大一無機化學第一章.ppt

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2019/11/27,第一章 物質存在狀態(tài),教學方式：自學與講授結合 主要內(nèi)容： 理想氣體的有關定律 液體的一般性質 水以及水溶液的一般性質 非電解質稀溶液的通性---依數(shù)性 膠體一般性質 參考書目： 現(xiàn)代化學導論，申泮文等/ 無機與分析化學，陳榮三等 作業(yè)：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、離子 物質---化學研究“實物”，不包括物質的另一基本形態(tài)-場(以連續(xù)形式存在的物質形態(tài))。 組成--- 化學組成包括定性組成和定量組成。 定性: 含有哪些元素; 定量: 各元素的質量百分比、原子個數(shù)比、化學式及分子式等。 結構---原子、分子和晶體結構以及說明物質結構的各種結構理論。 性質--物理性質和化學性質。物理性質諸如溶解性、熱性質和某些譜學性質等。 變化--- 化學不僅研究化學變化，也研究與化學變化相關的物理變化。如熱化學、電化學和表面化學都是研究與化學過程相關的物理過程。,1.1 化學基本術語-自學,2019/11/27,物質的存在狀態(tài),2019/11/27,1.2 氣體 (Gas),*氣體分子運動論(Gas Kinetic Theory),氣體是由分子組成的，彼此間距離??分子直徑，分子體積與氣體體積相比可忽略不計； 氣體分子處于永恒的無規(guī)則運動中； 氣體分子之間相互作用可忽略，除相互碰撞時； 氣體分子相互碰撞或對器壁的碰撞都是彈性碰撞。碰撞時總動能保持不變，沒有能量損失。 分子的平均動能與熱力學溫度成正比。,基本假設 (Fundamental Assumption),2019/11/27,假定： 分子不占有體積 分子間作用力忽略不計 P V = n R T,壓力,體積,溫度,氣體常數(shù),摩爾數(shù),適用于：溫度較高或壓力較低時的稀薄氣體,1. 理想氣體狀態(tài)方程,---(Perfect Gas Equation),2019/11/27,氣體狀態(tài)方程 的 運用,R 的取值：隨壓力單位的變化而不同 8.31 kPa dm3 mol-1 K-1 0.082 atm dm3 mol-1 K-1 幾種變化情況： 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,具體應用: 1). 已知三個量，可求出第四個量； 2). 測求氣體的分子量M；,3). 已知氣體的狀態(tài)求其密度?；,2019/11/27,例題：計算摩爾質量(Mole Mass),解：求出摩爾質量，即可確定分子式。 設氟化氙摩爾質量為M， 密度為r (g dm-3)，質量為m (g)， R 應選用 8.31 (kPa dm3 mol-1 K-1)。,惰性氣體(Nobel Gas)氙(Xenon)能和氟(Fluorine)形成多種氟化物XeFx。實驗測定在80?C，15.6 kPa 時，某氣態(tài)氟化氙試樣的密度為0.899 (gdm-3)，試確定這種氟化氙的分子式。,2019/11/27,有關氣體體積的化學計算,例:為了行車的安全，可在汽車中裝備上空氣袋，防止碰撞時司機受到傷害。這種空氣袋是用氮氣充脹起來的,，所用的氮氣是由疊氮化鈉與三氧化二鐵在火花的引發(fā)下反應生成的?？偡磻牵?2019/11/27,6NaN3+Fe2O3(s) ? 3Na2O(s)+2Fe(s)+9N2(g) 在25℃。748mmHg下，要產(chǎn)生75.0L的N2，計算需要疊氮化鈉的質量。 解： 根據(jù)化學反應方程式所顯示出的n(NaN3)與n(N2)的數(shù)量關系，可以進一步確定在給定條件下，m(NaN3)與V(N2)的關系。,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,產(chǎn)生偏差的原因有兩方面： （1）氣體分子體積的影響。 當壓力升高時，氣體體積變小，在充有氣體的容器中，自由空間減小，由于忽略分子體積所產(chǎn)生的誤差就要顯現(xiàn)出來。,* 實在氣體(Real Gas)的狀態(tài)方程,理想氣體狀態(tài)方程僅適合于足夠低壓力下真實氣體,（2）分子間相互作用的影響。 當氣體的體積縮小，壓力增大時，分子間靠得較近，分子間力變得足夠強，減弱了分子間對器壁的碰撞，相應產(chǎn)生的壓力變小。不同種氣體，其分子間的作用力不同，由于分子間力的影響偏離理想氣體的程度有所不同。,2019/11/27,van der Waals 方程,a, b分別稱為van der waals常量。,1，體積因素：V實在= (V理想 - nb) 等于氣體分子運動的自由空間。b為1mol氣體分子自身體積的影響。 2，壓力因素：分子間吸引力正比于(n/V)2，內(nèi)壓力p′=a(n/V)2，p實在 = p理想 + a(n/V)2,2019/11/27,二. 混合氣體分壓定律 (Law of Partial Pressure),組分(Component)氣體 ： 理想氣體混合物中每一種氣體叫做組分氣體。 分壓(Partial Pressure)： 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,2019/11/27,分壓(Pi)：相同溫度下，某組分氣體與混合氣體具有相同體積時的壓力稱為該組分氣體的分壓。P總=P1+P2+…+Pi,1. 混合氣體的四個概念,分體積(Partial Volume, Vi)：相同溫度下，某組分氣體與混合氣體具有相同壓力時的體積稱為該組分氣體的分體積。V總=V1+V2+…+Vi,體積分數(shù)(Volume Fraction, ?i)：?i=Vi/V總,摩爾分數(shù)(Molar Fraction, ?i)：?i=ni/n總,2019/11/27,a. 定律： 混合氣體的總壓力等于組分氣體分壓之和。P總=P1+P2+P3+….+Pi 某組分氣體分壓的大小和它在氣體混合物中的體積分數(shù)或摩爾分數(shù)成正比。,2. 混合氣體的Dalton分壓定律,b. 適用范圍： 理想氣體及T、P較低的實際混合氣體； 混合氣體各組分間不發(fā)生化學反應。 c. 應用：,2019/11/27,已知分壓求總壓或由總壓和體積/摩爾分數(shù)求分壓。,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)=0.320mol，n(O2) =0.180 mol，n(N2) = 0.700 mol?；旌蠚怏w的總壓 p = 133.0 kPa。試計算各組分氣體的分壓。,解：n總 = nNH3 + nO2 + nN2 = 0.320mol + 0.180mol + 0.700mol = 1.200mol,2019/11/27,分壓定律的應用－排水取氣問題,Hydrochloric acid,Zinc granule,2019/11/27,例題: 可用亞硝酸銨受熱分解方法制取純氮氣。 反應如: NH4NO2(s) ?2H2O(g) + N2(g) 如果在19℃、97.8kPa下，以排水集氣法在水面上收集到的氮氣體積為4.16L，計算消耗掉的亞硝酸銨的質量。,解：T = (273+19) K = 292K, P = 97.8kPa, V = 4.16L 292 K 時，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,* 氣體擴散定律-Graham Law,1. 定律：T, P相同時，各種不同氣體的擴散速度與氣體的密度的平方根成反比。,2. 用途： 測定氣態(tài)物質的相對分子量； 分離：同位素235U(0.72%)，238U(99.2%) 擴散速度比：235UF6(g)/238UF6(g)=1.004,2019/11/27,例題,2019/11/27,*,液體是氣體到固體的中間過渡態(tài),氣體,液體,固體,,,沸點,凝固點,氣化（蒸發(fā)）,,,熔點,凝聚點,液化,熔化,凝固,摩爾蒸發(fā)(氣化)焓,摩爾凝固熱,?vapH?m,1.3 液體 (Liquid) ---自學,2019/11/27,1，液體的狀態(tài)和性質 2，蒸發(fā)（氣化）與蒸氣壓,蒸發(fā): 液體表面的氣化現(xiàn)象（evaporation)。,敞口容器,干涸,吸熱過程,分子的動能 紅色：大 黑色：中 藍色：低,2019/11/27,蒸氣壓,蒸發(fā):,密閉容器,蒸發(fā) ? 冷凝 “動態(tài)平衡”,恒溫,分子的動能 紅色：大 黑色：中 藍色：低,,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 溫度恒定時，為定值； 氣液共存時，不受量的變化； 不同的物質有不同的數(shù)值。,2019/11/27,沸騰:,帶活塞容器， 活塞壓力為 P,沸點與外界壓力有關。外界壓力等于101 kPa (1 atm)時的沸點為正常沸點，簡稱沸點。,當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。,熱源,沸騰是在液體的表面和內(nèi)部同時氣化。,,,,,,,2，蒸發(fā)（氣化）與蒸氣壓,2019/11/27,例： 水的沸點為 100C，但在高山上，由于大氣壓降低，沸點較低，飯就難于煮熟。 而高壓鍋內(nèi)氣壓可達到約10 atm，水的沸點約在180C左右，飯就很容易煮爛。,“過熱”液體：溫度高于沸點的液體稱為過熱液 體，易產(chǎn)生爆沸。 蒸餾時一定要加入沸石或攪拌，以引入小氣泡，產(chǎn)生氣化中心，避免爆沸。,2019/11/27,蒸氣壓曲線:,曲線為氣液共存平衡線； 曲線左側為液相區(qū)； 右側為氣相區(qū)。,蒸氣壓,正常沸點,,2，蒸發(fā)（氣化）與蒸氣壓,2019/11/27,一. 水（自學）-參見《現(xiàn)代化學導論》* 水－一種重要的化學物質 水的一般物理性質和反常物理性質 水的結構 (網(wǎng)絡課堂) 水的化學性質 水在自然界中的作用－河水、海洋 水的凈化＊＊,1.4 水和溶液,2019/11/27,二. 溶液（自學為主） 1. 溶液的基本概念* ：,溶解度(Solubility)： 表示物質在液體中的溶解能力 溶解度與溫度、溶質和溶劑有關 “相似相溶”原理 飽和溶液(Saturate solution)－溶解平衡,2. 溶解過程-水合作用、水合離子* 3. 水合物-結晶水合物* 4. 溶解熱- ?H?m= U+ ?hH?m *,可溶: S 1g/100g 微溶: 0.1 S 1g/100g 難溶: S 0.1g/100g,2019/11/27,質量分數(shù)(質量百分比濃度)：符號w，無量綱 ＊如果溶液以體積度量：溶液體積?溶液比重=溶液質量,＊體積為ml時的換算,＊質量為kg時的換算,5. 溶液濃度的表示*（自學為主）,物質的量濃度(體積摩爾濃度)：符號c，mol/dm3,質量摩爾濃度(molality)：符號m，mol/kg,溶劑,2019/11/27,物質的量濃度c (moldm-3) ? 溶液體積V(dm3) =溶質的物質的量n (mol) 當溶液稀釋或者濃縮時物質的量不變，因此有： c1V1=c2V2,任何物質均存在著飽和蒸氣壓。 純物質的飽和蒸氣壓只與本身和溫度有關。 在一定溫度下，飽和蒸氣壓為一個常數(shù)。 溶液的蒸氣壓降低：?p=p純水-p溶液=Km,7. 溶液的蒸氣壓,6. 稀釋規(guī)則*,2019/11/27,沸點(Boiling-point) Tb時蒸氣壓=外界壓力，沸騰 凝固點(Freezing-point) Tf時蒸氣壓=外界壓力，凝固 稀溶液的Tb上升(?Tb)和Tf下降(?Tf),8. 溶液的沸點升高和凝固點降低,現(xiàn)象與解釋： 圖示說明 根本原因 稀溶液的蒸氣壓下降,2019/11/27,定量描述： ?Tb = Kb m…Kb-沸點升高常數(shù)(ebullioscopic constant) ?Tf = Kf m…Kf-凝固點下降常數(shù)(cryoscopic constant),Note: Kb、Kf只與溶劑的性質有關，可查閱化學手冊得到。 Kb、Kf物理意義：1000g溶劑中加入1mol難揮發(fā)的非電解質溶質時，溶液沸點升高或凝固點下降的度數(shù)。 溶質：非電解質：不電離。 電解質：電離后，產(chǎn)生的粒子數(shù)目有變化。,有關應用計算： 已知稀溶液濃度，求?Tb，?Tf ； 已知稀溶液的?Tb、?Tf ，求溶液的濃度、溶質分子量。,2019/11/27,例題：將某樣品5.50g溶于250g苯中，測得溶液的凝固點下降Tf為1.02K。請推測該樣品的分子式，已知樣品的實驗式為C3H6O。,解：(1) 設樣品的摩爾質量為M 則苯溶液的質量摩爾濃度：,(2) 由樣品的實驗式C3H6O的式量55.0可知，其化學式應為： C6H12O2,由公式?Tf = Kf m可得：?Tf = 5.12?22.0/M=1.02 M = 110 (g mol-1)，樣品的分子量為110。,2019/11/27,實際應用： 制冷劑：電解質，如 NaCl，CaCl2 實驗室常用: 冰鹽浴 NaCl + H2O — -22 ?C CaCl2 + H2O — -55 ?C,防凍液：非電解質如: 乙二醇，甘油等 例題：計算濃度為1mol.L-1的氯化鈉溶液的沸點和冰點。若使冰點達到-22?C，則NaCl溶液的濃度應達多大？ 若用CaCl2代替NaCl呢？,2019/11/27,滲透現(xiàn)象及解釋 滲透現(xiàn)象原因：半透膜兩側溶液濃度不同。 滲透壓：為了阻止?jié)B透作用所需給溶液的額外壓力。,定量描述-van’t Hoff 公式：,滲透壓只與溫度和溶質的質點數(shù)有關，而與溶質分子的性質無關。 有關計算 測定滲透壓，求某些生物大分子的分子量,滲透壓(Osmotic pressure),2019/11/27,解：由于溶液極稀，可近似m = c 由公式：? = mRT = 15520/M ( R=取值？) 可得M = 答：該蛋白質分子的平均分子量為2.5x104。,例題：298.2K，測得0.1L的1.552g某蛋白質分子的滲透壓為1539Pa。求該蛋白質分子的平均分子量。,滲透壓的生物學意義： 生物體內(nèi)傳質過程的動力保證； 維持生物體內(nèi)的等滲關系。Ex.動物體/植物體的脫水與溶血現(xiàn)象。,2019/11/27,稀溶液(dilute solution)的通性-依數(shù)性(colligative properties),依數(shù)性—稀溶液的某些物理特性如蒸氣壓、沸點、凝固點，這些特性的變化只與稀溶液中溶質的粒子數(shù)目有關，而與溶質、溶劑本身的性質無關。,小結：稀溶液依數(shù)性的應用,2019/11/27,,弱電解質：水溶液中大部分以分子形式存在，只有少部分電離，達電離平衡！ 電離度 ?：,9. 電解質溶液與強電解質溶液理論*,強電解質：水溶液中完全電離，以離子形式存在。 活度 a：離子間由于相互作用而使其有效濃度降低。 a=??c 或 a=??m。?：校正系數(shù)或活度系數(shù) 。 *?：與溶液中總體的離子強度I 有關，lg?? = -A|Z+?Z-|??I *I：與溶液中總體離子的離子濃度及其電荷數(shù)有關。,2019/11/27,三. 膠體溶液(Colloid),1. 分散體系* 分子分散體系 膠態(tài)分散體系 粗分散體系：,2. 溶膠 溶膠的性質 光學性質—丁達爾效應：膠團對光的散射現(xiàn)象。 溶膠的現(xiàn)象最顯著，區(qū)別于真溶液的簡單方法。 動力性質—布朗運動：膠團粒子的不規(guī)則運動。 電學性質—電泳現(xiàn)象：膠粒在外電場下定向移動。,2019/11/27,swf 溶膠的組成：分散相(膠團) + 分散介質 + 穩(wěn)定劑 膠團的結構：膠核?膠粒?? 膠團 [(AgI)m nI- (n-x)K+]x- xK+ 膠核(電中性) 電位離子 反離子 反離子,,,,,,吸附層,擴散層,膠粒(帶電荷),膠團(電中性),膠團示意圖,膠體的組成與結構.,溶膠的三個特征,2019/11/27,溶膠的凝沉-關鍵：穩(wěn)定性的去除。 加入電解質，如：明礬使水凈化 (吸附、電荷)。 相反電性溶膠混合； 加熱。,溶膠的穩(wěn)定性和凝沉,溶膠的穩(wěn)定性 動力學穩(wěn)定性：膠團的Brown運動 聚集穩(wěn)定性：膠粒的帶電性使同種電荷具有排斥作用、溶劑化作用 熱力學不穩(wěn)定性：膠體粒子因很大的表面能易聚集成大顆粒。,2019/11/27,高分子溶液的概念 高分子溶液的性質 高分子溶液與溶膠的異同點 高分子溶液對溶膠的保護作用－過量 高分子溶液對溶膠的敏化作用－少量,高分子溶液*,