1-第二章-物質(zhì)的狀態(tài)

1、袁彩霞，副教授，碩士生導(dǎo)師 山西大學(xué) 分子科學(xué)研究所，Rooms 307and 401主要研究方向：生物無機(jī)化學(xué)，結(jié)構(gòu)化學(xué)Cell phone: 13513634694E-mail: cxyuan@sxu.edu.cn,分子科學(xué)研究所,無機(jī)化學(xué)山西省重點(diǎn)學(xué)科（2002）化學(xué)生物學(xué)與分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2003）能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2014）化學(xué)與分子科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心專業(yè)：生物無機(jī)化學(xué)，無機(jī)材料化學(xué)現(xiàn)有

2、教授20人，副教授13人，講師7人,,,,第一章 緒 論,化學(xué)的研究對(duì)象研究化學(xué)物質(zhì)（Chemicals）的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化的規(guī)律研究原子、分子（molecule）、離子（ion）和超分子（supramolecule）層次研究的最低層次是原子（atom）化學(xué)的核心：合成（天然物質(zhì)、新物質(zhì)）,超分子通常是指由兩種或兩種以上分子依靠分子間相互作用結(jié)合在一起，組成復(fù)雜的、有組織的聚集體，并保持一定的完整性使其具有明確的微觀結(jié)構(gòu)和

3、宏觀特性。,化學(xué)的分支學(xué)科（二級(jí)學(xué)科） 無機(jī)化學(xué) 分析化學(xué) 有機(jī)化學(xué) 物理化學(xué) 高分子化學(xué),無機(jī)化學(xué),無機(jī)化學(xué)是研究除C、H化合物及其衍生物以外的所有元素和化合物的的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化規(guī)律及其應(yīng)用的化學(xué)分支。核心與特征：合成新物質(zhì)物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)物質(zhì)的性質(zhì)與變化為什么是這種結(jié)構(gòu)，為何發(fā)生這種變化。,無機(jī)化學(xué)熱點(diǎn)：材料、生命、能源、環(huán)境,無機(jī)材料化學(xué)： 光、電、磁、熱等功能材料和

4、機(jī)械材料生物無機(jī)化學(xué)：人體中25種金屬元素 有機(jī)金屬化學(xué)： 含M-C鍵化合物。超真空，無水，無O2。 催化劑、半導(dǎo)體、藥物、能源。,無機(jī)化學(xué)的學(xué)習(xí)方法,1. 理論框架--- * 熱動(dòng)力學(xué)原理與四大平衡 ? 宏觀 * 結(jié)構(gòu)原理（原子、分子、晶體） ? 微觀 * 元素周期律 ? 宏觀和微觀 理論模型?背景，適用范圍，要點(diǎn)，解決什么問題，缺陷。2. 思維方法--

5、-歸納法和演繹法3．預(yù)習(xí)--- 復(fù)習(xí) --- 總結(jié)： 規(guī)律性、特殊性、反常性, 記憶重要性質(zhì)。4．作業(yè)5．實(shí)驗(yàn),References,無機(jī)化學(xué)(第四版，上、下冊)， 北京師范大學(xué)等三校編，高等教育出版社，2002無機(jī)化學(xué)(第二版，上、下冊)，宋天佑等，吉林大學(xué)等三校編，高等教育出版社， 2009無機(jī)化學(xué)(第五版)， 大連理工大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室編，高等教育出版社，2006無機(jī)化學(xué)，張祖德，中國科技大學(xué)出版社，200

6、8中級(jí)無機(jī)化學(xué)，項(xiàng)斯芬等，北京大學(xué)出版社，2003 無機(jī)元素化學(xué)(第二版)， 劉新錦等，科學(xué)出版社，2010Inorganic Chemistry (fourth edition), Gary L. Miessler, Donald.A Tarr, 2012,無機(jī)化學(xué)成績 期末考試80%，平時(shí)成績20%。 平時(shí)成績包括： （1）考勤 （2）課堂練習(xí) （3）每章作業(yè)，必需完成所留作業(yè)；

7、 （4）小論文選做，查閱有關(guān)文獻(xiàn)，任選一種金屬，查閱與該金屬相關(guān)的實(shí)驗(yàn)論文文獻(xiàn)，每人完成一篇小論文。（文獻(xiàn)指英文期刊） 文獻(xiàn)的查閱：可以從校園網(wǎng)進(jìn)入——圖書館——西文電子期刊——web of science/美國化學(xué)會(huì)/英國皇家學(xué)會(huì)/spring link/elseview等化學(xué)期刊,論文撰寫格式,題目作者姓名及單位摘要引言（前言）正文小結(jié)（結(jié)論）參考文獻(xiàn),參考進(jìn)度表,無機(jī)化學(xué)課程的總體設(shè)計(jì),普通化學(xué)原理

8、,元素化學(xué),,無機(jī)化學(xué)課程,,,包括元素周期表中幾乎所有元素的化學(xué)，研究其相應(yīng)單質(zhì)及其化合物組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與應(yīng)用,普通化學(xué)原理的學(xué)習(xí)和掌握，不僅是無機(jī)元素化學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，還為后續(xù)課程的教學(xué)打基礎(chǔ),課程講授順序：,普通化學(xué)原理,元素化學(xué) （第十二——第二十二章）,,,上冊,化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) （第二、九章）,化學(xué)熱力學(xué) （第六章）,化學(xué)動(dòng)力學(xué) （第七章）,反應(yīng)原理,物質(zhì)結(jié)構(gòu),原子結(jié)構(gòu)

9、（第三章） 分子結(jié)構(gòu) （第四章）晶體結(jié)構(gòu) （第四章）配位化合物結(jié)構(gòu) （第十九章）,四大平衡,酸堿解離平衡 （第十章） 沉淀溶解平衡 （第十章） 氧化還原平衡 （第十一章） 絡(luò)合解離平衡 （第十九章）,,,下冊,,化學(xué)平衡 （第八章）,化學(xué)平衡,第二章 物質(zhì)的狀態(tài),物質(zhì)的狀態(tài)：（1）在通常的溫度和壓強(qiáng)條

10、件下，有氣體、液體和固體三種狀態(tài)。（2）特殊的條件下，還可以等離子態(tài)存在。等離子態(tài)：物質(zhì)原子內(nèi)的電子在脫離原子核的吸引而形成帶負(fù)電的自由電子和帶正電的離子共存的狀態(tài)。此時(shí)，電子與離子所帶電荷相反，數(shù)量相等。例如：霓虹燈放電，原子核的巨變。,§2-1 氣體,1-1 理想氣體1-1-1 定義：氣體分子只有位置而不占體積，分子間沒有相互吸引力，分子之間以及分子和器壁之間發(fā)生的碰撞不造成動(dòng)能損失。在高溫、低壓條件下，許多

11、實(shí)際氣體很接近與理想氣體。,1-1-2 理想氣體狀態(tài)方程波義爾定律：當(dāng)n和T一定時(shí)，氣體的V與p成反比： V ∝1/p (1)查理-蓋呂薩克定律：n和p一定時(shí)，V與T成正比： V ∝T (2)阿佛加德羅定律：p與T一定時(shí)，V和n成正比： V ∝n (3)三個(gè)

12、經(jīng)驗(yàn)定律的表達(dá)式合并得 V ∝ nT/p (4),理想氣體狀態(tài)方程 pV = nRT 其中：p：氣體的壓強(qiáng)，Pa V：氣體的體積，m3 n：氣體的物質(zhì)的量，mol T：熱力學(xué)溫度，K R：摩爾氣體常數(shù)， ? R = 8.314 Pa·

13、;m3?mol-1·K-1 (kPa·dm3?mol-1·K-1) (J·mol-1·K-1 ),,,1. 已知任意三個(gè)變量求另一個(gè)量,3. 確定的氣體密度,2. 確定氣體的摩爾質(zhì)量,1-1-3 理想氣體狀態(tài)方程的應(yīng)用,例2-1 在容積為10.0 dm3的真

14、空鋼瓶中充滿氯氣，當(dāng)溫度為288 K時(shí)，測得瓶內(nèi)氣體壓強(qiáng)為1.01?107 Pa。試計(jì)算瓶內(nèi)氯氣的質(zhì)量（千克）。解：pV = nRT 1.01?107 ?10?10-3 = m/(71?10-3) ? 8.314 ?288 m = 2.99 (kg),自學(xué)內(nèi)容例2-3， 2-4 利用蒸汽密度法測易揮發(fā)液體的相對(duì)分子質(zhì)量（近似值），極限密度法測氣體摩爾質(zhì)量。 標(biāo)況下：?空氣 = 1

15、.293 g?dm-3,1-1-4 理想氣體混合物的分壓和分體積定律? （1）分壓的概念：,當(dāng)幾種不同的氣體在同一容器中混合時(shí)，如果它們之間不發(fā)生反應(yīng)，按照理想氣體模型，它們將互不干擾，每一種氣體組分都能均勻地充滿整個(gè)容器，那么每一組分氣體產(chǎn)生的壓力叫分壓。,? （2）道爾頓（Dalton）分壓定律 混合氣體的總壓（ p總）等于組成混合氣體的各氣體的分壓（ pi）之和。 p總= ?pi = p1 + p2 +

16、 p3 + ······ （2-6） 分壓（pi ）：在一定溫度下，混合氣體的某種氣體單獨(dú)占有混合氣體的體積時(shí)所呈現(xiàn)的壓強(qiáng) piV總= niRT （2-7） 混合氣體狀態(tài)方程： p總V總= n總RT （2-8）

17、 pi/p總 = ni/n （2-9）,摩爾分?jǐn)?shù)（ xi ）：xi = ni/n總 ?xi = 1 則 pi = xi p總 （2-10）例2-5 有一 3.0 dm3的容器，內(nèi)盛16 g O2，28 g N2，求300 K 時(shí)N2、O2

18、的分壓及混合氣體的總壓。解： piV總= niRT nO2 = 16/32 = 0.5 (mol), nN2 = 28/28 = 1.0 (mol) pO2 = niRT/V總= 0.5?8.314?300/(3.0?10-3) = 4.16 ?105 (Pa) pN2 = 8.32 ?105 (Pa) p總 = pO2 + pN2 = 12.48 ?105

19、 (Pa),例：一容器中有4.4g CO2, 14g N2和12.8g O2，總壓為2.026 ?105 Pa，求各組分的分壓。解： pi = xi P總 xCO2= (4.4/44) / (4.4/44 +12.8/32 + 14/28) xN2= (14/28) / (4.4/44 +12.8/32 + 14/28) xO2= (12.8/32) / (4.4/44 +12.

20、8/32 + 14/28) 例2-6 自學(xué)注意：排水集氣法得到的氣體是飽和水蒸汽與某種純凈氣體的混合氣體。,? (3) 阿馬伽（Amagat）分體積定律混合氣體的總體積（ V總）等于組成混合氣體的各氣體的分體積（ Vi）之和。分體積（Vi）：在一定溫度下，組成混合氣體的某種氣體的壓力為混合氣體的總壓時(shí)單獨(dú)占有的體積 V總= ?Vi

21、 Vi = xi V總 推導(dǎo)： pVi = niRT pV總= nRT Vi/V總 = ni/n = xi,(4) 理想氣體擴(kuò)散定律 (格拉罕姆，Graham) 同溫同壓下，某種氣態(tài)物質(zhì)的擴(kuò)散速率（ui）與其密度的平方根成反比： ui ? (1/?i)1/2 或 uA/uB = (?B /?A)1/2 而同溫同壓下，? ? M

22、r （相對(duì)分子質(zhì)量）, uA/uB= (Mr(B) /Mr(A))1/2 例：在相同溫度和壓強(qiáng)下，某氣體的擴(kuò)散速率是CH4的0.5倍，則這種氣體最可能是（ ）。 （A）CO2 （B）O2 （C）SO2 （D）SO3,(5) 氣體混合物的平均摩爾質(zhì)量()假定混合氣體各組分之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，組分A的物質(zhì)的量為nA，摩爾質(zhì)量為MA；組分B的物質(zhì)的量為nB，摩爾質(zhì)量為MB，由A和B組成的混合

23、物體系的摩爾質(zhì)量，則 = m/n =(nAMA + nBMB)/n = nA/n ? MA+ nB/n ? MB 即 = xAMA+ xBMB 對(duì)多種混合氣體： = ?xiMi 對(duì)固體和液體混合物也適用,1-3 氣體的液化（凝聚）實(shí)際氣體分子間存在吸引力，從而可發(fā)生一種理想氣體不可能的變化—液化。任何氣體的液化都必須在降低溫度（減小分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離散傾向，即減小液體的飽和蒸氣壓）或同時(shí)增加壓

24、強(qiáng)（減小分子間距從而增大分子間引力）的條件下實(shí)現(xiàn)。即單純采用降溫的方法可以使氣體液化，但是單純使用加壓的方法不能奏效。,1-2 實(shí)際氣體狀態(tài)方程式 (自學(xué)),原因：由于加壓增大分子間引力是有一定限度的（超過一定程度分子間排斥力將起主導(dǎo)作用），即液化的發(fā)生要求分子熱運(yùn)動(dòng)的離散傾向也不能超過一定限度，即對(duì)氣體的溫度有最高限定。,液氮-196 oC,臨界常數(shù)：,臨界溫度 Tc : 每種氣體液化時(shí)，各有一個(gè)特定溫度叫臨界溫度。 在Tc 以上

25、，無論怎樣加大壓力，都不能使氣體液化。臨界壓力 pc : 臨界溫度時(shí)，使氣體液化所需的最低壓力叫臨界壓力。臨界體積 Vc : 在Tc和 pc 條件下，1 mol 氣體所占的體積叫臨界體積。 Tc, pc , Vc總稱為氣體的臨界參數(shù)，是物質(zhì)的一種特性，均與分子間作用力及分子質(zhì)量有關(guān)。,臨界狀態(tài)：氣態(tài)物質(zhì)處于臨界溫度，臨界壓強(qiáng)和臨界體積的狀態(tài)。是一種不穩(wěn)定的特殊狀態(tài)。超臨界流體：既不屬于氣體，也不屬于液體，氣液界面消失

26、，其密度可以在氣體和液體密度之間任意調(diào)變，并且在臨界點(diǎn)附近，壓力的微小變化就能夠?qū)е旅芏鹊木薮笞兓?。它的許多物理化學(xué)性質(zhì)介于氣體和液體之間，并具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，如具有與液體相近的溶解能力和傳熱系數(shù)。具有與氣體相近的黏度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。超臨界流體廣泛用于萃取和藥物的合成分析等方面。,1- 4 氣體分子的速率分布和能量分布（馬克斯韋爾，Maxwell）氣體分子運(yùn)動(dòng)的速率分布：,up,處于速率u0附近單位速率間隔內(nèi)的氣體分子數(shù)占分子總數(shù)的分?jǐn)?shù)

27、,,最幾速率 up，幾率最大的速率；算術(shù)平均速率均方根速率 : : up = 1.000 : 0.921 : 0.816,? 差不多半數(shù)以上分子具有適中的運(yùn)動(dòng)速率，僅有少數(shù)分子具有相當(dāng)大的速率或很小的速率。? 溫度升高，速率普遍增大，但具有這種速率的分子的分?jǐn)?shù)變小,氣體分子的能量分布： 馬克斯韋爾- 波爾茲曼分布定律:

28、 (2-20) Ni：能量 ? E0 的分子數(shù)； N：分子總數(shù) E0：與氣體的性質(zhì)有關(guān)，是一個(gè)特定的能量數(shù)值。 fE0：能量 ? E0的分子占所有分子的分?jǐn)?shù),~ E,與氣體速率分布曲線類似,§2-2 液體,2-1 液體的蒸發(fā) （1）蒸發(fā)液體變成蒸氣的過程，在液體表面進(jìn)行。液體分子的能量分布也符合馬克斯韋爾-波爾茲曼分布定律：

29、 Ni = N ? e –E0/RT T升高， Ni 增大，蒸發(fā)速度加快。 E0升高，Ni 減小，蒸發(fā)速度變小。,密閉容器,蒸發(fā) ? 冷凝“動(dòng)態(tài)平衡”,恒溫,分子的動(dòng)能：紅色：大黑色：中藍(lán)色：低,,飽和蒸氣壓：與液相處于動(dòng)態(tài)平衡的這種氣體叫飽和蒸氣，它的壓力叫飽和蒸氣壓，簡稱蒸氣壓。,飽和蒸氣壓是物質(zhì)特有的性質(zhì)，其大小是溫度的函數(shù)。相同溫度下，液體分子間的引力強(qiáng)，蒸氣壓低；引力弱，蒸氣壓高。同一液體，溫度高

30、，蒸氣壓大；溫度低，蒸氣壓低。,（2）飽和蒸氣壓（蒸氣壓）,p ~ T 為曲線（圖 2-7）lg p ~ 1/T 直線（圖 2-8）：克勞修斯-克拉貝龍方程：,應(yīng)用：1）計(jì)算液體的蒸發(fā)熱；2) 求蒸氣壓或者溫度 要注意R 的單位與?Hvap的單位一致。,（3） 蒸發(fā)熱（?H, 單位：J，kJ）維持液體恒溫恒壓下蒸發(fā)所必須的熱量。摩爾蒸發(fā)熱 （?rHm，J·mol-1，kJ&#

31、183;mol-1） 一定溫度和壓強(qiáng)下，1 mol液體的蒸發(fā)熱。一般來說，蒸發(fā)熱越大，液體分子間作用力越大。,R = 8.314 Pa·m3?mol-1·K-1 (kPa·dm3?mol-1·K-1) (J·mol-1·K-1 ),2-2 液體的沸點(diǎn)在敞口容器中，液

32、體的飽和蒸氣壓等于外壓時(shí)，液體發(fā)生劇烈的汽化現(xiàn)象，稱為沸騰，此時(shí)的溫度稱為沸點(diǎn)。正常沸點(diǎn)：外界壓強(qiáng) = 1.01325 ?105 Pa減壓蒸餾的原理：液體的沸點(diǎn)隨外界氣壓的變化而變化。 例2-9 采用減壓蒸餾的方法精制苯酚。苯酚的正常沸點(diǎn)為455.1 K，如果外界壓力為1.333 ?104 Pa，酚的沸點(diǎn)為多少？ 已知 ?vHm = 48.0139 kJ·mol-1。,§2-3 固體,3-1 晶體與非晶體

33、晶體：固體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)呈規(guī)則的空間排列。絕大多數(shù)固態(tài)物質(zhì)屬于晶體。非晶體（無定形體）：固體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)呈無規(guī)則排列。極少數(shù)物質(zhì)如玻璃、石蠟、瀝青和爐渣等。晶體與非晶體性質(zhì)的異同：（a）二者可壓性和擴(kuò)散性均差 （b）晶體有固定的外形，非晶體沒有 （c）晶體有固定的熔點(diǎn)，非晶體沒有 （d）晶體有各向異性，非晶體則是各向同性的,3-2 晶體的外形 七大晶系（根據(jù)對(duì)稱性）立方，四方，正交，三方，六方，單斜和三斜

34、晶系的確定：測定晶面間夾角和晶軸的長短。,3-3 晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）十四種晶格（了解）晶體的外形是晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反映，是構(gòu)成晶體的質(zhì)點(diǎn)（原子，分子和離子）在空間有一定規(guī)律的點(diǎn)上（空間點(diǎn)陣）排列的結(jié)果，空間點(diǎn)陣每一個(gè)點(diǎn)叫做結(jié)點(diǎn)。物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)排列在結(jié)點(diǎn)上則構(gòu)成晶體。晶格是實(shí)際晶體所屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的代表（14種）。,P：簡單晶格；F：面心晶格； I：體心晶格； C：底心晶格；,立方 四方 正交

35、六方和三方 單斜 三斜,（2）晶胞（平行六面體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)的代表。晶體是由晶胞并置而成。每個(gè)晶胞中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的比與晶體一致；晶胞在結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性和晶體一致。具有這些性質(zhì)的最小平行六面體叫晶胞。,把晶胞中環(huán)境不同的質(zhì)點(diǎn)分開CsCl： Cs+：1個(gè)；Cl-：8?(1/8) = 1; Cs+: Cl- = 1:1NaCl: Na+ 12?(1/4) + 1 = 3+1 = 4個(gè)

36、 Cl- 6?(1/2) + 8?(1/8) = 4個(gè)一個(gè)NaCl晶胞的化學(xué)成分代表了NaCl晶體,NaCl晶體的晶胞,同一晶體不論可以分成幾種化學(xué)環(huán)境不同的質(zhì)點(diǎn)，每種質(zhì)點(diǎn)所排列成的形式是完全相同的,例：干冰的晶體結(jié)構(gòu)屬于面心立方晶格，每個(gè)晶胞中含有的CO2分子為（ ）。 （A） 8 （B） 4 （C） 1 （D） 2,,作業(yè)：1，3，6，10，13， 14，15,預(yù)習(xí)