基础化学第1章-气体、溶液和胶体

1、基础化学第1章 气体、 溶液和胶体1.1 气体1.3 溶液及其浓度表示方法1.5 非电解质稀溶液的依数性教学要求： 1.掌握理想气体状态方程和分压定律。 2.掌握溶液浓度的表示方法和有关计算。 3.理解溶液的蒸汽压下降和拉乌尔定律、溶液的沸点升高、溶液的凝固点下降、溶液的渗透压和反渗透。重点： 理想气体状态方程和分压定律，溶液浓度的表示方法和有关计算。难点： 理想气体状态方程和分压定律，溶液浓度的表示方法和有关计算；稀溶液依数性的。 1.1 气体 1.1.1 理想气体状态方程式 1.1.2 理想气体分压定律 气体的基本特征是它的无限膨胀性和无限渗混性。不管容器的大小以及气体量的多少，气体都能充

2、满整个容器，而且不同气体能以任意的比例相互混合从而形成均匀的气体混合物。此外，气体的体积随体系的温度和压力的改变而改变，因此研究温度和压力对气体影响是十分重要的。 1.1.1 理想气体状态方程式 在压力不太高和温度不太低时的气体，温度、压力和体积之间存在如下的关系： pV=nRT 理想气体状态方程式式中：n气体物质的量，单位为mol； V气体的体积，单位为L； T气体的温度，单位为K； P气体的压力，单位为Pa； R气体常数，其值为8.314 kPaLmol1K1。 理想气体状态方程式也可表示为另外一种形式：pV=RT 式中：m气体的质量，单位为g； M气体的摩尔质量，单位为g/mol。 例1

3、 1 已知淡蓝色氧气钢瓶容积为50L，在20时，当它的压力为1000kPa时，估算钢瓶内所剩余氧气的质量。（见教材 P3） pV=RT 根据：m= 656.8(g) 1.1.2 理想气体分压定律 在混合气体中，某组分气体所产生的压力称为该组分气体的分压。它等于在温度相同条件下，该组分气体单独占有与混合气体相同体积时所产生的压力。 事实上，我们不可能测量出混合气体中某一个组分气体的分压，只可能测出混合气体的总压。 道尔顿分压定律 混合气体的总压等于各组分气体的分压之和。 pC + pD 式中： pCC 组分的分压 pDD 组分的分压如果混合气体由C和D两组分组成，则有： 分压定律可表示为：式中：

4、 p混合气体的总压力 pi i 组分气体的分压 如果混合气体中各组分气体的物质的量之和为n总，温度T时混合气体的总压力为p总，体积为v，根据理想气体的状态方程式则有： 混合气体中 i 组分气体的状态方程式则可写成： 将（2）式除以（1）式则得到下面的关系式：（1）（2）或写成：则：令：为 i 组分气体的摩尔分数 此式是道尔顿分压定律的另一种表示形式，它表示混合气体中 i 组分气体的分压等于混合气体的总压力乘上该组分气体的摩尔分数。 在一定温度和压力下，混合气体中 i 组分气体的分体积（Vi）也可以定义为混合气体的总体积乘以 i 组分气体的物质的量分数，即： Vi = = xi 同理：对于混合气

5、体来说: 各组分的分压之和等于总压力，即pi p总 各组分的体积之和等于总体积，即vi v总各组分的摩尔分数之和等于1，即xi1各组分的体积分数之和等于1，即vi 1 根据上面的讨论，我们可以得出下面的关系式：=例1-2 实验室用KClO3分解制取氧气时，25、100kPa压力下，用排水集气法收集到氧气0.245 L（收集时瓶内外水面相齐）。已知25时水的饱和蒸气压为3.17kPa，求在0、100kPa时干燥氧气的体积。V2 = 0.217 L在0、100kPa压力下得干燥氧气的体积为0.217 L。1.3 溶液浓度的表示方法 溶液可以分为液态溶液（如糖水、食盐水）、固态溶液（如合金）、气态溶

6、液（如空气）。通常所说的溶液指的是液态溶液，由溶质和溶剂组成。水是最常用的溶剂，如不特殊指明，本书讨论的溶液均指水溶液。 溶液的性质常与溶液中溶质和溶剂的相对含量有关。因此，在任何涉及溶液的定量工作中都必须指明溶液的浓度，即指出溶质与溶剂的相对含量。溶液的浓度可以用不同的方法表示，最常见的有以下几种： （1） 物质的量浓度（2） 物质的量分数（3） 质量摩尔浓度（4） 质量分数 （1） 物质的量浓度物质的量浓度： 单位体积中所含溶质的物质的量称为该物质的物质的量浓度，简称浓度，用符号c表示 cB为物质的量浓度，单位常用mol/L； nB为溶质B的物质的量，单位常用mol； V为溶液的体积，单位

7、常用L。 cB = n = cV 由于c =所以m溶质的质量，单位常用g ；M溶质的摩尔质量，单位为g/mol。 （2） 物质的量分数（摩尔分数） 物质的量分数(摩尔分数)：溶液中某组分物质的量占溶液总物质的量的分数，用符号x表示。 如果溶液是由A和B两种组分组成的，它们在溶液中的物质的量分别为nA和nB，则组分A、B的物质的量分数分别为： xA = 溶液中各组分的物质的量分数之和等于1即：（3） 质量摩尔浓度 一千克质量的溶剂中所含溶质的物质的量，此种表示的浓度叫做质量摩尔浓度，用符号b表示。bB = bB溶质B的质量摩尔浓度，单位为mol/kg； nB溶质B的物质的量，单位为mol；m溶剂

8、的质量，单位为kg。 （4） 质量分数 溶质的质量与整个溶液的总质量之比称为质量分数，用w表示，即wB= mB溶质B的质量，单位常用kg； m溶液的总质量，单位常用kg。 质量分数wB没有单位，过去常用百分含量表示，但不能称为质量百分比浓度。 例1 3 已知质量分数为10%的盐酸溶液，密度为1.047g/mL。计算：（1）HCl的物质的量浓度；（2）HCl的质量摩尔浓度；（3）HCl的物质的量分数。 1.5稀溶液的依数性 稀溶液的依数性： 指溶液的某些性质仅依赖于溶质粒子的数量，而与溶质自身性质无关。 稀溶液的依数性包括：溶液的蒸气压下降、溶液的沸点升高、溶液的凝固点下降和溶液的渗透压力等。1

9、.5.1 蒸气压下降1.5.2 沸点升高1.5.3 凝固点下降 1.5.4 溶液的渗透压本节讨论：液体的蒸气压： 1.5.1 溶液的蒸气压下降 一恒定的温度下，密闭容器内溶液和其蒸气处于气、液两相平衡状态时，蒸气所具有的压力，叫做该温度下的饱和蒸气压，简称蒸气压。 向液态的溶剂中添加少量的难挥发性的非电解质溶质，则该溶液就会表现出随着溶质总量的增加，溶液液面上蒸气压力减小的现象，这一现象称为溶液的蒸气压下降。降低的数值与溶解的非电解质的量有关，而与非电解质的种类无关。1887 年，法国物理学家拉乌尔（ Raoult） 根据大量的实验结果，指出： 在一定温度下，难挥发的非电解质稀溶液的蒸气压降低

10、值与溶解在溶剂中的物质的量分数成正比。拉乌尔定律p =x溶质 拉乌尔定律的另一表达形式为： p溶液 =x溶剂 式中 x溶剂溶剂的物质的量分数。式中 p 溶液的蒸气压降低值； 溶剂的蒸气压； x溶质溶质的物质的量分数。 拉乌尔定律的表达形式为： 拉乌尔定律是溶液最基本定律之一，是稀溶液其它依数性的基础。 只有稀溶液中的溶剂才服从拉乌尔定律，溶质不服从拉乌尔定律。 这是因为在稀溶液中溶质的量很少，对溶剂分子间的相互作用力几乎没有影响。但是由于溶质分子的存在，降低了溶液中溶剂分子在溶液表面的覆盖度， 溶液液面上方溶剂分子的数目比纯溶剂液面上方的少， 阻碍了溶剂分子的挥发，所以使溶剂的蒸气压降低。 因

11、此难挥发非电解质溶液的蒸气压要比纯溶剂的低。例1 -5 20时，将114g蔗糖溶解到1kg的水中形成糖水溶液，溶液的蒸气压力为2.251kPa，求蔗糖摩尔质量（已知20时纯水的饱和蒸气压为2.265kPa，蔗糖摩尔质量的理论值为342g/mol）。M蔗糖 = 332 g/mol 液体的蒸气压与液体的性质和温度有关。在相同温度下，不同的液体，其蒸气压不同。温度升高时，液体的蒸气压增大。 液体的蒸气压等于外压时的温度称为液体的沸点。 液体的沸点与外压有关，外压越大，沸点就越高。液体在101.325 kPa 下的沸点称为正常沸点。1.5.2 溶液的沸点升高 什么是液体的沸点？ 在相同温度下，难挥发非

12、电解质稀溶液的蒸气压总比纯溶剂的低。当温度升高到纯溶剂的沸点时，纯溶剂的蒸气压等于外界压力而沸腾；但溶液的蒸气压则低于外界压力。要使溶液的蒸气压等于外界压力，必须升高温度。这样必然导致溶液的沸点高于纯溶剂的沸点，这种现象称为溶液的沸点升高。图1 -1 溶液的沸点上升沸点的升高值: Tb=Tb-Tb 实验表明：难挥发非电解质稀溶液的沸点升高值 与溶质B的质量摩尔浓度bB成正比。Tb kb为溶剂的沸点升高常数，单位为Ckgmol1 bB为溶液的质量摩尔浓度。 沸点升高常数kb只与温度和溶剂的性质有关，与溶质的性质无关。 沸点升高公式只适用于含非挥发性溶质的非电解质稀溶液。 1.5.3 凝固点下降

13、凝固点（或熔点） 是在一定外压下（通常是101.325kPa）物质的固相蒸气压与液相蒸气压相等时的温度。 例如：水的凝固点是冰水共存达平衡时的温度，此时水和冰有共同的蒸气压。 非电解质稀溶液会表现出随着溶质总量的增加而凝固点下降的现象，这一现象称为溶液的凝固点下降。 溶液的凝固点下降也是由于溶液的蒸气压下降引起的（图1 -2）。 图1 -2 溶液的凝固点下降凝固点降低值可用下面的公式表示为： Tf = T Tf f 表示凝固点T 和Tf 表示纯水和水溶液的凝固点温度。 实验表明：溶液的凝固点下降值与溶液的质量摩尔浓度成正比关系：kf为溶剂的凝固点下降常数，单位为Ckgmol1 bB为溶液的质量

14、摩尔浓度 凝固点下降公式不仅适用于含非挥发性溶质的非电解质的稀溶液，也适用于含挥发性溶质的电解质的稀溶液。 kf只与温度和溶剂的性质有关，与溶质的性质无关。例1-6 在25.00g的苯中加入0.244g的苯甲酸，测得凝固点下降值为0.2048C。求苯甲酸在苯中的分子式。 解: 查表可得苯的凝固点下降常数为5.12Ckgmol1。据凝固点下降公式：Tf = KfbB可以计算出bBb苯甲酸 = = =解得M苯甲酸 = 244 g/mol由于苯甲酸C6H5COOH的摩尔质量为122 g/mol，所以苯甲酸在苯中的分子式为(C6H5COOH)2，是一个二聚体。1.5.4 溶液的渗透压 1.5.4.1

15、渗透压 有这样一种膜，膜上具有许多微小的孔， 它们只允许某种或某些物质透过，而不允许另外一些物质透过，例如只能允许比较小的溶剂分子（水分子）通过，而不能允许较大的溶质分子（例如蛋白质分子、糖分子等）通过，或者不允许悬浮颗粒通过，这种膜称为半透膜。 许多天然的或人造的薄膜对于物质的透过都有选择性，图1 -3 渗透现象和渗透压(a)渗透发生前；(b)渗透现象；(c)渗透压 这种只有溶剂分子通过半透膜自动扩散的过程叫渗透。 水分子通过半透膜从纯水进入溶液或从稀溶液进入较浓溶液的现象称为渗透现象。渗透现象产生的原因： 渗透现象的产生是由于半透膜两侧与膜接触的溶剂分子数目不等引起的。相同体积的纯水内的水

16、分子数目比溶液的多，由于溶剂水分子能自由通过半透膜，而溶质分子不能通过。因此在相同时间内由纯水通过半透膜进入溶液的水分子数目要比由溶液进入纯水的多，其结果是水分子从纯水进入溶液。 水分子从纯水向溶液方向渗透的速度快，导致溶液液面不断升高，其水的净压力渐渐增加，结果使溶液一侧的水分子渗入稀溶液的速度渐渐加快，当这种压力增加到一定值时，恰好使半透膜两侧水分子的渗透速度相等，渗透达到平衡，溶液的液面不再上升。 由此可见，产生渗透作用必须具备两个条件：一是要有半透膜存在；二是膜两侧单位体积内溶剂的分子数不等，即存在浓度差。 我们要阻止纯水透过半透膜进入溶液，使渗透现象不发生，就必须在溶液的液面上施加一

17、定的压力。见图13（c) 这种恰好能阻止渗透进行而施加于溶液液面上的额外压力称为溶液的渗透压。渗透压是阻止纯溶剂中的溶剂分子进入溶液的最小压力。 注意：溶液的渗透压只有溶液和纯溶剂被半透膜隔开时才能显示出来，凡是溶液均能产生渗透压。 渗透压力与浓度、温度的关系 1877 年，德国植物学家 Pfeffer 用人工制成的半透膜测量蔗糖水溶液的渗透压力。发现了如下两个规律： （1）在热力学温度一定时，稀溶液的渗透压力与溶液的浓度成正比； （2）在浓度一定时，稀溶液的渗透压力与热力学温度成正比。 1886 年，荷兰物理学家范特霍夫(Vant Hoff) 归纳出渗透压力与浓度、温度之间的关系,指出： 当

18、温度一定时，稀溶液的渗透压与溶液的物质的量浓度成正比，当浓度一定时，稀溶液的渗透压与绝对温度成正比。范特霍夫渗透压定律 范特霍夫渗透压定律表示式为： cBRT 为渗透压，单位为kPa； R为气体常数（8.314kPaLmol-1K-1）； T为绝对温度，单位为K； cB为物质的量浓度，单位为mol/L。 渗透压在生物学中具有重要的意义，因为有机体细胞膜大多具有半透膜的性质。例如: 植物细胞汁的渗透压可达到2026kPa，所以树木可以长到数十米； 人体血液平均渗透压为780kPa，当我们出汗过多，或者吃了过咸的食物，就会引起渗透压升高，产生口渴的感觉； 如果喝了大量的水，使体内的可溶物浓度下降，就会使渗透压下降。1.5.4.2 反渗透 反渗透又称逆渗透，实际上是一种渗透过程的逆过程。在渗透过程中，如果外加在溶液液面上的压力超过了渗透压的压力，就会产生另外一种情况