第二章物質(zhì)狀態(tài)

1、 在通常的溫度和壓力條件下，物質(zhì)可以 三種不同的聚集狀態(tài)存在，即氣態(tài)、液態(tài)和 固態(tài)，在特殊條件下，還可以等離子態(tài)存在。 每一種狀態(tài)都各具特性。物質(zhì)處于什么狀態(tài) 與外界條件密切相關(guān)。 在一定的條件下，物質(zhì)總是以一定的聚 集狀態(tài)參加化學(xué)反應(yīng)，物質(zhì)處于什么狀態(tài)雖 屬物理性質(zhì)，但也影響它的化學(xué)行為，因此， 對(duì)物質(zhì)的各種聚集狀態(tài)的內(nèi)在規(guī)律的研究， 不僅可以說(shuō)明很多物理現(xiàn)象，而且解決了眾 多的化學(xué)問(wèn)題，因此認(rèn)識(shí)物質(zhì)的狀態(tài)及各具 有的特性是學(xué)習(xí)化學(xué)的重要基礎(chǔ)。 1. 理想氣體與理想氣體狀態(tài)方程 1)氣體的特性 氣體的基本特征是具有擴(kuò)散性、可壓縮 性和摻混性。物質(zhì)處在氣體狀態(tài)時(shí)，分子彼 此相距甚遠(yuǎn)，分子間的引

2、力非常小，分子都 在無(wú)規(guī)則地快速運(yùn)動(dòng)，氣體本身無(wú)一定的體 積和形狀，而且不同氣體能以任意的比例互 相混合從而形成均勻的混合物。因此，可以 認(rèn)為氣體的存在狀態(tài)幾乎和它們的化學(xué)組成 無(wú)關(guān)，致使氣體具有許多共同性質(zhì)。氣體的 存在狀態(tài)主要決定于四個(gè)因素，即：體積、 壓力、溫度和物質(zhì)的量。 2)理想氣體 假設(shè)有一種氣體，是一個(gè)具有質(zhì)量 的幾何點(diǎn)，并且分子之間沒(méi)有相互的吸 引力，分子之間及分子與器壁之間發(fā)生 的碰撞不造成動(dòng)能損失。這種氣體稱(chēng)為 理想氣體。 雖然理想氣體是一種假設(shè)的模型， 但低壓、高溫下的實(shí)際氣體的性質(zhì)非常 接近理想氣體。 3)理想氣體定律 pVnRT 上式即為理想氣體狀態(tài)方程。在國(guó)際單 位

3、制中p以Pa，V以m3，T以K為單位， 則R的值及單位為8.314Jmol1K1。 2. 分壓定律與分體積定律 1)分壓定律 在一定的溫度下，理想氣體混合物中 任一組分氣體的分壓，等于該組分氣體單 獨(dú)占有與混合氣體相同體積時(shí)所產(chǎn)生的壓 力；混合氣體的總壓力等于各組分氣體的 分壓力之和。 ppi ni/n是i組分氣體物質(zhì)的量與混合氣體 物質(zhì)的總量之比，稱(chēng)為i組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù) 即摩爾分?jǐn)?shù)，用xi表示。則 pi(ni/n)pxip (可由pV=nRT和pi=niRT推導(dǎo)得出) 該式為氣體分壓定律的另一種表達(dá)式，即 混合氣體中，某組分氣體的分壓等于該組 分氣體的摩爾分?jǐn)?shù)和總壓之乘積。 2)分體積定律

4、分體積是指混合氣體中任一氣體在 與混合氣體處于相同溫度下，壓力與混 合氣體總壓相同時(shí)所占有的體積?；旌?氣體的總體積等于各種氣體的分體積的 代數(shù)和，有 VVi 同樣可得 VixiV 3. 格拉罕姆氣體擴(kuò)散定律 恒溫恒壓下氣體的擴(kuò)散速率與其密度的平方根 成反比，有 a b b a u u 式中：ua、ub分別表示兩種不同氣體的擴(kuò)散速率； a、b分別表示兩種不同氣體的密度。 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，在恒溫恒壓下，氣體 的密度與其摩爾質(zhì)量成正比，則有 a b b a M M u u 式中：Ma、Mb分別表示兩種不同氣體的摩爾質(zhì)量。 氣體擴(kuò)散定律可用于測(cè)定氣態(tài)物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量。 在第八章講 1. 液體

5、的蒸發(fā)與凝固 1)液體的蒸發(fā) (1)蒸發(fā)過(guò)程及蒸氣壓 蒸 發(fā)凝 聚 飽和蒸氣飽和蒸氣壓（簡(jiǎn)稱(chēng)蒸氣壓） 液體的蒸氣壓是液體的特征之一，它 與液體量的多少和在液體上方的蒸氣體積 無(wú)關(guān)，而與液體本性和溫度有關(guān)。同一溫 度下，不同液體有不同的蒸氣壓；在不同 溫度時(shí)每種液體的蒸氣壓也不同。通常把 蒸氣壓大的叫做易揮發(fā)性物質(zhì)，蒸氣壓小 的叫做難揮發(fā)性物質(zhì)。 (2)液體的沸點(diǎn) 液體的沸點(diǎn)，是指液體的飽和蒸氣壓與 外界壓力相等時(shí)的溫度。在此溫度下，氣化 在整個(gè)液體中進(jìn)行，稱(chēng)為液體的沸騰；而在 此溫度以下，則氣化僅限于在液體表面上進(jìn) 行，即為蒸發(fā)。這就是達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)和在沸點(diǎn) 以下液體氣化之間的區(qū)別。 由于蒸發(fā)是吸

6、熱過(guò)程，所以升高溫度時(shí)， 液體分子中能量高、速率大的分子含量增多， 增加了表層分子逸出的機(jī)會(huì)，有利于液體的 蒸發(fā)，即液體的蒸氣壓隨溫度的上升而迅速 增大。 液體的沸點(diǎn)同外界氣壓密切相關(guān)。外 界氣壓升高，液體的沸點(diǎn)升高；外界氣壓 下降，液體的沸點(diǎn)也下降。當(dāng)外界氣壓為 101.325KPa時(shí)，液體的沸點(diǎn)稱(chēng)之為正常沸 點(diǎn)。水的正常沸點(diǎn)為100，當(dāng)外界氣壓高 于101.325KPa時(shí)，水的沸點(diǎn)高于100，外 界氣壓低于101.325KPa時(shí)，水的沸點(diǎn)低于 100。在高山上，由于空氣稀薄，大氣低 于101.325kPa，水在100以下就沸騰了。 例如，在珠穆朗瑪峰上，大氣壓力只有 32.4KPa，水在7

7、l就沸騰了。 2)液體的凝固 如果將液體溫度降低，液體會(huì)凝結(jié)成 固體，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為液體的凝固。相反的 過(guò)程稱(chēng)熔化。凝固是一種放熱過(guò)程，熔化 則是吸熱過(guò)程。 2. 稀溶液的依數(shù)性 不同的溶質(zhì)和溶劑組成的溶液往往有 不同的性質(zhì)，如顏色、密度、導(dǎo)電性等。 但是溶液有一些性質(zhì)如蒸氣壓下降、沸點(diǎn) 升高、凝固點(diǎn)下降以及溶液的滲透壓等， 只和溶液中溶質(zhì)的微粒數(shù)有關(guān)，它們隨溶 質(zhì)微粒數(shù)的改變而改變，與溶質(zhì)的本性無(wú) 關(guān)，故又稱(chēng)為溶液的依數(shù)性。 1)水的相圖 體系中具有相同的組成，相同物理性 質(zhì)和相同化學(xué)性質(zhì)的均勻部分稱(chēng)為相，相 與相之間有明確的界面。超過(guò)此相界面， 一定有某些宏觀性質(zhì)(如密度、折射率、組 成等)

8、要發(fā)生突變。相點(diǎn)則是表示某個(gè)相狀 態(tài)(如相態(tài)、組成、溫度等)的點(diǎn)。相圖即為 表達(dá)多相系統(tǒng)的狀態(tài)如何隨溫度、壓力、 組成等強(qiáng)度性質(zhì)變化而變化的圖形。 水的相圖是將水的蒸氣 壓隨溫度的變化曲線、冰的 蒸氣壓隨溫度的變化曲線、 水的冰點(diǎn)(水的凝固點(diǎn))隨壓 力的變化曲線融合在一個(gè)圖 中構(gòu)成的，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)繪 制，如圖所示。 氣、液、固三個(gè)單相區(qū) OC線是氣-液兩相平衡線，即水的蒸氣壓曲線 OB線是氣-固兩相平衡線，即冰的蒸氣壓曲線 OA線是液-固兩相平衡線 三相點(diǎn)與冰點(diǎn)的區(qū)別 同一溫度下，溶有難揮發(fā)溶質(zhì)B的溶液中，溶 液的蒸氣壓總是低于純?nèi)軇〢的蒸氣壓。 同一溫度下，純?nèi)軇┱魵鈮毫εc溶液蒸氣壓力 之差

9、叫做溶液的蒸氣壓下降。 2) 溶液的蒸氣壓下降 溶液蒸氣壓下降示意圖 BB xpp * p為溶液的蒸氣壓，pB*為純?nèi)軇?的蒸氣壓,xB為溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)。 )1 ( * AB xpp ABB xpppp * 在一定溫度下，難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶 液中溶劑的蒸氣壓下降(p)與溶質(zhì)的摩爾分 數(shù)成正比，這通常稱(chēng)為拉烏爾定律。此定律 只適用于稀溶液，溶液越稀，越符合定律。 在一定溫度時(shí)，難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶 液的蒸氣壓等于純?nèi)軇┑恼魵鈮撼艘匀軇┰?溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)，即 水溶液的沸點(diǎn)上升和 凝固點(diǎn)下降示意圖 3)溶液的沸點(diǎn)上升和凝固點(diǎn)下降 溶液的沸點(diǎn)是 指溶液的蒸氣壓等 于外界壓力時(shí)，溶 液沸騰時(shí)的溫度。

10、 而凝固點(diǎn)是物質(zhì)固 液兩相平衡時(shí)的溫 度，也就是固相蒸 氣壓和液相蒸氣壓 相等時(shí)的溫度。 bKT bb bKT ff 式中，Kb與Kf分別稱(chēng)做溶劑的摩爾沸點(diǎn)上升常數(shù)和溶 劑的摩爾凝固點(diǎn)下降常數(shù)(SI單位為Kkgmol1)。 應(yīng)用 難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的沸點(diǎn)上升和 凝固點(diǎn)下降與溶液的質(zhì)量摩爾濃度成正比， 可用下列數(shù)學(xué)式表示： 汽車(chē)散熱器(水箱)的用水中，加入乙二醇 使溶液的凝固點(diǎn)下降以防止結(jié)冰。 用測(cè)凝固點(diǎn)的方法來(lái)估算溶質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量。 植物的抗旱性和抗寒性與溶液蒸氣壓下降和凝 固點(diǎn)下降規(guī)律有關(guān)。 滲透及滲透壓 一種能有選擇地通過(guò)或阻止某些粒子的 物質(zhì)即一種只允許溶劑的分子通過(guò)，而不允 許溶

11、質(zhì)的分子通過(guò)的膜。 產(chǎn)生滲透壓示意圖 4) 滲透壓 擴(kuò)散 物質(zhì)自發(fā)地由高 濃度處向低濃度處遷 移的現(xiàn)象 半透膜 滲透壓產(chǎn)生的原理 cRT(n/V)RT 或VnRT 定量關(guān)系 應(yīng)用 滲透壓在生物學(xué)中的重要意義 滲透壓法測(cè)定大分子化合物的摩爾質(zhì)量 難揮發(fā)、非電解質(zhì)稀溶液的某些性質(zhì)(蒸 氣壓下降、沸點(diǎn)上升、凝固點(diǎn)下降和滲透壓) 與一定量的溶劑中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量成正 比，而與溶質(zhì)的本性無(wú)關(guān)。這就是稀溶液的 依數(shù)性定律。 應(yīng)該指出，稀溶液的依數(shù)性定律不適用于 濃溶液和電解質(zhì)。 3.膠體 1)分散系的分類(lèi) 一種或幾種物質(zhì)以細(xì)小的粒子分散 在另一種物質(zhì)里所形成的體系稱(chēng)分散系。 被分散的物質(zhì)稱(chēng)分散質(zhì)(或稱(chēng)分

12、散相)， 把分散質(zhì)分散開(kāi)來(lái)的物質(zhì)稱(chēng)分散劑(或稱(chēng) 分散介質(zhì))。 按分散質(zhì)粒子的大小，可將分散系 分為分子分散系(粒子平均直徑d1 nm), 膠體分散系(d約為1100 nm)和粗分散系 (d100 nm)。 2)膠體的制備方法 分散法，分散法主要有研磨法、超聲 波分散法、電分散法、膠溶法、電弧法。 聚集法，即由分子或離子在介質(zhì)中凝 結(jié)成一定尺寸的分子聚集體。通?？梢苑?為物理凝聚法和化學(xué)凝聚法。 3)膠體的動(dòng)力學(xué)性質(zhì) 溶膠的基本特征：膠粒具有很大的 表面積和表面能，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定 的。而膠體在一定時(shí)間內(nèi)又能夠穩(wěn)定存 在，膠體的高度分散性引起的動(dòng)力學(xué)特 性表現(xiàn)為布朗運(yùn)動(dòng)。 布朗運(yùn)動(dòng)：在超顯微鏡

13、下觀察到溶 膠中的膠粒在不斷地作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。布 朗運(yùn)動(dòng)是由于不斷熱運(yùn)動(dòng)的液體介質(zhì)分 子對(duì)膠粒撞擊的結(jié)果。 4)膠體的光學(xué)性質(zhì) 丁達(dá)爾效應(yīng)：若使一束聚光通過(guò) 溶膠，則從側(cè)面(與光束垂直的方向) 可以看到一個(gè)發(fā)光的圓錐體，此即為 丁達(dá)爾效應(yīng)?？梢杂枚∵_(dá)爾效應(yīng)來(lái)區(qū) 別溶膠和真溶液。 5)膠體的電學(xué)性質(zhì) 電泳：在電場(chǎng)中，溶膠體系的溶膠粒 子在分散劑中能發(fā)生定向遷移，這種現(xiàn)象稱(chēng) 為溶膠的電泳。可以通過(guò)溶膠粒子在電場(chǎng)的 遷移方向來(lái)判斷溶膠粒子的帶電性。 溶膠粒子帶電的主要原因 吸附作用 溶膠體系具有較高的表面能，而這些小顆粒為 了減小其表面能就要根據(jù)相似相吸的原則對(duì)體系中 的物質(zhì)進(jìn)行吸附。 電離作用 H2

14、SiO3HSiO3H HSiO32 6)溶膠的穩(wěn)定性與聚沉 (1)溶膠的穩(wěn)定性 溶膠具有動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和聚結(jié)穩(wěn)定性。 溶膠的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性是指分散粒子在重力 作用下，不會(huì)從分散劑中分離出來(lái)。 因?yàn)槿苣z粒子的質(zhì)量較小，其受重力的 作用也較小，溶膠粒子主要受布朗運(yùn)動(dòng)的控 制，因此不發(fā)生沉淀。 溶膠的聚結(jié)穩(wěn)定性是指溶膠在放置過(guò)程中， 不會(huì)發(fā)生分散質(zhì)粒子的相互聚結(jié)而產(chǎn)生沉淀。 溶膠的聚結(jié)穩(wěn)定性的產(chǎn)生主要是膠粒的 雙電層結(jié)構(gòu)和溶劑化膜共同作用的結(jié)果。 (2)溶膠聚沉 膠體分散系中的分散質(zhì)從分散劑中分離 出來(lái)的過(guò)程稱(chēng)為聚沉 造成溶膠聚沉的因素很多，如溶膠本身 濃度過(guò)高，溶膠被長(zhǎng)時(shí)間加熱，以及在溶膠 中加入強(qiáng)電解質(zhì)等。 電解質(zhì)的聚沉作