第三章大学.ppt

第3章水化学水污染 教学基本要求 1 了解溶液的通性 2 明确酸碱的近代概念 酸碱的解离平衡和缓冲溶液的概念 能进行溶液pH值的基本计算 能进行同离子效应等离子平衡的计算 了解配离子的解离平衡及平衡移动 3 初步掌握溶度积和溶解度的基本计算 了解溶度积规则及其应用 4 了解胶体的聚沉 保护及表面活性剂的结构和应用 5 了解环境化学中水的主要污染物及其某些处理方法的原理 主要内容 一 溶液的通性非电解质溶液的通性电解质溶液的通性 二 水溶液中的单相离子平衡酸和碱在水溶液中的解离平衡配离子的解离平衡 三 难溶电解质的多相离子平衡多相离子平衡和溶度积溶度积规则及其应用 四 胶体与界面化学 五 水污染及其危害 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 与溶液中溶质的本性无关 而是所有溶液都具有的一些共同性质 溶液的通性 难挥发的溶质B和溶液A组成的溶液具有以下通性 溶液的蒸气压下降 沸点上升 凝固点下降和溶液渗透压 与纯溶剂比较 溶液浓度的表示方法 溶液 溶剂A 溶质B1 质量摩尔浓度m1kg溶剂中所含溶质的物质的量 SI单位mol kg 1mB nB wAnB 溶质B的物质的量 单位为mol wA 溶剂A的质量 单位为kg 2 摩尔分数 或物质的量分数 设双组分溶液 溶剂A和溶质B的物质的量分别为nA和nB 则 注意 无论有若干种物质 摩尔分数之和总是等于1 一 非电解质溶液的通性 难挥发的非电解质稀溶液的性质 包括溶液的蒸气压下降 沸点上升 凝固点下降和溶液渗透压 与一定量溶剂中所溶解溶质的物质的量成正比 而与溶质的本性无关 这些性质称为依数性 该定律叫做稀溶液定律 又称为依数性定律 1 溶液的蒸气压下降 1 蒸气压 蒸发 液面上能量较大的分子克服液体分子间的引力从表面逸出 成为蒸气分子 又称气化 蒸发吸热 系统熵值增大 凝聚 液面上空的蒸气分子不断运动时 某些蒸气分子可能撞到液面 被液体分子吸引而进入液体中的过程 凝聚放热 系统熵值减小 当v 蒸发 v 凝聚 时 H2O g 所具有的压力p H2O 即为该温度下水的蒸气压 例 此时 蒸气所具有的压力叫做该温度下液体的饱和蒸气压 简称蒸气压 p H2O l 298K 3167Pap H2O l 373K 101 325kPa 不同溶剂蒸气压不同 相同溶剂温度升高 蒸气压增大 2 溶液的蒸气压下降 实验表明 同一温度下 溶有难挥发溶质B的溶液中 溶剂A的蒸气压总是低于纯溶剂A的蒸气压 溶质B难挥发 其蒸气压可忽略 所以 p 溶液 T p 溶液中溶剂A T p 纯溶剂A T 法国物理学家拉乌尔据实验得出以下定量关系 在一定温度下 难挥发的非电解质稀溶液的蒸气压下降 p与溶质的摩尔分数成正比 而与溶质的本性无关 即 p pA xB pA nB n 其中xB是溶质B在溶液中的摩尔分数 pA是纯溶剂的蒸气压 溶液浓度越大 蒸气压下降越多 溶剂的一部分表面被难挥发的溶质微粒所占据 使得单位时间内从溶液中蒸发出的分子数减少 溶液的蒸发速率降低 凝聚占了优势 使系统在较低的蒸气压下重建平衡 导致溶液蒸气压下降 溶液蒸气压下降的原因 2 溶液的沸点上升 凝固点下降 1 液体的沸点 当p 液体 p 大气 时 液体就会沸腾 此时的温度称为该液体的沸点 Tbp 100 时 p H2O l p 外 101325Pa 所以标准大气压下水的沸点为100 2 液体的凝固点或固体的熔点 当某物质p 液相 p 固相 时 固 液达到平衡 此时的温度称为该物质的凝固点 Tfp 或熔点 Tbp Tbp Tbp kbp m Tfp Tfp Tfp kfp m 3 溶液的沸点上升和凝固点下降 难挥发的非电解质稀溶液的沸点上升和凝固点下降与溶液的质量摩尔浓度成正比 Kbp Kfp分别称为沸点上升常数 凝固点下降常数 单位为K kg mol 1 仅与溶剂的性质有关 Tbp TbpTfp Tfp 水溶液沸点上升和凝固点下降示意图 3 溶液的渗透压 半透膜 仅允许溶剂分子而不允许溶质分子通过的薄膜 渗透压 为维持半透膜所隔开的溶液与纯溶剂之间的渗透平衡而需要的额外压力 渗透现象 被半透膜隔开的两边溶液的浓度不相等时 溶剂通过半透膜进入溶液或溶剂从稀溶液通过半透膜进入浓溶液的现象 单向扩散 溶液渗透压示意图 纯水 溶液 范特霍夫公式 反渗透 在浓溶液一侧增加较大的压力可使溶剂进入稀溶液 或溶剂 依此可实现溶液的浓缩 海水的淡化 工业废水和污水的处理 溶液越浓 渗透压越大 意义 渗透压在生物学上具有重要意义 有机体的细胞膜大多具有半透膜的性质 渗透压是引起水在生物体中运动的重要推动力 二 电解质溶液的通性 1 电解质溶液 或者浓度较大的溶液也与非电解质稀溶液一样具有溶液蒸气压下降 沸点上升 凝固点下降和渗透压等性质 稀溶液定律所表达的一些依数性与溶液浓度的定量关系 适用于电解质溶液和浓溶液 在浓溶液或电解质溶液中 由于溶质的微粒较多 溶质微粒之间的相互影响以及溶质微粒与溶剂分子之间的相互影响大大加强 使稀溶液定律的定量关系发生了偏差 不 电解质稀溶液的蒸气压下降 沸点上升 凝固点下降和渗透压的数值都比同浓度的非电解质稀溶液的相应数值大 比如 同浓度的溶液 沸点高低或渗透压大小的顺序 AB型强电解质溶液 弱电解质溶液 非电解质溶液 A2B或AB2型强电解质溶液 蒸气压或凝固点的顺序则相反 i 1 i 2 3 2 1 2 1 溶液中的粒子数越多 i值越大 例3 1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 2 离子氛和活度 了解 强电解质在水溶液中完全解离成离子 离子浓度大 由于离子的相互作用 每一离子周围总有一些带异号电荷的离子包围着 这种带异号电荷的离子形成了 离子氛 离子氛牵制了离子的行动 因此实验测得的离子的解离度小于理论解离度 溶液中离子的有效浓度也小于理论浓度 有效浓度 活度 fc f为活度因子 溶液越稀 活度因子越趋近于1 c为溶液浓度 测定溶质分子的相对摩尔质量设质量为WB的溶质溶于质量为WA的溶剂中 则有 干燥剂的工作原理CaCl2 NaOH P2O5等易潮解的固态物质 常用作干燥剂 因其易吸收空气中的水分在其表面形成溶液 该溶液蒸气压较空气中水蒸气的分压小 使空气中的水蒸气不断凝结进入溶液而达到消除空气中水蒸气的目的 蒸气压下降的应用 沸点和凝固点测定的应用 防冻剂工作原理冬天为防止汽车水箱结冰 可加入甘油 乙二醇等以降低水的凝固点 避免因结冰 体积膨胀而使水箱破裂 冷冻剂工作原理工业冷冻剂如在冰水中加氯化钙固体 由于氯化钙溶液的蒸气压小于冰的蒸气压 使冰迅速熔化而大量吸热 使周围物质的温度降低 食盐 冰 30gNaCl 100gH2O s 22 CaCl2 冰 42 5gCaCl2 100gH2O s 55 低熔合金的制备利用固态溶液凝固点下降原理 可制备许多实用价值很大的合金 如33 Pb mp 327 5 与67 Sn mp 232 组成的焊锡 熔点为180 用于焊接时不会使焊件过热 还用作保险丝 又如自动灭火设备和蒸汽锅炉装置的伍德合金 熔点仅为70 组成为Bi 50 Pb 25 Sn 12 5 Cd 12 5 渗透压的应用 测定分子的相对摩尔质量渗透压有较大数值 容易测定 相对误差小 因此 可以准确测定化合物的相对摩尔质量 例如 浓度为0 00100mol kg 1的某高分子物质 如蛋白质 的水溶液 其沸点升高的数值为 Tfp 0 00186K 因此用沸点升高的方法测定是十分困难的 若用渗透压法 则 cRT 0 00100 103 8 314 298 15 Pa 2 48 103Pa此数值可以很精确地测定 利用渗透压原理 在医学上注射时需采用等渗溶液 利用反渗透原理 可实现溶液的浓缩 海水的淡化 工业废水和污水的处理 解 根据 cBRT有 775kPa cB 8 314Pa m3 mol 1 K 1 310KcB 775 8 314 310 mol dm 3 0 3mol dm 3或 cB 0 3mol dm 3 180g mol 1 54g dm 3 例3 2 37 时 血液的渗透压为775kPa 问与血液具有相同渗透压的葡萄糖 C6H12O6 静脉注射液的浓度 g dm 3 小结 难挥发的非电解质稀溶液的通性 依数性定律 基本概念 蒸气压 渗透压 Tbp Tbp Tbp kbp m Tfp Tfp Tfp kfp m p pA xB pA nB n 蒸气压下降 沸点上升 凝固点下降 渗透压 掌握蒸气压下降 沸点上升 凝固点下降及渗透现象的基本原理 了解溶液的通性在实际中的应用 作业 P1576 7 注意NaCl溶液中的粒子浓度为浓度的两倍 i 2 电解质溶液的通性 难挥发的电解质溶液也具有溶液蒸气压下降 沸点上升 凝固点下降和渗透压等现象 但由于溶质微粒之间的相互作用 使依数性与溶液浓度之间的定量关系发生了偏差 引入一个比例因子i 溶质可解离的粒子数越多 i值越大 3 2水溶液中的单相离子平衡 酸 碱的解离平衡和配离子的解离平衡 一 酸和碱在水溶液中的解离平衡 1 酸和碱的概念 1 电离理论 Arrhenius于1884年提出 在水溶液中解离时所生成的正离子全部是H 的化合物是酸 所生成的负离子全部是OH 的化合物是碱 酸碱电离理论的缺陷 把酸 碱的定义局限于以水为溶剂的系统 无法解释NH3 Na2CO3均不含OH 也具有碱性 电离理论简单 是第一个电解质溶液理论 对溶液理论的发展具有重要作用 2 酸碱质子理论 J N Br nsted等人1923年提出 如在水溶液中 HCl aq H aq Cl aq HAc aq H aq Ac aq NH4 aq H aq NH3 aq HCO3 aq H aq CO32 aq 反应中任何能给出质子的分子或离子叫做酸 质子给体 反应中任何能接受质子的分子或离子叫做碱 质子受体 酸碱反应是质子由质子给体向质子受体转移的过程 酸 碱可以是分子 也可以是离子 酸给出质子后可以再结合质子 因此酸给出质子后就变为碱 酸质子 碱共轭关系共轭酸碱对 质子理论的特点 对酸碱的区分仅以H 为判据 可合理解释NH3和CO32 均为碱的事实 该定义不涉及发生质子转移的环境 故而在气相和任何溶剂中均通用 本书采用酸碱质子理论 2 酸和碱在水溶液中的离子平衡及pH值的计算 解离平衡 平衡常数称为解离常数Ka或Kb 其值可由热力学数据求算 也可由实验测定 NH3 aq H2O l NH4 aq OH aq fG 26 57 237 18 79 37 157 29 rG 79 37 157 29 237 18 26 57 27 09kJ mol 1 Kb 1 79 10 5 例 1 一元弱酸 HA aq H aq A aq 如HF Ka 3 53 10 4 和HAc Ka 1 76 10 5 均为一元弱酸 但HF的酸性比HAc强 同类型弱酸的相对强弱可由Ka的大小得出 若不考虑Ka的量纲 则 溶液越稀 其解离度 越大 该关系叫做稀释定律 设一元弱酸HA的浓度为c 解离度为 HAH A 起始浓度c00平衡浓度c 1 c c 和Ka都可用来表示酸的强弱 但 随浓度c而变 在一定温度时Ka不随浓度变化 是一个常数 当c Ka 500时 例3 3已知HAc的Ka 1 76 10 5 计算3 0 米醋 含HAc浓度为0 50mol dm 3 的pH值 解 设米醋溶液中H 的平衡浓度为xmol dm 3 则HAc aq H aq Ac aq 平衡浓度 mol dm 30 50 xxx c Ka 500 0 50 x 0 5 pH lgc H lg 2 97 10 3 3 0 47 2 53 2 一元弱碱 B aq H2O l BH aq OH aq 若不考虑Ka的量纲 则 当 很小时 任何共轭酸碱的解离常数之间均存在这样的关系 Ka与Kb成反比 酸越强 其共轭碱越弱 反之亦然 所以 碱B的共轭酸BH 的Ka为 按照酸碱质子理论 NH4Cl溶液解离出的NH4 可视为一元弱酸 溶液中的H 浓度可依据一元弱酸的H 浓度计算公式来求算 NaAc溶液解离出的Ac 可视为一元弱碱 溶液中的OH 浓度可依据一元弱碱的OH 浓度计算公式来求算 多元弱酸 碱 的解离是分级进行的 每一级解离都有一个解离常数 以磷酸为例 一级解离 二级解离 三级解离 3 多元弱酸和多元弱碱 可见 Ka 3 Ka 2 Ka 1 每级解离常数相差3 6个数量级 因此 H 浓度的计算以一级解离为主 计算H 浓度时 若Ka 2 Ka 1 10 3 可忽略二 三级解离平衡 比较多元弱酸的酸性强弱时 只需比较它们一级解离常数值即可 多元弱碱和多元弱酸有着类似的规律 例3 4已知H2CO3的Ka 1 4 30 10 7 Ka 2 5 61 10 11 计算0 0200mol dm 3H2CO3溶液中H 和的浓度及pH值 解 Ka 2 Ka 1 求c H 只需考虑一级电离 pH lg 9 27 10 5 4 03 第一步解离生成的H 抑制了第二步解离 因此c H c HCO3 9 27 10 5mol dm 3 c CO32 Ka 2 5 61 10 11mol dm 3 思考 设有一个二元酸 其一级和二级解离常数分别为Ka 1和Ka 2 共轭碱的一级和二级解离常数分别为Kb 1和Kb 2 它们之间有何关系 所以Ka 1 Kb 2 Kw Ka 2 Kb 1 Kw H2AH HA HA H A2 A2 H2OHA OH HA H2OH2A OH 3 缓冲溶液和pH的控制 在弱酸的溶液中加入该酸的共轭碱 或在弱碱的溶液中加入该碱的共轭酸 使得弱酸或弱碱的解离度降低的现象 称为同离子效应 比如 往HAc溶液中加入NaAc 由于NaAc Na Ac 溶液中c Ac 增大 使得HAc的解离平衡 HAc aq H aq Ac aq 向左移动 HAc的解离度降低 在弱酸 弱碱溶液中加入具有相同离子的强电解质 使某一离子的浓度发生改变 可以引起弱电解质解离平衡的移动 1 同离子效应 例3 5在0 100mol dm 3HAc溶液中加入一定量固体NaAc 使NaAc的浓度等于0 100mol dm 3 求该溶液中H 浓度 pH和HAc的解离度 解 设已解离的HAc的浓度为xmol dm 3HAc H Ac 起始浓度 mol dm 30 100 1平衡浓度 mol dm 30 1 xx0 1 x c H xmol dm 3 1 76 10 5mol dm 3 pH 4 75 与教材p120例3 1相比 同离子效应使 HAc从1 33 降为0 018 c H 从1 34 10 3mol dm 3减少到1 76 10 5mol dm 3 降低76倍 2 缓冲溶液 弱酸及其共轭碱或弱碱及其共轭酸所组成的溶液具有一个重要性质 该溶液的pH值在一定范围内不因稀释或外加少量酸或碱而发生显著变化 即对外加的酸和碱具有缓冲能力 这种溶液称作缓冲溶液 Ac HAcH H OH 以HAc和NaAc的混合溶液为例 NaAc Na Ac HAc aq H aq Ac aq HAc H2O Ac 对抗加进来的酸 而HAc对抗加进来的碱 最终维持溶液的pH值基本保持不变 当加入大量的强酸或强碱 使溶液中的Ac 或HAc耗尽 则溶液将失去缓冲能力 组成缓冲溶液的一对共轭酸碱 如HAc Ac NH4 NH3称为缓冲对 用通式表示缓冲对之间存在的平衡 共轭酸共轭碱 H 当c 共轭酸 c 共轭碱 时 pH pKa 因此 选择具有一定pH值的缓冲溶液时 应当选用pKa接近或等于pH值的弱酸与其共轭碱的混合溶液 解 50 00cm3缓冲溶液中加入盐酸后总体积为50 05cm3 加入的1 000mol dm 3盐酸由于稀释 浓度变为 由于加入的H 的量相对于溶液中Ac 的量而言很小 可认为加入的H 完全与Ac 结合成HAc分子 于是c HAc 0 1000 0 001 mol dm 3 0 101mol dm 3 c Ac 0 1000 0 001 mol dm 3 0 099mol dm 3 例3 6若在50 00cm3含有0 1000mol dm 3HAc和0 1000mol dm 3NaAc的缓冲液中 加入0 050cm31 000mol dm 3盐酸 求其pH值 思考 缓冲溶液的缓冲能力与哪些因素有关 缓冲能力主要与以下因素有关 缓冲溶液中共轭酸的pKa值 缓冲对的浓度 缓冲对的浓度均较大时 缓冲能力较大 最佳浓度比为1 1 工业 金属电镀 制革 染料 半导体工业 农业 土壤中多种有机酸及其共轭碱组成的缓冲系统 使土壤维持一定pH值保证植物的正常生长 生物学 H2CO3 NaHCO3形成的缓冲系统使人体血液维持在pH 7 4 缓冲溶液的应用 常用缓冲溶液的缓冲范围 二 配离子的解离平衡 配离子 由一个简单正离子 中心离子 和几个中性分子或它种离子 称为配位体 通过配位键结合而成的复杂离子叫做配离子 络离子 如 Cu NH3 4 2 Ag NH3 2 含有配离子的化合物称为配位化合物 又称为配合物 络合物或配盐 如 Cu NH3 4 SO4 Ag NH3 2 Cl 配合物 配离子 带异号电荷的离子 配合物在水中可以可完全解离 比如Cu NH3 4 SO4 Cu NH3 4 2 SO42 配离子类似于弱电解质 是难解离的物质 在水溶液中仅少量解离 并存在着解离平衡 1 配离子的解离平衡 K K1 K2 Ag NH3 2 Ag NH3 NH3 Ag NH3 Ag NH3 Ag NH3 2 Ag 2NH3 解离常数 对于同一类型的配离子 解离常数K越大 配离子越易解离 即越不稳定 因此 配离子的解离常数又称做不稳定常数 用Ki表示 显然 相反 配离子的稳定性可以用稳定常数Kf FormationConstant或K生成 表示 定义 2 配离子解离平衡的移动 改变配离子解离平衡时的条件 平衡发生移动 生成更稳定的配离子Ki HgCl4 2 Ki HgI4 2 HgCl4 2 4I HgI4 2 4Cl 小结 一 酸和碱在水溶液中的解离平衡 1 酸和碱的概念 电离理论和酸碱质子理论 2 酸和碱在水溶液中的离子平衡及pH值的计算 解离平衡 解离常数Ka Kb 对于共轭酸碱对 3 缓冲溶液和pH的控制 共轭酸 共轭碱 H 二 配离子的解离平衡 1 解离常数 不稳定常数 2 配离子解离平衡的移动 降低中心离子的浓度 生成更稳定的配离子 降低配体的浓度 作业 p157 9 14 17 3 3难溶电解质的多相离子平衡 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 又称为溶解平衡 3 3 1多相离子平衡和溶度积 V溶解 V结晶 达到溶解平衡 此时的溶液为饱和溶液 平衡常数表达式为 当温度一定时 难溶电解质的饱和溶液中离子浓度的乘积为一常数Ks 该平衡常数称为溶度积常数 简称溶度积 若不考虑K的单位 则上式简化为 对于通式 平衡常数Ks的数值既可由实验测定 也可以用热力学数据计算 Ks与浓度无关 受温度的影响 解 多相离子平衡 fGm kJ mol 1 109 8077 12 131 26 例3 7根据热力学原理计算298 15K时AgCl的溶度积 rGm 131 26 77 12 109 80 55 66kJ mol 1 溶度积和溶解度的关系 若以s mol dm 3 表示溶解度 则对于AB型难溶电解质 如AgCl CaCO3 BaSO4等 有CaCO3 s Ca2 aq CO32 aq 平衡浓度 mol dm 3ss A2B型或AB2型难溶电解质 如Ag2CrO4 Mg OH 2等 有Ag2CrO4 s 2Ag aq CrO42 aq 平衡浓度 mol dm 32ss 难溶电解质的溶度积和溶解度都表示其溶解能力的大小 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 电解质CaCO3AgClAg2CrO4Ks4 96 10 91 77 10 101 12 10 12s7 04 10 51 33 10 56 54 10 5关系式 思考 可以用Ks的大小判断溶解度的大小吗 1 溶度积规则AnBm s nAm aq mBn aq 用Q表示任意状态下有关离子浓度的乘积 即反应商 Q Ks 有沉淀析出 过饱和溶液 饱和溶液Q Ks 溶解 结晶达到平衡 饱和溶液Q Ks 无沉淀析出 或沉淀溶解 不饱和溶液 饱和溶液 3 3 2溶度积规则及其应用 溶度积规则 例3 8往盛有1 00dm3纯水的烧杯中加入0 10cm30 010mol dm 3的CaCl2溶液和0 10cm30 010mol dm 3Na2CO3溶液 问此时是否有沉淀生成 当继续往溶液中加入固体Na2CO3 使Na2CO3的浓度达0 025mol dm 3 此时溶液有什么变化 解 1 混合溶液中Ca2 和CO32 的浓度分别为 c Ca2 0 10 10 3 0 010 1 00 1 0 10 6mol dm 3c CO32 0 10 10 3 0 010 1 00 1 0 10 6mol dm 3Q c Ca2 c CO32 1 0 10 12Ks CaCO3 4 96 10 9 2 c Ca2 1 0 10 6mol dm 3c CO32 0 025mol dm 3Q c Ca2 c CO32 2 50 10 8 Ks 4 96 10 9溶液中有白色的CaCO3沉淀生成 例3 9废水中Cr3 的浓度为0 010mol dm 3 加入固体NaOH使之生成Cr OH 3沉淀 设加入固体NaOH后溶液体积不变 计算 1 开始生成沉淀时 溶液中OH 的最低浓度 2 若要使Cr3 的浓度小于7 7 10 5mol dm 3以达到排放标准 此时溶液的pH值最小应为多少 解 1 Cr OH 3 s Cr3 aq 3OH aq 若要生成沉淀 必使Q Ks 设c OH xQ c Cr3 c OH 3 0 010 x3 6 3 10 31 则c OH x 4 0 10 10mol dm 3 2 若要使Cr3 浓度小于7 7 10 5mol dm 3 必使大量Cr3 沉淀除去 则Q c Cr3 c OH 3 7 7 10 5x3 6 3 10 31 得c OH x 2 0 10 9mol dm 3pOH lgc OH 8 7 即pH 14 8 7 5 3 同离子效应 在难溶电解质饱和溶液中加入含有共同离子的易溶强电解质时 难溶电解质的溶解度降低 这种现象叫做同离子效应 CaCO3 s Ca2 CO32 Na2CO3 2Na CO32 此时 Q CaCO3 Ks CaCO3 向生成CaCO3的方向移动 使CaCO3的溶解度降低 比如 解 在水中Ks Mg OH 2 c Mg2 c OH 21 2 10 11 4s3解得 s Mg OH 2 1 4 10 4mol dm 3 例3 10求25 时Mg OH 2在水中的溶解度和在0 5mol dm 3氨水中的溶解度 已知Ks Mg OH 2 1 2 10 11 s Mg OH 2 c Mg2 1 33 10 6mol dm 3 Ks Mg OH 2 c Mg2 c OH 2 c Mg2 0 003 2 1 2 10 11 同离子效应是的溶解度降为原来的一百分之一 在氨水中 2 沉淀的转化 CaSO4 s Ca2 aq SO42 aq CaCO3 s Ks CaSO4 7 10 10 5 Ks CaCO3 4 96 10 9平衡时Ca2 浓度为7 04 10 4mol dm 3 CaSO4转化成了溶度积更小的CaCO3沉淀 Ks Ca3 PO4 2 2 07 10 33平衡时Ca2 的浓度为3 42 10 7mol dm 3 Na3PO4 Ca3 PO4 2 沉淀的转化 一种沉淀向另一种更难溶的沉淀转化的过程 沉淀转化程度可以用反应的平衡常数K来表达 如 PbCl2 s 2I aq PbI2 s 2Cl aq 白黄Ks PbCl2 1 6 10 5Ks PbI2 1 39 10 8 回顾 配离子的转化 生成更稳定的配离子 污水处理中沉淀的转化 FeS s Cd2 CdS s Fe2 K 1 0 1010FeS s Hg2 HgS s Fe2 K 5 8 1033 HgCl4 2 4I HgI4 2 4Cl Kf HgCl4 2 1 17 1015Kf HgI4 2 6 76 1029 3 沉淀的溶解 根据溶度积规则 浓度商 Q Ks 有沉淀析出Q Ks 溶解 结晶达到平衡Q Ks 沉淀溶解 沉淀溶解的条件 降低溶度积常数中相关离子的浓度 使Q Ks 沉淀溶解的方法 1 利用酸碱反应 2 利用配合反应 3 利用氧化还原反应 1 利用酸碱反应CaCO3 s Ca2 CO32 H H2O CO2 g c CO32 下降 Q Ks CaCO3溶解 又如 Fe OH 3 s 3H aq Fe3 3H2O l 部分金属硫化物FeS ZnS MnS NiS等能溶于稀酸 ZnS s 2H aq Zn2 H2S g 2 利用络合 配位 反应AgCl s 2NH3 Ag NH3 2 Cl c Ag 下降 Q Ks AgCl沉淀溶解AgBr s 2S2O32 Ag S2O3 2 3 Br c Ag 下降 Q Ks AgBr沉淀溶解 3 利用氧化还原反应一些金属硫化物如Ag2S CuS PbS等 不溶于非氧化性的酸 但可加入氧化性酸 降低S2 离子的浓度 使之溶解 如 3PbS 8HNO3 稀 3Pb NO3 2 3S s 2NO g 4H2O l HNO3将S2 氧化为S 大大降低了S2 的浓度 使c Pb2 c S2 Ks PbS PbS沉淀溶解 3 4胶体与界面化学 3 4 1胶体的结构与稳定性 例如 蔗糖或食盐溶于水中 蔗糖 食盐是分散相 水是分散介质 分散系统 简称分散系 由一种或几种物质分散在另一种物质中所形成的系统 例如 牛奶中奶油液滴分散在水中 颜料分散在有机液体中形成油漆等 表3 6分散系按分散相颗粒大小分类 胶体 又称为溶胶 是分散相粒径在1 100nm之间的高度分散的多相不均匀系统 在热力学上不稳定 粒子间有互相聚集而降低其表面积的趋势 但事实上不少溶胶可以长时间稳定存在而不发生沉降 原因 1 由于溶胶粒子带有电荷 当带同号电荷的胶体粒子因不停的运动而相互接近时 彼此间就会产生斥力 这种斥力阻碍了胶粒的结合和聚沉 有利于溶胶的稳定 2 由于溶胶粒子的布朗运动 能够克服重力场的影响而不沉降 这种性质称为动力学稳定性 高度分散的多相性 动力学稳定性和热力学不稳定性是胶体的三大特征 也是胶体其他性质的依据 胶体是一个高度分散的系统 胶体粒子的总表面积很大 因而具有高度的吸附能力 胶体一般是在含有电解质的溶液中形成的 胶体粒子在形成过程中 往往吸附某种离子而带有正电荷或负电荷 胶体的结构 例如 将KI溶液滴加至AgNO3溶液中生成AgI溶胶 胶体结构 m n x均为不定值 又如 Fe OH 3溶胶可由FeCl3水解制得 反应式如下 FeCl3在水中分级水解 溶胶系统中存在多种分子和离子 如Fe OH 3 FeO OH Fe OH 2 Fe OH 2 FeO 等 通常简单地认为m个Fe OH 3分子相互聚集形成胶核 胶核选择性的吸附FeO 离子 FeO 又吸引Cl 离子形成吸附层 胶粒外围的x个Cl 分布在胶粒周围形成扩散层 3 4 2胶体的聚沉与保护 使胶粒聚集成较大的颗粒而沉降的过程叫做聚沉 1 加入电解质溶液电解质中带有与胶粒异号电荷的离子 使扩散层中部分带异号电荷的离子被挤压进入吸附层内 从而使胶粒原来带的电荷减少 或者完全变成电中性的 从而有利于胶体聚沉 如江河入海处常形成大量淤泥沉积的三角洲 使胶体聚沉的方法 电解质的聚沉效率可用聚沉值来表示 聚沉值 使溶胶在一定时间内完全聚沉所需电解质的最小浓度 单位mmol dm 3 电解质中与胶粒异号电荷的离子价数越高 对溶胶的聚沉效率就越大 聚沉值就越小 2 加入带异号电荷的胶体 将两种带异号电荷的胶体以适当的数量相互混合时 由于电性中和 也能发生相互聚沉作用 如明矾净水 3 加热 加热可使胶体粒子运动加快 增加胶粒相互碰撞的机会 而且加热会减弱胶核对离子的吸附作用和水合程度 从而有利于溶胶聚沉 胶体的保护 加入高分子化合物可以使胶体保持稳定 3 4 3表面活性剂 表面张力 液体表面有自动收缩的趋势 凡能显著降低表面张力的物质叫做表面活性剂 1 表面活性剂的结构和分类 表面活性剂由亲水基团和亲油基团组成 故称为双亲分子 根据亲水基的不同 将表面活性剂分为四大类 2 表面活性剂的应用 1 洗涤作用洗涤剂是一种使用面很广的表面活性剂 亲油基与衣物上的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 降低了油污与衣物之间的表面张力 经过搓洗 振动便可除去衣物上的油污 两性表面活性剂 在碱性溶液中呈阴离子活性 在酸性溶液中呈阳离子活性 在中性溶液中表现为两性活性 因此 这类表面活性剂在任何pH范围均适用 非离子表面活性剂 对油污有很好的清洗力 2 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 如油分散在水中形成的乳状液 很不稳定 静置分层 要获得稳定的乳状液 必须加入乳化剂 乳化剂大都是表面活性剂 在油滴或水滴周围形成了一层有一定机械强度的保护膜 阻碍了分散的油滴或水滴的相互结合和凝聚而使乳状液稳定 水包油 油包水 乳化作用 3 起泡作用泡沫是不溶性气体分散于液体或熔融固体所形成的分散系统 如肥皂泡沫 泡沫塑料等 用机械搅拌液态水时 进入水中的空气被水膜包围形成气泡 但这些气泡不稳定 当停止搅拌时很快会消失 若对溶有表面活性剂的水溶液进行搅拌使其产生气泡 这时由于表面活性剂分子的亲油基与空气所含分子之间的作用力而伸向气泡内部 亲水基则伸向水膜 从而形成了坚固的液膜 使泡沫能保持较长的时间稳定存在 这种能稳定泡沫作用的表面活性剂叫做起泡剂 如肥皂 膜是向二维伸展的结构体 其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 光子等 膜是一种重要的基础功能材料 具有分离功能 生物功能和能量转换功能 3 4 4膜化学 3 5水污染及其危害 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 引起水污染的原因有两个方面 自然污染比如特殊地质条件使某些地区某种化学元素大量富集 天然植物腐烂产生某种毒物流入水体 人为污染生活污水 工业废水 农田排水 矿山排水 废渣和垃圾被雨水冲洗进入水体 1 无机物污染 重金属污染重金属主要包括Hg Cd Pb Cr等