高中化学奥林匹克化学竞赛辅导讲义.docx

高中化学奥林匹克化学竞赛讲义高中化学奥林匹克化学竞赛讲义 目目 录录第 1 讲 气体奥赛讲义 .......................................................1第 2 讲 溶液奥赛讲义 .....................................................11第 3 讲 化学热力学基础奥赛讲义 .................................26第 4 讲 原子结构与元素周期律奥赛讲义 .....................44第 5 讲 分子结构奥赛讲义 .............................................601第第 1 讲讲 气体奥赛讲义气体奥赛讲义【竞赛要求】 气体理想气体标准状态理想气体状态方程气体密度分压定律气体相对分子质量 测定原理 【知识梳理】 一、气体 气体、液体和固体是物质存在的三种状态气体的研究对化学学科的发展起过重大作用 气体与液体、固体相比较，具有两个明显特点 1、扩散性 当把一定量的气体充入真空容器时，它会迅速充满整个容器空间，而且均匀分布，少量气 体可以充满很大的容器，不同种的气体可以以任意比例均匀混合。

2、可压缩性 当对气体加压时，气体体积缩小，原来占有体积较大的气体，可以压缩到体积较小的容器 中 二、理想气体 如果有这样一种气体：它的分子只有位置而无体积，且分子之间没有作用力，这种气体称 之为理想气体当然它在实际中是不存在的实际气体分子本身占有一定的体积，分子之 间也有吸引力但在低压和高温条件下，气体分子本身所占的体积和分子间的吸引力均可 以忽略，此时的实际气体即可看作理想气体 三、理想气体定律 1、理想气体状态方程 将在高温低压下得到的波义耳定律、查理定理和阿佛加德罗定律合并，便可组成一个方程：pV= nRT （1-1） 这就是理想气体状态方程 式中 p 是气体压力，V 是气体体积，n 是气体物质的量，T 是气体的绝对温度（热力学温 度，即摄氏度数+273） ，R 是气体通用常数 在国际单位制中，它们的关系如下表： 表 1-1 R 的单位和值pVnTRPam3molK8.314KmolmPa ··3或KmolJ · 国际单位制kPadm3molK8.314KmoldmkPa ··3（1-1）式也可以变换成下列形式：pV= Mm RT （1-2）p = Vm ·MRT= MRT则： = RTpM（1-3）2式中 m 为气体的质量，M 为气体的摩尔质量，为气体的密度。

对于一定量（n 一定）的同一气体在不同条件下，则有：111 TVP= 222 TVP（1-4） 如果在某些特定条件下，将（1-1） 、 （1-2）和（1-3）式同时应用于两种不同的气体时，又 可以得出一些特殊的应用如将（1-1）式 n =RTpV ，在等温、等压、等容时应用于各种气体，则可以说明阿佛加德罗 定律因为物质的量相等的气体，含有相等的分子数若将（1-2）式Mm= RTpV 在等温、等压和等容时应用于两种气体，则得出：11 Mm= 22 Mm（1-5）如果将（1-3）式= RTpV，在等温等压下应用于两种气体，则有：11 = 21 Mm（1-6）若令11 = D ，D 为第一种气体对第二种气体得相对密度，则有：D = 21 Mm或 M1 = DM2 （1-7）已知 M2H= 2g·mol1，M空气= 29g·mol1则 M1 = 2 D2H或 M1 = 29D空气D2H为某气体相对 H2 的密度，D空气为某气体相对空气的密度2、气体分压定律和分体积定律 （1）气体分压定律 当研究对象不是纯气体，而是多组分的混合气体时，由于气体具有均匀扩散而占有容器全 部空间的特点，无论是对混合气，还是混合气中的每一组分，均可按照理想气体状态方程 式进行计算。

当一个体积为 V 的容器，盛有 A、B、C 三种气体，其物质的量分别为 nA、nB、nC，每 种气体具有的分压分别是 pA、pB、pC，则混合气的总物质的量为：n总= nA + nB + nC （1-8）混合气的总压为：p总 = pA + pB + pC （1-9）在一定温度下，混合气体的总压力等于各组分气体的分压力之和这就是道尔顿分压定律计算混合气各组分的分压有两种方法 ①根据理想气态方程计算 在一定体积的容器中的混合气体 p总V = n总RT ，混合气中各组分的分压，就是该组分单3独占据总体积时所产生的压力，其分压数值也可以根据理想气态方程式求出： pAV = nART （1-10） pBV = nBRT （1-11） pCV = nCRT （1-12） ②根据摩尔分数计算： 摩尔分数（XA）为混合气中某组分 A 的物质的量与混合气的总的物质的量之比： XA = 总nnA（1-13） 混合气体中某组分的分压等于总压与摩尔分数的乘积：pA = p总XA （1-14） （2）气体分体积定律 在相同的温度和压强下，混合气的总体积（V）等于组成混合气的各组分的分体积之和：总V = VA +VB + VC （1-总15） 这个定律叫气体分体积定律。

根据混合物中各组分的摩尔分数等于体积分数，可以计算出混合气中各组分的分体积：据 = 总VVA总nn1得 VA = 总nn1V总 （1-16） 四、实际气体状态方程 理想气体定律是从实验中总结出来的，并得到了理论上的解释但应用实际气体时，它只 有一定的适用范围（高温低压） ，超出这个范围就有偏差，必须加以修正 对于实际气体的实验值与理想值的偏差，我们常用压缩系数 Z 来表示：Z = RTVp~其中 p、~ V、T 都是实验值若气体完全理想，则 Z = 1，否则 Z＞1 或 Z＜1出现这种偏差，是由于实际气体分子本身的体积不容忽视，那么实测体积总是大于理想状态体积（即 V理 = V – b） ；实际上分子之间也不可能没有吸引力（内聚力 P内） ，这种吸引力使气体对器壁碰撞产生的压力减小，使实测压力要比理想状态压力小（即 p理 = p + p内） ，所以 Z＜1实际上以上两种因素同时存在，前者起主导作用时，Z＞1，后者起主导作用时， Z＜1，若两种因素恰好相当，则 Z = 1（CO2 在 40℃和 52 MPa 时） 。

将以上修正项代入理想气体状态方程，即得：(p + p内)(~ V– b) = RTp内既与容器内部得分子数目成正比，又与近壁分子数目成正比这两种分子数目又都与气4体的密度成正比，所以p内2而~1V，所以p内(~1V)2 或 p内 = ~ 2Va则 （p +） （– b） = RT~ 2Va~ V对于 n 摩尔气体来说，则，（p + ） （V – nb）= nRT （1-17）22Van注意，上式中 p、V、T 都是实测值；a 和 b 都是气体种类有关的特性常数，统称为范德华 常数 （1-17）式称为范德华方程它是从事化工设计必不可少的依据 五、气体相对分子质量测定原理 1、气体相对分子质量测定由（1-3）式： = ，可以变换成以下形式：RTpMM = pRT（1-18） 可见，在一定温度和压强下，只要测出某气体的密度，就可以确定它的相对分子质量 2、气体精确相对分子质量测定根据 M = pRT，理想气体在恒温下的/p 值应该是一个常数，但实际情况不是这样如： 在 273 K 时测得 CH3F 蒸气在不同压力下的值及/p 值如下表：p/Pa/(g·m-3)/(p·10-2)1.013×1051.5454×1031.52556.753×1051.0241×1031.52123.375×1040.5091×1031.5084从表中数据可以看到，压力越大，/p 越大，不是常数。

因为压力越大，气体分子间的吸 引力越大 ，分子本身的体积也不能忽略，因而就不能用理想气体状态方程来描述了，所以 对于实际气体/p 不是一个常数 以/p 对作图（图 1-1）0.3366 0.6733 1.0101.531.521.511.501.49p/(105Pa)/(p·10-2)（图 1-1）CH3F 的-p 图5如果将直线内推到 p = 0 时，则 CH3F 这一实际气体已接近理想气体，所以从图上所得的(/p ) = 1.50×10-2 是符合理想气体状态方程的若将(/p)0P之值代入理想气体状''0P态方程 M = pRT，即可求得 CH3F 的精确分子量这种求气体分子量的方法，叫极限密 度法MFCH3= （p）0pRT = 1.50×10-2g·dm-3·k Pa-1×8.314 k Pa·dm3·mol-1·K-1×273.16K = 34.05 g·mol-1 故 CH3F 的分子量为 34.02 按相对原子质量计算：M = 12.011 + 3×1.0079 + 18.9984 = 34.033 两者结果非常接近典型例题】 例 1、300K、3.30×105 Pa 时，一气筒含有 480g 的氧气，若此筒被加热到 373K，然后启 开活门（温度保持 373K）一直到气体压强降低到 1.01×105 Pa 时，问共放出多少重的氧气？分析：因为 pV =nRT，n = Mm ；所以 pV = Mm RT，由此式求出气筒的体积。

然后再根据气态方程式求出压强降到 1.01×105 Pa，气筒内剩余氧气的质量 m2O最后算出放出氧气的质量解：pV = Mm RT则气筒的体积：V =MPmRT= PamolgKKmolmPag511131003. 3·0 .32300···314. 8480= 0.123 m3再根据方程式求压强降低到 1.01×105 Pa 时，气筒内剩余氧气的质量 m2Om2O= RTpVM= KKmolmPamolgmPa373···314. 8·0 .32123. 01001. 1113135 = 128 g因此放出氧气的质量m2O= 480-128 = 352 g例 2、设有一真空的箱子，在 288 K 时，1.01×105 Pa 的压力下，称量为 153.679 g，假若 在同温同压下，充满氯气后为 156.844 g；充满氧气后为 155.108 g，求氯气的分子量分析：M2O=32.00g·mol-1，若将 pV= Mm RT 式先用于氧气 ，求出箱子的体积 V，再将 6pV= Mm RT 式。