气体溶液和胶体.docx

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气体溶液和胶体

第一章气体溶液和胶体

1.1气体

1.1.1理想气体状态方程

1基本特征：

无限膨胀性和无限掺混性。

2理想气体：

将气体的分子假设为一个几何点，只有位置而无体积，并且气体分子之间没有相互作用力。

注：

低压、高温条件下的实际气体的性质非常接近于理想气体性质。

3理想气体状态方程：

高温低压下气体的p、V、T之间的关系。

即：

pV=nRT（1-1）

4物理意义：

1mol理想气体的体积和压力的乘积与温度的比值。

指定273.15K和101.3kPa为气体的标准状态，简写成STP。

5适用范围：

对于低压和远离沸点的高温时的多数气体可以用这个方程来描写，可以描写单纯一种气体或混合气体的整体行为。

6作用：

在已知三个变量的条件下可以求算第四个物理量，还可以求得气体的相对分子质量和密度。

【例1.1】某气体在293K和99.7kPa时，占有体积0.19dm3，质量为0.132g，求该气体的相对分子量，并指出它可能是何种气体。

【解】由理想气体状态方程pV=nRT，可得气体的摩尔质量为

气体的相对分子质量为17，表明该气体可能是NH3。

【例1.2】NH3（g）在67℃，106.64kPa下密度为多少?

【解】：

密度ρ=m（g）／V（dm3）=n×M／V

由（1．1）式得：

n／V=p／RT

ρ=pM／RT

已知NH3M=17.0gmol-1则

ρ=pM／RT==0.641gdm-3

1.1.2道尔顿（Dalton）分压定律

1分压：

在一定温度下，各组分气体单独占据与混合气体相同体积时所呈现的压力叫做该组分气体的分压。

2分压定律：

1801年英国化学家道尔顿（Dalton）通过实验发现，在一定温度下气体混合物的总压力等于其中各组分气体分压力之和。

用数学式表示为：

根据状态方程式有

pV＝nRTpiV＝niRT

两式相除得，

推论1：

某一组分气体的分压和该气体组分的摩尔分数成正比。

（1-2）

推论2：

理想气体在同温同压下摩尔数与体积成正比，因而各组分的摩尔分数等于它的体积分数。

3应用：

①通过气体体积分数也可以计算出气体组分的分压力。

②根据道尔顿分压定律，可以计算混合气体的总压力，也可以根据总压力计算组分气体的分压力。

4适用范围：

对于液面上的蒸气部分，道尔顿分压定律也适用，收集气体的分压为：

p气＝p总－p水

【例1.3】一容器中有4.4gCO2，14gN2和12.8gO2，气体的总压为202.6kPa，求各组分的分压。

【解】混合气体中各组分气体的物质的量

由道尔顿分压定律得

1.2液体

1.2.1气体的液化

1液化：

气体转变成液体的过程。

2条件：

降低温度或同时增加压力。

3原因：

降温或同时加压到一定程度，分子间引力大到足以使该物质达到液体运动状态时，气体就液化了。

4临界温度：

在加压下使气体液化所需的最高温度，用Tc表示。

5临界压力：

在临界温度时，使气体液化所要求的最低压力，用pc表示。

例如水的临界温度是647.2K，水的临界压力是22119.2kPa，

6临界体积：

在临界温度和临界压力下，1摩尔气态物质所占有的体积，用Vc表示。

Tc、pc和Vc统称为临界常数。

气体处于Tc、pc、Vc的状态称为临界状态，它是一种不稳定的特殊状态，处于这种状态的气体和液体之间的性质差别将消失。

注：

非极性分子之间作用力很小其临界温度都很低，难以液化；强极性分子具有较大的分子间力而比较容易液化。

1.2.2液体的气化：

液体升高温度变成气体的过程。

1蒸发：

液体变成蒸气或气体的过程。

蒸发指的是液体表面的气化现象。

2饱和蒸气压：

当蒸气变成液体的速率与液体变成气体的速率相等时，这时蒸气所产生的压力，简称蒸气压。

液体的饱和蒸气压的特性：

①蒸气压的大小仅与液体的本质和温度有关，而与液体的数量以及液面上空间的体积无关。

•液体的本质：

蒸气压的大小与液体内部分子间相互作用力的强弱有关。

•温度：

温度升高，蒸气压升高；温度降低，蒸气压降低

•气体定律以及理想气体状态方程并不适用于蒸气。

蒸气压的大小同蒸气所占体积就没关系了。

②蒸气压是物质的一种性质，温度一定，蒸气压一定。

③气化热（蒸发热）：

液体在恒温恒压下气化或蒸发所必须吸收的热量。

该蒸发热一部分消耗于增加液体分子动能以克服分子间引力而逸出液面进入蒸气状态；另一部分消耗于气化时体积膨胀所作的功。

1.2.3液体的沸腾

1沸腾与沸点

（1）沸腾：

当蒸气压与外界大气压相等时，在整个液体中进行的气化过程。

沸腾是整个液体的气化，蒸发是液体表面的气化。

（2）沸点:

沸腾时液体保持着一定的温度，缩写为b.p。

正常沸点：

当外界气压为101.3kPa时，液体的沸点。

例如水的正常沸点是373.15K（100oC）。

（3）特点：

液体的沸点同外界气压密切相关。

外界气压升高，沸点升高；外界气压降低，沸点降低。

（4）作用：

减压蒸馏；高温消毒。

（5）过热液体：

温度超过沸点尚未沸腾的液体。

消除方法：

放几块小的沸石或带有棱角的碎瓷片，目的是利用沸石孔中存储的空气或磁片的尖锐棱角容易形成气泡，以避免过热现象的发生。

1.2.4相平衡

相：

在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相。

特点：

相与相之间在指定的条件下存在着明显的分界面。

体系内不论有多少种气体都只有一相，液体则视其互溶程度通常可以是一相、两相或三相共存；一般有一种固体便有一相；固态溶液（如金属合金）是一相。

相变：

当物质从一相转变成另一相。

气体的液化和液体的气化、液体的凝固和固体的熔化过程都是相变过程。

相平衡：

保持外界条件不变时，相变维持一种平衡状态。

液体的沸腾就是维持一定温度和压力时，气液两相间的相平衡。

相图：

两相达到相平衡时，它们的蒸气压必须相等，用压力对温度作图即得p-T图，它表示物质状态稳定存在的条件和相互间转变的情况。

1.2.5水的相图

水有三种存在状态，即水蒸气（气态）、水（液态）、冰（固态）。

图1-1为水的相图，属于单组分体系的相图。

相图的组成和意义分析：

（1）图中OA、OB和OC分别为固－气、固－液和液－气两相共存的相平衡曲线，每条线上的点表示处于两相平衡状态时的温度和压力。

OA是冰的升华线，OB为冰的熔化曲线，OC是水的蒸气压曲线。

（2）OC线不能任意延长，它终止于临界点C（647K，22119.2kPa）。

在临界点液体的密度与蒸气的密度相等，液态和气态之间的界面消失。

OA线在理论上可延长到绝对零度附近。

OB线不能无限向上延长。

OB线是向左倾斜的，它表明水的凝固点随着压力的增大而降低。

（3）相图中Ⅰ区为气相区；Ⅱ区为液相区；Ⅲ区为固相区。

相图中曲线所包围的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区只能是一个相存在，叫单相区。

（4）O点是三条线的交点，是水蒸气、水和冰三者共存的相平衡点，称为三相点。

（5）OD是OC的延长线，是水和水蒸气的亚稳平衡线，代表过冷水的饱和蒸气压与温度的关系曲线，过冷水处于不稳定状态。

1.3分散系

1定义：

一种或几种物质分散在另一种物质中构成的混合体系。

2组成：

分散质（或分散相）－被分散的物质，特点：

不连续的。

分散剂（或分散介质）－容纳分散质的物质，特点：

连续的部分。

3分类：

按分散质的大小将分散系分成三大类：

①粗分散系

②分子分散系：

物质以分子、原子或离子状态分散于另一种物质中所构成的均匀而又稳定的体系－溶液。

③胶体分散系：

分散质颗粒大小介于溶液和粗分散系的一类分散系。

表1-1分散系按分散质粒子的大小分类

分散系类型粗分散系胶体分散系分子分散系

颗粒大小＞100nm100～1nm＜1nm

高分子溶液溶胶

分散质存在形式分子的大聚集体大分子小分子的聚集体小分子、离子或原子

主要性质不稳定很稳定稳定最稳定

多相单相多相均相

普通显微镜可见超显微镜可见电子显微镜也不可见

不能透过滤纸能透过滤纸不能透过半透膜能透过半透膜

实例泥浆血液Fe（OH）3溶胶糖水

1.4溶液

1定义：

物质以分子、原子或离子状态分散于另一种物质中所构成的均匀而又稳定的单相体系叫溶液。

2分类：

按溶液所处的状态可以有：

气体溶液：

O2溶于N2中的气体溶液

固体溶液。

5％的金属Ni溶于Cu中所铸成的镍币是固体溶液。

液体溶液：

溶液是由溶质和溶剂组成的。

由溶剂和溶质组成。

1.4.1溶液浓度的表示方法：

A表示溶剂，B表示溶质，

1.质量分数：

溶液中某一组分的质量与溶液总质量之比。

其数学表达式为：

ppm:

单位为mg∙kg-1。

ppb:

μg∙kg-1。

2.以物质的量表示溶质含量的浓度

（1）物质的量浓度：

物质的量浓度是指单位体积溶液中所含溶质物质的量，单位为mol∙dm-3。

用符号c表示，即：

（2）质量摩尔浓度：

质量摩尔浓度是指每kg溶剂中所含溶质的物质的量，单位为mol∙kg-1。

常用bB表示，其数学表达式为：

（3）摩尔分数：

溶液中某一组分物质的量与全部溶液的物质的量之比，用x来表示。

对于一个两组分溶液体系来说，溶质的摩尔分数与溶剂的摩尔分数分别为：

多组分体系中有。

注：

用质量摩尔浓度和摩尔分数表示溶液的浓度时，与体积无关，故它们不随温度而改变。

研究溶液性质时与温度无关，所以常用质量摩尔浓度和摩尔分数。

3各种浓度换算：

【例1.4】35.0％HClO4水溶液的密度为1.25g∙cm－3，已知HClO4的摩尔质量为100.4g∙mol－1，求其物质的量浓度和质量摩尔浓度。

【解】：

由mB＝ρVω及

可得

该溶液每kg含溶质质量为：

mB＝1000g×0.35＝350g；则溶剂质量为650g。

根据质量摩尔浓度计算公式得：

1.4.2稀溶液的依数性

溶液有两类不同的性质：

一类性质由溶质的本质决定，如溶液的颜色、导电性、酸碱性等；而另一类性质，如溶液的蒸气压下降、沸点升高、凝固点降低和渗透压仅决定于溶质的独立质点数，即溶液的浓度。

而且溶液越稀，这种性质表现得越有规律。

因而把这些性质叫做稀溶液的依数性。

依数性规律是难挥发的非电解质稀溶液的共性。

1.溶液的蒸气压下降

（1）定义：

纯溶剂中溶解有难挥发的非电解质溶质时，溶液的蒸气压总是低于同温度下纯溶剂的蒸气压的现象。

（2）原因：

如图1-2（a），这是由于难挥发的非电解质溶质溶入溶剂后，溶剂的部分表面被溶质所占据，单位面积上溶剂的分子数减少了,使单位时间内从溶液表面逸出液面的溶剂分子数比纯溶剂减少。

当达到平衡时，溶液液面上单位体积内气态分子数目比纯溶剂少，如图1-2（b）。

因此难挥发物质溶液的蒸气压必然低于纯溶剂的蒸气压。

溶质的粒子数越多，溶液的蒸气压越低，即溶液的蒸气压降低得越多。

（3）定律：

拉乌尔提出：

“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饱和蒸气压与溶剂的摩尔分数的乘积”

表达式：

p＝p*•xA

式中，p为溶液的蒸气压；p*为纯溶剂的饱和蒸气压，xA为溶剂的摩尔分数。

∵xA＋xB＝1,

∴p＝p*•xA＝p*（1－xB）＝p*－p*•xB

又∵p*－p＝Δp

∴Δp＝p*•xB

推论：

“在一定温度下，稀溶液的蒸气压下降Δp和溶质的摩尔分数成正比”。

当xB＝0，xA＝1，即p＝p*

对于稀溶液，溶质很小，即n2<

（因为nA>>nB）

∴

由溶液的质量摩尔浓度的定义可知：

而∴

∴

注：

K是一个常数，其物理意义是bB＝1mol∙kg-1时溶液的蒸气压下降值。

所以，拉乌尔定律也可表示为：

在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降与溶液