第1章 气体和溶液

无机及分析化学办公室：化学楼810室E-mail:hmliu2004@126.com刘红梅副教授绪论为什么学？怎么学？学什么？在原子-分子层次上研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学。化学被公认为是一门中心科学(centralscience)为什么学？化学与生命科学密切相关※化学与药物早在16世纪，欧洲化学家就提出化学要为医治疾病制造药物。

1800年，英国化学家DavyH发现了一氧化二氮的麻醉作用。后来乙醚、普鲁卡因(Procaine)...1932年，德国科学家DomagkG找到一种偶氮磺胺染料Prontosil，使一位患细菌性血中毒的孩子得以康复。在此启发下，化学家制备了许多新型的磺胺药物，并开创了今天的抗生素领域。※化学是医学和生命科学最重要的工具箱之一化学向医学和生命科学研究提供了许多重要方法，尤其是化学检验，在现代和未来医学中都将发挥不可替代的作用。※化学是学习生命科学理论知识的基础

生物化学可以认为是生命的化学，是研究微生物、植物、动物及人体等的化学组成和生命过程中的化学变化的一门科学。分子生物学是从分子水平研究生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。无机化学(InorganicChemistry)：研究除碳氢化合物及其衍生物以外的物质(单质及化合物)的组成、结构、性质及其相互变化的一门学科。学什么？无机化学理论部分内容产物(晶体结构)原子结构分子结构化学反应化学平衡沉淀平衡解离平衡氧化还原平衡配位平衡1.定性分析(Qualitativeanalysis)；2.定量分析(Quatitativeanalysis)。分析化学(AnalyticalChemistry)：研究物质化学组成、含量、结构的分析方法及有关理论的一门学科。1.化学热力学(chemicalthermodynamics)2.化学动力学(chemicalkinetics)

物理化学(Physicalchemistry)：以物理的原理和实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系中特殊规律的学科。

怎么学？预习听课笔记练习复习无机及分析化学实验自学讨论课外读物澄清师生概念Teacher/SupervisorvsDirector/AdviserLecturer---AudienceHelperandResourceFriendshipallthetime！考核方式成绩%课外作业

30%期末考试

70%回答问题

加分？总成绩

100%

(和加分？)教学内容安排第1章气体和溶液第2章化学热力学初步第3章化学平衡和化学反应速率 第4章解离平衡第5章氧化还原反应第6章原子结构、元素周期律 第7章分子结构与化学键第8章配位化合物 教学内容安排第9章生命元素及其在生物体内的作用(自学)第10章分析化学基础知识第11章酸碱滴定分析法第12章比色法与分光光度法第13章分析化学中常用的分离方法和生物试样的前处理(自学)

教材：无机及分析化学.南京大学《无机及分析化学》编写组，第四版，高等教育出版社(2003).参考书:1.无机化学.大连理工大学编,第四版,高等教育出版社(2001).2.分析化学.武汉大学主编,第四版,高等教育出版社(2001).3.无机及分析化学题解，赵中一等，华中科技大学出版社4.无机及分析化学学习指导，钟国清等，科学出版社第一章气体和溶液1-1气体一、理想气体状态方程1.理想气体:

大量分子的集合体分子—几何质点分子—分子无相互作用2.理想气体状态方程式:

pV=nRT

R

摩尔气体常数8.315kPa·L·mol-1·K-1或8.315J·mol-1·K-1标准状况下：p=101.325kPa

T=273.15K1mol气体的标准摩尔体积为22.4141L

使用公式时注意各物理量单位的统一二、Dalton分压定律

p=p1+p2+……=Σpi

说明：(1)混合物中所有组分的摩尔分数的和为1(2)道尔顿分压定律对研究混合气体非常重要衍生推导：理想气体状态方程式不仅适用于单一气体，也适用于混合气体

pi=niRT/V

p=∑pi=∑niRT/V=nRT/Vpi=(ni/n)p=xipxi=ni/n摩尔分数一、分散系(dispersesystem)分散系分散质(分散相)分散剂(分散介质)例如：葡萄糖水溶液分子分散系(d<1nm)Fe(OH)3胶体溶液胶体分散系(d:1-100nm)泥水体系粗分散系(d>100nm)1-2溶液相:物理性质和化学性质完全相同的一部分气相固相液相单相系统(均相系统)例分子分散系,又称溶液多相系统例胶体分散相粗分散相

溶液固态溶液(铝合金含镁、锰、铜)气态溶液(空气)液态溶液(水溶液，有机溶液)二、稀溶液的通性溶液的浓度→溶质的粒子数例如：稀葡萄糖水溶液；乙二醇水溶液。NaCl水溶液？不同的溶质分别溶于某种溶剂中，所得溶液的性质往往不同。但只要溶液的浓度较稀，同时溶质为难挥发非电解质，则具有一些通性，包括:蒸气压降低、沸点升高、凝固点下降及渗透压等。这类性质只与溶质粒子的数量有关,而与溶质的本性无关。依数性AnInterestingPhenomenonTwodifferentaqueoussolutionsinaclosedcontainer.Afteratime,thelevelsareunequal.Explainwhythisspontaneouschangeoccurred.在一定温度下，将某纯溶剂如纯水放入密闭的容器中纯水的蒸汽压H2O(l)H2O(g)蒸发凝聚1.液体的蒸汽压(一)溶液的(饱和)蒸汽压下降定义：一定温度时,液相蒸发速率与气相凝聚速率相等时，气液两相处于平衡状态时的蒸汽所具有的压力叫饱和蒸汽压。单位：Pa,kPa不同温度下水的蒸汽压

T/Kp/kPaT/Kp/kPa2732782832933033133230.61060.87191.22792.33854.24237.375412.333633334335336337342319.918335.157447.342670.1001101.3247476.0262影响蒸汽压的因素①纯溶剂的本性固体物质；易挥发性物质；难挥发性物质②温度2.溶液蒸汽压下降A纯溶剂B溶液难挥发的非电解质溶液:单位时间逸出液面的溶剂分子数比纯溶剂少AnInterestingPhenomenonTwodifferentaqueoussolutionsinaclosedcontainer.Afteratime,thelevelsareunequal.Explainwhythisspontaneouschangeoccurred.?氯化钙作为干燥剂pB*:纯溶剂的蒸汽压xB:溶剂的摩尔分数p:溶液的蒸汽压3.在一定温度下,难挥发非电解质稀溶液的蒸汽压等于纯溶剂的蒸汽压与溶剂的摩尔分数的乘积。4.拉乌尔(Raoult)定律∵xA+xB=1(xA溶质的摩尔分数,XB溶剂的摩尔分数)p=p*

xB=p*(1-xA)=p*-p*xA∴p*-p=p*xA令Δp=p*-p有

Δp=p*xA

Δp表示溶液的蒸汽压下降,Δp≥0拉乌尔定律的另一表示式：由于nB>>nA，若A溶于1000g溶剂B，有则Δp=K

bA

K:与溶剂性质相关的常数结论：难挥发性的非电解质稀溶液，蒸气压下降数值只取决于溶剂的本性(K)及溶液的质量摩尔浓度bbA:溶质的质量摩尔浓度(mol·kg-1)令解

K=pB*MB/1000=77.30kPa×72.15g.mol-1/1000=5.578kPa.Kg.mol-1(2)(二)溶液的沸点升高和凝固点下降BoilingPointrisingandFreezingPoint

lowering

1.液体的沸点:液体的蒸汽压等于外界压强时的温度。水的正常沸点是100℃。液体的正常沸点是指外压为101.3kPa时的沸点。b为溶质的质量摩尔浓度(mol·kg-1)Kb为溶剂的摩尔沸点升高常数2.溶液的沸点溶液的沸点总是高于纯溶剂的沸点。

Why?

溶液沸点升高是由溶液的蒸汽压下降引起。Tb=Tb-Tb0

=KbbTb0

Tbb为溶质的质量摩尔浓度(mol·kg-1)Kf为溶剂的摩尔凝固点降低常数3.溶液的凝固点凝固点:物质的固、液两相蒸汽压相等时的温度。纯水的凝固点为273K,在此温度水和冰的蒸汽压相等。

溶液的凝固点总是低于纯溶剂。溶液凝固点下降是由溶液的蒸汽压下降引起。ΔTf

=|Tf-Tf0|=KfbTf

Tf04.应用测定溶质的相对分子质量(特别是小分子)。

虽然理论上沸点升高和凝固点降低两种方法都可测量分子量，可是后者不起破坏作用、且Kf值较大，故常用。(三)溶液的渗透压(osmosispressure)渗透现象及基本原理渗透压的计算渗透压在医学上的意义1.渗透现象渗透现象:溶剂分子透过半透膜进入溶液的自发过程.半透膜：只允许某些物质透过而不允许另一些物质透过的薄膜。例:透析袋、超滤膜、细胞膜、毛细血管壁等水现象1：在鲜嫩的蔬菜上撒上盐，立即会渗出水来，蔬菜因失水而发蔫。现象2：产生渗透条件:⑴有半透膜存在⑵膜两侧单位体积内溶剂分子数目不等（溶液浓度不同）纯溶剂→溶液稀溶液→浓溶液由于溶质(葡萄糖)分子不能透过半透膜，而水分子可以自由透过。渗透方向：产生渗透原因：渗透现象会无止境地进行下去吗?单位时间内从膜两侧透过的溶剂分子数目相等时达到渗透平衡(v左=v右)。渗透压(Π):阻止渗透过程进行的压力称该溶液的渗透压。渗透压是溶液的一个重要性质，凡是溶液都具有渗透压。稀溶液浓溶液反渗透技术的应用:海水淡化，浓缩果汁,处理废水等。反渗透(reverseosmosis)

如果外加在溶液上的压力超过了渗透压，则会使溶液中的溶剂向纯溶剂方向流动，使纯溶剂的体积增加。2.溶液的渗透压力与浓度及温度的关系

关系式：Π=cART

(kPa)

其中cA—物质的量浓度(mol·L-1)

R—8.315J·K-1·mol-1

T—绝对温度

(273+t)Π=bART(在浓度很稀时，b≈

cA)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，必须在浓溶液液面上施加一超额压力，此压力是两溶液渗透压力之差。3.渗透压在医学、生物学上的意义细胞都具有半透膜的性质，渗透现象普遍存在医学上的等渗、高渗和低渗溶液是以血浆的渗透压为标准确定的。正常人血浆的渗透浓度：303.7mmol·L-1临床上规定：等渗溶液：cos280-320mmol·L-1

高渗溶液：cos

＞320mmol·L-1

低渗溶液：cos

＜280mmol·L-10.9%的生理盐水及5%的葡萄糖溶液都是等渗溶液。当红细胞处于等渗、低渗或高渗的溶液时，会发生什么现象？淡水鱼与海水鱼的区别?Aninterestingquestion:电解质稀溶液？Δp=iK·bAΔTb=iKb·bAΔTf=iKf·bA难挥发的非电解质稀溶液的依数性:

Δp=K·bAΔTb=Kb·bAΔTf=Kf·bA

对AB型强电解质(NaCl),i≈2A2B型(Na2SO4)或AB2型(MgCl2)强电解质，i≈3(近似值)。i:校正因子CaCl2HClC12H22O11?小结：Π=bART的依数性:胶粒可以是一些小分子、离子或原子的聚集体，也可以是单个的大分子。分散介质可以是液体、气体，或是固体。溶胶:由固相物质高度分散到水中所形成的多相分散系统。溶胶的特征:多相性、高分散性、热力学不稳定性。胶体是一种或几种物质以微粒的形式(胶粒)分散在另一种物质中形成的分散体系，胶粒的大小1~100nm。1-3胶体溶液1.动力学性质---布朗运动(不规则运动)溶胶中的胶体粒子在超微显微镜下被观察到不断地做不规则运动。一、溶胶的性质布朗运动示意图布朗运动的本质2.光学性质---丁铎尔效应丁铎尔效应产生的原因:当分散粒直径(粗分散系)

＞入射光波长→光投射在粒子上起反射作用→反射光。当分散粒直径(胶体分散系)

＜入射光波长→光波可绕过粒子前进且迫使粒子振动→第二次波源向各方发射→散射光3.电学性质---电泳

在外电场作用下，带电胶粒在介质中定向移动的现象称电泳。胶体粒子带电荷正溶胶；负溶胶1.胶团结构吸附层与扩散层带电荷相反，形成扩散双电层吸附层扩散层二、胶团结构和电动电势例如，Fe(OH)3溶胶(带电)(带电)(电中性)FeCl3+3H2O→Fe(OH)3+3HClFe(OH)3+HCl→FeOCl+2H2OFeOCl→FeO+