大一無(wú)機(jī)化學(xué)第一章.ppt

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2019/11/27,第一章 物質(zhì)存在狀態(tài),教學(xué)方式：自學(xué)與講授結(jié)合 主要內(nèi)容： 理想氣體的有關(guān)定律 液體的一般性質(zhì) 水以及水溶液的一般性質(zhì) 非電解質(zhì)稀溶液的通性---依數(shù)性 膠體一般性質(zhì) 參考書(shū)目： 現(xiàn)代化學(xué)導(dǎo)論，申泮文等/ 無(wú)機(jī)與分析化學(xué)，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(zhì)---化學(xué)研究“實(shí)物”，不包括物質(zhì)的另一基本形態(tài)-場(chǎng)(以連續(xù)形式存在的物質(zhì)形態(tài))。 組成--- 化學(xué)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(zhì)量百分比、原子個(gè)數(shù)比、化學(xué)式及分子式等。 結(jié)構(gòu)---原子、分子和晶體結(jié)構(gòu)以及說(shuō)明物質(zhì)結(jié)構(gòu)的各種結(jié)構(gòu)理論。 性質(zhì)--物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。物理性質(zhì)諸如溶解性、熱性質(zhì)和某些譜學(xué)性質(zhì)等。 變化--- 化學(xué)不僅研究化學(xué)變化，也研究與化學(xué)變化相關(guān)的物理變化。如熱化學(xué)、電化學(xué)和表面化學(xué)都是研究與化學(xué)過(guò)程相關(guān)的物理過(guò)程。,1.1 化學(xué)基本術(shù)語(yǔ)-自學(xué),2019/11/27,物質(zhì)的存在狀態(tài),2019/11/27,1.2 氣體 (Gas),*氣體分子運(yùn)動(dòng)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(jì)； 氣體分子處于永恒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)中； 氣體分子之間相互作用可忽略，除相互碰撞時(shí)； 氣體分子相互碰撞或?qū)ζ鞅诘呐鲎捕际菑椥耘鲎?。碰撞時(shí)總動(dòng)能保持不變，沒(méi)有能量損失。 分子的平均動(dòng)能與熱力學(xué)溫度成正比。,基本假設(shè) (Fundamental Assumption),2019/11/27,假定： 分子不占有體積 分子間作用力忽略不計(jì) 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(shí)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(yùn)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(yīng)用: 1). 已知三個(gè)量，可求出第四個(gè)量； 2). 測(cè)求氣體的分子量M；,3). 已知?dú)怏w的狀態(tài)求其密度?；,2019/11/27,例題：計(jì)算摩爾質(zhì)量(Mole Mass),解：求出摩爾質(zhì)量，即可確定分子式。 設(shè)氟化氙摩爾質(zhì)量為M， 密度為r (g dm-3)，質(zhì)量為m (g)， R 應(yīng)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(shí)驗(yàn)測(cè)定在80?C，15.6 kPa 時(shí)，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(guān)氣體體積的化學(xué)計(jì)算,例:為了行車(chē)的安全，可在汽車(chē)中裝備上空氣袋，防止碰撞時(shí)司機(jī)受到傷害。這種空氣袋是用氮?dú)獬涿浧饋?lái)的,，所用的氮?dú)馐怯莎B氮化鈉與三氧化二鐵在火花的引發(fā)下反應(yīng)生成的?？偡磻?yīng)是：,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(jì)算需要疊氮化鈉的質(zhì)量。 解： 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式所顯示出的n(NaN3)與n(N2)的數(shù)量關(guān)系，可以進(jìn)一步確定在給定條件下，m(NaN3)與V(N2)的關(guān)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(dāng)壓力升高時(shí)，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(lái)。,* 實(shí)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(shí)氣體,（2）分子間相互作用的影響。 當(dāng)氣體的體積縮小，壓力增大時(shí)，分子間靠得較近，分子間力變得足夠強(qiáng)，減弱了分子間對(duì)器壁的碰撞，相應(yīng)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(shí)在= (V理想 - nb) 等于氣體分子運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)的體積稱為該組分氣體的分體積。V總=V1+V2+…+Vi,體積分?jǐn)?shù)(Volume Fraction, ?i)：?i=Vi/V總,摩爾分?jǐn)?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?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?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(shí)際混合氣體； 混合氣體各組分間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 c. 應(yīng)用：,2019/11/27,已知分壓求總壓或由總壓和體積/摩爾分?jǐn)?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(jì)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(yīng)用－排水取氣問(wèn)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?dú)狻?反應(yīng)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?dú)怏w積為4.16L，計(jì)算消耗掉的亞硝酸銨的質(zhì)量。,解：T = (273+19) K = 292K, P = 97.8kPa, V = 4.16L 292 K 時(shí)，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(kuò)散定律-Graham Law,1. 定律：T, P相同時(shí)，各種不同氣體的擴(kuò)散速度與氣體的密度的平方根成反比。,2. 用途： 測(cè)定氣態(tài)物質(zhì)的相對(duì)分子量； 分離：同位素235U(0.72%)，238U(99.2%) 擴(kuò)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(guò)渡態(tài),氣體,液體,固體,,,沸點(diǎn),凝固點(diǎn),氣化（蒸發(fā)）,,,熔點(diǎn),凝聚點(diǎn),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(xué),2019/11/27,1，液體的狀態(tài)和性質(zhì) 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(guò)程,分子的動(dòng)能 紅色：大 黑色：中 藍(lán)色：低,2019/11/27,蒸氣壓,蒸發(fā):,密閉容器,蒸發(fā) ? 冷凝 “動(dòng)態(tài)平衡”,恒溫,分子的動(dòng)能 紅色：大 黑色：中 藍(lán)色：低,,飽和蒸氣壓：與液相處于動(dòng)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(jiǎn)稱蒸氣壓。,飽和蒸氣壓的特點(diǎn) 溫度恒定時(shí)，為定值； 氣液共存時(shí)，不受量的變化； 不同的物質(zhì)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(diǎn)與外界壓力有關(guān)。外界壓力等于101 kPa (1 atm)時(shí)的沸點(diǎn)為正常沸點(diǎn)，簡(jiǎn)稱沸點(diǎn)。,當(dāng)溫度升高到蒸氣壓與外界氣壓相等時(shí)，液體就沸騰，這個(gè)溫度就是沸點(diǎn)。,熱源,沸騰是在液體的表面和內(nèi)部同時(shí)氣化。,,,,,,,2，蒸發(fā)（氣化）與蒸氣壓,2019/11/27,例： 水的沸點(diǎn)為 100C，但在高山上，由于大氣壓降低，沸點(diǎn)較低，飯就難于煮熟。 而高壓鍋內(nèi)氣壓可達(dá)到約10 atm，水的沸點(diǎn)約在180C左右，飯就很容易煮爛。,“過(guò)熱”液體：溫度高于沸點(diǎn)的液體稱為過(guò)熱液 體，易產(chǎn)生爆沸。 蒸餾時(shí)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(cè)為液相區(qū)； 右側(cè)為氣相區(qū)。,蒸氣壓,正常沸點(diǎn),,2，蒸發(fā)（氣化）與蒸氣壓,2019/11/27,一. 水（自學(xué)）-參見(jiàn)《現(xiàn)代化學(xué)導(dǎo)論》* 水－一種重要的化學(xué)物質(zhì) 水的一般物理性質(zhì)和反常物理性質(zhì) 水的結(jié)構(gòu) (網(wǎng)絡(luò)課堂) 水的化學(xué)性質(zhì) 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(xué)為主） 1. 溶液的基本概念* ：,溶解度(Solubility)： 表示物質(zhì)在液體中的溶解能力 溶解度與溫度、溶質(zhì)和溶劑有關(guān) “相似相溶”原理 飽和溶液(Saturate solution)－溶解平衡,2. 溶解過(guò)程-水合作用、水合離子* 3. 水合物-結(jié)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(zhì)量分?jǐn)?shù)(質(zhì)量百分比濃度)：符號(hào)w，無(wú)量綱 ＊如果溶液以體積度量：溶液體積?溶液比重=溶液質(zhì)量,＊體積為ml時(shí)的換算,＊質(zhì)量為kg時(shí)的換算,5. 溶液濃度的表示*（自學(xué)為主）,物質(zhì)的量濃度(體積摩爾濃度)：符號(hào)c，mol/dm3,質(zhì)量摩爾濃度(molality)：符號(hào)m，mol/kg,溶劑,2019/11/27,物質(zhì)的量濃度c (moldm-3) ? 溶液體積V(dm3) =溶質(zhì)的物質(zhì)的量n (mol) 當(dāng)溶液稀釋或者濃縮時(shí)物質(zhì)的量不變，因此有： c1V1=c2V2,任何物質(zhì)均存在著飽和蒸氣壓。 純物質(zhì)的飽和蒸氣壓只與本身和溫度有關(guān)。 在一定溫度下，飽和蒸氣壓為一個(gè)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(diǎn)(Boiling-point) Tb時(shí)蒸氣壓=外界壓力，沸騰 凝固點(diǎn)(Freezing-point) Tf時(shí)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(diǎn)升高和凝固點(diǎn)降低,現(xiàn)象與解釋： 圖示說(shuō)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(diǎn)升高常數(shù)(ebullioscopic constant) ?Tf = Kf m…Kf-凝固點(diǎn)下降常數(shù)(cryoscopic constant),Note: Kb、Kf只與溶劑的性質(zhì)有關(guān)，可查閱化學(xué)手冊(cè)得到。 Kb、Kf物理意義：1000g溶劑中加入1mol難揮發(fā)的非電解質(zhì)溶質(zhì)時(shí)，溶液沸點(diǎn)升高或凝固點(diǎn)下降的度數(shù)。 溶質(zhì)：非電解質(zhì)：不電離。 電解質(zhì)：電離后，產(chǎn)生的粒子數(shù)目有變化。,有關(guān)應(yīng)用計(jì)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(zhì)分子量。,2019/11/27,例題：將某樣品5.50g溶于250g苯中，測(cè)得溶液的凝固點(diǎn)下降Tf為1.02K。請(qǐng)推測(cè)該樣品的分子式，已知樣品的實(shí)驗(yàn)式為C3H6O。,解：(1) 設(shè)樣品的摩爾質(zhì)量為M 則苯溶液的質(zhì)量摩爾濃度：,(2) 由樣品的實(shí)驗(yàn)式C3H6O的式量55.0可知，其化學(xué)式應(yīng)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(shí)際應(yīng)用： 制冷劑：電解質(zhì)，如 NaCl，CaCl2 實(shí)驗(yàn)室常用: 冰鹽浴 NaCl + H2O — -22 ?C CaCl2 + H2O — -55 ?C,防凍液：非電解質(zhì)如: 乙二醇，甘油等 例題：計(jì)算濃度為1mol.L-1的氯化鈉溶液的沸點(diǎn)和冰點(diǎn)。若使冰點(diǎn)達(dá)到-22?C，則NaCl溶液的濃度應(yīng)達(dá)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(cè)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(zhì)的質(zhì)點(diǎn)數(shù)有關(guān)，而與溶質(zhì)分子的性質(zhì)無(wú)關(guān)。 有關(guān)計(jì)算 測(cè)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(zhì)分子的平均分子量為2.5x104。,例題：298.2K，測(cè)得0.1L的1.552g某蛋白質(zhì)分子的滲透壓為1539Pa。求該蛋白質(zhì)分子的平均分子量。,滲透壓的生物學(xué)意義： 生物體內(nèi)傳質(zhì)過(guò)程的動(dòng)力保證； 維持生物體內(nèi)的等滲關(guān)系。Ex.動(dòng)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(diǎn)、凝固點(diǎn)，這些特性的變化只與稀溶液中溶質(zhì)的粒子數(shù)目有關(guān)，而與溶質(zhì)、溶劑本身的性質(zhì)無(wú)關(guān)。,小結(jié)：稀溶液依數(shù)性的應(yīng)用,2019/11/27,,弱電解質(zhì)：水溶液中大部分以分子形式存在，只有少部分電離，達(dá)電離平衡！ 電離度 ?：,9. 電解質(zhì)溶液與強(qiáng)電解質(zhì)溶液理論*,強(qiáng)電解質(zhì)：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(qiáng)度I 有關(guān)，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(guān)。,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(zhì) 光學(xué)性質(zhì)—丁達(dá)爾效應(yīng)：膠團(tuán)對(duì)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(jiǎn)單方法。 動(dòng)力性質(zhì)—布朗運(yùn)動(dòng)：膠團(tuán)粒子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。 電學(xué)性質(zhì)—電泳現(xiàn)象：膠粒在外電場(chǎng)下定向移動(dòng)。,2019/11/27,swf 溶膠的組成：分散相(膠團(tuán)) + 分散介質(zhì) + 穩(wěn)定劑 膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)：膠核?膠粒?? 膠團(tuán) [(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(kuò)散層,膠粒(帶電荷),膠團(tuán)(電中性),膠團(tuán)示意圖,膠體的組成與結(jié)構(gòu).,溶膠的三個(gè)特征,2019/11/27,溶膠的凝沉-關(guān)鍵：穩(wěn)定性的去除。 加入電解質(zhì)，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(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性：膠團(tuán)的Brown運(yùn)動(dòng) 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(xué)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(zhì) 高分子溶液與溶膠的異同點(diǎn) 高分子溶液對(duì)溶膠的保護(hù)作用－過(guò)量 高分子溶液對(duì)溶膠的敏化作用－少量,高分子溶液*,