大一无机化学第一章.ppt

2019/11/27,第一章 物质存在状态,教学方式：自学与讲授结合 主要内容： 理想气体的有关定律 液体的一般性质 水以及水溶液的一般性质 非电解质稀溶液的通性-依数性 胶体一般性质 参考书目： 现代化学导论，申泮文等/ 无机与分析化学，陈荣三等 作业：P239/5-5，7，9； P308/8-2，4，7，8，9，10，11，12，13,2019/11/27,元素、同位素 原子、分子、离子 物质-化学研究“实物”，不包括物质的另一基本形态-场(以连续形式存在的物质形态)。 组成- 化学组成包括定性组成和定量组成。 定性: 含有哪些元素; 定量: 各元素的质量百分比、原子个数比、化学式及分子式等。 结构-原子、分子和晶体结构以及说明物质结构的各种结构理论。 性质-物理性质和化学性质。物理性质诸如溶解性、热性质和某些谱学性质等。 变化- 化学不仅研究化学变化，也研究与化学变化相关的物理变化。如热化学、电化学和表面化学都是研究与化学过程相关的物理过程。,1.1 化学基本术语-自学,2019/11/27,物质的存在状态,2019/11/27,1.2 气体 (Gas),*气体分子运动论(Gas Kinetic Theory),气体是由分子组成的，彼此间距离分子直径，分子体积与气体体积相比可忽略不计； 气体分子处于永恒的无规则运动中； 气体分子之间相互作用可忽略，除相互碰撞时； 气体分子相互碰撞或对器壁的碰撞都是弹性碰撞。碰撞时总动能保持不变，没有能量损失。 分子的平均动能与热力学温度成正比。,基本假设 (Fundamental Assumption),2019/11/27,假定： 分子不占有体积 分子间作用力忽略不计 P V = n R T,压力,体积,温度,气体常数,摩尔数,适用于：温度较高或压力较低时的稀薄气体,1. 理想气体状态方程,-(Perfect Gas Equation),2019/11/27,气体状态方程 的 运用,R 的取值：随压力单位的变化而不同 8.31 kPa dm3 mol-1 K-1 0.082 atm dm3 mol-1 K-1 几种变化情况： Boyle 定律: PV= 衡量(T, n 恒定) Charles-Gay-Lussac 定律：V/T=衡量(P, n 恒定) Avogadro 定律： V/n=衡量(T, P 恒定),2019/11/27,具体应用: 1). 已知三个量，可求出第四个量； 2). 测求气体的分子量M；,3). 已知气体的状态求其密度；,2019/11/27,例题：计算摩尔质量(Mole Mass),解：求出摩尔质量，即可确定分子式。 设氟化氙摩尔质量为M， 密度为r (g dm-3)，质量为m (g)， R 应选用 8.31 (kPa dm3 mol-1 K-1)。,惰性气体(Nobel Gas)氙(Xenon)能和氟(Fluorine)形成多种氟化物XeFx。实验测定在80C，15.6 kPa 时，某气态氟化氙试样的密度为0.899 (gdm-3)，试确定这种氟化氙的分子式。,2019/11/27,有关气体体积的化学计算,例:为了行车的安全，可在汽车中装备上空气袋，防止碰撞时司机受到伤害。这种空气袋是用氮气充胀起来的,，所用的氮气是由叠氮化钠与三氧化二铁在火花的引发下反应生成的。总反应是：,2019/11/27,6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g) 在25。748mmHg下，要产生75.0L的N2，计算需要叠氮化钠的质量。 解： 根据化学反应方程式所显示出的n(NaN3)与n(N2)的数量关系，可以进一步确定在给定条件下，m(NaN3)与V(N2)的关系。,2019/11/27,6NaN3+Fe2O3(s) 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g) 6mol 9mol Mr(NaN3) = 65.01, P = 748 mmHg = 99.73 kPa T = 298K m(NaN3) = 390.06 g V(N2) = 223.6L m(NaN3) =？ V(N2) = 75.0L m(NaN3) = =131g,2019/11/27,产生偏差的原因有两方面： （1）气体分子体积的影响。 当压力升高时，气体体积变小，在充有气体的容器中，自由空间减小，由于忽略分子体积所产生的误差就要显现出来。,* 实在气体(Real Gas)的状态方程,理想气体状态方程仅适合于足够低压力下真实气体,（2）分子间相互作用的影响。 当气体的体积缩小，压力增大时，分子间靠得较近，分子间力变得足够强，减弱了分子间对器壁的碰撞，相应产生的压力变小。不同种气体，其分子间的作用力不同，由于分子间力的影响偏离理想气体的程度有所不同。,2019/11/27,van der Waals 方程,a, b分别称为van der waals常量。,1，体积因素：V实在= (V理想 - nb) 等于气体分子运动的自由空间。b为1mol气体分子自身体积的影响。 2，压力因素：分子间吸引力正比于(n/V)2，内压力p=a(n/V)2，p实在 = p理想 + a(n/V)2,2019/11/27,二. 混合气体分压定律 (Law of Partial Pressure),组分(Component)气体 ： 理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。 分压(Partial Pressure)： 组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体B的分压,2019/11/27,分压(Pi)：相同温度下，某组分气体与混合气体具有相同体积时的压力称为该组分气体的分压。P总=P1+P2+Pi,1. 混合气体的四个概念,分体积(Partial Volume, Vi)：相同温度下，某组分气体与混合气体具有相同压力时的体积称为该组分气体的分体积。V总=V1+V2+Vi,体积分数(Volume Fraction, i)：i=Vi/V总,摩尔分数(Molar Fraction, i)：i=ni/n总,2019/11/27,a. 定律： 混合气体的总压力等于组分气体分压之和。P总=P1+P2+P3+.+Pi 某组分气体分压的大小和它在气体混合物中的体积分数或摩尔分数成正比。,2. 混合气体的Dalton分压定律,b. 适用范围： 理想气体及T、P较低的实际混合气体； 混合气体各组分间不发生化学反应。 c. 应用：,2019/11/27,已知分压求总压或由总压和体积/摩尔分数求分压。,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) =0.180 mol，n(N2) = 0.700 mol。混合气体的总压 p = 133.0 kPa。试计算各组分气体的分压。,解：n总 = nNH3 + nO2 + nN2 = 0.320mol + 0.180mol + 0.700mol = 1.200mol,2019/11/27,分压定律的应用排水取气问题,Hydrochloric acid,Zinc granule,2019/11/27,例题: 可用亚硝酸铵受热分解方法制取纯氮气。 反应如: NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g) 如果在19、97.8kPa下，以排水集气法在水面上收集到的氮气体积为4.16L，计算消耗掉的亚硝酸铵的质量。,解：T = (273+19) K = 292K, P = 97.8kPa, V = 4.16L 292 K 时，P(H2O) = 2.20 kPa, Mr (NH4NO2) = 64.04,2019/11/27,NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g) 64.04g 1mol m(NH4NO2)=? 0.164mol m(NH4NO2) = =10.5g,2019/11/27,* 气体扩散定律-Graham Law,1. 定律：T, P相同时，各种不同气体的扩散速度与气体的密度的平方根成反比。,2. 用途： 测定气态物质的相对分子量； 分离：同位素235U(0.72%)，238U(99.2%) 扩散速度比：235UF6(g)/238UF6(g)=1.004,2019/11/27,例题,2019/11/27,*,液体是气体到固体的中间过渡态,气体,液体,固体,沸点,凝固点,气化（蒸发）,熔点,凝聚点,液化,熔化,凝固,摩尔蒸发(气化)焓,摩尔凝固热,vapHm,1.3 液体 (Liquid) -自学,2019/11/27,1，液体的状态和性质 2，蒸发（气化）与蒸气压,蒸发: 液体表面的气化现象（evaporation)。,敞口容器,干涸,吸热过程,分子的动能 红色：大 黑色：中 蓝色：低,2019/11/27,蒸气压,蒸发:,密闭容器,蒸发 冷凝 “动态平衡”,恒温,分子的动能 红色：大 黑色：中 蓝色：低,饱和蒸气压：与液相处于动态平衡的这种气体叫饱和蒸气，它的压力叫饱和蒸气压，简称蒸气压。,饱和蒸气压的特点 温度恒定时，为定值； 气液共存时，不受量的变化； 不同的物质有不同的数值。,2019/11/27,沸腾:,带活塞容器， 活塞压力为 P,沸点与外界压力有关。外界压力等于101 kPa (1 atm)时的沸点为正常沸点，简称沸点。,当温度升高到蒸气压与外界气压相等时，液体就沸腾，这个温度就是沸点。,热源,沸腾是在液体的表面和内部同时气化。,2，蒸发（气化）与蒸气压,2019/11/27,例： 水的沸点为 100C，但在高山上，由于大气压降低，沸点较低，饭就难于煮熟。 而高压锅内气压可达到约10 atm，水的沸点约在180C左右，饭就很容易煮烂。,“过热”液体：温度高于沸点的液体称为过热液 体，易产生爆沸。 蒸馏时一定要加入沸石或搅拌，以引入小气泡，产生气化中心，避免爆沸。,2019/11/27,蒸气压曲线:,曲线为气液共存平衡线； 曲线左侧为液相区； 右侧为气相区。,蒸气压,正常沸点,2，蒸发（气化）与蒸气压,2019/11/27,一. 水（自学）-参见现代化学导论* 水一种重要的化学物质 水的一般物理性质和反常物理性质 水的结构 (网络课堂) 水的化学性质 水在自然界中的作用河水、海洋 水的净化,1.4 水和溶液,2019/11/27,二. 溶液（自学为主） 1. 溶液的基本概念* ：,溶解度(Solubility)： 表示物质在液体中的溶解能力 溶解度与温度、溶质和溶剂有关 “相似相溶”原理 饱和溶液(Saturate solution)溶解平衡,2. 溶解过程-水合作用、水合离子* 3. 水合物-结晶水合物* 4. 溶解热- Hm= U+ hHm *,可溶: S 1g/100g 微溶: 0.1 S 1g/100g 难溶: S 0.1g/100g,2019/11/27,质量分数(质量百分比浓度)：符号w，无量纲 如果溶液以体积度量：溶液体积溶液比重=溶液质量,体积为ml时的换算,质量为kg时的换算,5. 溶液浓度的表示*（自学为主）,物质的量浓度(体积摩尔浓度)：符号c，mol/dm3,质量摩尔浓度(molality)：符号m，mol/kg,溶剂,2019/11/27,物质的量浓度c (moldm-3) 溶液体积V(dm3) =溶质的物质的量n (mol) 当溶液稀释或者浓缩时物质的量不变，因此有： c1V1=c2V2,任何物质均存在着饱和蒸气压。 纯物质的饱和蒸气压只与本身和温度有关。 在一定温度下，饱和蒸气压为一个常数。 溶液的蒸气压降低：p=p纯水-p溶液=Km,7. 溶液的蒸气压,6. 稀释规则*,2019/11/27,沸点(Boiling-point) Tb时蒸气压=外界压力，沸腾 凝固点(Freezing-point) Tf时蒸气压=外界压力，凝固 稀溶液的Tb上升(Tb)和Tf下降(Tf),8. 溶液的沸点升高和凝固点降低,现象与解释： 图示说明 根本原因 稀溶液的蒸气压下降,2019/11/27,定量描述： Tb = Kb mKb-沸点升高常数(ebullioscopic constant) Tf = Kf mKf-凝固点下降常数(cryoscopic constant),Note: Kb、Kf只与溶剂的性质有关，可查阅化学手册得到。 Kb、Kf物理意义：1000g溶剂中加入1mol难挥发的非电解质溶质时，溶液沸点升高或凝固点下降的度数。 溶质：非电解质：不电离。 电解质：电离后，产生的粒子数目有变化。,有关应用计算： 已知稀溶液浓度，求Tb，Tf ； 已知稀溶液的Tb、Tf ，求溶液的浓度、溶质分子量。,2019/11/27,例题：将某样品5.50g溶于250g苯中，测得溶液的凝固点下降Tf为1.02K。请推测该样品的分子式，已知样品的实验式为C3H6O。,解：(1) 设样品的摩尔质量为M 则苯溶液的质量摩尔浓度：,(2) 由样品的实验式C3H6O的式量55.0可知，其化学式应为： C6H12O2,由公式Tf = Kf m可得：Tf = 5.1222.0/M=1.02 M = 110 (g mol-1)，样品的分子量为110。,2019/11/27,实际应用： 制冷剂：电解质，如 NaCl，CaCl2 实验室常用: 冰盐浴 NaCl + H2O -22 C CaCl2 + H2O -55 C,防冻液：非电解质如: 乙二醇，甘油等 例题：计算浓度为1mol.L-1的氯化钠溶液的沸点和冰点。若使冰点达到-22C，则NaCl溶液的浓度应达多大？ 若用CaCl2代替NaCl呢？,2019/11/27,渗透现象及解释 渗透现象原因：半透膜两侧溶液浓度不同。 渗透压：为了阻止渗透作用所需给溶液的额外压力。,定量描述-vant Hoff 公式：,渗透压只与温度和溶质的质点数有关，而与溶质分子的性质无关。 有关计算 测定渗透压，求某些生物大分子的分子量,渗透压(Osmotic pressure),2019/11/27,解：由于溶液极稀，可近似m = c 由公式： = mRT = 15520/M ( R=取值？) 可得M = 答：该蛋白质分子的平均分子量为2.5x104。,例题：298.2K，测得0.1L的1.552g某蛋白质分子的渗透压为1539Pa。求该蛋白质分子的平均分子量。,渗透压的生物学意义： 生物体内传质过程的动力保证； 维持生物体内的等渗关系。Ex.动物体/植物体的脱水与溶血现象。,2019/11/27,稀溶液(dilute solution)的通性-依数性(colligative properties),依数性稀溶液的某些物理特性如蒸气压、沸点、凝固点，这些特性的变化只与稀溶液中溶质的粒子数目有关，而与溶质、溶剂本身的性质无关。,小结：稀溶液依数性的应用,2019/11/27,弱电解质：水溶液中大部分以分子形式存在，只有少部分电离，达电离平衡！ 电离度 ：,9. 电解质溶液与强电解质溶液理论*,强电解质：水溶液中完全电离，以离子形式存在。 活度 a：离子间由于相互作用而使其有效浓度降低。 a=c 或 a=m。：校正系数或活度系数 。 *：与溶液中总体的离子强度I 有关，lg = -A|Z+Z-|I *I：与溶液中总体离子的离子浓度及其电荷数有关。,2019/11/27,三. 胶体溶液(Colloid),1. 分散体系* 分子分散体系 胶态分散体系 粗分散体系：,2. 溶胶 溶胶的性质 光学性质丁达尔效应：胶团对光的散射现象。 溶胶的现象最显著，区别于真溶液的简单方法。 动力性质布朗运动：胶团粒子的不规则运动。 电学性质电泳现象：胶粒在外电场下定向移动。,2019/11/27,swf 溶胶的组成：分散相(胶团) + 分散介质 + 稳定剂 胶团的结构：胶核胶粒 胶团 (AgI)m nI- (n-x)K+x- xK+ 胶核(电中性) 电位离子 反离子 反离子,吸附层,扩散层,胶粒(带电荷),胶团(电中性),胶团示意图,胶体的组成与结构.,溶胶的三个特征,2019/11/27,溶胶的凝沉-关键：稳定性的去除。 加入电解质，如：明矾使水净化 (吸附、电荷)。 相反电性溶胶混合； 加热。,溶胶的稳定性和凝沉,溶胶的稳定性 动力学稳定性：胶团的Brown运动 聚集稳定性：胶粒的带电性使同种电荷具有排斥作用、溶剂化作用 热力学不稳定性：胶体粒子因很大的表面能易聚集成大颗粒。,2019/11/27,高分子溶液的概念 高分子溶液的性质 高分子溶液与溶胶的异同点 高分子溶液对溶胶的保护作用过量 高分子溶液对溶胶的敏化作用少量,高分子溶液*,