无机及分析化学第一章 气体和溶液

1、第一章第一章 气体和溶液气体和溶液 学习要求 1. 掌握理想气体状态方程及其应用。 2. 掌握道尔顿分压定律。 3. 理解稀溶液的依数性及其应用。 4. 熟悉溶胶的结构、性质、稳定性及聚沉 作用。 5. 了解大分子溶液与凝胶。 物质的聚集状态 ?气态气体 ?液态液体 ?固态固体 液晶态物质的第四态或中介态，液体和晶态之间， 自发有序仍能流动的状态（有序流体有序流体）。 等离子态物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引 而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存 的状态。由于此时物质正、负电荷总数仍然相 等，因此叫做等离子态（又叫等离子体）。 描述气体状态的物理量 物理量 单 位 压力 p 帕斯卡

2、 Pa (Nm -2 ) 体积 V 立方米 (m 3) 温度 T 开尔文 (K) 物质的量 n 摩尔 (mol) 1.1 气 体 1.1.1 理想气体状态方程理想气体状态方程 1. 理想气体 定义：分子本身不占体积，分子间没有相互作用力的气体。 ? 理想气体分子间的作用力忽略不计。分子与分子之间、 分子与器壁之间的碰撞，是完全弹性碰撞-无动能损失。 ? 理想气体分子本身占有的体积忽略不计 ,将分子看成有质 量的几何点。 严格意义上的理想气体实际上是不存在的。但对实际气 体来说，只要温度不是太低（高温,高于273K），压力不 是太高（低压,低于数百kPa ），都可以近似用理想气体 状态方程作有关

3、p、V、T、n 的计算。 2. 理想气体状态方程理想气体状态方程 理想气体的温度（T）、压力（p）、体积(V)和物质的 量（n）之间, 具有如下的方程式关系： pV = nRT 在SI制中，pPa，Vm 3，TK，nmol。 标准状况（p=101.325 kPa ，T=273.15 K）下，1 mol 气 体的标准摩尔体积为 22.41410-3 m3，摩尔气体常数 R的 单位及数值为: 533 1.01325 1022.414 10 1273.15 pVPam R nTmolK ? ? ? ? 311 8.3145 Pa mKmol ? ? 11 8.3145 J Kmol ? ? 理想气体

4、状态方程的表示方法理想气体状态方程的表示方法 pVnRT? m pVRT M ? pMRT? mRT M pV ? 摩尔质量的计算 分压力pi： 某一组分气体对器壁产生的（施加的）压力 叫该组分气体的分压力 pi。 道尔顿分压定律： 某一组分气体的分压力等于该气体单独占有 该容器时产生的压力。 1.1.2 道尔顿分压定律 * 分压力与总压力的关系 假如容器中有1, 2, 3, 等多种气体，则： p= p1 + p2 + p3 +=pi= nRT/V (总压力等于分压力之和) （理想气体方程也适合混合气体） pi= n iRT/V pi = xi p (其中：xi = ni/ n称作摩尔分数)

5、混合气体中各组分的摩尔分数之和等于1 ii pn pn ? * 只有理想气体才严格遵守道尔顿分 压定律，实际气体只有在低压和高温 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”？ 一种或几种物质以细小的粒子分散在另一种物质里一种或几种物质以细小的粒子分散在另一种物质里 所形成的系统 分散质 (分散相) 分散剂（分散介质） 1.2 溶 液 被分散 起分散作用 a)a)分子或离子分散系-真溶液（单相体系）： 0.11 nm ( 10 -6 m), 例如：泥浆水(悬浊液）、牛奶、豆 浆等。肉眼或在显微镜下可观察到微粒，静置易沉淀，是一种 不稳定的体系。 (2) 三

6、种常见的分散系 相与界面 相（phase）：体系中物理性质和化学性质完全相同的部分。 相界面（简称界面，interface ）：将相与相分隔开来的部分。 ? 相与相之间在指定的条件下具有明确的界面，在界面两边体 系的性质会有突跃变化。处于界面上的原子或分子的受力情况 与相内部的不同，往往存在剩余引力，具有界面能。一般来说， 体系中存在的界面越多，能量就越高，体系也越不稳定。 铁粉和硫磺粉 汽 水 冰 油 水 汽 注意： (1) 不论有多少种气体组分都只有一个相（即气相）。这种 只有一个相的体系称为单相体系或均匀体系。 (2) 除固溶体（固体溶液）外，每一种固态物质即为一个相， 体系中有多少种固

7、态物质即有多少相。含有两个或多个 相的体系称为多相体系或非均匀体系。 (3) 液态物质视其互溶程度通常可以是一相（例如水与酒精 的混合物）、两相（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) 单相体系中不一定只有一种组分物质（例如气体混合物 即由多种物质所组成）；同一种物质也可因聚集状态的 不同而形成多相体系（例如水、水蒸气和冰三相共存）； 聚集状态相同的物质在一起也不一定就是单相体系（例 如油水分层的液态体系有两相）。 ? 分子或离子分散体系 ? 单相 ? 按聚集状态：气态溶液、液态溶液、固态溶液 1.2.2 稀溶液的通性 溶液 (1) 溶液的一般概念 ? 溶解：

8、溶质均匀分散于溶剂中的过程。 ? 是个既有化学变化，又有物理变化的复杂过程。 ? 常伴随：颜色变化，体积变化，能量变化。 (2) 溶解过程与溶液的形成 (3) 溶解度的概念 单位溶剂中最多能溶解的溶质的量溶解度 溶解度与温度、压力等因素有关。 (4) 相似相溶原理 溶剂与溶质的分子结构相似，就能较好地相互溶解。 (5) 溶液浓度的表示方法 ? 质量分数 ? (无量纲) ? 摩尔分数 x (无量纲) ? 质量摩尔浓度 b (mol kg -1) ? 质量浓度 (g L -1) ? 物质的量浓度 c (mol L -1或mol dm-3) 常用溶液浓度的表示方法 名名 称称 定定 义义 数学表达数

9、学表达 式式 单位 质量分数 溶质A的质量mA与溶 液质量m之比值 无量纲量 摩尔分数 物质A的物质的量(nA) 与混合物的物质的量 ( )之比 无量纲量 质量摩尔浓度 溶质A的物质的量(nA) 除以溶剂的质量(mB) mol/kg (SI) 质量浓度 溶质A的质量(mA)除 以溶液的体积(V) 常用g/L 或g/mL 物质的量浓度 溶质A的物质的量(nA) 除以混合物的体积(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? 难挥发非电解质稀溶液的依数性 (Colligative prop

10、erties of dilute solutions) 与溶解有关的性质分为两类： (1) 溶液的颜色、比重、导电性等性质，与溶质的本性有关； (2) 溶液的蒸气压、沸点、凝固点等性质，与溶质的本性无关。 稀溶液的依数性稀溶液的依数性： 只与溶液的浓度有关，而与溶质的本性无关的性质。 ? 只有溶质的浓度低，即所谓“稀溶液”才具有依数性。 ? 依数性来源于分散微粒间距离远，作用力小。 通常所说的“依数性”，包括四个方 面： ? 蒸气压下降 (The lowering of the vapor pressure) ? 沸点升高 (The elevation of the boiling point

11、) ? 凝固点降低 (The depression of the freezing point) ? 渗透压 (The phenomenon of osmotic pressure) ? 什么是物质的饱和蒸气压？ ? 什么是溶液的饱和蒸气压？ ? “溶液的蒸气压下降”是什么意思？ ? 为什么溶液的蒸气压会下降？ ? 溶液的蒸气压下降多少由什么决定？ 1. 溶液的蒸气压下降溶液的蒸气压下降 蔗蔗 糖糖 溶溶 液 水水 放置一段时间后，水自动转移到糖水中去。放置一段时间后，水自动转移到糖水中去。 蔗蔗 糖 溶溶 液液 水水 ？ ？ 气化（蒸发）：液体表面能量较大的分子，克服分子间的引 力，逸出液体

12、表面进入液体上面的空间。 凝聚：气相中的分子，可能与液体表面发生碰撞，并被周围 的液体分子所吸引，重新回到液相。 饱和蒸气压：当：凝聚速度 = 蒸发速度 达到平衡，此时 的蒸气压为一定值，称为饱和蒸气压。 饱和蒸气压饱和蒸气压 1) 纯溶剂的饱和蒸气压纯溶剂的饱和蒸气压 在密闭容器中，在纯溶剂的单位表面上，单位时间 里，有N0 个分子蒸发到上方空间中。 随着上方空间里溶剂分子个数的增加，分子凝聚回 到液相的机会增加。 上方空间里溶剂分子个数逐渐增加，密度增加，压力 也增加。 这时起，上方空间里溶剂分子的个数不再改变，蒸气 的密度也不再改变，保持恒定。 当密度达到一定数值时，凝聚的分子的个数也达

13、到N0个。 此时，蒸气的压力也不再改变。 这个压力称为该温度下溶剂的饱和蒸气压，用p p0表示。 蒸 发 液体 气体 凝 聚 达到平衡后，若使蒸气压小于 p0，则平衡右移，液体气化； 若使蒸气压大于p0，则平衡左移，气体液化。 p0 p0 2) 溶液的饱和蒸气压溶液的饱和蒸气压 溶液中，作为溶剂的那种物质所具有的饱和蒸 气压（分压力）。 溶液的饱和蒸气压同样与温度密切相关(表1-1)： 溶剂的表面 溶液的表面 难挥发溶质的分子 溶剂分子 实验测定25oC， 水的饱和蒸气压： pH2O= 3167.7Pa; 0.5mol/kg糖水的蒸气压： pH2O= 3135.7Pa； 1.0mol/kg糖水

14、的蒸气压： pH2O= 3107.7Pa。 结论： 溶液的蒸气压比纯溶剂低， 溶液浓度越大，蒸气压下降越多。 3) “ 溶液的蒸气压下降”是什么意思？ 同一温度下，溶液的蒸气压比纯溶剂的蒸气压要小， 它们之间的差值，叫“溶液的蒸气压下降”。 4) 为什么溶液的蒸气压会下降？ 当溶质分散于溶 剂之中，溶液表面的 部分位置，被溶质分 子所占据，使得单位 表面所能逸出的溶剂 的分子个数减少，因 此溶液蒸气压较之纯 溶剂有所降低。 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 过程开始时，水和糖水均以蒸发为主。 当蒸气压等于 p 时， 糖水与上方蒸气达到平衡。 实验现

15、象的解释实验现象的解释 蔗 糖 溶 液 水 蔗 糖 溶 液 水 由于 p0 p，此时水并未与蒸气达到平衡， 水将继续蒸发，致使蒸气压大于 p。 于是水蒸气分子开始凝聚到糖水中。 这又使得蒸气压不能达到 p0 ? ? ? ? ? ? 于是， H2O 分子从水中蒸出而凝聚入糖水。 6) 溶液的蒸气压下降多少？ 拉乌尔定律（Raoults Law) (1887年提出，拉乌尔法国物理学家) 在一定温度下，稀溶液的饱和蒸气压等于纯溶剂的饱和 蒸气压与溶剂的摩尔分数之积。 p = p0?x剂 用?p 表示稀溶液饱和蒸气压下降值，则有 ? p = p0 p = p0 p0?x剂 故有 ? p = p0? x

16、质 p: 纯溶剂蒸气压与稀溶液蒸气压之差 对于稀溶液： n质 320mmol/L 低渗溶液：渗透浓度 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 ? 红细胞在不同溶液中的变化 (a) 等渗溶液 (b) 低渗溶液 (c) 高渗溶液 。水分子 溶质分子 溶血 细胞萎缩 例例5 今有某中药提取液 1000mL，测得其凝固点为，测得其凝固点为 272.57K，欲将其配成注

17、射液，需加入多少克葡 萄糖调节等渗？ (已知血浆凝固点为 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，溶液浓度稀时， 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) 渗透现象在生物的生命过程中起着 十分重要的作用 稀溶液的依数性 ? 蒸气压

18、下降 ? 沸点升高 ? 凝固点降低 ? 渗透压 bb TK b? ff TK b? ? = cRT ? bRT pK b? f b bf T Tp b KKKRT ? ? ? 1.3 胶体溶液胶体溶液( (自学自学) ) 胶体的种类： 按分散介质（分散剂）的不同，常把胶体分为溶胶 和气溶胶两大类。 溶胶： 指一定大小的固体颗粒分散在溶剂中所形成的溶液。 其质点一般在1100 nm之间，溶剂大多数为水，少数 为非水溶剂。 溶胶的基本特征：多相性、高分散性和热力学不稳定性 应用： 胶体溶液在药剂学中应用甚广，尤其动、植物药在制 剂过程中更与胶体溶液有密切关系。 动物药材中含有各种蛋白质及许多高分子物质，其中 有的就是要提取的有效成分，有的虽然不是有效成分，