化学竞赛-气体液体和溶液

二、液体 （一）物质的聚集状态——相
相：系统内部物理和化 学性质完全均匀的部分
相与相之间在指定条件下有明显的界面，在 界面上宏观性质的改变是飞跃式的——水和四 氯化碳的界面。
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2020/8/28
如何确定一个系统有几相？
不论有多少种气体混合，只有一相——气相
根据液体互溶程度可以组成一相、两相或三相 共存。 一般有一种固体便有一个相。两种固体粉末无论 混合得多么均匀，仍是两个相（固体溶液除外， 25 它是单相）。 2020/8/28
分子间有相互作用，分子本身也具有一定 的体积，因而实际气体不符合理想气体模型。
范德华方程式（van der Waals equation） ( p n2a )(V nb) nRT V2
a和b称为范德华常数。 常数a用于校正压力；b用于修正体积。 均可由实验确定。
气体
a /L2·kPa·mol-
kPa
L
189.7kPa3.8kPa 186kPa
p1 p2 189 186 100 % 1.61%
p2
186
V 2.00L p1’ 1.89 10 3 kPa p’ 2 1.59 10 3 kPa
p1’ p２’ p２’
(1.89 1.59) 103 1.59 103
100%
18.9%
23
RT
8.314 300
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二） 分压定律
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1、组分气体： 理想气体混合物中每一种 气体叫做组分气体。
2、分压：组分气体B在相同温度下占有与
混合气体相同体积时所产生的压力，叫做
组分气体B的分压。
pB
nBRT V
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3、分压定律：
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混合气体的总压等于混合气体中各组分 气体分压之和。
（二）水的相图
水的相平衡实验数据表
绘制水的相图 P/Pa
C
气-液平衡数据-水在不同 温度的饱和蒸气压
气-固平衡数据-冰在不同 温度的饱和蒸气压
液-固平衡数据-水和冰在 不同温度时的平衡压力
DO B
A T/K
分析水的相图
水的相图是根据实验绘制的。图上有：
三个单相区 在气、液、固三个 单相区内，φ=1， 温度和压力都可以在一定限度内变 化不会引起相的改变。
解： pV＝nRT
p = nRT = mRT 2.30105 Pa＝230kPa＝0.23MPa V MV
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【例3】求在273K、压力为230kPa时，某钢瓶中所装CO2
气体的密度。
解：
由
ρ = m 与pV V
=
nRT
p = n RT = mRT = ρRT
V
VM M
H2O
t / ℃ p*/ kPa
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3）气体密度的计算
M mRT pV
=m/VHale Waihona Puke Baidu
M RT
p
=
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【例1】恒温下，一密闭活塞开始p＝101.3kPa， V＝5×10-2m3，当把压力增大到p＝2×101.3kPa， 体积变化到多少？
解：
pAVA＝pBVB
VB＝pAVA/pB 101300 5102 2.5102 m3
（3）从水的相图上看出OC线的斜率是正还是 负？能说明什么问题？
（1）在水的相图中常常会出现OD线,是水的过冷线。 实验表明,当温度低于0.01℃时,水应该结成冰,但有时往 往不是这样,温度甚至到-20℃ 仍不结冰，这种现象称为
过冷现象,这种水称为过冷水。过冷水是一种亚稳态， 是热力学上不稳定的状态，在一定条件下会自动结成冰。 （2）三相点的温度(0.01℃)比冰点(0℃)稍高,原因是冰 点为101.325kPa外压下被空气饱和的水的凝固点。空 气溶解在水中,压力由三相点压力增大到101.325kPa,两 者使冰点比三相点的温度0.01℃。 （3）冰水系统的饱和蒸气压随温度上升而下降,与大部
三条两相平衡线 气液、气固、固液，φ=2， 压力与温度只能改变一个，指定了压力，则温度由 体系自定。
OA 气-液两相平衡线，即水的蒸气压曲线。它不 能任意延长，终止于临界点。临界点 T 647 K , p 2.2107 Pa ，这时气-液界面消失。高于临界温 度，不能用加压的方法使气体液化。
解：已知：T =303K，V=20.0L，n=1.50mol，
1.5mol 8.314J K1 mol 1 303K
189kPa
20.0L
22
1.50mol8.314J K1 mol1 303K 20.0L 0.05636L mol1 1.50mol
(1.
5mol)2
0.6803103 (20.0L)2
分的分压？ 提示：未告诉具体的体积或量时可任取一个体积，不 过，应注意所取的体积或量必须要便于计算。如本例
中可取100m3。 解：本例分为两步：第一步三种气体，第二步两种气 体。取100m3气体，则开始时C2H3Cl 90%即90m3， HCl 8%即8m3及C2H42%即2m3。
除去HCl后，剩余气体共92m3，其中C2H3Cl 90m3，C2H4 2m3。
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3、理想气体状态方程式：
pV = nRT
R---- 摩尔气体常量
在STP下，p =101.325kPa, T=273.15K
n=1.0 mol时, Vm=22.414L=22.414×10-3m3
101325Pa 22.414103m3 1.0mol 273.15K
8.314 J mol1 K1
O点 是三相点，气-液-固 三相共存。三相点的温度 和压力皆由体系自定。
H2O的三相点温度 为273.16 K，压力 为610.62 Pa。
学习效果检验
1、回答下列问题 （1）从水的相图上看，如果想让冰直接升华
成水蒸汽，压力最高不能超过多少？ （2）从水的相图可以看出液态水的饱和蒸汽
压随温度的升高而增大还是减小？
p = p1 + p2 + 或 p = pB
p n1RT n2RT VV
n1 n2
RT
V
n =n1+ n2+
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4、分压的求解：
pB
nB n
p
xB p
x B B的摩尔分数
例5：某容器中含有NH3、O2 、N2等气 13 体的混合物。取样分析后，其中
n(NH3)=0.320mol ， n(O2)=0.180mol ， n(N2)=0.700mol 。 混 合 气 体 的 总 压 p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。
R=8.314 kPaLK-1mol-1
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4、 理想气体状态方程式的应用
4
1） 计算p，V，T，n四个物理量之一
。 pV = nRT
用于温度不太低，压力不太高的真实气体。
2）气体摩尔质量的计算
pV nRT
n m M
pV m RT M
M mRT pV
M = Mr gmol-1
得
ρ = pM 230103 0.044 4.46kg m-3
RT 8.314 273
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【例4】某厂氢气柜的设计容积为2.00×103m3，设计容许 压力为5.00×103kPa。设H2为理想气体，问气柜在300K 时最多可装多少千克H2？
解：
m nM MpV 0.002 5.00106 2.00103 8.02103 kg
沸腾 外界压力
沸点： 一定外压下，液体沸腾的温度。
液体的饱和蒸汽压与沸点的关系：
动态平衡 H2O(l)→H2O(g) ΔH>0
图1.3.1 气－液平衡示意图
气液平衡时： 气体称为饱和蒸气； 液体称为饱和液体； 压力称为饱和蒸气压。
饱和蒸气压是温度的函数
表1.3.1 水、乙醇和苯在不同温度下的饱和蒸气压
-269 -253 -183 -196 -7(升华) -104 -34
0.027 0.029 0.028 0.035 0.040
— 0.054
常数a值随沸点（boiling point）升高而增大， 常数b大致等于气体在液态时的摩尔体积。
例8：分别按理想气体状态方程式和van der waals方程式计算1.50mol SO2在30摄氏度占有 20.0L体积时的压力，并比较两者的相对误差。 如果体积减少为2.00L，其相对误差又如何？ a=0.6803Pa ·m6 ·mol-2，b=0.563610-4m3 ·mol-1
2
b /L·mol-1
沸点/℃
液态的摩尔体积 /L·mol-1
He
H2 O2 N2 CO2 C2H2 Cl2
3.457 24.76 137.8 140.8 363.9 444.7 657.7
0.023 70 0.026 61 0.031 83 0.039 13 0.042 67 0.051 36 0.056 22
p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa
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分压定律的应用
292K 时，p(H2O)=2.20kPa
➢实验室中排水集气法收集的气体总是含有饱和 水蒸气：p(总压) = p(气体)+ p(水蒸气)
例6: 可以用亚硝酸铵受热分解的方法 16 制取纯氮气。反应如下：
OB 气-固两相平衡线， 即冰的升华曲线，理论上 可延长至0 K附近。
OC 液-固两相平衡线， 当C点延长至压力大于 2108 Pa 时，相图变得 复杂，有不同结构的冰 生成。
OD 是AO的延长线，是过冷水和水蒸气的介稳平衡 线。因为在相同温度下，过冷水的蒸气压大于冰的 蒸气压，所以OD线在OB线之上。过冷水处于不稳定 状态，一旦有凝聚中心出现，就立即全部变成冰。
pB p
VB V
n(B) n
yB
除去HCl后，
yC2H3Cl 90 / 92 0.978
yC2H4 2 / 92 0.022
pC2H3Cl p yC2H3Cl 99.07kPa
pC2H4 p yC2H4 2.23kPa
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三）实际气体（real gas）
2 101300
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【例2】体积为0.2m3钢瓶盛有CO20.89kg，当温度为0℃ 时，问钢瓶内气体的压力为多少？
已知：V＝0.2m3，m＝0.89kg，M＝0.044kg·mol-1或m＝ 890g，M＝44g·mol-1
T＝273K，R＝8.314J·K·mol-1求p
NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g) 如果在19℃、97.8kPa下，以排水集气法在 水面上收集到的氮气体积为4.16L，计算消 耗掉的亚硝酸铵的质量。
已知： T =(273+19)K = 292K
p=97.8kPa V=4.16L
292K 时，p(H2O)=2.20kPa
Mr (NH4NO2)=64.04
分系统不同。由于一般情况下,冰的体积大于水的体积, 出现这种现象与冰水的特殊结构有关。
下图是二氧化碳的相图，根据相图回答问题
P/
(1)分析相图 中区、线、
P
点的意义。 a
(2)OC线的 斜率是正还 是负？
Ⅰ 固
C
Ⅱ 液
相
A
相
O
气Ⅲ
B
相
T/
（三）液体的饱和蒸汽压
液体的饱和蒸汽压：
动态平衡 H2O(l)→H2O(g) ΔH>0
化学竞赛辅导 气体 液体 溶液
福建省厦门双十中学 陈荣地 18050043693 2018.10.27
一、气体
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一） 理想气体状态方程式
1、气体的最基本特征： 具有可压缩性和扩 散性。 2、理想气体：人们将符合理想气体状态方程式 的气体，称为理想气体。 理想气体分子之间 没有相互吸引和排斥，分子本身的体积相对 于气体所占有体积完全可以忽略。
解：n= n(NH3)+n(O2)+n(N2)
=0.320mol+0.180mol+0.700mol
=1.200mol
p( NH3 )
n( NH3 ) n
p
0.320 133.0kPa 35.5kPa
1.200
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14
p(O2 )
n(O2 ) n
p
0.180 35.5kPa 20.0kPa 0.320
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解：
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n(N2) =
=0.164mol
NH4NO2(s) 2H2O(g) + N2(g)
64.04g
1mol
m(NH4NO2)=?
0.164mol
m(NH4NO2) = =10.5g
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【例7】已知某混合气体的体积分数为C2H3Cl 90%， HCl 8%及C2H4 2%，于恒定101.3kPa压力下，经水洗 去HCl气体，求剩余气体(不考虑所含水蒸汽)中各组