气体溶液和胶体

第一章气体溶液和胶体

1.1 气体

1.1.1 理想气体状态方程

1基本特征：无限膨胀性和无限掺混性。

2理想气体：将气体的分子假设为一个几何点，只有位置而无体积，并且气体分子之间没有相互作用力。

注：低压、高温条件下的实际气体的性质非常接近于理想气体性质。

3理想气体状态方程：高温低压下气体的p、V、T之间的关系。

即：pV = nRT (1-1)

4物理意义：1mol理想气体的体积和压力的乘积与温度的比值。指定273.15 K和101.3 kPa 为气体的标准状态，简写成STP。

5适用范围：对于低压和远离沸点的高温时的多数气体可以用这个方程来描写，可以描写单纯一种气体或混合气体的整体行为。

6作用：在已知三个变量的条件下可以求算第四个物理量，还可以求得气体的相对分子质量和密度。

【例1.1】某气体在293 K和99.7 kPa时，占有体积0.19 dm3，质量为0.132 g，求该气体的相对分子量，并指出它可能是何种气体。

【解】由理想气体状态方程pV=nRT，可得气体的摩尔质量为

气体的相对分子质量为17，表明该气体可能是NH3。

【例1.2】NH3(g)在67℃，106.64kPa下密度为多少?

【解】：密度ρ= m（g）／V（dm3）= n×M／V

由(1．1)式得：n／V = p／RT

ρ= pM／RT

已知NH3 M=17.0gmol-1则

ρ= pM／RT = = 0.641gdm-3

1.1.2 道尔顿（Dalton）分压定律

1分压：在一定温度下，各组分气体单独占据与混合气体相同体积时所呈现的压力叫做该组分气体的分压。

2分压定律：1801年英国化学家道尔顿(Dalton)通过实验发现，在一定温度下气体混合物的总压力等于其中各组分气体分压力之和。

用数学式表示为：

根据状态方程式有

pV＝nRT piV＝niRT

两式相除得，

推论1：某一组分气体的分压和该气体组分的摩尔分数成正比。

(1-2)

推论2：理想气体在同温同压下摩尔数与体积成正比，因而各组分的摩尔分数等于它的体积分数。

3应用：

①通过气体体积分数也可以计算出气体组分的分压力。

②根据道尔顿分压定律，可以计算混合气体的总压力，也可以根据总压力计算组分气体的分压力。

4适用范围：对于液面上的蒸气部分，道尔顿分压定律也适用，收集气体的分压为：

p气＝p总－p水

【例1.3】一容器中有4.4 g CO2，14 g N2和12.8 g O2，气体的总压为202.6 kPa，求各组分的分压。

【解】混合气体中各组分气体的物质的量

由道尔顿分压定律得

1.2 液体

1.2.1 气体的液化

1液化：气体转变成液体的过程。

2条件：降低温度或同时增加压力。

3原因：降温或同时加压到一定程度，分子间引力大到足以使该物质达到液体运动状态时，气体就液化了。

4临界温度：在加压下使气体液化所需的最高温度，用Tc表示。

5临界压力：在临界温度时，使气体液化所要求的最低压力，用pc表示。例如水的临界温度是647.2K，水的临界压力是22119.2kPa，

6临界体积：在临界温度和临界压力下，1摩尔气态物质所占有的体积，用Vc表示。Tc、pc和Vc统称为临界常数。气体处于Tc、pc、Vc的状态称为临界状态，它是一种不稳定的特殊状态，处于这种状态的气体和液体之间的性质差别将消失。

注：非极性分子之间作用力很小其临界温度都很低，难以液化；强极性分子具有较大的分子间力而比较容易液化。

1.2.2 液体的气化：液体升高温度变成气体的过程。

1蒸发：液体变成蒸气或气体的过程。蒸发指的是液体表面的气化现象。

2饱和蒸气压：当蒸气变成液体的速率与液体变成气体的速率相等时，这时蒸气所产生的压力，简称蒸气压。

液体的饱和蒸气压的特性：

①蒸气压的大小仅与液体的本质和温度有关，而与液体的数量以及液面上空间的体积无关。•液体的本质：蒸气压的大小与液体内部分子间相互作用力的强弱有关。

•温度：温度升高，蒸气压升高；温度降低，蒸气压降低

•气体定律以及理想气体状态方程并不适用于蒸气。蒸气压的大小同蒸气所占体积就没关系了。

②蒸气压是物质的一种性质，温度一定，蒸气压一定。

③气化热（蒸发热）：液体在恒温恒压下气化或蒸发所必须吸收的热量。该蒸发热一部分消耗于增加液体分子动能以克服分子间引力而逸出液面进入蒸气状态；另一部分消耗于气化时体积膨胀所作的功。

1.2.3 液体的沸腾

1 沸腾与沸点

（1）沸腾：当蒸气压与外界大气压相等时，在整个液体中进行的气化过程。沸腾是整个液体的气化，蒸发是液体表面的气化。

（2）沸点:沸腾时液体保持着一定的温度，缩写为b.p。

正常沸点：当外界气压为101.3 kPa时，液体的沸点。例如水的正常沸点是373.15K(100oC)。（3）特点：液体的沸点同外界气压密切相关。外界气压升高，沸点升高；外界气压降低，沸点降低。

（4）作用：减压蒸馏；高温消毒。

（5）过热液体：温度超过沸点尚未沸腾的液体。

消除方法：放几块小的沸石或带有棱角的碎瓷片，目的是利用沸石孔中存储的空气或磁片的尖锐棱角容易形成气泡，以避免过热现象的发生。

1.2.4 相平衡

相：在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相。

特点：相与相之间在指定的条件下存在着明显的分界面。

体系内不论有多少种气体都只有一相，液体则视其互溶程度通常可以是一相、两相或三相共存；一般有一种固体便有一相；固态溶液（如金属合金）是一相。

相变：当物质从一相转变成另一相。气体的液化和液体的气化、液体的凝固和固体的熔化过程都是相变过程。

相平衡：保持外界条件不变时，相变维持一种平衡状态。液体的沸腾就是维持一定温度和压力时，气液两相间的相平衡。

相图：两相达到相平衡时，它们的蒸气压必须相等，用压力对温度作图即得p-T图，它表示物质状态稳定存在的条件和相互间转变的情况。

1.2.5 水的相图

水有三种存在状态，即水蒸气（气态）、水（液态）、冰（固态）。图1-1为水的相图，属于单组分体系的相图。相图的组成和意义分析：

(1) 图中OA、OB和OC分别为固－气、固－液和液－气两相共存的相平衡曲线，每条线上的点表示处于两相平衡状态时的温度和压力。OA是冰的升华线，OB为冰的熔化曲线，OC 是水的蒸气压曲线。

(2) OC线不能任意延长，它终止于临界点C（647K，22119.2kPa）。在临界点液体的密度与蒸气的密度相等，液态和气态之间的界面消失。OA线在理论上可延长到绝对零度附近。OB 线不能无限向上延长。OB线是向左倾斜的，它表明水的凝固点随着压力的增大而降低。（3）相图中Ⅰ区为气相区；Ⅱ区为液相区；Ⅲ区为固相区。相图中曲线所包围的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区只能是一个相存在，叫单相区。