在第一章 气体与热化学方程式
在常温下，物质通常以三种不同的聚集状态存在，即气体、液体和固体。物质的每一种聚集状态有各自的特征。在这一章我们主要介绍气体。
1.1气体
气体是物质存在的一种形态，没有固定的形状和体积，能自发在充满任何容器。气体分子间的距离较大，所以容易压缩。气体的体积不仅受压力影响，同时还与温度、气体的物质的量有关。通常用气体状态方程式来反映这四个物理量之间的关系。
1.理想气体状态方程
在压力不太高和温度不太低时，气体的体积、压力和温度之间具有下列关系：
pV= nRT (1—1) 式中：p——压力，Pa； V——体积，m3； n——物质的量，mol； R——热力学温度，K；
T——摩尔气体常数，又称气体常数。
该式称为理想气体状态方程式。我们把在任何压力和温度下都能严格地遵守有关气体基本定律的气体称为理想气体。理想气体状态方程式表明了气体的p、V、T、n四个量之间的关系，一旦任意给定了其中三个量，则第四个量就不能是任意的，而只能取按式(1—1)决定的惟一的数值。
物质的量n与质量m、摩尔质量M的关系为
n?则式(1—1)可变换成
m MpV?mRT (1—2) M结合密度的定义??m/V，则式(1—1)可以变换为
??pM (1—3) RT它反映了理想气体密度随T、p变化的规律。
在标准状况下，1mol气体的体积Vm?22.414?10?3m3，代入式(1—1)得
pV101.325?103Pa?22.414?10?3m3R??nT1mol?273.15K ?8.314Pa?m3/(mol?K)?8.314J/(mol?K)R的数值与气体的种类无关，所以也称能用气体常数。
例1-1：一个体积为40.0dm3的氮气钢瓶，在25℃时，使用前压力为12.5Mpa。求钢瓶压力降为10.0 Mpa时所用去的氮气质量。
解：作用前钢瓶中N2的物质的量为
p1V12.5?106?40.0?10?3n1???202mol
RT8.314?(273.15?25)作用后钢瓶中的N2的物质的量为
p2V10.0?106?40.0?10?3n2???161mol
RT8.314?(273.15?25)则所用氮气的质量为
m?(n1?n2)M?(202?161)?28.0?1.1?103g?1.1kg
理想气体实际上是一个科学的抽象的概念，客观上并不存在理想气体，它只能看作是实际气体在压力很低时的一种极限情况。从微观的角度看，理想气体的模型把气体分子看作本身无体积且分子间无作用力。当压力很低时，实际气体体积中所含气体分子的数目很少，分子间距离很大，彼此的引力可忽略不计，实际气体就拉近理想气体。由于理想气体反映了实际气体在低压下的共性，所遵循的规律及表示这些规律的数学公式都比较简单，且容易获得，所以引入理想气体这样一个概念非常重要。
在常温常压下，一般的实际气体可用理想气体状态方程式(1—1)进行计算。在低温或高压时同，由于实际气体与理想气体有较大差别，将式(1—1)加以修正就行了。用这种方法来解决实际气体的问题要简单的多。
2.道尔顿分压定律
在生产和科学实验中，实际遇到的气体，大多数是由几种气体组成的气体混合物。如果混合气体的各组分之间不发生反应，则在高温低压下，可将其看作
理想气体混合物。混合后的气体作不一个整体，仍符合理想气体定律。
气体具有扩散性。在混合气体中，每一组分气体总是均匀地充满整个容器，对容器内壁产生压力，并且互不干扰，就如各自单独存在一样。在相同温度下，各组分气体占有与混合气体相同体积时，所产生的压力叫做该气体的分压。1801年，英国科学家道尔顿(J.Dalton)从大量实验中总结出组分气体的分压与混合气体总压之间的关系，这就是著名的道尔顿分压定律。分压定律有如下两种表示形式：
第一种表示形式：混合气体中各组分气体的分压之和等于该气体的总压力。例如，混合气体由C和D两组分组成，则分压定律可表示为：
p总?p(C)?p(D) (1—4)
式中，p(C)、p(D)——分别为C、D两种气体的分压。
第二种表示形式为：混合气体中组分i的分压等于总压p总乘以气体i的摩尔分数xi。
pi?p总?xi (1—5)
xi?ni n总摩尔分数xi是指某气体的物质的量（ni）与混合气体的物质的量（n总）之比。
由于压力表测量混合气体的压力得到的是总压，而组分气体的分压一般是通过对混合气体进行分析，测出各组分气体的体积分数（Vi/V总）再计算得到，
Vi和V总分别表示组分i的分体积和混合气体的总体积。所谓分体积是指组分气体
在保持混合气体的温度、压力下，单独存在时所占有的体积。例如，将各为101.3kPa的1LN2和3LH2混合，欲使混合气体的总压力与原来各气体的压力相同，即为101.3kPa，那么混合混合气体的总体积必为4L，而N2的分体积为1L，
H2的分体积为3L。
因为在相同的温度和压力下，气体的体积与其物质的量n成正比，所以在混合气体中，组分i的摩尔分数xi等于其体积分数Vi/V总，由此可得
pinV＝i＝i＝xi （1—6） p总n总V总由式（1—6）可知，混合气体中某组分气体的分压等于总压乘以该气体的体积分数。
例1-2：25℃时，装有0.3MPaO2的体积为1L的容器与装有0.06MPaN2的体积为2L的容器用旋塞连接。打开旋塞，待两边气体混合后，计算：
（1）O2、N2的物质的量。 （2）O2、N2的分压力。 （3）混合气体的总压力。 （4）O2、N2的分体积。
解：（1）混合前后气体物质的量没有发生变化：
p1V10.3?103?1??0.12mol n(O2)?RT8.314?(25?273)p2V20.06?103?2n(N2)???0.048mol
RT8.314?(25?273)（2）O2、N2的分压是它们各自单独占有3L时所产生的压力。当O2由
1L增加到3L时：
p(O2)?p1V10.3?1??0.1MPa RT3当N2由2L增加到3L时：
p(N2)?p2V20.06?2??0.04MPa RT3（3）混合气体总压力：
p总?p(O2)?p(N2)?0.1?0.04?0.14MPa
（4）O2、N2的分体积：
V(O2)?V总?p(O2)0.1＝3?＝2.14L p总0.14V(N2)?V总?p(N2)0.04＝3?＝0.86L p总0.141.2 化学反应中的能量关系
一、概念和术语 1.体系和环境
化学反应总是伴随着各种形式的能量变化，我们在研究化学反应中的能量关系时，常常需要把研究对象与周围其他部分划分开来，作为研究对象的这部分，就称为体系（），把体系以外的跟体系密切相关的部分叫做环境（）。例如研究溶液中的反应，溶液就是我们研究的体系，而盛溶液的烧杯，溶液上方的空气等都是环境。按照体系和环境之间物质和能量的交换情况不同，可以将体系分为以下三类：
敞开体系：这种体系和环境之间，既有物质交换，又有能量交换。 封闭体系：这种体系和环境之间，没有物质交换，只有能量交换。 孤立体系：这种体系和环境之间，既没有物质交换，又没有能量交换。 例如在一个敞开的广口瓶中盛水，盛水的广口瓶即为一个敞开体系，因为瓶内外既有热量的交换，又有瓶中水汽的蒸发和瓶外空气的溶解。如在此广口瓶上盖上瓶塞，这样瓶内外只有热量的交换而无物质的交换，这时成为一个封闭体系。如将上述广口瓶换为带盖的杜瓦瓶（能绝热），由于瓶内外既无物质交换又无热量交换，而构成一个孤立体系。 2.过程和途径
体系的状态发生变化时，状态变化的经过称为过程（）。如果体系的状态是在温度恒定的条件下发生变化，则此变化称为“定温过程”；同理，在压力和体积恒定的条件下，体系的状态发生了变化，则称“定压过程”。如果状态发生变化时，体系和环境没有热交换，则称“绝热过程”。
体系由一始态变到另一终态，可以经由不同的方式。这种由同一始态变到同一终态的不同方式就称不同的途径（），因此可以把体系状态变化的具体方式称为途径。 3.状态和状态函数
一个体系的状态可由它的一系列物理量来确定，例如气体的状态可同压力、
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