普通化学讲义笔记.doc

普通化学讲义笔记.doc

《普通化学讲义笔记.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《普通化学讲义笔记.doc（64页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

同济大学环境科学与工程学院普通化学讲义+笔记

专题一

化学，就是研究物质化学运动和变化规律的科学，亦即研究那些具有一定质量、占有一定空间的实物的组成、结构、性质和变化规律，以及伴随这些变化过程的能量关系的科学。

物质有4种不同的物理聚集状态，即气态、液态、固态和等离子态。

气体的基本特征是其具有无限的可膨胀性、无限的掺合性和外界条件（温度、压力）对其体积影响的敏感性。

理想气体状态方程

对含有物质的量为ｎ的理想气体，在密闭的容器中其体积（V）、压力（p）和热力学温度（T）之间服从以下关系式：

PV=nRT

此式称为理想气体状态方程。

式中R叫做摩尔气体常数，其值等于1mol任何理想气体的pV/T值，其数值可根据阿伏加德罗定律来求得。

R＝8.314J•mol-1·K-1。

在使用理想气体状态方程时，要注意各物理量的量纲与R数值及其单位的一致，即R＝8.314J•mol-1·K-1时，式中n、p、V、T等物理量只能用它们的基本单位mol、Pa、m3和K。

理想气体状态方程可表示为另外一些形式，如：

或

二、混合气体分压定律（道尔顿分压定律、阿马格分容定律）

在恒温下，把混合气体分离成各个单独组分，并使其与混合气体具有相同的压力，此时该组分气体所占有的体积称为该组分的分体积。

气—液平衡

在临界温度以下，气体转化为液体，但分子的热运动并未停止，处于液体表面的少数分子能克服分子间力，重新飞逸出液面变成气体，此过程称为液体的蒸发（或气化）。

如果把液体放置于密闭的容器中，蒸气分子则不致逃走，已形成的蒸气分子又可能重新撞到液面上而凝聚为液态。

蒸发与凝聚两个过程同时进行，但开始时前者居优势，所以气相中分子逐渐增多，随后分子返回液相的机会增大，到了一定程度，单位时间内分子的出入数目相等，此时两个过程达到平衡：

，此时，液体的蒸发和气体的凝聚似乎已经停止，但实际上这两个过程仍在不断进行，只是它们的速度相等而已，因此，这是一种动态平衡。

处于动态平衡的气体叫做饱和蒸气，饱和蒸气对密闭容器的器壁所施加的压力称为饱和蒸气压，简称蒸气压。

蒸气压

蒸气压是液体的重要特性之一，它是温度的函数。

液体蒸气压随温度有明显的变化，当温度升高时，分子的动能增加，表面层分子逸出液面的机会增加，随之气体分子返回液面的数目也逐渐增多，直到建立起一个新平衡状态，这个过程的总结果是蒸气压增大。

若将蒸气压对温度作图，则可得到一条曲线，叫做蒸气压曲线。

液体的表面张力

液体内部的分子与表层分子所受的作用力是不相同的。

在液休内部，分子受周围其它分子的吸引力是对称的，而表层分子受周围其它分子的吸引力是不对称的。

因为表面层分子是处在气体与液体的界面上，气相分子对它吸引力较小，而液体内部分子对它的吸引力较大，因此，表层分子有朝液体内部迁移的趋势，所以液体表面常显示出自动收缩的现象。

若在一金属环中有一液膜，如欲保持液膜不收缩，就必须加一与液膜相切的力F，边长l越长，则F就越大。

F与l的关系为F=σlx2（由于膜有两个表面,故乘以2）}，式中比例系数σ相当于单位长度上与液面相切的收缩表面的力，简称为表面张力。

液体的表面张力是液体的基本物理性质之一。

它与温度、压力等因素有关。

一般来说，液体表面张力随温度升高而降低。

而不同种液体的表面张力差异很大，说明表面张力是液体分子间作用力的结果。

气、液表面存在表面张力，同样，液—液、液—固、固—固的两种不同物质接触时，也存在界面，在界面上的分子同样受到不对称的吸引力，也存在使界面缩小的趋势，即界面张力。

表面张力或界面张力的存在产生了许多界面现象：

把液态农药喷在固态的植物叶面上时，农药常呈球状而滴落，失去其作用；玻璃管中的水显凹月形；防雨布上不沾雨水；再光滑的固体表面总是布满尘埃；活性炭可以吸附脱色等等。

人们可以利用对表面现象的研究成果，为工农业生产和日常生活服务。

如降低表面张力可以增强农药的药效、增强洗涤效果，而增强表面张力可以使防雨布真正地防水，增大活性炭脱色能力。

固体

固体不仅具有一定的体积和形状，而且不能流动。

固体可由分子、离子或原子等粒子组成，这些粒子靠得很近，彼此间有着相当强的作用力，致使固体表现出一定程度的刚性和很小的可压缩性。

固体内部的粒子不能自由移动，只能在一定位置上做热振动。

固体物质可分为晶体和非晶体（或无定形体）两大类。

通常所说的固体是指晶体而言，无定形体可看作是一种不流动的“过冷液体”。

晶体与非晶体有些相似之处，但有更多的不同特征：

（1）晶体具有规则的儿何形状，非晶体则没有。

（2）晶体具有固定的熔点，这些物质在熔点以上呈流体，熔点以下是固态，在熔点时液态和固态共存。

非晶体无固定的熔点，如玻璃受热时只是慢慢软化而成液体，没有固定的熔点。

（3）晶体显各向异性，非晶体显各向同性。

在容器中加热晶体，温度的升高使晶体中的粒子能量增大，振动加剧。

在一定的温度和压力下，粒子的动能增大到足以克服它们之间的相互作用、粒子能够自由移动时，固体开始变成液体，达到液、固态动态平衡。

这时温度不再升高，一直到全部固体变成液体，这一过程叫做固体的熔化，而相反的过程则称为凝固。

在一定条件下，固体与其气体也可达到动态平衡。

例如把冰放入密闭容器中，可测得一定温度下的冰与水蒸气平衡时的蒸气压。

温度升高，冰的蒸气压增大。

在一定条件下，固体越过熔化阶段直接变成气体的现象叫做升华，如寒冬的冰雪可也接变成水蒸气，而气体不经过液化阶段直接变为固体的过程叫做凝华，如晚秋初冬时的降霜即为一例。

固体的性质与其晶

体结构密切相关。

某此物质因其具有很大的有序排列特征，以致其结晶受热变成液体的过程分为两个阶段：

第一阶段只失去晶体的周期性，但仍保持其各向异性，这个中间状态叫做液态晶体（简称液晶）；第二阶段失去各向异性后变成各向同性的真正液体。

液晶在外观上看是半透明或混浊的流体，它的力学性质像液体，可以自由流动，但其光学性质却像晶体有各向异性。

液晶有一些奇特性质，如向列型液晶随电压变化透明性不同，加电压后变成透明，液晶数码显示器就是利用了它的这种性质。

现在已发现几千种有机化合物能呈液态晶体，它们多为芳香族化合物。

物质聚集状态的相互转化

物质的聚集状态有时称它为相（相与态似乎可以通用，但用相更为严密）。

三种物相之间相互转化也存在共同的规律。

在讨论相变规律之前先介绍几个专业术语。

当研究物质变化规律时，实际上只能研究物质的有限部分，这种被人为划分出来作为研究对象的一部分物质或空间，称为体系（或系统）。

体系以外的其它部分称为环境。

例如，一只密闭烧瓶中一半盛水与冰的混合物，空余部分假定空气已全被除去，仅余水蒸气。

我们要研究的冰、水、水蒸气的共存体就是一个体系，瓶和瓶外的部分就是体系的环境。

体系中物理性质和化学性质完全均匀的部分称为相。

例如，上述的体系中，冰、水、水蒸气三者在化学上虽然同属一种物质H20，但三者的物理性质并不相同，所以体系中分为冰、水、水蒸气三个相。

这种有二个或二个以上相组成的体系叫做多相体系或不均匀体系。

食盐的水溶液是混合物体系，但它各处的组成和性质是一样的，所以，食盐溶液是一个单相体系或均匀体系。

如果是饱和食盐溶液，下面还沉有未溶解的盐粒，则盐粒和盐水各成一相就成多相体系了。

在同一体系中不同的相之间通常有界面分开，但有界面分开的不一定是不同的相。

例如，上述沉在底下的盐粒不论有多少粒都是盐的一个相，尽管各粒子之间有界面分开，但它们的组成和性质是一样的。

气、液、固三者之间的物态变化不是原物质转变成新物质，而是相变化。

物质存在的状态一方面由物质的本性决定，另一方面与温度和压力有关。

人们通常用相图来表明温度、压力与各种相变之间的关系，这种表达方法比用数据列表解释更加一目了然。

各种物质都有一定的相图，这里以水为例对相图作一些简单介绍。

为了表示水的三种状态之间的平衡关系，以压力作纵坐标，温度作横坐标，可以画出体系的状态与温度、压力之间关系的平面图，这种图称为相图（或状态图）。

可以看出，水的相图是由相交于一点O的3根线OA、OB、OC将全图划分成3个面（或区）AOB、BOC、AOC来组成的。

3个单相区：

每个面代表只有1个相存在的区域，称为单相区。

AOB为气相区，当温度和压力落在此面内时，只能以气相（水蒸气）存在；BOC为液相区，当温度、压力落在此面内时，只能以液相（水）存在；AOC为固相区，当温度、压力落在此面内时，只能以固相（冰）存在。

面内温度、压力均可自由变化。

3条两相平衡线：

图中每一条线表示在平衡时两相可以共存的压力和温度，称之为两相平衡线。

OB为液—气平衡线，当温度和压力处在OB线上时，液体水和它的蒸气处于平衡状态。

B点的温度是374℃，称为临界温度（高于此温度时，不论施加多大的压力也不能使水蒸气液化）；B点的压力是2.21×104kPa，称临界压力（临界温度时，使水蒸气液化所需要的压力）；物质处于临界温度和临界压力的这一点称为临界点。

OC为固—液平衡线，当温度和压力落在此线上时，冰和水成平衡的两相并存。

这条线最好理解为凝固点随压力而变动的曲线，由于凝固点受压力的影响很小，曲线陡峭上升，这种曲线向左倾斜的情况不常见，水是少数儿种随压力升高而凝固点降低的物质之一。

OA为固—气平衡线，当温度和压力落在此线上时，则有冰和水蒸气成平衡的两相并存。

每一根线上温度和压力只能自由选定其中的一个，另一个则随已选定的一个而定，不能再自由变动，否则就不复有两相并存。

例如，在含有

一个三相点：

图中3条两相平衡线的交点O代表有3个相，即冰、水与水蒸气成平衡共存，此点称为三相点。

此时温度和压力二者都不能自由选定，否则就不能有三相共存了。

水的三相点的精确值由我国已故化学家黄子卿教授在1938年测定，其数值是0.009８℃（约为0.01℃），0.610kPa。

水的三相点不同于水的正常凝固点（即冰点0℃），水的正常凝固点是指在101.325kPa空气压力下固、液两相达平衡时的温度。

这时与冰成平衡状态的水不是纯水，而是溶有空气的水溶液。

利用相图可以判断出在任一温度和压力下可能有哪个相存在，怎样的变化条件可以使某相消失或出现。

例如，图中的f、g、h是分别位于三个单相区内的点，以h点来说，它代表101.325kPa压力下温度处于超过373.15K处。

在这种条件下放置冰或水，它们是不能稳定存在的，必然会全部变成水蒸气。

h点位于气相区正说明这一点。

如果把处于h点的水蒸气在恒压下逐渐冷却，当温度达到373.15K时到达E点，此时出现水和水蒸气的两相并存、互成平衡的情况；再冷却下去，则体系离开E点继续向左进入液相区，说明此时仅有水一个相能存在，而水蒸气相就会消失。

不是说水在101.325kPa压力下和低于373.15K时也能蒸发吗？

为什么这时水蒸气相又不能存在呢？

因为在这里考虑的是与空气隔开的封闭体系，它受到外压的作用，但体系内的物质不会跑到环境中去。

可设想此种体系处在一个有活塞将它与环境隔开的圆筒中，活塞可以白由上下，活塞连同上面的大气压加在一起共同构成101.325kPa的压力，此时如果体系温度为373.15K，水的蒸气压恰为101.325kPa，正好与活塞及其以上压力相抗衡，所以，体系中允许有水、气两相共存。

如果温度略低于373.15K，相当于线上E点稍向左移进入液相区，此时圆筒中水产生的蒸气压低101.325kPa，顶不住活塞上的压力，活塞将压缩气相使它全部凝结成水，结果消灭了气相。

相变和相平衡是自然界和生产中经常出现的现象。

物质都有各自的相图，认识相图有助于观察和了解物质状态的变化规律。

专题二

分散系及其分类

分散系

一种或几种物质分散在另一种物质里所形成的系统称为分散系统，简称分散系。

例如粘土分散在水中成为泥浆，水滴分散在空气中成为云雾，奶油、蛋白质和乳糖分散在水中成为牛奶等都是分散系。

在分散系中，被分散的物质叫做分散质（或分散相），而容纳分散质的物质称为分散剂（或分散介质）。

在上述例子中，粘土、水滴、奶油、蛋白质、乳糖等是分散质，水、空气就是分散剂。

分散质和分散剂的聚集状态不同，分散质粒子大小不同，分散系的性质也不同。

我们可以按照物质的聚集状态或分散质颗粒的大小将分散系进行分类。

分散系的分类

物质一般有气态、液态、固态三种聚集状态，若按分散质和分散剂的聚集状态进行分类，可以把分散系分为九类，见表2－1。

表2－1分散系分类

（一）

分散质

分散剂

实例

固

液

气

固

液

气

固

液

气

液

液

液

固

固

固

气

气

气

糖水、溶胶、油漆、泥浆

豆浆、牛奶、石油、白酒

汽水、肥皂泡沫

矿石、合金、有色玻璃

珍珠、硅胶、肌肉、毛发

泡沫塑料、海绵、木炭

烟、灰尘

云、雾

煤气、空气、混合气

若按分散质粒子直径大小进行分类，则可以将分散系分为三类，见表2－2。

表2－2分散系分类

（二）

类型

粒子直径/nm

分散系名称

主要特征

分子、离子分散系

＜1

真溶液

最稳定，扩散快，能透过滤纸及半透膜，对光散射极弱。

单相系统

胶体分散系

1～100

高分子溶液

很稳定，扩散慢，能透过滤纸及半透膜，对光散射极弱，粘度大。

溶胶

稳定，扩散慢，能透过滤纸，不能透过半透膜，光散射强。

多相系统

粗分散系

＞100

乳状液

悬浊液

不稳定，扩散慢，不能透过滤纸及半透膜，无光散射

分子与离子分散系统中，分散质粒子直径<1nm，它们是一般的分子或离子，与分散剂的亲和力极强，均匀、无界面，是高度分散、高度稳定的单相系统。

这种分散系统即通常所说的溶液，如蔗糖溶液、食盐溶液。

胶体分散系中，分散质粒子直径为1～100nm，它包括溶胶和高分子化合物溶液两种类型。

一类是溶胶，其分散质粒子是由许多一般的分子组成的聚集体，这类难溶于分散剂的固体分散质高度分散在液体分散剂中，所形成的胶体分散系称为溶胶。

例如氢氧化铁溶胶、硫化砷溶胶、碘化银溶胶、金溶胶等。

溶胶中，分散质和分散剂的亲和力不强，不均匀，有界面。

故溶胶是高度分散，不稳定的多相系统。

由于亲和力不强，故又称为疏液溶胶（或憎液溶胶）。

另一类是高分子化合物溶液，如淀粉溶液、纤维素溶液、蛋白质溶液等。

高分子溶液中，分散质粒子是单个的高分子，与分散剂的亲和力强，故高分子溶液是高度分散、稳定的单相系统。

高分子溶液在某些性质上与溶胶相似。

由于高分子粒子与溶剂的亲和力强，故又称为亲液溶胶。

粗分散系中，分散质粒子直径>100nm，用普通显微镜甚至肉眼也能分辩出，是一个多相系统。

按分散质的聚集状态不同，粗分散系又可分为两类：

一类是液体分散质分散在液体分散剂中，称为乳状液，如牛奶。

另一类是固体分散质分散在液体分散剂中，称为悬浊液，如泥浆。

由于粒子大，容易聚沉，分散质也容易从分散剂中分离出来，故粗分散系统是极不稳定的多相系统。

以上三类分散系之间虽然有明显的区别，但没有明显的界线，三者之间的过渡是渐变的，某些系统可以同时表现出两种或者三种分散系的性质，因此以分散质粒子直径大小作为分散系分类的依据是相对的。

溶液的浓度

溶液的浓度是指一定量溶液或溶剂中所含溶质的量。

由于“溶质的量”可取物质的量、质量、体积，溶液的量可取体积，溶剂的量常可取质量、体积等，所以在实际生活中我们所遇到的浓度的表示方法是多种多样的[1]。

下面重点介绍几种常用的浓度表示方法。

物质的量及物质的量浓度

物质的量是国际单位制SI规定的一个基本物理量，用来表示系统中所含基本单元的量，用符号“n”表示，其单位为摩尔（简称摩），符号mol。

摩尔是一系统物质的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg12C的原子数目相等时，其物质的量为1mol。

1mol12C所含的原子数，叫阿佛加德罗常数，用“NA”表示，其数值为6.02×1023。

因此，1摩尔任何物质，均含有NA个基本单元。

在使用物质的量时，基本单元应予指明，它可以是分子、原子、离子、电子及其他粒子，也可以是这些微粒的特定组合。

基本单元要求用加圆括号的化学式（或化学式的组合）表示，而不宜用中文名称。

例如“1摩尔氢”的质量多大？

这句话的含义较模糊。

这里所指的氢到底是氢气（H2）还是氢原子（H）？

前者的质量比后者大一倍，因此，1molH2相当于2molH。

当基本单元为微粒特定组合时，通常用加号连接，例如4mol（H2＋0.5O2）就是4molH2和2molO2的特定组合。

再如，求

KMnO4的物质的量时，若分别用KMnO4和作基本单元，则相同质量的KMnO4

其物质的量之间有如下关系：

n（KMnO4）＝＝5n（5KMnO4）

可见，基本单元的选择是任意的，它既可以是实际存在的，也可以根据需要而人为设定。

1mol物质的质量称为该物质的“摩尔质量”，符号为M，单位为kg·mol－1，常用单位为g·mol－1。

例如1mol12C的质量是0.012kg，则12C的摩尔质量M（C）＝12g·mol－1。

任何分子、原子或离子的摩尔质量，当单位为g·mol－1时，数值上等于其相对原子质量、相对分子质量或离子式量。

若用m表示B物质的质量，则该物质的物质的量为：

（2－1）

物质的量浓度，是指单位体积溶液中所含溶质B的物质的量，以符号cB表示。

（2－2）

式中，表示溶液中溶质B的物质的量，V表示溶液的体积，B是溶质的基本单元。

cB的SI单位为摩尔每立方米（mol·m－3），法定单位为摩尔每升（mol·L－1）。

例2－1将36g的HCl溶于64gH2O中，配成溶液，所得溶液的密度为1.19g·mL－1求c（HCl）为多少？

解：

已知m（HCl）＝36gm（H2O）=64gd=1.19g·mL－1

M（HCl）=36.46g·mol－1，

m（HCl）＝=428.4g

由

则

例2－2用分析天平称取1.2346gK2Cr2O7基准物质，溶解后转移至100.0mL容量瓶中定容，试计算c（K2Cr2O7）和

解：

已知

由于溶液的体积随温度而变，导致“物质的量浓度”也随温度而变。

为避免温度对数据的影响，常使用不受温度影响的浓度表示方法，如质量摩尔浓度，质量分数等。

质量摩尔浓度

1000g溶剂中所含溶质B的物质的量，称为溶质B的质量摩尔浓度，用符号bB表示，单位为mol·kg－1。

表达式为：

（2—3）

例1－350g水中溶解0.585gNaCl，求此溶液的质量摩尔浓度。

解：

NaCl的摩尔质量M（NaCl）＝58.44g·mol－1

质量摩尔浓度与体积无关，故不受温度变化的影响，常用于稀溶液依数性的研究。

对于较稀的水溶液来说，质量摩尔浓度近似地等于其物质的量浓度。

摩尔分数

在一物系中，某物质i的物质的量ni占整个物系的物质的量n的分数称为该物质i的摩尔分数，符号为xi，其量纲为1，表达式为：

（2—4）

对于双组分系统的溶液来说，若溶质的物质的量为nB，溶剂的物质的量为nA，则其摩尔分数分别为：

（2—5）

显然，xA＋xB＝1

对于多组分系统来说，则有∑xi＝1

质量分数

混合系统中，某组分B的质量（mB）与混合物总质量（m）之比，称为组分B的质量分数，用符号ωB表示，其量纲为1，表达式为：

（2—6）

质量分数，以前常称质量百分浓度（用百分率表达则再乘以100％）。

质量浓度

每升溶液中所含溶质B的质量（g），用符号ρ表示,单位为g·L－1,计算公式为:

（2—7）

例2－4在常温下取NaCl饱和溶液10.00cm3，测得其质量为12.003g，将溶液蒸干，得NaCl固体3.173g。

求：

（1）物质的量浓度，

（2）质量摩尔浓度，（3）饱和溶液中NaCl和H2O的摩尔分数，（4）NaCl饱和溶液的质量分数，（5）质量浓度。

解：

（1）NaCl饱和溶液的物质的量浓度为：

（2）NaCl饱和溶液的质量摩尔浓度为：

（3）NaCl饱和溶液中

（4）NaCl饱和溶液的质量分数为：

（5）NaCl饱和溶液的质量浓度为：

稀溶液的依数性

溶质的溶解过程是个物理化学过程。

溶解的结果是溶质和溶剂的某些性质相应地发生了变化，这些性质变化可分为两类：

一类是溶质本性不同所引起的，如溶液的密度、体积、导电性、酸碱性和颜色等的变化，溶质不同则性质各异。

另一类是溶液的浓度不同而引起溶液的性质变化，如蒸气压下降、沸点上升、凝固点下降、渗透压等，是一般溶液的共性。

这些性质只与溶质的粒子数目有关，而与溶质的本性无关，如不同种类的难挥发的非电解质葡萄糖、甘油等配成相同浓度的水溶液，它们的沸点上升、凝固点下降、渗透压等几乎都相同，所以称为溶液的依数性。

溶液的依数性只有在溶液的浓度很稀时才有规律，而且溶液越稀，其依数性的规律性越强。

稀溶液的依数性与溶剂的相平衡有关，因此先介绍溶剂水的相平衡及其相图。

水的相图

被人为划定作为研究对象的物质叫系统。

在一个系统中，物理性质和化学性质完全相同并且组成均匀的部分称为相。

如果系统中只有一个相叫做单相系统，含有两个或两个以上相的系统则称为多相系统。

系统里的气体，无论是纯气体还是混合气体，总是单相的。

系统中若只有一种液体，无论是纯液体（如水）还是真溶液（如NaCl水溶液）也总是单相的。

若系统里有两种液体，则情况较复杂:

酒精和水这两种液体能以任意比例混合，则是单相系统，而乙醚与水其中间有液—液界面隔开，为互不相溶的油和水在一起构成两相系统。

不同固体的混合物，是多相系统，如花岗岩是由石英、云母、长石等多种矿物组成的多相系统。

不同相之间具有明显的光学界面，光由一相进入另一相会发生反射和折射，光在不同相里行进的速度不同。

相和态是两个不同的概念，态是指物质的聚集状态，如上述由乙醚和水所构成的系统，只有一个状态——液态，却包含有两个相。

相和组分也不是一个概念。

例如同时存在水蒸气、液态水和冰的系统是三相系统，但这个系统中只有一个组分——水。

冰、水、水蒸气的化学组成相同，三者之间的转化没有发生化学变化，却发生了相的变化。

固、液、气三相之间的转化称为相变，相变达到平衡状态时称为相平衡。

为了表示水的固、液、气三态之间在不同温度和压力下的平衡关系，以压力为纵坐标，温度为横坐标，表达系统状态及温度和压力间关系的图称为相图或状态图。

水的相图由三条线、三个区和一个点组成。

OA线是水的蒸气压曲线，它代表了水和蒸气两相平衡关系随温度和压力的变化。

OA线上的各点表示在某一温度下所对应的水的蒸气压，或达到水的某一蒸气压时，所需的对应温度。

所以OA线上的各点表示的是水和其蒸气长久共存的温度和压力条件。

A点为临界点，该点的温度是374℃，称临界温度（高于此温度时，不论多大的压力也不能使水蒸气液化）；此点的压力是2.21×104kPa，称临