第一章气体、溶液和胶体 无机及分析化学教学课件.ppt

1、1,第一章 气体、溶液和胶体,Gas,Solution and Colloid,2,学 习 要 求,1.了解分散系的种类及主要特征。 2.掌握理想气体状态方程、道尔顿分压定律及二者的应用。 3.掌握蒸气压下降、沸点升高和凝固点降低、渗透压等稀溶液的通性及其重要应用。 4.熟悉胶体的基本概念、结构和重要性质等。 5.了解高分子溶液、表面活性物质、乳浊液的基本概念和重要特征。,3,1.1 分散系 1.2 气体 1.3 溶液浓度的表示方法 1.4 稀溶液的通性 1.5 胶体溶液 1.6 高分子溶液和乳浊液,4,1.1 分散系,由一种（或多种）物质分散于另一种物质所构成的系统，称为分散系。,被分散的物

2、质。,容纳分散相的物质。,按聚集状态或分散质粒大小可对分散系进行分类。,5,按聚集状态分类的分散系,6,按分散相粒径分类的分散系,7,1.2 气体,气体的特性是扩散性和可压缩性。,1.2.1 理想气体状态方程,理想气体：分子本身不占有体积、分子间没有相互作用力的气体称为理想气体。,抽象模型，理想气体在实际中并不存在； 高温、低压情况下实际气体可近似看做理 想气体。,8,理想气体状态方程：理想气体的压力p、体积V、温度T、和物质的量n之间存在确定的函数关系。,pV = nRT （1-1）,p为气体压力，单位：Pa； V为气体体积，单位：m3; T为气体温度，单位：K； n为气体的物质的量，单位：

3、mol； R为摩尔气体常数，取值8.314 Jmol-1K-1 。,9,Question,例1-1 某碳氢化合物的蒸汽，在100及101.325 kPa时，密度=2.55 gL-1，由化学分析结果可知该化合物中碳原子数与氢原子数之比为1:1。试确定该化合物的分子式。,解：,设该化合物的摩尔质量为M，质量为m, 组成为(CH)x。,根据理想气体状态方程：pV = nRT,解得：x = 6，该化合物的分子式为C6H6。,得：,故：,由：,10,1.2.2 分压定律,道尔顿理想气体分压定律 理想气体混合物中的各组分气体均充满整个容器，混合气体中任一组分的分压与该组分气体在相同温度下独占整个容器所产生

4、的压力相同，而总压力p等于混合体系中各组分气体的分压之和。,约翰道尔顿（1766- 1844 ） 英国化学家、物理学家、近代化学之父。,11,水的饱和蒸汽压,水在不同温度下的饱和蒸气压,水的饱和蒸汽压只与温度有关。,12,Question,例1-2 在290 K，99.3 kPa的气压下，用排水集气法收集氮气150 mL。求在273K，101.3 kPa下该气体经干燥后的体积。,解：,查表1-3得，290K(17)时水的饱和蒸汽压为1.93k Pa。,根据分压定律： p(N2)=p(总)-p(H2O)=99.3 kPa -1.93 kPa =97.4 kPa,设氮气干燥后的体积为V，压力为 p

5、，温度为T ，则：,合136mL。,13,1.3 溶液浓度的表示方法,14,1.3.1 物质的量浓度,单位体积溶液中所含溶质B的物质的量。,(1-4),nB 为物质B 的物质的量，SI单位为 mol； V 为溶液的体积，SI 单位为 m3； cB的SI 单位是 molm-3，常用单位是molL-1。,使用物质的量浓度时应指明物质的基本单元。,15,1.3.2 质量摩尔浓度,质量摩尔浓度 单位质量溶剂中所含溶质B的物质的量。,(1-5),mA为溶剂的质量，SI单位为kg； bB的单位为molkg-1。,质量摩尔浓度与温度无关； 使用质量摩尔浓度时应指明物质的基本单元。,16,Question,例

6、1-3 将0.270 g KCl晶体溶于100 g水中，计算所得溶液中KCl的质量摩尔浓度。,解：,17,质量分数 单位质量溶液中所含物质B的质量。,(1-6),B的SI单位为1 。,物质的量浓度与质量分数间的换算：,(1-7),1.3.3 质量分数,18,Question,例1-4 已知浓硫酸的密度= 1.84 gmL-1, 硫酸的质量分数为96.0 %，若配置500 mL c(H2SO4)=0.10 molL-1的稀硫酸，应取浓硫酸多少毫升？,解：,设需取用浓硫酸的体积为V, 则：,配置溶液时，首先量取浓硫酸2.8 mL，将其缓缓加入约400 mL的蒸馏水中，然后在容量瓶中定容至500 m

7、L。,19,1.3.摩尔分数,摩尔分数 的物质的量与混合物总的物质的量之比。,(1-8),xB的量纲为1。,两组分体系中：,xA + xB=1,多组分体系中：,20,1.3.5 稀溶液中浓度换算的近似处理,i）两组分溶液，溶质B含量较少时：,(1-9),ii) 稀薄水溶液中：,当cB的单位为mol L-1，bB的单位为mol kg-1 时，二者数值近似相等。,21,1.4 稀溶液的通性,在难挥发的非电解质稀溶液中，溶液的某些性质仅与溶剂中溶质的独立质点数相关，而与溶质本身的性质无关，如溶液的蒸气压、沸点、凝固点和渗透压等，这类性质称为稀溶液的通性或依数性。包括：蒸气压下降、沸点升高、凝固点降低

8、和渗透压现象。,稀溶液：溶剂与溶质分子之间、溶质分子之间没有相互作用的溶液，为一种理想化的溶液模型。,稀溶液的通性：,22,1.4.1 溶液蒸汽压的下降,液体的蒸发,a 敞口容器,一定温度下，敞口容器中液体将不断蒸发至没有液体留下。,一定温度下，密闭容器中的液体随着蒸发进行，最终将达到液体蒸发与气体凝结的动态平衡状态，蒸气压力不再变化。,液体的饱和蒸汽压 在一定温度下，液体与其蒸气平衡时的蒸气压力为该温度下的液体的饱和蒸气压，简称蒸气压。,23,几种液体的蒸汽压曲线,蒸气压是液体的重要性质; 蒸气压随温度升高而增大。,24,在纯溶剂中加入一定量的难挥发溶质后，溶剂的摩尔分数下降，溶剂的表面动能

9、较高、能克服分子间引力进入气相的分子数目要比纯溶剂少。达到平衡时，溶液的蒸气压要比相同温度的纯溶剂饱和蒸气压低，该现象称为溶液的蒸气压下降。,溶液的蒸气压下降,25,拉乌尔定律（Roults Law ）,一定温度下，稀溶液的蒸气压等于纯溶剂饱和蒸气压与溶液中溶剂的摩尔分数的乘积。,(1-10),拉乌尔（Raoult F M，1830-1901），法国化学家，主要从事溶液的性质研究。,两组分体系中：,(1-10),一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降值与溶质的摩尔分数成正比。,表述1,表述2,26,稀溶液中：,一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降与溶质的质量摩尔浓度成正比。,(1

10、-11),表述3,27,拉乌尔定律的微观解释：,一定温度下纯溶剂的饱和蒸汽压：,纯溶剂中能进入气相的分子比例：,非电解质稀溶液中能进入气相的溶剂分子比例：,一定温度下非电解质稀溶液中溶剂的蒸汽压：,拉乌尔定律的适用范围：,非电解质,稀,溶液,28,1.4.2 溶液沸点的升高和凝固点的降低,沸腾与沸点,当液体的蒸气压与外压相等时，液体表面和内部同时发生气化现象，该过程被称为沸腾。此时的温度，称为液体的沸点。 通常液体的沸点是指其蒸气压等于101.325 kPa时的温度，称为正常沸点，也简称沸点。液体的沸点会随着外压的升高而升高。,溶液的沸点升高现象,难挥发非电解质稀溶液的蒸气压比纯溶剂要低，所以

11、在达到溶剂沸点时，溶液不能沸腾。为了使溶液沸腾，就必须使溶液的温度升高，加剧溶剂分子的热运动，以增加溶液的蒸气压。当溶液的蒸气压与外压相等时，溶液开始沸腾。显然此时溶液的温度应高于纯溶剂的沸点。,29,p=101.325kPa,Tb,p p,Tb,沸点升高示意图,难挥发物质的溶液的沸点总是高于纯溶剂的沸点， 对于难挥发非电解质的稀溶液： Tb = Tb Tb = kbbB (1-12) kb称为溶剂的沸点升高常数，单位为Kkgmol-1。,30,表1-4 几种常见溶剂的Tb和Kb,31,Question,例1-5 68.4g蔗糖(C12H22O11, M=342 gmol-1)溶于1000g水

12、中，计算该溶液的沸点。,解：,查表1-4，水的沸点为373.15K, 其沸点升高常数Kb=0.52 Kkgmol-1。,32,溶液的凝固点下降,凝固点,在p=101.325kPa的空气中，纯液体与其固相平衡的温度就是该液体的正常凝固点，也称为液体的冰点或固体的熔点。,溶液的凝固点降低,向一纯溶剂与其固相共存的平衡体系中加入溶质，则会引起溶剂的蒸气压下降，导致平衡破坏。对于固相，由于与之平衡的蒸气压要高于此时溶液的蒸气压，所以，此时必然有固相溶剂融化，降低溶液的浓度，以抵消加入溶质后所引起的液相蒸气压下降作用。而固相溶剂在融化中要吸收大量的热，所以在重新达到平衡过程中，整个系统的温度要降低，进而

13、引起固相溶剂和溶液上方蒸气压的下降。该现象被称为溶液的凝固点降低。,33,p,T,Tf,溶剂的气-固平衡线,Tf,凝固点降低示意图,溶液的凝固点总是低于纯溶剂的凝固点， 对于难挥发非电解质的稀溶液： Tf = TfTf= Kf bB Kf 称为溶剂的凝固点降低常数。, Kf只与溶剂性质有关; 同种溶剂的Kf 值Kb值。,34,表1-5 几种溶剂的Tf和Kf,35,Question,例1-6 从人尿中提取出一种中性含氮化合物，将90.0 mg 纯品溶解在12.0 g蒸馏水中，所得溶液的凝固点比纯水降低了0.233 K，试计算此化合物的摩尔质量。,解：,查表1-5得水的凝固点降低常数Kf =1.8

14、6 Kkgmol-1。,凝固点下降法常用于测定溶质的摩尔质量。,36,溶液的蒸汽压下降和凝固点降低的重要实例,低温体系的获得 与水产保鲜,道路的除冰作业,植物的抗旱与抗寒,37,1.4.3 溶液的渗透压,扩散与渗透,物质自发的由高浓度处向低浓度处迁移的现象称为扩散。物质粒子通过半透膜单向扩散的现象称为渗透 。,维持半透膜所隔开的溶液与溶剂之间的渗透平衡所需要的额外压力称为渗透压 。,渗透压,半透膜,渗透压现象既存在于半透膜所隔开的溶剂和溶液之间，也存在于不同浓度的溶液之间。渗透压相等的溶液被称为等渗溶液 。,38,德国植物学家 菲弗尔(Peffer W),荷兰理论化学家 范特霍夫 (Vant

15、Hoff J H),温度一定时，非电解质稀溶液的渗透压与溶质的物质的量浓度成正比；当溶液浓度一定时，渗透压与温度成正比。,渗透压公式：,为溶液的渗透压，SI单位为Pa； R为摩尔气体常数，为8.314 Jmol-1K-1； cB为溶质的物质的量浓度，SI单位为molm-3； T是体系的温度，单位为K。,39,Question,例1-7 有一蛋白质的饱和水溶液，每升含有蛋白质5.18g。已知在293.15 K时，溶液的渗透压为0.413 kPa。计算该蛋白质的摩尔质量。,解：,根据渗透压公式得：,40,难挥发非电解质稀溶液的某些性质（蒸气压下降、沸点升高与凝固点降低、渗透压）与一定量的溶剂中所含

16、溶质的物质的量成正比，而与溶质本性无关。这些性质被统称为稀溶液的依数性。,稀溶液的依数性,溶液浓度增大时，溶剂与溶质间的作用不可忽略；在电解质溶液中会发生离解、缔合等变化，上述关系也不在适用，必须加以校正。但可根据溶液中粒子的总数来定性比较不同溶液的蒸气压、沸点、凝固点及渗透压的相对大小。,但是：,41,1.5 胶体溶液,英国化学家 格雷厄姆 (18051869),胶体并非是一类特殊的物质，而是物质以一定的分散度存在的状态。胶体分散系是由粒径在10-910-7m的分散质组成的体系，分为胶体溶液和高分子溶液两大类。,胶体溶液又称为溶胶，其分散质是小分子、原子或离子所聚集而成的较大颗粒，为多相体系

17、；高分子溶液是高分子化合物所形成的均相真溶液。,42,1.5.1 固体在溶液中的吸附,1.表面能与比表面积,比表面积：单位体积分散质的总表面积，常用来衡量分散度。,随着分散过程的进行，分散质的颗粒变小，比表面积急剧增大。,s: 比表面积，单位: m-1; S: 分散质的总表面积，单位: m2； V: 分散质的体积，单位: m3 。,表面能：表面质点比内部质点所多出的能量。物质的表面积越大，其表面能也越高，体系越不稳定 。,43,液体和固体都有自动减少其表面能的趋势，凝聚和表面吸附是降低表面能的两种途径。,表面吸附,凝聚是指液体的小液滴聚集成大液滴的作用，直接结果是体系的表面积减小，表面能降低。

18、,吸附是指各种气体、蒸气以及溶液里的溶质被吸着在固体或液体表面上的作用。,具有吸附性的物质叫做吸附剂，被吸附的物质叫吸附质。该作用的实质是吸附剂对吸附质质点的吸引。吸附剂的吸附性则来自于其表面质点的剩余力场。,44,2.物理吸附和化学吸附,3.分子吸附和离子吸附,根据作用方式的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附。,物理吸附:吸附质与吸附剂以分子间作用力相吸引，作用力 较弱，为可逆过程，吸附剂与吸附质均不会发生性质上的改变。,化学吸附:吸附质与吸附剂以类似于化学键的力相互吸引，作用力较强，多数情况下为不可逆过程，吸附剂与吸附质会发生某些性质上的改变。,分子吸附:固体吸附剂对非电解质或弱电解质整个

19、分子的吸 附。,离子吸附:吸附剂对强电解质溶液中阴阳离子的吸附作用。可细分为离子选择性吸附与离子交换吸附。,45,46,1.5.2 胶团的结构,溶胶粒子为减小其表面能，会选择性吸附体系中的其它离子，导致其表面带电，带电表面又会通过静电引力与体系中带相反电荷的离子发生作用，形成双电层结构。,I-,I-,I-,(AgI)m,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,K+,I-,I-,I-,I-,I-,胶核,胶粒,胶团,吸附层,扩散层,(AgI)m ,胶核,nI- ,电位离子,(n-x) K+,反离子,x K+, x- ,反离子,胶粒,47,Cl,Cl,Cl,Cl,Cl,Cl,FeO,FeO,FeO

20、,FeO,FeO,FeO,FeO,FeO,Cl,Cl,48,丁铎尔效应：由于溶胶的高度分散性和多相不均匀性, 当一束波长大于溶胶分散相粒子尺寸的入射光照射到溶胶系统, 可发生散射现象丁铎尔现象。,1.5.3 胶体溶液的性质,1.溶胶的光学性质,49,2.溶胶的动力学性质,布朗运动可看做是分散相粒子对分散介质无规则热运动的反映。,50,3.溶胶的电学性质,在外加电场作用下，溶胶粒子在分散介质中的定向迁移现象。电泳现象表明胶体粒子是带电的。,分散介质在电场作用下发生定向移动的现象称为电渗。,51,溶胶粒子带电的原因,吸附作用,电离作用,(Fe(OH)3)mnFeO+ (n-x)Cl-x+ xCl-

21、 (As2S3)m nHS- (n-x)H+x- xH+,(H2SiO3)mnHSiO3- (n-x)H+x- xH+,52,1.5.4 溶胶的稳定性和聚沉,溶胶是热力学不稳定性体系。溶胶粒子不仅会在重力作用下发生沉降；而且，溶胶是一个高分散、高表面能的系统，胶粒之间有自发凝聚成大颗粒聚沉的趋势。,但实际上：,这是因为：,溶胶系统相当稳定。,溶胶具有动力学稳定性和聚结稳定性。,1. 溶胶的稳定性,53,胶粒的双电层结构与溶剂化膜的形成,溶胶在放置过程中不会发生分散质的相互聚结沉淀。,聚结稳定性,布朗运动,指溶胶粒子不会因重力作用而从分散剂中分离出来。,动力学稳定性,产生原因,含义,溶胶的稳定性

22、,溶胶的稳定性,54,2. 溶胶的聚沉,胶体分散系中分散质从分散剂中分离出来的过程称为聚沉。聚沉体现了胶体的不稳定性。长时间加热、溶胶浓度过高、加入大量强电解质都会使溶胶发生聚沉作用。,感胶离子序,带相同电荷的离子对溶胶聚沉能力大小的顺序。,Rb+K+Na+Li+,Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+,指一定时间内，使一定量的溶胶完全聚沉所需要的电解质的最低浓度。,聚沉值,将两种带有相反电荷的溶胶按适当比例相互混合使溶胶的互聚。,55,1.6 高分子溶液和乳浊液,1.6.1 高分子溶液,1.高分子溶液的特性,高分子溶液属胶体分散系，表现出某些溶胶的性质，如：不能透过半透膜、扩散速率慢 。,高分子化合物能稳定的分散在溶液中而形成溶液。除去溶剂后，再加入溶剂仍可溶解，因此高分子溶液是热力学稳定体系。,高分子溶液中溶质与溶剂之间无明显的相界面，丁铎尔效应不明显。高分子化合物具有很大的粘度，这与它的链状结构和高度溶剂化的性质有关。,56,2.高分子溶液的盐析和保护作用,高分子化合物的稳定来自于表面水化膜的存在。要使高分子化合物聚沉，除要中和掉高分子化合物所荷电荷外，最重要的是破坏其水化膜，因此，必须加