無機(jī)化學(xué)：第5章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)

中國藥科大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室第5章物質(zhì)的聚集狀態(tài)5.1氣態(tài)氣體的通性低壓下氣體的幾個經(jīng)驗(yàn)定律理想氣體狀態(tài)方程、分壓定律和分體積定律5.2溶液溶液的形成溶液的濃度表示法溶液的蒸氣壓和沸點(diǎn)稀溶液的拉烏爾定律和依數(shù)性物質(zhì)的聚集狀態(tài)：

固體液體氣體等離子體（Plasma）分子間作用力減弱蒸發(fā)熔化升華FIGURE10-19

Directtransitionsamongallthreestatesofmatternotonlyarepossiblebutareobservedineverydaylife.ThethreestatesofmatterStatesofMatterComparedIntermolecularforcesareoflittlesignificance;why?Intermolecularforcesmustbeconsidered.Intermolecularforcesareveryimportant.5.1氣態(tài)

氣體的最基本特征：可壓縮性擴(kuò)散性氣體的理想狀態(tài)：分子不占有體積分子間作用力忽略不計(jì)什么是理想氣體？低壓、高溫的實(shí)際氣體近似于理想氣體理想氣體遵循理想氣體狀態(tài)方程GraphicalRepresentationofBoyle’sLawWhenvolumeisincreasedthereismoreareaforthemoleculesto“hit”;lessforceperarea.Estimatethepressureat3Vandat5V.Whichplotiseasiertouseformakingthisestimation?GraphicalRepresentationofCharles’sLawWhentemperatureisdecreased(constantP)……volumedecreases.Extrapolationtothelowestpossiblevolume(zero)givesthelowestpossibletemperature(0K).Boyle’sLaw:Charles’sLaw:Avogadro’sLaw:理想氣體狀態(tài)方程其中，R為摩爾氣體常數(shù)。1mol理想氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（STP）：

p=101.325kPaT=273.15KVm=22.414×10-3m3則：注意單位：1.計(jì)算p，V，T，n四個物理量之一。2.氣體摩爾質(zhì)量的計(jì)算理想氣體狀態(tài)方程式的應(yīng)用pV=nRT3.氣體密度的計(jì)算組分氣體：理想氣體混合物中的每一種氣體分壓：組分氣體B在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時所產(chǎn)生的壓力，叫做組分氣體B的分壓。分壓定律PartialPressuresIllustratedPartialpressureofH2is2.9atm.PartialpressureofHeis7.2atm.Whatwouldbethetotalpressureif0.90molofN2wereaddedtothegasmixturein(c)?Hmm…partialpressureappearstoberelatedtothenumberofmolesofgas…FIGURE9-9

Fig.9-9,p.377AccordingtoDalton’slaw,thetotalpressureofagasmixtureisthesumofthepressuresexertedbytheindividualgases.Notethatthetotalvolumeisthesameinallthreecontainers.分壓定律：混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體分壓之和：

pt=p1+p2+

xB

B的摩爾分?jǐn)?shù)例題：某容器中含有NH3、O2

、N2等氣體的混合物。取樣分析后，其中n(NH3)=0.320、n(O2)=0.180、n(N2)=0.700mol?；旌蠚怏w的總壓p=133.0kPa。試計(jì)算各組分氣體的分壓。解：n總=n(NH3)+n(O2)+n(N2)=1.200mol=0.320mol+0.180mol+0.700molp(N2)=p總

－

p(NH3)－

p(O2)

=(133.0－

35.5－

20.0)kPa=77.5kPa分體積：

混合氣體中某一組分B的分體積VB是該組份單獨(dú)存在并具有與混合氣體相同溫度和壓力時所占有的體積。分體積定律1-1.溶液的形成和分類1.定義：兩種或兩種以上的物質(zhì)所形成的混合物，這些物質(zhì)在分子層次上是均勻的，分散程度達(dá)到分子水平。形成溶液后各部分的化學(xué)組成和物理性質(zhì)相同。三層含義：①混合物(mixture) ②分散程度：分子水平 ③均相系統(tǒng)，各部分物、化性質(zhì)相同一、溶液的形成溶液溶質(zhì)(solute)：被溶解的物質(zhì)溶劑(solvent)：溶解其他物質(zhì)的化合物2.組成電解質(zhì)非電解質(zhì)(electrolyte)(nonelectrolyte)糖、鹽水？有機(jī)物溶于汽油、酒精？空氣？氫氣溶于金屬鈀？汞溶于金？鋅溶于銅？紅豆和綠豆混合？開水沖泡奶粉？判斷：3.溶解過程N(yùn)aOH溶于水NH4NO3溶于水50升的水與50升的純乙醇混合50升苯與50升醋酸混合放熱吸熱白色無水CuSO4溶于水藍(lán)色體積<100升體積>100升Note：溶液不是溶質(zhì)和溶劑的機(jī)械混合。溶解(dissolve)進(jìn)行示意圖NaCl溶解

溶解過程是一個特殊的物理-化學(xué)過程，常有吸熱(endothermic)和放熱(exothermic)現(xiàn)象，并伴隨著能量、體積、顏色等變化。FormationofaSaturatedSolutionSolidbeginstodissolve.Assoliddissolves,somedissolvedsolutebeginstocrystallize.Eventually,theratesofdissolvingandofcrystallizationareequal;nomoresoluteappearstodissolve.Longerstandingdoesnotchangetheamountofdissolvedsolute.二、溶液的分類氣態(tài)溶液聚集狀態(tài)液態(tài)溶液固態(tài)溶液1.液態(tài)溶液氣態(tài)→液態(tài)：HCl溶于水固態(tài)→液態(tài)：NaCl溶于水iii.液態(tài)→液態(tài)：乙醇溶于水含量較多為溶劑液態(tài)物質(zhì)為溶劑2.氣態(tài)溶液：氣態(tài)混合物如：空氣；CO2、NO、H2的混合物3.固態(tài)溶液：各種金屬合金如：少量碳溶液溶于鐵→鋼；鋅溶于銅→黃銅ExamplesofSolutionsStateofSolutionStateofSolventStateofSoluteExampleGasGasGasAirLiquidLiquidGasOxygeninwaterLiquidLiquidLiquidAlcoholinwaterLiquidLiquidSolidSaltinwaterSolidSolidGasHydrogeninpalladiumSolidSolidLiquidMercuryinsilverSolidSolidSolidSilveringold1-2.溶液濃度的表示方法表示溶質(zhì)和溶劑的相對含量物質(zhì)的量濃度(mol?L-1)質(zhì)量摩爾濃度(mol?kg-1)摩爾分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)物理量的整體名詞(“長度”、“質(zhì)量”、“時間”)，是國際單位制中7個基本物理量之一含義：物質(zhì)所含粒子數(shù)目的多少，包括分子、原子、離子、質(zhì)子、電子等表示為物質(zhì)所含微粒數(shù)(N)與阿伏加德羅常數(shù)(NA)之比，即n=N/NA復(fù)習(xí)1.物質(zhì)的量(n)：物質(zhì)的量的單位，是國際單位制7個基本的單位之一：一摩爾的物質(zhì)含有阿佛加德羅常數(shù)個微粒，在數(shù)值上等于6.02×10232.摩爾例：計(jì)算1㎏S原子、0.25㎏Zn原子的物質(zhì)的量為多少？

S的物質(zhì)的量=1000/32=31.25mol0.25㎏Zn原子物質(zhì)的量=250/65.4=3.82mol

一摩爾分子、原子或離子的質(zhì)量為摩爾質(zhì)量，數(shù)值上等于分子、原子、離子的式量，以g/mol為單位例：一摩爾NaCl的摩爾質(zhì)量23＋35.5=58.5g/mol3.摩爾質(zhì)量(M)：1.物質(zhì)的量濃度(CB)溶質(zhì)B的物質(zhì)的量(mol)除以混合物的總體積(L)(amount-of-substanceconcentrationofB)nB：B的物質(zhì)的量；V：溶液的體積(mol?m-3或mol?L-1)每升含NaOH40g，基本單元(NaOH)=1mol?L-1每升含H2SO43×49g，基本單元(1/2H2SO4)=3mol?L-1每升含Ca2+20.04

g，基本單元(1/2Ca2+)=1mol?L-12.質(zhì)量摩爾濃度(mB)(molalityofsoluteB)nB：B的物質(zhì)的量；mA：溶劑的質(zhì)量溶質(zhì)B的物質(zhì)的量(mol)除以溶劑的質(zhì)量(kg)(mol?kg-1)3.摩爾分?jǐn)?shù)(xB)溶質(zhì)B的物質(zhì)的量(mol)除以混合物的總物質(zhì)的量(mol)(molefractionofB)nB：B的物質(zhì)的量：溶液中所有物質(zhì)的物質(zhì)的量總和xB：量綱為14.質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wB)溶質(zhì)B的質(zhì)量(g)除以混合物的總質(zhì)量(g)mB：B的質(zhì)量：溶液中所有物質(zhì)的總質(zhì)量摩爾比rB(molarratioofsoluteB)

溶質(zhì)的物質(zhì)的量與溶劑的物質(zhì)的量之比質(zhì)量濃度

B(massconcentrationofB)

溶質(zhì)的質(zhì)量除以溶液的體積溶解度

100g溶劑中所能溶解溶質(zhì)的最大質(zhì)量(g)1-3.液體的沸點(diǎn)與蒸氣壓蒸發(fā):液體表面的氣化現(xiàn)象叫蒸發(fā)(evaporation).敞口容器干涸吸熱過程分子的動能：紅色：大黑色：中藍(lán)色：低一、液體的蒸氣壓蒸發(fā):密閉容器蒸發(fā)冷凝“動態(tài)平衡”恒溫飽和蒸氣壓：與液相處于動態(tài)平衡的這種氣體叫飽和蒸氣，它的壓力叫飽和蒸氣壓，簡稱蒸氣壓。飽和蒸氣壓的特點(diǎn)：溫度恒定時，為定值；氣液共存時，不受量的變化；不同的物質(zhì)有不同的數(shù)值。分子的動能：紅色：大黑色：中藍(lán)色：低蒸發(fā)初始蒸發(fā)進(jìn)行中圖示飽和蒸氣壓V蒸發(fā)=V冷凝液體的蒸氣壓(vaporpressure)

液體蒸發(fā)后，剛開始空間內(nèi)的分子數(shù)不多，凝結(jié)量也不多而蒸發(fā)等速進(jìn)行，蒸氣中的分子隨時間推移不斷增多，凝結(jié)量也不斷增加，最終蒸發(fā)量與凝結(jié)量相等，即蒸發(fā)出的分子數(shù)與冷凝下的分子數(shù)相等，V蒸發(fā)=V冷凝

此時，宏觀上，蒸氣的密度不再增加，此時的蒸氣壓為飽和蒸氣壓，可以用來衡量液體的逃逸傾向。1).蒸氣壓是液體自身的性質(zhì)，由平衡時的飽和蒸氣壓來衡量2).特點(diǎn):

溫度恒定時，為定值；

氣液共存時，不受量的變化；

不同的物質(zhì)有不同的數(shù)值3).隨溫度升高而增加Note:水在不同溫度時的飽和蒸氣壓思考：密閉容器里裝滿液體，是否有蒸氣壓？有，仍然存在少數(shù)能量較大的分子離開母體而進(jìn)入空氣的傾向2.固體是否有蒸氣壓？有，只不過很小，通常不予考慮

二、液體的沸點(diǎn)

沸點(diǎn)之前，氣化發(fā)生在液體表面，蒸氣壓不斷增加達(dá)到一定溫度，液體表面和內(nèi)部都發(fā)生氣化，蒸氣壓等于外壓，液體就沸騰思考：加熱液體時，液體蒸氣壓力的變化？沸點(diǎn)與外界壓力有關(guān)。外界壓力等于101.3kPa(1atm)時的沸點(diǎn)為正常沸點(diǎn)，簡稱沸點(diǎn)。當(dāng)溫度升高到蒸氣壓與外界氣壓相等時，液體就沸騰，這個溫度就是沸點(diǎn)。沸騰是在液體的表面和內(nèi)部同時氣化。熱源Note：1).沸點(diǎn)隨外壓而變，壓力越大，沸點(diǎn)越高正常沸點(diǎn)：外壓等于標(biāo)準(zhǔn)壓力(101.325kPa)時液體的沸點(diǎn)2).在高山地區(qū)用高壓鍋煮飯

高山地區(qū)氣壓低，水沸點(diǎn)降低，飯難于煮熟。使用高壓鍋，鍋內(nèi)氣壓可達(dá)到常壓的一倍，水的沸點(diǎn)約在120oC左右，飯就很容易煮爛3).減壓蒸餾(vacuumdistillation)

當(dāng)物質(zhì)常壓蒸餾易于分解或氧化，或分離提純沸點(diǎn)較高的物質(zhì)，可在減壓的情況下蒸餾以降低沸點(diǎn)1-4難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的依數(shù)性(Colligativepropertiesofdilutesolution)

顏色、導(dǎo)電性、酸堿性溶液的蒸氣壓(vaporpressure)溶液的沸點(diǎn)(boilingpoint)溶液的凝固點(diǎn)(freezingpoint)滲透壓(osmoticpressure)

溶液性質(zhì)溶質(zhì)獨(dú)立質(zhì)點(diǎn)數(shù)決定：溶質(zhì)本質(zhì)決定：(溶液的濃度)蒸氣壓下降：與純?nèi)軇┫啾龋y揮發(fā)的物質(zhì)的溶液蒸氣壓下降。問題：如果將蔗糖溶解在水中形成溶液，其蒸氣壓有何變化？將一難揮發(fā)非電解質(zhì)溶于某溶劑時，將出現(xiàn)如下現(xiàn)象：蒸氣壓溶液純?nèi)軇┓悬c(diǎn)溶液純?nèi)軇┠厅c(diǎn)溶液純?nèi)軇?lt;><溶液與純?nèi)軇┲g產(chǎn)生滲透壓同一溫度下，溶有難揮發(fā)溶質(zhì)B的溶液中，溶劑A的蒸氣壓力總是低于純?nèi)軇〢的蒸氣壓力。原因在于溶劑的一部分表面被溶質(zhì)微粒占據(jù)，使得單位時間內(nèi)從溶液中蒸發(fā)的分子減少，使得溶液的蒸發(fā)速率降低。同一溫度下，純?nèi)軇┑恼魵鈮毫εc溶液的蒸氣壓力之差叫做溶液的蒸氣壓下降。一、蒸氣壓下降(vaporpressurelowing)

－拉烏爾定律Raoult定律

一定溫度下，難揮發(fā)非電解質(zhì)“稀”溶液的蒸氣壓等于同溫度下純?nèi)軇┑娘柡驼魵鈮撼艘匀軇┑哪柗謹(jǐn)?shù)。P=P0

?

XAP：稀溶液的蒸氣壓P0：純?nèi)軇┑娘柡驼魵鈮篨A：溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)若僅有兩個組分，設(shè)溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)為XB：ΔP=PA0

?

XBΔp:溶劑蒸氣壓降低值XB：溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)Note：1).拉烏爾定律是溶液最基本的經(jīng)驗(yàn)定律之一，稀溶液的其他通性都可根據(jù)它進(jìn)行分析和解釋。2).一般來說，只有稀溶液中的溶劑方能準(zhǔn)確遵守拉烏爾定律。3).可以求算非揮發(fā)性溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量MB對于稀溶液，即nA

nB，4).如取1000g溶劑，數(shù)值上nB＝m(質(zhì)量摩爾濃度)Note：m：質(zhì)量摩爾濃度5)*.若溶質(zhì)和溶劑均有揮發(fā)性(雙液系)，此時溶液蒸氣壓為兩種組分之和。如：甲醇和乙醇；苯和甲苯二、沸點(diǎn)升高與凝固點(diǎn)降低

為什么含植物油較多的湯不易煮沸？為什么海水在273Ｋ不凍結(jié)？為什么冰鹽浴的溫度比冰浴的低？為什么冬天在公路上撒用CaCl2或NaCl？為什么在嚴(yán)寒的冬天，在汽車水箱中加入甘油或乙二醇等物質(zhì)？沸點(diǎn)(bp:boilingpoint)：液體的蒸氣壓等于外界壓力時的溫度。正常沸點(diǎn)外壓＝101.3kPa的沸點(diǎn)凝固點(diǎn)(fp:freezingpoint)：固態(tài)純?nèi)軇┖鸵簯B(tài)溶液平衡時的溫度（溶液凝固點(diǎn)是指和溶劑的固態(tài)共存的溫度）水和冰的蒸氣壓力曲線Note：(1)曲線上的每一點(diǎn)對應(yīng)著相應(yīng)壓力下水的沸點(diǎn)、凝固點(diǎn)(2)液體的飽和蒸氣壓隨溫度升高而增大；沸點(diǎn)隨外壓增加而升高AB：純水的蒸氣壓曲線AC：冰的蒸氣壓曲線A：P下，Tf*時，水凝固B：P*下，Tb*時，水沸騰T/KP(H2O,g)/PaTf*PP*Tb*水冰ABC水溶液的沸點(diǎn)上升和凝固點(diǎn)下降示意圖ΔTbΔTfP*P(H2O,g)/PaTf*P水冰ABTb*沸點(diǎn)增加ΔTb凝固點(diǎn)降低ΔTfB’A’Tb

Tf

ΔTb=Kb

·mBΔTf=Kf

·mBKb：溶劑的摩爾沸點(diǎn)升高常數(shù)(ebuillioscopicconstant)Kf：溶劑的摩爾凝固點(diǎn)下降常數(shù)(cryoscopicconstant)mB：溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度沸點(diǎn)升高(Boiling–PointElevation)

含有難揮發(fā)性非電解質(zhì)溶質(zhì)的稀溶液，其沸點(diǎn)總高于純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)，沸點(diǎn)升高值與溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度成正比，而與溶質(zhì)本性無關(guān)。凝固點(diǎn)降低(Freezing–PointRepression)

含有難揮發(fā)性非電解質(zhì)溶質(zhì)的稀溶液，其凝固點(diǎn)總低于純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)，凝固點(diǎn)下降值與溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度成正比，而與溶質(zhì)本性無關(guān)。Note：1).純?nèi)軇┑姆悬c(diǎn)恒定，而溶液沸點(diǎn)不斷變化(濃度不斷變化，飽和溶液的沸點(diǎn)恒定)，一般指溶液的沸點(diǎn)是指溶液剛開始沸騰時的溫度。2).ΔTb=Kb?mB

只適用于難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液，對于電解質(zhì)溶液及濃溶液，沸點(diǎn)升高的定性關(guān)系成立，但定量關(guān)系需要校正。OsmosisandOsmoticPressureNetflowofwaterfromtheoutside(pureH2O)tothesolution.Thesolutionincreasesinvolumeuntil……theheightofsolutionexertstheosmoticpressure(π)ofthesolution.FIGURE11-14

Fig.11-14,p.465Inthisdevicetomeasureosmoticpressure,thesemi-permeablemembraneallowssolvent,butnotsolute,moleculestopassthrough.Thisresultsinanetflowofsolventintothetubeuntilequilibriumisachieved,withthelevelofsolutionataheight,h,abovethesolventinthebeaker.Oncethishappens,thesolventmoleculespassthroughthemembraneatthesamerateinbothdirections.

p.466Whenacarrotisimmersedinsaltwater(left),waterflowsoutintothesolution,causingthecarrottoshrink.Theosmoticpressureoutsidethecellsofthevegetableisgreaterthanthatinside.Acarrotleftinpurewater(right)doesnotshrivel.三、滲透壓

為什么海洋中的動物不能生活在淡水中為什么吃咸的食物時就有口渴的感覺為什么血紅細(xì)胞置于純水中會脹成圓球?yàn)槭裁唇o缺水的植物澆水，不久植物會莖葉挺立問題：如果將隔板拿開，兩邊的液體有何變化？

水分子向糖水一側(cè)擴(kuò)散，溶質(zhì)分子向水一側(cè)擴(kuò)散，直至形成均勻的溶液。滲透(osmosis)現(xiàn)象半透膜：能通過溶劑分子而不能通過溶質(zhì)分子(1)半透膜：讓某些物質(zhì)通過，而不允許另一些物質(zhì)通過的多孔性材料。(2)滲透：溶劑（水）透過半透膜而進(jìn)入溶液的現(xiàn)象稱之。(3)滲透壓:為阻止被半透膜所隔開的純?nèi)軇┫蛉芤簼B透所需要的壓力滲透作用必須滿足二條件：①有半透膜

②膜兩邊溶液的濃度不同Van’tHoff(范特霍夫)Π

：稀溶液的滲透壓(kPa/Pa)cB

：溶質(zhì)B的物質(zhì)的量濃度(mol?L-1/mol?m-3)T：熱力學(xué)溫度KR：摩爾氣體常數(shù)8.314kPa·L·mol-1·K-1/8.314Pa·m3·mol-1·K-1ΠV=nBRTΠ=cBRT滲透現(xiàn)象的應(yīng)用

植物利用根部從土壤中吸取水分和養(yǎng)分

植物的滲透壓高于土壤的滲透壓，植物才能不斷地吸收水分和養(yǎng)料，促使本身生長；莊稼施肥過多會出現(xiàn)“濃肥燒死苗”的現(xiàn)象人體內(nèi)營養(yǎng)循環(huán)

細(xì)胞膜(半透膜)分離新陳代謝中的廢物，維持體內(nèi)電解質(zhì)平衡，過膜吸收營養(yǎng)成分為各器官提供能量……滲透壓在醫(yī)學(xué)上醫(yī)學(xué)上規(guī)定：大于320mmol·L-1

高滲溶液280～320mmol·L-1

等滲溶液小于280mmol·L-1

低滲溶液將紅細(xì)胞置于等滲溶液中，溶液與紅細(xì)胞內(nèi)液的滲透壓力相等，細(xì)胞內(nèi)、外處于滲透平衡狀態(tài)，細(xì)胞形態(tài)不發(fā)生變化。反滲透若在溶液一側(cè)外加一個大于滲透壓的外壓時，溶劑可從溶液向溶劑滲透或從濃溶液向稀溶液滲透的現(xiàn)象稱做反滲透。

蒸氣壓下降，沸點(diǎn)上升，凝固點(diǎn)下降，滲透壓都是難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的通性；它們只與溶劑的本性和溶液的濃度有關(guān)，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。蒸氣壓下降是核心。正是由于蒸氣壓的下降，引起了沸點(diǎn)升高和凝固點(diǎn)降低。小結(jié)問題：若把一杯水和一杯糖水放在一密閉容器里，將會發(fā)生什么變化？1234蒸氣