《气体溶液和胶体》PPT课件.ppt

第一章 气体、溶液和胶体 生态工程系 u教学内容 41理想气体的状态方程和道尔顿分压定律 42溶液的浓度的各种表达方式； 43难挥发非电解质稀溶液的依数性； 44胶体的结构、性质、稳定性和聚沉。 u重点： 1溶液的组成量度及非电解质稀溶液的 依数性及应用。 42胶团的结构及性质。 4引言 气体、溶液与胶体在自然界普遍存在 ，如：我们熟悉的空气，人类呼吸氧气，江河 湖海是自然界最大的水溶液体系；云、烟、雾 、石油、细胞液等为胶体。它们与工农业生产 和人类的生命活动密切相关。 u概念 系统：人为的把要研究的对象称作系统。 相：体系中具有相同化学性质和物理性质的均 匀部分。 l(1) 一个相里可以有一种物质，也可以有多种物 质，如食盐溶液，液相里有两种物质。 l(2)一个系统里可以只有一个相（单相系统）， 也可以有几个相（多相系统）： 4单相体系：如饱和食盐水、糖水等。 4特点 ：溶质与溶剂已成一体，组分间没有界面 4多相体系：如不溶于水的泥浆溶液；水与油 组成的体系等。 4特点：各组分的物理性质和化学性质不同，并 具有明显的界面。 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。 表1 按分散质颗粒大小分类的分散系 小于1nm(109) 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 1100nm 胶体 粒子能通过滤纸但不 Fe(OH)3 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 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 第一节 气 体 理想气体状态方程式 道尔顿分压定律 O2 理想气体： v 分子不占体积 v 分子间无相互作用 低压 高温 实际气体： v 分子有体积 v 分子间有相互作用 （1）理想气体状态方程式 4Boyle定律：17世纪中叶，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。 PV=nRT（理想气体状态方程式 ）。 u Pv=nRT是描述理想气体在处于平衡态时，压 强、体积、物质的量、温度间关系的状态方程 。 PV = constant 4 PV=nRT 4 其中p为压强，V为体积，n为物质的量，R 为普适气体常量，T为绝对温度（T的单位为开 尔文(字母为K)，数值为摄氏温度加273.15,如 0即为273.15K）。当p，V，n，T的单位分 别采用Pa(帕斯卡)，m3(立方米)，mol，K时， R的数值为8.31。该方程严格意义上来说只适 用于理想气体。 （2）道尔顿分压定律(1807) 得出下列结论：某一气体在气体混合物中产 生的分压等于在相同温度下它单独占有整个容器 时所产生的压力；而气体混合物的总压强等于其 中各气体分压之和，这就是气体分压定律。 (a) 5.0 L at 20(b) 5.0 L at 20(c) 5.0 L at 20 u道尔顿分压定律主要是讨论混合气体中分压力 与总压力的关系。其要点是： (1)混合气体的总压力等于各组成气体的分压 力之和 4 P总 = P1 + P2 + P3 + . （推导） 4 所谓分压力，就是指各组成气体在温度不 变、单独占据混合气体所占的全部体积时，对 器壁施加的压力。总压力就是各组分气体分压 力总和。 (2)各组分气体的分压力等于其摩尔分数乘以 总压力：PA= XAP （推导） 例1-1:在251K和97kPa下收集得某干燥空气试 样，经分析其中N2、O2、Ar的摩尔分数分为 0.78，0.21，0.01，求试样在收集时各种气体 的分压力？ 第二节 溶液 分 散 系 溶 液 的 浓 度 电 解 质 溶 液 4溶液：一种物质以分子、离子状态分散于另 一种物质中所构成的均匀而又稳定的体系叫溶 液。分为电解质溶液和非电解质溶液通常不指 明溶剂的溶液都是水溶液，简称为溶液。 4 一定量溶液或溶剂中所含的溶质的量即“溶 液浓度”。根据“溶质的量”的不同表示方法及 它在溶液或溶剂中的量，溶液的浓度可以用不 同的方法来表示，常用的表示方法，质量摩尔 浓度、物质的量浓度、质量分数和摩尔分数。 （1）物质的量浓度 溶液中溶质B的物质的量浓度是指溶质B的 物质的量除以混合溶液的体积。用符号cB表 示，即： 物质的量是表示组成物质的基本单元数目的多少 的物理量。单位为1mol。物质的量浓度的单位为 molm3；常用单位为molL1。使用物质的量单 位“mol”时，要指明物质的基本单元。基本单元的定 义：系统中组成物质的基本组分，可以是分子、离子 、电子等及其这些粒子的特定组合。如O2、 (H2SO4)、（H2+ O2）。同一种物质，用不同的 基本单元表示其浓度时，其浓度值不同。 （2）质量摩尔浓度 4 1000g（1kg）溶剂A中所含溶质B的物质 的量，溶质B的物质的量除于溶剂A质量，称 为溶质B的质量摩尔浓度。其数学表达式为： 4（SI单位为molkg-1 ） （3）摩尔分数 4 溶质B的物质的量与混合物总的物质的量 之比，称为溶质B的摩尔分数，其数学表达式 为： 4 4 对于一个两组分的溶液体系来说，溶质B的 物质的量分数xB与溶剂A的物质的量分数xA分 别为： 4 4 若将这个关系推广到任何一个多组分体系 中，则： 44）质量分数 4定义：混合体系中，溶质B的质量与混合物的 质量之比，称为溶质B的质量分数，其数学表 达式为： 4例11 如何将25g NaCl配制成 为 0.25的食盐溶液？ 4解： 4 （5）体积分数 4 在相同的温度和压强下，混合气体中组分 B单独占有体积除于混合气体总体积，叫做组 分B的体积分数。 4 （6）其他浓度：比例浓度和ppm 、ppb （7）溶液浓度间的换算 4例1-3： 4 在100 mL水中，溶解17.1 g蔗糖（分子 式为C12H22O11)，溶液的密度为1.0638g 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？ 第三节 溶液的依数性 溶液的性质 颜色、导电性、酸碱性 由溶质的本性 决定 取决于溶液中溶质的粒子数目 称为溶液的 依数性依数性 凝固点下降 沸点升高 渗透压 溶液的蒸气压下降 （1）溶液的蒸气压 4 初始： V蒸发 V凝聚 4 平衡： V蒸发 = V凝聚 4 在一定温度下，将纯液体放在密闭容器中 当其蒸发速率与蒸汽凝聚成液态的速率相等V 时，即蒸发与凝聚达到动态平衡，此时液面上 部的蒸气量达到最大，称为饱和蒸气，饱和蒸 气所产生的压力叫饱和蒸气压。 l在一定温度下，任何纯溶剂都有一定的饱和蒸 气压（p*）。 易挥发性物质：蒸气压大 难挥发性物质：蒸气压低 固体也会蒸发，也有蒸气压 4 如果在纯溶剂中加入一定量 的非挥发性溶质，溶剂的蒸气压 就会发生改变。实验证明，在相 同的温度下，当把难挥发的非电 解质溶质加入溶剂形成溶液后， 稀溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气 压低。 实验测定25C时： 水的饱和蒸气压: p (H2O) = 3167.7 Pa； 0.5molkg-1 糖水的蒸气为:p(H2O)=3135.7Pa； 1.0molkg-1 糖水的蒸气压为:p(H2O)=3107.7 Pa 。 4 解释产生这种现象的原因：当纯溶剂中溶 入了难挥发的非电解质时，纯溶剂的部分表面 被溶剂化的溶质所占据，单位时间内逸出溶液 液面的分子数目就会相应减少，结果在达到平 衡时，溶液表面蒸发的分子数和回到溶液表面 的分子数也较纯溶剂的少，因而使溶液的蒸气 压下降。 结论： 溶液的蒸气压比纯溶剂低，溶液浓度 越大，蒸气压下降越多。 v 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？ 41887年，法国物理学家拉乌尔（Raoult）提出 ：“在一定温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶 剂的蒸气压与溶剂摩尔分数的乘积”，这就是 拉乌尔定律。 4式中p为溶液的蒸气压，p*为纯溶剂的蒸气压 ，xA为溶剂的摩尔分数。 4拉乌尔定律只适用于非电解质的稀溶液，在稀 溶液中（nAnB） ： 4若以水为溶剂，则1000g水中 4 4 4 4 式中，K为蒸气压下降常数，它的大小只与溶剂本 性有关。该式表明稀溶液的蒸气压下降与溶质的质量 摩尔浓度成正比，而与溶质的本性无关。 （2）溶液的沸点上升 4 定义：液体的沸点是指液体的蒸气压等于 外界压力（大气压）时的温度。 一定的外压下 ，任何纯液体都有一定的沸点。 4 如：纯水：p外 = 101.3kPa，t纯水 = 100 4实验证明：难挥发物质溶液的沸点总是高于纯 溶剂的沸点。 水的正常沸点:100C 加入溶质 溶液的沸点:？100C 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？ 实验证明：难挥发物质溶液的沸点总是高于纯溶 剂的沸点。 4沸点上升原因：其根本原因是溶液的蒸气压 下降。溶液在原温度下不能沸腾，欲使沸腾， 必须升高温度，直到溶液的蒸汽压力等于外界 压力，达到沸腾。这种现象就称为溶液的沸点 升高。 p/kPa 101.325 100 Tb 纯水 溶液 t/C Tb = Kbb (单位?) 4根据拉乌尔定律，p与b(B)成正比，而tb 与p 成正比，tb亦应与 b(B)成正比，p越大， tb也越大。它的数学表达式为： 4 tbKb bB 4Kb为溶剂沸点升高常数，单位为Kkgmol-1。 Kb只与溶剂有关，与溶质无关，不同的溶剂有 不同的Kb值，常用溶剂的Kb和Kf值 见P9表1-5。 4应用：在实验工作中常利用较浓的盐溶液来做 高温热浴。 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） 水的凝固点:0C 加入溶质 海水0C时是否冻结？ 溶液凝固点Tf下降 p液 p固: 液相 固相 p液 p固: 固相 液相 C B 物质的凝固点(Tf) 凝固点下降原因：由于液态溶液的蒸气压下降， 在纯溶剂的凝固点f* 时溶液的蒸气压低于固 态纯溶剂的蒸气压，此时溶液不能凝固，必须 降低温度，溶液和固态纯溶剂的蒸气压都下降 ，但溶剂的蒸气压下降更快，当达到另一更低 的温度时， 固相溶剂的蒸气压与溶液中溶剂的 蒸气压相等，此时的温度就是溶液的凝固点， 溶液的凝固点下降主要原因还是由于溶液的蒸 气压下降所致。 4 难挥发非电解质稀溶液的凝固点下降Tf 4与溶液的质量摩尔浓度bB成正比，而与溶质的 性质无关。它的数学表达式为： 4 Tf Kf bB 4 Kf为溶剂凝固点下降常数，单位为 Kkgmol-1。Kf与Kb一样只与溶剂有关，而与 溶质无关。 4例13： 4 把0.322g萘溶于80g苯中所得溶液的凝固 点为278.34K，求萘的摩尔质量。 已知苯的凝 固点为278.50K,Kf 值为5.10 Kkgmol-1. 4解释：植物的抗寒抗旱 4应用：汽车水箱中加入少量甘油或乙二醇，哪 一种效果好？ 4在化学反应制冷、工农业生产制冷中。在冬季 ，建筑工人经常在水泥中加入食盐（食盐和冰 251K）或氯化钙（CaCl22H2O和冰218K） （4）溶液渗透压 给缺水的植物浇上水，不久，植物 茎叶挺立？ 实验： 4 溶剂分子从一个液相通过半透膜向另一个 液相扩散的过程叫渗透。达到了渗透平衡时， 蔗糖水液面比纯水液面高出h，这段液面高度 差所产生的压力称为该溶液的渗透压。也可将 渗透压这样定义：在一定的温度下，恰能阻止 渗透发生所需施加的外压力，称为该溶液的渗 透压。 如果在浓度 高的溶液一端施 加外压，当外加 压力大于渗透压 时，溶剂分子就 会从高浓度的一 端向低浓度溶液 一端渗透，这一 过程叫做反渗透 。 4渗透的条件： 4 1） 膜的存在 4 2） 膜两边浓度不等 4 1886范特荷甫总结得出：“稀溶液的渗 透压与溶液的浓度和温度的关系同理想气体状 态方程式一致”，即 4 V = nBRT = cBRT 4 式中，是渗透压，V是溶液体积，nB是溶质物质 的量（mol），cB是浓度，R是气体常数，T是绝对温度 。从上面的式子可以看出，在一定条件下，难挥发非 电解质稀溶液的渗透压与溶液中溶质的浓度成正比， 而与溶质本性无关。 4对于稀的水溶液，公式也可以表示为=bBRT 4例14： 1L溶液中含5.0g马的血红素，在 298K时测得溶液的渗透压为1.82102Pa， 求马的血红素的摩尔质量？ 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 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。 凝固点下降 沸点上升 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 molkg-1的电解质在水溶液中的i值 电解质 T f (K) （实验值） T f (K) （计算值） NaCl 0.348 0.186 1.87 HCl 0.355 0.186 1.91 K2SO4 0.458 0.186 2.46 CH3COOH 0.188 0.186 1.08 A2B(或AB2)型AB型弱电解质溶液非电解质溶液 第四节 胶 体 溶 胶 胶 团 结 构 溶 胶 的 性 质 溶 胶 的 稳 定 性 与 聚 沉 （1）概念 4 颗粒直径为1nm100nm的分散质分散到 分散剂中形成的多相系统。胶体溶液分散相粒 子的大小，介于分子或离子分散体系(即溶液， 或称真溶液)及粗分散体系(悬浊液及乳浊液)之 间。由于胶体颗粒小、表面积大、表面能大， 因此胶体的表面性质很显著，具有不同于其他 分散系的特征 1-100 nm 胶体溶液胶体溶液 ( (溶胶溶胶) ) 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 高分子溶液高分子溶液 由一些高分子化合物组成的溶液， 如胶水。 （2）胶团结构 AgIm I- I- I- I- I- I- I- I-I - I- I- I- I-I- K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ K+ AgNO3 + KI(过量) AgI(溶胶) 扩散层 吸 附 层 (AgI)mnI- (n-x)K+x- xK+胶核 吸附层 扩散层 胶粒 胶团 4同理，也可写出其他物质形成的溶胶的胶团结构 式。 4如As2S3溶胶： (As2S3)m nHS (nx)H+x xH+ 4H2SiO3溶胶： 4(H2SiO3)m nHSiO3 (nx)H+x xH+ 4 用KI溶液与过量AgNO3溶液反应制备的AgI溶 胶，其溶胶的胶团结构式为： (AgI)m nAg+ (nx)NO3x+ x NO3 三、溶胶的性质 动力学性质-布朗（Brown）运动 胶体粒子受到液体介质 分子的不同方向、不同 速度的撞击后受力不均 而作无规则运动。 粒子小 布朗运动剧烈 . . . . . 解释： （1）分散剂分子的热运动不断地撞击溶胶粒子 所引起的（主要原因）。 （2）分散质本身的热运动（次要原因） 光学性质-丁铎尔效应 隔 板 灯泡 . . . . . . . . . 光束投射到溶胶的粒子 上散射出来，故在垂直 光束的方向能看到明亮 的光柱。 . . 4 解释：这是由胶体颗粒分散度大小决定的。 光学原理：强光照到分散质粒子上，若粒子直 径大于入射光 波长，则发生反射或折射。若粒 子直径与入射光波长相比拟，则发生散射。 散 射光称为乳光。粒子直径太小，散射很弱，光 基本透过。 4 胶体粒子可以使射到它上面的光散射开 来，从旁边看出，每个粒子似乎成为一个发光 小点。当粒子直径接近1nm时，光在粒子上散 射太弱，就不易看到光亮锥。所以有否丁达尔 效应是区别胶体与真溶液的最简便方法。高分 子溶液由于分散相粒子大小落在胶体分散体系 范围内，所以也有丁达尔效应。 (3) 溶胶的电学性质 电泳和电渗 在外电场的作用下，分散相和分散介质发生 相对位移的现象称为胶体的电动现象。 电泳电场的作 用下，溶胶粒子定 向地移动。 实验 电学性质(1) -电泳 As2S3: + 带负电 负溶胶 Fe(OH)3: + 带正电 正溶胶 电学性质(2) -电渗 溶胶通过多孔物质（如烧瓷片 、玻璃纤维等），胶粒能吸附 而固定不动，通入直流电后， 分散剂将通过多孔固体物质做 定向移动。 半透膜 溶液 电 渗 示 意 图 4.溶胶粒子带电原因 吸附作用吸附作用 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 nFeO+ 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选择性吸附 使胶粒带电 电离作用电离作用 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。 （4）溶胶带电的原因： 电泳现象说明溶胶粒子是带电的，而带电的主要原 因有以下两个方面： 1.吸附作用 溶胶中的分散质颗粒具有较大 的比表面积和较强的吸附作用，在电解质溶液 中发生离子的选择性吸附，从而使溶胶粒子带 上与被选择吸附的离子相同符号的电荷。 42. 电离作用 4 有些溶胶是通过表面基团的电离而带电 的。 4例：硅酸溶胶（写出方程式） 4H2SiO3 H+ + HSIO3- 4注意：因制备