1、第三章 化学势一基本要求1了解混合物的特点，熟悉多组分系统各种组成的表示法。2掌握偏摩尔量的定义和偏摩尔量的加和公式及其应用。3掌握化学势的狭义定义，知道化学势在相变和化学变化中的应用。4掌握理想气体化学势的表示式，了解气体标准态的含义。5掌握 Roult 定律和 Henry 定律的含义及用处，了解它们的适用条件和不同之处。6了解理想液态混合物的通性及化学势的表示方法，了解理想稀溶液中各组分化学势的表示法。7了解相对活度的概念，知道如何描述溶剂的非理想程度，和如何描述溶质在用不同浓度表示时的非理想程度。8掌握稀溶液的依数性，会利用依数性来计算未知物的摩尔质量。二把握学习要点的建议混合物是多组分
2、系统的一种特殊形式，各组分平等共存，服从同一个经验规律（即 Rault 定律） ，所以处理起来比较简单。一般是先掌握对混合物的处理方法，然后再扩展到对溶剂和溶质的处理方法。先是对理想状态，然后扩展到对非理想的状态。偏摩尔量的定义和化学势的定义有相似之处，都是热力学的容量性质在一定的条件下，对任一物质 B 的物质的量的偏微分。但两者有本质的区别，主要体现在“一定的条件下” ，即偏微分的下标上，这一点初学者很容易混淆，所以在学习时一定要注意它们的区别。偏摩尔量的下标是等温、等压和保持除 B以外的其他组成不变（ ） 。化学势的下标是保持热力学函数的两个特征变C量和保持除 B 以外的其他组成不变。唯独
3、偏摩尔 Gibbs 自由能与狭义化学势是一回事，因为 Gibbs 自由能的特征变量是 ，偏摩尔量的下标与化学势定义,Tp式的下标刚好相同。多组分系统的热力学基本公式，比以前恒定组成封闭系统的基本公式，在最后多了一项，这项表示某个组成 B 的物质的量发生改变 时所引起的相Bdn应热力学函数值的改变。最后一项中化学势 是常数，说明 的改变并不是随意的，在数量一定的系统中只发生了 的变化，或在数量很大的系统中改Bdn变了 1 mol，这样才能维持 不变。B单组分理想气体的化学势是温度和压力的函数，即。等式右边的第一项 ，是当 时的化学(,)()lnpTpRT ()T p势，它仅是温度的函数，这个状态
4、就是气体的标准态，即气体的压力等于标准压力时而还能作为理想气体处理的那个状态。第二项是 ， 是理想气lnRp体的实际压力。记住了这个化学势的表示式，其余气体的化学势表示式只要在这基础上略作修改即可。例如，混合理想气体中 B 组分的化学势，只要将压力改为 B 物质的分压 即可；如果是非理想气体，则将压力 改为逸度 也就pBp pA行了。掌握化学势的表示式，是因为今后在导出化学反应等温式、标准平衡常数的定义式等都要用到化学势的表示式，这样才能完成热力学的判断化学变化的方向和限度的任务。稀溶液与混合物不同，有溶剂和溶质之分。溶剂服从 Rault 定律，由此可以计算溶剂的分压和由于非挥发性溶质的加入使
5、溶剂蒸气压降低的分数，溶剂蒸气压的降低分数与溶质的摩尔分数成正比。正由于溶剂蒸气压降低这个原因，才出现了溶液凝固点降低、沸点升高和渗透现象等一系列依数性质。在稀溶液中表示溶质的化学势时，当溶质用不同浓度表示时，要选择不同的标准态，而且这些标准态都是假想的，初学时对这个问题会产生疑问。其实对这个问题不必过于强调，通常不会去计算标准态的化学势，而是选择了共同的标准态以后，在求热力学函数的变量时，可以将这些相同的标准态销掉，标准态仅仅是共同的参考状态而已。需要搞清楚的是：在稀溶液中，溶剂和溶质的化学势的表示式是不同的，它们的标准态也是不同的，要分别进行计算。溶质的化学势在用不同浓度表示时，化学势的表
6、示式是不同的，所选择的标准态也是不同的，但是，最后得到的化学势的数值是相同的，化学势的数值不会因为选择的标准态不同而不同。在稀溶液中，产生依数性的本质是由于非挥发性溶质的加入，减少了溶剂分子占据的表面，降低了溶剂的蒸汽压。依数性只与粒子的数量有关，而与粒子的性质无关。测定凝固点下降值、沸点升高值或渗透压等，主要用来计算溶质的摩尔质量。而有一点需要弄清楚的是：凝固点和沸点仍是指溶液中溶剂的凝固点和沸点，析出的固体是纯溶剂的固体（如冰，其中不含溶质） ，蒸气也是纯溶剂的蒸气，只有当溶剂的蒸气压等于大气压力时，溶液才会沸腾。对于非理想的溶液，只要用相对活度来代替相应的浓度，则化学势的表示式基本保持不
7、变。由于绝对活度用得较少，所以本教材只引入了相对活度的概念。如果溶质是非电解质，当活度因子趋向于 1 时，活度与浓度在数值上相同。但是，如果溶质是电解质，就是活度因子都趋向于 1，而活度与浓度在数值上也不可能相同，这就为今后学习电解质溶液的活度留一个伏笔。三思考题参考答案1偏摩尔量与摩尔量有什么异同？答：对于单组分系统，只有摩尔量，而没有偏摩尔量。或者说，在单组分系统中，偏摩尔量就等于摩尔量。只有对多组分系统，物质的量也成为系统的变量，当某物质的量发生改变时，也会引起系统的容量性质的改变，这时才引入了偏摩尔量的概念。系统总的容量性质要用偏摩尔量的加和公式计算，而不能用纯的物质的摩尔量乘以物质的
8、量来计算。2什么是化学势？与偏摩尔量有什么区别？答：化学势的广义定义是：保持某热力学函数的两个特征变量和除 B 以外的其他组分不变时，该热力学函数对 B 物质的量 求偏微分。通常所说的化学Bn势是指它的狭意定义，即偏摩尔 Gibbs 自由能，即在等温、等压下，保持除 B以外的其它物质组成不变时，Gibbs 自由能随 B 物质的量的改变的变化率称为化学势。用公式表示为：CB,(B)TpnG偏摩尔量是指，在等温、等压条件下，保持除 B 以外的其余组分不变，系统的广度性质 X 随组分 B 的物质的量 的变化率，称为物质 B 的某种广度性质BX 的偏摩尔量，用 表示。也可以看作在一个等温、等压、保持组
9、成不变的多组分系统中，当 时，物质 B 所具有的广度性质 ，偏摩尔量的定义B1 molnBX式为CdefB,(B)TpnX化学势与偏摩尔量的定义不同，偏微分的下标也不同。但有一个例外，即Gibbs 自由能的偏摩尔量和化学势是一回事，狭意的化学势就是偏摩尔 Gibbs 自由能。3Roult 定律和 Henry 定律的表示式和适用条件分别是什么？答：Roult 定律的表示式为： 。式中 为纯溶剂的蒸气压，*Apx*Ap为溶液中溶剂的蒸气压， 为溶剂的摩尔分数。该公式用来计算溶剂的蒸Apx气压 。适用条件为：定温、稀溶液、非挥发性溶质，后来推广到液态混合物。Henry 定律的表示式为： 。式中 ，B
10、,B,Bxmcpkk,Bxk和 分别是物质 B 用不同浓度表示时的 Henry 系数，Henry 系数与温度、,Bmk,c压力、溶质和溶剂的性质有关。适用条件为：定温、稀溶液、气体溶质，溶解分子在气相和液相有相同的分子状态。对于液态混合物，Henry 定律与 Roult 定律是等效的，Henry 系数就等于纯溶剂的饱和蒸气压。4什么是稀溶液的依数性？稀溶液有哪些依数性？答： 稀溶液依数性是指在溶剂的种类和数量固定后，这些性质只取决于所含溶质粒子的数目，而与溶质的本性无关。 稀溶液中由于溶剂的蒸气压降低，因而导致如下依数性质： （1）凝固点下降；（2）沸点升高；（3）渗透压。5溶液的化学势等于溶
11、液中各组分的化学势之和，这样说对不对?答： 不对。化学势是某组分的偏摩尔 Gibbs 自由能。溶液中可以分为溶剂的化学势或溶质的化学势，而没有整个溶液的化学势。6对于纯组分，它的化学势就等于其 Gibbs 自由能，这样说对不对 ?答： 不对，至少不完整。应该说，某个纯组分的化学势就等于其摩尔Gibbs 自由能。7在同一稀溶液中，溶质 B 的浓度可用 和 表示，则其标准态的B,xmBc选择也就不同，那相应的化学势也不同，这样说对不对?答： 不对。溶质的浓度表示方式不同，则所取的标准态（即那个假想状态）也不同，它们在那个假想状态时的化学势是不相等的。但是，B 物质在该溶液中的化学势只有一个数值，是
12、相同的。8二组分理想溶液的总蒸气压，一定大于任一组分的蒸气分压，这样说对不对？答： 对。因为二组分理想溶液的总蒸气压等于两个组分的蒸气压之和。9在室温下，物质的量浓度相同的蔗糖溶液与食盐水溶液的渗透压是否相等?答： 不相等。渗透压是溶液依数性的一种反映。依数性只与粒子的数目有关，而与粒子的性质无关。食盐水中，NaCl 会离解成两个离子，所以物质的量浓度相同的食盐水的渗透压可以是蔗糖溶液渗透压的两倍。10农田中施肥太浓时植物会被烧死。盐碱地的农作物长势不良，甚至枯萎，试解释其原因?答： 这是由于 在庄稼的细胞内和土壤中的化学势不等，发生渗透造2HO(l)成的。当土壤中肥料或盐类的浓度大于植物细胞
13、内的浓度时， 在植物细2HO(l)胞中的化学势比在土壤中的要高，水就要通过细胞壁向土壤中渗透，所以植物就会枯萎，甚至烧死。11 液态物质混合时，若形成液态混合物，这时有哪些主要的混合性质?答： 混合时体积不变，总体积等于各个纯液态物质体积的加和；焓值不变；混合熵增加；混合 Gibbs 自由能下降，即：mixmixmixmix0, , 0, VHSG2 (B) 1*Af答：(D)。纯液体 A 的饱和蒸气压和化学势比稀溶液中的大，加入溶质后，稀溶液的凝固点会下降。7在 298 K 时，A 和 B 两种气体单独在某一溶剂中溶解，遵守 Henry 定律，Henry 常数分别为 kA 和 kB，且知 k
14、A kB，则当 A 和 B（平衡时）的压力相同时，在一定量的该溶剂中所溶解的 A 和 B 的量的关系为 （ ）(A) A 的量大于 B 的量 (B) A 的量小于 B 的量 (C) A 的量等于 B 的量 (D) A 的量与 B 的量无法比较答：(B) 。根据 Henry 定律 ，当平衡压力相同时，Henry 常数大的气体溶质，其溶解的量反而小。8在 400 K 时，液体 A 的蒸气压为 ，液体 B 的蒸气压为410 Pa，两者组成理想液态混合物。在达平衡的溶液中，A 的摩尔分数为4610 Pa0.6，则气相中 B 的摩尔分数 等于 ( )By(A) 0.60 (B) 0.50 (C) 0.4
15、0 (D) 0.30答：(B) 。用 Roult 定律算出总蒸气压，再把 B 的蒸气压除以总蒸气压*4BB4A610 Pa.0.5(.) pxy9在 50时，液体 A 的饱和蒸气压是液体 B 的饱和蒸气压的 3 倍，A 和B 两液体形成理想液态混合物。达气-液平衡时，在液相中 A 的摩尔分数为0.5，则在气相中 B 的摩尔分数 为 ( )By(A) 0.15 (B) 0.25 (C) 0.5 (D) 0.65答：(B) 。用 Roult 定律算出总蒸气压，再把 B 的蒸气压除以总蒸气压*BBA0.5.2(3)pxpy10在 298 K 和标准压力下，有两瓶含萘的苯溶液。在第一瓶中有 溶3 dm
16、液，溶有 0.5 mol 萘，化学势为 。在第二瓶中有 溶液，溶有 0.25 mol 萘，131 dm化学势为 。两个化学势大小的关系为 ( )2(A) (B) 120 12(C) (D) 答：(D)。 化学势是偏摩尔 Gibbs 自由能，是强度性质，与混合物的总体积无关，而与混合物的浓度有关。两份的浓度相同，故化学势相等。11在 时， 的化学势为 ， 的化学势为273K, 0kPa2HO(l)2(HO,l)2(s)，两者大小的关系为 ( )(HO,s)(A) (B) 22,l)(,s)22,l)(HO,s)(C) (D) 无法比较HO答：(C) 。已知 ，对于纯组分系统，则 。因为B,TnV
17、p *mTGVp，所以 。在 下，*m2m2(HO,l)(s)V22(,l)(,s)73K, 20kPa会自发变为 。即在相同温度下，加压可以使 熔化。2HO(s)2HO(l) 2HO(s)12在两只烧杯中，各盛有 1 kg 。向 A 杯中加入 0.01 mol 蔗糖，向2(l)B 杯中加入 0.01 mol NaCl，溶解完毕后，两只烧杯按同样的速度冷却降温，则 ( )(A) A 杯先结冰 (B) B 杯先结冰 (C) 两杯同时结冰 (D) 不能预测其结冰的次序 答：(A)。稀溶液的依数性只与粒子的数量有关，而与粒子的性质无关。B杯内溶入的是 NaCl，NaCl 在水中解离，其粒子数几乎是
18、A 杯中的两倍，B 杯中溶液的凝固点下降得多，所以 A 杯先结冰。13在恒温的玻璃罩中，封入一杯糖水（A 杯）和一杯纯水 (B 杯)，使两杯的液面相同，将玻璃罩抽成真空。经历若干时间后，两杯液面的高度将是 ( )(A) A 杯高于 B 杯 (B) A 杯等于 B 杯 (C) A 杯低于 B 杯 (D) 视温度而定 答：(A)。纯水的饱和蒸气压大于糖水，纯水不断蒸发，蒸气在含糖水的 A 杯中不断凝聚，所以 A 杯液面高于 B 杯。14冬季建筑施工中，为了保证施工质量，常在浇注混凝土时加入少量盐类，其主要作用是？ ( )(A) 增加混凝土的强度 (B) 防止建筑物被腐蚀 (C) 降低混凝土的固化温
19、度 (D) 吸收混凝土中的水份答：(C) 。混凝土中加入少量盐类后，使凝固点下降，防止混凝土结冰而影响建筑物的强度。15盐碱地的农作物长势不良，甚至枯萎，其主要原因是 ( )(A) 天气太热 (B) 很少下雨 (C) 肥料不足 (D) 水分从植物细胞向土壤倒流 答：(D)。 盐碱地中含盐量高，水在植物细胞中的化学势大于在盐碱地中的化学势，水分会从植物细胞向土壤渗透，使农作物长势不良。五习题解析1 在 298 K 时，有一个 的稀水溶液，其密度为24HSO(B)， 的质量分数 。已知在该温度下，纯水33.06kgm240.94 7w的密度为 。试计算 的： 质量摩尔浓度 ， 物质的量97. 24
20、 Bm浓度 和 物质的量分数 。BcBx解： 质量摩尔浓度是指，在 1 kg 溶剂中含溶质的物质的量，查原子量表得 的摩尔质量 。设溶液的质量为 ，24HSO10.98kgmolM 1.0 kgBB()/Anm110.9471. kg/0.98 kgmol.067olkg() 物质的量浓度是指，在 1 dm3 溶液中含溶质的物质的量，设溶液质量为1 kg BB()/nmMcV（ 溶 液 ） （ 溶 液 ）130.94 71. kg/0.98 kgmol63 3.2ol.24ld（3）设溶液质量为 ，1.0 kgBAnx1B.94 7. /.98 mol0.96 olnA(10)1kg052B.
21、6 l.18(952)oxn2将 的乙醇（B ）和 的水（A）混合得乙醇的水溶液，溶液0.6 mol0.4 ml的密度为 。已知溶液中乙醇的偏摩尔体积 ，3849kg 631B57.10 molV试求溶液中水的偏摩尔体积 。已知水和乙醇的摩尔质量分别为AV， 。1A olM 1B46 ol解：根据偏摩尔量的加和公式，有（1）An（2）AB()mnMV上面两式应该相等，所以有 363A(180.46.)10kg0.4 ol(0.57)9 m解得 5311.8molV3在 298 K 时，有大量的甲苯（A）和苯（B）的液态混合物，其中苯的摩尔分数 。如果将 1 mol 纯苯加入这混合物中，计算这个过程的 。0.2x G
