想气体状态方程。

式中R叫做摩尔气体常数，其值等于1mol任何理想气体的pV/T值，其数值可根据阿伏加德罗定律来求得。

R＝8.314J•mol-1·K-1。

在使用理想气体状态方程时，要注意各物理量的量纲与R数值及其单位的一致，即R＝8.314J•mol-1·K-1时，式中n、p、V、T等物理量只能用它们的基本单位mol、Pa、m3和K。

理想气体状态方程可表示为另外一些形式，如：

或

二、混合气体分压定律（道尔顿分压定律、阿马格分容定律）

在恒温下，把混合气体分离成各个单独组分，并使其与混合气体具有相同的压力，此时该组分气体所占有的体积称为该组分的分体积。

气—液平衡

在临界温度以下，气体转化为液体，但分子的热运动并未停止，处于液体表面的少数分子能克服分子间力，重新飞逸出液面变成气体，此过程称为液体的蒸发（或气化）。

如果把液体放置于密闭的容器中，蒸气分子则不致逃走，已形成的蒸气分子又可能重新撞到液面上而凝聚为液态。

蒸发与凝聚两个过程同时进行，但开始时前者居优势，所以气相中分子逐渐增多，随后分子返回液相的机会增大，到了一定程度，单位时间内分子的出入数目相等，此时两个过程达到平衡：

，此时，液体的蒸发和气体的凝聚似乎已经停止，但实际上这两个过程仍在不断进行，只是它们的速度相等而已，因此，这是一种动态平衡。

处于动态平衡的气体叫做饱和蒸气，饱和蒸气对密闭容器的器壁所施加的压力称为饱和蒸气压，简称蒸气压。

蒸气压

蒸气压是液体的重要特性之一，它是温度的函数。

液体蒸气压随温度有明显的变化，当温度升高时，分子的动能增加，表面层分子逸出液面的机会增加，随之气体分子返回液面的数目也逐渐增多，直到建立起一个新平衡状态，这个过程的总结果是蒸气压增大。

若将蒸气压对温度作图，则可得到一条曲线，叫做蒸气压曲线。

液体的表面张力

液体内部的分子与表层分子所受的作用力是不相同的。

在液休内部，分子受周围其它分子的吸引力是对称的，而表层分子受周围其它分子的吸引力是不对称的。

因为表面层分子是处在气体与液体的界面上，气相分子对它吸引力较小，而液体内部分子对它的吸引力较大，因此，表层分子有朝液体内部迁移的趋势，所以液体表面常显示出自动收缩的现象。

若在一金属环中有一液膜，如欲保持液膜不收缩，就必须加一与液膜相切的力F，边长l越长，则F就越大。

F与l的关系为F=σlx2（由于膜有两个表面,故乘以2）}，式中比例系数σ相当于单位长度上与液面相切的收缩表面的力，简称为表面张力。

液体的表面张力是液体的基本物理性质之一。

它与温度、压力等因素有关。

一般来说，液体表面张力随温度升高而降低。

而不同种液体的表面张力差异很大，说明表面张力是液体分子间作用力的结果。

气、液表面存在表面张力，同样，液—液、液—固、固—固的两种不同物质接触时，也存在界面，在界面上的分子同样受到不对称的吸引力，也存在使界面缩小的趋势，即界面张力。

表面张力或界面张力的存在产生了许多界面现象：

把液态农药喷在固态的植物叶面上时，农药常呈球状而滴落，失去其作用；玻璃管中的水显凹月形；防雨布上不沾雨水；再光滑的固体表面总是布满尘埃；活性炭可以吸附脱色等等。

人们可以利用对表面现象的研究成果，为工农业生产和日常生活服务。

如降低表面张力可以增强农药的药效、增强洗涤效果，而增强表面张力可以使防雨布真正地防水，增大活性炭脱色能力。

固体

固体不仅具有一定的体积和形状，而且不能流动。

固体可由分子、离子或原子等粒子组成，这些粒子靠得很近，彼此间有着相当强的作用力，致使固体表现出一定程度的刚性和很小的可压缩性。

固体内部的粒子不能自由移动，只能在一定位置上做热振动。

固体物质可分为晶体和非晶体（或无定形体）两大类。

通常所说的固体是指晶体而言，无定形体可看作是一种不流动的“过冷液体”。

晶体与非晶体有些相似之处，但有更多的不同特征：

（1）晶体具有规则的儿何形状，非晶体则没有。

（2）晶体具有固定的熔点，这些物质在熔点以上呈流体，熔点以下是固态，在熔点时液态和固态共存。

非晶体无固定的熔点，如玻璃受热时只是慢慢软化而成液体，没有固定的熔点。

（3）晶体显各向异性，非晶体显各向同性。

在容器中加热晶体，温度的升高使晶体中的粒子能量增大，振动加剧。

在一定的温度和压力下，粒子的动能增大到足以克服它们之间的相互作用、粒子能够自由移动时，固体开始变成液体，达到液、固态动态平衡。

这时温度不再升高，一直到全部固体变成液体，这一过程叫做固体的熔化，而相反的过程则称为凝固。

在一定条件下，固体与其气体也可达到动态平衡。

例如把冰放入密闭容器中，可测得一定温度下的冰与水蒸气平衡时的蒸气压。

温度升高，冰的蒸气压增大。

在一定条件下，固体越过熔化阶段直接变成气体的现象叫做升华，如寒冬的冰雪可也接变成水蒸气，而气体不经过液化阶段直接变为固体的过程叫做凝华，如晚秋初冬时的降霜即为一例。

固体的性质与其晶

体结构密切相关。

某此物质因其具有很大的有序排列特征，以致其结晶受热变成液体的过程分为两个阶段：

第一阶段只失去晶体的周期性，但仍保持其各向异性，这个中间状态叫做液态晶体（简称液晶）；第二阶段失去各向异性后变成各向同性的真正液体。

液晶在外观上看是半透明或混浊的流体，它的力学性质像液体，可以自由流动，但其光学性质却像晶体有各向异性。

液晶有一些奇特性质，如向列型液晶随电压变化透明性不同，加电压后变成透明，液晶数码显示器就是利用了它的这种性质。

现在已发现几千种有机化合物能呈液态晶体，它们多为芳香族化合物。

物质聚集状态的相互转化

物质的聚集状态有时称它为相（相与态似乎可以通用，但用相更为严密）。

三种物相之间相互转化也存在共同的规律。

在讨论相变规律之前先介绍几个专业术语。

当研究物质变化规律时，实际上只能研究物质的有限部分，这种被人为划分出来作为研究对象的一部分物质或空间，称为体系（或系统）。

体系以外的其它部分称为环境。

例如，一只密闭烧瓶中一半盛水与冰的混合物，空余部分假定空气已全被除去，仅余水蒸气。

我们要研究的冰、水、水蒸气的共存体就是一个体系，瓶和瓶外的部分就是体系的环境。

体系中物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相。

例如，上述的体系中，冰、水、水蒸气三者在化学上虽然同属一种物质H20，但三者的物理性质并不相同，所以体系中分为冰、水、水蒸气三个相。

这种有二个或二个以上相组成的体系叫做多相体系或不均匀体系。

食盐的水溶液是混合物体系，但它各处的组成和性质是一样的，所以，食盐溶液是一个单相体系或均匀体系。

如果是饱和食盐溶液，下面还沉有未溶解的盐粒，则盐粒和盐水各成一相就成多相体系了。

在同一体系中不同的相之间通常有界面分开，但有界面分开的不一定是不同的相。

例如，上述沉在底下的盐粒不论有多少粒都是盐的一个相，尽管各粒子之间有界面分开，但它们的组成和性质是一样的。

气、液、固三者之间的物态变化不是原物质转变成新物质，而是相变化。

物质存在的状态一方面由物质的本性决定，另一方面与温度和压力有关。

人们通常用相图来表明温度、压力与各种相变之间的关系，这种表达方法比用数据列表解释更加一目了然。

各种物质都有一定的相图，这里以水为例对相图作一些简单介绍。

为了表示水的三种状态之间的平衡关系，以压力作纵坐标，温度作横坐标，可以画出体系的状态与温度、压力之间关系的平面图，这种图称为相图（或状态图）。

可以看出，水的相图是由相交于一点O的3根线OA、OB、OC将全图划分成3个面（或区）AOB、BOC、AOC来组成的。

3个单相区：

每个面代表只有1个相存在的区域，称为单相区。

AOB为气相区，当温度和压力落在此面内时，只能以气相（水蒸气）存在；BOC为液相区，当温度、压力落在此面内时，只能以液相（水）存在；AOC为固相区，当温度、压力落在此面内时，只能以固相（冰）存在。

面内温度、压力均可自由变化。

3条两相平衡线：

图中每一条线表示在平衡时两相可以共存的压力和温度，称之为两相平衡线。

OB为液—气平衡线，当温度和压力处在OB线上时，液体水和它的蒸气处于平衡状态。

B点的温度是374℃，称为临界温度（高于此温度时，不论施加多大的压力也不能使水蒸气液化）；B点的压力是2.21×104kPa，称临界压力（临界温度时，使水蒸气液化所需要的压力）；物质处于临界温度和临界压力的这一点称为临界点。

OC为固—液平衡线，当温度和压力落在此线上时，冰和水成平衡的两相并存。

这条线最好理解为凝固点随压力而变动的曲线，由于凝固点受压力的影响很小，曲线陡峭上升，这种曲线向左倾斜的情况不常见，水是少数儿种随压力升高而凝固点降低的物质之一。

OA为固—气平衡线，当温度和压力落在此线上时，则有冰和水蒸气成平衡的两相并存。

每一根线上温度和压力只能自由选定其中的一个，另一个则随已选定的一个而定，不能再自由变动，否则就不复有两相并存。

例如，在含有

一个三相点：

图中3条两相平衡线的交点O代表有3个相，即冰、水与水蒸气成平衡共存，此点称为三相点。

此时温度和压力二者都不能自由选定，否则就不能有三相共存了。

水的三相点的精确值由我国已故化学家黄子卿教授在1938年测定，其数值是0.009８℃（约为0.01℃），0.610kPa。

水的三相点不同于水的正常凝固点（即冰点0℃），水的正常凝固点是指在101.325kPa空气压力下固、液两相达平衡时的温度。

这时与冰成平衡状态的水不是纯水，而是溶有空气的水溶液。

利用相图可以判断出在任一温度和压力下可能有哪个相存在，怎样的变化条件可以使某相消失或出现。

例如，图中的f、g、h是分别位于三个单相区内的点，以h点来说，它代表101.325kPa压力下温度处于超过373.15K处。

在这种条件下放置冰或水，它们是不能稳定存在的，必然会全部变成水蒸气。

h点位于气相区正说明这一点。

如果把处于h点的水蒸气在恒压下逐渐冷却，当温度达到373.15K时到达E点，此时出现水和水蒸气的两相并存、互成平衡的情况；再冷却下去，则体系离开E点继续向左进入液相区，说明此时仅有水一个相能存在，而水蒸气相就会消失。

不是说水在101.325kPa压力下和低于373.15K时也能蒸发吗？

为什么这时水蒸气相又不能存在呢？

因为在这里考虑的是与空气隔开的封闭体系，它受到外压的作用，但体系内的物质不会跑到环境中去。

可设想此种体系处在一个有活塞将它与环境隔开的圆筒中，活塞可以白由上下，活塞连同上面的大气压加在一起共同构成101.325kPa的压力，此时如果体系温度为373.15K，水的蒸气压恰为101.325kPa，正好与活塞及其以上压力相抗衡，所以，体系中允许有水、气两相共存。

如果温度略低于373.15K，相当于线上E点稍向左移进入液相区，此时圆筒中水产生的蒸气压低101.325kPa，顶不住活塞上的压力，活塞将压缩气相使它全部凝结成水，结果消灭了气相。

相变和相平衡是自然界和生产中经常出现的现象。

物质都有各自的相图，认识相图有助于观察和了解物质状态的变化规律。

专题二

分散系及其分类

分散系

一种或几种物质分散在另一种物质里所形成的系统称为分散系统，简称