第3章溶液和膠體溶液

第3章溶液和膠體1.1分散系1.2溶液濃度的表示方法1.3稀溶液的通性1.4膠體溶液溶液（solution）:凡是由一種或多種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中形成的混合體系。

分散質(zhì)(dispersionphase)

分散系

分散劑(dispersionmedium)分散質(zhì)和分散劑可以是固體、液體或氣體。3.1分散系表3-1按聚集狀態(tài)分類的各種分散系分散質(zhì)分散劑實(shí)例

氣氣空氣、家用煤氣液氣云、霧固氣煙、灰塵氣液泡沫、汽水液液牛奶、豆?jié){、農(nóng)藥乳濁液固液泥漿、油漆、墨水氣固泡沫塑料、木炭、浮石液固肉凍、硅膠、珍珠固固紅寶石、合金、有色玻璃

表3-2按分散質(zhì)粒子大小分類的各種分散系分散質(zhì)分散系類型分散質(zhì)主要性質(zhì)

粒子直徑<1nm低分子或離子小分子或離子均相，穩(wěn)定，擴(kuò)散快分散系顆粒能透過半透膜1-100nm膠體分散系：高分子溶液高分子均相，穩(wěn)定，擴(kuò)散慢顆粒不能透過半透膜

溶膠分子、離子、多相，較穩(wěn)定，擴(kuò)散慢原子的聚集體顆粒不能透過半透膜

>100nm粗分散系：分子的大集合體多相,不穩(wěn)定,擴(kuò)散很慢乳濁液、顆粒不能透過濾紙懸浮液

3.2

溶液濃度的表示方法

3.2.1物質(zhì)的量濃度

cB—B的物質(zhì)的量濃度，單位為mol·L-1。

nB

—

物質(zhì)B的物質(zhì)的量，單位為mol。

V—混合物的體積，單位為L。

注意:

使用物質(zhì)的量單位mol時(shí)，要指明物質(zhì)的基本單元。例：

c(KMnO4)=0.10mol·L-1

c(1/5KMnO4)=0.10mol·L-1的兩個(gè)溶液。兩種溶液濃度數(shù)值相同，但是，它們所表示1L溶液中所含KMnO4的質(zhì)量是不同的，前者15.8克，后者為3.16克。3.2.2質(zhì)量摩爾濃度

bB—溶質(zhì)B的質(zhì)量摩爾濃度，單位為mol·Kg-1。

nB—溶質(zhì)B的物質(zhì)的量，單位為mol。

mA

—溶劑的質(zhì)量，單位為kg。3.2.3摩爾分?jǐn)?shù)

nB—B的物質(zhì)的量，SI單位為mol；n—混合物總的物質(zhì)的量，SI單位為mol；—物質(zhì)B的摩爾分?jǐn)?shù)，量綱為一。溶質(zhì)B的摩爾分?jǐn)?shù):溶劑A的摩爾分?jǐn)?shù):

所以兩組分的溶液系統(tǒng)：

對(duì)任何一個(gè)多組分系統(tǒng)：則3.2.4質(zhì)量分?jǐn)?shù)

mB—

物質(zhì)B的質(zhì)量；m—混合物的質(zhì)量；—B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，量綱為一。

解：根據(jù)題意，100g溶液中含有NaCl10g，水90g。即m(NaCl)=10g,而m(H2O)=90g因此例3-1求ω(NaCl)=10%的NaCl水溶液中溶質(zhì)和溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)。3.2.5幾種溶液濃度之間的關(guān)系

1.物質(zhì)的量濃度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)

cB—溶質(zhì)B的量濃度;

—溶液的密度;—溶質(zhì)B的質(zhì)量分?jǐn)?shù);

MB—溶質(zhì)B的摩爾質(zhì)量。

2．物質(zhì)的量濃度與質(zhì)量摩爾濃度

cB—溶質(zhì)B的量濃度;

—溶液的密度;m

—溶液的質(zhì)量;nB

—溶質(zhì)B的物質(zhì)的量。例1-2已知濃硫酸的密度＝1.84g·mL-1,含硫酸為96.6%，如何配制c(H2SO4)=0.10mol·L-1的硫酸溶液500mL?

解：根據(jù)題意,則有：

根據(jù)C(A)V(B)=C’(A)V’(B)

則有

所以需量取2.8mL濃硫酸，將濃硫酸慢慢加入400mL左右的蒸餾水中，然后稀釋至500mL。3.3稀溶液的通性

稀溶液的通性，或者稱為依數(shù)性(colligativeproperty):

稀溶液蒸氣壓的下降、沸點(diǎn)上升、凝固點(diǎn)下降和稀溶液的滲透壓與溶液中溶質(zhì)的獨(dú)立質(zhì)點(diǎn)數(shù)有關(guān)，而與溶質(zhì)的本身性質(zhì)無關(guān)。3.3.1溶液蒸氣壓的下降

飽和蒸氣壓（saturatedvaporpressure）,簡稱蒸氣壓(po)：

將一種純液體（純?nèi)軇┲糜谝粋€(gè)密封容器中，當(dāng)蒸發(fā)為氣態(tài)的溶劑粒子數(shù)目與氣態(tài)粒子凝聚成液態(tài)的溶劑粒子數(shù)目相等時(shí)，這時(shí)液體上方的蒸氣所具有的壓力稱為溶劑在該溫度下的飽和蒸氣壓。拉烏爾定律p=po×χA法國物理學(xué)家拉烏爾(RoultFM)在1887年總結(jié)出一條關(guān)于溶劑蒸氣壓的規(guī)律。P—溶液的蒸氣壓，單位為Pa；

po

—溶劑的飽和蒸氣壓，單位為Pa；χA

—溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)。

由于

χA十χB＝l，即

χA＝l一χB所以

p=po×（1-χB）=po-p

o·χB

po-p=p

o·χB△p

=po-p=p

o·χB△p—溶液蒸氣壓的下降值，單位為Pa；B—溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)。結(jié)論:在一定溫度下，難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的蒸氣壓的下降值與溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)成正比?！瓰鯛柖?/p>

3.3.2溶液沸點(diǎn)升高和疑固點(diǎn)下降

圖1—1溶液的沸點(diǎn)升高凝固點(diǎn)降低示意圖

△Tb=Kb×bB△Tb—溶液沸點(diǎn)的變化值，單位為K或℃；

bB—溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度，單位為mol·kg-1;

Kb—溶液沸點(diǎn)上升常數(shù)，單位為K·kg·mol-1或

℃·kg·mol-1,Kb只與溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。不同的溶劑有不同的Kb值。

表3-3幾種溶劑的Tb和Kb

△Tf

—溶液凝固點(diǎn)下降值，單位為K或℃；

bB—溶質(zhì)的質(zhì)量摩爾濃度，單位為mo1·kg-1；

Kf—溶液凝固點(diǎn)下降常數(shù)，單位為K·kg·mol-1

或

℃·kg·mol-1。Kb只與溶劑的性質(zhì)有關(guān)，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。△Tf＝Kf×bB表3-4幾種溶劑的Tf和Kf值

思考題：難揮發(fā)物質(zhì)的溶液在不斷沸騰時(shí)，它的沸點(diǎn)是否恒定？在冷卻過程中它的凝固點(diǎn)是否恒定？用測(cè)凝固點(diǎn)的方法來估算溶質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量。例3-3有一質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的水溶液,測(cè)得其凝固點(diǎn)為273.05K．計(jì)算溶質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量。解：根據(jù)公式：△Tf=Kf×bB則有所以有

即mB/mA≈1.0%所以溶質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量為183

由于該溶液的濃度較小，

所以mA+mB≈mA3.3.3溶液的滲透壓

滲透(osmosis)：由物質(zhì)粒子通過半透膜單向擴(kuò)散的現(xiàn)象。半透膜(semipermeablemembrane)：在兩個(gè)不同濃度的溶液之間，存在一種能有選擇地通過或阻止某些粒子的物質(zhì)。

圖1-2滲透壓示意圖滲透壓(osmosispressure)：為維持只允許溶劑通過的膜所隔開的溶液與純?nèi)軇┲g的滲透平衡而需要的超額壓力。П—溶液的滲透壓，單位為Pa；cB—溶液的濃度，單位為mo1·L-1；

R—?dú)怏w常數(shù)，為8.31kPa·L·mol-1·K-1；

T—體系的溫度，單位為K。П×V=nB×R×T

即

П=cB×R×T

即該蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量為30569。

例3-4有一蛋白質(zhì)的飽和水溶液，每升含有蛋白質(zhì)5.18克，已知在298.15K時(shí),溶液的滲透壓為413Pa,求此蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量。解：根據(jù)公式

П=cB×R×T

測(cè)定溶液滲透壓，也能估算溶質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量。稀溶液的定理：

難揮發(fā)、非電解質(zhì)稀溶液的某些性質(zhì)(蒸氣壓下降、沸點(diǎn)上升、凝固點(diǎn)下降和滲透壓)與一定量的溶劑中所含溶質(zhì)的物質(zhì)的量成正比，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)。思考題：稀溶液的各項(xiàng)通性，為什么不適用于濃溶液和電解質(zhì)？表3-5NaCl和HAc溶液的凝固點(diǎn)下降

3.4膠體溶液

膠體分散系溶膠（如Fe(OH)3膠體和As2S3膠體等）

高分子溶液（淀粉溶液和蛋白質(zhì)溶液等）3.4.1分散度和表面吸附

分散系的分散度(dispersiondegree)常用比表面積(specificsurface)來衡量。s—分散質(zhì)的比表面積，單位是m-1；S—分散質(zhì)的總表面積，單位是m2；V—分散質(zhì)的體積，單位是m3。3.4.2膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)

圖1-3KI過量時(shí)形成的AgI膠團(tuán)結(jié)構(gòu)示意圖

例：稀AgNO3與過量的稀KI溶液反應(yīng)制備AgI溶膠。AgI膠團(tuán)結(jié)構(gòu)簡式：{（AgI)m

·nI-·

（n-x）K+}x-·xK+

膠核電位離子反離子反離子

吸附層擴(kuò)散層

膠粒

膠團(tuán)氫氧化鐵、三硫化二砷和硅膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)簡式可表示如下:{(Fe(OH)3)m·nFeO+·(n-x)Cl-}x+·xCl-{(As2S3)m·nHS-·(n-x)H+}x-·xH+{(H2SiO3)m·nHSiO3-·（n-x）H+}X-·xH+注意:在制備膠體時(shí),一定要有穩(wěn)定劑存在。通常穩(wěn)定劑就是在吸附層中的離子。

3.4.3膠體溶液的性質(zhì)

膠體溶液的性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)溶膠的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)溶膠的電學(xué)性質(zhì)

1.光學(xué)性質(zhì)

1869年，丁達(dá)爾(Tyndall)在研究膠體時(shí)，他將一束光線照射到透明的溶膠上，在與光線垂直方向上觀察到一條發(fā)亮的光柱。這一現(xiàn)象稱為丁達(dá)爾效應(yīng)(Tyndalleffect)。由于丁達(dá)爾效應(yīng)是膠體所特有的現(xiàn)象，因此，可以通過此效應(yīng)來鑒別溶液與膠體。（1）顆粒的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射光的波長，此時(shí)入射光被完全反射，不出現(xiàn)丁達(dá)爾效應(yīng)；（2）物質(zhì)的顆粒直徑比入射波長小的話，則發(fā)生光的散射作用而出現(xiàn)丁達(dá)爾現(xiàn)象。

因?yàn)槿苣z的粒子直徑在1一100nm，而一般可見光的波長范圍在400一760nm，所以可見光通過溶膠時(shí)便產(chǎn)生明顯的散射作用。

光線照射到物體表面時(shí)，可能產(chǎn)生兩種情況：2.溶膠的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)

溶膠的布朗運(yùn)動(dòng)：

在超顯微鏡下看到溶膠的散射現(xiàn)象的同時(shí)，還可以看到溶膠中的發(fā)光點(diǎn)并非是靜止不動(dòng)的，它們是在作無休止、無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。3.溶膠的電學(xué)性質(zhì)

1-4表示電泳的實(shí)驗(yàn)裝置U形管中裝入棕紅色的氫氧化鐵溶膠

結(jié)論：氫氧化鐵溶膠粒子帶正電。

電泳(electrophoresis)：

在電場中，溶膠體系的溶膠粒子在分散劑中能發(fā)生定向遷移。

根據(jù)電泳實(shí)驗(yàn)判斷溶膠粒子的帶電性。溶膠粒子帶電的主要原因：（1）吸附作用：氫氧化鐵溶膠，該溶膠是

FeCl3

溶液在沸水中水解而制成的。在整個(gè)水解過程中，有大量的FeO+存在，由于Fe(OH)3

對(duì)FeO+的吸附因而溶膠帶正電。（2）電離作用：硅膠粒子帶電就是因?yàn)镠2SiO3電離形成HSiO3-或SiO32-，并附著在表面而帶負(fù)電。

H2SiO3＝HSiO3-+H+＝SiO32-+2H+3.4.4溶膠的穩(wěn)定性和聚沉

溶膠的穩(wěn)定性1.溶膠的穩(wěn)定性

布朗運(yùn)動(dòng)

膠粒的雙電層結(jié)構(gòu)溶膠的聚結(jié)穩(wěn)定性

溶劑化膜

2.溶膠的聚沉

聚沉(coagulation)：膠體分散系中的分散質(zhì)從分散劑中分離出來的過程。影響溶膠聚沉的因素主要有：（1）電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉作用（2）溶膠的互聚電解質(zhì)對(duì)溶膠的聚沉作用電解質(zhì)的聚沉能力：用聚沉值的大小來表示。聚沉值—

指一定時(shí)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。電解質(zhì)的聚沉值，聚沉能力。電解質(zhì)的聚沉值，聚沉能力。例：Fe(OH)3正溶膠：聚沉能力：K3[Fe(CN)6]>MgSO4>AlCl3

帶負(fù)電溶膠：聚沉能力：Rb+＞K+＞Na+＞Li+

結(jié)論

（1）與膠粒所帶電荷相反的離子電荷越高，對(duì)溶膠的聚沉作用就越大。（2）隨著離子半徑的減小，離子的聚沉能力減弱。

As2S3負(fù)溶膠：

聚沉能力：AlCl3>MgSO4>K3[Fe(CN)6]溶膠的互聚兩種帶有相反電荷的溶膠按適當(dāng)比例相互混合，溶膠同樣會(huì)發(fā)生聚沉。例：

明礬凈水作用。天然水中膠態(tài)的懸浮物大多帶負(fù)電，明礬在水中水解產(chǎn)生的Al(OH)3溶膠帶正電，它們相互聚沉而使水凈化。3.5高分子溶液和乳濁液

1.5.1高分子溶液

（1）高分子溶液由于其溶質(zhì)的顆粒大小與溶膠粒子相近，屬于膠體分散系，所以它表現(xiàn)出某些溶膠的性質(zhì)，例如，不能透過半透膜、擴(kuò)散速度慢等。（2）高分子溶液是一種熱力學(xué)穩(wěn)定體系。

（3）溶解的可逆性。（4）高分子溶液具有一定的抗電解質(zhì)聚沉能力。（1）定義：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。膠體分散系中的分散質(zhì)從分散劑中分離出來的過