无机化学宋天佑版化学基础知识课件.pptx
第2章 化学基础知识,2-1-1 理想气体状态方程2-1-2 气体混合物2-1-3 真实气体2-1-4 气体分子动理论,2022/12/18,1,2-1 气体,2-1 气体,2-1-1 理想气体状态方程及应用,2022/12/18,2,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体积可以忽略（具有质量的几何点）。 实际气体在低压(101.325kPa)和高温(0)的条件下，接近理想气体。,等压变化(盖吕萨克定律）: 恒压条件下，气体的体积与其温度成正比。VT等温变化（玻意耳定律）： 恒温条件下，气体的体积与压强成反比。 PV = C由此： 一定量气体P，V，T之间有如下关系 PV/T = C,2022/12/18,3,2022/12/18,4,理想气体状态方程 PV = nRT 在STP下，P = 101325 Pa, T = 273.15 K n = 1.0 mol时, Vm= 22.41410-3 m3 R = 8.314 Pam3K-1mol-1 另一单位制：atm, L, mol, K R=0.08206 atmLK-1mol-1单位换算1atm=101.325kPa=760mmHg 1ml=1cm3=10-3L=10-3dm3=10-6m3 1m=102cm=103mm=106um=109nm=1012pm n=m/M =m/V C=n/V,阿佛加得罗定律： 相同温度和压力下，相同体积的不同气体均含有相同数目的分子。标准条件(standard condition,或标准状况）101.325kPa和273.15K（即0）-STP 标准条件下1mol气体: 粒子数NA=6.021023mol-1 体积 Vm=22.414110-3m3,2022/12/18,5,2022/12/18,6,理想气体状态方程的应用 推导出气体密度与P，V，T之间的关系。(设气体质量为m,摩尔质量为M） = m/V, n = m/M 代入PV = nRT注意单位的使用,R用8.314, P、V、T、n均为国际单位,也可以P以kPa,V以L做单位,此时考虑n=m/M PV=mRT/M PM= RT(密度的单位是 g/L),2022/12/18,7,解：依据 PV=nRT,由题意知，P、V恒定，容器内物质的量减小为原来的四分之三. n1RT1 =n2RT2 n1/n2=T2/T1 4/3= T2/288 T2=384K,例1.一敞口烧瓶中盛有空气，欲使其量减少四分之一，需把温度从288K提高到多少？,2022/12/18,8,例2.实验室用金属钠与氢气在高温下反应制备NaH。反应装置中的空气需用无水无氧的氮气置换。氮气由氮气钢瓶提供，该钢瓶体积为50 L，温度25 C，压力为15.2 MPa. 请计算钢瓶中气体的物质的量和质量； 若将反应装置用氮气置换5次后，钢瓶压力下降为13.8 MPa.计算在25 C 、0.1 MPa下，平均每次消耗氮气的体积。,2022/12/18,9,(1)解：依据 PV=nRT,15.21065010-3=n8.314298n=307 mol m=30728= 8589 g(2)解:置换5次后,钢瓶压力降低为13.8MPa,此时钢瓶内的气体物质的量 n= 278.5 mol 即排出的N2=28.5 mol每次排出的气体体积由PV=nRT得到.,例2.Page4,2022/12/18,10,组分气体：理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。各组分气体的相对含量可用分体积Vi、分压Pi或摩尔分数xi等表示。,1.分压定律,气体的最基本特征：可压缩性和扩散性,2-1-2 气体混合物,2022/12/18,11, 分体积、体积分数、摩尔分数（补充）分体积：指相同温度下，组分气体具有和混合气体相同压力时所占体积。,O2,N2,O2+N2,+,V1、P、T,V2、P、T,V1+V2、P、T,混合气体总体积V总=各组分气体的分体积Vi之和 V总=V1+V2+V3+V4Vi,2022/12/18,12,|,2022/12/18,13,分压定律： 分压：一定温度下，混合气体中的某种气体单独占有混合气体的体积时所呈现的压强。,O2,N2,O2+N2,+,T、 V、P总=P1+P2,混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。P = P1 + P2 + 或 P = Pi,T、V、P1,T、 V、P2,2022/12/18,14,PiV=niRT P总V=n总RT,分压定律,注意：在PV=nRT公式中，不能同时代入分体积和分压。,2022/12/18,15,例：潜水员携带的水下呼吸器中充有氧气和氦气的混合气体。将25 C，0.10 MPa的46 L O2和12 L He充入体积为5.0 L的储罐中。请计算该温度下储罐中两种气体的分压和混合气体的总压。,2022/12/18,16,气液两相平衡时液相表面蒸气的分压即为该液体的饱和蒸气压。温度一定，水的分压（饱和蒸气压）为定值。,2022/12/18,17,例.温度为18 C，室内气压计指示为753.8 mmHg，某同学在实验室用排水法收集到0.567 L 氢气。用分子筛可以除去气体中的水分，得到干氢气。请计算同样条件下干氢气的体积和物质的量。（已知：PH2O(18 C) = 15.477 mmHg)气压计指示的空气压强,是氢气和水蒸汽的压强和PT;排水收集的为湿润氢气,其体积VT=0.567L。湿润氢气的分压PH2应从气压计读数中扣除此温度下水蒸汽的饱和蒸汽压.欲求的是去掉水蒸汽后氢气的体积，即分体积VH2. PH2 VT=PTVH2,2022/12/18,18,PVm,2-1-3 真实气体,2022/12/18,19,实际气体与理想气体产生偏差：应考虑气体分子本身的体积，在方程中扣除；应考虑内层分子与外层分子间、外层分子与器壁间的作用力。,2022/12/18,20,实际气体状态方程-范德华方程,a、b均为范德华常数，由实验确定。a与分子间引力有关;b与分子自身体积有关。,2022/12/18,21,对理想气体：PV=nRTP：气体分子对容器壁产生的压力V：气体分子自由活动的空间，即容器的体积。实际气体需修正P、VV=(V-nb) nb是n摩尔气体自身的体积,2022/12/18,22,例.分别按理想气体状态方程式和范德华方程式计算1.50 mol SO2在303K,占有20.0 dm3体积时的压力，并比较两者的相对误差。如果体积减少为2.00 dm3，其相对误差又如何？ 解：已知T=303 K，V=20.0 dm3，n=1.50 mol， a=0.6803 Pa m6 mol-2， b=0.563610-4m3 mol-1,2022/12/18,23,2022/12/18,24,PFu 碰撞力与碰撞速度的乘积 Fmv uv N/V Pmv2(N/V) 其中v是具有统计平均意义的方均根速度v rms,同时考虑碰撞的方向因素, PV=Nmv2/3与理想气体状态方程对比: Nmv2/3=nRT NAmv2/3=RT Mv2/3=RT,2-1-4 气体分子动理论,2022/12/18,25,方均根速度: Mv2/3=RT vrms=(3RT/M)1/2有关气体分子运动速度还包括最概然速度 vmp,平均速度vav,三者数值不同但十分接近,相对关系如下:Vrms:Vav:Vmp=1.000:0.921:0.816,气体分子的速度分布和扩散定律,2022/12/18,26,2-2-1 溶液浓度及表示方法,2-2 液体和溶液,1.质量摩尔浓度mB,2.物质的量浓度CB,3.质量分数w,4.摩尔分数,2022/12/18,28,2-2-2 非电解质稀溶液的依数性,蒸气压下降拉乌尔定律沸点升高凝固点下降渗透压,如果将将蔗糖溶解在水中形成溶液，其蒸气压有何变化？,蒸气压下降：与纯溶剂相比，难挥发物质的溶液的蒸气压低于纯溶剂的蒸气压。,难挥发物质的稀溶液蒸气压会下降的原因: 溶剂的部分表面被溶质占据，单位时间，逸出液面的溶剂分子数减少，即蒸发速率减小，使系统在较低的蒸气浓度或压力下达到平衡。即溶液的蒸气压必低于纯溶剂的蒸气压。,一、蒸气压下降拉乌尔定律,拉乌尔定律：在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压等于纯溶剂的蒸气压与溶剂摩尔分数的乘积。,拉乌尔定律适用于非电解质稀溶液,=Km 拉乌尔定律的另一表达式m为溶质B的质量摩尔浓度（mol/kg)，K为溶剂的蒸气压下降常数。,非挥发性溶质的稀溶液溶液的蒸气压只与单位体积内溶质的粒子数目有关，而与溶质分子的组成和性质无关。 若溶质（B）、溶剂（A）都有挥发性，且两者没有相互作用，可组成理想溶液，也可以利用拉乌尔定律.这时可分别考虑，然后加合：PA=PA0 xA ; PB=PB0 xB ;溶液蒸气压P=PA+PB例：苯与甲苯,(1)三相点(纯水在其饱和蒸气压下的凝固点）Tt=273.16K, Pt=610.5Pa(2)水的冰点（一大气压下被空气饱和的水和冰的平衡点）Tf=273.15K(3)水的沸点Tb=373.15K(4)水的临界点Tc, Pc Tc=647K,Pc=2.21107Pa,水的相图 和三相点(triple point),沸点升高（液体饱和蒸气压=外压）,难挥发非电解质稀溶液的沸点纯溶剂沸点解释？ Tb=Kbm Tb: 沸点上升值； m：溶质的质量摩尔浓度(mol/kg)； Kb：溶剂的摩尔沸点上升常数。,凝固点下降,凝固点：固态纯溶剂与液态溶液平衡时的温度即固体纯溶剂的蒸气压=溶液中溶剂的蒸气压时的温度。若P固 P液，固体熔化；反之，凝固.,冰蒸汽压下降的程度超过水蒸汽压的下降程度！,0时冰的蒸气压=水的蒸气压=611Pa。由于水溶液的蒸气压下降，0时水溶液的蒸气压必低于冰的蒸气压，如果此时溶液中加入冰，冰就会融化，融化过程要从系统吸热，系统温度就会降低。由于冰的蒸气压曲线坡度大，在0以下某温度时，冰的蒸气压曲线与溶液的蒸气压曲线相交于一点，这个温度就是溶液的凝固点。 凝固点降低值 Tf=Kfm,半透膜：只能透过溶剂分子（水），但不能透过溶质分子的膜状物质。动物的膀胱、肠衣、细胞膜等。渗透：溶剂通过半透膜进入溶液的单方向扩散过程。单位时间内溶剂分子从两个相反的方向穿过半透膜的数目彼此相等，即达到渗透平衡。渗透压：为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的额外压力。Vant Hoff公式：v=nRT或=cRT,依数性：难挥发的非电解质溶于溶剂时，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压低；溶液的沸点比纯溶剂的沸点高；溶液的凝固点比纯溶剂的凝固点低；在溶液和纯溶剂间产生渗透压。当溶液的浓度较稀时，蒸气压下降、沸点升高、凝固点降低、渗透压的数值仅与溶液中溶质的质点数有关，而与溶质的特性无关。,注意：1.依数性只适用于难挥发的非电解质稀溶液.浓溶液和电解质溶液数值与公式偏差大.2.沸点高低或渗透压大小顺序为：A2B或AB2型强电解质AB型强电解质溶液弱电解质溶液非电解质溶液。3.凝固点高低顺序与上相反。,依数性的应用1.测分子的摩尔质量-应用沸点升高、凝固点下降 Tb or f = Kb or f m 其中m为溶质的质量摩尔浓度（mol/kg)-应用渗透压= cRT, 如果使用国际单位Pa、K,R=8.314,c的单位应该是molm-3; 也可以使用R=0.08206，atm,K,moldm-3,2.制作防冻剂和制冷剂 冬天汽车水箱中加入甘油或乙二醇; 实验室以冰-盐混合物作制冷剂。,3.配制等渗输液例：与人体血液等渗透压的葡萄糖(C6H12O6)溶液的凝固点降低为0.543K，水的Kf=1.86,求该葡萄糖溶液的质量分数。解：Tf = Kfm, 0.543=1.86m m=0.2919molkg-1 W=0.2919180/（1000+0.2919180） =5%,2022/12/18,47,2-3 固体,晶体和非晶体（无定型体）（crystalline state and amorphous solid)晶体的类型：分子晶体、离子晶体、原子晶体、金属晶体,2022/12/18,48,晶体结构和类型,晶体结构的特征与晶格理论 晶体：具有整齐规则的几何外形，各向异性，有固定熔点。 非晶体：无整齐规则的几何外形，各向同性，没有固定熔点。,2022/12/18,49,晶体的几个基本概念 结点：晶体中的粒子（原子、分子、离子等）抽象为一个点，即为结点。 晶胞：能表现出晶体结构全部特征的最小单元（六面体）。 晶格：构成晶体的质点以一定的规则排列在空间的固定点上形成的格子。,2022/12/18,50,a,b,c,y,x,z,2022/12/18,51,七大晶系、十四种晶格,晶胞的大小和形状由六个参数决定，即六面体的三个边长a、b、c及三个夹角、。,根据晶胞参数的不同，晶体可分为七大晶系： 立方晶系、六方晶系、四方晶系、三方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系。,2022/12/18,52,2022/12/18,53,晶体内部结构-七大晶系,立方晶系:a=b=c,=90,六方晶系:a=bc = =90 =120 ,四方晶系: a=bc =90,2022/12/18,54,晶体内部结构,三方晶系:a=b=c,= 90,正交晶系:a bc = = = 90,单斜晶系: a bc = =90 90,三斜晶系: a bc 90,2022/12/18,55,结点在六面体上的分布类型有4种简单格子：只在八个顶角上有结点，P底心格子：除八个顶角上有结点外，上下两个平行面的中心各有一个结点，C体心格子：八个顶角和体心各有一个结点，I面心格子：八个顶角和六个面心上均有结点，F四种类型用于七大晶系，可得到十四种晶格。,2022/12/18,56,晶体十四种晶格(以立方晶系为重点),立方P,立方I,立方F,六方P,四方P,四方I,2022/12/18,57,正交P,正交C,正交I,正交F,三方P,2022/12/18,58,三斜P,单斜C,单斜P,2022/12/18,59,2.3.1 非晶体 准晶体,(1)非晶体: 没有规则外形,内部微粒排列不规则(长程无序)，无特定的晶面.过冷液体. 石英 石英玻璃(2)准晶体:长程有序但缺乏空间周期性.,2022/12/18,60,2.3.2 晶体类型,(1)离子晶体： 活泼金属的氧化物和盐类 特征：晶格结点上的质点正、负离子； 质点间作用力离子键； 配位数 6、8、4等； 晶体中不存在独立的简单分子。,2022/12/18,61,2022/12/18,62,性质： 较高的熔沸点和硬度电荷越高，离子半 径越小，库仑力越大，熔、沸点越高； 质脆，延展性差受机械力作用，结点离子位移，由异性相吸变为同性相斥； 易溶于水，水溶液及熔融态易导电；,2022/12/18,63,几种常见离子晶体的结构,AB型离子晶体的类型,ZnS型立方面心配位数为4 ：4,ZnS晶胞中的离子数Zn2+ ： 4个S2- ： 61/2 + 81/8 = 4个,2022/12/18,64,立方面心 配位数为6 ：6,NaCl晶胞中的离子个数CI- ：81/8 + 61/2 =4个Na+ ： 1+121/4 = 4个,NaCl型,2022/12/18,65,简单立方配位数为8 ：8,CsCl晶胞中的离子数Cs+ ： 1 个Cl- ： 81/8=1个,CsCl型,2022/12/18,66,(2)分子晶体: 靠分子间力结合（有时可能含氢键）而成的晶体。 类型:主要是一些共价型的非金属单质和化合物分子。如：稀有气体；大多数的非金属单质（H2、O2、X2、S8、P4等）；非金属间的化合物（HCl、CO2等）；大多数有机化合物。,2022/12/18,67,特点: 晶格上的质点分子 质点间作用力 分子间力（氢键） 配位数可高达12 晶体中存在独立的简单分子,2022/12/18,68,性质: 熔点低，硬度小，易挥发，（分子间力弱），通常为电的不良导体，但一些强极性键的分子晶体（HCl）溶于水导电。,2022/12/18,69,分子的偶极矩和极化率1 分子的极性 非极性分子：分子中的正、负电荷中心重合 极性分子：分子中的正、负电荷中心不重合2 分子极性与键极性的关系 双原子分子 键有极性，分子有极性。HX 键无极性，分子无极性。X2,2022/12/18,70,多原子分子的极性主要取决于分子的组成和分子的几何构型。 组成原子相同:（P4，S8等）为非极性分子 组成原子不同:几何构型对称的为非极性分子，如：BF3几何构型不对称的为极性分子，如：H2O,NH3,2022/12/18,71,3.偶极矩偶极子：是指大小相等，符号相反，彼此相距为d的两个点电荷（+q,-q)所组成的系统。偶极矩：=qd，方向: +- 单位：德拜D 1D=3.3310-30Cm（库米） =0，为非极性分子0，为极性分子。越大，分子极性越强。,HF HCl HBr HI/D 1.92 1.03 0.79 0.38,2022/12/18,72,偶极矩方向一致 =1.5D，较大,三个N-F键的偶极矩加合与孤对电子的偶极矩方向相反，抵消一部分，所以U较小。=0.2D,2022/12/18,73,偶极矩常用来判断一个分子的空间结构。 NF3：=1.66D ；极性分子，三角锥形。采取sp3杂化； BF3：=0；非极性分子，平面三角形。采取sp2杂化。,2022/12/18,74,4.三种常见的偶极,永久偶极：极性分子中固有的偶极。诱导偶极：在外电场影响下所产生的偶极。瞬间偶极：某一瞬间，分子的正、负电荷重心发生不重合现象时所产生的偶极。,2022/12/18,75,5.范氏力（分子间作用力）的类型取向力:极性分子中永久偶极间的相互作用力。,2022/12/18,76,诱导力：诱导偶极与永久偶极间的作用力。,色散力： 瞬间偶极间的作用力。色散力存在于所有类型分子中，对大多数分子来说，色散力是主要的（水除外）。,2022/12/18,77,极性分子 与 极性分子 偶极：永久偶极、诱导偶极、瞬间偶极 作用力：取向力、诱导力、色散力极性分子与非极性分子 偶极：诱导偶极、瞬间偶极 作用力：诱导力、色散力非极性分子 与 非极性分子 瞬时偶极 色散力,小结：分子间作用力与分子的极性,2022/12/18,78,6. 范氏力的特点 存在于分子或原子(稀有气体)间的一种电性作用力; 作用能小，约几几十kJmol-1; 一般没有方向性和饱和性； 作用范围小(一般几个pm),d增大,力速减。,2022/12/18,79,7. 范氏力对物质物理性质的影响 结构相似的同系列物质（如：卤素、稀有气体等），分子量越大，分子的变形性越大，分子间作用力越强，物质的熔沸点越高。 F2 Cl2 Br2 I2聚集态 气 气 液 固熔点/K 53.38 172.02 265.92 386.5沸点/K 84.86 238.95 331.76 457.35,2022/12/18,80,(3) 原子晶体 原子之间靠共价键结合的晶体 通常情况下是由“无限”数目的原子所组成的一类晶体，数量不多。 A：C Si Ge Sn等单质 A A A 彼此组成的某些化合物 金刚石、B、SiC、SiO2、BN、B4C、AlN,2022/12/18,81,特点： 晶格结点上的质点原子 质点间作用力共价键 配位数 一般为4 原子晶体中不存在独立分子,性质：熔沸点高，硬度大，一般溶剂中不溶，是电的绝缘体或半导体。,2022/12/18,82,金刚石的球棍模型示意图,2022/12/18,83,SiO2的球棍模型示意图,2022/12/18,84,(4) 金属晶体 晶格结点上的质点金属原子或正离子 质点间的作用力金属键 配位数一般较大通常为12或8,2022/12/18,85,金属晶体和离子晶体中原子的密堆积方式,（1）六方密堆积 hcpABAB堆积，空间利用率74.05%，配位数为12,La,Mg,Co,Ti,Y,Zr,Hf,Cd等,2022/12/18,86,（2）立方面心密堆积 ccp,ABCABC堆积，空间利用率74.05%，配位数为12,Sr,Ca,Pb,Ag,Au,AI,Cu,Ni,2022/12/18,87,2022/12/18,88,（3）体心立方堆积,配位数为8，空间利用率68.02%,Li,Na,K,Rb,Cs,Mo,W,Fe,2022/12/18,89,2022/12/18,90,石墨晶体：具有原子晶体、金属晶体、分子晶体的特点。,层状晶体(混合型晶体）,2022/12/18,91,2022/12/18,92,
