第一章 气体、溶液和胶体

nullnull 第一章 气体、溶液和 胶体 制作： 理学院化学系null 气 体 溶 液 溶 液 的 依 数 性 胶 体 练 习null第一节 气 体 理想气体状态方程式 道尔顿分压定律null一、理想气体状态方程式 物质的三种状态null 理想气体： 分子不占体积 分子间无相互作用低压 高温 实际气体： 分子有体积 分子间有相互作用 null理想气体状态方程式（Clapeyron方程） Boyle定律（1662）：17世纪中叶，英国科学家波义尔的实验结果：温度恒定时，一定量气体的压力和它体积的乘积为恒量。 P∝1/V PV = constant Charles(1787)－ Gay-Lussac(1802)定律： 压力恒定时，一定量气体的体积与它的热力学温度成正比。 V∝T V = bTnullBoyle定律Charles 定律开式温标 的由来null Clapeyron定律：到了19世纪，法国科学家Clapeyron 综合波义尔定律和Charles定律,把描述气体状态的3个参量p, V, T 归于一个方程式。nullR: The Gas Constant标准状况注意单位的一致null二、道尔顿分压定律(1807) Dalton’s Law of Partial Pressure 温度和体积恒定时，混合气体的总压力等 于各组分气体分压力之和。 某组分气体的分压力等于该气体单独占有 总体积时，所表现的压力。null分压定律的另一种表达分压定律的一种表达null第二节 溶液 分 散 系 溶 液 的 浓 度 电 解 质 溶 液null一、分散系分散质分散剂分散分散系（固、液、气态）分散系一种或几种物质以细小 的粒子分散在另一种物 质里所形成的体系。分散质被分散的物质。分散剂把分散质分散开来 的物质。null分散系 分类分子分散系 (d <1 nm)胶体分散系 (d: 1-100 nm)粗分散系 (d >100 nm)相体系中物理性质和化学 性质完全相同的一部分单相体系 多相体系 （存在界面）null冰和水两相体系null表1 按分散质颗粒大小分类的分散系小于1nm(10–9) 分子离子 粒子能通过滤纸与半 NaCl 分散系 透膜，扩散速度快 溶液 1~100nm 胶体 粒子能通过滤纸但不 Fe(OH)3 分散系 能透过半透膜,扩散慢 溶胶 蛋白质 溶液 颗粒直径大小 类 型 主 要 特 征 实 例大于100nm 粗 粒子不能通过滤纸不 豆 浆 分散系 能透过半透膜,不扩散 乳 汁null表2 按物质聚集状态分类的分散系 气 空 气 气 液 云、雾 固 烟、尘 气 泡沫塑料 固 液 珍 珠 固 有机玻璃 气 肥皂泡沫 液 液 牛 奶 固 Fe(OH)3溶胶、泥浆水 分散剂 分散质 实 例null分子分散系 (d<1 nm)溶液固态液态气态本节讨论的主要内容是 以水为溶剂的水溶液分散质以分子或者比分子更小的质点 均匀地分散在分散剂中所得的分散系null二、溶液浓度的表示法 浓度 一定量的溶液或溶剂中所 含溶质的量称为溶液的浓度。 分类null ppm和ppb浓度(用于极稀的溶液) 摩尔分数null 在100 mL水中，溶解17.1 g蔗糖（分子式为C12H22O11)，溶液的密度为1.0638 g · mL-1，求蔗糖的物质的量浓度，质量摩尔浓度，摩尔分数各是多少？例1：null（2）（3）null三、电解质溶液简介 电解质水溶液中或熔融状态下能导电的物质 非电解质水溶液中或熔融状态下不能导电的物质 强电解质 弱电解质 解离度α弱电解质在水中只有部分解离，解离度较小，在水溶液中存 在解离平衡；而强电解质在水中解离比较完全，在水溶液中 不存在解离平衡。 null 强电解质溶液表观的解离度 几种强电解质的实测解离度（298.15K,0.1mol·L-1） 电解质 KCl ZnSO4 HCl HNO3 H2SO4 NaOH Ba(OH)2 实测解离度 (%) 86 40 92 92 61 91 81 1887年，Arrhenius 是这样在电离理论中解释这个现象的： 电解质在水溶液中是电离的. 电离“似乎”又是不完全的. 然而，我们知道，强电解质离子晶体，在水中应是完全电离的，那么，这一矛盾又如何解释呢？null 离子氛和离子强度 但离子并不是自由的 存在着“离子氛”。 强电解质在水溶液中是 完全电离的 每个离子都被相反电荷的其它离子所包围 离子的行动受到离子氛的牵制null 活度a 和活度系数 f－－－电解质溶液中离子实际发挥的浓度， 称有效浓度或活度。a = f · c活度与浓度的关系:当溶液极稀时: f → 1，活度和浓度基本一致。 对弱电解质溶液，当浓度不大时，可认为 f =1, 即a = c。 这是今后讨论弱电解质时用浓度表示的依据。null第三节 溶液的依数性null溶液的性质－－－颜色、导电性、酸碱性 凝固点下降 沸点升高 渗透压 溶液的蒸气压下降null一、溶液的蒸气压下降 溶剂的蒸发和蒸气压null饱和蒸气压：蒸发、冷凝速度相等，气相、液相达到 平衡液相上方气体的压力叫饱和蒸气压同种液体蒸气压 随温度如何变化？不同液体蒸气压 与什么有关？null 若在纯溶剂中加入少量难挥发非电解质（如葡萄糖)：纯水蒸气压 p* 溶液蒸气压 p 拉乌尔定律null 思考题 一杯纯水和一杯溶液放入一个 密闭的容器中会产生怎样的现象？null二、溶液的沸点升高 沸腾与沸点pT = p外液体沸腾T:液体的沸点(Tb)正常沸点 液体的沸点随外界压力的变化而变化 沸腾与蒸发的区别： 沸腾－－表面和内部同时气化； 蒸发－－只在表面气化null水的正常沸点:100ºC溶液的沸点:？100ºC溶液沸点Tb升高若在纯水中加入少量难挥发的非电解质后， 会产生什么现象呢？null三、溶液的凝固点下降该物质的液相和固相达到平衡时的温度（p液＝p固时的T）溶液凝固点Tf下降p/Pa611t/ºCTf 0ACB纯水溶液ΔTf = Kf ·b 物质的凝固点(Tf)null例2： 在20.40 g葡萄糖水溶液中含有葡萄糖 0.40 g，测得溶液的凝固点为-0.207 oC，试 计算葡萄糖的相对分子量。null四、溶液的渗透压 渗透 动植物的膜组织以及人造火棉胶膜都 是半透膜，其特性是溶剂分子可自由通过， 而溶质分子则不能，这种现象叫做渗透。 渗透产生的条件 有半透膜 有浓度差nullnull 渗透压π阻止渗透作用发生所需施加于液面 上的最小压力叫做该溶液的渗透压 反渗1885年，van’t Hoff：null 渗透压的应用 医用等渗液 口渴时一般不宜饮用含糖 等成分过高的饮料。 速溶咖啡和速溶茶的制造 （将稀溶液首先用反渗透方法变浓，再用蒸发法蒸干，生 产成本会大大降低。） 测定溶质的分子量 利用反渗进行海水 淡化null五、依数性的应用 植物细胞液中溶有氨基酸、糖类物质，有一定的抗旱性蒸气压下降 植物还有一定的耐寒性 用NaCl等物质与冰混合而制成的冷冻剂 为何稀饭比水烫伤得厉害？ 冬天，人们常往汽车的水箱中加入甘油 等物质，以防止水箱因水结冰而胀裂。沸点上升null例3：依数性的相互推导 某难挥发、 非电解质水溶液的凝固点为 272.15 K，计算：（1）此溶液的沸点； （2）298.15 K时此溶液的蒸气压； （3）在273.15K时此溶液的渗透压。null（2） 因 p* = 3.17 kPa xA = 55.6 /(55.6 + 0.538) = 0.99 所以 p = p* xA = 3.17  0.99 = 3.14 kPa （3）  = b(B)  RT = 0.538  8.314  273.15 = 1220 kPanull 注意：稀溶液的依数的定量关系不 适用于浓溶液和电解质溶液。例：几种浓度为0.100 mol·kg-1的电解质在水溶液中的i值A2B(或AB2)型＞AB型＞弱电解质溶液＞非电解质溶液null第四节 胶 体由一些高分子化合物组成的溶液， 如胶水。Particles of 1-100 nm size 胶体溶液(溶胶)由小分子、原子或离子聚集成较大颗粒而形成的多相体系。如Fe(OH)3溶胶和As2S3溶胶 高分子溶液由一些高分子化合物组成的溶液， 如胶水。null 溶 胶 的 制 备 溶 胶 的 性 质 吸 附 作 用 胶 团 结 构 和 电 动 势 溶 胶 的 稳 定 性 与 聚 沉null一 、溶胶的制备 凝聚法：小粒子变大 物理凝聚：更换溶剂 化学凝聚：利用化学反应生成难溶物方 法null二、溶胶的性质nullnullnull光线射入分散体系时:光的反射粒子大于入射光的波长粒子小于入射光的波长 （d胶粒＜λ可见光）光的散射丁达尔现象的解释散射光的强度 1. 与λ4成反比 （红光最弱，蓝光最强） 2. 与粒子的体积有关 （真溶液的粒子太小，无丁铎尔现象）null 电学性质(1)---电泳颜色加深在电场中，溶 胶粒子会向某 一电极方向运 动。胶粒带电的原因： 从介质中选择性 吸附某种离子整个胶体溶液 是否带电？nullnull 电学性质(2) ---电渗在外电场下，使溶胶粒子 不动，分散剂定向移动的 现象为电渗。电 渗 示 意 图null 吸附作用 分散度与比表面 －－－把物质分散成细小微粒的程度称为分散度。比表面是指单位体积物质所具有的表面积。把一定大小的物质分割得越小，则分散度越高，比表面也越大。null 固体在溶液中的吸附吸附：一种物质自动聚集到另一种物质表面上去的过程。具有吸附能力的物质称为吸附剂 而被吸附的物质称为吸附质 正由于固体表面原子受力不对称和表面结构不均匀性，它可以吸附气体或液体分子，使表面自由能下降。而且不同的部位吸附和催化的活性不同。null－－－固体吸附剂在非电解质或弱电解质溶液中对溶 质分子的吸附 分子吸附极性的吸附剂较易吸附极性的物质 非极性的吸附剂较易吸附非极性的物质 离子吸附－－－固体吸附剂在强电解质溶液中对溶质离子的吸附离子选择吸附离子交换吸附null 离子选择吸附－－－优先吸附与它组成有关的离子null 离子交换吸附－－－吸附某种离子的同时，将原来已存在于吸附剂表面 的电荷符号相同的另一种离子等量地释放到溶液中去浓度越大，离子价数越高，交换能力越强。 例如，交换能力Na＋ ＜ Mg2＋ ＜ Al3＋价数相同时，与水化离子半径有关。例如 水化离子半径：Li＋ ＞ Na＋ ＞ K＋ ＞ Rb＋＞Cs＋ 交换能力：Li＋ ＜ Na＋ ＜ K＋＜ Rb＋＜ Cs＋null 溶胶粒子带电原因 吸附作用FeCl3 + 3H2O  Fe(OH)3 + 3 HCl FeCl3 + 2H2O  Fe(OH)2Cl + 2 HCl Fe(OH)2Cl  FeO+ + Cl- + H2O mFe(OH)3  ( Fe(OH)3)m  ( Fe(OH)3)m · n FeO+AgNO3 + KI（过量） （Ag I )m nI- (K+，NO3-，I- ) AgNO3（过量）+ KI （Ag I )m nAg+ (K+，NO3-，Ag+ )－－－胶体粒子对溶液中的离子产生选择性吸附使胶粒带电null 电离作用－－－胶体粒子表面分子发生电离使胶粒带电硅酸溶胶表面上H2SiO3分子可以电离，如 H2SiO3 = HSiO3- + H+ 或 SiO32- + 2H+ HSiO3-或 SiO32- 留在表面而使粒子带负电荷，H+ 进入溶液。null三、胶团结构和电动电势 胶团结构AgNO3 + KI(过量) → AgI(溶胶)吸 附 层扩散层[(AgI)m·nI- · (n-x)K+]x- · xK+胶核吸附层扩散层胶团I-: 电位离子 K+: 反离子胶粒null 电动电势胶核固相表面到 液体内部的电势MN: 固相界面AB: 滑动面MA: 吸附层AC: 扩散层(1) 双电层(2) E(3) ζ电场中，滑移面到 液体内部的电势吸附正离子 ζ > 0 吸附负离子 ζ < 0 null(4) ζ的大小反离子越多 ζ越小ζ:胶粒所带的净电荷胶体溶液中加入电解质现象如何？null四、溶胶的稳定性与聚沉 稳定性的原因 布朗运动：克服沉降作用 胶粒带电：使胶粒分开 溶剂化作用：避免碰撞 越大，越稳定 聚沉溶胶失去稳定因素，胶粒相互 碰撞，将导致颗粒合并、变大 最后以沉淀形式析出 聚沉值能使一定量的溶胶在一定时间内 开始聚沉所需电解质的最低浓度， 单位为 mmol·L-1。null 聚沉能力是聚沉值的倒数。聚沉值越 大的电解质，聚沉能力越小。 电解质的聚沉规律nullnull 溶胶的相互聚沉将胶粒带相反电荷的溶胶互相混合，也会发生聚沉例：水的净化天然水中胶态的悬浮物大多数带 负电荷（如土壤胶体、有机质胶 体），而明矾在水中水解而得 Al(OH)3为正溶胶，它们相互聚 沉而使水净化。null五 、大分子溶液及凝胶 高分子溶液M > 104三种分散系性质的比较 盐析作用加入大量电解质而使高分子物质 从溶液中析出的过程 保护作用在容易聚沉的溶胶中加入适量 的大分子物质溶液，可以大大地 增加溶胶的稳定性null 敏化作用当加入的大分子物质的量不足时，溶 胶的胶粒粘附在大分子上，大分子起 了一个桥梁作用，把胶粒联系在一起，使之更容易聚沉。nullnull例3：试分别比较MgSO4， K3[Fe(CN)6] 和AlCl3 三种电解质对下列两溶胶的凝聚能力及聚凝值大小。 （1）0.010 mol·L-1AgNO3 溶液和0.020 mol·L-1 KCl溶液等体积混合制成的AgCl溶胶。 （2）0.020 mol·L-1AgNO3 溶液和0.010 mol·L-1 KCl溶液等体积混合制成的AgCl溶胶。null1. 5.8% NaCl溶液产生的渗透压接近于（ ）。 （a）5.8%蔗糖溶液 （b） 5.8%的HAc溶液 （c）2.0 mol·kg -1 蔗糖溶液 （d） 1.0 mol·kg -1葡萄糖溶液 2. 在 0℃ 的 100g KCl 溶液中，加入重量为 100g 的冰，一段时间后，混合液中冰的质量为（ ）。 （a）大于100g (b)小于100g （c）等于100g (d)不能确定 相对分子量为120的弱酸HA 3. 00 g 溶于100 g 水中，在101.325 kPa 下测得其沸点为100.18℃ 。求此弱酸溶液的解离度。null4. 考虑到乙醇的沸点78.3oC 和Kb=1.16，解下列各题： （1）由20g某物质与100g乙醇组成的溶液在79oC时沸腾，计算该溶质的相对分子量； （2）由6.57g碘溶于100g乙醇的溶液，在78.6oC时沸腾，那么在溶解状态下碘以什么形态存在的（碘的相对原子量为127）？null第三题解：null第四题解：（1） Tb = 79 – 78.3 = 0.70K Kb = 1.16 b(B) = 200/M Tb = Kb  b(B) 0.70 = 1.16  200/M M = 331.4 （2） Tb = 78.6 – 78.3 = 0.30K Kb = 1.16 b(B) = 65.7/M Tb = Kb  b(B) 0.30 = 1.16  65.7/M 所以 M = 254.0 而碘的原子量为127， 由此可推出碘是以I2的形式溶解于乙醉中的。