给水排水物理化学2010.修改.ppt

1、给水排水物理化学石国乐 张凤英 主编,中国建筑工业出版社,1、什么是物理化学？,物理化学是从物质的物理现象和化学现象的联系入手来探求化学变化及相关的物理变化基本规律的一门科学 -付献彩-,物理化学是研究化学学科中的原理和方法,研究化学体系行为最一般规律和理论的学科,是化学的理论基础。 -自然科学学科发展战略调研报告-,以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系的特殊规律的学科。 -中国大百科全书（唐有棋）-,以物理和数学为基础来研究化学反应、以及伴随化学反应所发生的物理现象。它是集物理、数学和化学于一体的一门学科，是用物理的模型，数学的方法来研究化学问题。,2、

2、物理化学课程的内容,1） 化学热力学 研究物质变化（pVT 变化、相变化、化学变化) 的能量效应和变化的方向与限度。 宏观层次（大量分子集合体）的规律,2） 化学动力学 研究各种因素对化学反应速率的影响规律及反应机理。 宏观或微观层次（大量分子集合体）的规律,4） 统计热力学 利用统计方法研究大量微观粒子的平均行为，求算系统的宏观性质。 从微观层次到宏观层次，联系量子化学和热力学、动力学的桥梁。,3） 量子化学 研究微观系统的运动状态。给出物质的性质与微观结构的关系。将量子力学原理应用于化学则构成了量子化学。 微观层次（单个分子）的规律,5） 界面性质与分散性质 当物质以一种以上聚集态共存在时

3、，在不同聚集态（相）间形成界面层。由于界面层上不对称力场的存在，产生了许多与本体相不同的新性质界面性质。 将物质分散成细小微粒构成高度分散的物质系统；将一种物质分散在另一种物质之中可形成非均相分散系统。 现代物理化学已从体相向表面相迅速发展。,3、如何学好物理化学,听课： 注重概念、深入思考、联系实际 看书： 考前突击对本课程几乎不起作用 练习和总结： 在练习中掌握，再总结中提高 注重概念、深入思考、及时总结、联系实际,4、有关课程的几点具体要求： 作业： 笔记： 到课率：,推荐参考书： 物理化学（环境类） 李文斌 物理化学 概念辨析 解题方法 范崇正等 物理化学（上、中、下） 胡英主编（华东

4、理工大学） 物理化学（上、下册） 朱文涛编 物理化学中的公式与概念 朱文涛编 物理化学 韩德刚 高执棣 高盘良（北大） Physical Chemistry Moore Physical Chemistry (sixth edition) Atkins 物理化学习题解答（上、下册） 王文清等编（北大）,第二节 基本概念,一、系统(System)与环境(surroundings),系统,环境,客观存在,系统分类 （1）敞开体系（2）封闭体系（3）孤立体系,例题：容器中进行如下化学反应：,这是什么体系？界面在什么位置？,如果上述反应是在恒容、绝热，不透光、不导 电的容器中进行，它又是什么体系？,二

5、、状态和状态函数,状态：系统宏观性质的总和。,状态函数：描述系统热力学性质的具体宏观参数。 如n,T,p,V是系统的状态性质。,对单组分封闭体系，系统具有两个独立变量。,状态函数的性质：,1、只取决于系统状态而与如何获得状态的过程无关，即它为单值函数。,重要应用：设计途径求解热力学问题状态函数法,3、凡是状态函数必须满足全微分。,2、环积分为零，即当系统经一系列变化后回到原来状态时，系统的性质不变。,三、过程与（过程的）途径,当系统和环境间发生物质或能量交换时，系统的性质随之发生变化，此时完成一个过程。,过程的分类,按照系统内部物质变化分类 简单物理过程：化学组成、聚集状态不变，只改变温度、压

6、力、体积等参数。 复杂物理过程：包括相变、混合等 化学过程：包括化学反应。,按照过程进行的条件分类,等温过程等压过程等容过程绝热过程循环过程,区分过程与变化,四、广度量和强度量,广度量：物质的量的一次齐次函数，也称广延性质或容量性质。,强度量：物质的量的零次齐次函数，也称强度性质或内定性质。,T、p、V,气体摩尔体积,第三节 热力学第一定律,功（W）：除热以外，系统和环境之间传递的一切能量。热、功都是过程量。,热（Q）：由于系统和环境之间存在的温度差而传递的能量。热是过程量。,一、热、功和内能的概念,内能（U）：系统内部储存的能量，它是状态函数。,二、热力学第一定律,例题： 现将下图所示的连通

7、器开关打开，使两种气体混合。若以整个连通器中的气体为体系？则此过程中做功为多少？传热为多少？热力学能的改变量为多少?,热力学第定律 ，只适用于 (A)单纯状状态化 (B)相变化 (C)化学变化 (D)封闭物系的任何变化,关于热和功，下面的说法中，不正确的是 (A) 功和热只出现于系统状态变化则过程中，只存在于系统和环境间的界面上 (B) 只有在封闭系统发生的过程中，功和热才有明确的意义 (C) 功和热不是能量，而是能量传递的两种形式，可称之为被交换的能量 (D) 在封闭系统中发生的过程中，如果内能不变，则功和热对系统的影响必互相抵消,例题 气体吸收4.35kJ的热，在直径为0.25m的活塞中，

8、反抗455kPa的恒外压移动15cm，求热力学能的变化量。,解 由题意知,三、可逆过程和最大功,可逆过程：当系统沿原路返回时系统和环境同时恢复到原来的性质的过程。,可逆过程的数学描述：,关于热力学可逆过程，下面的说法中不正确的是 (A)可逆过程不一定是循环过程 (B)在等温可逆过程中，系统做功时，系统损失的能量最小 (C)在等温可逆过程中，环境做功时，系统得到的功最小 (D)可逆过程中的任何一个中间态都可从正反两个方向到达,例题将n=2mol的H2气(设为理想气体)，分别经下列三个过程由状态298 K、2p 变到状态298 K、p ，请求这三个过程中气体对外界作的功。 (a)向具有与气体相同体

9、积的真空中自由膨胀； (b)气体始终对抗恒定外压(p外=p )等温膨胀； (c)气体无摩擦准静态恒温膨胀。,(a) 气体向真空膨胀，p外=0，故W=0，气体对外界不做功,平衡态满足的条件： 系统内部处于热平衡 系统内部处于力平衡 系统内部处于相平衡 系统内部处于化学平衡 可逆过程由一系列连续的平衡态形成。,仅当系统与环境之间存在界面或可以人为划定界面时，才能计算体积功。,四、恒容热，恒压热，焓 化学反应热,1、定义,2、与热力学函数的联系和区别,数值虽然相等，但各自属性不变。,凡是在孤立系统中进行的变化，其 和 的值一定是 (A) (B) (C) (D) 大于、小于或等于零不能确定,解：题目所

10、示的过程为,例2 p11 试设计由383K（即110）和101.325kPa，1kg水转变成水气时吸收的热量的计算步骤。,相变是物质的聚集状态发生变化的过程，,温度所对应的饱和蒸气压 压力所对应的沸点、凝固点等,如气化、液化、熔化、凝固、升华、凝华、固体晶形转变等。通常相变过程是在等温等压下进行的，且无非体积功存在，故相变热为无非体积功的等压热。,解：根据状态函数性质，设计的过程如下：,*五、热容,使系统升高单位温度所需的热。数学表达式为,1、温度区间的平均热容与真热容,2、热容随温度的变化,3、恒压热容与恒容热容的关系,推导：,4、理想气体恒压热容与恒容热容的关系,考题,例题 lmol理想气

11、体在100时由0.025m3恒温可逆膨胀至0.1m3，试计算Q、W、U及H。,解：因为理想气体的内能和焓只是温度的函数，温度不变内能和焓也不变。,第四节 热化学,热化学方程式：,2、恒压反应热与恒容反应热的关系,关于焓的性质，下列说法中正确的是 (A)焓是系统内含的热能，所以常称它为热焓 (B)焓是能量，它遵守热力学第一定律 (C)系统的焓值等于内能加体积功 (D)焓的增量只与系统的始末态有关,此式适用于哪一个过程： (A)理想气体从101325Pa反抗恒定的压力膨胀到 10132.5Pa (B)在0，101325Pa下，冰融化成水 (C)电解CuSO4的水溶液 (D)气体从(298K, 10

12、1325Pa)可逆变化到(373K, 10132.5Pa),解：反应后出现了气体，且,二、盖斯定律,在恒压或恒容下，化学反应无论是一步完成还是分几步完成，其热效应总是相同。,盖斯定律使用注意点,标准反应热,一定温度下，由各自处于标准态下的反应物生成处于标准态的产物时的焓变，称为标准反应热或称标准反应焓变。,标准生成热,在100kPa和一定温度下，由稳定单质生成1mol化合物B的标准摩尔焓变，称为物质B的标准摩尔生成焓，简称标准生成焓。,稳定单质的标准生成焓为零,2H2(g)+O2(g) 2H2O(g),与物质的生成热有关的表述中不正确的是 (A)标准状态下单质的生成热都规定为零 (B)化合物的

13、生成热一定不为零 (C)很多物质的生成热都不能用实验直接测定 (D)通常所使用的物质的标准生成热数据实际上都是相对值,标准摩尔反应焓变计算,反应：,2.离子生成热,在100kPa和一定温度下，由稳定单质生成1mol溶液中的离子焓变，称为离子标准摩尔生成焓，简称离子生成焓。,四、反应热与温度的关系（基尔霍夫公式）,解：根据,分析：设计如下过程,一、自发过程的不可逆性,第五节 热力学第二定律,2、可逆过程的热温商与熵函数 对于可逆热机(卡诺循环),可逆循环过程，如图将其分割为若干个可逆热机。,2、可逆过程的热温商与熵函数 对于可逆热机(卡诺循环),无限小的卡诺循环：,p,对任意可逆循环：,熵是表示

14、系统中微观粒子混乱度的一个热力学函数，其符号为S。系统的混乱度愈大，熵愈大。 熵是广度性质的状态函数。熵的变化只与始态、终态有关，而与途径无关。,公式可以理解为，虽然一般地讲，吸热Q不是状态函数，但是可逆吸热与环境温度之比却等于一个状态函数的增量。或者说，虽然Q与途径有关，但是可逆吸热与环境温度之比却与途径无关。,3、不可逆过程的热温商,推广到任意循环过程,根据Carnot定理,推广到任意循环过程,3、不可逆过程的热温商,热力学第二定律Clausius不等式,封闭系统可逆过程的热温熵等于系统熵变，不可逆过程热温熵小于系统熵变。,3、熵判据熵增加原理,新系统为孤立系统或绝热系统。,三、过程方向的

15、判据熵增加原理,1、绝热过程,2、孤立系统,关于熵的说法正确的是 (A)每单位温度的改变所交换的热为熵 (D)可逆过程熵变为零 (C)不可逆过程熵将增加 (D)熵与系统的微观状态数有关,在绝热条件下，迅速推动活塞压缩气筒内空气，此过程的熵变 (A)大于零 (B)小于零 (C)等于零 (D)无法确定,一个很大的恒温箱中放着一段电阻丝。短时通电之后，电阻丝的熵变 应为何值? (A)大于零 (B)小于零 (C)等于零 (D)不一定,四、物理变化中熵变的计算,1、系统温度变化时熵变的计算,等压过程,等容过程,2、理想气体等温过程的熵变,解：熵是状态函数，所以两过程的熵变相同。,3、相变过程的熵变,解：

16、设计可逆过程如下,单位是Jmol-1 K-1,同一物态的物质，其分子中的原子数目或电子数目越多，分子结构越复杂，它的熵值一般也越大。,同一种物质,对气体来说，压力加大时熵值减小；对液体和固体来说，压力改变时对它们的熵值影响不大。,温度升高时，熵值增加。如HCl的,298K,186.8; 500K,201.9; 1000K,222.8,/Jmol-1 K-1,反应：,3、化学反应的熵变,第六节 吉布斯函数和赫母赫兹函数,一、吉布斯函数 1、定义及其推导：,氢气和氧气在绝热钢瓶中生成水 (A) (B) (C) (D),氮气进行绝热可逆膨胀 (A) (B) (C) (D),二、吉布斯函数变的计算,反

17、应：,*三、亥母赫兹函数 1、定义及其推导：,物理意义：在等温、等容、可逆情况下系统的亥母赫兹函数的减小等于系统所做的最大功。 2、亥母赫兹函数判据：,四、热力学函数间的基本关系 1、热力学函数之间的关系,2、热力学函数间的基本关系,无非体积功时，,3、对应系数关系,第七节 偏摩尔量、化学势,关于偏摩尔量，下面的说法中正确的是 (A) 偏摩尔量的绝对值都可求算 (B) 系统的容量性质才有偏摩尔量 (C) 同一系统的各个偏摩尔量之间彼此无关 (D) 没有热力学过程就没有偏摩尔量 关于偏摩尔量，下面的叙述中不正确的是 (A) 偏摩尔量是状态函数，其值与物质的数量无关 (B) 系统的强度性质无偏摩尔

18、量 (C) 纯物质的偏摩尔量等于它的摩尔量 (D) 偏摩尔量的数值只能为整数或零,二、化学势及其应用,1、化学势的定义,定义偏摩尔吉布斯函数为化学势。,均相多组分体系的Gibbs公式（p47）,吉布斯函数判据对此式适用,2、化学势的某些应用 （1）相变过程,（2）化学变化过程,3、理想气体的化学势 (1)纯物质的化学势,(2)理想气体的化学势,*5.理想稀溶液,（1）溶剂化学势,（1）溶质化学势,第二章 化学平衡和相平衡第一节 化学反应等温式和化学反应的方向性,一、化学反应等温式及其应用 对任意化学反应：,讨论：1.反应达到平衡时，,反应商规则：,讨论：2.反应处于任意状态时，,等温方程,思考

19、：等温方程能否用于判断反应进行方向？,其他计算方法：,在273.15K, 202.650kPa下，水的化学势与冰的化学势之间的关系如何：,(A)前者高 (B)的者低 (C)相等 (D)不可比较,单一组分的过冷液体的化学势比其固体的化学势 (A)高 (B)低 (C)相等 (D)不可比较,对于化学平衡，以下说法中不正确的是,(A) 化学平衡态就是化学反应的限度 (B) 化学平衡时系统的热力学性质不随时问变化 (C) 化学平衡时各物质的化学势相等 (D) 任何化学反应都有化学平衡态,在等温等压下，当反应的 该反应能否进行？ (A)能正向自发进行 (B)能逆向自发进行 (C)不能判断 (D)不能进行,

20、理想气体反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的 与温度的关系为： 若要使反应的平衡常数 ，则应控制的反应温度： (A)必须低于409.3 (B)必须高于409.3K (C)必须低于409.3K (D)必须等于409.3K,*第二节 温度对平衡常数的影响等压方程,对于等温等压下的相变或化学反应有：,在等压条件下积分,如果系统中各物质均处于标准状态下,第三节 纯物质的两相平衡 克劳修斯克拉贝龙方程,一、克拉贝龙方程的推导,二、克劳修斯克拉贝龙方程,相律：研究平衡体系中相数、独立组分数与描述该平衡体系的变数之间的关系。 相图：表示多相体系的状态如何随温度、浓度、压力等变量因素变化而改变的图形

21、。,第四节 相律和相图,一、名词解释,(2)自由度（独立变量）f：描述体系状态所需的独立变量，这些独立变量在一定范围内变化而不导致体系中相数的变化，即无新相生成或旧相消失。,相数：体系中相的个数。溶液、气体、固体,(3) 相律 设体系中有S个物种，个相平衡共存。则描述体系相平衡性质的变量有T，p以及每一种物质在个相中的浓度，即,R的求法：R=S-M（ S M ） S：物种数 M：组成物质的化学元素种类数,表示平衡体系中各相组成所需的最少独立物种数,二、单组分系统相图水的相图 1、相律分析与相图结构,3.曲线的斜率，冰点,冰点：由液态水转变为固态水的温度点。图中有无数个。,三、水盐二组分系统相图

22、 1、相律分析与相图结构,对于相律，下列的陈述中正确的是 (A)相律不适用于有化学反应的多相系统 (B)影响相平衡的只有强度因素 (A)自由度为零意味着系统的状态不变 (D)平衡的各相中，系统包含的每种物质都不缺少时相律才正确,CaCO3(s)，CaO(s)，BaCO3(s)，BaO(s) 及CO2(g)构成的平衡物系，其组分数为 (A)2 (B)3 (C)4 (D)5,一单相体系，如果有3种物质混合组成，它们不发生化学反应，则描述该系统状态的独立变量数应为 (A)3个 (B)4个 (C)5个 (D)6个,*第五节 分配定律及其应用,一、分配定律,二、分配定律应用计算萃取过程的效率,每次用体积

23、VA的萃取A，从含溶质m0、体积VB的溶液B中萃取溶质。,残留在溶液B中 的质量,第六节 拉乌尔定律和亨利定律,一、拉乌尔定律和理想溶液 拉乌尔定律：在一定温度下，稀溶液中溶剂的蒸气压pA等于纯溶剂的蒸气压PA*乘以溶液中溶剂的物质的量分数xA。,理想溶液：若溶液中的任一组分在全浓度范围内严格服从拉乌尔定律的溶液。,二、亨利定律 在一定温度下，稀溶液中溶质的蒸汽分压与溶质的物质的量分数成正比。,亨利定律使用注意事项：p75,低压下；稀溶液 两相同形；不解离,气体分别适用 常数的单位,STP： 0，101.325kPa；1mol ，V=22.4L 0时，在标准压力下近似为STP,已知373K时液

24、体A的饱和蒸气压为133.24kPa，液体B的饱和蒸气压为66.62kPa。设A和B形成理想溶液，当溶液中A的物质的量分数为0.5时，在气相中A的物质的量分数为 (A)1 (B)l2 (C)23 (D)13,在300K时，液体A与B部分互溶形成和两个平衡相。在相中A的物质的量为0.85，纯A的饱和蒸气是22kPa，在相中B物质的量为0.89。将两层液相视为稀溶液，则A的亨利常数为 (A) 25.88kPa (B) 200kPa (C) 170kPa (D) 72l.2kPa,第三章 电化学,电化学：研究化学现象与电现象之间相互转化的一门学科。 研究对象：电化学装置、化学能与电能相互转化的规律。

25、电解质溶液的导电性。 环境工程中的应用：电解法处理废水、水质分析与测定。,一. 电解质溶液导电机理,a. 电极上发生反应 阳极 氧化反应 阴极 还原反应 +) 电池反应 b. 离子的定向移动,二. 法拉第电解定律,第一节 电解质溶液的导电机理及法拉第定律,离子的定向迁移速率及其影响因素p80 电场强度 电场强度越大速度越大。为了比较迁移能力一般使用淌度 离子电荷数 电荷数越大速度越大。 溶液粘度 粘度越大速度越小。离子运动受阻。 溶液浓度 浓度越大速度越小。离子氛影响 溶液温度 温度越高速度越大。离子运动加速；粘度减小。,第二节 电导、电导率、摩尔电导率、电导测定和应用,3、电导的测定及其应用

26、 方法原理：平衡电桥法测定电导池的电阻。,电导应用 水中含盐量 电导滴定,第三节 可逆电池反应的电势,电功最大非体积功,Pt ,1、氢电极,2、复合玻璃电极 (SiO2-Na2O-CaO),3、离子选择性电极,4、甘汞电极,0.2415V,甘汞电极电极电势,饱和溶液 饱和甘汞电极,标准甘汞电极,0.2807V,0.3337V,四、电势的测定与应用,单位长度的电压降： 待测电池的电动势为：,测定,应用 1、pH值电位测定法,2、电位滴定,第四节 不可逆电极过程,记录 电流数值 电压数值,一、分解电压等几个概念,对电解池：当外加电压到分解电压时，电解开始。 对电极：当电极电势达到对应离子的“析出电

27、势”时，电极反应开始。,对某种电解质溶液实施电解时，使电解能进行所需的最小电压叫分解电压。分解电压超出原电池电动势的数值叫超电压。,对应于分解电压的两个电极的电极电势叫析出电势。析出电势超出相应电极电势的数值叫超电势。,对电解池：当外加电压到分解电压时，电解开始。 对电极：当电极电势达到对应离子的“析出电势”时，电极反应开始。,IR欧姆降 浓差极化 电化学极化,延迟放电 2H+2e=2H 延迟复合 2H=H2,产生超电压（势）的原因：极化,二、电解产物的析出顺序,阴极反应（还原反应） Mn+ne=M 2H+2e=H2,析出电势由高到低,阳极反应（氧化反应） M=Mn+ne 2X-=X2+2e,

28、析出电势由低到高,金属在阴极上的超电势除锌(0.02一0.03V)及铁、钻、镍之外，其他的超电势很小，可用理论电极电势代替。,阴极大致规律：H+在K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+的溶液中析出氢气，其余析出金属。,阳极大致归律： 含氧酸根一般不放电，一般析出氧气。 电解卤化物、硫化物，一般析出卤素、硫。 存在可溶解金属，金属溶解。,锌先析出,氯先析出,第五节 电解过程在水处理中的应用,第四章 表面现象,界面：任意两相的约几个分子厚度的过渡区。若其中一相为气体，这种界面通常称为表面。,表面现象（界面现象）：在界面上所发生的一切物理化学现象。它是由于表面上的分子与内部分子所处的环境不同而导

29、致。,第一节 比表面、表面吉布斯函数和表面张力,比表面 单位体积或单位质量的物质所具有的表面积。用S表示。,表面吉布斯函数和表面张力 表面张力（）：沿着物体表面，垂直作用于单位长度上的紧缩力。,BACK,第二节 表面热力学,高度分散的系统，其吉布斯函数为,BACK,润湿定义,液体滴到固体上，能在固体表面铺展成一层薄层，习惯上称该固体能被液体润湿；,第三节 润湿现象和浮选,一、液体对固体表面的润湿作用,润湿的量度：润湿角（接触角）,在g、l、s三相交界处，g - l界面与l - s界面之间（包含液体）的夹角。,讨论： （1）润湿，900，G0。 结论：二者均自发。,二、液体和气体对固体表面的润湿

30、,在亲水物体表面：气体收缩，液体铺展。 在憎水物体表面：气体铺展，液体收缩。 接触角互补。 应用：选矿、油水分离,BACK,第四节 气体在固体表面的吸附,吸附：物质在相界面上浓度发生自动变化的过程。 吸附平衡： 吸附量：在一定温度下，达到吸附平衡时，单位质量的吸附剂所吸附的被吸附物质的多少。,一、物理吸附与化学吸附,物理吸附：固体表面分子与气体分子的吸附力是范德华力。,化学吸附：固体表面分子与气体分子的吸附力是化学键。在吸附过程中可有电子转移、原子重排、化学键的破坏和形成等，化学吸附类似于化学反应。,二、等温吸附规律,对封闭系统吸附量不仅与吸附剂和被吸附物质的本性有关，还与系统的温度及压力等有

31、关。当吸附剂和吸附质一定时，吸附量可表示为：,几种吸附等温线,1、Freundlich吸附公式,：吸附量，cm3/g k，n是与温度、体系有关的常数。,2、Langmuir吸附等温式,假设： (1)单分子层吸附 (2) 被吸附分子之间无相互作用 (3) 固体表面是均匀的，各处吸附能力相同 (4) 吸附平衡是动态平衡,这公式称为 Langmuir吸附等温式。,达到平衡时，吸附与脱附速率相等。,BACK,解：根据公式,3、B.E.T吸附等温式,(Brunauer-Emmett-Teller) 勃劳纳尔-爱密特-泰勒,假定： 每一层吸附质均按Langmuir单层处理 (2) 第一层吸附焓Hads与吸

32、附质、吸附剂有关 (3) 后续各层的吸附焓等于凝聚焓Hcon， 即Hcon = H2 = H3 = H4 = H5 = H6 = ,BET吸附等温式,截距,斜率,B.E.T常数C A分子截面积 W固体质量,比表面积,V：给定压力下的吸附体积 Vm：单分子层的表面吸附体积 p0：实验温度下液体的饱和蒸气压,N2：16.2 2,一 溶液的表面张力和表面活性物质,溶液的存在表面张力 影响溶液表面张力的物质 纯液体的表面张力，在一定压力温度下是定值。,溶液表面张力随溶液浓度,NaCl、Na2SO4等无机盐 醇类、有机酸、醛类、醚类、酯类等 表面活性物质,第五节 溶液表面,表面活性物质,A、结构,2.非

33、离子型,表 面 活 性 剂,1.离子型,阳离子型,阴离子型,两性型,B、类型,二、特洛贝规则,正脂肪酸、醇类、醛类、等短烃链的表面活性剂，其同系物的表面张力几乎相等。 在稀溶液中，对有机酸或醇类化合物中，每增加一个CH2基，表面张力的降低近似地满足以下规律,在同系物的稀溶液中，欲使表面张力降低一样多所需溶液的浓度因分子每增加一个CH2基可以减少2/3。,BACK,三、 吉布斯吸附等温式,物理意义是：在单位面积的表面层中，所含溶质的物质的量与具有相同数量溶剂的本体溶液中所含溶质的物质的量之差值。,吉布斯指出一定温度下，溶液表面吸附量与溶液浓度、溶液表面张力的关系,BACK,BACK,第五章 胶体

34、化学第一节 分散系统及其分类,一、分散系的基本概念,一种或几种物质分散在另一种物质中所构成的体系叫分散系统。被分散的物质称为分散相，另一种连续相的物质，即分散相存在的介质称为分散介质。,珍珠,分散系统分类（按分散相粒子大小）,BACK,也可依据分散相和分散介质聚集状态的不同分类：,按胶体溶液的稳定性分类：,憎液溶胶 亲液溶胶,憎液溶胶,半径在1 nm100 nm之间的难溶物固体粒子分散在液体介质中，有很大的相界面，易聚沉，是热力学上的不稳定体系。,一旦将介质蒸发掉，再加入介质就无法再形成溶胶，是 一个不可逆体系，如氢氧化铁溶胶、碘化银溶胶等。,这是胶体分散体系中主要研究的内容。,形成憎液溶胶的

35、必要条件,（1）分散相的溶解度要小；,（2）还必须有稳定剂存在，否则胶粒易聚结而聚沉。,BACK,第二节 胶体制备与纯化,纯化,渗析法,电渗析法,BACK,第三节 胶体的特性,一、胶体的光学性质,Tyndall效应（乳光效应）,本质是光散射，散射强度,在暗室里，将一束聚集的光投射到溶胶上，在与入射光垂直的方向上，可观察到一个发亮的光锥。,粒子的直径与波长 当粒子粒径 波长时，发生光的反射； 当粒子粒径 波长时，发生光的散射 不是越大越容易产生丁铎尔效应,2. Rayleigh公式,I ：散射光强 ； I0 : 入射光强； V ：单个粒子的体积； V ：单位体积中的粒子数； ：入射光波长 l :

36、 观测距离； n1 : 分散相的折射率； n2：分散介质的折射率； K : 常数,BACK,应用：乳光计、 浊度计,二、胶体的动力学性质,溶胶中的分散相粒子作不停息的无规则的运动.,1.Brown(布朗)运动,Einstein(爱因斯坦),p133（53）,扩散：有浓度梯度存在时，物质粒子因热运动而发生宏观上的定向迁移,2、沉降与沉降平衡,布朗运动,不占优势,占优势,p134（58）,重力沉降速度,沉降平衡,重力沉降,Perrin公式,BACK,溶胶实验发现： 外电场的作用下，固、液两相可发生相对运动 反过来，外力作用下，固、液两相相对运动又产生电势差 溶胶这种与电势差有关的相对运动称为电动现

37、象，包括：电泳、电渗、流动电势和沉降电势。,三、胶体的电学性质,1. 电泳 在电场的作用下，胶体粒子的定向移动。,溶胶粒子与一般离子定向移动的速度数量级接近，而溶胶粒子的质量约为一般离子的1000倍胶粒所带电荷的数量应是一般离子所带电荷的1000倍,2. 电渗：在电场的作用下，溶胶粒子不动（如将其吸附固定于棉花或凝胶等多孔性物质中），而液体介质做定向流动。,电场力 粒子 介质 非电场力 电泳 动 静 沉降电势 电渗 静 动 液流电势,电 动,电 动,从带刻度的毛细管4上读出数值,BACK,第四节 憎液溶胶胶胶团结构、电势,一、胶粒的扩散双电层结构,例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI

38、 过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式 ：,若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。,胶团构造示意图,若无相同离子，则首先吸附水化能力较弱的负离子，所以自然界中的胶粒大多带负电，如泥浆水、豆浆等都是负溶胶。,BACK,二、 动电势电势,要点：由于静电吸引作用和热运动，靠近固体表面的反离子呈扩散状态分布在溶液中，并非整齐地排列在一个平面上。 紧靠固体表面过剩的反离子浓度最大，相应的固体表面上的电势 ，即为热力学电势。,古依和查普曼,动电势：可动层至溶液本体间的电势差称为 电势.,d.处于等电点的粒子是不带电的, 电泳, 电

39、渗的速度也必然为零, 溶胶非常易于聚沉.,电位具有以下几方面的意义： a.胶粒带电程度的标志 值越大，胶粒带电量越大。,当=0时，胶粒处于等电状态。在等电状态，紧密层中的反离子电荷等于表面吸附离子的电荷。 b.胶粒的带电性质的标志图中1与3反号，表明两种状态下胶粒所带电荷的符号相反。,c.反映扩散层的厚度值增大，则扩散层变厚；反之，则扩散层变薄。,BACK,聚沉: 憎液溶胶中分散相微粒互相聚结构, 颗粒变大, 进而发生沉淀的现象. 加热, 辐射或加入电解质皆可导致溶胶的聚沉.,三种溶胶聚沉. (左)Al(OH)3; (中)Fe(OH)3; (右)Cu(OH)2,第五节 憎液溶胶的聚沉,（1）

40、聚沉能力主要取决于于胶体粒子带相反电荷的离子。并近似满足舒尔茨-哈代规则：若反离子的价数为一价二价三价，其聚成值的比为,相当于,相同电荷的离子也有一定影响，价数越高，聚成能力越低。,（2）同价离子，有感胶离子序。,正离子的聚沉能力：,负离子的聚沉能力：,原因：正离子水化能力强负离子水化能力弱,二、混合电解质对溶胶聚沉的影响 对抗现象 敏化现象,三、胶体相互作用,将电性相反的溶胶互相混合，也会发生聚沉。与电解质聚沉不同之处在于必须使得两种溶胶的电荷完全中和，才能完全聚沉。,四、高分子絮凝剂的应用,高分子化合物对溶胶聚沉和保护作用示意图,相对分子量很大的线型聚合物，可以是离子型的, 也可以是非离子

41、型的。如聚丙烯酰胺及其衍生物。,BACK,具有聚沉能力的原因 搭桥效应: 一个长碳链的高聚物分子可以同时吸附在许多个分散相微粒上, 通过“搭桥”把胶粒联结在一起, 引起聚沉。 脱水效应: 高聚物分子由于亲水作用强, 其溶解与水化作用使胶粒脱水, 失去水化外壳而聚沉。 电中和效应: 离子型高聚物吸附在带电的胶粒上而中和了胶粒的表面电荷, 使粒子间的斥力势能降低, 而使溶胶聚沉.,第六节 乳状液和泡沫,一.乳状液 乳状液：由两种不互溶或部分互溶的液体所形成的粗分散系统. 如牛奶, 含水石油, 炼油厂的废水, 乳化农药等. 乳化作用：油水互不相溶，只有加入乳化剂才能得到比较稳定的乳状液，乳化剂的这种作用称为乳化作用，常用的乳化剂多为表面活性剂，某些固体也能起乳化作用。 乳状液的类型：水包油型，符号O/W。 油包水型，符号W/O。 复乳型，符号W/O/W 微小水滴分散在油中，再分散在水中,“大头”朝外形成两种类型的乳状液,如K, Na等碱金属皂类. 但一价的银肥皂例外,如Ca, Mg, Zn等两价金属皂类,乳化剂的作用,哈金斯定楔型形理论,（1）降低界面张力 （2）形成定向楔的界面,固体粉末的稳定作