無機及分析化學(xué)第一章 氣體和溶液

1、第一章第一章 氣體和溶液氣體和溶液 學(xué)習(xí)要求 1. 掌握理想氣體狀態(tài)方程及其應(yīng)用。 2. 掌握道爾頓分壓定律。 3. 理解稀溶液的依數(shù)性及其應(yīng)用。 4. 熟悉溶膠的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、穩(wěn)定性及聚沉 作用。 5. 了解大分子溶液與凝膠。 物質(zhì)的聚集狀態(tài) ?氣態(tài)氣體 ?液態(tài)液體 ?固態(tài)固體 液晶態(tài)物質(zhì)的第四態(tài)或中介態(tài)，液體和晶態(tài)之間， 自發(fā)有序仍能流動的狀態(tài)（有序流體有序流體）。 等離子態(tài)物質(zhì)原子內(nèi)的電子在高溫下脫離原子核的吸引 而形成帶負(fù)電的自由電子和帶正電的離子共存 的狀態(tài)。由于此時物質(zhì)正、負(fù)電荷總數(shù)仍然相 等，因此叫做等離子態(tài)（又叫等離子體）。 描述氣體狀態(tài)的物理量 物理量 單 位 壓力 p 帕斯卡

2、 Pa (Nm -2 ) 體積 V 立方米 (m 3) 溫度 T 開爾文 (K) 物質(zhì)的量 n 摩爾 (mol) 1.1 氣 體 1.1.1 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 1. 理想氣體 定義：分子本身不占體積，分子間沒有相互作用力的氣體。 ? 理想氣體分子間的作用力忽略不計。分子與分子之間、 分子與器壁之間的碰撞，是完全彈性碰撞-無動能損失。 ? 理想氣體分子本身占有的體積忽略不計 ,將分子看成有質(zhì) 量的幾何點。 嚴(yán)格意義上的理想氣體實際上是不存在的。但對實際氣 體來說，只要溫度不是太低（高溫,高于273K），壓力不 是太高（低壓,低于數(shù)百kPa ），都可以近似用理想氣體 狀態(tài)方程作有關(guān)

3、p、V、T、n 的計算。 2. 理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 理想氣體的溫度（T）、壓力（p）、體積(V)和物質(zhì)的 量（n）之間, 具有如下的方程式關(guān)系： pV = nRT 在SI制中，pPa，Vm 3，TK，nmol。 標(biāo)準(zhǔn)狀況（p=101.325 kPa ，T=273.15 K）下，1 mol 氣 體的標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積為 22.41410-3 m3，摩爾氣體常數(shù) R的 單位及數(shù)值為: 533 1.01325 1022.414 10 1273.15 pVPam R nTmolK ? ? ? ? 311 8.3145 Pa mKmol ? ? 11 8.3145 J Kmol ? ? 理想氣體

4、狀態(tài)方程的表示方法理想氣體狀態(tài)方程的表示方法 pVnRT? m pVRT M ? pMRT? mRT M pV ? 摩爾質(zhì)量的計算 分壓力pi： 某一組分氣體對器壁產(chǎn)生的（施加的）壓力 叫該組分氣體的分壓力 pi。 道爾頓分壓定律： 某一組分氣體的分壓力等于該氣體單獨占有 該容器時產(chǎn)生的壓力。 1.1.2 道爾頓分壓定律 * 分壓力與總壓力的關(guān)系 假如容器中有1, 2, 3, 等多種氣體，則： p= p1 + p2 + p3 +=pi= nRT/V (總壓力等于分壓力之和) （理想氣體方程也適合混合氣體） pi= n iRT/V pi = xi p (其中：xi = ni/ n稱作摩爾分?jǐn)?shù))

5、混合氣體中各組分的摩爾分?jǐn)?shù)之和等于1 ii pn pn ? * 只有理想氣體才嚴(yán)格遵守道爾頓分 壓定律，實際氣體只有在低壓和高溫 下，才近似地遵守此定律。 1.2.1 分散系 (1) 什么是什么是“分散系分散系”？ 一種或幾種物質(zhì)以細(xì)小的粒子分散在另一種物質(zhì)里一種或幾種物質(zhì)以細(xì)小的粒子分散在另一種物質(zhì)里 所形成的系統(tǒng) 分散質(zhì) (分散相) 分散劑（分散介質(zhì)） 1.2 溶 液 被分散 起分散作用 a)a)分子或離子分散系-真溶液（單相體系）： 0.11 nm ( 10 -6 m), 例如：泥漿水(懸濁液）、牛奶、豆 漿等。肉眼或在顯微鏡下可觀察到微粒，靜置易沉淀，是一種 不穩(wěn)定的體系。 (2) 三

6、種常見的分散系 相與界面 相（phase）：體系中物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)完全相同的部分。 相界面（簡稱界面，interface ）：將相與相分隔開來的部分。 ? 相與相之間在指定的條件下具有明確的界面，在界面兩邊體 系的性質(zhì)會有突躍變化。處于界面上的原子或分子的受力情況 與相內(nèi)部的不同，往往存在剩余引力，具有界面能。一般來說， 體系中存在的界面越多，能量就越高，體系也越不穩(wěn)定。 鐵粉和硫磺粉 汽 水 冰 油 水 汽 注意： (1) 不論有多少種氣體組分都只有一個相（即氣相）。這種 只有一個相的體系稱為單相體系或均勻體系。 (2) 除固溶體（固體溶液）外，每一種固態(tài)物質(zhì)即為一個相， 體系中有多少種固

7、態(tài)物質(zhì)即有多少相。含有兩個或多個 相的體系稱為多相體系或非均勻體系。 (3) 液態(tài)物質(zhì)視其互溶程度通?？梢允且幌啵ɡ缢c酒精 的混合物）、兩相（例如水和油的混合物）、甚至三相 共存（例如水、油和汞的混合物）。 (4) 單相體系中不一定只有一種組分物質(zhì)（例如氣體混合物 即由多種物質(zhì)所組成）；同一種物質(zhì)也可因聚集狀態(tài)的 不同而形成多相體系（例如水、水蒸氣和冰三相共存）； 聚集狀態(tài)相同的物質(zhì)在一起也不一定就是單相體系（例 如油水分層的液態(tài)體系有兩相）。 ? 分子或離子分散體系 ? 單相 ? 按聚集狀態(tài)：氣態(tài)溶液、液態(tài)溶液、固態(tài)溶液 1.2.2 稀溶液的通性 溶液 (1) 溶液的一般概念 ? 溶解：

8、溶質(zhì)均勻分散于溶劑中的過程。 ? 是個既有化學(xué)變化，又有物理變化的復(fù)雜過程。 ? 常伴隨：顏色變化，體積變化，能量變化。 (2) 溶解過程與溶液的形成 (3) 溶解度的概念 單位溶劑中最多能溶解的溶質(zhì)的量溶解度 溶解度與溫度、壓力等因素有關(guān)。 (4) 相似相溶原理 溶劑與溶質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)相似，就能較好地相互溶解。 (5) 溶液濃度的表示方法 ? 質(zhì)量分?jǐn)?shù) ? (無量綱) ? 摩爾分?jǐn)?shù) x (無量綱) ? 質(zhì)量摩爾濃度 b (mol kg -1) ? 質(zhì)量濃度 (g L -1) ? 物質(zhì)的量濃度 c (mol L -1或mol dm-3) 常用溶液濃度的表示方法 名名 稱稱 定定 義義 數(shù)學(xué)表達(dá)數(shù)

9、學(xué)表達(dá) 式式 單位 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 溶質(zhì)A的質(zhì)量mA與溶 液質(zhì)量m之比值 無量綱量 摩爾分?jǐn)?shù) 物質(zhì)A的物質(zhì)的量(nA) 與混合物的物質(zhì)的量 ( )之比 無量綱量 質(zhì)量摩爾濃度 溶質(zhì)A的物質(zhì)的量(nA) 除以溶劑的質(zhì)量(mB) mol/kg (SI) 質(zhì)量濃度 溶質(zhì)A的質(zhì)量(mA)除 以溶液的體積(V) 常用g/L 或g/mL 物質(zhì)的量濃度 溶質(zhì)A的物質(zhì)的量(nA) 除以混合物的體積(V) 常用mol/L 或mmol/L A m m ? A A i i n x n ? ? / AB bnm? / A mV? / A cnV? ii n? 難揮發(fā)非電解質(zhì)稀溶液的依數(shù)性 (Colligative prop

10、erties of dilute solutions) 與溶解有關(guān)的性質(zhì)分為兩類： (1) 溶液的顏色、比重、導(dǎo)電性等性質(zhì)，與溶質(zhì)的本性有關(guān)； (2) 溶液的蒸氣壓、沸點、凝固點等性質(zhì)，與溶質(zhì)的本性無關(guān)。 稀溶液的依數(shù)性稀溶液的依數(shù)性： 只與溶液的濃度有關(guān)，而與溶質(zhì)的本性無關(guān)的性質(zhì)。 ? 只有溶質(zhì)的濃度低，即所謂“稀溶液”才具有依數(shù)性。 ? 依數(shù)性來源于分散微粒間距離遠(yuǎn)，作用力小。 通常所說的“依數(shù)性”，包括四個方 面： ? 蒸氣壓下降 (The lowering of the vapor pressure) ? 沸點升高 (The elevation of the boiling point

11、) ? 凝固點降低 (The depression of the freezing point) ? 滲透壓 (The phenomenon of osmotic pressure) ? 什么是物質(zhì)的飽和蒸氣壓？ ? 什么是溶液的飽和蒸氣壓？ ? “溶液的蒸氣壓下降”是什么意思？ ? 為什么溶液的蒸氣壓會下降？ ? 溶液的蒸氣壓下降多少由什么決定？ 1. 溶液的蒸氣壓下降溶液的蒸氣壓下降 蔗蔗 糖糖 溶溶 液 水水 放置一段時間后，水自動轉(zhuǎn)移到糖水中去。放置一段時間后，水自動轉(zhuǎn)移到糖水中去。 蔗蔗 糖 溶溶 液液 水水 ？ ？ 氣化（蒸發(fā)）：液體表面能量較大的分子，克服分子間的引 力，逸出液體

12、表面進(jìn)入液體上面的空間。 凝聚：氣相中的分子，可能與液體表面發(fā)生碰撞，并被周圍 的液體分子所吸引，重新回到液相。 飽和蒸氣壓：當(dāng)：凝聚速度 = 蒸發(fā)速度 達(dá)到平衡，此時 的蒸氣壓為一定值，稱為飽和蒸氣壓。 飽和蒸氣壓飽和蒸氣壓 1) 純?nèi)軇┑娘柡驼魵鈮杭內(nèi)軇┑娘柡驼魵鈮?在密閉容器中，在純?nèi)軇┑膯挝槐砻嫔希瑔挝粫r間 里，有N0 個分子蒸發(fā)到上方空間中。 隨著上方空間里溶劑分子個數(shù)的增加，分子凝聚回 到液相的機會增加。 上方空間里溶劑分子個數(shù)逐漸增加，密度增加，壓力 也增加。 這時起，上方空間里溶劑分子的個數(shù)不再改變，蒸氣 的密度也不再改變，保持恒定。 當(dāng)密度達(dá)到一定數(shù)值時，凝聚的分子的個數(shù)也達(dá)

13、到N0個。 此時，蒸氣的壓力也不再改變。 這個壓力稱為該溫度下溶劑的飽和蒸氣壓，用p p0表示。 蒸 發(fā) 液體 氣體 凝 聚 達(dá)到平衡后，若使蒸氣壓小于 p0，則平衡右移，液體氣化； 若使蒸氣壓大于p0，則平衡左移，氣體液化。 p0 p0 2) 溶液的飽和蒸氣壓溶液的飽和蒸氣壓 溶液中，作為溶劑的那種物質(zhì)所具有的飽和蒸 氣壓（分壓力）。 溶液的飽和蒸氣壓同樣與溫度密切相關(guān)(表1-1)： 溶劑的表面 溶液的表面 難揮發(fā)溶質(zhì)的分子 溶劑分子 實驗測定25oC， 水的飽和蒸氣壓： pH2O= 3167.7Pa; 0.5mol/kg糖水的蒸氣壓： pH2O= 3135.7Pa； 1.0mol/kg糖水

14、的蒸氣壓： pH2O= 3107.7Pa。 結(jié)論： 溶液的蒸氣壓比純?nèi)軇┑停?溶液濃度越大，蒸氣壓下降越多。 3) “ 溶液的蒸氣壓下降”是什么意思？ 同一溫度下，溶液的蒸氣壓比純?nèi)軇┑恼魵鈮阂。?它們之間的差值，叫“溶液的蒸氣壓下降”。 4) 為什么溶液的蒸氣壓會下降？ 當(dāng)溶質(zhì)分散于溶 劑之中，溶液表面的 部分位置，被溶質(zhì)分 子所占據(jù)，使得單位 表面所能逸出的溶劑 的分子個數(shù)減少，因 此溶液蒸氣壓較之純 溶劑有所降低。 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 過程開始時，水和糖水均以蒸發(fā)為主。 當(dāng)蒸氣壓等于 p 時， 糖水與上方蒸氣達(dá)到平衡。 實驗現(xiàn)

15、象的解釋實驗現(xiàn)象的解釋 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 由于 p0 p，此時水并未與蒸氣達(dá)到平衡， 水將繼續(xù)蒸發(fā)，致使蒸氣壓大于 p。 于是水蒸氣分子開始凝聚到糖水中。 這又使得蒸氣壓不能達(dá)到 p0 ? ? ? ? ? ? 于是， H2O 分子從水中蒸出而凝聚入糖水。 6) 溶液的蒸氣壓下降多少？ 拉烏爾定律（Raoults Law) (1887年提出，拉烏爾法國物理學(xué)家) 在一定溫度下，稀溶液的飽和蒸氣壓等于純?nèi)軇┑娘柡?蒸氣壓與溶劑的摩爾分?jǐn)?shù)之積。 p = p0?x劑 用?p 表示稀溶液飽和蒸氣壓下降值，則有 ? p = p0 p = p0 p0?x劑 故有 ? p = p0? x

16、質(zhì) p: 純?nèi)軇┱魵鈮号c稀溶液蒸氣壓之差 對于稀溶液： n質(zhì) 320mmol/L 低滲溶液：滲透濃度 Cos280mmol/L O ? ? ? ? ? ? ? ? O O O O O ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? O O O O O ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? O O O O O O O O O O O O O O O O O O ? 紅細(xì)胞在不同溶液中的變化 (a) 等滲溶液 (b) 低滲溶液 (c) 高滲溶液 。水分子 溶質(zhì)分子 溶血 細(xì)胞萎縮 例例5 今有某中藥提取液 1000mL，測得其凝固點為，測得其凝固點為 272.57K，欲將其配成注

17、射液，需加入多少克葡 萄糖調(diào)節(jié)等滲？ (已知血漿凝固點為 272.44K，Kf,H2O=1.86Kkg mol -1) 解：b 中 = ?Tf,中/Kf = (273-272.57)/1.86 = 0.43/1.86 b 血 = ?Tf,血/Kf，溶液濃度稀時， c ? b f OHC OHC K T V M m n 血 溶液 中 ? ? ? 6126 6126 86. 1 44.2720 .273 1000 1000 18086. 1 43. 0 6126 ? ? ? OHC m mC6H12O6 = 12.6(g) 滲透現(xiàn)象在生物的生命過程中起著 十分重要的作用 稀溶液的依數(shù)性 ? 蒸氣壓

18、下降 ? 沸點升高 ? 凝固點降低 ? 滲透壓 bb TK b? ff TK b? ? = cRT ? bRT pK b? f b bf T Tp b KKKRT ? ? ? 1.3 膠體溶液膠體溶液( (自學(xué)自學(xué)) ) 膠體的種類： 按分散介質(zhì)（分散劑）的不同，常把膠體分為溶膠 和氣溶膠兩大類。 溶膠： 指一定大小的固體顆粒分散在溶劑中所形成的溶液。 其質(zhì)點一般在1100 nm之間，溶劑大多數(shù)為水，少數(shù) 為非水溶劑。 溶膠的基本特征：多相性、高分散性和熱力學(xué)不穩(wěn)定性 應(yīng)用： 膠體溶液在藥劑學(xué)中應(yīng)用甚廣，尤其動、植物藥在制 劑過程中更與膠體溶液有密切關(guān)系。 動物藥材中含有各種蛋白質(zhì)及許多高分子物質(zhì)，其中 有的就是要提取的有效成分，有的雖然不是有效成分，