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第一章物质的聚集状态思考题答案1、物质的气、液、固三种状态各具有哪些特性？2、什么是理想气体？理想气体能否通过压缩变成液体？1）理想气体：在各种温度、压强的条件下，其状态皆服从方程pV=nRT的气体称理想气体(ideal gas)，是理论上假想的一种将把实际气体分子本身体积和分子间相互作用力性质加以简化的气体。人们把假想的，在任何情况下都严格遵守气体三定律的气体称为理想气体。就是说：一切实际气体并不严格遵循这些定律，只有在温度较高，压强不大时，偏离才不显著。所以一般可认为温度大于500K或者压强不高于1.01105帕时的气体为理想气体。2）理想气体压缩成液体：不可以，理想气体的相图上没有相变过程，理想气体分子大小为0，而且之间没有作用力，这个模型太简单了，所以无论靠得多近也不会成为凝聚体，理想气体本身就是不存在的。考虑了分子相互作用的气体模型才能发生相变，像范德瓦尔斯气体就可以发生相变。3、范德华方程对理想气体做了哪两项校正？1）在pVm=RT方程式中，Vm是1mol气体分子自由活动的空间。理想气体因为分子本身没有体积，则就等于容器的体积。对于真实气体来说，因为要考虑分子本身的体积，所以1mol气体分子自由活动的空间已不是Vm，而要从Vm中减一个与气体分子本身体积有关的修正项b。对1 mol气体而言：实验表明，从数量级上看b的值粗略等于该气体物质的液体的摩尔体积。2）在pVm=RT方程中p是指分子间无引力时，气体分子碰撞容器壁所产生的压力。但由于分子间引力的存在，真实气体所产生的压力要比无引力时小。若真实气体表现出来的压力为p，换算为没有引力时（作为理想气体）的压力应该为。范德华把项称为分子内压，它反映分子间引力对气体压力所产生的影响。式中a为一比例系数，它与真实气体分子间的引力大小有关。经过两项修正，真实气体可看作理想气体加以处理。用Vmb代替理想气体状态方程中的Vm，以代替方程中的p，即得到范德华方程式：以上即为著名的范德华方程。方程式中的a，b是气体的特性参量，称为范德华参量(常数)。它们分别与气体分子之间引力的大小及气体分子本身的体积大小有关。范德华认为，a和b的值不随温度而变。下表给出了由实验测得的部分气体的范德华参量之值。由表中数值可以看出一般来说，对于较易液化的气体，如Cl2，SO2等，a的值较大，说明这些气体分子间的吸引力较强；而对于如H2，He等不易液化的气体，a的值很小，说明分子间的引力很弱。4、什么叫沸点？什么液体的饱和蒸气压？温度对液体饱和蒸汽压有什么影响？外压对液体沸点有什么影响？1）沸点：沸腾是在一定温度下液体内部和表面同时发生的剧烈汽化现象。液体沸腾时候的温度被称为沸点。，即液体的饱和蒸气压与外界压强相等时的温度。浓度越高，沸点越高。不同液体的沸点是不同的，所谓沸点是针对不同的液态物质沸腾时的温度。沸点随外界压力变化而改变，压力低，沸点也低。液体浓度越高，沸点越高。2）饱和蒸汽压：当液体汽化的速率与其产生的气体液化的液体速率相同时的气压。3）液体的饱和蒸汽压与温度的关系可用克劳修斯-克拉佩龙方程式表示：dlnPdT=H汽RT在温度较小的变化范围内，H汽可视为常数，对上式积分得：4）外压对液气体沸点的关系沸点是液体的饱和蒸气压与外界压强相等时的温度。沸点随外界压力变化而改变，压力低，沸点也低。，因为压力越高，在其它条件不变的情况下，温度越高。当其气压要升高到饱和蒸汽压时，需要更高的温度才可以得到沸腾状态，即外压升高，沸点也越高。5、溶液浓度的常用表示方法有哪几种？如果工作环境温度变化较大，应采用哪一种浓度表示方法为好？1）B的物质的量浓度B的物质的量浓度，单位为molL-1。物质B的物质的量，单位为mol。混合物的体积，单位为L 。2）溶质B的质量摩尔浓度bB 溶质B的质量摩尔浓度，单位为molKg-1。nB 溶质B的物质的量，单位为mol。mA 溶剂的质量，单位为kg。3）溶质B的摩尔分数nBB的物质的量，SI单位为mol；n 混合物总的物质的量，SI单位为mol ； SI单位为1。两组分的溶液系统：溶质B的量分数：溶剂A的量分数：任何一个多组分系统，则质量浓度的值不因温度变化而变化，而体积浓度的值随温度的变化而相应变化。如果工作环境温度变化较大，采用质量摩尔浓度表示方法为好。6、两只各装有1kg水的烧杯，一只溶有0.01mol蔗糖，另一只溶有0.01molNaCl，按同样速度降温冷却，则哪个先结冰？因为NaCl完全解离，相当于溶质的浓度增大，所以凝固点降低更很多，故按同样速度降温冷却，蔗糖先达到结冰的凝固点。7、为什么人体输液用一定浓度的生理盐水或葡萄糖溶液？因为人体内的细胞要在生理盐水和一定浓度的葡萄糖溶液中才能保持正常形态，因为他们的浓度是临床规定中符合人体情况的等渗溶液，否则会因为在浓度过高或低的情况下，发生高渗或低渗的情况，导致人体内的细胞因渗透压的变化而失水皱缩导致血栓，或者吸水破裂导致溶血。因此输液时使用一定浓度的生理盐水或葡萄糖溶液是为了使身体的渗透压维持稳定状态。8、在两只烧杯中分别装入等体积的纯水和饱和的糖水，将两只烧杯放在一个钟罩中，一段时间后，会发生什么现象？糖水的液面上升，纯水的液面下降，因为两者的表面饱和蒸汽压（水）有区别。溶液的饱和蒸汽压比纯溶剂低，溶液浓度越大，蒸汽压下降的越多。糖水的饱和蒸汽压比较低，纯水的饱和蒸汽压相对较高，但是在一个钟罩中，总的气压一定。并且由于蒸汽水分子在作用不停息的无规则运动，可看做是则纯水中的水分子运动到糖水的杯被子里，使糖水和纯水的饱和蒸汽压等于总气压，最后糖水的体积变大，纯水体积减少。9、胶体和溶液有哪些相似和不同，胶体有哪些特殊性质？胶体的特殊性质：1、 动力性质2、 1）布朗运动胶体中的颗粒在做永不停息的无规则运动，就是布朗运动。且温度越高，布朗运动越剧烈。1） 胶体的聚沉定义：使胶体粒子聚集成为较大的颗粒，从而形成沉淀从分散剂里析出的过程叫做聚沉。2） 渗析利用半透膜分离胶体中的杂质分子或离子，提纯，精制胶体的操作称为渗析。扩散运动一定温度下，胶粒由高浓度向低浓度扩散的现象。3）沉降平衡胶体粒子受到重力作用下沉而与分散介质分离的过程称为沉降，但扩散作用又会使胶粒分布均匀，其方向与沉降相反，当两者作用相等时，虽然粒子的浓度随高度增加而逐渐减少，但在指定高度上的粒子浓度不再随时间变化，系统形成稳定的浓度梯度，这一状态称为沉降平衡。电学性质3） 1）电渗溶胶通过多孔性物质，胶粒被吸附而固定不动，在外电场的作用下，分散剂将通过多孔物质定向移动，这种现象称为电渗。4） 2）电泳在外加电场作用下，胶体粒子在分散剂里向电极（阴极或阳极）作定向移动的现象，叫做电泳。原因：粒子胶体微粒带同种电荷，当胶粒带正电荷时向阴极运动，当胶粒带负电荷时向阳极运动。因为胶粒具有较大的表面积，能吸附离子而带电。在进行电泳实验时，由于电场的作用，胶团在吸附层和扩散层的界面之间发生分离，带正电的胶粒向阴极移动，带负电的离子向阳极移动。因此，胶粒带电，但整个胶体分散系是呈电中性的。3）沉降电势胶粒在重力场或离心力场中相对于液体介质沉降时所产生的电势差，为电泳的逆过程。4）流动电势在外力作用下，使液体通过多孔膜（或毛细管）定向流动，在多孔膜两端会产生电势差，为电渗的逆过程。3、光学性质5） 丁达尔效应一束光通过胶体，由于胶粒大小在的1-100 nm范围，而可见光的波长为400-700 nm，胶粒会对可见光发生散射从而侧面产生一条光路。6） 布朗运动胶体中的颗粒在做永不停息的无规则运动，就是布朗运动。且温度越高，布朗运动越剧烈。10、丁达尔现象在日常生活中经常遇到，你能举出例子吗？当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象。1）树林现象清晨，在茂密的树林中，常常可以看到从枝叶间透过的一道道光柱，类似于这种自然界现象，也是丁达尔现象。这是因为云、雾、烟尘也是胶体，只是这些胶体的分散剂是空气，分散质是微小的尘埃或液滴。2）耶稣光丁达尔效应的形成，是靠雾气或是大气中的灰尘，当太阳照射下来投射在上面时，就可以明显看出光线的线条，加上太阳是大面积的光线，所以投射下来的，不会只是一点点，而是一整片的壮阔画面这种为风景带来一种神圣的静谧感的光线，不知何时被命名为了“耶稣光”。11、制备胶体的方法（1）分散法分散法有机械分散、电分散、超声波分散和胶溶等。1）物理方法例如机械分散法：利用机械磨碎法将固体颗粒直接磨成胶粒的大小，如：将固体颗粒直接磨成胶粒的大小，溶于溶剂得到胶体，如将碳粉制成碳素墨水溶解法：利用高分子化合物分散在合适的溶剂中形成胶体，如蛋白质溶于水，淀粉溶于水、聚乙烯溶于某有机溶剂等（2）凝聚法用物理或化学方法使分子或离子聚集成胶体粒子的方法，有还原法、氧化法、水解法和复分解法等。2）化学方法：例如水解法：如氢氧化铁胶体的制备：把1ml-2ml的氯化铁饱和溶液加入20ml沸水中煮沸至呈红褐色停止加热,即制得了氢氧化铁胶体。FeCl3+3H2O = Fe(OH)3（胶体）+3HCl复分解法：如碘化银胶体的制备:AgNO3 +KI AgI（胶体）+KNO312、晶体与非晶体的区别晶体：内部微粒（原子、离子或分子）在空间按一定规律做周期性重复排列构成的固体物质。如石英、云母、食盐、明矾等。非晶体：内部原子或分子的排列呈现杂乱无章的分布状态的固体物质。如玻璃、橡胶、松香、沥青等。晶体与非晶体的主要区别晶体非晶体性质自范性（本质区别）有无各向异性有无固定熔沸点有无能否发生X 射线衍射（最科学的区分方法）能不能（能发生散射）内能小而最稳定大而不稳定1）外形晶体都具有规则的几何形状，而非晶体没有一定的几何外形。晶体自范性的本质:晶体中粒子微观空间里是呈现周期性的有序排列的。晶体内部质点排列有序,外形规则。例如。在氯化钠晶体内部，无论任何方向上CI-和Na+都是相间排列的，如图1，代表Na离子，代表Cl离子，其外形是非常规则的立方形，从盐场生产的粗大盐粒到实验室用的基准氯化钠微粒，无论大小都是立方形的。图1 NaCl晶体结构非晶体内部质点排列杂乱无章，外形不规则。例如玻璃内部各种离子杂乱无章地堆积在一起，外形没有一定之规，人们可以在生产中任意改变其外部形貌。众多构造繁杂外形精美的玻璃艺术品，正是利用玻璃外形可以任意改变的性能而加工制成的。一些蜡像艺术品也是因为石蜡属于非晶体而得来。2）各向异性晶体的各种物理性质，在各个方向上都是不同的，即各向异性；非晶体则显各向同性。由于晶体内部质点排列有序，在不同的方向上质点的排列密度往往不同，因此在不同的方向上晶体对光、电、磁、热的传导速率和强度往往具有较大差异，这种差异被称之为各向异性。例如，石墨和蓝宝石是常见的晶体，其中石墨的结构呈层状,在与层垂直方向的导电率为与层平行方向上导电率的1/10000；蓝宝石在不同方向上的硬度是不同的。对于非晶体而言，从微观角度讲，质点的排列杂乱无序，从宏观统计的角度看，在所有方向上质点的排列密度均相同，对光、电、磁、热的传导速率和强度也都相同，所以是各向同性的。例如玻璃在破碎时，其碎片的形状是完全任意的。需要注意的是，并非所有晶体都具备各向异性，当晶体内部的质点在各个方向上排列相同时，它就是各向同性的，如氯化钠、氯化钾、氯化铯等晶体都是各向同性的。3）熔点晶体必须到达熔点时才能熔解，而非晶体在熔解的过程中，没有明确的熔点，随着温度升高，物质首先变软，然后逐渐由稠变稀。晶体在熔化时，温度不变，晶体有确定的熔点和凝固点，同一种晶体物质的凝固点跟它的熔点相同，不同的晶体，具有各不相同的熔点和凝固点。例如在常压下，当冰的温度达到熔点(27315K)时，冰必定开始熔化，同样当氯化钠的温度达到熔点(1074K)时，也必定开始熔化。而当加热石蜡、沥青、玻璃、塑料等无定形固体时，你只能观察到它们逐渐软化，最后变成了易流动的液体，但你永远无法知道它们是在哪一确切温度开始熔化的，也就是说它们根本就没有固定的熔点。表2 晶体和非晶体融化和凝固的比较晶体非晶体物质举例海波、冰、石英、食盐、水晶、明矾、各种金属松香、玻璃、蜂蜡、沥青熔点和凝固点同一晶体的熔点和凝固点相同非晶体无固定的熔点和凝固点熔化过程吸收热量.温度不变吸收热量，温度升高凝固过程放出热量，温度不变放出热量，温度降低熔化条件温度达到熔点，继续吸热吸收热量凝固条件温度达到凝固尚点，继续放热放出热量融化曲线凝固曲线13、晶体分几个晶系？有什么特征？根据晶胞参数的特征，将晶体分为七大晶系。第一章 物质的聚集状态习题答案一、 选择题1. B2. A3. B4. A5. D6. B二、 计算题1. 计算273.15K，100KPa时甲烷气体（视作理想气体）的密度。解：理想气体公式pV=nRT=mMRT，则pM=mVRT=RT则=pMRT=100000 Pa 16gmol-18.314 Jmol-1K-1 273.15 K=7045 gm-3=0.7045 kgm-32. 某地空气中含N2、O2和CO2的体积分数分别为0.78、0.21和0.01，求N2、O2和CO2的摩尔分数和空气的平均摩尔质量。（空气可视为理想气体）解：对于理想气体，摩尔分数等于体积分数，所以N2、O2和CO2的摩尔分数分别为0.78、0.21和0.01。平均摩尔质量M=mn=nN2MN2+nO2MO2+nCO2mCO2nN2+nO2+nCO2= =xN2MN2+xO2MO2+xCO2xCO2 =(0.7828+0.2132+0.0144) g/mol=29 g/mol3. 某气体（可视作理想气体）在202.650 kKPa和27时，密度为2.61kKgm-3，求它的摩尔质量。解：对于理想气体pV=nRT=mMRT，则pM=mVRT=RT，则M=RTp=2.618.314300.15202650=0.032kKgmol-1=32 gmol-14. 1 mol N2和3 molH2混合，在25时体积为0.4 m3，求混合气体的总压力和各组分的分压力。解：对于理想气体pV=nRT，则p总=n总RTv总=4 mol8.314 Jmol-1K-1298.15K0.4 m3=24788 PaN2分压力pN2=xN2p总=nN2nN2+nH2p总=0.2524788 Pa=6197 PaH2分压力pH2=xH2p总=nH2nN2+nH2p总=0.7524788 Pa=18591 Pa5. 合成氨原料气中氢气和氮气的体积比是3:1，原料气的总压力为1.52107 Pa。求：（1）氢气和氮气的分压力；（2）若原料气中还有气体杂质4%（体积分数），原料气总压力不变，则氢气和氮气的分压力各是多少解：（1）假设气体均为理想气体，则pH2=xH2p总=VH2VH2+VH2p总=0.751.52107 Pa=1.14107 Pa，则pN2=3.8106 Pa（2）若原料气中还有其他气体杂质4%，则pH2=xH2p总=VH2VH2+VH2+V杂p总=0.75(1-4%)0.721.52107 Pa=1.0944107 Pa，则pN2=0.25(1-4%)1.52107 Pa=3.648106 Pa6. 将10gZn加入到100 cm3盐酸中，产生的氢气在20及101.325 KPa下收集，体积为2.00 dm3,。问气体干燥后体积多少？已知20 时水的饱和蒸汽压是2.33 KPa。解：7. 在1dm3的容器中放入0.13molPCl5气体，在250时有80%的PCl5气体按下式分解：PCl5(g)=PCl3(g)+Cl2(g)。计算混合气体的总压力。解：设反应过程中所有的气体均为理想气体。则250 时，n(PCl5)=0.13 mol0.2=0.026 mol；n(PCl3) = n(PCl2) =0.13 mol0.8=0.104 mol.则p总=n总RTv总=（0.026+0.104+0.104）mol8.314 Jmol-1K-1（273.15+250）K110-3m3=1.02106 Pa8. 1 molCO2气体在40 时体积为0.381 dm3，实验测得气体压力为5.07106Pa，分别用理想气体状态方程和范德华方程计算气体的压力解：根据理想气体状态方程，pV=nRT，则p=nRTv=1 mol8.314Jmol-1K-1313.15K0.38110-3m3=6.83106 Pa；根据范德华方程(p+aVm2)(Vm-b)=RT, 查询CO2的范德华常数a=0.3568 Pam6mol-2，b=0.42810-4 m3mol-1则p=RTVm-b-aVm2=RTVm-b=8.314Jmol-1K-1313.15K0.38110-3-0.42810-4m3mol-1-0.3658 Pam6mol-20.38110-3m3mol-12=5.18106 Pa9. 质量分数为0.12的AgNO3水溶液在20和标准压力下的密度为1.1080 kgdm-3。试求AgNO3水溶液在20和标准压力下的摩尔分数、质量摩尔浓度及物质的量浓度。解：在20和标准压力下，取1 dm3的AgNO3水溶液为例计算AgNO3溶液的质量：m(溶液)=V=1.1080 kgdm-3 1 dm3=1.1080 kgAgNO3的质量：m(AgNO3)=0.12m(溶液)=0.121.1080g=0.1330 kgAgNO3的物质的量： nAgNO3=m(AgNO3)M(AgNO3)=133 g169.9 gmol-1=0.7828 mol;水的物质的量：nH2O=m(H2O)M(H2O)=1.108 kg0.8818 gmol-1=54.17 molAgNO3的摩尔分数：xAgNO3=n(AgNO3)nAgNO3+n(H2O)=0.7828 mol0.7828 mol+54.17 mol=0.0142AgNO3的质量摩尔浓度：bAgNO3=n(AgNO3)m(H2O)=0.7828 mol1.1080 kg 0.88=0.8028 molkg-1AgNO3的物质的量浓度：cAgNO3=n(AgNO3)V=0.7828 mol1 dm3=0.7828 moldm-310. 20时，乙醚的蒸汽压为58.95 kPa，今在0.1 kg乙醚中加入某种不挥发性有机物0.01 kg，乙醚的蒸汽压下降到56.79 kPa，求该有机物的相对分子质量。解：根据拉乌尔定律，溶液中溶剂的蒸汽压等于纯溶剂的蒸汽压乘以溶液中溶剂的摩尔分数，设溶剂乙醚为A，溶质不挥发性有机物为B；则pA=pA*xA;pA=pA*(1-xB)，则pA*-pA= pA* xB。则p=pA*nBnA+nBpA*nBnA=pA*mB/MBnA+mB/MB，代入数据则58.95-56.79kPa=58.95 kPa0.01 kg/MB0.1kgkg74/7410-3kgmol-1+0.01 kg/MB，MB=194.7202.0gmol-111. 0 及平衡压力为810.6 kPa下，1 kg水中溶有氧气0.057 g，问相同温度下，若平衡压力为202.7 kPa时，1 kg水中能溶有多少克氧气？解：由Henry定律知，在一定温度和平衡状态下，气体在液体中的溶解度(质量摩尔浓度)和该气体的平衡分压成正比。则p(O2)=kbx(O2)。压力为810.6 kPa时，bx(O2)=n(O2)/m(n(H2O)+n(O2)=0.057 g/(32 gmol-11 kg)/(1000g/18gmol-1+0.057 g/(32 gmol-1)=1.783.2110-53 molkg-1，k= p(O2)/b(O2)=810.6 kPa/1.783.2110-3 5 molkg-1=4.552.531078k Pakgmol-1；压力为202.7 kPa时，bx(O2) = p(O2)/kn(O2)x(O2)n(H2O)= (p(O2)/k)n(H2O)= (202.7kPa/2.53107kPa)(1000g/18gmol-1)=4.4410-4moln(O2)/m(H2O)，则m(O2)= 4.4410-432g=0.014 g。12. 101.3 kPa时，水的沸点为100 ，求0.09 kg的水与0.002 kg的蔗糖（Mr=342）形成的溶液在101.3 kPa时的沸点。已知水的沸点升高常数kb=0.513 Kkgmol-1。解：由沸点升高公式可以Tb=kbmB，mB=nB/mA=(0.002 kg/342gmol-1)/0.09 kg=6.5010-2 molkg-1；Tb=6.5010-2 molkg-10.513 Kkgmol-1=0.03 K，则溶液的沸点为100.03 C。13. 将12.2 g苯甲酸溶于100 g乙醇，所的乙醇溶液的沸点比纯乙醇的沸点升高了1.20 C；将12.2 g苯甲酸溶于100 g苯后，所的苯溶液的沸点比纯苯的沸点升高了1.32 C。分别计算苯甲酸在不同容溶剂中的相对分子质量。已知乙醇的沸点升高常数kb=1.23 Kkgmol-1，苯的沸点升高常数kb=2.64 Kkgmol-1。解：由沸点升高公式Tb=kbmkbb(苯甲酸)=kbm(苯甲酸)/(M(苯甲酸) m(溶剂)在乙醇溶液中 M(苯甲酸)=kbm(苯甲酸)/(Tm(乙醇)=1.23 Kkgmol-112.210-3kg/(1.20 K10010-3kg) =0.125 kgmol-1=125 gmol-1；在苯溶液中 M(苯甲酸)=kbm(苯甲酸)/(Tm(溶剂苯)=2.64 Kkgmol-112.210-3kg/(1.32 K10010-3kg) =0.244 kgmol-1=244 gmol-114. 与人体血液具有相同渗透压的葡萄糖水溶液，其凝固点比纯水降低0.543 ，求此葡萄糖水溶液的质量分数和血液的渗透压。已知Mr(葡萄糖)=180，水的凝固点降低常数kf=1.86 Kkgmol-1，葡萄糖水溶液的密度近似为1.0 kgdm-3。解：由凝固点降低公式Tf=kfmkfb(葡萄糖)= kfm(葡萄糖)/(M(葡萄糖) m(水)则m(葡萄糖)/ m(水) =Tf M(葡萄糖)/ kf= 0.543K0.18 kgmol-1/1.86 Kkgmol-1=0.05255葡萄糖水溶液的质量分数为w(葡萄糖)= m(葡萄糖)/ (m(水)+ m(葡萄糖)=0.050溶液的密度为1.0 kgdm-3，1 kg溶液的体积为V=1.00010-3 dm-3， 1 kg溶剂中含有葡萄糖额物质的量 n(葡萄糖)= Tfm(水)/ kf =0.5431/1.86 =0.2919 mol;由范霍夫公式知V=nBRT，则=nBRTV=0.2919 mol8.314 Jmol-1K-1（273.15+37）K110-3m3=7.53105 Pa
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