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本课件讨论多组分系统热力学,先由偏摩尔量切入,给出化学势的定义与物质平衡判据,随后讨论气体的化学势、逸度与逸度因子,进而介绍拉乌尔定律与亨利定律、理想液态混合物与理想稀薄溶液的化学势表达式,最后讲述稀薄溶液的依数性与真实溶液中的活度。
第四章多组分系统热力学
混合物与溶液理想液态
混合物mixtureofidealliquid真实液态混合物mixtureofrealliquid混合物mixture理想稀薄溶液idealdilutesolution真实溶液realsilution溶液solution多组分系统multicomponentsystem
溶剂solvent溶质
solate溶液solution电解质溶液electrolytessolution非电解质溶液nonelectrolytessolution溶液solution
偏摩尔量B的摩尔体积
尔体积(molarvolume)m,B对单组分系统,物质B的物质的量为n B,def══Vn VBm,BBB的摩尔热力学能(molarthermodynamicenergy)def══n UUB的摩尔焓(molarenthalpy)Bm,Bdef══n HH
偏摩尔量B的摩尔体积(续)
Bm,Bdef══n SSB的摩尔熵(molarentropy)Bm,BB的摩尔亥姆霍兹函数(molar Helmholzfunction)def══An AB的摩尔吉布斯函数(molar Gibbsfunction)Bm,Bdef══Gn G
问题的提出
问题的提出例如,在25℃、101.325 k Pa时,18.07 cm 3 H 2 O(l)+5.74 cm 3 CH 3 CH 2 OH(l)=23.30 cm 3(H 2 O+CH 3 CH 2 OH,l)≠23.81 cm 3(H 2 O+CH 3 CH 2 OH,l)Vn Vn VAABB
偏摩尔量对于一个均相多组分系统
多组分系统(混合物或溶液),Z=f(T,p,n A,n B,……)d Z=(Z/T)p,n(C)d T+(Z/p)T,n(C)dp+(Z/n A)T,p,n(C,C≠A)dn A+(Z/n B)T,p,n(C,C≠B)dn B+……=(Z/T)p,n(C)d T+(Z/p)T,n(C)dp+∑B(Z/n B)T,p,n(C,C≠B)dn B
偏摩尔量
(partialmolarquantity):Bdef Z══BT,p,nC,CBnZd Z=(Z/T)p,n(C)d T+(Z/p)T,n(C)dp+ZAdn A+ZBdn B+……=(Z/T)p,n(C)d T+(Z/p)T,n(C)dp+∑BZBdn B
的偏摩尔体积
体积(partialmolarvolume)defBT,p,nC,CBnVV══BB的偏摩尔热力学能(partialmolarthermodynamicenergy)defBT,p,nC,CBnUU══BB的偏摩尔焓(partialmolarenthalpy)defBT,p,nC,CBnHH══
的偏摩尔熵
尔熵(partialmolarentropy)defBT,p,nC,CBnSS══BB的偏摩尔亥姆霍兹函数(partialmolar Helmholzfunction)defBT,p,nC,CBnAA══BB的偏摩尔吉布斯函数(partialmolar Gibbsfunction)defBT,p,nC,CBnGG══
偏摩尔量的物理意义
或者:•也可理解为:在定温、定压下,向大量的某一定组成的混合物或溶液中加入单位物质的量的B时引起的系统的广度性质Z的改变量。
关于偏摩尔量概念的几点注意
偏摩尔量的集合公式
的集合公式BBBB 0 BBB 0 BB 0 BZdnZn Zd ZZn Bdnnd Z=(Z/T)p,n(C)d T+(Z/p)T,n(C)dp+∑BZBdn B在定温、定压下时:d Z=∑BZBdn BZZ=∑Bn BZB例如,对混合物(或溶液)的体积V,V=∑Bn BVB
吉布斯-杜亥姆方程
杜亥姆方程Z=∑Bn BZB在定温、定压下,d Z=∑Bn Bd ZB+∑BZBdn B将上式与,d Z=∑BZBdn B,比较后,得:∑Bn Bd ZB=0∑Bx Bd ZB=0若为A、B二组分混合物或溶液,x Ad ZA=-x Bd ZB
同一组分不同偏摩尔之间的关系
之间的关系HB=UB-p VBAB=UB-TSBGB=HB-TSB(GB/p)T,n(C)=VB[(GB/T)/T]p,n(C)=-HB/T 2
同一组分不同偏摩尔之间的关系(续)
4.2化学势4.2.1化学势的定义BT,p,n(C,CB)defB=GBnG4.2.2多组分组成可变系统的热力学基本方程多组分组成可变的均相系统,无非体积功:G=G(T,p,n A,n B···)d G=(G/T)p,n(C)d T+(G/p)T,n(C)dp+∑B(G/n B)T,p,n(C,C≠B)dn B=-Sd T+Vdp+∑B(G/n B)T,p,n(C,C≠B)dn B=-Sd T+Vdp+∑BBdn B
多组分组成可变系统的热力学基本方程
d U=Td S-pd V+∑BBdn Bd H=Td S+Vdp+∑BBdn Bd A=-Sd T-pd V+∑BBdn Bd G=-Sd T+Vdp+∑BBdn B化学势(chemicalpotential)BBnUHnS,V,n(C,CB)BS,p,n(C,CB)AnBT,V,n(C,CB)GnBT,p,n(C,CB)
多组分组成可变的多相系统
,无非体积功:d G=∑d GBBB=-∑Sd T+∑Vdp+∑∑dn热平衡:T=T=···=T力平衡:p=p=···=pd G=-∑Sd T+∑Vdp+∑∑BBdn Bd G=-Sd T+Vdp+∑∑BBdn B
物质平衡判据
质平衡判据d G=-Sd T+Vdp+∑∑BBdn B定温、定压下:d G=∑∑BBdn B(d G)T,p,W’=0≤0 d G=∑∑BBdn B≤0物质平衡判据(equilibriumcriterionofsubstance)
相平衡的条件
的条件B()→B()Bdn B+Bdn B≤0因为dn B=dn B=-dn B>0所以(B-B)dn B≤0B-B≤0相平衡判据(criterionphaseeqilibrium)当系统达到相平衡后BB=∑∑dn=∑dn BBBBBBd G=-Sd T+Vdp+∑BBdn B多组分组成可变的多相系统的热力学基本方程
对纯物质
Bm,BBm,B()G()()()G纯物质B达成两相平衡的条件是:m,Bm,B()G()G(2)化学平衡的条件:0=∑BBB∑BBdn B=∑BBBd≤0化学反应平衡判据(eqilibriumcriterionofchamicalreaction)
气体的化学势及逸度
及逸度4.3.1气体的化学势表达式B=f(gm,T,p,y C)B(pg,T,p O)Gm,BB(gm,T,p,y)CBBC△=(gm,T,p,y)-B 0(pg,T,p=p)OB
气体的化学势及逸度(续)
B(pg,T,p O)Gm,BB(gm,T,p,y)CBO(pg,T,p B=p O)B(gm,T,p,y C)△Gm,1△Gm,3△Gm,2 B(pgm,T,p B,y C)B(pgm,T,p→0,y C)即B(gm,T,p→0,y C)△B=△Gm=△Gm,1+△Gm,2+△Gm,3△Gm,1=RTln(y Bp/p句)△Gm,2=p(RTp)dp 00 p BV(pgm,T,p)dpm,3△G=p VB(gm,T,p,y C)dp 0
气体的化学势及逸度(续)
BC(gm,T,p,y)-B 0(pg,T,p=p)B=RTln(yp 0/p)+BOp BC[V(gm,T,p,y)(RT/p)]dp0 p B[V(RT/p)]dp0OB(g)=BB 0(g)+RTln(yp/p)+上式适用于:真实气体、理想气体混合物及纯物质。
对于气体的标准态:•p=p 0,(标准压力)•y B=1,(纯物质)•VB=RT/p,(具有理想气体行为)B这时(g)=(g)。OB
真实气体混合物中B的化学势
化学势:p B[V(RT/p)]dp0OB(g)=BB 0(g)+RTln(yp/p)+(2)真实气体纯物质B的化学势:=0(g)+RTln(p/p)+OBB(RT/p)]dpp 0 m,B[VBy=1,Bm,BV=V(3)理想气体混合物中B的化学势:VB=RT/p B(g)=B 0(g)+RTln(yp/p)OB(4)理想气体纯物质B的化学势:y B=1=0(g)+RTln(p/p)OBB
真实气体的逸度混合物
4.3.2真实气体的逸度真实气体混合物中B的化学势:p B[V(RT/p)]dp0OB(g)=BB 0(g)+RTln(yp/p)+逸度(fugacity)的定义:逸度的SI制单位为:PaRTp 0dppVB 1Bdefp B══(yp)exp~
逸度因子
(fugacityfactor)BBB~p~p BBBdef══ypplim BlimB1~p逸度因子的SI制单位为:1 p0 p Bp0对于理想气体~p≡p BBB≡1
真实气体纯物质B的逸度
pdp 1RTpVm,Bdef══pexpp 0 B~ppBB~def══
逸度因子的计算
因子的计算(1)真实气体纯物质B的逸度因子的计算及普遍化逸度因子图ppVexp RTp 0 m,BBBdp 1~RTdpppVRT 0 m,BBpln1普遍化逸度因子图m,BV=ZRT/p0 p Z1 dpp Bln0 p Z1 dpprr Bln
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真实气体混合物中任一组分B的逸度因子
度因子的计算及路易斯-兰德尔规则pRT0 BVdp RTp Bln1 BB(T,p)≈(T,p)B(T,p)m,BV(T,p)≈V路易斯-兰德尔规则(Lewis-Randall’srule)~p B~pBB=py≈y BBpy=B真实气体混合物中任一组分B的逸度~p B等于在混合气体的温度T、压力p下该组分单独存在时的逸度B与其摩尔分数y的乘积。
B~p
逸度的计算
逸度的计算B~p=(yp)exp[(RT/p)]dp][Vp B,m0 B
拉乌尔定律与亨利定律
利定律4.4.1拉乌尔定律Raoult’slawp A=px AA对于二组分稀薄溶液Ap A=p(l-x B)A△p A=p-p A=px BA 4.4.2亨利定律Henry’slawx B=(kx,B)-1 p Bp B=kx,Bx B亨利系数(Henrycoefficients)kx,B的SI制单位:Pap B=kb,Bb Bp B=kc,Bc Bkb,B的SI制单位:Pakgmol-1 kc,B的SI制单位:Padm 3mol-1
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苯和甲苯形
1苯和甲苯形成液态混合物。在293.15 K时,纯苯(A)的蒸气压为9.958 k Pa,纯甲苯(B)的蒸气压为2.973 k Pa。求293.15 K时,等质量的苯和甲苯混合液上蒸气的总压和蒸气的组成。
解:假定苯和甲苯混合的质量分别为1.00 kg MA=0.07810 kgmol-1 MB=0.09213 kgmol-11.00 kg0.54120.07810 kgmol-11.00 kg1.00 kg 0.07810 kgmol-10.09213 kgmol-1 x Ax B=1-x A=0.4588
苯和甲苯形(续)
AABBpxppx=9.958 k Pa×0.5412+2.973 k Pa×0.4588=6.753 k Pa0.7980p Ax A9.958 k Pa0.5412 p 6.753 k Pay B=1-y A=0.2020 Ay
拉乌尔定律与亨利定律(续)
例4.4.2在273.15 K时,氧气在水中的溶解度为4.490×10-2 dm 3kg-1。试求在273.15 K时,氧气在水中溶解的亨利系数kx(O 2)和kb(O 2)。氧气的压力为101325 Pa。
解:在273.15 K时,1.00 kg水中的溶解氧气为4.490×10-5 m 3,即:n(O 2)=p V/(RT)=101325 Pa×4.490×10-5 m 3÷(8.314 Jmol-1K-1×273.15 K)=2.003×10-3 mol
拉乌尔定律与亨利定律(续)
n(H 2 O)=1.00 kg÷18.02×10-3 kgmol-1=55.49 molx(O 2)=n(O 2)/[n(H 2 O)+n(O 2)]=3.610×10-5 b(O 2)=n(O 2)/m(H 2 O)=2.003×10-3 mol÷1.00 kg=2.003×10-3 molkg-1 kx(O 2)=p(O 2)/x(O 2)=101325 Pa÷3.610×10-5=2.81×109 Pakb(O 2)=p(O 2)/b(O 2)=101325 Pa÷2.003×10-3 molkg-1=5.10×107 Pakgmol-1
理想液态混合物
混合物4.5.1理想液态混合物的定义和特征(l)理想液态混合物的定义在一定温度下,液态混合物中任意组分B在全部组成范围内(x B=0→x B=1)都遵守拉乌尔定律的液态混合物,称为理想液态混合物(mixtureofidealliquid)(2)理想液态混合物的微观和宏观特征①微观特征(i)f AA=f BB=f AB。
理想液态混合物中任意组分的化学
B(l)=OBB(l,T)+RTlnx+p 4.5.2理想液态混合物中任意组分的化学势pm,BOV(l,T,p)dp B(l)=OB(l,T)+RTlnx B 4.5.3理想液态混合物的混合性质△mix V=0△mix H=0△mix S=-R∑Bn Blnx B△mix G=RT∑Bn Blnx B
理想稀薄溶液
薄溶液4.6.1、理想稀薄溶液的定义和特征(l)理想稀薄溶液的定义和特征理想稀薄溶液(idealdilutesolution)(2)理想稀薄溶液的气液平衡p=p A+p BAp=px A+kb,Bb B若溶质不挥发Ap=p=p Ax A
理想稀薄溶液中溶剂和溶质的化学势
质的化学势(l)溶剂A的化学势AC(溶剂,l,T,p,b)=OA(溶剂,l,T)ABB-RTMb+p(溶剂,l,T,p)dp Vp Om,AA(OA溶剂,l)=(溶剂,l,T)-RTMb ABB
溶质B的化学势①组成标度
溶质B的组成标度
标度用x B表示时,溶质B的化学势表达式x,B(溶质)=Ox,B(溶质,T)+BRTlnx+pp OBV(溶质,T,p)dpx,BOx,B(溶质)=(溶质)+RTlnx B
溶质B的组成标度
标度用c B表示时,溶质B的化学势表达式c,B(溶质)=+ppOBV(溶质,T,p)dp园c,BB(溶质)+RTln(c/c园)c,B(溶质)=园c,BB(溶质)+RTln(c/c园)
理想稀薄溶液的依数性
依数性依数性(colligativeproperties)4.7.1蒸气压下降△p=p AAA―p=px B
凝固点降低
凝固点降低(freezingpointlowering)ff△T=T―Tf=kfb B凝固点下降系数kf(freezingpointloweringcofficients)SI制单位为Kkgmol-1
凝固点降低(续)
A(溶剂,l,x A)A(溶剂,l,T,p,b B)=A(纯溶剂,s)(纯溶剂,s,T,p)在p一定时,若x A→x A+dx A,凝固点由T→T+d T,m,AGm,AA(溶剂,l)+dA(溶剂,l)=Gm,A(纯溶剂,s)+d G(纯溶剂,s)ABm,Ad(溶剂,l,T,p,b)=d G(纯溶剂,s,T,p)当p不变时Tm,Ad TG(s)dbp BBABp,b Bp,Tbd TABT(l,b)(l,b)ABp,bSTA(A/b B)T,p=-RTMAAAB-S(溶剂,l)d T-RTMdb=-Sm,A(纯溶剂,s)d T
两边分离变量后
,得:RTMS(溶剂,l)S(纯溶剂,s)Am,Ad Tdb ABAS(溶剂,l)―Sm,A(纯溶剂,s)==[(HA(溶剂,l)―Hm,A(纯溶剂,s))/T]AS(溶剂,l)―Sm,A(纯溶剂,s)=△HA/TAfusm,AHd TRTMATTffHb BB 2 fusm,ABb0 dbH
与温度无关假设
fusm,AHAfffusm,A11TBRMTHb RMATf Tf BbHTTfusm,AffTTTfff令:2 fTffTT对于稀薄溶液:ffT《Tfusm,ATf HRT2 Mf Ab Bfusm,A 2 f AHRTMdefkf══△Tf=kfb B令:
一些溶剂的凝固点降低系数 kf
| 溶剂 | Tf*/K | kf/(K·kg·mol-1) |
|---|---|---|
| 苯 | 278.65 | 5.12 |
| 醋酸 | 289.75 | 3.90 |
| 水 | 273.15 | 1.86 |
| 三溴甲烷 | 280.95 | 14.4 |
| 萘 | 353.5 | 6.9 |
| 环己烷 | 279.65 | 20 |
沸点升高
3沸点升高(boilingpointelevation)b△Tb=Tb―T=kbb B沸点升高系数kb(boilingpointelevationcofficients)的SI制单位为Kkgmol-1vapm,A 2 b AHdefkb══MRT
一些溶剂的沸点升高系数 kb
| 溶剂 | Tb*/K | kb/(K·kg·mol-1) |
|---|---|---|
| 苯 | 353.25 | 2.53 |
| 醋酸 | 391.05 | 3.07 |
| 水 | 373.15 | 0.51 |
| 苯酚 | 454.95 | 3.04 |
| 萘 | 491.15 | 5.80 |
| 氯仿 | 334.35 | 3.85 |
| 四氯化碳 | 349.87 | 4.95 |
渗透压
.4渗透压(osmoticpressure)=c BRT
理想稀薄溶液的依数性(续)
例4.7.1在25.00 g水中溶有0.771 g CH 3 COOH,测得该溶液的凝固点下降0.937℃。已知水的凝固点下降系数为1.86 Kkgmol-1。
另在20 g苯中溶有0.611 g CH 3 COOH,测得该溶液的凝固点下降1.254℃。已知苯的凝固点下降系数为5.12 Kkgmol-1。求CH 3 COOH在水和苯中的摩尔质量各为多少,所得结果说明什么问题。
解:△Tf=kfb BBAm BBMmbkm MBf Bm ATf CH 3 COOH在水中,25.00 g0.937 K 1.860 Kkgmol-10.771 g MB=61.2 gmol-1
在苯中
CH 3 COOH在苯中,5.12 Kkgmol-10.611 g MB=124.7 gmol-120.00 g1.254 KMB=2 MB表明CH 3 COOH在苯中缔合为(CH 3 COOH)2
真实液态混合物与真实溶液
实溶液4.8.1真实液态混合物的化学势表达式B(l)=BO(l,T)+(l,T,p)dpppm,BORTln(x Bf B)+VB(l)=OBBB(l,T)+RTln(xf)令:defa B══f Bx B真实液态混合物中任意组分B的活度因子(activityfactor)f B;
真实液态混合物中任意组分B的活度(activity)a B。活度a B和活度因子f B为量纲一的量,其SI单位为1。B(l)=OB(l,T)+RTlna B
真实液态混合物中任意组分B的标准态
Bp=p 0,x B=1,f B=l时的纯液态物质B的状态a Blimf Blimx1 x B1x B1对于真实液态混合物BBBBppapfx BBp BBBBpxf
真实溶液中的化学势表达式
学势表达式(1)真实溶液中溶剂A的活度及渗透因子A(溶剂,l C,T,p,b)=OA(溶剂,l,T)-RTMABb B+Vpp O(溶剂,l,T,p)dpm,AA(溶剂,l,T,p,b C)=(溶剂,l,T)-RTMb ABBOA溶剂A的渗透因子(osmoticfactorofsolvent A)溶剂A的渗透因子为量纲一的量,其SI单位为1。
lim1Bb B0
溶剂A的标准态:温度
为T,压力为pe下,=1,且Bb B=0的纯溶剂A的状态。真实溶液中溶剂A的活度的定义:deflna A══-MABb B溶剂A的活度a A为量纲一的量,其SI单位为1。
A(溶剂,l,T)+RTlna AA(溶剂,l,T,p,b C)=O
真实溶液中溶质B的活度及活度因子
度因子①溶质B的组成标度用b B表示时,溶质B的化学势表达式B)(溶质=OB(溶质,T)+BBRTln(b/b O)+pp OBV(溶质,T,p)dp B(溶质)=(溶质+)RTln(b BBOOB/b)真实溶液中溶质B的活度因子B为量纲一的量,其SI单位为1。
B1 limBb B0真实溶液中溶质B的标准态:温度为T、压力p=pe、质量摩尔浓度b B=be且B=1时溶质的状态,该状态为虚拟的假想状态。
真实溶液中溶质B的活度
度(activityofsolute B)的定义:defb Oa══Bb B活度a B为量纲一的量,其SI单位为1。B(溶质)=(溶质)+RTlna BOB
溶质B的组成标度
标度用x B表示时,溶质B的化学势表达式x,B(溶质)=Ox,B(溶质,T)+RTln(xBx,B)+pp OBV(溶质,T,p)dpx,BOx,B(溶质)=(溶质,T)+RTln(xBx,B)真实溶液中溶质B的活度因子x,B为量纲一的量,其SI单位为1。
lim1Bx B0x,B当组成标度用摩尔分数表示时,真实溶液中溶质B的标准态:温度为T、压力p=pe、摩尔分数x B=1且x,B=1时溶质的状态,该状态为虚拟的假想状态。
真实溶液中溶质B的活度的定义
defax,B══x Bx,B活度ax,B为量纲一的量,其SI单位为1。x,BOx,B(溶质)=(溶质)+RTlnax,B
溶质B的组成标度
标度用c B表示时,溶质B的化学势表达式c,B(溶质)=+ppOBV(溶质,T,p)dp园c,BBc,B(溶质)+RTln(c/c园)园c,Bc,BB(溶质)=(溶质)+RTln(cc,B/c园)真实溶液中溶质B的活度因子c,B为量纲一的量,其SI单位为1。
lim1Bc B0c,B当组成标度用摩尔分数表示时,真实溶液中溶质B的标准态:温度为T、压力p=p园、摩尔分数c B=1且c,B=1时溶质的状态,该状态为虚拟的假想状态。
真实溶液中溶质B的活度的定义
ac,Bdef══c Bc,B活度ac,B为量纲一的量,其SI单位为1。c,B(溶质)=ec,B(溶质)+RTlnac,B
分配定律
配定律4.9.1分配定律在定温定压下,如果一个物质分别溶解于两个同时存在的互不相溶的溶剂中,达到平衡后,该物质在两相中浓度之比等于常数,称为分配定律(distributionlaw)。
c B()Kc B()分配系数(distributioncoefficient)KK为量纲一的量,其SI单位为1。
在定温定压下
,当系统达到平衡后,B()=B()B()=()+BRTlna()OBB()=()+BRTlna()OB()+BRTlna()=B()+RTlna()OBOBRTBexpBBKO()O()a B()a()
在定温定压下(续)
4.9.2萃取(extraction)设在体积为V 1溶液中含有溶质的质量m为,若萃取N次,每次用相同的体积V 2的新鲜溶剂,则最后原溶液中所剩余的溶质的质量为m N:m NKVNKV 1V 2m1被萃取的溶质的质量为:NKVKV 1V 2mm Nm11
分配定律与萃取(续)
例4.9.1现有1.00 dm 3含碘量为0.100 g的水溶液。 若在298.15 K时用0.600 dm 3的CCl 4进行萃取。 试求两种情况下溶液中所剩的含碘量。 已知298.15 K时,K=c(水相)/c(CCl 4相)=0.0117。
分配定律与萃取(续)
解:(1)一次用0.600 dm 3的CCl 4萃取后,水溶液中所剩的含碘量m为:0.01171.00 dm 30.600 dm 31.90104 g(2)分三次萃取后,水溶液中所剩的含碘量m’为:0.01171.00 dm 3 m0.1 g1.70108 g 0.01171.00 dm 33330.01171.00 dm0.200 dmm'0.1 g
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