大学化学01第一章 气体和溶液

第一章 气体和溶液

学习要求

1. 了解分散系的分类及主要特征。 2. 掌握理想气体状态方程和气体分压定律。 3. 掌握稀溶液的通性及其应用。

4. 掌握胶体的基本概念、结构及其性质等。 5. 了解高分子溶液、乳状液的基本概念和特征。

1.1 气体

1.1.1 理想气体状态方程

气体是物质存在的一种形态，没有固定的形状和体积，能自发地充满任何容器。气体的基本特征是它的扩散性和可压缩性。一定温度下的气体常用其压力或体积进行计量。在压力不太高(小于101.325 kPa)、温度不太低(大于0 ℃)的情况下，气体分子本身的体积和分子之间的作用力可以忽略，气体的体积、压力和温度之间具有以下关系式：

pV=nRT (1-1)

式中p为气体的压力，SI单位为 Pa；V为气体的体积，SI单位为m3；n为物质的量，SI单位为mol；T为气体的热力学温度，SI单位为K；R为摩尔气体常数。式(1-1)称为理想气体状态方程。

在标准状况(p = 101.325 Pa，T = 273.15 K)下，1 mol 气体的体积为 22.414 m3，代入式(1-1)可以确定R的数值及单位：

R?pVnT?101.325?103 Pa?22.414?10?3 m31 mol?273.15 K3?1?1

?8.314 Pa?m?mol?K

= 8.314 J?mol?K (1 Pa?m = 1 J)

例1-1 某氮气钢瓶容积为40.0 L，25 ℃时，压力为250 kPa，计算钢瓶中氮气的质量。 解：根据式(1-1)

?1?13n?pVRT?250?103Pa?40?10?3m38.314Pa?m3?mol?1?K?1?298.15K

?4.0mol

N2的摩尔质量为28.0 g · mol-1，钢瓶中N2的质量为：4.0 mol × 28.0 g · mol-1 = 112 g。

1.1.2 道尔顿分压定律

在生产和科学实验中，实际遇到的气体大多是由几种气体组成的混合物。如果将几种互不发生化学反应的气体放入同一容器，其中某一组分气体i对容器壁施加的压力，称为该气体的分压(pi)，它等于相同温度下该气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力。1801年英国物理学家道尔顿(Dalton J)通过大量实验发现，混合气体中各组分气体的分压之和等于该混合气体的总压，这一关系被称为道尔顿分压定律。可表示为：

p?p1 + p2?p3??pi??pi (1-2)

i?1n式中：p为气体的总压；pi为组分气体B的分压。

根据理想气体状态方程， p总?n总所以

RTRT,pi?ni VV，

pip总?nin总即 pi?p总nin总 (1-3)

令

nin总?xi，则

pi?p总xi (1-4)

xi表示i的物质的量与混合物的物质的量之比，称为组分i的摩尔分数。对于任何一个多组分系统

?xi?1ni?1。

在同温同压的条件下，气体的体积与其物质的量成正比，因此混合气体中组分i的体积分数等于其摩尔分数，即

ViV总?nin总 (1-5)

式中：Vi和V总分别表示组分i的体积和混合气体的总体积。

将式（1-5）代入式（1-3），可得：

pi?p总ViV总 (1-6)

该式表明同温同压下，混合气体组分i的分压等于组分i的体积分数与混合气体总压之乘积。

严格来说，分压定律仅适用于理想气体混合物，但对压力不太高的真实混合气体，在温度不太低的情况下也可近似使用。在本课程中，把实际气体均近似为理想气体。

例1-2 冬季草原上的空气主要含氮气、氧气和氩气。在压力为9.9 × 104 Pa及温度为-20 ℃时，收集的一份空气试样经测定其中氮气、氧气和氩气的体积分数分别为0.790、0.20、0.010。计算收集试样时各气体的分压。 解：根据式(1-6)

pi?p总ViV总

p(N2)?0.79p总?0.790?9.9?104?7.82?104Pap(O2)?0.20p总?0.20?9.9?104?1.98?104Pap(Ar)=0.010p总?0.010?9.9?104?0.099?104Pa

1.2 溶液

1.2.1 分散系

物质除了以气态、液态、固态的形式单独存在以外，还常常以一种(或多种)物质分散于另一种物质中的形式存在，这种形式称为分散系。例如，细小的水滴分散在空气中形成的云雾，二氧化碳分散在水中形成的汽水，奶油分散在水中形成的牛奶，各种金属化合物分散在岩石中形成的矿石等都是分散系。在分散系中，被分散的物质称为分散相(或分散质)，而容纳分散质的物质称为分散介质(或分散剂)。分散相处于分割成粒子的不连续状态，而分散介质则处于连续状态。在分散系中，分散相和分散介质可以是固体、液体或气体。按分散相和分散介质的聚集状态分类，分散系可以分为九种，见表1-1。

表 1-1 按聚集状态分类的各种分散系

分散相 气 液 固 气 液 固 气 液 固

分散介质 气 气 气 液 液 液 固 固 固

实 例 空气、家用煤气 云、雾 烟、灰尘 泡沫、汽水

牛奶、豆浆、农药乳浊液 泥浆、油漆 泡沫塑料、木炭 肉冻、硅胶

红宝石、合金、有色玻璃

此外，按照分散相粒子大小不同，常把分散系分为三类：低分子或离子分散系、胶体分散系和粗分散系，见表1-2。

表 1-2 按分散相粒子大小分类的各种分散系

分散相

分散系类型

粒子直径/nm

稳定、扩散快、粒子能

<1

低分子或离子分散系 小分子或离子

透过半透膜 稳定、扩散慢、粒子不

氯化钠、氢氧化钠

分散相

主要特征

实 例

单相系统 等水溶液 蛋白质、核酸水溶液、橡胶的苯溶液 氢氧化铁、碘化银

1~100

胶体分散系 高分子溶液 高分子

能透过半透膜

分子、离子、原较稳定、扩散慢、粒子

溶胶

子的聚集体

不能透过半透膜 不稳定、扩散很慢、粒

乳状液、悬浊液 分子的大集合体

子不能透过滤纸

>100

粗分散系 多相系统 溶胶

乳汁、泥浆

系统中任何一个均匀的（组成均一）部分称为一个相。在同一相内，其物理性质和化学性质完全相同，相与相之间有明确的界面分隔。只有一个相的系统称为单相系统或均相系统，

有两个或两个以上相的系统称为多相系统。低分子或离子分散系为均相系统，溶胶和粗分散系属于多相系统。 1.2.2 溶液浓度的表示方法

溶液作为物质存在的一种形式，广泛存在于自然界中，它与生物体的生存、发展有着密切的关系，生物体内的各种生理、生化反应都是在以水为主要容剂的溶液系统中进行的。此外，科学研究和工农业生产也都与溶液密不可分。溶液的性质与溶质和溶剂的相对含量有关，为了研究和生产的不同需要，溶液浓度有很多表示方法，常用的有物质的量浓度、摩尔分数、质量摩尔浓度和质量分数等。

1. 物质的量浓度

物质B的物质的量除以混合物的体积，称为物质B的物质的量浓度。在不可能混淆时，可简称为浓度。用符cB表示，即

cB?nBV (1-7)

式中：nB为物质B的物质的量，SI单位为mol，V为混合物的体积，SI单位为m3。体积常用的非SI单位为L，故浓度的常用单位为mol·L-1。

根据SI规定，使用物质的量单位mol时，应指明物质的基本单元。所以在使用物质的量浓度时也必须注明物质的基本单元。例如c (H2SO4) = 0.10 mol·L-1与c (1/2H2SO4) = 0.10 mol·L-1的两个溶液，它们浓度数值虽然相同，但是，它们所表示1L溶液中所含H2SO4的物质的量是不同的，分别为0.10 mol和0.050 mol。

2. 摩尔分数

物质B的物质的量与混合物总物质的量之比，称为物质B的摩尔分数。其数学表达式为：

xB?nBn (1-8)

式中：，xi为物质B的摩尔分数，SI单位为1；nB为物质B的物质的量，SI单位为mol；n为混合物总物质的量，SI单位为mol。

3. 质量摩尔浓度

溶液中溶质B的物质的量除以溶剂的质量，成为溶质B的质量摩尔浓度。其数学表达式

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