普通化学教学课件 水溶液化学.ppt

普通化学 第三章 水溶液化学 了解溶液的通性明确酸碱的近代概念 酸碱的解离平衡和缓冲溶液的概念 掌握有关pH值的计算 了解配离子的解离平衡及其移动掌握沉淀与溶解平衡 溶度积规则及其有关计算了解胶体的聚沉 保护及表面活性剂的结构和应用了解水体的主要污染物的来源及其危害 普通化学 溶液浓度的表示方法1 物质的量及其单位1 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 物质所含的基本单元数与0 012kgC 12的原子数目相等 6 023 1023阿伏加德罗常数 则为1mol nB mB MB mol 普通化学 2 物质的量浓度定义 一升溶液中所含溶质的物质的量称为物质的量浓度 用符号c表示 单位是mol L c B nB V cB B的物质的量浓度 单位为mol L 1 nB 物质B的物质的量 单位为mol V 混合物的体积 单位为L 普通化学 3 质量摩尔浓度 定义 1kg溶剂中所含溶质的物质的量表示为质量摩尔浓度 符号b B 单位为 mol kg b B nB mA mB MB mA bB 溶质B的质量摩尔浓度 单位为mol Kg 1 nB 溶质B的物质的量 单位为mol mA 溶剂的质量 单位为kg 普通化学 例 250克溶液中含有40克NaCl 计算此溶液的质量摩尔浓度 解 水的质量 250 40 210 克 b NaCl 40 58 5 210 1000 3 26mol kg 普通化学 4 物质的量分数 简称摩尔分数 定义 某组分的物质的量与溶液的总物质的量之比称为物质的量分数 符号 量纲为1 nBXB nB nA nB 溶质的物质的量 SI单位为molnA 溶剂的物质的量 SI单位为mol nB B的物质的量 SI单位为molxB 物质B的摩尔分数 量纲为一 普通化学 两组分的溶液系统 溶质B的摩尔分数 溶剂A的摩尔分数 所以 对任何一个多组分系统 则 普通化学 例 将10克NaOH溶于90克水中 求此溶液的溶质的物质的量分数浓度 解 nNaOH 10 40 0 25 mol nH2O 90 18 5 mol XNaOH 0 25 0 25 5 0 048 普通化学 5 质量分数 mB 物质B的质量 m 混合物的质量 WB B的质量分数 量纲为一 普通化学 例 求 NaCl 10 的NaCI水溶液中溶质和溶剂的摩尔分数 解 根据题意 100g溶液中含有NaCl10g 水90g 即m NaCl 10g 而m H2O 90g 因此 普通化学 6 几种溶液浓度之间的关系物质的量浓度与百分含量的关系 例 已知浓硫酸的密度 1 84g mL 1 含硫酸为96 6 如何配制c H2SO4 0 10mol L 1的硫酸溶液500mL 普通化学 解 根据题意 则有 根据C A V B C A V B 则有所以需量取2 8mL浓硫酸 将浓硫酸慢慢加入400mL左右的蒸馏水中 然后稀释至500mL 普通化学 3 1溶液的通性 溶液有两大类性质 1 与溶液中溶质的本性有关 溶液的颜色 比重 酸碱性和导电性等 2 与溶液中溶质的独立质点数有关 而与溶质的本身性质无关 溶液的依数性 如溶液的蒸气压 凝固点 沸点和渗透压等 难挥发的非电解质稀溶液有一定的共同性和规律性 该类性质称为稀溶液的通性 或称为依数性 包括 稀溶液蒸气压的下降 沸点上升 凝固点下降和稀溶液的渗透压 与纯溶剂比较 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 1 溶液的蒸气压下降1 1 饱和蒸气压 saturatedvaporpressure 简称蒸气压 po 将一种纯液体 纯溶剂 置于一个密封容器中 当蒸发为气态的溶剂粒子数目与气态粒子凝聚成液态的溶剂粒子数目相等时 这时液体上方的蒸气所具有的压力称为溶剂在该温度下的饱和蒸气压 对同一溶剂 蒸气压越大 其能量越高 能量高的状态会自动变化为能量低的状态H2O 100 101kPa H2O 25 3 17kPa 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 1 2 蒸气压下降的原因当水中溶入难挥发非电解质后 溶液的表面被一部分难挥发非电解质的分子占据着 这样在单位时间内从溶液的液面逸出的溶剂分子比纯溶剂减少 在一定温度下达到平衡时 溶液液面上方溶剂分子的数目比纯溶剂液面上方的少 因此难挥发非电解质的蒸气压要比纯溶剂的低 这种现象称为溶液的蒸气压下降 在纯溶剂中加入难挥发的物质 平衡时 p溶液总是小于同温度下的p纯溶剂 即溶液的蒸气压下降 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 p液 p纯剂 c液越大 p液越小 p纯 p液的差值也越大 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 1 3 拉乌尔 Raoult 定律浓度越大 溶液的蒸气压越低 1887年 法国著名物理学家拉乌尔根据大量的实验结果 总结出一个经验定律 这就是拉乌尔定律 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 nAp pA pA XAnA nB 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 XA XB 1 p pA 1 XB 溶液的蒸气压下降值 p为 p pA p pA pA 1 XB p pA XB因此拉乌尔定律也可以这样说 在一定温度下 难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降 P 与溶质的物质的量分数 XB 成正比 而与溶质的本性无关 P P XB此定律只适用于稀溶液 溶液越稀 越符合定律 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 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 实验证明 难挥发物质溶液的沸点总是高于纯溶剂的沸点 原因 溶液的蒸气压下降 p溶液 p纯溶剂 普通化学 溶液的沸点上升示意图 溶剂 溶液1 B p溶液1 p纯溶剂 Tb1 Tb 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 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 即难挥发非电解质稀溶液的沸点升高与溶质B的质量摩尔浓度成正比 Tb Tb Tb Kb bBKb为沸点上升常数 与溶剂的本性有关 而与溶质的本性无关 测定出溶液的沸点升高 可计算出B的摩尔质量 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 3 溶液的凝固点降低凝固点 在一定的外界压力下 溶液与纯溶剂固体具有相同的蒸气压时的温度 称为该溶液的凝固点 固液两相平衡时的温度 溶液的凝固点降低的原因 溶液的蒸气压下降难挥发非电解质稀溶液的凝固点降低与溶质B的质量摩尔浓度成正比 测量出难挥发非电解质稀溶液的凝固点降低可计算出B的摩尔质量 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 例 为了防止汽车水箱中的水在266K时凝固 以无水乙醇 0 803g ml 做防冻剂 问每升水须加若干ml乙醇 假设溶液服从拉乌尔定律 解 已知水的凝固点为273K Kf 1 86 Tf 273 266 7 K Tf Kf bB则bB Tf Kf 7 1 86 3 76 mol kg 即每升水加3 76mol乙醇 已知M乙醇 46 0 803 应加入乙醇体积为V 3 76 46 0 803 215 6 ml 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 4 溶液的渗透压渗透 溶剂分子通过半透膜自动单向扩散的过程称为渗透 扩散方向 纯水糖水 初始 v纯水 v糖水v纯水 v糖水 渗透停止 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 渗透压 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 用符号 表示 糖水溶液增高的这部分水的静压力就是糖水溶液的渗透压 普通化学 p p 反渗透法净化水 反渗透 如果外加在溶液上的压力超过渗透压 则反而会使溶液中的水向纯水的方向流动 使水的体积增加 广泛用于海水淡化 工业废水和污水处理以及溶液浓缩等方面 普通化学 3 1 13 非电解质溶液的通性 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 半透膜 在两个不同浓度的溶液之间 存在一种能有选择地通过或阻止某些粒子的物质 半透膜可以允许溶剂分子自由通过而不允许溶质分子通过 溶剂透过半透膜进入溶液的趋向取决于溶液浓度的大小 溶液浓度大 渗透趋向大 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 1886年 荷兰理论化学家van tHoff归纳出渗透压力与浓度 温度之间的关系 c 物质的量浓度R 气体常数8 314kPa L mol 1 K 1T 热力学温度 绝对温度 1 同一温度下 溶液的渗透压与浓度成正比 2 相同浓度时 渗透压与热力学温度成正比 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 渗透压的应用 例 实验测定未知物水溶液在298K时的渗透压为750kPa 求溶液的沸点和凝固点 解 溶液的浓度为 c RT 750kPa 8 314kPa L K 1 mol 1 298K 0 302mol L 1 0 302mol kg 1 Tb Kb b未 0 512K kg mol 1 0 302mol kg 1 0 154K Tf Kf b未 1 86K kg mol 1 0 302mol kg 1 0 562K则Tb Tb Tb 373 0 154 373 154K Tf Tf Tf 273 0 562 272 438K 普通化学 3 1 1 非电解质溶液的通性 动植物生理 如植物体内水分传导 如植物从土壤中吸收水份和营养 合理施肥等 动物溶血 输血 等渗溶液 医学上输液必需输等渗溶液以及动物体内水份的输送 淡水鱼在海水中养殖会使鱼脱水 海水淡化 污水处理 反渗技术 普通化学 3 1 2 电解质溶液的通性 阿仑尼乌斯根据电解质溶液不服从稀溶液定律的现象 提出了电离理论 1903年他获得了诺贝尔化学奖 电离理论认为电解质分子在水溶液中解离成离子 使得溶液中的微粒数增大 故它们的蒸汽压 沸点 熔点的改变和渗透压数值都比非电解质大 解离度 溶液中已解离的电解质的分子数与电解质总分子数之比 普通化学 例将质量摩尔浓度均为0 10mol kg 1的BaCl2 HCl HAc 蔗糖水溶液的粒子数 蒸气压 沸点 凝固点和渗透压按从大到小次序排序 解 按从大到小次序排序如下 粒子数BaCl2 HCl HAc 蔗糖蒸气压蔗糖 HAc HCl BaCl2沸点BaCl2 HCl HAc 蔗糖凝固点蔗糖 HAc HCl BaCl2渗透压BaCl2 HCl HAc 蔗糖 在一定体积的溶液中 粒子数目越多 即粒子浓度越大 沸点越高 电解质的粒子数目较相同浓度的非电解质多 强电解质的粒子数较相同浓度的弱电解质多 普通化学 3 2 水溶液中的单相离子平衡 根据解离度的大小 将电解质分为强电解质和弱电解质两类 强电解质在水中全部解离 而弱电解质在水溶液中只有部分解离 大部分仍以分子形式存在 弱电解质在水溶液中存在解离平衡 水溶液中的单相离子平衡一般分为酸 碱的解离平衡及配离子的解离平衡两类 普通化学 3 2 1 酸碱在水溶液中的解离平衡 1 酸碱理论1 1 酸碱的概念 1 对酸碱的最初认识 从它们的表观现象开始 具有酸味的物质称为酸 而能够抵抗酸性的物质则称为碱 2 18世纪后期 认为氧元素是酸的必要成分 拉瓦锡 3 19世纪中叶 认为氢是酸的基本元素 戴维 李必希 4 1884年 Arrhenius对酸碱的定义 酸 在水溶液中经电离只生成H 一种阳离子 碱 在水溶液中经电离只生成OH 一种阴离子 5 溶剂理论 富兰克林 质子理论 布朗斯特 劳莱 电子理论 路易斯 和软硬酸碱 皮尔逊 的理论 普通化学 3 2 1 酸碱在水溶液中的解离平衡 1 2 酸碱质子论基本概念酸 凡是能释放质子 H 的任何含氢原子的分子或离子的物质 即质子的给予体 碱 任何能与质子 H 结合的分子或离子的物质 即质子的接受体 酸碱可以是中性分子 正离子或负离子 普通化学 3 2 1 酸碱在水溶液中的解离平衡 普通化学 3 2 1 酸碱在水溶液中的解离平衡 1 2 1 共轭酸碱对 满足共轭关系的一对酸碱例如 HAc的共轭碱是Ac Ac 的共轭酸是HAc HAc和Ac 是一对共轭酸碱 HCl和Cl NH4 和NH3 以及H2PO4 和HPO42 均互为共轭酸碱对 酸越强 其共轭碱越弱 反之 酸越弱 其共轭碱越强 在不同介质中酸碱的强度也不同 两性物质 既能给出质子 又能接受质子的物质 普通化学 1 2 2 酸碱反应 一切包含有质子传递过程的反应酸1 碱2 酸2 碱1中和反应 HNO3 NH3 NH4 NO3 离解反应 HCl H2O H3O Cl 水解反应 NH4 2H2O H3O NH3 H2O复分解反应 HF Ac HAc F 在质子理论中没有盐的概念 3 2 1 酸碱在水溶液中的解离平衡 酸碱反应总是由较强的酸与较强的碱作用 向着生成较弱的酸和较弱的碱的方向进行 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 1 3 酸碱电子论 广义酸碱理论 自学 凡能接受外来电子对的分子 基团或离子为酸 路易斯酸 凡能提供电子对的分子 基团或离子为碱 路易斯碱 该酸碱反应的实质是形成配位键产生酸碱加合物 质子论只是电子论的一种特例 而能够作为路易斯酸 能接受外来电子对 的还可以是原子 金属离子以及中性分子等 该理论的不足之处主要是没有统一的标度来确定酸碱的相对强弱 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 1 4 硬软酸碱 HSAB 规则硬酸 体积小 正电荷高 极化性低 对外层电子 抓得紧 软酸则相反 对外层电子 抓得松 硬碱 极化性低 电负性高 难氧化 对外层电子 抓得紧 软碱则相反 对外层电子 抓得松 硬 和 软 形象的形容酸碱抓电子的松紧 而电子被抓的松紧则是酸碱接受电子难易的关键 硬软酸碱规则 硬亲硬 软亲软 普通化学 2 1 解离常数 2 1 1酸在水溶液中表现出来的相对强度 用K a 标准解离常数 来表示 HAc H2OH3O Ac K a H3O Ac HAc H2O H3O Ac HAc c H3O c c Ac c c HAc c c H3O c Ac c HAc H3O Ac HAc 平衡时浓度 K a越大 酸的强度越大 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 普通化学 2 1 2碱在水溶液中表现出来的相对强度 用K b来表示K b称为碱的标准解离常数 K b越大 碱的强度越大 一种酸的酸性越强 其K a值越大 则其相应的共轭碱的碱性越弱 其K b值越小 共轭酸碱对HAc Ac 的K b与K b之间 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 2 2 水的解离平衡按照酸碱质子理论 水的自身解离平衡表示为 标准平衡常数表达式 2H2O l H3O aq OH aq K W 水的离子积常数 简称水的离子积 经常用Kw表示 Kw是标准平衡常数 普通化学 在溶液中 只要有H2O H OH 三者共存 之间就存在如下的数量关系 H OH Kw 不论溶液是酸性 碱性 还是中性 常温下 H 1 0 10 7mol L 1 表示中性 这时 Kw 1 0 10 14非常温时 溶液的中性只能是指 H OH 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 普通化学 2 3 溶液的pH 自学 溶液中H 浓度或OH 浓度的大小反映了溶液的的酸碱性的强弱 一般稀溶液中 c H 的浓度范围在 10 1 10 14 mol L 1之间 在化学科学中 通常习惯于以a H 的负对数来表示其很小的数量级即pH值 pH lga H 即pH lgc H c 与pH对应的还有pOH 即pOH lg c OH c 25 时 任意温度时 pKw pH pOH 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 2 6 一元弱酸的解离平衡对一元弱酸HA HAH A 一定温度下 K a H A HA 假设弱酸溶液的初始浓度为C 则平衡时 H A HA C H 代入上面的K a表达式 得到K a H 2 C H 解方程得到 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 此式是计算一元弱酸溶液中 H 的近似公式 当 H 380时 近似认为C H C 则上式简写为 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 2 7 一元弱碱的解离平衡对一元弱碱BOH BOHB OH 同理可得其平衡解离常数为 K b OH B BOH 当C K b 380时 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 2 8 解离度 转化率 解离度 一元弱酸 稀释定律 一元弱碱 稀释定律 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 例 计算0 1MNaAc溶液的pH值解 Ac H2OOH HAc pOH 6 lg7 5 5 18 pH 14 POH 8 87 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 2 9 二元弱酸的解离平衡以H2CO3的解离为例 第一步 H2CO3H HCO3 K a1 H HCO3 H2CO3 4 3 10 7第二步 HCO3 H CO32 K a2 H CO32 HCO3 5 6 10 11K a1 K a2 溶液中的H 主要来自于H2CO3的第一步解离反应 c H 的计算可按一元弱酸的解离平衡做近似处理 而酸根离子 CO32 的计算则应考虑第二级平衡 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 A 当H2CO3溶液中只存在H2CO3时 CO32 K a2 H 与 HCO3 近似相等 B 当H2CO3溶液中还存在其它离子 例如产生同离子效应时 则按照下面的公式计算酸根离子的浓度 K a1 K a2 H 2 CO32 H2CO3 例 计算0 010mol L 1H2CO3溶液中H HCO3 CO32 和OH 浓度 以及溶液的pH 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 解 Ka1 Ka2 所以c H 应当主要来自于第一级电离 H2CO3H HCO3 可用近似公式计算 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 OH 的产生主要来自水的解离c OH Kw c H 1 0 10 14 1 3 10 4 7 7 10 11pH lg H 求c CO32 必须用第二步解离平衡 HCO3 H CO32 因为溶液中只有H2CO3 因此 CO32 K a2 5 6 10 11 普通化学 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 多元弱酸解离平衡注意事项 1 多元弱酸的解离是分步进行的 一般Ka1 Ka2 Ka3 溶液中的H 主要来自于弱酸的第一步解离 计算c H 或pH时可只考虑第一步解离 2 对于纯的二元弱酸 当Ka1 Ka2 时 c 酸根离子 Ka2 而与弱酸的初始浓度无关 3 对于二元弱酸 若c 弱酸 一定时 c 酸根离子 与c H 成反比 K a1 K a2 H 2 CO32 H2CO3 普通化学 2 10 多元弱碱解离平衡例计算0 10mol L 1Na2CO3溶液的pH值 解 2 酸碱在水溶液中的离子平衡及pH计算 Kb1 Kb2 OH 主要来自于第一步水解 普通化学 3 缓冲溶液和pH的控制 3 1 同离子效应 在弱电解质溶液中加入含有相同离子的强电解质 导致弱电解质的解离度降低的现象 如果把沉淀也看成是弱电解质 则同离子效应将使沉淀溶解度降低 在HAc溶液中加入强酸 H 或NaAc 使平衡HAc H2OH3O Ac 向左移动 从而降低了HAc电离度 例 向0 10mol L 1HAc中加入固体NaAc或者HCl 使其浓度为0 10mol L 1 求此混合溶液中H 浓度和HAc的解离度 已知 Ka HAc 1 8 10 5 普通化学 解 1 加入NaAc后 HAc H2OH3O Ac 起始浓度 mol L 1 0 1000 10平衡浓度 mol L 1 0 10 x 0 10 x0 10 x 0 10 c H x 1 8 10 5mol L 1 解离度为0 018 2 如果加入HCl HAc H2OH3O Ac 起始浓度 mol L 1 0 100 10平衡浓度 mol L 1 0 10 x 0 100 10 x 0 10 xc H mol L 1 x 1 8 10 5 解离度仍为0 018 说明 无论加HCl还是HAc 解离度均从1 3 降低到0 0018 效果相同 普通化学 50mLHAc NaAc c HAc c NaAc 0 10mol L 1 pH 4 75 加入1滴 0 05ml 1mol L 1HCl 加入1滴 0 05ml 1mol L 1NaOH 实验 50ml纯水pH 7pH 3pH 11 pH 4 74pH 4 76 3 缓冲溶液和pH的控制 普通化学 3 缓冲溶液和pH的控制 3 2 缓冲溶液 能够抵抗外界加入少量强酸或强碱或稀释而能保持溶液pH值基本不变的溶液 一般由弱酸 碱 及其共轭碱 酸 所组成 能控制氢离子浓度 3 3 缓冲作用原理 Ka H Ac HAc H Ka HAc Ac HAcH Ac 普通化学 3 缓冲溶液和pH的控制 3 4 缓冲溶液pH的计算对弱酸与其共轭碱组成的缓冲体系 因为 H Ka HA A 所以 pH pKa lg A HA pH pKa lg C共轭碱 C弱酸 pKa lg n共轭碱 n弱酸 对弱碱与其共轭酸组成的缓冲体系 pOH pKb lg C共轭酸 C弱碱 pKb lg n共轭酸 n弱碱 例 有50mL含有0 10mol L 1HAc和0 10mol L 1NaAc的缓冲溶液 1 计算缓冲溶液的pH 2 在上述缓冲溶液中加入1 0mol L 1的HCl0 1mL后的pH 普通化学 1 缓冲溶液的pH值为 2 加入1 0mol L 1的HCl0 1mL后 此时体系中 3 缓冲溶液和pH的控制 从计算结果可知 加入少量盐酸后 溶液的pH值基本不变 普通化学 3 缓冲溶液和pH的控制 3 5 缓冲容量缓冲容量 buffercapacity 是指缓冲溶液抵御外来强酸强碱的能力 缓冲容量的大小取决于缓冲体系共轭酸碱对的浓度及其浓度比值 一般地 当c 共轭碱 c 共轭酸 的比值在10 1 1 10时 缓冲容量较为合适 pH pKa 1pOH pKb 1 普通化学 3 缓冲溶液和pH的控制 3 6 缓冲溶液的选择在实际配制一定pH缓冲溶液时 则要选用K a 或 K b等于或接近于该pH值 或pOH值 的共轭酸碱对 例如pH 5左右缓冲液 可选K a 4 74的HAc Ac 缓冲对 pH 9左右缓冲液 可选K b 9 25的NH4 NH3缓冲对 普通化学 常用缓冲溶液的缓冲范围 3 缓冲溶液和pH的控制 普通化学 3 3 难溶电解质的多相离子平衡 可溶电解质的解离平衡是单相体系的离子平衡 难溶电解质在水溶液中 存在固体和溶液中离子之间的平衡 即多相离子平衡 普通化学 3 3 1 多相离子平衡和溶度积 1 溶解度 在一定温度下 达到溶解平衡时 一定量的溶剂中含有溶质的质量 叫做溶解度 通常以符号S表示 对水溶液来说 通常以饱和溶液中每100g水所含溶质质量来表示 即以 g 100g水表示 一般可用溶解度的大小来衡量物质在水中溶解能力的大小 把溶解度小于0 01g的物质称为难溶物 普通化学 3 3 1 多相离子平衡和溶度积 2 溶度积 对于难溶电解质的解离平衡 其标准平衡常数K 称为溶度积常数 简称溶度积 用K sp 或者K s 来表示 AgCl s Ag aq Cl aq 该反应的标准平衡常数为 K c Ag c Cl K sp一般的难溶电解质的溶解沉淀平衡可表示为 AnBm s nAm aq mBn aq K sp Am n Bn m 普通化学 3 3 1 多相离子平衡和溶度积 3 溶度积和溶解度的关系以及换算在有关溶度积 K sp 的计算中 离子浓度必须是物质的量浓度 其单位为mol L 1 而溶解度 S 的单位往往是g 100g水 因此 计算时要先将难溶电解质的溶解度S的单位换算为mol L 1 溶度积和溶解度在相互换算的时候应注意 A 难溶电解质的离子在溶液中不发生任何副作用B 难溶电解质要一步完全解离例在25 时 Ag2CrO4的溶解度是0 0217g L 1 试计算Ag2CrO4的K SP 普通化学 解 由Ag2CrO4的溶解平衡Ag2CrO4 s 2Ag aq CrO42 aq 平衡时浓度 mol L 12SS可得K SP c2 Ag c CrO42 2S 2 S 4S3 4 6 54 10 5 3 1 12 10 12 3 3 1 多相离子平衡和溶度积 普通化学 对同类型的难溶电解质 可用溶度积Ks的大小来比较溶解度s的大小 但不同类型的难溶电解质则不宜直接用溶度积Ks的大小来比较溶解度s的大小 如 溶度积CaCO3AgClAg2CrO4Ks8 7 10 91 56 10 109 10 12s9 4 10 51 25 10 51 31 10 4关系式 3 3 1 多相离子平衡和溶度积 普通化学 1 溶度积规则 1 Q K sp 平衡向左移动 沉淀析出 2 Q K sp 处于平衡状态 饱和溶液 3 Q K sp 平衡向右移动 无沉淀析出 若原来有沉淀存在 则沉淀溶解 沉淀 溶解平衡的反应商判据 即溶度积规则 3 3 2 溶度积规则及其应用 普通化学 例 计算BaSO4在0 100mol dm 3Na2SO4溶液中的溶解度 并与其在水中的溶解度比较 Ks BaSO4 1 08 10 10 解 设BaSO4在0 1mol dm 3Na2SO4溶液中的溶解度为sBaSO4 s Ba2 SO42 平衡浓度 mol dm 3ss 0 1Ks s s 0 1 0 1s 1 08 10 10解得 s 1 08 10 9 BaSO4在纯水中的溶解度为somol dm 3so 1 04 10 5溶解度降低了约104 一万 倍 2 同离子效应 在难溶电解质饱和溶液中 加入含有与难溶物组成中相同离子的强电解质 使难溶电解质的溶解度降低的现象 普通化学 3 3 2 溶度积规则及其应用 3 沉淀的生成定性分析中 认为溶液中残留离子的浓度不超过10 5mol L 1时沉淀完全 定量分析中认为溶液中残留离子的浓度不超过10 6mol L 1时沉淀完全 沉淀生成的一般条件 A 加入沉淀剂B 控制溶液的pH 普通化学 3 3 2 溶度积规则及其应用 例 在20ml0 0020mol L 1Na2SO4溶液中加入20ml0 020mol L 1BaCl2溶液 有无BaSO4沉淀生成 并判断SO42 离子是否沉淀完全 已知BaSO4的Ksp 1 07 10 10 解 1 有BaSO4沉淀生成 普通化学 即1 07 10 10 0 0090 x x SO42 1 2 10 8mol L 1 设平衡时 SO42 xmol L 1 沉淀完全是指离子残留量 10 5mol L 1 故加入BaCl2可使SO42 沉淀完全 Ksp Ba2 SO42 0 0090 x x 起始浓度 mol L 10 0100 0010平衡浓度 mol L 10 010 0 0010 x x BaSO4 s Ba2 SO42 0 0090 x 0 0090 x很小 普通化学 例计算298K时使0 010mol L 1Fe3 开始沉淀和沉淀完全时溶液的pH值 已知Fe OH 3的Ksp 2 64 10 39 解 Fe OH 3 s Fe3 3OH 开始沉淀 Fe3 OH 3 Ksp pOH 13 lg6 42 12 19 pH 1 81 3 3 2 溶度积规则及其应用 普通化学 沉淀完全 Fe3 10 5mol L 1 pH 14 12 lg6 42 2 81 普通化学 3 3 2 溶度积规则及其应用 4 沉淀的溶解4 1 生成弱电解质4 1 1生成弱酸CaCO3 s 2H Ca2 H2CO3 普通化学 3 3 2 溶度积规则及其应用 4 1 2生成弱碱Mg OH 2 s 2NH4 Mg2 2NH3 H2O对上式进行拆分 Mg OH 2 s Mg2 2OH K1 Ksp2NH4 2OH 2NH3 H2O 普通化学 3 3 2 溶度积规则及其应用 4 1 3生成水Fe OH 3 s 3H Fe3 3H2O 普通化学 3 3 2 溶度积规则及其应用 4 2 发生氧化还原反应3CuS 8HNO3 稀 3Cu NO3 2 3S 2NO 4H2O S2 浓度降低 导致Q Ksp 沉淀溶解4 3 生成配离子AgCl 2NH3 Ag NH3 2 Cl Ag 浓度降低 导致Q Ksp 沉淀溶解 普通化学 例溶液中Cl CrO42 离子浓度均为0 0010mol L 1 若逐滴加入AgNO3溶液 试计算 1 哪一种离子先产生沉淀 2 第二种离子开始沉淀时 溶液中残留的第一种离子的浓度是多少 3 3 2 溶度积规则及其应用 5 分步沉淀 用一种沉淀剂 使溶液中的几种离子先后沉淀出来的方法 普通化学 解 1 开始沉淀 先产生AgCl沉淀 Ksp Ag Cl 故AgCl已沉淀完全 Cl 10 5mol L 1 普通化学 6 沉淀的转化 在含有某一沉淀的溶液中 加入适当的试剂 使之生成另一种沉淀 3 3 2 溶度积规则及其应用 例 如果在1LNa2CO3溶液中转化0 010mol L 1CaSO4 问Na2CO3的最初浓度应为多少 解 CaSO4 s CO32 CaCO3 s SO42 Na2CO3的最初浓度为 0 010 7 1 10 7 0 010 mol L 1 普通化学 结论 沉淀类型不同 计算反应的 沉淀类型相同 大 易溶 者向小 难溶 者转化容易 二者相差越大 转化越完全 反之小者向大者转化困难 普通化学 3 3 2 溶度积规则及其应用 沉淀转化的应用 废水处理含Hg2 废水可以用硫化物进行处理 但若用易溶硫化物如Na2S等进行处理时 处理后的水中存在大量的硫离子 造成新的污染 利用沉淀转化的方法 如用FeS处理含Hg2 废水 则可以解决这个问题 FeS s Hg2 aq HgS s Fe2 aq K 7 9 1033因过量的FeS不溶于水 可以过滤除去 普通化学 3 4胶体与界面化学 一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的系统称为分散系统 简称分散系 分散系中被分散的物质称为分散相 分散相所处的介质称为分散介质 思考 用淀粉和水制成的淀粉糊是一种分散系统 请指出该分散系统中的分散相和分散介质 在淀粉糊中 分散相是淀粉颗粒 分散介质是水 普通化学 3 4 1分散系分类 按分散相粒子的大小分类 分子分散体系 分散相粒子的直径小于10 9m 属于真溶液 例如氯化钠 葡萄糖等水溶液 胶体分散体系 分散相粒子的直径在10 9m 10 7m之间 属于胶体 例如蛋白质 核酸等水溶液 粗分散体系 分散相粒子的直径大于10 7m 易聚沉 例如牛奶 豆浆 泥浆等 按胶体与水的亲合力分类 憎液溶胶分散相粒子与水的亲合力较弱 如AgI胶体等 亲液溶胶分散相粒子与水的亲合力较强 如蛋白质 淀粉等 普通化学 1胶体的结构 以碘化银胶体为例 AgNO3 KI 过量 KNO3 AgI 过量的KI用作稳定剂胶团的结构表达式 AgI m AgI m胶核 AgI m nI n x K x 胶粒 AgI m nI n x K x xK 胶团 同一种胶体 胶粒的结构可以因制备方法的不同而不同 胶体的核心部分是不溶于水的粒子 称为胶核 胶核是电中性的 胶核上吸附了大量离子形成紧密层 称为胶粒 由于吸附的正 负离子不相等 因此胶粒带电 胶粒周围分散着与胶粒带相反电荷的离子 自然也有其它离子 胶粒及其带相反电荷的离子构成胶体的基本结构单元 胶团 图3 4胶体结构示意图 普通化学 2胶体的稳定性 胶体是热力学不稳定系统 但胶体能够长时间不发生沉降而稳定存在 原因主要有 胶体粒子的布朗运动 思考 胶体的稳定性如何 胶体粒子带有电荷的原因 胶体是一高度分散的系统 胶体粒子的总表面积非常大 因而具有高度的吸附能力 并能选择性地吸附某种离子 胶体粒子带有电荷 胶粒之间有很强的相互排斥 思考 在上例碘化银胶体的制备中 为何吸附I 而不是K 在碘化银胶核的表面 碘化银优先吸附和组成有关的I 普通化学 3 4 2胶体的聚沉与保护 胶体的聚沉使胶粒聚集成较大的颗粒而沉降的过程称为胶体的聚沉 促使胶体聚沉的因素有 加入电解质 电解质中带有与胶粒异号电荷的离子导致了溶胶的聚沉 使溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度称为聚沉值 单位mmol dm 3 电解质与胶粒异号电荷的离子的价数越高 聚沉效率越大 聚沉值越小 将两种带异号电荷的溶胶混合 加热 胶体的保护加入某些高分子化合物如动物胶 蛋白质 淀粉等 普通化学 3 4 3表面活性剂 凡能显著降低两相之间表面张力的物质称表面活性剂 表面活性剂的结构特点 表面活性剂具有两类性质完全不同的基团 亲水基团和亲油基团 疏水基团 双亲分子结构表面活性剂在两相界面作定向排列 使得两相之间的表面张力大大降低 图3 5表面活性剂在两相界面的排列 普通化学 1表面活性剂分类 表面活性剂通常也按亲水基团的化学结构来分类 亲水基团是离子结构的称为离子型 亲水基团是共价结构的称为非离子型 离子型表面活性剂又可分为阳离子型 亲水基团是阳离子 阴离子型 亲水基团是阴离子 和两性型 亲水基团既有阳离子又有阴离子 表面活性剂 显然阳离子型和阴离子型的表面活性剂不能混用 否则可能会发生沉淀而失去活性作用 普通化学 2表面活性剂举例 阴离子表面活性剂 阳离子表面活性剂 ArCH2N CH3 3Br季胺盐类 非离子型R O CH2 CH2 O nH聚氧乙烯醚类 普通化学 3表面活性剂的应用 洗涤作用洗涤剂是一种使用面很广的表面活性剂 肥皂是最普通的一种 肥皂是包含17个碳原子的硬脂酸钠盐 当洗涤剂用来洗涤衣服或织物上的油污时 由于亲油基与油脂类分子之间有较强的相互作用力而进入油污中 另一端的亲水基与水分子之间存在较强的作用力而溶于水 这样通过洗涤剂分子使水分子包围了油污 降低了油污与织物之间的表面 界面 张力 再经搓洗 振动便可除去织物上的油污 污渍 图3 6洗涤剂的去污作用 普通化学 乳化作用 乳化作用两种互不相溶的液体 若将其中一种均匀地分散成极细的液滴于另一液体中 便形成乳状液 加入表面活性物质使形成稳定的乳状液的作用叫做乳化作用 若水为分散介质而油为分散相 即油分散在水中 称为水包油型乳状液 以符号O W表示 例如 牛奶就是奶油分散在水中形成的O W型乳状液 a O W型乳状液 普通化学 若水分散在油中 则称为油包水型乳状液 以符号W O表示 例如 新开采出来的含水原油就是细小水珠分散在石油中形成的W O型乳状液 b W O型乳状液 普通化学 乳化作用的应用 切削油 机械工业在高速切削时用乳化油作为冷却剂 具有导热性能好 润滑效果高且不沾工具等特点 乳化燃油内燃机应用含10 水的乳化燃油 燃烧效果不降低但能节省燃料 农用杀虫剂农业上用的杀虫剂一般都配制成O W型乳状液 便于喷雾 可使少量农药均匀地分散在大面积的农作物上 同时由于表面活性剂对虫体的润湿和渗透作用也提高了杀虫效果 其他人体对油脂的消化作用就是因为胆汁 胆酸盐 可以使油形成O w型乳状液面而加速消化 普通化学 乳化作用的破坏 在工业生产中也会遇到一些有害的乳状液 例如含水原油不仅可以促使石油设备腐蚀 而且不利于石油的蒸馏 因此必须设法破坏这种乳状液 思考 什么时候人们需要消除乳化现象 为要破坏有害的乳状液 可加入破乳剂 破乳剂也是一种表面活性物质 其特点是有高的表面活性 但弱的成膜能力 能强烈地吸附于油 水界面上 以取代原来在乳状液中形成保护膜的乳化剂 而生成一种新膜 这种新膜的强度低 较易被破坏 异戊醇 辛醇 乙醚等是优良的破乳剂 此外 还可用升高温度 加入电解质以及高速离心等方法来破乳 普通化学 发泡作用 起泡作用泡沫是不溶性气体分散于液体或熔融固体中所形成的分散系统 如肥皂泡沫 气体分散在液体中 泡沫塑料 泡沫玻璃 气体分散在固体中 等 机械搅拌液态水 这时进入水中的空气被水膜包围形成了气泡 但这些气泡不稳定 若对溶解了表面活性剂的水溶液进行搅拌使其产生气泡 就可以形成坚固的液膜 使泡沫能保持较长时间稳定地存在 这种能稳定泡沫作用的表面活性剂叫做起泡剂 常见的起泡剂有肥皂 十二烷基苯磺酸钠等 空气 图3 7气泡的形成示意图 普通化学 发泡作用的应用 灭火剂起泡剂常用于制造灭火器 由于大量的泡沫覆盖燃烧物的表面 使其与空气中的氧气隔绝 这样便可达到灭火的效果 泡沫选矿起泡剂也用于泡沫浮选法以提高矿石的品位 将矿石粉碎成粉末 加水 起泡剂 搅拌并吹人空气使产生气泡 用捕集剂使矿物变成憎水性 矿物由于疏水性而粘附气泡浮起 这样便可分离收集有效成分 其它啤酒 汽水 洗发和护发用品等都需用起泡剂 使产生大量的泡沫 普通化学 消泡作用 在另外一些情况下 则必须消除泡沫 例如 洗涤 蒸馏 萃取等过程中 大量的泡沫会带来不利 必须适当抑制发泡 往往加入一些短碳链 如C5 C8 的醇或醚 它们能将泡沫中的起泡剂分子替代出来 又由于碳链短 不能在气泡外围形成牢固的保护膜 从而降低气泡的强度而消除泡沫 普通化学 3 4 4膜化学 膜是二维结构的伸展体 是两亲分子组成的有序排列的集合体 它的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质 分子 离子 电子和光子等 膜是一种重要的基础功能材料 它具有分离功能 生物功能和能量转换功能等 普通化学 分离膜 具有分离功能的膜称为分离膜 是一种能有效分离提取所需物质的功能膜 根据分离膜中微孔的大小及其疏密性的不同 通常可以将膜分为致密膜 多孔膜和纤维质膜 致密膜中聚合物的填充方式是分子状 孔径为0 1 5nm 适用于反渗透 渗析 电渗析等操作使用 多孔膜孔径5nm 1 m 孔的大小与胶体粒子的大小一般 适用于超过滤 膜过滤等操作使用 纤维质膜孔径2 m以上 用于对更大分散质的过滤操作 普通化学 分离膜的应用 表3 2常见分离膜及其应用 普通化学 能量转化功能膜 能量转化功能膜是当今重要的研究课题之一 将光能转化为化学能的重要应用之一是光解水 产生氢和氧 将光能转化为电能关键工作是制造出性能稳定的有机薄膜太阳能电池 大面积利用太阳能一定需要用膜的形式 普通化学 LB膜 LB膜简介LB膜是由美国科学家兰缪尔 I Langmuir 和勃洛杰脱 K B Blodgett 建立的一种在固体表面上沉积的多层单分子膜 可在组成上 次序上作任意安排 其层数与厚度皆可以在分子水平上控制 LB膜的应用在生物膜的功能模拟研究中 以叶绿素 维生索 磷脂和胆固醇等物质形成的LB膜 可用以研究生物膜中的电子传递 能量传递 生物膜电现象 物质跨膜输运过程等 利用LB膜可制成仿生薄膜 作为仿生传感器 光色互变的LB膜可作为光记忆材料 普通化学 所有生物机体组成中都含有水 自然界中绝大多数生物及非生物的变化多在水中进行 没有水参与循环 就没有生态系统的功能 生命就不能维持 水约占地球表面的70 水为物质间的反应提供了适宜的场所 成为物质传递介质 水参加的植物的光合作用 既制造了维持生命的必需营养物 同时又为生命提供了必需的氧气 3 5水污染及其危害 普通化学 普通化学 水是一种宝贵的自然资源 是人类生活 动植物生长和工农业生产不可缺少的物质 引起水体污染的原因有两个方面 自然污染主要是自然原因所造成的 如特殊地质条件使某些地区有某种化学元素大量富集 天然植物在腐烂过程中产生某种毒物 以降雨淋洗后夹带各种物质流入水体 人为污染是人类生活和生产活动中给水源带进了许多污染物 包括生活污水 工业废水 农田排水和矿山排水 废渣和垃圾倾倒在水中或岸边经降雨淋洗流入水体也会造成污染 普通化学 生活饮用水标准 普通化学 3 5 1无机物污染 重金属重金属主要包括Hg Cd Pb Cr等 此外还有As As虽不是重金属 但毒性与重金属相似 故经常和重金属一起讨论 重金属的致害作用在于使人体中的酶失去活性 它们的共同特点是即使含量很小也有毒性 因为它们能在生物体内积累 不易排出体外 因此危害很大 普通化学 氰化物和酸碱污染 氰化物污染氰化物的毒性很强 在水中以CN 存在 若遇酸性介质 则CN 能生成毒性极强的挥发性氢氰酸HCN 氰化物主要来源于电镀 煤气 冶金等工业的废水 CN 的毒性是由于它与人体中的氧化酶结合 使氧化酶失去传递氧的作用 引起呼吸困难 全身细胞缺氧而窒息死亡 口腔粘膜吸进约50mg氢氰酸 瞬时即能致死 我国工业废水中氰化物的最大允许排放浓度 以CN 计 为0 5mg dm 3 酸碱污染酸碱污染可使水体的pH发生变化 pH过低或过高