第1章 物质的聚集状态

1、1,第一章 物质的聚集状态 Collective State of Matter,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,2,学习要求 1.了解分散系的分类及主要特征。 2.掌握理想气体状态方程式和气体分压定理。 3.掌握稀溶液的通性及其应用。 4.熟悉胶体的基本概念、结构及其性质等。 5.了解高分子溶液、表面活性物质、乳浊液 的基本概念和特征,无机及分析化学 第一章,3,分散系（disperse system）: 由一种或多种物质 分散在另一种物质中形成的混合体系,分散相(dispersion phase)

2、 分散系 分散介质(dispersion medium) 分散相和分散介质以是固体、液体或气体,1.1 分散系,无机及分析化学 第一章,4,表 1-1 按聚集状态分类的各种分散系 分 散 质 分 散 剂 实 例 气 气 空气、家用煤气 液 气 云、雾 固 气 烟、灰尘 气 液 泡沫、汽水 液 液 牛奶、豆浆、农药乳浊液 固 液 泥浆、油漆、墨水 气 固 泡沫塑料、木炭、浮石 液 固 肉冻、硅胶、珍珠 固 固 红宝石、合金、有色玻璃,无机及分析化学 第一章,5,无机及分析化学 第一章,表 1-2 按分散相粒子大小分类的各种分散系 分散相 分散系类型 分散相 主要性质 粒子直径/nm 100 乳浊

3、液 分子的大集合体 多相,不稳定,扩散很慢 悬浮液 颗粒不能透过滤纸,胶体分散系,溶液,粗分散系,6,相：系统中任何一个均匀的部分称为一个相，在同 一相内具有相同的物理性质和化学性质。 单相系统：只含有一相，是均匀的。 多相系统：多于一相的系统叫多相系统。 说明：相与组分不同，相与物态不同，通常两相 之间有明确的界面分开 气态混合物均为一（单）相。液态混合物视互溶 与否分一、二、三相。 固态混合物有多少种纯固体物质，即有多少相,无机及分析化学 第一章,7,1.2气体,1.2.1 理想气体状态方程,p 气体的压力 ，单位为Pa V 气体的体积，单位为m3 n 气体的物质的量，单位为mol R 摩

4、尔气体常数，8.314Jmol-1L-1 T 气体的热力学温度，单位为K,压力不太高、温度不太低，体积和分子间的作用力可以忽略,适用条件,无机及分析化学 第一章,8,1.2.2 道尔顿分压定律,由于在通常条件下，气体分子间的距离大，分子间的作用力很小，所以气体具有两大特征，即扩散性和可压缩性，任何气体都可以均匀充满它所占据的容器。 如果将几种彼此不发生化学反应的气体放在同一容器中，各种气体如同单独存在时一样充满整个容器。 分压力：在相同温度下，混合气体中某组分气体单独占有混合气体的容积时所产生的压力,无机及分析化学 第一章,9,分压定律(law of partial pressure):混合气

5、体 的总压等于组成混合气体的各组分 气体的分压之和,p 气体的总压 pB 组分气体B的分压,1-2,无机及分析化学 第一章,10,1-2a,1-2b,两式相除，得,1-3,将组分气体B的摩尔分数xB=nB/n代入，得,1-4,无机及分析化学 第一章,11,1-5,将式(1-5)代入式(1-3)，得,1-6,在同温同压状态下,无机及分析化学 第一章,分压定律只适用于理想气体混合物，但对压力不太高的真实混合气体，在温度不太低的情况下也可以使用,12,外加例题：在250C与101 kPa 压力下，已知丁烷气中 有1.00%(重量)的H2S , 求: H2S 和C4H10 的分压力,解：设现有1 公斤

6、丁烷气，则其中,n(H2S),n(C4H10),P(H2S),P(C4H10 ),13,广义地说，两种或两种以上的物质均匀混合而且彼此呈现分子（或离子）状态分布者均称为溶液,溶液的浓度：是指一定量溶液或溶剂中所含溶质的量。 由于“溶质的量”可取物质的量、质量、体积，溶液的量可取质量、体积，溶剂的量常可取质量、体积等，所以在实际生活中我们所遇到的浓度的表示方法是多种多样的,1.3溶液浓度的表示方法,14,1.3.1 物质的量浓度 cB 溶质B的物质的量浓度 ，单位为molL-1 nB 溶质B的物质的量，单位为mol V 混合物的体积，单位为L,无机及分析化学 第一章,1-7,15,注意: 使用物

7、质的量单位mol时，要指明物质的基本单元,例： c(KMnO4)=0.10molL-1 c(1/5KMnO4)=0.10molL-1的两个溶液。 两种溶液浓度数值相同，但是，它们所表示1 L溶 液中所含KMnO4的质量是不同的，前者15.8克， 后者为3.16克,无机及分析化学 第一章,16,1mol H3PO4与3mol (1/3 H3PO4 )的基本单元和基本单元数是否相同？质量是否也相同？摩尔质量比是多少,Question,17,无机及分析化学 第一章,1.3.2 质量摩尔浓度,bB 溶质B的质量摩尔浓度，单位为molkg-1 nB 溶质B的物质的量，单位为mol mA 溶剂A的质量，单

8、位为kg,质量摩尔浓度与温度无关,1-8,18,无机及分析化学 第一章,1.3.3 质量分数,mB 物质B的质量 m 混合物的质量 B的质量分数，量纲为1,摩尔分数,1-9,19,例】：在常温下取NaCl饱和溶液10.00cm3，测得其质量为12.003g，将溶液蒸干，得NaCl固体3.173g。求：（1）NaCl饱和溶液的质量分数，（2）物质的量浓度，（3）质量摩尔浓度，（4）饱和溶液中NaCl和H2O的摩尔分数,2) NaCl饱和溶液的物质的量浓度为,解：(1) NaCl饱和溶液的质量分数为,20,3) NaCl饱和溶液的质量摩尔浓度为,4）NaCl饱和溶液中,21,无机及分析化学 第一章

9、,1.3.4 几种溶液浓度之间的关系,1. 物质的量浓度与质量分数 cB 溶质B的量浓度 溶液的密度 溶质B的质量分数 MB 溶质B的摩尔质量,22,无机及分析化学 第一章,2物质的量浓度与质量摩尔浓度,cB 溶质B的物质的量浓度 溶液的密度 m 溶液的质量 nB 溶质B的物质的量,若系统为二组分系统，且B组分含量较少，可认为,23,无机及分析化学 第一章,例 已知浓硫酸的密度1.84gmL-1,含硫酸为96.6%， 如何配制c(H2SO4)=0.10molL-1的硫酸溶液500mL,解：根据题意, 则有： 根据 C(B)V= C(B)V 则有 所以需量取2.8mL浓硫酸，将浓硫酸慢慢加入40

10、0 mL左右的蒸馏水中，然后稀释至500mL,24,无机及分析化学 第一章,1.4 稀溶液的通性,对于难挥发的非电解质稀溶液而言，他们具 有一些共同的通性，或者称为依数性(colligative property) : 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溶液中溶质的独立质点数 有关，而与溶质的本身性质无关,25,无机及分析化学 第一章,1.4.1 溶液蒸气压的下降,饱和蒸气压（saturated vapor pressure）,简称蒸气压(po) ：将一种纯液体（纯溶剂）置于一个密封 容器中，当蒸发速率与凝聚速率相 等时，液体上方的蒸气所具有的压 力称为溶剂在该温度下

11、的饱和蒸气 压。用符号 po表示,在纯溶剂中加入难挥发的物质以后，达平衡时，p总是小于同 T 下的po ，即溶液的蒸气压下降。蒸气压下降值p = pop,26,p po，c 越大，p 越小， po - p的差值也越大,纯溶剂,溶液,蒸汽压下降的原因,27,无机及分析化学 第一章,拉乌尔定律,p =poA,法国物理学家拉乌尔(Roult F M) 在1887年总结出一条关于溶液蒸气压的规律。 p 溶液的蒸气压，单位为Pa； po 纯溶剂的饱和蒸气压，单位为Pa； A 溶剂的摩尔分数,28,无机及分析化学 第一章,由于 A十Bl，即 Al一B 所以 p = po（1-B）=po-poB po-p

12、= poB p = po-p = poB p 溶液蒸气压的下降值，单位为Pa B 溶质的摩尔分数 结论 : 在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液 的蒸气压的下降值与溶质的摩尔分数成 正比。拉乌尔定律,29,沸点（bp） 液体的蒸气压等于外界压力时，液体 就会沸腾，此时的温度称为该液体的沸点。 凝固点（fp）物质的液相蒸气压力和固相蒸气压力相等时的温度,1.4.2 溶液沸点升高和凝固点下降,30,无机及分析化学 第一章,图 11 溶液的沸点升高凝固点降低示意图,31,无机及分析化学 第一章,Tb = KbbB Tb溶液沸点的变化值，单位为K或； bB溶质的质量摩尔浓度，单位为molkg-1; Kb

13、溶液沸点上升常数，单位为Kkgmol-1或 kgmol-1, Kb只与溶剂的性质有关，而与 溶质的本性无关。不同的溶剂有不同的Kb 值,32,无机及分析化学 第一章,Tf 溶液凝固点下降值，单位为K或； bB溶质的质量摩尔浓度，单位为mo1kg-1； Kf 溶液凝固点下降常数，单位为Kkgmol-1 或 kgmol-1。 Kf只与溶剂的性质有关，而与 溶质的本性无关,TfKfbB,33,冰和盐混合物常用作制冷剂：冰的表面总附有少量水，当撒上盐后，盐溶解在水中形成溶液，由于溶液蒸气压下降，使其低于冰的蒸气压，冰就要融化。随着冰的融化，要吸收大量的热，于是冰盐混合物的温度就降低。采用NaCl和冰，

14、温度最低可降到-22，用CaCl26H2O和冰最低可降到-55。 凝固点下降还可用来测定作为溶质的未知物的相对分子质量,溶液凝固点下降的应用,34,无机及分析化学 第一章,思考题：难挥发的非电解质稀溶液在不断沸腾时， 它的沸点是否恒定？在冷却过程中它的凝固点是 否恒定,否；不断沸腾的过程中，溶质浓度不断发生变化，由于依数性与溶液中溶质的质量摩尔浓度有关，因此，浓度的改变会使沸点不断发生变化。对于凝固点也是同理,35,无机及分析化学 第一章,用测凝固点的方法来估算溶质的相对分子质量。 例 有一质量分数为1.0%的水溶液,测得其凝固 点为273.05K计算溶质的相对分子质量。 解： 根据公式：Tf

15、=KfbB 则有 所以有,36,无机及分析化学 第一章,即mB/mA1.0% 所以溶质的相对分子质量为183,由于该溶液的浓度较小，所以 mA+mBmA,37,无机及分析化学 第一章,1.4.3 溶液的渗透压,渗透(osmosis)：由物质粒子通过半透膜单向扩散的 现象。 半透膜(semipermeable membrane)：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,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,38,无机及分析化学 第一章,图1-2 渗透压示意图,渗透压(osmosis pressure)：为维持只允许溶剂通过的 膜所隔开的溶液与

16、纯溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力,39,无机及分析化学 第一章,溶液的渗透压，单位为Pa cB溶液的浓度，单位为mo1L-1 R气体常数，为8.31kPaLmol-1K-1 T体系的温度，单位为K,V = nBRT即 = cBRT,40,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,P,依此 可实现溶液的浓缩和海水的淡化,渗 透,反渗透,41,渗透压平衡与生命过程的密切关系： 给患者输液的浓度； 植物的生长； 人的营养循环,42,无机及分析化学 第一章,即该蛋白质的相对分子质量为30569,例 有一蛋白质的饱和水溶液，每升含有蛋 白质5.18克，已知在298.15K时,溶

17、液的渗透压为 413Pa,求此蛋白质的相对分子质量。 解：根据公式 =cBRT,测定溶液渗透压，也能估算溶质的相对分子质量,43,无机及分析化学 第一章,稀溶液定理（依数性定律）： 难挥发、非电解质稀溶液的某些性质(蒸气 压下降、沸点上升、凝固点下降和渗透压)与一 定量的溶剂中所含溶质的物质的量成正比，而与 溶质的本性无关。 思考题：稀溶液的各项通性，为什么不适用于浓 溶液和电解质,44,无机及分析化学 第一章,表 1-4 NaCl和HAc溶液的凝固点下降,45,无机及分析化学 第一章,1.5 胶体溶液,溶胶 （如Fe(OH)3胶体和As2S3胶体等） 高分子溶液（淀粉溶液和蛋白质溶液等,胶体

18、分散系,46,无机及分析化学 第一章,1.5.1 分散度和表面吸附,分散系的分散度(dispersion degree):物质的分散 程度，分散质粒子越小，分散程度越大。常用比 表面积(specific surface)来衡量。 s分散质的比表面积，单位是m-1 S分散质的总表面积，单位是m2 V分散质的体积，单位是m3,47,表面能: 液体或固体表面粒子比内部粒子多出的这部分能量,系统的分散度越高，比表面积越大，表面能就越高，系统就越不稳定，因此液体和固体都有自动降低表面自由能的能力。表面吸附是降低表面能的有效手段之一,无机及分析化学 第一章,48,无机及分析化学 第一章,1.5.2 胶团的

19、结构,图 1-3 KI过量时形成的AgI胶团结构示意图,例：稀AgNO3与过量的稀KI溶液反应制备AgI溶胶,胶体是一个高度分散的系统，胶体粒子的总表面积非常大，因而具有很高的吸附能力，并能选择性地吸附异性电荷的离子,49,无机及分析化学 第一章,AgI胶团结构简式,AgI)m nI- （n-x）K+ x- xK+ 胶核 电位离子 反离子 反离子 吸附层 扩散层 胶粒 胶团,思考题：如果AgNO3过量，那么其胶团结构式如何表示,50,例: 在AgNO3 稀溶液中加入少量的 KI 稀溶液,无机及分析化学 第一章,（AgI)m nAg+ （n-x）NO3-x+ xNO3- 胶核 电位离子 反离子

20、反离子 吸附层 扩散层 胶粒 胶团,51,无机及分析化学 第一章,氢氧化铁、三硫化二砷和硅胶的胶团结构简式可表示如下,Fe(OH)3)mnFeO+(n-x)Cl-x+xCl- (As2S3)mnHS-(n-x)H+x-xH+ (H2SiO3)mnHSiO3-（n-x）H+X-xH+ 注意 :在制备胶体时,一定要有稳定剂存在。通 常稳定剂就是在吸附层中的离子,胶粒带电，胶团不带电 （电中性,52,无机及分析化学 第一章,1.5.3 胶体溶液的性质,光学性质（丁达尔效应） 溶胶的动力学性质（布朗运动） 溶胶的电学性质 （电泳,胶体溶液的性质,53,无机及分析化学 第一章,1.5.4 溶胶的稳定性和

21、聚沉,1. 溶胶的稳定性 动力学稳定性 布朗运动 胶粒的双电层结构 溶胶的聚结稳定性 溶剂化膜,54,无机及分析化学 第一章,2. 溶胶的聚沉 聚沉(coagulation) ：胶体分散系中的分散相从 分散介质中分离出来的过程。 影响溶胶聚沉的因素主要有： （1）电解质对溶胶的聚沉作用 （2）溶胶的互聚,胶体的聚沉是不可逆的,55,无机及分析化学 第一章,电解质对溶胶的聚沉作用 电解质的聚沉能力 ：用聚沉值的大小来表示。 聚沉值 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。 电解质的聚沉值 ，聚沉能力 。 电解质的聚沉值 ，聚沉能力 。 例：Fe(OH)3正溶胶： 聚沉能力

22、：K3Fe(CN)6 MgSO4 NaCl,56,无机及分析化学 第一章,带负电溶胶 ： 聚沉能力：Rb+K+Na+Li+ 结论 （1）与胶粒所带电荷相反的离子电荷越高， 对溶胶的聚沉作用就越大。 （2）随着离子半径的减小，离子的聚沉能 力减弱,As2S3负溶胶： 聚沉能力：AlCl3MgSO4KNO3,57,无机及分析化学 第一章,溶胶的互聚 两种带有相反电荷的溶胶按适当比例相互混合， 溶胶同样会发生聚沉。 例： 明矾净水作用。 天然水中胶态的悬浮物大多带负电，明 矾在水中水解产生的Al(OH)3溶胶带正电，它们 相互聚沉而使水净化,58,无机及分析化学 第一章,1.6 高分子溶液和乳状液,1.6.1 高分子溶液 （1）高分子溶液