無機與分析化學第一章氣體、溶液和膠體

1、1 第一章 氣體、溶液和膠體 2 學學 習習 要要 求求 1.了解分散系的種類及主要特征。 2.掌握理想氣體狀態(tài)方程、道爾頓分壓定 律及二者的應(yīng)用。 3.掌握蒸氣壓下降、沸點升高和凝固點降 低、滲透壓等稀溶液的通性及其重要應(yīng)用。 4.熟悉膠體的基本概念、結(jié)構(gòu)和重要性質(zhì) 等。 5.了解高分子溶液、表面活性物質(zhì)、乳濁 液的基本概念和重要特征。 3 1.1 分散系 1.2 氣體 1.3 溶液濃度的表示方法 1.4 稀溶液的通性 1.5 膠體溶液 1.6 高分子溶液和乳濁液 4 1.1 1.1 分散系分散系 由一種（或多種）物質(zhì)分散于另一種物質(zhì) 所構(gòu)成的系統(tǒng)，稱為分散系。 分散相： 分散介質(zhì)： 被分散

2、的物質(zhì)。 容納分散相的物質(zhì)。 按聚集狀態(tài)或分散質(zhì)粒大小可對分散系進行分類。 5 按聚集狀態(tài)分類的分散系 分散相分散介質(zhì)實例 氣體氣體空氣、天然氣、焦爐氣 液體氣體云、霧 固體氣體煙、灰塵 氣體液體碳酸飲料、泡沫 液體液體白酒、牛奶 固體液體鹽水、泥漿、油漆 氣體固體泡沫塑料、木炭 液體固體豆腐、硅膠、瓊脂 固體固體合金、有色玻璃 6 按分散相粒徑分類的分散系 項目粗分散系 膠體分散系 小分子或離子分散 系 溶膠高分子溶液 分散相粒徑 /nm 10011001 分散相分子大集合體分子小集合體高分子小分子或離子 穩(wěn)定性不穩(wěn)定較穩(wěn)定穩(wěn)定 擴散及透過性 擴散很慢，顆 粒不能透過濾 紙 擴散慢，顆粒不能

3、透過半透 膜 擴散快，顆粒能透 過半透膜 相態(tài)多相體系均相體系 主要實例泥漿、乳汁 碘化銀、氫 氧化鐵、硫 化砷溶膠 蛋白質(zhì)、核 酸水溶液 氯化鈉、葡萄糖水 溶液 7 1.2 氣體 氣體的特性是擴散性和可壓縮性。 1.2.1 理想氣體狀態(tài)方程 理想氣體分子本身不占有體積、分子間沒有 相互作用力的氣體稱為理想氣體。 抽象模型，理想氣體在實際中并不存在； 高溫、低壓情況下實際氣體可近似看做理 想氣體。 8 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體的壓力p、體積V、 溫度T、和物質(zhì)的量n之間存在確定的函數(shù)關(guān)系。 pV = nRT （1-1） p為氣體壓力，單位：Pa； V為氣體體積，單位：m3; T為氣體溫度，單位

4、：K； n為氣體的物質(zhì)的量，單位：mol； R為摩爾氣體常數(shù)，取值8.314 Jmol-1K-1 。 9 Question 例1-1 某碳氫化合物的蒸汽，在100及101.325 kPa時，密度=2.55 gL-1，由化學分析結(jié)果可知 該化合物中碳原子數(shù)與氫原子數(shù)之比為1:1。試 確定該化合物的分子式。 解： 設(shè)該化合物的摩爾質(zhì)量為M，質(zhì)量為m, 組成為(CH)x。 1 5 -1-133 mol77.89g Pa1001325.1 K15.373KmolJ314.8mg1055.2 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：pV = nRT 解得：x = 6，該化合物的分子式為C6H6。 RT M m pV 得：

5、 p RT pV mRT M 故： )molg01.1molg0 .12()H()C( 11 xMMxM 由： 10 1.2.2 分壓定律 道爾頓理想氣體分壓定律 理想氣體混合物中的各組分氣體均 充滿整個容器，混合氣體中任一組 分的分壓與該組分氣體在相同溫度 下獨占整個容器所產(chǎn)生的壓力相同， 而總壓力p等于混合體系中各組分 氣體的分壓之和。 約翰道爾頓 （1766- 1844 ） 英國化學家、 物理學家、近 代化學之父。 i i n pRT V n 1 321 i ii pppppp （1-2） （1-3） 11 水的飽和蒸汽壓 水在不同溫度下的飽和蒸氣壓 溫度壓力溫度壓力溫度壓力 /kPa/

6、kPa/kPa 00.61182.07407.37 50.87232.816525.00 111.31294.009584.54 121.40304.249687.67 131.49314.499790.94 141.60324.769894.30 151.71335.039997.75 161.81345.32100101.32 171.93355.63101105.00水的飽和蒸汽壓 只與溫度有關(guān)。 12 Question 例1-2 在290 K，99.3 kPa的氣壓下，用排水集氣 法收集氮氣150 mL。求在273K，101.3 kPa下該 氣體經(jīng)干燥后的體積。 解： 查表1-3得，2

7、90K(17)時水的飽和蒸汽壓為1.93k Pa。 根據(jù)分壓定律： p(N2)=p(總)-p(H2O)=99.3 kPa -1.93 kPa =97.4 kPa 設(shè)氮氣干燥后的體積為V，壓力為 p，溫度為T ，則： T VP T PV 363 43 3 97.4 10 Pa 150 10 m273K 1.36 10 m 101.325 10 Pa290K PVT V P T 合136mL。 13 1.3 溶液濃度的表示方法 名稱數(shù)學表達式單位 物質(zhì)的量濃度 molL-1 質(zhì)量分數(shù)量綱為1 質(zhì)量摩爾濃度molkg-1 物質(zhì)的量分數(shù)量綱為1 ( ) ( ) n B c B V ( ) B m w

8、B m ( ) ( ) n B m B m () () n B x B n 14 1.3.1 物質(zhì)的量濃度 單位體積溶液中所含溶質(zhì)B的物質(zhì)的量。 V n c B B (1-6) nB 為物質(zhì)B 的物質(zhì)的量，SI單位為 mol； V 為溶液的體積，SI 單位為 m3； cB的SI 單位是 molm-3，常用單位是molL-1。 使用物質(zhì)的 量濃度時應(yīng) 指明物質(zhì)的 基本單元。 15 1.3.2 質(zhì)量摩爾濃度 質(zhì)量摩爾濃度 單位質(zhì)量溶劑中所含溶質(zhì)B的物質(zhì)的量。 A m n b B B (1-7) mA為溶劑的質(zhì)量，SI單位為kg； bB的單位為molkg-1。 質(zhì)量摩爾濃度與 溫度無關(guān)； 使用質(zhì)量摩

9、爾濃 度時應(yīng)指明物質(zhì)的 基本單元。 16 Question 例例1-3 將0.270 g KCl晶體溶于100 g水中， 計算所得溶液中KCl的質(zhì)量摩爾濃度。 解： 2 -1 2 1 KCl KCl H O KCl0.270g KClH O 74.5g mol0.100kg 0.0362mol kg n b m m Mm 17 質(zhì)量分數(shù) 單位質(zhì)量溶液中所含物質(zhì)B的質(zhì)量。 m m m m B A A B B (1-8) B的SI單位為1 。 物質(zhì)的量濃度與質(zhì)量分數(shù)間的換算： B B B B B BB B MmM m VM m V n c (1-9) 1.3.3 質(zhì)量分數(shù) 18 Question

10、例例1-4 已知濃硫酸的密度= 1.84 gmL-1, 硫酸 的質(zhì)量分數(shù)為96.0 %，若配置500 mL c(H2SO4)=0.10 molL-1的稀硫酸，應(yīng)取濃硫酸多 少毫升？ 解： 設(shè)需取用濃硫酸的體積為V, 則： SOH 42 cV M V -13-1 24 31 3 H SO0.10mol L500 10L98.0g mol 1.84 10 g L0.96 2.8 10L cV M V 配置溶液時，首先量取濃硫酸2.8 mL，將其緩緩加入約 400 mL的蒸餾水中，然后在容量瓶中定容至500 mL。 19 1.3.物質(zhì)的量分數(shù) 物質(zhì)的量分數(shù) 的物質(zhì)的量與混合物總的物質(zhì)的量之比。 總

11、n n n n x B A A B B (1-11) xB的量綱為1。 兩組分體系中： xA + xB=1 多組分體系中： 1 i i x 20 稀溶液中濃度換算的近似處理 i）兩組分溶液，溶質(zhì)B含量較少時： B A B A BB B b m n mm n m n c B (1-10) ii) 稀薄水溶液中： 當cB的單位為mol L-1，bB的單位為mol kg-1 時，二者數(shù)值近似相等。 21 1.4 稀溶液的通性 在難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液中，溶液的某些性質(zhì)僅與 溶劑中溶質(zhì)的獨立質(zhì)點數(shù)相關(guān)，而與溶質(zhì)本身的性質(zhì)無關(guān)， 如溶液的蒸氣壓、沸點、凝固點和滲透壓等，這類性質(zhì)稱 為稀溶液的通性或依數(shù)性

12、。包括：蒸氣壓下降、沸點升高、 凝固點降低和滲透壓現(xiàn)象。 稀溶液 溶劑與溶質(zhì)分子之間、溶質(zhì)分子之間沒 有相互作用的溶液，為一種理想化的溶液模型。 稀溶液的通性 22 1.4.1 1.4.1 溶液蒸汽壓的下降溶液蒸汽壓的下降 液體的蒸發(fā) a 敞口容器b 密閉容器中 一定溫度下， 敞口容器中 液體將不斷 蒸發(fā)至沒有 液體留下。 一定溫度 下，密閉 容器中的 液體隨著 蒸發(fā)進行， 最終將達 到液體蒸 發(fā)與氣體 凝結(jié)的動 態(tài)平衡狀 態(tài)，蒸氣 壓力不再 變化。 液體的飽和蒸汽壓在一定溫度下，液體與其蒸氣平衡時 的蒸氣壓力為該溫度下的液體的飽和蒸氣壓，簡稱蒸氣壓。 23 蒸氣壓是 液體的重要 性質(zhì); 蒸氣

13、壓隨 溫度升高而 增大。 幾種液體的蒸氣壓曲線 24 在純?nèi)軇┲屑尤胍欢康?難揮發(fā)溶質(zhì)后，溶劑的表面就 會少量地被溶質(zhì)粒子所占據(jù)， 溶劑的物質(zhì)的量分數(shù)下降，在 單位時間、單位面積內(nèi)逸出液 面進入氣相的溶劑分子數(shù)目要 比純?nèi)軇┥?。在達到平衡狀態(tài) 時，溶液的蒸氣壓就要比相同 溫度下純?nèi)軇┑娘柡驼魵鈮旱停?這種現(xiàn)象稱為溶液的蒸氣壓下 降。 溶液的蒸氣壓下降溶液的蒸氣壓下降 25 拉烏爾定律（拉烏爾定律（Roults Law ） 一定溫度下，稀溶液的蒸氣壓 等于純?nèi)軇╋柡驼魵鈮号c溶液中溶 劑的物質(zhì)的量分數(shù)的乘積。 A 0 xpp (1-12) 拉烏爾 （Raoult F M，1830- 1901），

14、法 國化學家， 主要從事溶 液的性質(zhì)研 究。 B 00 B 0 A 0 )1 (xppxpxpp 兩組分體系中：1 BA xx B 00 xppp B 0 xpp (1-13) 一定溫度下，難揮發(fā)非 電解質(zhì)稀溶液的蒸氣壓 下降值與溶質(zhì)的物質(zhì)的 量分數(shù)成正比。 表 述1 表 述2 26 稀溶液中： AB AA AB A B BA B B Mb Mn Mn n n nn n x 一定溫度下，難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的蒸 氣壓下降與溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度成正比。 BAB 0 B 0 kbMbpxpp (1-14) 表述3 拉烏爾定律的適用范圍： 非電解質(zhì) 稀溶液 27 1.4.2 溶液沸點的升高和凝固點的降

15、低 沸騰與沸點 當液體的蒸氣壓與外壓相等時，液體表面和內(nèi)部同時發(fā) 生氣化現(xiàn)象，該過程被稱為沸騰。此時的溫度，稱為液體的 沸點。 通常液體的沸點是指其蒸氣壓等于101.325 kPa時的溫度， 稱為正常沸點，也簡稱沸點。液體的沸點會隨著外壓的升高 而升高。 溶液的沸點升高現(xiàn)象 難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的蒸氣壓比純?nèi)軇┮?，所?在達到溶劑沸點時，溶液不能沸騰。為了使溶液沸騰，就 必須使溶液的溫度升高，加劇溶劑分子的熱運動，以增加 溶液的蒸氣壓。當溶液的蒸氣壓與外壓相等時，溶液開始 沸騰。顯然此時溶液的溫度應(yīng)高于純?nèi)軇┑姆悬c。 28 p T p=101.325kPa Tb 溶劑 溶液 pK+Na+Li

16、+ Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+ 指一定時間內(nèi)，使一定量的溶膠完全聚沉所需要的電 解質(zhì)的最低濃度。 聚沉值 將兩種帶有相反電荷的溶膠按適當比例相互混合使溶膠的 互聚。 54 1.6 1.6 高分子溶液和乳濁液高分子溶液和乳濁液 1.6.1 高分子溶液 1.高分子溶液的特性 高分子溶液屬膠體分散系，表現(xiàn)出某些溶膠的性質(zhì)， 如：不能透過半透膜、擴散速率慢 。 高分子化合物能穩(wěn)定的分散在溶液中而形成溶液。 除去溶劑后，再加入溶劑仍可溶解，因此高分子溶液 是熱力學穩(wěn)定體系。 高分子溶液中溶質(zhì)與溶劑之間無明顯的相界面， 丁鐸爾效應(yīng)不明顯。高分子化合物具有很大的粘度， 這與它的鏈狀結(jié)構(gòu)和高度溶劑化的性

17、質(zhì)有關(guān)。 55 2.2.高分子溶液的高分子溶液的鹽析鹽析和和保護作用保護作用 高分子化合物的穩(wěn)定來自于表面水化膜的存在。要 使高分子化合物聚沉，除要中和掉高分子化合物所荷電 荷外，最重要的是破壞其水化膜，因此，必須加入大量 的電解質(zhì)。 電解質(zhì)離子實現(xiàn)自身水化的同時，要大量奪取水化膜 上的溶劑化水，從而破壞水化膜，使高分子溶液失去穩(wěn)定 性，發(fā)生聚沉。通過加入大量電解質(zhì)使高分子化合物聚沉 的作用稱為鹽析。 加入乙醇、丙酮等溶劑，也能將高分子溶質(zhì)沉淀出來。 在溶膠中加入適量的高分子化合物，就會提高溶膠 對電解質(zhì)的穩(wěn)定性，這就是高分子化合物的保護作用。 56 3.高分子化合物的絮凝作用 溶膠中加入少量的高 分子化合物，會出現(xiàn)一個 高分子化合物附著幾個膠 粒的現(xiàn)象。此時，高分子 化合物使膠粒相互粘接形 成大顆粒而發(fā)生聚沉。這 種由于高分子溶液的加入 使得溶膠穩(wěn)定性減弱的作 用稱為絮凝作用。 57 若在