普通化学原理第一二章绪论.docx
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普通化学原理第一二章绪论
第一章:
绪论
一.尽快熟悉,适应和掌握大学的学习规律
1.大学与中学的差别
ⅰ.学习目的不同
ⅱ.课程内容不同
ⅲ.学习要求不同
ⅳ.学习的时间安排不同
ⅴ.学习的方法不同
2.大学的学习方法
ⅰ.提高听课效率
ⅱ.记好笔记
ⅲ.及时复习
ⅳ习题与讨论
3.尽快掌握大学的学习规律,做学习的主人
二.化学与医学
化学是研究物质的性质以及从一个物质转变到其它物质的反应的科学。
化学与物理:
共同点:
都是以物质为研究对象的姐妹学课
不同点:
宏观:
化学是研究物质变化的规律
物理是研究物质运动的规律
微观:
化学研究分子
物理研究原子,电子,质子,中子,介子等
化学和物理相互依存,物理是化学的理论基础,而化学为物理提供了物质基础。
自然科学包括数学,天文,地质,生物,化学和物理等学科。
化学与其它自然科学学科的关系见下图:
化学是一门中心学科,医学(药学)是综合学科。
医学是生命科学的最核心部分,现代生命科学的成果最终都体现在医学上,用于拯救人类的生命。
生命科学从经验的,表象的科学发展到今天分子层次的科学,化学是生命科学---医学的最重要的基础。
如:
人体各部分组成:
毛发,皮肤,骨骼,肌肉,血液等的成分,分子及结构。
人体各种生理,病理,代谢的现象与作用,是由1000多种生物酶催化反应组合而成。
药物,药理及诊断学。
三.化学分类
化学可分为无机,有机,分析,物化和高分子五个二级学科。
本课程讲述的化学原理,将涉及各个二级学科。
四.教材介绍
特点:
ⅰ.板块式:
相互间有联系,又有一定的独立性,可按不同的要求
组合。
ⅱ.内容丰富,有不同的层次和深度。
怎样正确使用:
以上课的内容为主线,按需查阅。
相关的基础------补习
相邻的内容------横向拓宽
跳开的内容------纵向深化
本学期共64个学时(期中考2学时)
准备2本习题本,每周四交作业
第二章:
气体与溶液
一.理想气体定律
1.概述
ⅰ.高中物理的复习。
ⅱ.气体是物质的一种物理状态。
所谓物质的气、液、固“三态”,气态就是其中之一。
一般指常温常压下气态物质。
1750年前只知道一种气体-----空气,现已知其精确组成:
N2:
0.78110O2:
0.20983Ar:
0.00934CO2:
0.00034
Ne:
1.32×10-5He:
5.2×10-6CH4:
1.3×10-6
Kr:
1.1×10-6H2:
5×10-7N2O:
3×10-7
Xe:
8.7×10-7H2O:
0~0.07O3:
0~7×10-8
CO:
0~2×10-8NO2:
0~2×10-8SO2:
0~1×10-8
现已知气体有:
单质:
He,Ne,Ar,Kr,Xe,H2,N2,O2,F2,CI2,O3.
化合物:
(Ⅲ)(Ⅳ)(Ⅴ)
B2H6Cn(n3)氢化物NO,NO2,N2O
BF3烷,烯,炔H3,PH3,AsH3
CO,CO2,(CN)2NF3,PF3,PF5
CF4,C2F4AsF5
SiH4,SiF4
(Ⅵ)(Ⅶ)
SO2,SO3,H2S,H2S2HF,HCI,HBr,HI
OF2,SF2,SF6CI2O,CIO2
在非常温常压下气态物质将更多。
2.气体的宏观性质
ⅰ.可压缩性(空气中分子距离约为分子直径的5倍)
ⅱ.可无限膨胀(倾向充满容器)
ⅲ.可互相溶解,混合
经验告诉我们,在一定温度和压强下,一定量气体常有一定的体积。
所以气体的状态可由V,P,T,n(m质量/M摩尔质量)来描述。
单位及换算
国际单位(SI)制:
千克·米·秒制
体积单位:
SI制中为m3(立方米),往往太大,常用L(dm3),或mL(cm3)。
温度单位:
T(温标)K(绝对温度)C(摄氏温度)°F(华氏温度)
tK=(tC+273)K0C=37°F
tF=(32+1.8tC)°F
压力(压强)单位:
符号:
P
单位SI制:
帕斯卡(Pa)1Pa=1Nm-2=1kgm-1s-2
其他:
标准大气压(atm)1atm=101,325Pa
乇(torr)1torr=(1/760)atm=133.322Pa
毫米汞柱(mmHg)1mmHg=1torr=133.322Pa
巴(bar)1bar=1×105Pa
磅每平方英寸(psi,lbin-2)14.6960psi=14.6960lbin-2=1atm
人体的标准血压:
<140/90mmHg~18.6/12.0Kpa
>90/60mmHg~12.0/8.0Kpa
注意:
本教材主要使用atm作为压力单位。
3.理想气体方程式(PV=nRT)
气体体系的宏观状态是由T、P、V和n四个宏观性质决定的,T、P、V和n就是气体体系的状态变量。
气体的这些状态变量之间有一定的内在联系,用数学语言说:
在四个状态变量之间存在着某种函数关系。
描述这种函数关系的数学方程式称为气体状态方程式。
理想气体定义:
ⅰ.气体分子只视作空间中一个质点,不占有体积。
ⅱ.分子间没有作用力,不会缔合。
只有在温度较高,压力很低时,实际气体才可以近似地看作为理想气体。
一般在上述条件下理想气体方程式可适用于任何气体。
理想气体方程式含四个变量,这在基于实验结果的自然定律中很少见,它是由自1660年至1850年近200年的实验研究,由先后发现的三个定律综合而成的.
ⅰ.温度恒定时,体积与压力的关系
1660年,波义耳(R.Boyle)定律:
P1V1=P2V2=······=常数
文字描述:
一定温度下,一定量气体的体积与压强成反比。
ⅱ.压力恒定时,体积与温度的关系
1780年,查理-盖吕萨克(Charles-Gay-Lussac)定律:
V1/T1=V2/T2=······=Vi/TiT=t+273
[一百年后,把T定为热力学温标K(Kelvin)]
文字描述:
一定压强下,一定量气体的体积与绝对温度成正比。
ⅲ.压力和温度恒定时,体积与含量的关系
1813年,阿佛伽德罗(Avogadro)定律:
V=K(P,T)n
文字描述:
等温等压下,气体的体积和它的化学量成正比。
在相同温度和压力下,等体积的不同气体的摩尔数相同。
即在标准条件(STP)0°C1atm下,1mol气体的体积=22.415L。
ⅳ.理想气体状态方程式
~1850年,克拉贝龙(Clapeyron)方程式
综合以上三个定律导出:
始态P1,V1,T1,n
终态P2,V2,T2,n
1.等温:
P1V1=P2V2’
(1)
2.等压:
V2’/T1=V2/T2
V2’=V2•(T1/T2)
代入
(1)P1V1=P2·(V2T1/T2)
P1V1/T1=P2V2/T2=······=常数=nR
故:
PV=nRT(R气体常数)
在标准条件(STP)0°C1atm下,1mol气体的体积=22.415L时,
代入上述方程式,得出:
R=1atm·22.415L/273.15K·1mol=0.08206atm·L·mol–1·K-1
=82.06atm·mL·mol-1·K-1
=62.367mmHg·L·mol-1·K-1
=8.315KPa·L·mol-1·K-1
注意:
不同的压力单位,需用不同的R值!
Pa=N/m2
KPa·L=Pa·m3=N·m=J
1atm·L=101.325Kpa·L=101.325J
则:
R=8.315J·mol-1·K-1=1.987Cal·mol-1·K-1
在热力学部分常用,请记住!
4.理想气体状态方程式的应用
ⅰ.直接应用于气体状态的计算
例1:
27°C,1atm下,10gN2应占多少体积?
解:
P=1atm,T=273+27=300K,n=10/28mol
V=nRT/P=(10/28mol×0.08206atm·L·mol–1·K-1×300K)/1atm=8.79L
ⅱ.间接应用
如气体分子量的测定(极限密度法)
PV=nRT=(W/M)·RT,M=(W/PV)·RT
则:
M=(d/p)·RT,一般只要测量压力和密度就可测得气体的分子量。
但许多实际气体与理想气体有偏离,计算结果偏差较大。
如CH3F在273.15K(0.00°C)时:
p(atm)dd/p
1.00001.54541.5454
0.66671.02411.5361
0.33330.50911.5274
此时可以d/p~p作图,得一直线,外推至p=0,d/p=1.5177,
以次值计算:
M=1.5177Χ0.08206Χ273.15=34.020
M实=34.033
5.气体分压定律(Dolton’sLaw)
1.理想气体定律适用于单一组分的气体也适用于混合气体,如空气。
2.设有A,B,C,三种气体的混合气体置于体积为V的容器中,则:
P总V总=n总RTn总=nA+nB+nC
若nA的A气体单独置于V容器PAV总=nART
nB的B气体单独置于V容器PBV总=nBRT
nC的C气体单独置于V容器PCV总=nCRT
有P总V总=n总RT
P总=n总RT/V总=(nA+nB+nC)RT/V总
=nART/V总+nBRT/V总+nCRT/V总
=PA+PB+PCPi=分压
分压定律:
一定温度下,混合气体的总压等于各气体成份的分压强之和,而各组分气体分压力与该组分气体单独占据容器时的压力相等。
3.pi与ni的关系
Pi/P总=ni/n总Pi=P总·ni/n总
ni/n总=摩尔分数(溶液浓度的表示方法之一)
故:
分压=总压·摩尔分数
4.Vi分体积------混合气体中各组分气体占据的体积
Vi=niRT/P总V总=VA+VB+·······+Vi
文字表达:
在容器中混合气体各组分气体所占据的体积,相当于该组分在P总压力下的体积-------分体积。
P总
Vi与pi,ni的关系
Vi/V总=ni/n总=i=Pi/P总即Pi·V总=P总·ViVi=V总·Pi/P总
可知:
Pi为ni在V总时的压力
Vi为ni在P总时的体积
注意:
Pi·Vi≠niRT是没有物理意义的!
!
5.分压定律的应用
利用Dolton分压定律可处理混合气体的问题,对化学反应来说是很重要的。
例1.在20℃,76.00cmHg时,通过排水集气法在水面上收集得到氧气500ml,已知20℃时水的饱和蒸汽压17.5mmHg,求:
ⅰ.该气体在75cmHg和50℃时的体积
解:
∵n总不变,故:
n2=P2V2/RT2=n1=P1V1/RT1
V2=P1V1T2/T1
=(75.00×10×500×323)/(75.00×10×293)
=558.5ml
ⅱ.该气体含氧多少克?
解:
收集气体中含水蒸汽PH2O=17.5mmHg
则:
PO2=(760.0-17.5)mmHg
PO2•V总=nRT=(m/M)·RT
m=M·PO2·V总/RT=32.00×(760.0-17.5)×500/(62367×293)
=0.65g
ⅲ.该气体在STP时的体积
解:
在1atm,273K时H2O蒸汽压降至4.58mmHg,多余水汽凝聚为液态,可忽略不计。
则:
PO2=(760.0-4.58)mmHg=755.42mmHg
V总=m/M•(RT/PO2)=0.65×273×62367/(32.0×755.42)
=458ml
(从分压求总体积)
ⅳ.气体经干燥剂处理后,在STP时的体积?
解:
除去水蒸汽后,为纯的氧气,此时体积为VO2
VO2=mRT/M·P总=0.65×273×62367/(32.0×760)
=455ml
或:
VO2/V总=PO2/P总
VO2=458×(760-4.58)/760
=455ml(从总压求分体积)
上面我们讨论的对象均为理想气体,而实际气体总是有偏差的,
尤其在温度低,压力高时偏差更大,因而在实际应用时必须加以校正。
如VanDerWaal方程:
其中a和b是分别用于校正压力和体积的参数,其数值随气体的种类不同而不同。
这部分内容在p197第8章气态中有较详细的叙述,大家可以自己学习。
二.液态与溶液
1.液态
液态和固态的分子间有很大的相互作用力,因而受到约束,不再具有气体的特性。
液态和固态又称作为凝聚态。
ⅰ.液体的蒸发,蒸气压与相平衡
第九章讨论了固体,液体的蒸气压,蒸气压与温度的关系,固、液、气三相平衡及相互转变的关系,这对我们后面的学习如溶液的依数性非常重要。
希望大家能认真阅读。
液体的蒸气压:
液体界面上的分子受到相互作用力是不平衡的,故具有逸出液体的倾向,运动速度越快的分子逸出的可能性越大。
这种逸出的液体分子就是该液体的蒸气。
同时,在界面外的逸出分子也有返回溶液的可能。
在一定的条件下(如压力,温度等)会达到平衡,平衡时
空气中逸出分子的分压就是该液体的蒸气压。
由于温度越高,分子运动的速度越大,则蒸气压也越高。
当蒸气压等于大气压时,液体沸腾,此时气—液平衡的温度即为沸点。
固体表面分子也有类似的倾向,也有蒸气、平衡和蒸气压,蒸气压与温度的关系也一样。
(如I2,樟脑等)
当在1atm*时,固~液达到平衡时的温度为熔点或凝固点(对水而言则为冰点)
而固~气达到平衡时的温度(不经过液态)为升华点。
*严格的物理熔点,应指蒸气压为1atm时的固~~液平衡
ⅱ.相律与相图(吉布斯1876年)
相律是多相之间达到平衡时一定要符合的规律。
数学表达式:
f=K-Φ+2
其中:
f为自由度,K为组份,Φ为相
对单组份:
K=1,(表示纯物质)
上式变为:
f=3-Φ
如:
Φ=1f=2P,T都是变量面
Φ=2f=1P或T只有一个可变线
Φ=3f=0P,T都不能变点
用图解法描绘体系相平衡的图形称为相图。
纯物质的相平衡由温度和压强二个变量决定,它们的相图是以压强为纵坐标、温度为横坐标的平面图。
相图在材料科学,化学等方面是非常重要的概念(如炼钢,多组分蒸馏等)。
本课程只讨论单组分相图。
下面看二个相图:
a).水的相图
OA:
冰的蒸气压曲线
OB:
水的蒸气压曲线
OC:
凝固点曲线
C:
2000.5atm-20℃
临界点:
218atm374.2℃
沸点(B.P):
1atm100℃
冰点(M.P):
1atm0.0℃
三相点:
0.06atm0.01℃
液/气过冷曲线可至-45℃
b).CO2的相图
OA:
CO2的升华曲线
OB:
CO2的蒸气压曲线
OC:
凝固点曲线
白色区域:
气相独立存在的区域
灰色区域:
液相独立存在的区域
黑色区域:
固相独立存在的区域
临界点:
73atm31.1℃
三相点:
5.1atm-56.6℃
升华点:
1atm-78.5℃
超临界态:
是气体和液态不能区分的状态。
超临界态的CO2是一种环保,无毒,无害的有机物萃取剂,广泛应用于医学及食品工业。
超临界态的H2O中氢键几乎全部破坏,密度很低,具有很高的扩散性,很快的传输能力,能与多种有机物如戊烷,甲苯等以任比例相溶,与各种气体如氧,空气,氢,氨等一样。
对有机物和氧来说是极好的熔剂。
任何有机物在400~600℃时能迅速分解成CO2和H2O。
如:
二噁英在600~630℃,252atm,只需0.1min,99.99%分解!
ⅲ.摩尔分数
溶质(或溶剂)摩尔数与溶液总摩尔数之比
溶质=n溶质/(n溶质+n溶剂);溶剂=n溶剂/(n溶质+n溶剂)
溶质+溶剂=1
小结:
a.以溶质和溶液相对量表示法
b.
溶质摩尔数mol溶液体积L体积摩尔浓度:
CM
摩尔数摩尔数摩尔分数:
质量g质量100g质量百分浓度:
%
质量g体积100ml体积百分浓度:
%(g/ml)
b.以溶质和溶剂相对量表示法
溶质摩尔数mol溶剂质量1000g质量摩尔浓度:
m
质量g质量100g溶解度:
S
质量浓度之间或体积浓度之间换算很简单,可直接进行。
质量浓度与体积浓度之间换算,必须知道溶剂和溶液的密度!
配制百分浓度有一种简便的混合规则,很实用。
其中:
A,B浓度(X),(Y)为浓度值
A1,B1加量(Z-Y),(X-Z)为加入值
而:
Z为需配制的溶液浓度
例1.用多少65%H2SO4溶液和水来配制25%H2SO4溶液?
用25份重量的65%H2SO4溶液和40份重量的水混合即可。
例2.用多少50%(g/ml)和5%(g/ml)葡萄糖溶液来配制500ml10%(g/ml)葡萄糖溶液?
(5/40+5)×500ml=55.5ml
(40/40+5)×500ml=444.5ml
即取50%(g/ml)的葡萄糖溶液55.5ml和5%(g/ml)葡萄糖溶液444.5ml混合即可。
2.溶液
ⅰ.概述
⑴定义:
溶液是由二种或二种以上纯物质的均相混合物。
其中量大的物质叫溶剂,量小的物质叫溶质。
均相:
指不同物种以分子或离子状态均匀分散的稳定体系。
从外表看:
任何部分都是均匀的,没有物理分界面。
从内部结构看:
物种微粒没有局部聚集,离析的趋势:
溶液存在形态:
由气,液,固物态构成,并以其中任一形态存在。
气~气如空气液~固如Na汞齐
气~液如汽水固~固如合金
气~固如H2溶于Pd固~液如海水
液~液如酒
而液~气如气雾,气溶胶
固~气如浮尘
则不是真溶液
其它不属于真溶液的有:
①.胶体溶液(胶体分散系,溶胶)
分散相半径1nm~100nm
该体系对光有散射作用-----丁道尔现象
②.悬浊液(分散相为固体),乳浊液(分散相为液体)
分散相半径>100nm,如黄河水,牛奶等
⑵气态溶液已在分压定律部分已讨论,本节只讨论液态溶液。
①.溶剂与溶质
水溶液:
水为溶剂,其它被溶物为溶质
汽~液,固~液:
液体为溶剂
液~液:
以量大的组分为溶剂
ⅱ.浓度和溶解度(此部分很重要)
浓度:
溶液的状态溶解度:
溶液的性质
1).浓度
代表:
溶液组的量度;溶剂和溶质的相对含量
由于历史原因及各行业的习惯,溶液浓度的表示方法很多。
可分成质量浓度和摩尔浓度二种,每种又有质量表示法和体积表示法。
2).溶解度
①.定义:
溶质X的饱和溶液是指与未溶解完的溶质X处于平衡状态的溶液。
该溶液的浓度就是溶质X在该溶剂中的溶解度。
因此饱和溶液必须与溶质共存。
否则,可能是不饱和溶液----加入溶质会继续溶解。
也可能是过饱和溶液----加入晶种等会析出溶质。
注意:
不饱和溶液不一定是稀溶液。
饱和,过饱和溶液不一定是浓溶液。
可以用任何一种浓度表示方式来表示溶解度。
但作为溶解度的常用单位是:
100克溶剂溶解溶质的克数(g/100g)
Ø10g
Ø易溶
>1~10g可溶
>1~0.1g微溶
<0.01g难溶
②溶解过程
③.溶解原理
由于溶解过程的复杂性,至今仍无法在理论上对一种最简单的固体,在最常见溶剂中的溶解度作出预言,目前能归纳出来并有说服力的是“相似者相溶”这一笼统的原则。
a.对L~L溶液
“相似”是指“结构相似”和“分子间作用力相似”
极性溶剂非极性溶剂
一般只有少量的极性有机溶剂能溶于H2O,如:
甲醇(CH3OH)乙醇(C2H5OH)水(H-OH)
结构相似,分子间存在氢键,故相互可无限相溶。
而CnH2n+1OH在水中的溶解度随n增加而下降,原因是:
①.分子间的作用力---氢键下降
②.溶质要打开H2O分子间氢键才能溶解。
碳链越长打断氢键的能
力越差,故
丁醇(n=4),=0.02
辛醇(n=8),=0.0008
非极性溶剂戊烷(C5H5)与己烷C6H14可无限相溶,而CHCl3(极性)CCl4(非极性)二者极性虽然不同,但结构和分子间作用力相似,也可混溶。
b.对S~L溶液:
固体在液体中的溶解度是有限的,原因在于固液之间分子间作用力相差太大。
可以推论:
在固体接近熔点时,分子间作用力接近溶液。
再推论:
在指定温度下,熔点低的固体,比结构相似,熔点高的固体的溶解度大。
溶质熔点(℃)溶质(在苯中的溶解度)
蒽2180.008
菲1000.21
萘800.26
联二苯690.39
杀虫剂,上世纪六十年代已禁用,但其残余物因几乎不溶于水(10-6g/dm3),依然存在于土壤,生物圈中。
DDT易溶于弱酸性,非极性的CHCl3,CCl4及煤油等溶剂中。
现在发现DDT富集在一些鸟类和野生动物的脂肪中,这是生物链的结果。
无机盐一般溶于极性大的H2O及某些非水溶剂如液氨中,我们将在离子平衡中讨论。
c.对g~L溶液:
从上面讨论可推理:
①.气体液化点(该液化气体的沸点)越高,其在溶剂中的溶解度越大。
难液化气体在H2O中的易液化气体在H2O中的
溶解度(l/l)溶解度(l/l)
He0.0138CO20.878
N20.016H2
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