气体和溶液.ppt

分析化学AnalyticalChemistry 授课教师 马丽联系方式教材 无机及分析化学 叶芬霞编普通高等教育十一五国家级规划教材高等教育出版社 出版日期 2008 05 09 无机及分析化学实验 叶芬霞编高等教育出版社 出版日期 2008 06 20 目录 第一章气体和溶液第二章化学热力学基础第三章化学反应速率与化学平衡第四章物质结构第五章定量分析基础第六章酸碱平衡与酸碱滴定法第七章重量分析法和沉淀滴定法第八章氧化还原反应和氧化还原滴定法第九章配位平衡和配位滴定法第十章吸光光度法 主要参考文献 无机及分析化学 第4版 南京大学 无机及分析化学 编写组 高等教育出版社 2006 4 无机与分析化学教程 高等学校教材 俞斌 化学工业出版社 2007 8 本学科的学习方法 课前预习 找出难点 课间认真听讲 做好课堂笔记 课后做适当练习 巩固所学知识 重视实验 认真对待每一个实验 做好阶段性总结 对所学知识点进行归纳 无机化学 定义 除去碳氢化合物和其他衍生物外 无机化学是对所有元素和它们的化合物及反应进行实验研究和理论解释的科学 测量和表征物质的组成和结构的分支学科 以化学反应为基础的分析方法称为化学分析法 利用特定仪器并以物质的物理化学性质为基础的分析方法称为仪器分析法 定义 分析化学 分析化学的主要任务 1 确定物质的化学组成 定性分析 2 测量各组成的含量 定量分析 3 表征物质的化学结构 形态 能态 结构分析 形态分析 能态分析 4 表征组成 含量 结构 形态 能态的动力学特征 动态分析 第一章气体和溶液 1 1气体1 2溶液1 3胶体 1 1气体 1 1 1理想气体状态方程式 气体的最基本特征 具有可压缩性和扩散性 理想气体 微观角度 理想气体分子之间没有相互吸引和排斥 分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可忽略 实际气体处于低压 低于数百千帕 高温 高于273K 的条件下 分子间距离甚大 可忽略分子体积且分子间相互作用力迅速减小 近似看作理想气体 pV nRT注 R 摩尔气体常量在STP下 p 101 325kPa T 273 15Kn 1 0mol时 Vm 22 414L 22 414 10 3m3 R 8 314kPa L K 1 mol 1 理想气体状态方程式 8 314Pa m3 K 1 mol 1 1 计算p V T n四个物理量之一 2 气体摩尔质量的计算 M Mrg mol 1 1 1 2理想气体状态方程式的应用 用于温度不太低 压力不太高的真实气体 pV nRT 3 气体密度的计算 m V 例1 1 一学生在实验室 在73 3kPa和25 下收集得250mL某气体 在分析天平上称量 得气体净质量为0 118g 求这种气体的相对分子质量 解 由 或M 16 0g mol 1所以该气体的相对分子质量为16 0 组分气体 理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体 气体的分压 组分气体B在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力 叫做组分气体B的分压 1 1 3道尔顿分压定律 重点 道尔顿分压定律 混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和 即 p p1 p2 pi或p pi 令n n1 n2 ni 因 故 分压的求解 xB B的摩尔分数 例题 某容器中含有NH3 O2 N2等气体的混合物 取样分析后 其中n NH3 0 320mol n O2 0 180mol n N2 0 700mol 混合气体的总压p 133 0kPa 试计算各组分气体的分压 解 n n NH3 n O2 n N2 1 200mol 0 320mol 0 180mol 0 700mol p N2 p p NH3 p O2 133 0 35 5 20 0 kPa 77 5kPa 1 1 4道尔顿分压定律的应用 水的饱和蒸气压只与水的温度有关 见表 排水法收集的气体总是含有饱和的水蒸气P 总压 p 气体 p 水蒸气 例题 可以用亚硝酸铵受热分解的方法制取纯氮气 反应如下 NH4NO2 s 2H2O g N2 g 如果在19 97 8kPa下 以排水集气法在水面上收集到的氮气体积为4 16L 计算消耗掉的亚硝酸铵的质量 19 水的饱和蒸气压为p2 20kPa 解 T 273 19 K 292Kp 97 8kPaV 4 16L292K时 p H2O 2 20kPaMr NH4NO2 64 04 n N2 pN2V RT pN2 p p H2O 97 8 2 2 95 6KPa NH4NO2 s 2H2O g N2 g 64 04g1molm NH4NO2 0 164mol n N2 m NH4NO2 10 5g 0 164mol 1 2溶液 溶液 定义 一种物质以分子或离子均匀地分散于另一种物质中组成的均匀而稳定的系统称为溶液 溶液 溶液的浓度 是指一定量溶液或溶剂中所含溶质的量 分散体系 把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系 被分散的物质称为分散相 把分散相分散开来的物质叫做分散介质 按分散相粒子的大小分为 1nm 10 9m d100nm粗分散体系 悬浊液 乳状液 1 2 1溶液浓度的表示方法 wB mB m 质量分数为量纲一的量 溶液中溶质B的质量 mB 与溶液质量 m 之比 称为溶质B的质量分数 wB 即 1 质量分数 2 物质的量浓度定义 单位体积溶液中所含溶质B的物质的量 nB 称为物质的量浓度 cB 简称B的浓度 单位是mol L 即 cB nB V 注 wB表示溶质B的质量百分含量 溶质质量溶质质量wB 100 溶液质量溶质质量 溶剂质量 MB表示溶质B的摩尔质量 g mol 解 n H2SO4 1 84 1000 0 956 98 08 17 9moln 1 2H2SO4 1 84 1000 0 956 49 04 35 9mol 例 已知浓硫酸的密度 为1 84g ml 其质量分数为95 6 一升浓硫酸中含有的n H2SO4 n 1 2H2SO4 c H2SO4 各为多少 c H2SO4 17 9 1 17 9mol L 3 质量摩尔浓度溶液中溶质B的物质的量 nB 与溶剂A的质量 mA 之比 称为溶质B的质量摩尔浓度 bB 单位为 mol kg 例 250g溶液中含有40gNaCl 计算此溶液的质量摩尔浓度 解 水的质量 250 40 210gb NaCl 40 58 5 210 1000 3 26mol kg bB nB mA mB MB mA 4 摩尔分数 即物质的量分数 物质B的物质的量 nB 与系统总物质的量 n nA nB 之比 称为物质B的摩尔分数 xB 即 量纲为1 例 将10克NaOH溶于90克水中 求此溶液的物质的量分数 nBxB nB nA 解 n NaOH 10 40 0 25 mol n H2O 90 18 5 mol x NaOH 0 25 0 25 5 0 048 nB 溶质的物质的量nA 溶剂的物质的量 xA xB 1 例 在100ml水中溶解17 1g蔗糖 C12H22O11 溶液的密度为1 0638g ml 求蔗糖的物质的量浓度 质量摩尔浓度 物质的量分数 解 M蔗糖 342 g mol n蔗糖 17 1 342 0 05 mol V 100 17 1 1 0638 110 0 ml 0 11 L 1 c 蔗糖 0 05 0 11 0 454 mol L 2 b 蔗糖 0 05 0 1 0 5 mol kg 3 n水 100 18 02 5 55 mol x 蔗糖 0 05 0 05 5 55 0 0089 与溶质本性有关 如酸碱性 导电性 颜色等 与溶质本性无关 只与溶质的数量有关 依数性 只与溶质粒子的数目有关而与溶质本性无关的性质称为溶液的依数性 又叫溶液的通性 依数性是指 溶液的蒸气压下降溶液的沸点上升溶液的凝固点下降溶液具有渗透压 粒子 溶液中实际存在的分子 离子等 溶液的性质 1 2 2稀溶液的依数性 初始 V蒸发 V凝聚平衡 V蒸发 V凝聚 1 溶液的蒸气压下降 饱和蒸气压 在一定的温度下 当蒸发的速度等于凝聚的速度 液态水与它的蒸气处于动态平衡 这时的蒸气压称为水在此温度下的饱和蒸气压 简称蒸气压 用符号p表示 蒸汽压下降的原因 p液 p纯剂 c液越大 p液越小 p纯 p液的差值也越大 难挥发物质 在纯溶剂中加入难挥发的物质以后 达平衡时 p溶液总是小于同T下的p纯溶剂 即溶液的蒸气压下降 蒸气压下降值 p p纯 p液 拉乌尔定律 在一定的温度下 难挥发的非电解质稀溶液的蒸气压 等于纯溶剂的蒸气压乘该溶剂在溶液中的摩尔分数 在一定温度下 稀溶液的蒸气压下降和溶质的摩尔分数成正比 条件 只适用于稀溶液 越稀越符合该定律 p 溶液的蒸气压 纯溶剂的蒸气压nA 溶剂的物质的量nB 溶质的物质的量 2 溶液的沸点上升 沸点 溶液的蒸气压 p溶液 与外压 p外压 相等时的温度称为该溶液的沸点 纯水 p外 101 3kPa t纯水 100 根本原因 蒸汽压下降p溶液 p纯溶剂 实验证明 难挥发物质溶液的沸点总是高于纯溶剂的沸点 根据拉乌尔定律 p与bB成正比 而 Tb与 p成正比 Tb亦应与bB成正比 p越大 Tb也越大 Tb Tb Tb Kb bB 因 若以水为溶剂 溶解在1000g水中的溶质的物质的量n就是该溶液的质量摩尔浓度bB 即n bB 因此 对很稀的溶液有 p p AbB 55 56 kbB Tb 沸点升高值Tb 溶液的沸点 Tb 纯溶剂的沸点Kb 溶剂的沸点上升常数 与溶剂的本性有关 而与溶质的本性无关 K kg mol 1 常见溶剂的Kb值表1 1 bB 溶质的质量摩尔浓度 mol kg 1 Tb Tb Tb Kb bB 凝固点 在一定的外压下 该物质的液相和固相达到相对平衡时的温度 称为该物质的凝固点 液相蒸气压等于固相蒸气压 3 溶液的凝固点下降 3 溶液的凝固点下降 溶液的凝固点Tf总是低于纯溶剂的凝固点Tf 同理 根据拉乌尔定律 可得 Kf 溶剂的凝固点下降常数 与溶剂的本性有关 而与溶质的本性无关 K kg mol 1 常见溶剂的Kf值见教材8页表1 2 bB 溶质的质量摩尔浓度 mol kg 1 Tf Tf Tf Kf bB 冰和盐混合物常用作制冷剂 冰的表面总附有少量水 当撒上盐后 盐溶解在水中形成溶液 由于溶液蒸气压下降 使其低于冰的蒸气压 冰就要融化 随着冰的融化 要吸收大量的热 于是冰盐混合物的温度就降低 采用NaCl和冰 温度最低可降到 22 用CaCl2 6H2O和冰最低可降到 55 溶液凝固点下降的应用 水溶液的冰点降低的实验值表Kf 1 86K kg mol 1 几种溶剂的Kb和Kf K kg mol 1 4 溶液的渗透压 半透膜的作用 只许溶剂分子通过 溶质分子不能通过 初始 溶剂分子扩散速度 纯水 糖水 渗透 溶剂分子通过半透膜自动单向扩散的过程称为渗透 当v纯水 v糖水渗透停止 渗透压 在一定的温度下 为了在半透膜两边维持渗透平衡而需要施加的压力 用符号 表示 渗透作用产生的条件 半透膜存在 膜两侧溶液的浓度不相等 1887年 荷兰物理化学家范托夫 van tHoffJH 得出 稀溶液的渗透压与温度 浓度的关系 cB物质的量浓度 mol L 1 bB质量摩尔浓度 mol kg 1 R 摩尔气体常数8 315kPa L mol 1 K 1T 热力学温度 绝对温度 cBRT bBRT 溶液很稀时 cB bB 渗透压的应用 渗透现象在动植物的生命过程中有着重要的作用 在工 农 医 化 生等方面均有重要的应用 医学上输液必需输等渗溶液 植物从土壤中吸收水份和营养 耐寒 Tf降低 耐旱 P降 吸水 渗透方向 动植物细胞膜大多具有半透膜的性质 因此水分 养料在动植物体内循环都是通过渗透而实现的 植物细胞汁的渗透压可达2 103kPa 所以水由植物的根部可输送到高达数十米的顶端 人体血液平均的渗透压约为780kPa 在作静脉输液时应该使用渗透压与其相同的溶液 在医学上把这种溶液称为等渗溶液 如果静脉输液时使用非等渗溶液 就可能产生严重后果 如果输入溶液的渗透压小于血浆的渗透压 低渗溶液 水就会通过细胞膜向血红细胞内渗透 致使细胞肿胀甚至破裂 溶血现象 如果输入溶液的渗透压大于血浆的渗透压 高渗溶液 血红细胞内的水就会通过细胞膜渗透出来 引起血红细胞的皱缩 并从悬浮状态中沉降下来 胞浆分离现象 渗透压平衡与生命过程的密切关系 给患者输液的浓度 植物的生长 人的营养循环 故 M 127 8 g mol 1 例 20 时 取2 67g萘溶于100g苯中 测得该溶液的凝固点下降了1 07K 求萘的相对分子质量 解 苯的凝固点下降常数为5 12K kg mol 1 Tf Kf bB 例 已知烟草中的有害成分尼古丁的实验式是C5H7N 将535mg尼古丁溶于10 0g水中 所得溶液在105Pa下沸点100 17 C 求尼古丁的分子式 Kb 0 51K kg mol 1 尼古丁的相对分子质量为M 则 解 分子式为C10H14N2 Tb 100 17 273 100 273 0 17K M 162g mol 例 人体血的渗透压为709 275kPa 人体温度为37 试计算给人体输液时所用葡萄糖溶液 等渗溶液 的质量百分浓度 葡是多少 设葡萄糖溶液密度是1 01g ml 1 葡萄糖的相对分子质量M为180g mol 1 解 c 葡 RT c RTc 葡 709 275 8 314 273 15 37 0 28mol L 1c 葡 1000 葡 M 葡 c 葡 M 1000 0 28 180 1000 1 01 100 5 0 结论 蒸气压下降 沸点上升 凝固点下降 渗透压都是难挥发的非电解质稀溶液的通性 它们只与溶剂的本性和溶液的浓度有关 而与溶质的本性无关 依数性小结 注 强电解质溶液也有依数性 但不遵守拉乌尔定律 故不可用稀溶液依数性的公式进行计算 1 3胶体溶液 1 3 1溶胶的制备1 3 2溶胶的性质1 3 3胶团结构1 3 4溶胶稳定的原因1 3 5溶胶的破坏 聚沉1 3 6大分子 高分子 溶液 胶体的基本特征 多相性高分散性热力学不稳定体系 胶体分散系按分散相和分散介质聚集态不同可分8种类型 固体分散在水中的溶胶最为重要 1 3 1溶胶的制备 要制得稳定的溶胶 需满足两个条件 一是 分散粒子大小在合适的范围内二是 胶粒在液体介质中保持分散而不聚结 为此必须加入稳定剂 1 3 1溶胶的制备 1 分散法 研磨法 用特殊的胶体磨 将粗颗粒研细 超声波法 用超声波所产生的能量来进行分散 电弧法 此法可制取金属溶胶 即在放电时金属原子因高温而蒸发 随即被溶液冷却而凝聚 胶溶法 使暂时凝聚起来的分散相又重新分散开来 许多新鲜的沉淀经洗涤除去过多的电解质后 再加入少量的稳定剂 则又可制成溶胶 如Fe OH 3溶胶 2 凝聚法 物理凝聚法 例如 将汞蒸气通入冷水中就可得到汞溶胶 化学凝聚法 使能生成难溶物质的反应在适当的条件下进行 反应条件必须选择恰当 使凝聚过程达到一定的阶段即行停止 所得到的产物恰好处于胶体状态 2H3AsO3 亚砷酸溶液 3H2S 气体 通入 As2S3 溶胶 6H2O FeCl3 3H2O Fe OH 3 溶胶 3HCl 加热至沸腾 水解反应 1 3 2溶胶的性质 1 光学性质 丁达尔效应 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 若粒子直径小于入射光波长 则发生散射 散射光称为乳光 溶胶中分散质粒子直径 1 100nm可见光波长 400 700nm 在真溶液中 溶质颗粒太小 10 9m 光的散射极弱 看不到丁达尔效应 用丁达尔现象来区别溶胶和真溶液 想一想 为什么晴朗的天空呈现蓝色 海水也呈蓝色 2 动力学性质 布朗运动 布朗运动产生的原因 分散质粒子本身处于不断的热运动中 分散剂分子对分散质粒子的不断撞击 溶胶粒子有布朗运动 能扩散 故溶胶粒子能保持悬浮状态 不易沉降到容器底部 电泳 在外电场的作用下 分散相粒子在分散介质中定向运动的现象称为电泳 3 电学性质 电泳管中 Fe OH 3溶胶向负极移动 说明Fe OH 3溶胶中分散质粒子带正电荷 As2S3向正极移动 As2S3溶胶中分散质带负电荷 胶体微粒的移动说明胶粒是带电的 且有正负之分 胶粒带正电荷称为正溶胶 向直流电源负极 阴 移动 一般金属氢氧化物的溶胶即为正溶胶 胶粒带负电荷称为负溶胶 向直流电源正极 阳 移动 如 土壤 金属硫化物 硅酸 淀粉 金 银 硫等胶粒带负电 称负溶胶 由于胶体溶液是电中性的 所以 胶粒带正电荷 或负电荷 则分散介质必带负电荷 或正电荷 电泳是介质不动 胶粒运动 以AgI溶胶为例 在制备AgI过程中 若AgNO3过量 则胶核优先吸附Ag 而带电正电 若KI过量 则胶核优先吸附I 而带负电 AgI溶胶胶团结构 Ag 过量 1 3 3胶团结构 Fe OH 3溶胶 Fe OH 3 m nFeO n x Cl x xCl As2S3溶胶 As2S3 m nHS n x H x xH 硅酸溶胶 SiO2 m nHSiO3 n x H x xH 胶粒带电 胶团不带电 电中性 当KI过量时 胶粒带负电荷 胶团结构如下 AgI m nI n x K x xK 胶体粒子带电的原因 吸附作用 表面吸附 溶胶是多分散体系 有巨大的比表面 在电解质溶液中会选择吸附某种离子 而获得表面电荷 如AgNO3和KI溶胶时 AgNO3过量时 KI过量时 解离 胶体粒子表面的分子发生解离 一种离子进入介质水中 结果胶体粒子带电荷 如 硅溶胶发生水化作用SiO2 H2O H2SiO3溶液显酸性 H2SiO3HSiO2 OH 胶粒带正电溶液显碱性 H2SiO3HSiO3 H 胶粒带负电 1 3 4溶胶稳定的原因 1 动力学稳定性 布朗运动使胶粒克服重力不沉降 2 溶剂化作用 使胶粒和反离子周围形成水化膜 3 胶粒带电荷 由于胶粒带有相同电荷 相互排斥 胶粒带电荷是多数溶胶能稳定存在的主要原因 胶体是热力学不稳定性系 为什么却又能长期存在 溶胶的聚沉 使胶粒聚集成较大的颗粒而沉降的过程叫做聚沉 1 加入电解质 研究最多应用最广 2 加入带相反电荷的胶体 如明矾净化水 促使胶体聚沉的方法 1 3 5溶胶的破坏 聚沉 胶体的聚沉是不可逆的 加入Na2SO4 SO42 溶胶的相互聚沉 溶胶的相互聚沉具有很大的实际意义 例如明矾净水的原理就是胶体的相互聚沉 明矾在水中水解产生带正电的Al OH 3胶体 而水中的污物主要是带负电的粘土及SiO2等胶体 二者发生相互聚沉 使胶体污物下沉 另外由于Al OH 3絮状物的吸附作用 就能将污物清除 达到净化水的目的 电解质的聚沉能力 聚沉值聚沉值 使一定的溶胶在一定的时间内开始聚沉所需的电解质的最低浓度称为聚沉值 聚沉能力是聚沉值的倒数 规律 1 起聚沉作用的主要是与胶粒带电符号相反的离子 即反离子 反离子的价数愈高 聚沉能力愈强 聚沉值愈小 2 价态相同的异号离子 聚沉能力略有不同 某些一价阴离子 对正电溶胶的聚沉能力排列顺序为 F Cl Br NO3 I OH 某些一价阳离子对负电溶胶的聚沉能力大致为 H Cs Rb NH4 K Na Li 高分子化合物溶液的特性 2 是单个分子分散的单相体系 是真溶液 溶解过程是自动的 也是可逆的 是热力学的稳定体系 3 无丁达尔效应 因为高分子化合物分子中含有大量的亲水基团 OH COOH NH2 溶剂化作用强 溶质与溶剂间无界面 1 相对分子质量可达104 长度可达几百纳米 但截面积只相当于一个普通分子大小 1 3 6 大分子 高分子 溶液 盐析作用 大量的亲水基团与水有强烈的溶剂化作用 在水中形成很厚的水化膜 对高分子化合物要加入大量的电解质 才能破坏其水化膜而使之凝结出来 叫盐析 盐析的主要原因就是去溶剂化作用 盐析是可逆的 当加入大量水以后 沉淀将溶解 盐析和溶胶的聚沉是两种不同的过程 高分子化合物对溶胶的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 如动物胶 蛋白质等 可以大大地增加溶胶的稳定性 这种作用叫保护作用 例 Fe OH 3溶胶 加入白明胶 高分子化合物溶液 后再加电解质不易聚沉 1 由10mL0 05mol L 1的KCl溶液与100mL0 002mol L 1的AgNO3溶液混合制得的AgCl溶胶 若分别用下列电解质使其聚沉 则聚沉值的大小次序为 a AlCl3 ZnSO4 KClb KCl ZnSO4 AlCl3c ZnSO4 KCl AlCl3d KCl AlCl