《工科化学》课件第一章 物质的凝聚状态1.ppt

1、2023-10-11工科化学多媒体课件石建军1第一章第一章 物质的聚集状态物质的聚集状态本章要求本章要求1掌握掌握理想气体理想气体的概念及理想气体的概念及理想气体状态方程式状态方程式、混合理、混合理想气体的想气体的分压定律分压定律和和分体积定律分体积定律。2了解了解实际气体实际气体p、V、T的关系。的关系。3掌握掌握溶液溶液和和液体混合物液体混合物组成的常用表示法。组成的常用表示法。4理解理解饱和蒸汽压饱和蒸汽压的概念，掌握的概念，掌握拉乌尔定律拉乌尔定律和和亨利定律亨利定律，了解其使用范围。了解其使用范围。5了解物质的几种聚集状态：了解物质的几种聚集状态：气气、液液、固固和和等离子态等离子态

2、。2023-10-11工科化学多媒体课件石建军21.定义：定义：在任何温度、压力下均服从理想气体状态方程的气体称为理想气体。2.理想气体具备的两个条件：理想气体具备的两个条件：分子是无体积的质点；分子是无体积的质点；分子间无任何作用力。分子间无任何作用力。3.微观模型：微观模型：理想气体是一种分子本身无体积；分子之间无相互作用力的气体。几点说明：几点说明：(1)理想气体客观上不存在，理想气体客观上不存在，是从实际中抽象出来的假想是从实际中抽象出来的假想气体（气体（p0）;(2)高温或低压的实际气体接高温或低压的实际气体接近理想状态，近似适用理想近理想状态，近似适用理想气体状态方程；气体状态方程

3、；(3)理想气体状态方程能够满理想气体状态方程能够满足一般工程计算需要足一般工程计算需要;(4)R的数值用外推法求。的数值用外推法求。1.1 理想气体理想气体 2023-10-11工科化学多媒体课件石建军3f(p,V,T)=0;f(p,V,T,n)=02.理想气体状态方程波义耳(R.Boyle)定律:pV=C (n,T恒定);盖吕萨克(J.Gay-Lussac)定律:V/T=C (n,p恒定);阿伏加德罗(A.Avogadro)定律:V/n=C (T,p恒定);pV=nRT说明说明:(1)该状态方程仅严格适用于理想气体;(2)实际气体在高温或低压条件下近似适用;（为什么？）(3)R是摩尔气体常

4、数;1.什么叫状态方程 物质的聚集状态是通过一系列的性质来描述的，性质确定，物质就处在一定的状态。类似这种函数关系称为。2023-10-11工科化学多媒体课件石建军4式中：式中：p压力（压力（Pa），），V体积体积(m3)，n物质的量物质的量(mol)，T热力学温度热力学温度(K，T/K=273.15+t/C)，R摩尔气体常数摩尔气体常数(8.314Jmol-1K-1)。二、理想气体状态方程二、理想气体状态方程RTpVMmn 推论推论2：物质的量n与质量m、摩尔质量M的关系为：1.什么叫状态方程2.理想气体状态方程pV=nRT由由 得：得：VmRTpM由由 得：得：nVVmRTpVm 推论推论

5、1：根据摩尔体积的定义：2023-10-11工科化学多媒体课件石建军5三、摩尔气体常数三、摩尔气体常数(R)的求取的求取 T为常数为常数pVm=RT R=pVm/T3.11110314.815.27311.2271/KmolJKmolJTpVRpm4.说明:RTpVmp0lim1.确定温度下,同一气体的Vm随p变化;实验可测得pVmp关系。2.不同气体,T,p相同,pVm也不相同;图图1.1 273.15K时不同气体的时不同气体的pVm-p等温线等温线2023-10-11工科化学多媒体课件石建军6例例1.1 一个体积为40.0dm3的氧气钢瓶。在25C时，使用前压力为1.25103kPa。求钢

6、瓶压力降为1.00103kPa时所用去的氧气质量。解：解：使用前钢瓶中O2物质的量：n1 =p1V/RT=20.2 mol 使用后钢瓶中O2物质的量：n2=p2V/RT=16.1mol 所用的氧气质量：m=(n1-n2)M=(20.2-16.1)mol32.0gmol-1 =130g 答：用去的氧气质量为130g。强调：强调：1.注意解题过程的完整性；2.注意运算过程中量纲的统一。2023-10-11工科化学多媒体课件石建军7 在研究低压下的混合气体时，得到了两个经验定律。严格来说，它们都只适用于理想气体。1、分压定律、分压定律(道尔顿，1801)四、分压定律和分体积定律四、分压定律和分体积定

7、律 内容：在温度和体积恒定时，混合气体的内容：在温度和体积恒定时，混合气体的总压力等于总压力等于分压力之和分压力之和。p=p1+p2+pN=pi 注意：注意：分压力分压力(partial pressure)：温度为T时组分i单独占据总体积V时所具有的压力。定义此压力为混合气体中i组分的分压力（注意不同教材关于分压力有不同的定义）2023-10-11工科化学多媒体课件石建军8 p=nRT/V=n1RT/V+n2RT/V+nNRT/V=p1 +p2 +pN =pi 分压定律是气体遵守分压定律是气体遵守IG定律的必然结果定律的必然结果：分压定律的另一形式分压定律的另一形式：pi=yi p yii组分

8、的物质的量分数NiiVRTn1 说明：说明：气体混合物的物质的量分数常用yi表示，液体混合物的物质的量分数，则常用xi表示）。2023-10-11工科化学多媒体课件石建军9 内容：在温度和压力恒定时，混合气体的内容：在温度和压力恒定时，混合气体的总体积等于分总体积等于分体积之和体积之和。V=V1+V2+VN=Vi2、分体积定律、分体积定律(阿马格，1880)注意：注意：分体积分体积(partial volume)：温度为 T时组分 i单独具有总压力p时所占据的体积。定义此体积为混合气体中i组分的分体积（注意不同教材关于分体积有不同的定义）分体积定律是气体遵守分体积定律是气体遵守IG定律的必然结

9、果定律的必然结果：V=nRT/p=n1RT/p+n2RT/p+nNRT/p =niRT/p =V1 +V2 +VN =Vpi2023-10-11工科化学多媒体课件石建军10 Vi=yi V 或Vi/V=yi yii组分的摩尔分数（mole fraction）。意义：体积分数即为其摩尔分数。分体积定律的另一形式分体积定律的另一形式：1.分压定律与分体积定律广泛用于混合气体的计算。2.当使用分压时，必须用总体积；而使用分体积时，则应用总压。3.两定律的适用条件皆为总压不高的情况，严格适用于混合理想气体。现举例说明2023-10-11工科化学多媒体课件石建军11例例1.2 将氯酸钾加热分解以制备氧气

10、，生成的O2用排水集气法收集。在25，101.3kPa时，收集得到气体体积为500ml。已知25，pH2O=3.17kPa。计算：（1）O2的物质的量；（2）干燥O2的体积。解：解：按题意，收集得到的气体是O2和饱和水蒸气的混合气体。即：pO2=p-pH2O=101.3kPa-3.17kPa=98.13kPa（1）O2的物质的量：nO2=pO2 V/RT =1.9810-2mol（2）干燥O2的体积：V(O2)=Vy(O2)=500ml(98.13kPa/101.3kPa)=484ml答：O2的物质的量为1.9810-2mol；干燥O2的体积为484ml。2023-10-11工科化学多媒体课件

11、石建军12例例1.3 25时，32g的氧和14g的氮盛于20L容器中，试计算：（1）这两种气体的分压；（2）混合气体的总压力；（3）这两种气体的分体积。解：解：根据 pi=niRT/V（1）p(O2)=1.24105（Pa）p(N2)=6.20104（Pa）（2）混合气体的总压力 p=p(O2)+p(N2)=1.86105（Pa）（3）根据 Vi/V=ni/n=yi O2的分体积 V(O2)=y(O2)V=20=13.33（L）同理可得N2的分体积 V(N2)=6.67（L）答：O2的分压为1.24105Pa；N2 的分压为6.20104Pa，总压力为1.86105Pa；O2 和N2 的分体积

12、依次为13.33L和6.67L。2023-10-11工科化学多媒体课件石建军131、气体由不停顿地作无规则运动的分子所组成。分子的直径与它们之间的距离相比可以忽略不计，亦即分子本身的体积与气体所占有的体积相比可以忽略。五、气体分子运动论五、气体分子运动论基本要点 2、气体分子间互相作用力很小，气体分子的运动与其他分子无关，分子可视为独立运动。3、气体分子在运动中，分子不仅相互碰撞，而且对器壁进行连续撞击产生压力。4、气体分子的平均平动能与气体的热力学温度成正比。2023-10-11工科化学多媒体课件石建军14 压力压力：大量分子碰撞所产生的垂直作用于单位面积上的力；温度温度：气体分子平均动能的

13、度量，气体分子的平均平动能越大，系统的温度越高，它们都是大量分子行为的统计平均结果，是一种统计量。因此，说一个分子的压力或温度是没有意义的。体积体积：则是气体分子自由运动的空间。气体分子运动论对几种常见宏观性质的微观解释：气体分子运动论对几种常见宏观性质的微观解释：2023-10-11工科化学多媒体课件石建军151 1.2 实际气体实际气体一、一、压缩因子压缩因子（compressibility factor）(1)理想气体:pVm/RT=1；(2)实际气体在低温或高压下，均出现明显偏差，即pVm/RT1。P,atm 图（补充）：图（补充）：一些实际气体的一些实际气体的pV-p等温线等温线如左

14、图所示：如左图所示：2023-10-11工科化学多媒体课件石建军161.定义定义:2.Z-p曲线曲线1)同一种气体在不同同一种气体在不同,p时的时的Z值值A.低压、高温条件下,真实气体接近于理想气体;B.Z值与1差别的大小,就表示理想气体与真实气体的差别;C.低温、高压条件下,Z值随p单调增大。2)不同气体在相同的不同气体在相同的T、p下一下一般具有不同的般具有不同的Z值值P,102kPa图图（补充）（补充）甲烷在不同温度下的Z-p等温线1 1.2 实际气体实际气体一、一、压缩因子压缩因子（compressibility factor）nRTpVZ RTpVZmdef2023-10-11工科化

15、学多媒体课件石建军173.说明说明(1)Z值的大小反映了实际气体对理想气体的偏离程度值的大小反映了实际气体对理想气体的偏离程度;(2)Z1时时,(pVm)实实/RT=Z1=(pVm)理理/RT (Vm)实实(Vm)理理 实际气体难压缩实际气体难压缩，正偏差；正偏差；(3)Z(Vm)理理，表明该气体在指定，表明该气体在指定T,p条件下，存在条件下，存在 着着pVm=RT关系，但不具备理想气体的模型。关系，但不具备理想气体的模型。思考：思考：既然理想状态方程在实际体系中有应用的局限性，是否可以从理想气体与实际气体的区别入手对状态方程进行修正呢？2023-10-11工科化学多媒体课件石建军18理想气

16、体状态方程理想气体状态方程:pVm=RTp-指分子间无作用力时气体对容器器壁的作用力指分子间无作用力时气体对容器器壁的作用力(实验测实验测 得压力得压力);Vm-指指1mol气体分子的自由活动空间气体分子的自由活动空间.但实际气体的行为应该用什么样的气体状态方程式来描但实际气体的行为应该用什么样的气体状态方程式来描 述呢述呢?因实际气体分子间有作用力因实际气体分子间有作用力,且分子本身有体积且分子本身有体积.二、二、范德华范德华(方程方程修正体积和压力项修正体积和压力项1 体积修正项理想气体:V=V容器真实气体:V=V容器-VV=分子本身体积p(V-V)=nRT理想气体:p=p气壁(实验测得)

17、真实气体:p=p气壁 +p (实验测得)(内压力)1 1.2 实际气体实际气体2.2 压力修正项2023-10-11工科化学多媒体课件石建军191 1.2 实际气体实际气体一、一、压缩因子压缩因子（compressibility factor）表示实际气体与理想气体之间偏差的物理量：二、范德华方程二、范德华方程nRTpVZ nRTnbVVanp)(22RTbVVapmm)(2a、b范德华常数。意义意义：易液化的气体，气体分子间吸引力越大，a越大；分子越大，则b越大。2023-10-11工科化学多媒体课件石建军20物质a/(Pam6mol-2)b103/(m3mol-1)物质a/(Pam6mol

18、-2)b103/(m3mol-1)H20.02470.0266N20.1410.0391He0.003460.0237O20.1380.0318CH40.2280.0428Ar0.1360.0322NH30.4220.0371CO20.3640.0427H2O0.5540.0305CH3OH0.9650.0670CO0.1500.0399C6H61.8230.11542023-10-11工科化学多媒体课件石建军21例例1.4 45时，5.20dm3容器中装有3.50molNH3。实验测定其压力为1.73MPa，试计算NH3的压力，并和实验值比较。（1）用理想气体状态方程；（2）用范德华方程。解解：（1）用理想气体状态方程计算NH3气体的压力：p=nRT/V =1.78106Pa=1.78MPa计算值与实验值的相对误差为：误差%=(1.78-1.73)/1.73100%=2.89%（2）用范德华方程计算气体的压力：由表1.1查得NH3的a=0.422Pam6mol-2，b=0.037110-3 m3mol-1。p=1.76106（Pa）=1.76MPa计算值与实验值的相对误差为：误差%=1.73%继范德华方程后，人们又提出了很多可实际应用于工程实际状态方程。