第一章 气体和溶液.

1、无机及分析化学无机及分析化学生命科学学院生命科学学院李美茹李美茹主要参考书：主要参考书： 无机化学无机化学 ，黄可龙主编，科学出版社，黄可龙主编，科学出版社，2007 无机化学无机化学，周德凤、袁亚莉主编，中华，周德凤、袁亚莉主编，中华科技大学出版社，科技大学出版社，2007 无机化学无机化学第三版，天津大学无机化学教第三版，天津大学无机化学教研室编，高等教育出版社，研室编，高等教育出版社，2002 气体的最基本特征：气体的最基本特征： 具有可压缩性和扩散性。具有可压缩性和扩散性。 人们将符合理想气体状态方程的气体，人们将符合理想气体状态方程的气体，称称为理想气体为理想气体。 理想气体分子之间

2、没有相互吸引和排斥，理想气体分子之间没有相互吸引和排斥，分子本身的体积相对于气体所占有体积完全分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略。可以忽略。第一章第一章 气体和溶液气体和溶液 1.体积体积(volume)（V）：）： 国际单位：立方米（国际单位：立方米（m3）1 m3103L 103dm32.压强压强(pressure)（P）：）： 国际单位：帕斯卡（国际单位：帕斯卡（Pa）1标准大气压（标准大气压（atm）=1.013105Pa3.温度温度(temperature)（T）：）： 国际单位：开尔文（国际单位：开尔文（K）摄氏温度摄氏温度tT273.15 在不受外界影响的条件下，系统

3、宏观性质均在不受外界影响的条件下，系统宏观性质均匀一致、不随时间变化，这样的状态叫做平衡态。匀一致、不随时间变化，这样的状态叫做平衡态。处于平衡态且质量一定的气体，它的状态可以用处于平衡态且质量一定的气体，它的状态可以用一组（一组（P,V,T）值来表示。在）值来表示。在P-V图上气体的某一图上气体的某一平衡态可以用一确定点来表示。平衡态可以用一确定点来表示。),(TVppV),(TVp*o平衡态的特点：平衡态的特点：（1）单一性（）单一性（ 处处相等）处处相等）;,P T（2）物态的稳定性）物态的稳定性 与时间无关；与时间无关；（3）是自发过程的终点；）是自发过程的终点；（4）热动平衡（有别于

4、力平衡）；）热动平衡（有别于力平衡）；（5）气体的体积、压强和温度是描述气体特征）气体的体积、压强和温度是描述气体特征的物理量，他们都是的物理量，他们都是宏观量宏观量。而组成气体的分子。而组成气体的分子都具有各自的都具有各自的 质量、速度、位置等，这些描述个质量、速度、位置等，这些描述个别分子的物理量称为别分子的物理量称为微观量微观量。宏观量宏观量P、V、T微观量微观量m、v、r等等状态方程：理想气体平衡态宏观参量间的函数关系。状态方程：理想气体平衡态宏观参量间的函数关系。112212P VP VTT 对一定质量对一定质量的同种气体的同种气体理想气体宏观定义：遵守三个实验定律的气体。理想气体宏

5、观定义：遵守三个实验定律的气体。玻义耳定律PV=常数查尔斯定律V/T=常数盖吕萨克定律V/n=常数T不变P不变T、P不变M为气体的质量，为气体的质量，为气体的摩尔质量。为气体的摩尔质量。R8.315 J/(molK)为摩尔气体常量。为摩尔气体常量。 MP VR T理想气体状态方程理想气体状态方程pV = nRT R摩尔气体常数摩尔气体常数在标准状况下，在标准状况下，p =101.325 kPa, T=273.15 Kn=1.0 mol时时, Vm=22.414L=22.41410-3 m3nTpVR R=8.315 kPa L mol-1 K-1或或 8.315Pa m3 mol-1 K-1理

6、想气体状态方程：理想气体状态方程：11KmolJ 315. 8K 15.273mol 1.0m 1022.414Pa 101325331. 计算计算p，V，T，n中的任意物理量中的任意物理量2. 确定确定气体的摩尔质量气体的摩尔质量MmnM = Mr (gmol-1)理想气体状态方程的应用理想气体状态方程的应用pVmRTM RTMmpV nRTpV 用于用于温度不太低，压力不太高的真实气体。温度不太低，压力不太高的真实气体。pV = nRT =RTpMpVmRTM = m / VpRTM3. 确定的确定的气体密度气体密度例例1、容积为、容积为1010-3m3的钢瓶内盛有氢气，假定的钢瓶内盛有氢

7、气，假定在气焊过程中，温度保持在气焊过程中，温度保持27C不变，问当瓶内压不变，问当瓶内压强由强由50atm降为降为10atm时，共用去多少氢气？时，共用去多少氢气？解：解：1111MPVRT 1111PVMRT 533501.0131010102108.31300.15 24.0610kg 对于初始状态，按照状态方程有对于初始状态，按照状态方程有得得2222MP VRT 2222P VMRT 533101.0131010102108.31300.15 38.110kg 12MMM 2324.0610-8.1103.2510kg 对于终了状态，按照状态方程有对于终了状态，按照状态方程有得得所以

8、所以组分气体：组分气体： 理想气体混合物中每一种气体叫做组理想气体混合物中每一种气体叫做组分气体。分气体。分压：分压： 组分气体组分气体B在相同温度下占有与混合在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体气体B的分压。的分压。VRTnpBB 1.1.1 分压定律分压定律分压定律：分压定律： 混合气体的总压等于混合气体中各组分混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。气体分压之和。 p = p1 + p2 + 或或 p = pi VnRTp ,2211VRTnpVRTnpVRTnnVRTnVRTnp2121 n =n1+ n2+ 分压的

9、求解：x B B的摩尔分数VRTnpBBBBBxnnppVnRTp pxpnnpBBB 例题：例题：某容器中含有某容器中含有NH3、O2 、N2等气等气体 的 混 合 物 。 取 样 分 析 后 ， 其 中体 的 混 合 物 。 取 样 分 析 后 ， 其 中n(NH3)=0.320mol，n(O2)=0.180mol，n ( N2) = 0 . 7 0 0 m o l 。 混 合 气 体 的 总 压。 混 合 气 体 的 总 压p=133.0kPa。试计算各组分气体的分压。试计算各组分气体的分压。解：解：n= n(NH3)+n(O2)+n(N2)=1.200mol=0.320mol+0.18

10、0mol+0.700mol35.5kPakPa0 .133200. 1320. 0pnnp33NH)NH(p(N2) = p p(NH3)p(O2) = (133.035.520.0) kPa = 77.5 kPapnnp)O()O(220.180133.0kPa20.0kPa1.200分压定律的应用分压定律的应用 例题：例题：用金属锌与盐酸反应制取氢气。用金属锌与盐酸反应制取氢气。在在25下，用排水集气法收集氢气，集气瓶下，用排水集气法收集氢气，集气瓶中气体压力为中气体压力为98.70kPa（25时，水的饱和时，水的饱和蒸气压为蒸气压为3.17kPa），体积为），体积为2.50L。计算反。计

11、算反应中消耗锌的质量。应中消耗锌的质量。解：解： T =(273+25)K = 298K p=98.70kPa V=2.50L298K时，时，p(H2O)=3.17kPa Mr (Zn)=65.39Zn(s) + 2HCl ZnCl2 + H2(g)65.39g 1molm(Zn)=? 0.0964mol -1-1(98.703.17)kPa2.50L8.314J Kmol298Kn(H2) =65.39g0.0964mol1molm(Zn) =6.30g=0.0964mol一、溶液的组成标度一、溶液的组成标度溶液的浓度：溶液的浓度： 一定量溶液或溶剂中所含溶质的量。一定量溶液或溶剂中所含溶质

12、的量。1物质的量浓度物质的量浓度：一升溶液中所含溶质的基本：一升溶液中所含溶质的基本单元的物质的量，也称体积摩尔浓度。单元的物质的量，也称体积摩尔浓度。c(mol/L)。 VMmVnBCBBB)(公式公式2-1：1.2 1.2 溶液溶液 172272217227227227227226 . 0162 .29442.29)61()61(1 . 012 .29442.29)()(?)61( ?)( 142.29 12LmolVOCrKMmOCrKcLmolVOCrKMmOCrKcOCrKcOCrKcLOCrgK解：水溶液中，溶于：例2质量摩尔浓度质量摩尔浓度：1000g1000g溶剂中所含溶剂中所

13、含溶质的物质的量：溶质的物质的量：b(B)(molb(B)(mol/kg)/kg)。 公式公式2-22-2： ABBABmMmmnBb)(例例2-2：1.0g的氯化钠溶于的氯化钠溶于9g 水中，试水中，试计算溶液的质量摩尔浓度。计算溶液的质量摩尔浓度。1390. 1 100 . 95 .580 . 1)(kgmolmMmmnBbABBAB3物质的量分数（摩尔分数）物质的量分数（摩尔分数）：溶：溶液中某组分的物质的量与溶液总物质液中某组分的物质的量与溶液总物质的量之比。的量之比。 公式2-3：BBiiBxnnx1,4质量分数质量分数：溶液中溶质或溶剂的：溶液中溶质或溶剂的质量占溶液总质量的分数。

14、质量占溶液总质量的分数。 公式公式2-4：mmBB1.2.1 1.2.1 分散系分散系分散系：一种或几种物质以细小的粒子分散在另一分散系：一种或几种物质以细小的粒子分散在另一种物质里所形成的系称为种物质里所形成的系称为分散系分散系。 被分散的物质称为被分散的物质称为分散质分散质，亦称分散相。，亦称分散相。 把分散质分散开来的物质称为分散剂，亦把分散质分散开来的物质称为分散剂，亦称分散介质。称分散介质。 举例：举例： 食盐水溶液、蛋白质水溶液、淀粉溶液、食盐水溶液、蛋白质水溶液、淀粉溶液、 悬浊液、乳浊液、空气、海水等等。悬浊液、乳浊液、空气、海水等等。1.2 1.2 溶液溶液表表1按聚集状态分

15、类的各种分散系按聚集状态分类的各种分散系分散质分散质分散剂分散剂分散系实例分散系实例气气气气空气、家用煤气空气、家用煤气液液气气云、雾云、雾固固气气烟、灰尘烟、灰尘气气液液泡沫、汽水泡沫、汽水液液液液牛奶、豆浆、农药乳浊液牛奶、豆浆、农药乳浊液固固液液泥浆、油漆泥浆、油漆气气固固泡沫塑料、木炭泡沫塑料、木炭液液固固肉冻、硅胶肉冻、硅胶固固固固红宝石、合金、有色玻璃红宝石、合金、有色玻璃三 种 分 散 系 的 比 较分分 散散 系系微微 粒粒 直直 径径外外 观观 稳稳 定定 性性能能 否否 透透过过 滤滤 纸纸半半 透透 膜膜举例举例粗粗 分分 散散 系（悬浊系（悬浊液、乳状液）液、乳状液）

16、100nm 100nm不不 稳稳 定定 不不 透透 明明 不不 均均 一一均均 不不 能能 通通 过过泥浆，乳汁泥浆，乳汁分分 子、离子子、离子 分分 散散 系系（真溶液）（真溶液） 1nm nB， 若取若取1000g溶剂，有溶剂，有则则 p= K bB bB：质量摩尔浓度，质量摩尔浓度， molkg -1适用：难挥发的非电解质稀溶液适用：难挥发的非电解质稀溶液。ABBABBnnnnnxAAMgn1000BABnMpxpp1000*例例1 已知异戊烷已知异戊烷C5H12的摩尔质量的摩尔质量M = 72.15 gmol-1，在，在20.3的蒸气压为的蒸气压为77.31 kPa。现。现将一难挥发性

17、非电解质将一难挥发性非电解质0.0697g溶于溶于0.891g异异戊烷中，测得该溶液的蒸气压降低了戊烷中，测得该溶液的蒸气压降低了2.32 kPa。 试求出异戊烷为溶剂时试求出异戊烷为溶剂时Raoult定律中的常数定律中的常数K； 求加入的溶质的摩尔质量。求加入的溶质的摩尔质量。解 因为K = p*MA所以对于异戊烷有K = p*MA = 77.31 kPa72.15 gmol-1 =5578 kPagmol-1 = 5.578 kPakgmol-1 AABABBABB/MmnnnnnnxBBAAABB*KbbMpMmnpxpp 根据有ABBBmMmKKbp11ABBmolg188 kg100

18、00.891kPa32. 2g0697. 0molkgkPa578. 5 mpmKM例例2 已知已知293K时水的饱和蒸汽压为时水的饱和蒸汽压为2.338 kPa，将，将6.840 g蔗糖蔗糖(C12H22O11)溶于溶于100.0 g水中，计算蔗糖溶液水中，计算蔗糖溶液的质量摩尔浓度和蒸汽压的质量摩尔浓度和蒸汽压 。解： p = p*xA = 2.338 kPa0.996 4 = 2.330 kPa 1 -11 -Bkgmol0200. 0g100.0kgg1000molg342.0g840. 6b4996. 0)mol00200. 049.55(mol49.55 molg0 .342g/8

19、40. 6molgg/18.020 .100molgg/18.020 .10011 -1Ax1.液体的蒸汽压降低液体的蒸汽压降低 p与液体的本性有关与液体的本性有关 温度升高，温度升高，p增大增大 固体物质的蒸汽压一般很小固体物质的蒸汽压一般很小 易挥发性物质的易挥发性物质的 p大，难挥发性物质大，难挥发性物质的的 p 小。小。2. 溶液的沸点升高和凝固点降低溶液的沸点升高和凝固点降低(1)液体的沸点液体的沸点 液体的沸点是液体液体的沸点是液体的蒸汽压等于外界的蒸汽压等于外界压强时的温度。压强时的温度。液体的正常沸点是液体的正常沸点是指外压为指外压为101.3kPa时的沸点。时的沸点。 (2)

20、溶液的沸点升高溶液的沸点升高溶液的沸点总是高溶液的沸点总是高于纯溶剂的沸点，于纯溶剂的沸点，这一现象称之为溶这一现象称之为溶液的沸点升高。液的沸点升高。 溶液沸点升高是由溶液沸点升高是由溶液的蒸汽压下降溶液的蒸汽压下降引起。引起。 Tb = Kb b 常见溶剂的常见溶剂的T0b和和Kb值值 溶剂 Tb0 / Kb /(Kkgmol-1) 溶剂 Tb0 / Kb /(Kkgmol-1) 水 1000.512四氯化碳76.75.03乙酸 1182.93乙醚34.72.02苯802.53萘2185.80乙醇78.41.22(3)溶液的凝固点降低溶液的凝固点降低(a) 凝固点时，固态、纯溶剂液态的蒸发

21、速度与凝固点时，固态、纯溶剂液态的蒸发速度与汽态的凝聚速度相等汽态的凝聚速度相等(b)溶液的蒸发速度小于固态的蒸发速度与汽态溶液的蒸发速度小于固态的蒸发速度与汽态的凝聚速度。的凝聚速度。 溶液的凝固点降低溶液的凝固点降低是由溶液的蒸汽压是由溶液的蒸汽压下降引起。下降引起。Tf = Tf0 - Tf = Kf bB常见溶剂的常见溶剂的T0b Kb和和T0f Kf值值 溶剂 Tb0 / Kb /(Kkgmol-1) Tf0 / Kf /(Kkgmol-1) 水 1000.5120.01.86乙酸 1182.9317.03.90苯802.535.55.10乙醇78.41.22-117.31.99四氯

22、化碳76.75.03-22.932.0乙醚34.72.02-116.21.8萘2185.8080.06.9n溶液凝固点降低的应用：测定溶质的相对溶液凝固点降低的应用：测定溶质的相对分子质量（特别是小分子）。分子质量（特别是小分子）。 虽然理论上沸点升高和凝固点降低两种方虽然理论上沸点升高和凝固点降低两种方法都可测量分子量，可是后者不起破坏作法都可测量分子量，可是后者不起破坏作用、且用、且Kf值较大，故常用。值较大，故常用。1 -fABfBmolkgTmmKM例例: 将将0.638 g尿素溶于尿素溶于250 g水中，测得此溶液的凝固水中，测得此溶液的凝固点降低值为点降低值为0.079 K，试求尿

23、素的相对分子质量。，试求尿素的相对分子质量。解解 :60rM1 -1 -142molg60molkg060. 0 K079. 0g250g638. 0molkgK86. 1)HCON(M3. 渗透压渗透压(1)渗透现象和渗透压力渗透现象和渗透压力 溶剂分子通过半透膜进入到溶溶剂分子通过半透膜进入到溶液中的过程液中的过程, 称为渗透称为渗透(osmosis) 。用半透膜将溶液与水分开用半透膜将溶液与水分开, 可以看到蔗糖溶液面上升。可以看到蔗糖溶液面上升。渗透原因：溶剂分子能通过渗透原因：溶剂分子能通过半透膜，而溶质分子不半透膜，而溶质分子不能能 。条件：条件： 半透膜半透膜 膜膜两侧溶液浓度不

24、等。两侧溶液浓度不等。方向：溶剂分子从纯溶方向：溶剂分子从纯溶剂剂溶液，或是从稀溶溶液，或是从稀溶液液浓溶液。浓溶液。 渗透压渗透压定义：为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液定义：为维持只允许溶剂通过的膜所隔开的溶液与溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力。单位与溶剂之间的渗透平衡而需要的超额压力。单位: Pa或或kPa。 半透膜(a)纯溶剂溶液半透膜(b)纯溶剂溶液半透膜(c)纯溶剂溶液溶剂的净转移二二 溶液的渗透压力与浓度及温度的关系溶液的渗透压力与浓度及温度的关系 关系式：关系式： V= nRT = cRT 其中其中 V 溶液的体积（溶液的体积（L） n 该体积中所含溶质的物质的量（该体积中

25、所含溶质的物质的量（mol） c 物质的量浓度物质的量浓度 (molL-1) ，其数值与质量，其数值与质量摩尔浓度摩尔浓度B的数值接近，可用的数值接近，可用b代替代替c计算。计算。 R 常数常数 8.315 JK-1mol-1 T 绝对温度绝对温度 (273 + t)注意：若半透膜隔开的浓度不等的两个非电解质注意：若半透膜隔开的浓度不等的两个非电解质溶液，为了防止渗透现象发生，必须在浓溶液液溶液，为了防止渗透现象发生，必须在浓溶液液面上施加一超额压力，此压力是两溶液渗透压力面上施加一超额压力，此压力是两溶液渗透压力之差。之差。KPakgmolBcBbkgmolBbBbKTKTTTKKffKTf

26、ffff8 .983310314. 8381. 0381. 0)()(381. 0)()(71. 044.27215.27331044.2724211*又，时的渗透压。温结冰，求在体：人的血浆在例下一节渗透压力在医学上的意义渗透压力在医学上的意义等渗、高渗和低渗溶液等渗、高渗和低渗溶液红 血 球 在 高 渗溶 液 中 将 皱 缩（ 血 栓 形 成 ） ；红 血 球 在 等 渗溶 液 中 正 常 ；红 血 球 在 低 渗溶 液 中 将 溶 胀（ 溶 血 发 生 ） 。 按分散相粒子的大小，通常有三种分散系统1.分子分散系统 分散相与分散介质以分子或离子形式彼此混溶，没有界面，是均匀的单相，分子半

27、径在1 nm 以下 。2.胶体分散系统 分散相粒子的半径在1 nm100 nm之间，目测是均匀的，但实际是多相不均匀系统。固体分散在水中的溶胶为本节主要介绍的胶体。3.粗分散系统 当分散相粒子大于100 nm，目测是混浊不均匀系统，放置后会沉淀或分层。1.3 胶体溶液胶体溶液溶胶的特性（1）特有的分散程度 粒子的大小在1100 nm之间，因而扩散较慢，不能透过半透膜，渗透压低但有较强的动力稳定性和乳光现象。（2）多相不均匀性 粒子是由许多离子或分子聚结而成，结构复杂，有的保持了该难溶盐的原有晶体结构，而且粒子大小不一，与介质之间有明显的相界面，比表面很大。（3）易聚结不稳定性 因为粒子小，比表

28、面大，表面自由能高，是热力学不稳定系统，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。1.3.1 溶胶的制备与净化 制备溶胶必须使分散相粒子的大小落在胶体分散系统的范围之内，并加入适当的稳定剂。制备方法大致可分为两类： （1）分散法 用机械、化学等方法使固体的粒子变小 （2）凝聚法 使分子或离子聚结成胶粒溶胶的制备1.3.2溶胶的性质溶胶的性质1.溶胶的光学性质：丁达尔现象溶胶的光学性质：丁达尔现象2.溶胶的动力学性质：布朗运动溶胶的动力学性质：布朗运动 1. 布朗运动布朗运动 (Brownian motion) 的发现的发现 （1827年）年） 2. 布朗运动的解释布朗运动的解释

29、图图3.溶胶的电学性质：电泳溶胶的电学性质：电泳U形电泳仪形电泳仪1. 电泳电泳 (electrophonesis) 在外电场的作用在外电场的作用下，分散相粒子在分散介下，分散相粒子在分散介质中作定向移动的现象。质中作定向移动的现象。 1.3.3 胶团的结构 形成溶胶的必要条件是： （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。 1. 胶团的结构 胶粒的结构比较复杂，先有一定量的难溶物分子聚结形成胶粒的中心，称为胶核； 然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；

30、 胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。 胶核吸附离子是有选择性的，首先吸附与胶核中相同的某种离子，用同离子效应使胶核不易溶解。胶团的结构例1：AgNO3 + KIKNO3 + AgI (AgI)m n I (n-x)K+x xK+ 胶核胶粒胶团胶团的图示式： 胶核 胶粒(带负电) 胶团(电中性)胶团的结构表达式 ： 过量的 KI 作稳定剂 胶团的结构例2：AgNO3 + KI KNO3 + AgI (AgI)m n Ag+ (n-x)NO3x+ x NO3 胶核胶粒胶团 胶团的图示式：过量的 AgNO3 作稳定剂 胶团的结构表达式： 胶核 胶粒(带正电) 胶团(电中性)Fe(OH)Fe(OH)3 3胶团结构胶团结构xClClxnnFeOOHFex )()(3 当固体与液体接触时，可以是固体从溶液中选择性吸附某种离子，也可以是固体分子本身发生电离作用而使离子进入溶液，以致使固液两相分别带有不同符号的电荷，在界面上形成了双电层的结构。 早在879年，Hel