工程化學(xué)第四章液態(tài)

1、第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 2 液體4. 2. 1 液體的溶解性 液體分子之間有作用力，其他分子如果要溶解到溶液中，必須和溶液中分子能相互“結(jié)合”。 相似相溶相似相溶，和溶劑分子極性相似的溶質(zhì)分子可以溶解到溶劑中去形成溶液。例如水是極性分子，氯化氫也是極性分子，氯化氫可以溶解到水中。水分子中有個(gè)-OH，乙醇分子中也有個(gè)-OH，乙醇和水可以以任何比例混合。通常油脂是非極性分子，油就不能溶解在水中。 油水分離第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 2 液體4. 2. 2 液體的表面張力溶液表面的分子有進(jìn)入溶液內(nèi)部的趨勢(shì)，這種趨勢(shì)促使溶液的表面積變小，這種使溶液表面積縮小的作用力被稱作為表面張力。通常我們用表面

2、能表示表面張力的大小，用符號(hào)表示，單位是Jm-2(或Nm-1)。 表面張力使雨滴、水滴趨向于球形，表面張力也使得一些生物（如某些昆蟲(chóng)）能在水面上行走或在水面上產(chǎn)卵。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 2 液體4. 2. 3 液體的毛細(xì)現(xiàn)象 把玻璃毛細(xì)管垂直插到水中，水與玻璃潤(rùn)濕，使得水進(jìn)入毛細(xì)管，水在毛細(xì)管中上升，直至與水的重力平衡。玻璃毛細(xì)管插入汞溶液中，由于玻璃與汞不潤(rùn)濕造成毛細(xì)下降。酒精燈就是利用毛細(xì)現(xiàn)象把酒精輸送到著火點(diǎn)的。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 2 液體4. 2. 3 液體的毛細(xì)現(xiàn)象 圖1 液體的虹吸現(xiàn)象 圖2 用毛細(xì)管吸手指上的血去化驗(yàn)第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液溶液是由溶

3、質(zhì)和溶劑組成，即溶質(zhì)溶解在溶劑中形成溶液。溶質(zhì)的粒子直徑1nm（10-9m），溶質(zhì)是分子或離子，可以是固體，也可以是液體或氣體，如果兩種液體互相溶解，一般把量多的一種叫做溶劑，量少的一種叫做溶質(zhì)。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液溶液可分成飽和溶液，不飽和溶液和過(guò)飽和溶液：1 飽和溶液：在一定溫度、一定量的溶劑中，溶質(zhì)不能繼續(xù)溶解的溶液，再增加溶質(zhì)只能產(chǎn)生沉淀，即沉淀和溶解達(dá)到平衡的溶液是飽和溶液。2 不飽和溶液：在一定溫度、一定量的溶劑中，溶質(zhì)可以繼續(xù)溶解的溶液。3 過(guò)飽和溶液：在一定溫度、一定量的溶劑中，溶質(zhì)的濃度超過(guò)了飽和溶液。例如降低飽和溶液的溫度，溶液中的溶質(zhì)還沒(méi)來(lái)得及析出，這時(shí)

4、的溶液是過(guò)飽和溶液，過(guò)飽和溶液是一種不穩(wěn)定態(tài)，久置能使溶質(zhì)析出，過(guò)濾后得到飽和溶液。另一種方法是通過(guò)攪拌等的方法，使得過(guò)飽和溶液產(chǎn)生沉淀，過(guò)濾后得到飽和溶液。還有一些方法是升溫、稀釋等使過(guò)飽和溶液轉(zhuǎn)變成飽和溶液或不飽和溶液。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 1 溶液的濃度及其計(jì)算SI制中體積的單位是立方米(m)，在化學(xué)中容許保留的單位是升(L)，一升等于一立方分米（dm3），即：1L = 1dm3。濃度的表示法有很多種，我們這里僅討論以下幾種：1物質(zhì)的量濃度(c)：一升溶液中某溶質(zhì)的摩爾數(shù)，單位是moldm-32 質(zhì)量摩爾濃度(m)：一千克溶劑中某溶質(zhì)的物質(zhì)的量，單位是molk

5、g3 摩爾分?jǐn)?shù)(x)：溶液中某物質(zhì)的物質(zhì)的量除以溶液的總物質(zhì)的量。4 質(zhì)量的百分比：溶液中某一物質(zhì)的質(zhì)量占溶液總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)例題：36%的鹽酸溶液其密度為1.18gcm3，求此溶液物質(zhì)的量濃度c，質(zhì)量摩爾濃度m和溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)x。解： 查得HCl的摩爾質(zhì)量是36.46gmol-1；H2O的摩爾質(zhì)量是18.01gmol-11 dm-3此溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量是： 36% 1.18 103 = 424.8g1 dm-3此溶液中溶劑的質(zhì)量是： (100%-36%) 1.18 103 = 755.2g溶液的物質(zhì)的量濃度：331dmmol65.11dm000. 1molg46.36g8

6、.424c溶液的質(zhì)量摩爾濃度： kgmol43.151000g2 .755molg46.36g8 .424m1溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)： 2174. 0molg01.18g2 .755molg46.36g8 .424molg46.36g8 .424x111第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 2溶液的溶解度及其影響因素 1. 溶液的溶解度 （1） 一升溶液中達(dá)到平衡時(shí)可溶解物質(zhì)的物質(zhì)的量，即溶液飽和時(shí)溶質(zhì)的濃度，單位是moldm-3。（2） 100g溶劑能溶解溶質(zhì)的最大克數(shù)。 例：在20，100g水中BaS的溶解度是7.86g，求BaS的摩爾濃度(s)。解： BaS的摩爾質(zhì)量是137.33+32

7、.07=169.40gmol-1，溶液密度看作水的密度1kgdm-3 331464. 0100010040.16986. 7dmmoldmggmolggS=溶液的密度升溶液的質(zhì)量升溶液溶質(zhì)物質(zhì)的量11第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 2溶液的溶解度及其影響因素 2. 影響溶解度的因素 固體在溶液中產(chǎn)生平衡： 固體中粒子進(jìn)入溶液，需要吸收能量，然后再與溶劑分子形成水合離子(水溶液中的水合過(guò)程)，會(huì)放出能量，溶解過(guò)程是吸熱還是放熱取決于這兩個(gè)過(guò)程的能量差。例如氯化銨溶解在水中的會(huì)吸熱，而氫氧化鉀溶解在水中會(huì)放熱。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 2溶液的溶解度及其影響

8、因素 2. 影響溶解度的因素 (A)內(nèi)在原因，即溶質(zhì)分子或離子容易不容易與溶劑分子結(jié)合，這涉及到相似相容規(guī)則(見(jiàn)4.2.1 節(jié))。(B)另一個(gè)是外在原因，例如溫度對(duì)物質(zhì)的溶解度有很大的影響。第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 2溶液的溶解度及其影響因素 2. 影響溶解度的因素 利用在不同溫度下溶解度的不同和變化，可以分離不同的物質(zhì)。例如在室溫KNO3和NaCl的溶解度比較接近，在高溫下KNO3的溶解度明顯增大，高溫下加溫濃縮KNO3和NaCl的混合溶液，就能使NaCl結(jié)晶析出，從而達(dá)到分離的目的。另外同離子效應(yīng)、鹽效應(yīng)以及酸堿反應(yīng)、配合反應(yīng)都能影響溶液的溶解度， 第四章 物質(zhì)的聚集

9、狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 3 溶液的蒸氣壓水的飽和蒸汽壓即氣液平衡時(shí)的蒸氣壓： 液體蒸汽表 4.5不同溫度下水的蒸氣壓溫度()蒸氣壓(kPa)溫度()蒸氣壓(kPa)溫度()蒸氣壓(kPa)0101520250.6101.232.062.333.1727304050603.554.247.3812.319.970809010012031.247.370.1101.3198.5(A)溶液分子會(huì)揮發(fā)(B) 氣液平衡第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)例5：1g鋅在25和100kPa壓力下與過(guò)量的酸反應(yīng)，如果用排水集氣法在水面上收集，收集到的氣體體積是多少升？已知MZn=65.39g/mol；25水的飽和蒸汽

10、壓為3.17kPa 解： Zn + 2H+ = H2 + Zn2+鋅物質(zhì)的量 n=1/65.39=0.01529mol 等于氫物質(zhì)的量無(wú)水時(shí) VH2=nRT/p=0.015298.314298.15/100103 =3.7910-4m3=0.379L含水體積 V=VH2P總/PH2=0.379105(105-3.17103)=0.391L或 V=nRT/(p總-pH2O) = 0.015298.314298.15/(100-3.17)103 =3.9110-4m3=0.391L第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性溶質(zhì)的存在使溶液表面溶劑的分子數(shù)減少，平衡后溶液的蒸

11、氣壓低于純?nèi)軇┑恼魵鈮?。第四?物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性1溶液的蒸氣壓降低 當(dāng)一種難揮發(fā)的溶質(zhì)溶解于溶劑后，溶液表面的溶劑分子數(shù)目由于溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的存在而減少，使相同溫度下溶液蒸發(fā)出的溶劑分子數(shù)目比純?nèi)軇┮伲慈芤旱恼魵鈮?如圖所示)比純?nèi)軇┑恼魵鈮?如圖中的aa線所示)低。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性1溶液的蒸氣壓降低 蒸氣壓下降的定量關(guān)系實(shí)驗(yàn)證明，在一定溫度下，稀溶液的蒸氣壓降低值等于該稀溶液中難揮發(fā)，難電離溶質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與純?nèi)軇┱魵鈮旱某朔e，而與溶質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)： *AB*AB pxpnnp 該式也稱拉烏爾定律(法

12、國(guó)物理學(xué)家) 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性2. 溶液的凝固點(diǎn)下降 圖中aa，ac，bb線分別表示水、冰和溶液的蒸氣壓與溫度的關(guān)系。可見(jiàn)：a 點(diǎn)(0.01，0.611 kPa)純水和冰的蒸氣壓相等，此時(shí)達(dá)到冰、水和水蒸氣三相平衡，0.01 即為水的凝固點(diǎn)； 水溶液中由于加入了溶質(zhì)而蒸氣壓降低，溶液蒸氣壓曲線與冰的蒸氣壓曲線相交于b點(diǎn)，這是溶液的凝固點(diǎn)。顯然，溶液的凝固點(diǎn)比純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)下降了。難揮發(fā)物質(zhì)溶液的凝固點(diǎn)總是低于純?nèi)軇┑哪厅c(diǎn)。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性2. 溶液的凝固點(diǎn)下降 在稀溶液中，凝固點(diǎn)下降值(Tf

13、)為 Bff*ffbKTTT式中Tf 表示難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的凝固點(diǎn)下降值，Tf*、Tf 分別表示純?nèi)軇┖腿芤旱哪厅c(diǎn)，bB是質(zhì)量摩爾濃度寫(xiě)單位為molkg1，例如：lkg水中溶解了62g乙二醇C2H4(OH)2，其質(zhì)量摩爾濃度是1molkg1；Kf 為凝固點(diǎn)下降常數(shù)，它取決于純?nèi)軇┑奶匦远c溶質(zhì)特性無(wú)關(guān)。溶劑的凝固點(diǎn)下降常數(shù)可以查表得到。溶劑凝固點(diǎn)()Kf (Kkgmol1)醋酸苯氯仿水16.65. 5 63. 50. 03. 904. 904. 701. 86例如1kg水中溶解了31g乙二醇，求凝固點(diǎn)下降值Tf。解：Tf = Kf bB =1.8631/62=0.94第四章 物質(zhì)的聚集狀

14、態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性2. 溶液的凝固點(diǎn)下降 溶質(zhì)的存在阻礙了溶劑的凝固，導(dǎo)致凝固點(diǎn)下降。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性2. 溶液的凝固點(diǎn)下降 例如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)用水作冷卻液，在冬天往往因水結(jié)冰而把水箱凍裂，而在水中加入乙二醇，制成防凍液，能使溶液在 -40不結(jié)冰，防止水箱凍裂。 如果水中加入的是電解質(zhì)如NaCl，它電離成正負(fù)離子，使凝固點(diǎn)下降得更多，實(shí)驗(yàn)室常用冰、水和NaCl組成溶液得到零度以下的低溫。第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性3. 溶液的沸點(diǎn)升高 在稀溶液中，升高值(Tb)為 Bbb*bbbK

15、TTT式中Tb 表示難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的沸點(diǎn)升高值，Tb*、Tb 分別表示純?nèi)軇┖腿芤旱姆悬c(diǎn)，bB是質(zhì)量摩爾濃度，單位為molkg1，溶劑沸點(diǎn)()Kb (Kkgmol1)醋酸苯氯仿水117.980. 1 61. 7100. 03. 072. 533. 630. 512第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性4. 溶液的滲透壓 把溶液與水用半透膜分割開(kāi)(見(jiàn)圖A)，水會(huì)通過(guò)半透膜進(jìn)入溶液，導(dǎo)致溶液的壓力升高(見(jiàn)圖B)，平衡時(shí)溶液與水之間的壓力差稱之為滲透壓，滲透壓是為維持被半透膜所隔開(kāi)的溶液與純?nèi)軇┲g的滲透平衡而需要的額外壓力。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性4. 溶液的滲透壓 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的滲透壓與溶液的體積摩爾濃度及熱力學(xué)溫度成正比。1887年，荷蘭物理學(xué)化學(xué)家范特霍夫(J. H. van t Hoff)，提出了稀溶液的滲透壓與溫度和溶質(zhì)濃度的關(guān)系式： RTVncRT其中c為溶液的濃度，R為理想氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，n為物質(zhì)的量，V為溶液體積。 第四章 物質(zhì)的聚集狀態(tài)4. 3 溶液4. 3. 4 稀溶液的依數(shù)性4. 溶液的滲透壓 如果在溶液的一側(cè)施加一個(gè)大于滲透壓